Prøvekjør bensin- og dieselmotorer i enkeltmotorer eller HCCI-motorer: Del 2

Mazda sier at de vil være de første til å bruke den i serien

Med rene gasser som bensin og effektiviteten til diesel. Denne artikkelen handler om hva som skjer når man designer en ideell motor med homogen blanding og selvantennelse under kompresjon. Designerne kaller det ganske enkelt HCCI.

Akkumulering av kunnskap

Grunnlaget for slike prosesser går tilbake til syttitallet, da den japanske ingeniøren Onishi utviklet sin teknologi "Aktiv forbrenning i termo-atmosfæren". På verftet er 1979 perioden med den andre oljekrisen og de første alvorlige juridiske restriksjonene av miljømessig karakter, og ingeniørens mål er å bringe to-takts motorsykler som var vanlige på den tiden i tråd med disse kravene. Det er kjent at i lett- og dellastmodus lagres en stor mengde avgasser i sylindrene til totaktsenheter, og ideen til den japanske designeren er å gjøre sine ulemper til fordeler ved å lage en forbrenningsprosess der restgasser og høy brennstofftemperatur blandes for nyttig arbeid. .

Впервые инженерам из команды Onishi удалось реализовать практически революционную технологию сама по себе, запустив процесс самовозгорания, который действительно успешно снизил выбросы выхлопных газов. Однако они также обнаружили значительное повышение эффективности двигателя, и вскоре после презентации разработки аналогичные процессы были продемонстрированы Toyota, Mitsubishi и Honda. Конструкторы поражены чрезвычайно плавным и одновременно высокоскоростным сгоранием в прототипах, сниженным расходом топлива и вредными выбросами. В 1983 году появились первые лабораторные образцы четырехтактных двигателей с самовоспламенением, в которых управление процессами в различных режимах работы возможно благодаря тому, что химический состав и соотношение компонентов в используемом топливе абсолютно известны. Однако анализ этих процессов несколько примитивен, так как основан на предположении, что в этом типе двигателя они выполняются из-за кинетики химических процессов, а такие физические явления, как перемешивание и турбулентность, незначительны. Именно в 80-х годах были заложены основы первых аналитических моделей процессов, основанных на давлении, температуре и концентрации компонентов топлива и воздуха в объеме камеры. Конструкторы пришли к выводу, что работу этого типа двигателя можно разделить на две основные части – зажигание и объемное выделение энергии. Анализ результатов исследований показывает, что самовоспламенение инициируется теми же низкотемпературными предварительными химическими процессами (протекающими ниже 700 градусов с образованием пероксидов), которые ответственны за вредное детонационное горение в бензиновых двигателях, а процессы выделения основной энергии высокотемпературные. и выполняются выше этого условного температурного предела.

Det er klart at arbeidet bør fokuseres på å studere og studere resultatene av endringer i den kjemiske strukturen og sammensetningen av ladningen under påvirkning av temperatur og trykk. På grunn av manglende evne til å kontrollere kaldstart og arbeid med maksimal belastning i disse modusene, tyr ingeniører til bruken av en tennplugg. Den praktiske testen bekrefter også teorien om at virkningsgraden er lavere ved drift med diesel, siden kompresjonsforholdet må være relativt lavt, og ved høyere kompresjon skjer selvantenningsprosessen for tidlig. kompresjonsslag. Samtidig viser det seg at ved bruk av diesel er det problemer med fordampning av brennbare fraksjoner av diesel, og at deres kjemiske reaksjoner før flammen er mye mer uttalt enn med høyoktan bensin. Og enda et veldig viktig poeng - det viser seg at HCCI-motorer fungerer uten problemer med opptil 50 % av restgassene i de tilsvarende magre blandingene i sylindrene. Av alt dette følger det at bensin er mye mer egnet for å jobbe i denne typen enheter, og utviklingen er rettet i denne retningen.

De første motorene nær den virkelige bilindustrien, der disse prosessene ble vellykket implementert i praksis, ble modifisert VW 1,6-liters motorer i 1992. Med deres hjelp klarte designerne fra Wolfsburg å øke effektiviteten med 34% ved delvis belastning. Litt senere, i 1996, viste en direkte sammenligning av HCCI-motoren med en bensin- og direkteinnsprøytningsdieselmotor at HCCI-motorer viste det laveste drivstofforbruket og NOx-utslipp uten behov for dyre injeksjonssystemer. på drivstoff.

