A combustão a baixa temperatura (LTC, Low-Temperature Combustion, na literatura anglo- saxónica) é um conceito avançado para motores de combustão interna muito diferente do usado quer nos MCI-IC, quer mos motores de ignição por compressão. A tecnologia LTC contribui para a redução das emissões de NOx e de PM, bem como do consumo específico de combustível, Singh e Agarwal (2018) p. 9.
Para MCI-IC a operar em condições de LTC, o processo de inflamação da mistura, em lugar de ser iniciado por uma faísca, é originado volumetricamente em toda a carga, por autoignição controlada, pelo aumento de temperatura provocado pela compressão da carga. Este processo de autoignição controlada de gasolina (GCAI, Gasoline Controlled Autoignition, na terminologia anglo-saxónica) oferece um grande potencial para redução de emissões de CO2, em comparação com o de mistura pobre estratificada, Lehrheuer et al. (2015). Adicionalmente, a combustão a baixa temperatura do processo GCAI praticamente não necessita de pós- tratamento de gases de escape, porque quase não são produzidos NOx, Lehrheuer et al. (2015). A oxidação dos hidrocarbonetos pode processar-se fundamentalmente por duas vias químicas genéricas, respetivamente a alta ou a baixa temperatura, conforme esquematizado na Figura 3.9.
Figura 3.9: Vias químicas genéricas de oxidação de hidrocarbonetos, por alta e por baixa temperatura.
Enquanto nos MCI-IC de carga homogénea a combustão se caracteriza por uma chama de pré- mistura e nos motores Diesel se caracteriza por uma chama de difusão12, em combustão de baixa temperatura (LTC) a libertação de energia processa-se de modo volumétrico:
o numa chama de pré-mistura o combustível e o ar encontram-se uniformemente misturados a uma escala molecular, mas estão separados dos produtos da combustão por uma chama fina;
o numa chama de difusão o combustível e o ar estão separados, difundem-se em direções opostas e formam uma zona de chama na vizinhança da zona estequiométrica entre o combustível e o ar, com a taxa de libertação de calor controlada pela difusão ou processo de mistura;
o durante a libertação volumétrica de energia, o combustível e o ar estão misturados à escala molecular, mas a combustão parece iniciada em todo o volume por um processo de ignição de desenvolvimento rápido.
Este processo de autoignição de hidrocarbonetos é controlado pela cinética química e, de acordo com Westbrook (2000) pp. 1563 a 1577, despoletado pela pronta decomposição de peróxido de hidrogénio (H2O2) em radicais hidroxilo (OH•) durante o tempo de compressão a, aproximadamente, 1000 K, Pischinger et al. (2015).
A detonação num MCI-IC é um exemplo deste tipo de combustão, assim como as várias formas de combustão a baixa temperatura (LTC), e.g. de ignição por compressão de carga homogénea, ou de autoignição controlada (respetivamente, HCCI, Homogeneous Charge Compression
Ignition e CAI, Controled Autoignition, em literatura anglo-saxónica), Matthews (2015).
Em sentido genérico, podemos dizer que os motores operam em LTC no mesmo princípio fundamental dos motores a quatro tempos. No tempo de admissão, é admitida para o cilindro uma mistura ar-combustível aproximadamente homogénea. Depois da válvula de admissão fechada, o pistão começa a comprimir a mistura, o que aumenta a temperatura e a pressão no interior do cilindro. Quando o pistão se aproxima do PMS, a carga atinge as condições de autoignição. A cinética química da carga pode ser acelerada pelo aumento da sua temperatura no início do tempo de compressão, pelo pré-aquecimento do ar de admissão, ou pela retenção no cilindro de uma parte dos gases de escape quentes do ciclo motor anterior (IGR). Em
qualquer dos casos, as reações químicas que ocorrem na mistura ar-combustível aceleram-se devido à mais elevada temperatura da carga.
O início da combustão no modo LTC pode ser controlado por uma combinação de variáveis como a taxa de compressão, a temperatura e a pressão da carga de admissão. Logo que a temperatura de autoignição é atingida, durante a compressão, o combustível oxida-se rapidamente e a sua energia é libertada quase instantaneamente. A autoignição ocorre simultaneamente em múltiplos pontos através de toda a câmara de combustão. Não há frente de chama, i.e., há uma completa ausência de zonas de temperatura excessivamente alta e de mistura rica, devido à homogeneidade superior da mistura ar-combustível. Por conseguinte, a formação de PM e as emissões de NOx ficam restritas a níveis ultrabaixos, Singh e Agarwal (2018) pp. 12 e 13.
