Los sistemas motopropulsores del futuro - Parte 2.pdf

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Vías de evolución de los motores de automoción 2015 -2025

Los sistemas moto-propulsores del automóvil del fut uro

� Introducción

� Los motores de hoy - Evolución 1990-2010/15� Los motores de mañana – Vías de evolución actuales 2015-2025

� Objetivos perseguidos

� Principales vías de evolución de los MEC

� Principales vías de evolución de los MEP

� Electrificación



� Introducción




Objetivos perseguidos


Vías de evolución



� Introducción






� Introducción




� Alto EGR – Combustión baja temperatura LTC

2


Alto EGR

� Acciones:� Fuerte reducción de [O2].

� Efectos principales:� Reducción de la temperatura de

llama ⇒ reducción de la formación de NOx.

� Otros efectos:� Ligera reducción del dosado al lift-

off y de la formación de partículas.

� Peor oxidación de las partículas y del CO.

� Dificulta el funcionamiento del turbogrupo ⇒ EGR baja presión.


Vías de evolución de los MEC – Alto EGR

EGR↑↑↑↑

NOx

FAP

NOx

Con

sum

o es

pecí

fico

FAPFAP

1990

200

0

2

010

202

0

2

030

EGR

Difusión

Par

tícu

las


LTC – Combustión por difusión baja temperatura

� Acciones:� Muy fuerte reducción de [O2].

� Muy fuerte reducción del φ del inyector (< 80µm).

� Efectos principales:� Fuerte reducción de la

temperatura de llama ⇒ muy baja formación de NOx.

� Fuerte reducción del dosado al lift-off ⇒ muy baja formación de partículas.

� Otros efectos:� HC y CO (muy mala oxidación).

� Consumo.


Vías de evolución de los MEC – LTC

EGR↑↑↑↑

NOx

FAP

NOx

Con

sum

o es

pecí

fico

FAPFAP

LTC

1990

200

0

2

010

202

0

2

030

EGR

Difusión

LTC? P

artí

cula

s



� Introducción





� Sistemas deNOx


Sistemas “deNOx” - Estrategia

� “deNOx” permite reducir %EGR:� Mejor oxidación de las partículas.

� Post-tratamiento de los NOx.

� Mejor rendimiento del motor.

� Problema:� ¿Cómo reducir los NOx en presencia de O 2?

EGR↑↑↑↑

NOx

Par

tícu

las

+EGRFAP

-EGR

deNOxFAP

3



� Introducción





� Sistemas deNOx

� Trampa de NOx


LNT - Trampas de NOx

2 etapas:

� Almacenamiento de NOx:� Funcionamiento normal del motor (Fr<<1).

� Oxidación NO en NO2.

� Captura del NO2 por hidróxido de bario.

� Regeneración de la trampa:� Cada 1 min aprox. (sensor de NOx).

� Motor funciona a Fr>1 (post-inyección).

� La presencia de CO invierte el funcionamiento de la trampa.

� El NO liberado se reduce (sin presencia de O2) como en un catalizador de 3 vías de MEP.

BaCO3

Ba(NO3)2BaCO3Pt

NOx storingLean mixture

NO

O2

NO2 CO2

BaCO3

Ba(NO3)2BaCO3 Pt, Rh

NOx regeneration rich mixture

CONO

O2

CO

CO2

N2


LNT - Trampas de NOx

� Ventaja: No necesita aditivo.

� Inconvenientes:� Eficiencia de conversión no muy alta (~ 70-80% maxi) y muy dependiente de la

temperatura.

� Coste elevado de Pt y Rh.

� Aumento del consumo (~ 3%) por las fases con Fr>1.

� Muy sensible a la presencia de azufre.

� Necesidad de combustible de muy bajo azufre.

� Necesidad de funcionamiento periódico a muy alta temperatura para descomponer el BaSO4.

� Aplicaciones:� MEP de inyección directa de carga estratificada (años 2000).

� MEC automóviles de baja potencia, combinado con alto EGR.


Vías de evolución de los MEC – Trampas de NOx

EGR↑↑↑↑

NOx

FAP

NOx

Con

sum

o es

pecí

fico

FAP

FAPFAP

LTC

1990

200

0

2

010

202

0

2

030

EGR

Difusión

NOx-trap+ FAP

LTC?