Hva skjer i dag

I dag, til tross for nedbemanningsdirektivene, fortsetter GM å utvikle HCCI -motorer, og selskapet tror at denne typen maskiner vil bidra til å forbedre bensinmotoren. Den samme oppfatning har Mazda -ingeniører, men vi vil snakke om dem i neste nummer. På Sandia National Laboratories, som jobber tett med GM, forbedrer de for tiden en ny arbeidsflyt, som er en variant av HCCI. Utviklerne kaller det LTGC for "Low Temperature Gasoline Combustion". Siden i tidligere design, er HCCI -moduser begrenset til et ganske smalt driftsområde og har ikke store fordeler i forhold til moderne maskiner for størrelsesreduksjon, og forskerne bestemte seg for å stratifisere blandingen uansett. Med andre ord for å lage presist kontrollerte fattigere og rikere områder, men i motsetning til mer diesel. Hendelser ved århundreskiftet har vist at driftstemperaturer ofte er utilstrekkelige for å fullføre oksidasjonsreaksjonene til hydrokarboner og CO-CO2. Når blandingen er beriket og tømt, elimineres problemet, siden temperaturen stiger under forbrenningsprosessen. Den forblir imidlertid lav nok til ikke å starte dannelsen av nitrogenoksider. Ved århundreskiftet trodde designere fortsatt at HCCI var et lavtemperaturalternativ til en dieselmotor som ikke genererte nitrogenoksider. Imidlertid er de ikke opprettet i den nye LTGC -prosessen heller. Bensin brukes også til dette formålet, som i de originale GM -prototypene, ettersom den har en lavere fordampningstemperatur (og bedre blanding med luft), men en høyere selvantennelsestemperatur. Ifølge laboratoriedesignere vil kombinasjonen av LTGC -modus og gnisttenning i mer ugunstige og vanskelig å kontrollere moduser, for eksempel full belastning, resultere i maskiner som er mye mer effektive enn eksisterende nedbemanningsenheter. Delphi Automotive utvikler en lignende kompresjonsantennelsesprosess. De kaller designene deres for GDCI, for "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), som også gir magert og rikt arbeid for å kontrollere forbrenningsprosessen. I Delphi gjøres dette ved hjelp av injektorer med kompleks injeksjonsdynamikk, slik at blandingen som helhet forblir mager nok til å danne sot og lav nok temperatur til ikke å danne nitrogenoksider til tross for uttømming og berikelse. Designerne kontrollerer forskjellige deler av blandingen slik at de brenner på forskjellige tidspunkter. Denne komplekse prosessen ligner diesel, CO2 -utslipp er lave og NOx -dannelse er ubetydelig. Delphi har gitt minst fire års finansiering fra den amerikanske regjeringen, og interessen til produsenter som Hyundai for deres utvikling betyr at de ikke vil stoppe.

La oss huske Disotto

Utviklingen av designerne av Daimler Engine Research Labs i Untertürkheim kalles Diesotto og i oppstarts- og maksimal belastningsmodus fungerer den som en klassisk bensinmotor, og bruker alle fordelene med direkte innsprøytning og kaskade turbolading. Ved lave til middels hastigheter og belastninger innen én syklus vil imidlertid elektronikken slå av tenningssystemet og bytte til selvtenningsmoduskontrollmodus. I dette tilfellet endrer fasene til eksosventilene radikalt karakter. De åpner seg på mye kortere tid enn vanlig og med mye redusert slaglengde - så bare halvparten av eksosgassene rekker å forlate forbrenningskammeret, og resten holdes bevisst i sylindrene, sammen med det meste av varmen som finnes i dem. . For å oppnå enda høyere temperatur i kamrene sprøyter dysene inn en liten del drivstoff som ikke antennes, men reagerer med oppvarmede gasser. Under det påfølgende inntaksslaget sprøytes en ny porsjon drivstoff inn i hver sylinder i nøyaktig riktig mengde. Inntaksventilen åpnes kort med et kort slag og lar en nøyaktig oppmålt mengde frisk luft komme inn i sylinderen og blandes med de tilgjengelige gassene for å produsere en mager drivstoffblanding med høy andel avgasser. Dette etterfølges av et kompresjonsslag hvor temperaturen på blandingen fortsetter å stige frem til selvantennelsesøyeblikket. Nøyaktig timing av prosessen oppnås ved nøyaktig å kontrollere mengden drivstoff, frisk luft og eksosgasser, konstant informasjon fra sensorer som måler trykket i sylinderen, og et system som umiddelbart kan endre kompresjonsforholdet ved hjelp av en eksentrisk mekanisme. endre posisjonen til veivakselen. Forresten, driften av det aktuelle systemet er ikke begrenset til HCCI-modus.

Å håndtere alle disse komplekse operasjonene krever kontrollelektronikk som ikke er avhengig av det vanlige settet med forhåndsdefinerte algoritmer som finnes i konvensjonelle forbrenningsmotorer, men tillater sanntids ytelsesendringer basert på sensordata. Oppgaven er vanskelig, men resultatet er verdt det - 238 hk. 1,8-liters Diesotto garanterte konseptet F700 med S-klasse CO2-utslipp på 127 g/km og overholdelse av de strenge Euro 6-direktivene.

Tekst: Georgy Kolev

Hjem " Artikler " Blanker » Bensin- og dieselmotorer i enkelt- eller HCCI-motorer: Del 2