Il quadro di riduzione delle emissioni globali, dagli standard del veicolo a bassa emissione californiano alle proposte dell'Unione europea per l'Euro 7, ha reso gli ossidi di azoto (NOx) la sfida di definizione dei moderni motori a combustione.

Formazione NOx in Otto Cycle Engines

Il percorso termico NOx

NOx non è un singolo composto ma un termine collettivo per l'ossido nitrico (NO) e l'anidride carbonica (NO2). Nei motori a ciclo di Otto, oltre il 90% del motore-out NOx è sotto forma di NO, che viene prodotto principalmente attraverso il meccanismo termico descritto dal meccanismo esteso Zeldovich. Le tre reazioni principali sono:

  1. N2 + O χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ
  2. N + O2 χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ χ
  3. N + OH QUE QUESTO ORA + H

La prima reazione è il passaggio limitato al tasso ed è altamente endotermico, che richiede un'energia di attivazione significativa. Questa energia è fornita da alte temperature di gas. Il tasso di formazione termica NO segue un rapporto esponenziale di tipo Arrhenius con la temperatura. In termini pratici, questo significa che una volta che la temperatura in-cilindro supera approssimativamente 1,800°C, la formazione NO accelera drammaticamente.

Il ruolo del rapporto di equivalenza e il TWC Constraint

Mentre una miscela di gasolio magra riduce il consumo di carburante, aumenta contemporaneamente la disponibilità di ossigeno e la temperatura di combustione, portando ad un maggiore rendimento del motore NOx. Al contrario, una miscela ricca raffredda i prodotti di combustione attraverso la dissociazione endotermica e l'aumento del calore specifico del combustibile in eccesso, sopprimendo NOx, ma aumentando significativamente le emissioni di CO e HC. Il catalizzatore a tre vie è in grado di convertire contemporaneamente solo HC, CO, CO, e CO, CO, CO, CO, e HC, CO, CO, CO, CO, CO, CO, CO, CO, CO, CO, e HC, E, E,

Fondamenti della ricircolo dei gas di scarico

EGR diverte una parte controllata del flusso di scarico del motore, che si abbatte sul sistema di aspirazione. Il gas ricircolo è costituito principalmente da azoto (N2), anidride carbonica (CO2) e vapore acqueo (H2O) - tutti con una maggiore capacità termica specifica rispetto all'aria fresca che si dislocano.

Meccanismi della riduzione del NOx via EGR

La soppressione di NOx da parte di EGR è il risultato di tre effetti distinti ma sinergici, che comprendono questi meccanismi è fondamentale per una calibrazione e un design del sistema efficaci.

Effetto di diluizione termica

Il meccanismo dominante è termico. Il CO2 inerte e H2O nel flusso EGR possiedono una maggiore capacità di calore specifica (Cp) per massa unitaria rispetto alla N2 e O2 nell'aria ambiente. Durante i colpi di compressione e combustione, questa massa termica più alta assorbe una maggiore quantità di calore rilasciato dall'ossidazione del combustibile. Il risultato è una temperatura di picco inferiore bruciato-gas per la stessa quantità di energia del combustibile.

Effetto di spostamento dell'ossigeno

L'EGR si sposta una parte della carica di assunzione fresca, riducendo efficacemente la pressione parziale dell'ossigeno all'interno del cilindro. I tassi di reazione ascendente di Zeldovich sono direttamente proporzionali alla concentrazione dell'ossigeno atomico. Riducendo la disponibilità di ossigeno, la cinetica chimica della formazione NO è rallentata. Questo effetto è particolarmente efficace durante le prime fasi di combustione quando le temperature sono più alte e l'ossigeno è più abbondante.

Chimica e riduzione della velocità di fiamma

La presenza di vapore acqueo può promuovere la formazione radicale di OH, che può facilitare la riduzione di NO che ha già formato. Inoltre, la diluizione rallenta la velocità di fiamma laminare. Un'operazione di combustione più lenta sposta la graduale riduzione del calore di picco in seguito al ciclo (verso il centro superiore morto), che riduce meccanicamente la pressione di picco e la riduzione della temperatura.

Architettura del sistema EGR per Otto Cycles

I progettisti di motori hanno sviluppato diverse architetture distinte per l'implementazione di EGR, ognuna offrendo compromessi unici tra costo, prestazioni, risposta transitoria e complessità di integrazione.

Interno EGR tramite Valvola Variabile

L'EGR interno è ottenuto manipolando il periodo di sovrapposizione tra gli eventi della valvola di scarico e di assunzione. Tracciando gas di scarico residui nel volume di sdoganamento o riaspirandoli dalla porta di scarico, il motore raggiunge la diluizione della carica senza hardware esterno. Si tratta di una strategia estremamente conveniente per il funzionamento del carico leggero, dove la frazione di gas residuo (RGF) può variare dal 5% al 15%.

EGR (HP) EGR

Il loop HP EGR diverte lo scarico dall'alto della turbina turbocompressore a valle del compressore (o del gas) e fornisce una risposta rapida e un imballaggio compatto. La forza di guida per il flusso è il differenziale di pressione positivo tra il collettore di scarico e il collettore di aspirazione. HP EGR è altamente efficace attraverso la gamma di carico medio, ma diventa impegnativo a carico elevato, dove la pressione del collettore di aspirazione deve superare la pressione di scarico posteriore.

