Downsizing and rightsizing of IC engines analysis in aspect of greenhouse gases emission in Europe

Abstract

Los motores de combustión interna (CI) están presentes en una gran variedad de actividades humanas, como los automóviles, pero sus emisiones son un problema por contribuir al efecto invernadero (EI), cuyos gases de efecto invernadero (GEI) crecen continuamente desde la Primera Revolución Industrial. En primer lugar, debe haber un análisis de todos los motores CI existentes y una clasificación principal basada en su principio de funcionamiento: Recíproco (Dos tiempos o cuatro tiempos; Ignición por compresión, IC, o encendido por chispa, EC), rotativo (Wankel) y Combustión continua (Turbina de gas o motor de cohete). Además, las emisiones de los motores CI deben considerarse para determinar la fuente del problema. Se pueden dividir en: Hidrocarburos (CnHm; Compuestos orgánicos volátiles, COV, e hidrocarburos aromáticos policíclicos, HAP), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), óxidos de azufre (SOx), partículas (PM) y dióxido de carbono (CO2). Además, debe tenerse en cuenta el EI, que es el método de calentamiento de la Tierra que hace posible la vida en ella y consiste en la absorción de la radiación emitida desde la Tierra, después de recibirla del Sol, por los GEI. El problema es cuando se desarrolla excesivamente, no el efecto en sí. Los principales gases de efecto invernadero en orden de importancia son: Vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso (N2O), ozono troposférico (O3) y gases fluorados (Hexafluoruro de azufre, SF6, hidrofluorocarbonos, HCF y perfluorocarbonos, PFC). El downsizing es la técnica más común utilizada en la reducción de las emisiones y el consumo de combustible del motor. Se basa en buscar la mínima cilindrada posible junto con tecnologías de mejora de potencia como la inducción forzada (Turbo alimentación, sobrealimentación y sobrealimentación por onda de presión), inyección directa (DI), válvulas de alzada y tiempo variable (VATV) y relación de compresión variable (RCV), para lograr un motor más eficiente manteniendo o incrementando su potencia. Los resultados son menores emisiones, menores consumos de combustible y aumentos de potencia. El rightsizing, una versión mejorada del downsizing, es la nueva tendencia en los motores que consiste en buscar el tamaño óptimo. Las emisiones de GEI han disminuido en las últimas décadas (aproximadamente 20%) y su principal fuente ha sido el sector energético, pero las emisiones del sector del transporte por carretera han aumentado, especialmente las de CO2. En cuanto al downsizing, se ha logrado una reducción del 10% de la cilindrada del motor, un aumento del 25% en la potencia y una disminución del 27% en el consumo de combustible. A través de estas innovaciones, las emisiones de CO2 han disminuido un 30% y los contaminantes hasta un 80% desde el 2000. La compañía de automóviles más vendida en Europa, Volkswagen, ha disminuido la cilindrada y emplea tecnologías turbo y DI en el 83% y 99% de su producción, respectivamente. Se puede concluir que la tendencia downsizing/rightsizing es una técnica exitosa para el pasado, el presente y el futuro inmediato.

Internal combustion (IC) engines are present in a large variety of human activities such as cars, but their emissions are a problem for contributing to the greenhouse effect (GHE), whose greenhouse gases (GHG) are continuously growing from First Industrial Revolution. Firstly, there must be an analysis of all the existing IC engines and a main classification based on their working principle: Reciprocating (Two stroke or four strokes; compression-ignition, CI, or spark-ignition, SI), rotary (Wankel) and continuous combustion (Gas turbine or rocket engine). Also, the IC engine’s emissions must be considered in order to determine the source of the problem. They can be divided in: Hydrocarbons (CnHm; Volatile organic compounds, VOCs, and polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs), carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx), sulfur oxides (SOx), particulate matter (PM) and carbon dioxide (CO2). In addition, it must be taken into account the GHE which is the warming method of the Earth that makes possible life in it and it consists on the absorption of the radiation emitted back from the Earth, after receiving it from the Sun, of GHG. The problem is when it is extremely enhanced, not the effect itself. Main GHG in order of importance are: Water vapor (H2O), carbon dioxide (CO2), methane (CH4), nitrous oxide (N2O), tropospheric ozone (O3) and fluorinated gases (Sulfur hexafluoride, SF6, hydrofluorocarbons, HCFs, and perfluorocarbons, PFCs). Downsizing is the most common technic used in engine’s emission and fuel consumption reduction. It is based on the minimal possible engine displacement together with power improvement technologies such as forced induction (Turbocharging, supercharging and pressure wave supercharger), direct injection (DI), variable valve timing and lifting (VVTL) and variable compression ratio (VCR), to achieve a more efficient engine maintaining or increasing its power. The results are lower emissions, reduced fuel consumptions and considerable high power engines. Rightsizing, an improved variation of downsizing, is the recent new trend which consists in looking for the optimal size of the engine. GHG’s emissions have been decreasing in the last decades (approx. 20%) and its main source has been the energy sector, but the road transportation sector’s emissions have been increasing, especially CO2 ones. Regarding the downsizing trend, it has achieved a reduction of 10% of the engine capacity, an increase of 25% in the power and a diminution of 27% in the fuel consumption. Through these innovations CO2’s emissions have dropped 30% and pollutants up to 80% since 2000. The best selling car company in Europe, Volkswagen, has decreased their engine displacement and also add turbo and DI technologies to 83% and 99% of its production, respectively. It can be concluded that the downsizing/rightsizing trend is a successful technic for the past, present and immediate future.