Provkör bensin- och dieselmotorer i singelmotorer eller HCCI-motorer: Del 2

Mazda säger att de kommer att vara de första som använder den i serien

Med rena gaser som bensin och effektiviteten hos diesel. Den här artikeln handlar om vad som händer när man utformar en idealisk motor med homogen blandning och självantändning under kompression. Konstruktörerna kallar det helt enkelt HCCI.

Ackumulering av kunskap

Grunden för sådana processer går tillbaka till sjuttiotalet, när den japanska ingenjören Onishi utvecklade sin teknik "Aktiv förbränning i termo-atmosfären". På gården är 1979 perioden för den andra oljekrisen och de första allvarliga lagliga restriktionerna av miljökaraktär, och ingenjörens mål är att få tvåtaktsmotorcyklar som var vanliga vid den tiden att överensstämma med dessa krav. Det är känt att i lätt- och dellastläge lagras en stor mängd avgaser i cylindrarna på tvåtaktsenheter, och idén med den japanska designern är att vända dess nackdelar till fördelar genom att skapa en förbränningsprocess där restgaser och hög bränsletemperatur blandas för användbart arbete. .

För första gången kunde ingenjörer från Onishi-teamet implementera en nästan revolutionerande teknik i sig, vilket utlöste en spontan förbränningsprocess som verkligen framgångsrikt minskade avgasutsläppen. Men de fann också betydande förbättringar i motoreffektiviteten, och kort efter att utvecklingen avslöjades demonstrerades liknande processer av Toyota, Mitsubishi och Honda. Designers häpnade över den extremt smidiga och samtidigt snabba förbränningen i prototyperna, minskad bränsleförbrukning och skadliga utsläpp. 1983 dök de första laboratorieproverna av fyrtakts självtändningsmotorer upp, där processkontroll i olika driftlägen är möjlig på grund av det faktum att den kemiska sammansättningen och förhållandet mellan komponenterna i det använda bränslet är absolut kända. Analysen av dessa processer är dock något primitiv, eftersom den bygger på antagandet att de i denna typ av motorer utförs på grund av kinetiken i kemiska processer, och sådana fysikaliska fenomen som blandning och turbulens är obetydliga. Det var på 80-talet som grunden lades för de första analytiska modellerna av processer baserade på tryck, temperatur och koncentration av bränsle- och luftkomponenter i kammarvolymen. Konstruktörerna kom till slutsatsen att driften av denna typ av motor kan delas upp i två huvuddelar - tändning och volymetrisk energiutlösning. Analys av forskningsresultat visar att självantändning initieras av samma låga temperaturer preliminära kemiska processer (som förekommer under 700 grader med bildning av peroxider) som är ansvariga för skadlig detonationsförbränning i bensinmotorer, och processerna för att frigöra huvudenergin är höga temperaturer. och utförs över denna villkorade temperaturgräns.

Det är tydligt att arbetet bör inriktas på att studera och studera resultaten av förändringar i laddningens kemiska struktur och sammansättning under inverkan av temperatur och tryck. På grund av oförmågan att kontrollera kallstart och arbeta vid maximala belastningar i dessa lägen, tillgriper ingenjörer användningen av ett tändstift. Det praktiska testet bekräftar också teorin att verkningsgraden är lägre vid drift med dieselbränsle, eftersom kompressionsförhållandet måste vara relativt lågt och vid högre kompression sker självantändningsprocessen för tidigt. kompressionsslag. Samtidigt visar det sig att när man använder dieselbränsle finns det problem med avdunstning av brandfarliga fraktioner av dieselbränsle, och att deras kemiska reaktioner före lågan är mycket mer uttalade än med högoktaniga bensiner. Och ytterligare en mycket viktig punkt - det visar sig att HCCI-motorer fungerar utan problem med upp till 50 % av restgaserna i motsvarande magra blandningar i cylindrarna. Av allt detta följer att bensin är mycket mer lämpad för att arbeta i denna typ av enheter och utvecklingen är riktad i denna riktning.

De första motorerna nära den verkliga bilindustrin, där dessa processer framgångsrikt implementerades i praktiken, modifierades VW 1,6-litersmotorer 1992. Med sin hjälp kunde konstruktörerna från Wolfsburg öka effektiviteten med 34% vid delvis belastning. Lite senare, 1996, visade en direkt jämförelse av HCCI-motorn med en bensin- och direktinsprutad dieselmotor att HCCI-motorer visade den lägsta bränsleförbrukningen och NOx-utsläppen utan behov av dyra insprutningssystem. på bränsle.

