Preskusna vožnja bencinskih in dizelskih motorjev v enomotornih ali HCCI motorjih: 2. del
Mazda pravi, da ga bodo prvi uporabili v seriji
S čistimi plini, kot je bencin, in učinkovitostjo dizelskega goriva. Ta članek govori o tem, kaj se zgodi pri načrtovanju idealnega motorja s homogenim mešanjem in samodejnim vžigom med stiskanjem. Oblikovalci ga preprosto imenujejo HCCI.
Kopičenje znanja
Osnove tovrstnih procesov segajo v sedemdeseta leta, ko je japonski inženir Onishi razvil svojo tehnologijo »Aktivno zgorevanje v termoatmosferi«. Na dvorišču je leto 1979 obdobje druge naftne krize in prvih resnih zakonskih omejitev okoljske narave, inženirjev cilj pa je uskladiti takrat običajna dvotaktna motorna kolesa s temi zahtevami. Znano je, da se v načinu lahke in delne obremenitve v valjih dvotaktnih agregatov shranjuje velika količina izpušnih plinov, ideja japonskega oblikovalca pa je, da svoje slabosti spremeni v prednosti z ustvarjanjem proces zgorevanja, pri katerem se preostali plini in visoka temperatura goriva mešajo za koristno delo.
Prvič je inženirjem iz ekipe Onishi uspelo implementirati skoraj revolucionarno tehnologijo samo po sebi, ki je sprožila proces spontanega zgorevanja, ki je resnično uspešno zmanjšal emisije izpušnih plinov. Ugotovili pa so tudi precejšnje izboljšave pri učinkovitosti motorja in kmalu po predstavitvi razvoja so podobne procese prikazali Toyota, Mitsubishi in Honda. Oblikovalci so bili presenečeni nad izjemno gladkim in hkrati hitrim zgorevanjem v prototipih, zmanjšano porabo goriva in škodljivimi emisijami. Leta 1983 so se pojavili prvi laboratorijski vzorci štiritaktnih motorjev na samovžig, v katerih je mogoč nadzor procesa v različnih načinih delovanja zaradi dejstva, da sta kemična sestava in razmerje komponent v uporabljenem gorivu popolnoma znana. Vendar pa je analiza teh procesov nekoliko primitivna, saj temelji na predpostavki, da se v tej vrsti motorja izvajajo zaradi kinetike kemičnih procesov, fizikalni pojavi, kot sta mešanje in turbulenca, pa so nepomembni. V osemdesetih letih prejšnjega stoletja so bili postavljeni temelji za prve analitične modele procesov, ki temeljijo na tlaku, temperaturi in koncentraciji komponent goriva in zraka v prostornini komore. Konstruktorji so prišli do zaključka, da lahko delovanje tovrstnega motorja razdelimo na dva glavna dela – vžig in volumetrično sproščanje energije. Analiza rezultatov raziskav kaže, da samovžig sprožijo isti nizkotemperaturni preliminarni kemijski procesi (pojavijo se pod 80 stopinjami s tvorbo peroksidov), ki so odgovorni za škodljivo detonacijsko zgorevanje pri bencinskih motorjih, in procesi sproščanja glavne energije so visokotemperaturne. in se izvajajo nad to pogojno temperaturno mejo.
Jasno je, da je treba delo usmeriti v preučevanje in preučevanje rezultatov sprememb kemijske strukture in sestave naboja pod vplivom temperature in tlaka. Zaradi nezmožnosti nadzora hladnega zagona in dela pri največjih obremenitvah v teh načinih se inženirji zatečejo k uporabi svečke. Praktični preizkus potrjuje tudi teorijo, da je izkoristek manjši pri delovanju z dizelskim gorivom, saj mora biti kompresijsko razmerje relativno nizko, pri višji kompresiji pa pride do samovžiga prezgodaj. kompresijski takt. Ob tem se izkaže, da pri uporabi dizelskega goriva prihaja do težav z izhlapevanjem vnetljivih frakcij dizelskega goriva in da so njihove predplamenske kemične reakcije veliko bolj izrazite kot pri visokooktanskih bencinih. In še ena zelo pomembna točka - izkazalo se je, da motorji HCCI delujejo brez težav z do 50% ostankov plinov v ustreznih revnih mešanicah v valjih. Iz vsega tega sledi, da so bencini veliko bolj primerni za delo v tovrstnih agregatih in razvoj je usmerjen v to smer.
Prvi motorji blizu resnične avtomobilske industrije, pri katerih so bili ti procesi uspešno izvedeni v praksi, so bili leta 1,6 spremenjeni 1992-litrski motorji VW. Z njihovo pomočjo so oblikovalci iz Wolfsburga pri delni obremenitvi lahko povečali učinkovitost za 34%. Nekoliko kasneje, leta 1996, je neposredna primerjava motorja HCCI z bencinskim in dizelskim motorjem z neposrednim vbrizgom pokazala, da so motorji HCCI pokazali najmanjšo porabo goriva in emisije NOx brez dragih sistemov vbrizga. na gorivo.