Na Figura 3.10 encontram-se representadas as zonas de funcionamento do motor Diesel convencional, do MCI-IC (referido como “SI” na figura) e as zonas de formação de partículas (Soot) e de NOx, em função da temperatura e da razão de equivalência. Na mesma figura encontra-se representada a zona de combustão a baixa temperatura (LTC), Maurya (2018) p.26.
Figura 3.10: Zonas de funcionamento do motor Diesel convencional, do MCI-IC, formação de partículas
(“Soot”) e de NOx, e zona de combustão a baixa temperatura (LTC), em função da temperatura e da razão de equivalência. Reproduzido de Maurya (2018) p. 33.
A ignição por compressão de carga homogénea (HCCI, Homogeneous Charge Compression
Ignition, em terminologia anglo-saxónica) ou, quando aplicada a motores a gasolina, GCAI,
bem como outras estratégias de combustão a baixa temperatura, são processos de ignição não comandada. Sendo assim, encontrar-se-iam estritamente fora do âmbito deste trabalho, dedicado justamente aos motores com ignição comandada. No entanto, estes processos aplicam- se muitas vezes apenas em certas zonas do funcionamento dos motores, pois não é possível
abranger toda a zona de trabalho em regime de ignição não comandada. Por outro lado, há soluções, como a do Skyactive-X, da Mazda, Mazda (2017), em que o processo, apesar de ter as características básicas de ignição por compressão, a ignição é controlada por faísca (SpCCI,
Spark-Controled Compression Ignition, ou SACI, Spark-Assisted Compression Ignition). Por
estes motivos, faz sentido que estas estratégias sejam incluídas no presente trabalho.
Na Figura 3.11 sobrepõem-se os diagramas P-V de motores operados respetivamente em MCI- IC e CAI, para as mesmas condições de operação. Note-se que a subida de pressão é muito mais rápida no segundo caso, para além de ser atingido um valor significativamente superior. A área interior à curva CAI é superior à de MCI-IC, evidenciando a maior quantidade de trabalho produzido no ciclo.
Figura 3.11: Sobreposição dos diagramas P-V para operação em MCI-IC e CAI, para as mesmas condições de
operação. Reproduzido de Zhao (2007) p. 22.
Entre os fatores que têm dificultado a aplicação alargada deste processo de combustão, estão uma área limitada de operação estável e uma alta sensibilidade em relação às condições variáveis, com a consequente necessidade de um algoritmo de controlo rápido, em malha fechada, Lehrheuer et al. (2015). A operação estável em LTC requer controlo preciso da temporização da combustão, não havendo um controlo direto sobre o seu início. Este depende da temperatura, da pressão e da mistura ar-combustível no interior do cilindro, Singh e Agarwal (2018) p. 28. Se o controlo não for suficientemente rápido, poderá ocorrer uma combustão demasiado avançada, ou demasiado atrasada, com consequências negativas diversas. Entre as formas possíveis de controlar o funcionamento do motor em LTC (para além do uso de dual
fuel), os autores Singh e Agarwal (2018) referem as seguintes: i) variação da temporização de
A recirculação de gases de escape é essencial, em LTC, para conseguir uma redução simultânea de PM e NOx sem penalização demasiado alta do consumo de combustível, devido a deficiente combustão. O controlo da quantidade de gases de escape recirculados é a técnica mais comum de ajuste da temperatura no interior do cilindro, a qual controla o início da combustão, Singh e Agarwal (2018) p. 31.
Thring (1989), citado em Singh e Agarwal (2018) p.31, inicialmente obteve LTC através da variação da temperatura do ar e percentagem de EGR numa gama de razões de equivalência. Os efeitos da EGR na combustão e emissões são os seguintes: i) pré-aquecimento da carga; ii) diluição, i.e., redução substancial da concentração de O2; iii) aumento do calor específico, devido ao CO2 e vapor de água, o que conduz a uma redução da temperatura, no final da compressão; iv) efeito químico, em que os produtos não queimados da EGR tomam parte nas reações químicas, com um efeito moderador nas taxas de reação, Singh e Agarwal (2018) p.31. A recirculação dos gases de escape pode ser conseguida interna (IGR) ou externamente (EGR). A percentagem de IGR pode ser controlada pela variação da sobreposição de abertura de válvulas (positiva ou negativa). A sobreposição negativa de abertura de válvulas (NVO,
Negative Valve Overlap) é reconhecida como uma das formas de implementação de LTC, ao
utilizar combustíveis com elevado índice de octano, como a gasolina, Singh e Agarwal (2018) p.31.