NOxTrap

Par

tícu

las

?



� Introducción





� Sistemas deNOx

� Trampa de NOx

� Reducción catalítica selectiva SCR


SCR – Reducción catalítica selectiva

� Reducción de NO y NO2 por NH3, incluso en presencia de O2.

� Catalizador (TiO2 / V2O5 / WO3 …) de bajo coste.� Generación de NH3 a partir de urea (AdBlue), por seguridad.

� Reducción más eficiente para NO2.

� Control de las emisiones de NH3 ⇒ 2 soluciones:� Catalizador de oxidación.

� Dosificación baja de urea, en detrimento de la eficiencia.

HY SCR

AdBlue

OX

4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O

OX

8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O

Reducción NOx

Oxidación amoniaco

CO(NH2)2 + H2O →→→→ 2NH3 + CO2

Hidrólisis urea

2NO + O2 → 2NO2

Oxidación NO

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Exhaust sensor

Exhaust temp.-

sensor

Dosing-

valve

CompressorAir reservoirDosing systemUrea tank

Pressure regulatorPressure

regulator

Pump

DosingECU

CAN-Bus

Temperaturesensor

NO + NO2 + 2NH3

2N2 + 3H2O

Exhaust sensor

Exhaust temp.-

sensor

Dosing-

valve

CompressorAir reservoirDosing systemUrea tank

Pressure regulatorPressure

regulator

Pump

DosingECU

CAN-Bus

Temperaturesensor

NO + NO2 + 2NH3

2N2 + 3H2O



� Ventajas:� Eficiencia de conversión bastante alta (> 80%).

� Alta estabilidad térmica.

� Ganancia en consumo (2 a 4%):� No hay penalización por regeneración…� Permite trabajar con menos %EGR.

� Bajo coste del catalizador.

� Inconvenientes:� Necesidad de un aditivo:

� Consumo AdBlue ~ 2 a 4% del gasto de combustible.

� Coste depósito + sistema de dosificación, red de distribución.

� Funcionamiento en frío.

� Aplicaciones:� MEC de camiones desde finales años 2000.

� MEC automóviles de media-alta potencia, con bajo EGR.


Vías de evolución de los MEC – SCR

EGR↑↑↑↑

NOxFAP

FAP

NOx

Con

sum

o es

pecí

fico

SCR

FAP

FAP+SCR

FAPFAP

LTC

1990

200

0

2

010

202

0

2

030

EGR

Difusión

SCR+FAP

NOx-trap+ FAP

LTC?

NOxTrap

Par

tícu

las

?



� Introducción





� Sistemas deNOx

� Trampa de NOx

� Reducción catalítica selectiva SCR

� Combustión homogénea HCCI


HCCI – combustión generalizada controlada

� Acciones:� Adelanto de la inyección.� Aumento tiempo de retraso (EGR).

� Combustión generalizada pobre controlada (suavizada) por el alto EGR.

� Efectos principales:� Ausencia de llama de difusión ⇒ ausencia de partículas.

� Muy baja temperatura de llama ⇒ muy bajos NOx.

� Combustión rápida ⇒ alto rendimiento.

� Otros efectos:� HC, ruido, dificultad de control.� Limitado a carga media/baja.


Vías de evolución de los MEC– HCCI

EGR↑↑↑↑

NOxFAP

FAP

NOx

Con

sum

o es

pecí

fico

SCR

FAP

FAP+SCR

FAPFAP

LTC

HCCI 1990

200

0

2

010

202

0

2

030

EGR

Difusión Gen.

SCR+FAP

NOx-trap+ FAP

LTC

HCCI

? ?

?