Pressione bassa esterna (LP) EGR

LP EGR, noto anche come EGR lungo percorso, disegna lo scarico a valle del catalizzatore a tre vie e del filtro particolato. Il gas viene poi raffreddato e introdotto a monte del compressore turbocompressore. Questa architettura fornisce un differenziale di pressione favorevole su un range di funzionamento molto più ampio, tra cui carichi elevati, consentendo maggiori tassi EGR. Il gas è anche significativamente più pulito e più freddo, che riduce la carica di compressore evidenziata e consente una maggiore

EGR dedicato (D-EGR)

Una variante avanzata di EGR, Dedicated EGR, permette di risalire all'intero flusso di scarico di uno o più cilindri nel collettore di aspirazione, che opera in un rapporto più ricco di aria-fuglia, producendo un riformato ricco di idrogeno (H2) e monossido di carbonio (CO). L'introduzione di idrogeno, che ha una velocità di fiamma estremamente elevata, compensa l'effetto di combustione-slowing dell'EGR, permettendo al motore di tollerare l'architettura totale del 25%

EGR Raffreddamento e gestione termica

Il gas di scarico ricircolo di condensa è essenziale per massimizzare i vantaggi di EGR. Senza raffreddamento, il gas di scarico caldo aumenta la temperatura di carica di assunzione, che contrasta il beneficio della densità e aumenta la propensione per il busto. Un raffreddatore EGR è uno scambiatore di calore liquido-gas che riduce la temperatura del gas di scarico a vicino alla temperatura del motore refrigerante (tipicamente 90-110°C).

Strategie di gestione e controllo elettronico

L'efficacia di un moderno sistema EGR dipende interamente dalla sofisticazione della sua logica di controllo. L'ECU deve misurare con precisione il flusso EGR attraverso una vasta gamma di velocità e carichi del motore, mentre si gestendo simultaneamente i tempi di scintilla, l'iniezione del carburante, la spinta del turbocompressore e la tempistica della valvola variabile.

Controllo a chiusura e a base di modelli

I sistemi moderni impiegano feedback a ciclo chiuso utilizzando un sensore di pressione differenziale attraverso un orifizio calibrato o, più comunemente, una combinazione di flusso di aria di massa (MAF) e sensori di temporizzazione assoluta (MAP) per dedurre la frazione EGR. Le strategie basate sul modello consentono all'ECU di calcolare il tasso EGR ottimale per qualsiasi punto di funzionamento, bilanciando la riduzione di NOx rispetto alla stabilità di picco di combustione e di efficienza dinamica.

Compensazione transitoria e raffreddore

L'operazione transitoria, come la punta in entrata (applicazione a pedale acceleratore), pone una sfida significativa: l'apertura rapida della valvola EGR può causare un ritardo di coppia in quanto il gas inerte si sposta a carica fresca. Per evitare questo, l'ECU chiude tipicamente la valvola EGR durante gli eventi transitori e modula il gas per mantenere la risposta a coppia.

Performance Trade-off e limitazioni pratiche

Mentre EGR è uno strumento potente per la riduzione del NOx e il miglioramento dell'efficienza, non è senza inconvenienti. La limitazione fisica primaria è la stabilità della combustione. Come aumenta il tasso EGR, il coefficiente di variazione (COV) di pressione effettiva indicata (IMEP) aumenta.

Toc toc Mitigation e abilitazione di più alta compressione ratio

Uno dei vantaggi secondari più significativi di EGR è il suo potente effetto anti-knock. Knock è l'accensione automatica del gas finale davanti al fronte fiamma, ed è una barriera primaria per aumentare il rapporto di compressione e l'efficienza termica dei motori turbo-accensione scintilla. Diluire la carica e abbassare la temperatura di fiamma, EGR riduce notevolmente la reattività del gas finale, rendendolo molto più resistente all'accensione automatica.

Impatto sulle emissioni non-NOx

Le temperature di combustione inferiori possono sopprimere l'ossidazione di CO e HC, portando a livelli di motore più elevati di queste specie. Tuttavia, poiché il motore funziona a stoichiometrico, il catalizzatore a tre vie è altamente efficace nel convertire questi livelli di combustione più elevati, a condizione che il catalizzatore sia caldo.

EGR in Powertrains ibrido elettrico

L'ibridazione crea un ambiente ideale per massimizzare il potenziale EGRs. In un ibrido completo, il motore elettrico può gestire le esigenze di coppia transitoria, permettendo al motore di combustione interno di operare in una finestra di carico di velocità più stretta e costante. In queste condizioni, il motore può essere calibrato aggressivamente con alti tassi EGR per raggiungere l'efficienza termica di picco, senza preoccuparsi di trasversalità o di coppia.

EGR in futuro e motori alternativi di carburante

Motori di combustione dell'idrogeno

Il ruolo del motore a combustione interna in un futuro decarbonizzato dipende fortemente dalla sua capacità di funzionare su combustibili a zero-carbonio come l'idrogeno. ICEs affrontano una sfida unica di combustione: l'alta velocità di fiamma dell'idrogeno e i limiti di infiammabilità ampi portano a temperature di picco estremamente elevate e, di conseguenza, livelli di NOx molto elevati di motore se si corre a miscele di scarico stoichiometrico o quasi-stochiometrico.

Sintetico ed e-Fuels

Per i combustibili sintetici e gli e-fuels, chimicamente simili alla benzina convenzionale e al diesel, EGR continuerà a svolgere il suo ruolo consolidato. La compatibilità dei sistemi EGR con questi combustibili a goccia è ben compresa, e la tecnologia rimarrà un pilastro della loro combustione pulita ed efficiente nei motori azionati da scintilla.

Conclusioni

La ricircolo di gas di scarico nel motore a ciclo di Otto si è evoluta da un semplice e inaffidabile componente di emissioni in un sofisticato sottosistema multifunzionale che è centrale a moderno design del motore.