Koeajo bensiini- ja dieselmoottorit yksittäisissä moottoreissa tai HCCI-moottoreissa: Osa 2
Mazda sanoo, että he käyttävät ensimmäisiä sitä sarjassa
Puhtailla kaasuilla, kuten bensiinillä, ja dieselpolttoaineen tehokkuudella. Tämä artikkeli kertoo, mitä tapahtuu, kun suunnitellaan ihanteellinen moottori, jolla on homogeeninen sekoitus ja itsesyttyminen puristuksen aikana. Suunnittelijat kutsuvat sitä yksinkertaisesti HCCI: ksi.
Tietojen kertyminen
Tällaisten prosessien perusteet juontavat juurensa 1979-luvulle, jolloin japanilainen insinööri Onishi kehitti teknologiansa "Aktiivinen palaminen lämpöilmakehässä". Pihalla vuosi XNUMX on toisen öljykriisin ja ensimmäisten vakavien ympäristöluonteisten lakirajoitusten aikaa, ja insinöörin tavoitteena on saada tuolloin yleiset kaksitahtimoottoripyörät näiden vaatimusten mukaisiksi. Tiedetään, että kevyt- ja osakuormatilassa suuri määrä pakokaasuja varastoituu kaksitahtisten yksiköiden sylintereihin, ja japanilaisen suunnittelijan ideana on muuttaa sen haitat eduiksi luomalla palamisprosessi, jossa jäännöskaasut ja korkea polttoaineen lämpötila sekoittuvat hyödyllistä työtä varten.
Onishi-tiimin insinöörit pystyivät ensimmäistä kertaa toteuttamaan itsessään lähes vallankumouksellisen teknologian, joka laukaisi spontaanin palamisprosessin, joka todella onnistui vähentämään pakokaasupäästöjä. He havaitsivat kuitenkin myös merkittäviä parannuksia moottorin tehokkuudessa, ja pian kehitystyön julkistamisen jälkeen Toyota, Mitsubishi ja Honda osoittivat samanlaisia prosesseja. Suunnittelijat hämmästyvät prototyyppien erittäin tasaisesta ja samalla nopeasta palamisesta, pienemmästä polttoaineenkulutuksesta ja haitallisista päästöistä. Vuonna 1983 ilmestyivät ensimmäiset laboratorionäytteet nelitahtisista itsesytytysmoottoreista, joissa prosessin ohjaus eri toimintatiloissa on mahdollista, koska käytetyn polttoaineen kemiallinen koostumus ja komponenttien suhde ovat täysin tiedossa. Näiden prosessien analyysi on kuitenkin jokseenkin primitiivistä, koska se perustuu olettamukseen, että tämän tyyppisissä moottoreissa ne suoritetaan kemiallisten prosessien kinetiikasta johtuen, ja sellaiset fysikaaliset ilmiöt kuin sekoittuminen ja turbulenssi ovat merkityksettömiä. 80-luvulla luotiin perusta ensimmäisille analyyttisille prosessimalleille, jotka perustuivat paineeseen, lämpötilaan sekä polttoaineen ja ilman komponenttien pitoisuuteen kammiotilavuudessa. Suunnittelijat tulivat siihen tulokseen, että tämän tyyppisen moottorin toiminta voidaan jakaa kahteen pääosaan - sytytykseen ja volyymienergian vapautumiseen. Tutkimustulosten analyysi osoittaa, että itsesyttymisen käynnistävät samat matalan lämpötilan alustavat kemialliset prosessit (joita esiintyy alle 700 asteessa peroksidien muodostumisen yhteydessä), jotka ovat vastuussa bensiinimoottoreiden haitallisesta räjähdyspalamisesta ja pääaineen vapautumisprosesseista. energiat ovat korkeita lämpötiloja. ja ne suoritetaan tämän ehdollisen lämpötilarajan yläpuolella.