NOxTrap

Par

tícu

las

5



� Introducción







� Introducción





� Situación actual MEP GDI + down-sizing + VVT


Objetivos perseguidos


Situación actual MEP GDI + down-sizing + VVT





Régimen

PM

E

Bombeo

Protección contra detonación

� Fr>>1� Rendimiento �

� HC y CO ��

Protección turbina

� Retraso encendido� Rendimiento �

NEDC

WLTP

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� Introducción






� Inyección de agua


Inyección de agua

� Acción� Inyectar agua en la admisión a carga elevada

� Efectos directos� Reduce temperatura de la carga

� Reduce tendencia a la detonación

� Reduce temperatura de entrada turbina

� Ventajas finales� Menos retraso del encendido � Rendimiento � a carga alta

� Supresión del Fr>1 � Rendimiento � a carga alta y emisiones CO, HC �

o bien

� Aumento de la relación de compresión � Rendimiento � en todo el mapa



� Introducción







� EGR


EGR

� Acción� Recircular gases de escape (enfriados) a plena carga y a baja carga

� Efectos directos� Reduce tendencia a la detonación


� Reduce estrangulamiento de admisión

� Ventajas finales� Menos trabajo de bombeo � Rendimiento � a carga baja

� Menos retraso del encendido � Rendimiento � a carga alta


o bien




� Introducción







� EGR

� EGR + reformado


EGR con reformado

� Acción� 1 cilindro dedicado a producir EGR con Fr>1

� Reformador HC/CO � H2

� Efectos directos� Reduce fuertemente la tendencia a la detonación


� Reduce estrangulamiento de admisión

� Ventajas finales� Menos trabajo de bombeo � Rendimiento � a carga baja

� Menos retraso del encendido � Rendimiento � a carga alta


o bien


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� Introducción







� EGR

� EGR + reformado

� Relación de compresión variable


Relación de compresión variable

� Acción� Variación de la relación de compresión geométrica en función de la carga

� Ventajas finales � Fuerte mejora del rendimiento a baja/media carga



� Introducción







� EGR

� EGR + reformado


� GNV


Gas natural - GNV

� Acción� Sustituir la gasolina por GNV, con inyección directa

� Efectos directos� Reduce fuertemente la tendencia a la detonación

� Posibilidad de aumentar la relación de compresión

� Al ser inyección directa, no modifica el rendimiento volumétrico

� Ventajas finales� Aumento del rendimiento en todo el rango de funcionamiento



� Introducción







� EGR

� EGR + reformado


� GNV

� Mejora del ciclo - expansión aumentada


Ciclos con expansión aumentada

� Acción� Modificar el ciclo para reducir las pérdidas de energía a la apertura del escape

Ciclo Miller Cilindro de expansión Biela artic ulada

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Ciclo Miller

Vol.

Pre

sión

Cil. Otto

Cil. Atkinson

� Aspiración natural� Pérdida de exergía en el

escape.

⇒ Ciclo Atkinson


Ciclo Miller

Vol.

Pre

sión

Cil. Otto


escape.

⇒ Ciclo Atkinson

� Turbo-sobrealimentación� Exergía en el escape

recuperada por el turbogrupo.

� Pasa a la admisión (MEC y MEP a plena carga)


Ciclo Miller

Vol.

Pre

sión

Cil. Otto

Cil. Miller


escape.

⇒ Ciclo Atkinson

� Turbo-sobrealimentación� Exergía en el escape

recuperada por el turbogrupo.

� Pasa a la admisión (MEC y MEP a plena carga)

⇒ Ciclo Miller para MEP a cualquier carga



� Introducción







� EGR

� EGR + reformado


� GNV


� GDI estratificada - FAP + deNOx


Vuelta a la inyección directa estratificada

� Acción� Volver a la estratificación de la carga a baja PME

� Combinar con EGR

� Efectos directos� Reduce fuertemente el trabajo de bombeo

� Reduce las pérdidas de calor durante la combustión

� Necesita el uso de un sistema deNOx pobre, a pesar del EGR

� Necesita el uso de un FAP, incluso con inyector flexible

� Ventajas finales� Aumento significativo del rendimiento a media/baja carga



� Introducción







� EGR

� EGR + reformado


� GNV


� GDI estratificada - FAP + deNOx

� CAI

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HCCI – combustión generalizada controlada (MEC)

� Acciones:� Adelanto de la inyección.� Aumento tiempo de retraso (EGR).

� Combustión generalizada pobre controlada (suavizada) por el alto EGR.

� Efectos principales:� Ausencia de llama de difusión ⇒ ausencia de partículas.

� Muy baja temperatura de llama ⇒ muy bajos NOx.

� Combustión rápida ⇒ alto rendimiento.

� Otros efectos:� HC, ruido, dificultad de control.� Limitado a carga media/baja.