Vad händer idag

Idag, trots neddragningsdirektiven, fortsätter GM att utveckla HCCI -motorer, och företaget tror att den här typen av maskiner kommer att hjälpa till att förbättra bensinmotorn. Samma uppfattning har Mazda -ingenjörer, men vi kommer att prata om dem i nästa nummer. På Sandia National Laboratories, i nära samarbete med GM, förädlar de för närvarande ett nytt arbetsflöde, som är en variant av HCCI. Utvecklarna kallar det LTGC för "Low Temperature Gasoline Combustion". Eftersom HCCI -lägen i tidigare konstruktioner är begränsade till ett ganska smalt arbetsintervall och inte har någon större fördel jämfört med moderna maskiner för storleksreduktion, beslutade forskarna att stratifiera blandningen ändå. Med andra ord för att skapa exakt kontrollerade fattigare och rikare områden, men i motsats till mer diesel. Händelser vid sekelskiftet har visat att driftstemperaturer ofta är otillräckliga för att slutföra oxidationsreaktionerna av kolväten och CO-CO2. När blandningen är berikad och utarmad elimineras problemet eftersom dess temperatur stiger under förbränningsprocessen. Den förblir dock tillräckligt låg för att inte starta bildandet av kväveoxider. Vid sekelskiftet trodde designers fortfarande att HCCI var ett lågtemperaturalternativ till en dieselmotor som inte genererade kväveoxider. De skapas dock inte heller i den nya LTGC -processen. Bensin används också för detta ändamål, som i de ursprungliga GM -prototyperna, eftersom det har en lägre förångningstemperatur (och bättre blandning med luft) men en högre självantändningstemperatur. Enligt laboratoriedesigners kommer kombinationen av LTGC -läge och gnisttändning i mer ogynnsamma och svårstyrda lägen, till exempel full belastning, att resultera i maskiner som är mycket effektivare än befintliga nedskärningsenheter. Delphi Automotive utvecklar en liknande kompressionständningsprocess. De kallar sina konstruktioner för GDCI, för "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), vilket också ger magert och rikt arbete för att kontrollera förbränningsprocessen. I Delphi görs detta med hjälp av injektorer med komplex injektionsdynamik, så att blandningen som helhet förblir mager nog för att inte bilda sot och tillräckligt låg temperatur för att inte bilda kväveoxider. Formgivarna styr olika delar av blandningen så att de brinner vid olika tidpunkter. Denna komplexa process liknar dieselbränsle, CO2 -utsläppen är låga och bildandet av kväveoxider är försumbar. Delphi har gett minst fyra års finansiering från den amerikanska regeringen, och intresset från tillverkare som Hyundai för deras utveckling innebär att de inte kommer att sluta.

Låt oss komma ihåg Disotto

Utvecklingen av konstruktörerna av Daimler Engine Research Labs i Untertürkheim kallas Diesotto och i start- och maxlastläge fungerar den som en klassisk bensinmotor, med alla fördelarna med direktinsprutning och kaskadturboladdning. Men vid låga till medelhöga hastigheter och belastningar inom en cykel, kommer elektroniken att stänga av tändsystemet och växla till självtändningsläge. I detta fall ändrar avgasventilernas faser radikalt sin karaktär. De öppnar på mycket kortare tid än vanligt och med ett mycket reducerat slag - så bara hälften av avgaserna hinner lämna förbränningskammaren, och resten hålls medvetet i cylindrarna, tillsammans med det mesta av värmen som finns i dem . För att uppnå en ännu högre temperatur i kamrarna sprutar munstyckena in en liten del bränsle som inte antänds, utan reagerar med upphettade gaser. Under det efterföljande insugningsslaget sprutas en ny portion bränsle in i varje cylinder i exakt rätt mängd. Insugningsventilen öppnas kort med ett kort slag och tillåter en exakt uppmätt mängd frisk luft att komma in i cylindern och blandas med de tillgängliga gaserna för att producera en mager bränsleblandning med en hög andel avgaser. Detta följs av ett kompressionsslag där temperaturen på blandningen fortsätter att stiga fram till självantändningsögonblicket. Exakt timing av processen uppnås genom att exakt styra mängden bränsle, frisk luft och avgaser, konstant information från sensorer som mäter trycket i cylindern och ett system som omedelbart kan ändra kompressionsförhållandet med hjälp av en excentrisk mekanism. ändra vevaxelns läge. Förresten, driften av systemet i fråga är inte begränsad till HCCI-läget.

Att hantera alla dessa komplexa operationer kräver kontrollelektronik som inte förlitar sig på den vanliga uppsättningen av fördefinierade algoritmer som finns i konventionella förbränningsmotorer, utan tillåter prestandaförändringar i realtid baserat på sensordata. Uppgiften är svår, men resultatet är värt det - 238 hk. 1,8-liters Diesotto garanterade konceptet F700 med S-klass CO2-utsläpp på 127 g/km och överensstämmelse med de stränga Euro 6-direktiven.

Text: Georgy Kolev

Hem " Artiklar " Blanks » Bensin- och dieselmotorer i enstaka eller HCCI-motorer: Del 2