On selvää, että työn tulee keskittyä lämpötilan ja paineen vaikutuksesta tapahtuvien varauksen kemiallisen rakenteen ja koostumuksen muutosten tulosten tutkimiseen ja tutkimiseen. Koska näissä tiloissa ei voida hallita kylmäkäynnistystä ja työskennellä suurimmalla kuormituksella, insinöörit turvautuvat sytytystulpan käyttöön. Käytännön testi vahvistaa myös teorian, jonka mukaan hyötysuhde on alhaisempi dieselpolttoaineella ajettaessa, koska puristussuhteen tulee olla suhteellisen alhainen ja korkeammalla puristuksessa itsesyttymisprosessi tapahtuu liian aikaisin. puristusisku. Samalla käy ilmi, että dieselpolttoainetta käytettäessä on ongelmia dieselpolttoaineen syttyvien osien haihtumisen kanssa ja että niiden liekin edeltävät kemialliset reaktiot ovat paljon selvempiä kuin korkeaoktaanisilla bensiineillä. Ja vielä yksi erittäin tärkeä seikka - käy ilmi, että HCCI-moottorit toimivat ilman ongelmia jopa 50 %:lla jäännöskaasuista vastaavissa sylintereiden laihaissa seoksissa. Kaikesta tästä seuraa, että bensiinit sopivat paljon paremmin työskentelyyn tämäntyyppisissä yksiköissä ja kehitys on suunnattu tähän suuntaan.
Ensimmäiset todellisen autoteollisuuden lähellä olevat moottorit, joissa nämä prosessit toteutettiin onnistuneesti käytännössä, olivat muunnettuja VW 1,6-litran moottoreita vuonna 1992. Avulla Wolfsburgin suunnittelijat pystyivät lisäämään tehokkuutta 34% osakuormalla. Hieman myöhemmin, vuonna 1996, HCCI-moottorin suora vertailu bensiini- ja suoraruiskutusdieselmoottoreihin osoitti, että HCCI-moottoreilla oli pienin polttoaineenkulutus ja NOx-päästöt ilman kalliita ruiskutusjärjestelmiä. polttoaineella.
Mitä tänään tapahtuu
Nykyään GM pienennysdirektiiveistä huolimatta jatkaa HCCI -moottoreiden kehittämistä, ja yhtiö uskoo, että tämäntyyppinen kone auttaa parantamaan bensiinimoottoria. Mazdan insinöörit ovat samaa mieltä, mutta puhumme niistä seuraavassa numerossa. Sandia National Laboratoriesissa, tiiviissä yhteistyössä GM: n kanssa, he kehittävät parhaillaan uutta työnkulkua, joka on HCCI: n muunnelma. Kehittäjät kutsuvat sitä LTGC: ksi "matalan lämpötilan bensiinin palamiseksi". Koska aiemmissa malleissa HCCI -tilat rajoittuvat melko kapeaan toiminta -alueeseen, eikä niillä ole paljon etuja verrattuna nykyaikaisiin koneisiin koon pienentämiseksi, tutkijat päättivät joka tapauksessa kerrostaa seoksen. Toisin sanoen luoda tarkasti hallittuja köyhempiä ja rikkaampia alueita, mutta toisin kuin enemmän dieseliä. Vuosisadan vaihteen tapahtumat ovat osoittaneet, että käyttölämpötilat ovat usein riittämättömiä hiilivetyjen ja CO-CO2: n hapetusreaktioiden saattamiseksi päätökseen. Kun seos rikastetaan ja tyhjennetään, ongelma poistuu, koska sen lämpötila nousee palamisprosessin aikana. Se on kuitenkin riittävän alhainen, jotta se ei aiheuta typpioksidien muodostumista. Vuosisadan vaihteessa suunnittelijat uskoivat edelleen, että HCCI oli matalan lämpötilan vaihtoehto dieselmoottorille, joka ei tuottanut typpioksidia. Niitä ei kuitenkaan luoda myöskään uudessa LTGC -prosessissa. Tähän tarkoitukseen käytetään myös bensiiniä, kuten alkuperäisissä GM -prototyypeissä, koska sen höyrystymislämpötila (ja parempi sekoittuminen ilman kanssa) on alhaisempi, mutta korkeampi itsesyttymislämpötila. Laboratoriosuunnittelijoiden mukaan LTGC -tilan ja kipinäsytytyksen yhdistelmä epäedullisemmissa ja vaikeammin hallittavissa tiloissa, kuten täysi kuormitus, johtaa koneisiin, jotka ovat paljon tehokkaampia kuin nykyiset pienennysyksiköt. Delphi Automotive kehittää samanlaista puristussytytysprosessia. He kutsuvat suunnitelmiaan GDCI: ksi, "puristussytytyssuoraa bensiinisuihkutusta" (bensiinin suoraruiskutus ja puristussytytys) varten, joka tarjoaa myös vähärasvaista ja rikasta työtä palamisprosessin hallitsemiseksi. Delphissä tämä tehdään käyttämällä ruiskuja, joilla on monimutkainen ruiskutusdynamiikka, niin että ehtymisestä ja rikastumisesta huolimatta seos kokonaisuudessaan pysyy riittävän laihana, ettei muodostu nokea, ja riittävän alhaisessa lämpötilassa, jotta se ei muodosta typpioksidia. Suunnittelijat ohjaavat seoksen eri osia niin, että ne palavat eri aikoina. Tämä monimutkainen prosessi muistuttaa dieselpolttoainetta, hiilidioksidipäästöt ovat alhaiset ja typen oksidien muodostuminen on vähäistä. Delphi on myöntänyt vähintään neljä vuotta rahoitusta Yhdysvaltain hallitukselta, ja Hyundain kaltaisten valmistajien kiinnostus kehitykseen tarkoittaa, että ne eivät lopu.