Kaj se dogaja danes
Danes kljub direktivam o zmanjšanju velikosti GM še naprej razvija motorje HCCI, družba pa meni, da bo tovrstni stroj pomagal izboljšati bencinski motor. Enakega mnenja so Mazdini inženirji, o njih pa bomo govorili v naslednji številki. V Sandia National Laboratories v tesnem sodelovanju z GM trenutno izboljšujejo nov potek dela, ki je različica HCCI. Razvijalci ga imenujejo LTGC za "nizkotemperaturno zgorevanje bencina". Ker so bili v prejšnjih modelih načini HCCI omejeni na precej ozko območje delovanja in nimajo veliko prednosti pred sodobnimi stroji za zmanjšanje velikosti, so se znanstveniki odločili, da bodo mešanico vseeno stratificirali. Z drugimi besedami, ustvariti natančno nadzorovana revnejša in bogatejša območja, vendar v nasprotju z več dizelskim gorivom. Dogodki na prelomu stoletja so pokazali, da delovne temperature pogosto niso zadostne za dokončanje oksidacijskih reakcij ogljikovodikov in CO-CO2. Ko se zmes obogati in izčrpa, se težava odpravi, saj se njena temperatura med zgorevanjem dvigne. Vendar ostaja dovolj nizka, da ne sproži nastajanja dušikovih oksidov. Ob koncu stoletja so oblikovalci še vedno verjeli, da je HCCI nizkotemperaturna alternativa dizelskemu motorju, ki ne proizvaja dušikovih oksidov. Vendar pa tudi v novem procesu LTGC niso ustvarjeni. V ta namen se uporablja tudi bencin, tako kot v prvotnih prototipih GM, saj ima nižjo temperaturo uparjanja (in boljše mešanje z zrakom), vendar višjo temperaturo samovžiga. Po mnenju oblikovalcev laboratorijev bo kombinacija načina LTGC in vžiga isker v bolj neugodnih in težje nadzorovanih načinih, kot je polna obremenitev, povzročila stroje, ki so veliko bolj učinkoviti od obstoječih enot za zmanjšanje velikosti. Podjetje Delphi Automotive razvija podoben postopek vžiga kompresije. Svoje zasnove imenujejo GDCI, za "kompresijski vžig z neposrednim vbrizgavanjem bencina" (bencinsko neposredno vbrizgavanje in kompresijski vžig), ki prav tako zagotavlja vitko in bogato delo za nadzor procesa zgorevanja. V Delphiju to počnejo z injektorji s kompleksno dinamiko vbrizgavanja, tako da kljub izčrpanosti in obogatitvi zmes kot celota ostane dovolj vitka, da ne tvori saj, in dovolj nizka temperatura, da ne nastanejo dušikovi oksidi. Oblikovalci nadzorujejo različne dele mešanice, tako da gorijo v različnih obdobjih. Ta zapleten postopek spominja na dizelsko gorivo, emisije CO2 so nizke, tvorba NOx pa zanemarljiva. Delphi je zagotovil vsaj 4 leta financiranja ameriške vlade in zanimanje proizvajalcev, kot je Hyundai, za njihov razvoj pomeni, da se ne bodo ustavili.
Spomnimo se Disotta
Razvoj konstruktorjev Daimler Engine Research Labs v Untertürkheimu se imenuje Diesotto in v načinu zagona in največje obremenitve deluje kot klasičen bencinski motor, pri čemer uporablja vse prednosti neposrednega vbrizgavanja in kaskadnega turbopolnilnika. Pri nizkih do srednjih vrtljajih in obremenitvah v enem ciklu pa bo elektronika izklopila sistem za vžig in preklopila v način krmiljenja načina samovžiga. V tem primeru faze izpušnih ventilov radikalno spremenijo svoj značaj. Odprejo se v veliko krajšem času kot običajno in z veliko zmanjšanim hodom - tako ima le polovica izpušnih plinov čas, da zapusti zgorevalno komoro, preostanek pa se namerno zadrži v valjih, skupaj z večino toplote, ki je v njih. . Da bi dosegli še višjo temperaturo v komorah, šobe vbrizgajo majhno količino goriva, ki se ne vname, ampak reagira z segretimi plini. Med naslednjim sesalnim taktom se v vsak valj vbrizga nova porcija goriva v natanko pravi količini. Sesalni ventil se za kratek čas odpre s kratkim hodom in omogoči natančno odmerjeni količini svežega zraka, da vstopi v valj in se pomeša z razpoložljivimi plini, da nastane revna mešanica goriva z visokim deležem izpušnih plinov. Temu sledi kompresijski takt, v katerem temperatura zmesi še narašča do trenutka samovžiga. Natančno časovno uravnavanje procesa dosežemo z natančnim nadzorom količine goriva, svežega zraka in izpušnih plinov, stalnimi informacijami senzorjev, ki merijo tlak v valju, in sistemom, ki lahko z ekscentričnim mehanizmom v hipu spremeni kompresijsko razmerje. spreminjanje položaja ročične gredi. Mimogrede, delovanje zadevnega sistema ni omejeno na način HCCI.
Upravljanje vseh teh zapletenih operacij zahteva krmilno elektroniko, ki se ne zanaša na običajni nabor vnaprej določenih algoritmov, ki jih najdemo v običajnih motorjih z notranjim zgorevanjem, ampak omogoča spremembe zmogljivosti v realnem času na podlagi podatkov senzorjev. Naloga je težka, a rezultat je vreden - 238 KM. 1,8-litrski Diesotto je zagotovil koncept F700 z emisijami CO2 razreda S 127 g/km in skladnost s strogimi direktivami Euro 6.
Besedilo: Georgy Kolev
domov" članki " praznine » Bencinski in dizelski motorji v enojnih ali HCCI motorjih: 2. del