Combustión con auto-encendido (CAI=HCCI)

� Acción� Combustión generalizada pobre controlada (suavizada) por el alto EGR

� Limitado a baja/media carga

� Efectos directos� Reduce fuertemente el trabajo de bombeo (EGR, dosado pobre)

� Muy bajos NOx: no necesita el uso de un sistema deNOx pobre

� Sin partículas: no necesita el uso de un FAP

� Ventajas finales� Similares a la inyección estratificada, sin necesidad de post-tratamiento

específico

� Problemas� Dificultad del control del auto-encendido – mucha sensibilidad al combustible


Potencial de mejora



?

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� Introducción





� Electrificación

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Hibridación de un vehículo automóvil

� Objetivos� Evitar hacer trabajar el MT en zonas de bajo rendimiento:

� Reducción tamaño/potencia del MT + apoyo motor ME para picos de potencia.� Apagado del MT al ralentí.� MT mantenido apagado a baja carga demandada.

� Optimización puntos de funcionamiento MT.

� Recuperar energía pérdida:� Energía cinética (deceleraciones).� Energía térmica (gases de escape).

� Solución : Combinar Motor Térmico + Motores/Generadores + Sistema de Almacenamiento.

� Problemas� Coste adicional.� Peso adicional.� Gestión del conjunto.� Gestión térmica del motor y del post-tratamiento.


Tipos de vehículos híbridos - Grado de hibridación

� Micro-híbrido: stop & start + ligera recuperación de energía cinética.

� Mild hybrid:� Ligera modificación de los puntos de funcionamiento del MT (aceleraciones).

� Mejor recuperación de energía cinética.

� Full hybrid:� Modificación completa de los puntos de funcionamiento del motor.

� Funcionamiento “todo eléctrico” posible (ZEV).

� Fuerte recuperación de energía cinética.


Tipos de vehículos híbridos – Tipo de implantación

Híbrido paraleloHíbrido serie

Híbrido serie/paralelo o con derivación de potencia

Sistema de Almacenamiento

Electrónica de potencia

Motor/Generador

Epicicloide


Híbrido serie/paralelo o con derivación de potencia

� Sistema Toyota


Tipos de vehículos híbridos - Síntesis


Mapa de funcionamiento MT - Ciudad

MT solo Micro-Hib.

Paralelo Serie/Paralelo

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Prestaciones de los vehículos híbridos - Ciudad

MT solo Micro-Hib. Paralelo Serie/paralelo


Prestaciones de los vehículos híbridos - Autopista

MT solo Micro-Hib. Paralelo Serie/paralelo


Prestaciones de los vehículos híbridos - Síntesis

Diesel Mild-Hybrid


Tipos de vehículos híbridos – Tecnología Almacenamie nto




¿Energía o potencia de almacenamiento?

Energía almacenada

Po

ten

cia

de

alm

acen

amie

nto

Fuerte recuperación de energía de frenada

Fuerte potencia de tracción de apoyo

ZE

V

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Volantes de inercia

Sistemas hidro-neumáticos


Volante de inercia + M/G eléctrico

� Ejemplos: Porsche 911 GT3 R hybrid, , KERS Williams F1…


Volante de inercia + transmisión continua

� Ejemplos: Jaguar, Volvo…


M/G hidráulicos + aire comprimido

� Ejemplo PSA Hybrid-Air:� Configuración serie/paralelo similar al

Toyota Prius:

� Epicicloide + 2 M/G hidráulicos.

� Almacenamiento en N2 comprimido.

� Optimización puntos funcionamiento MT.

� Alto rendimiento de los sistemas.

� Fuerte potencia de los M/G y SA.

� Baja energía almacenable.

� Coste ~ divido por 2.

� Tecnología con fuerte potencial en BRICs.


Recuperación de energía

� Recuperación de energía mecánica: frenadas, pendientes� Muy interesante en ciudad o trayecto montañoso

� Poco interesante en autovías

� Recuperación de energía térmica: gases de escape� Recuperación por expansión directa en la turbina: turbocompound, e-turbina

� Ciclos termodinámicos

� Rankine

� Stirling

� Termo-electricidad: Seebeck

� Ciclos frigoríficos: enfriamiento del aire de admisión

� Mejora directa del rendimiento indicado (pérdidas térmicas)

� Permite aumentar RC o sobrealimentación en MEP

Primeras aplicaciones probables en camiones.

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