Muistetaan Disotto
Untertürkheimissa toimivan Daimler Engine Research Labsin suunnittelijoiden kehitystyötä kutsutaan Diesottoksi, ja käynnistys- ja maksimikuormitustilassa se toimii kuin klassinen bensiinimoottori hyödyntäen kaikkia suoraruiskutuksen ja kaskaditurboahtimen etuja. Kuitenkin pienillä tai keskisuurilla nopeuksilla ja kuormituksella yhden jakson aikana elektroniikka sammuttaa sytytysjärjestelmän ja vaihtaa itsesytytystilan ohjaustilaan. Tässä tapauksessa pakoventtiilien vaiheet muuttavat radikaalisti niiden luonnetta. Ne avautuvat paljon tavallista lyhyemmässä ajassa ja paljon pienemmällä iskulla - joten vain puolet pakokaasuista ehtii poistua palokammiosta ja loput pidetään tarkoituksella sylintereissä yhdessä suurimman osan niiden sisältämästä lämmöstä . Vielä korkeamman lämpötilan saavuttamiseksi kammioissa suuttimet ruiskuttavat pienen osan polttoainetta, joka ei syty, mutta reagoi kuumennettujen kaasujen kanssa. Seuraavan imuiskun aikana jokaiseen sylinteriin ruiskutetaan uusi annos polttoainetta täsmälleen oikea määrä. Imuventtiili aukeaa hetkeksi lyhyellä iskulla ja päästää tarkasti mitatun määrän raitista ilmaa sylinteriin ja sekoittuu käytettävissä olevien kaasujen kanssa tuottaen laihaa polttoaineseosta, jossa on suuri osuus pakokaasuja. Tätä seuraa puristusisku, jossa seoksen lämpötila jatkaa nousuaan itsesyttymishetkeen asti. Prosessin tarkka ajoitus saavutetaan ohjaamalla tarkasti polttoaineen, raitisilman ja pakokaasujen määrää, jatkuvaa tietoa sylinterin painetta mittaavilta antureilta sekä järjestelmällä, joka voi muuttaa puristussuhdetta välittömästi epäkeskomekanismin avulla. kampiakselin asennon vaihtaminen. Muuten, kyseisen järjestelmän toiminta ei rajoitu HCCI-tilaan.
Kaikkien näiden monimutkaisten toimintojen hallinta vaatii ohjauselektroniikkaa, joka ei luota tavanomaisten polttomoottoreiden tavanomaisiin ennalta määritettyihin algoritmeihin, vaan sallii reaaliaikaiset suorituskyvyn muutokset anturitietojen perusteella. Tehtävä on vaikea, mutta tulos on sen arvoinen - 238 hv. 1,8-litrainen Diesotto takasi F700-konseptille S-luokan CO2-päästöt 127 g/km ja tiukkojen Euro 6 -direktiivien mukaisen.
Teksti: Georgy Kolev
Koti " Artikkelit " Tyhjät » Bensiini- ja dieselmoottorit yksi- tai HCCI-moottoreissa: osa 2
