Prøve benzin- og dieselmotorer i enkeltmotorer eller HCCI-motorer: Del 2

Mazda siger, at de vil være de første til at bruge det i serien

Med rene gasser som benzin og effektiviteten af dieselolie. Denne artikel handler om, hvad der sker, når man designer en ideel motor med homogen blanding og autoignition under kompression. Designerne kalder det simpelthen HCCI.

Akkumulering af viden

Grundlaget for sådanne processer går tilbage til halvfjerdserne, hvor den japanske ingeniør Onishi udviklede sin teknologi "Aktiv forbrænding i termo-atmosfæren". I værftet er 1979 perioden med den anden oliekrise og de første alvorlige lovmæssige restriktioner af miljømæssig karakter, og ingeniørens mål er at bringe to-takts motorcykler, der var almindelige på det tidspunkt, i overensstemmelse med disse krav. Det er kendt, at en stor mængde udstødningsgasser i let- og delbelastningstilstand er lagret i cylindrene på totaktsenheder, og ideen om den japanske designer er at vende dens ulemper til fordele ved at skabe en forbrændingsproces, hvor restgasser og høj brændstoftemperatur blandes til nyttigt arbejde.

For første gang var ingeniører fra Onishi-teamet i stand til at implementere en næsten revolutionerende teknologi i sig selv, der udløste en spontan forbrændingsproces, der virkelig med succes reducerede udstødningsemissionerne. De fandt dog også betydelige forbedringer i motorens effektivitet, og kort efter udviklingen blev afsløret, blev lignende processer demonstreret af Toyota, Mitsubishi og Honda. Designere var overrasket over den ekstremt glatte og samtidig højhastigheds-forbrænding i prototyperne, reduceret brændstofforbrug og skadelige emissioner. I 1983 dukkede de første laboratorieprøver af firetakts selvantændelsesmotorer op, hvor processtyring i forskellige driftstilstande er mulig på grund af det faktum, at den kemiske sammensætning og forholdet mellem komponenter i det anvendte brændstof er absolut kendt. Analysen af disse processer er dog noget primitiv, da den er baseret på den antagelse, at de i denne type motorer udføres på grund af kinetikken af kemiske processer, og sådanne fysiske fænomener som blanding og turbulens er ubetydelige. Det var i 80'erne, at grundlaget blev lagt til de første analytiske modeller af processer baseret på tryk, temperatur og koncentration af brændstof- og luftkomponenter i kammervolumenet. Designerne kom til den konklusion, at driften af denne type motor kan opdeles i to hoveddele - tænding og volumetrisk energifrigivelse. Analyse af forskningsresultater viser, at selvantændelse initieres af de samme foreløbige kemiske processer ved lav temperatur (forekommer under 700 grader med dannelse af peroxider), som er ansvarlige for skadelig detonationsforbrænding i benzinmotorer og processerne til frigivelse af hovedenergien. er høje temperaturer. og udføres over denne betingede temperaturgrænse.

Det er klart, at arbejdet bør fokuseres på undersøgelse og undersøgelse af resultaterne af ændringer i ladningens kemiske struktur og sammensætning under indflydelse af temperatur og tryk. På grund af manglende evne til at kontrollere koldstart og arbejde ved maksimale belastninger i disse tilstande, tyr ingeniører til brugen af et tændrør. Den praktiske test bekræfter også teorien om, at virkningsgraden er lavere ved drift med diesel, da kompressionsforholdet skal være relativt lavt, og ved højere kompression sker selvantændelsesprocessen for tidligt. kompressionsslag. Samtidig viser det sig, at der ved brug af diesel er problemer med fordampningen af brændbare fraktioner af dieselbrændstof, og at deres kemiske reaktioner før flammen er meget mere udtalte end ved højoktanbenzin. Og endnu en meget vigtig pointe - det viser sig, at HCCI-motorer fungerer uden problemer med op til 50% af restgasserne i de tilsvarende magre blandinger i cylindrene. Af alt dette følger det, at benzin er meget mere egnet til at arbejde i denne type enheder, og udviklingen er rettet i denne retning.

De første motorer tæt på den virkelige bilindustri, hvor disse processer med succes blev implementeret i praksis, blev modificerede VW 1,6-liters motorer i 1992. Med deres hjælp var designerne fra Wolfsburg i stand til at øge effektiviteten med 34% ved delvis belastning. Lidt senere, i 1996, viste en direkte sammenligning af HCCI-motoren med en benzin- og direkteindsprøjtningsdieselmotor, at HCCI-motorer udviste det laveste brændstofforbrug og NOx-emissioner uden behov for dyre indsprøjtningssystemer. på brændstof.

Hvad sker der i dag

I dag, på trods af nedskæringsdirektiverne, fortsætter GM med at udvikle HCCI -motorer, og virksomheden mener, at denne type maskine vil hjælpe med at forbedre benzinmotoren. Den samme mening har Mazda -ingeniører, men vi vil tale om dem i næste nummer. På Sandia National Laboratories, der arbejder tæt sammen med GM, er de i øjeblikket ved at forfine en ny arbejdsgang, som er en variant af HCCI. Udviklerne kalder det LTGC for "Low Temperature Benzin Forbrænding". Da HCCI -tilstande i tidligere designs er begrænset til et ret snævert driftsområde og ikke har den store fordel i forhold til moderne maskiner til størrelsesreduktion, besluttede forskerne alligevel at stratificere blandingen. Med andre ord for at skabe præcist kontrollerede fattigere og rigere områder, men i modsætning til mere diesel. Begivenheder ved århundredeskiftet har vist, at driftstemperaturer ofte er utilstrækkelige til at fuldføre oxidationsreaktionerne af kulbrinter og CO-CO2. Når blandingen er beriget og udtømt, elimineres problemet, da temperaturen stiger under forbrændingsprocessen. Den forbliver imidlertid lav nok til ikke at starte dannelsen af nitrogenoxider. Ved århundredeskiftet mente designere stadig, at HCCI var et lavtemperaturalternativ til en dieselmotor, der ikke genererede nitrogenoxider. De oprettes dog heller ikke i den nye LTGC -proces. Benzin bruges også til dette formål, som i de originale GM -prototyper, da det har en lavere fordampningstemperatur (og bedre blanding med luft), men en højere selvantændelsestemperatur. Ifølge laboratoriedesignere vil kombinationen af LTGC -tilstand og gnisttænding i mere ugunstige og vanskeligt kontrollerede tilstande, såsom fuld belastning, resultere i maskiner, der er meget mere effektive end eksisterende nedskæringsenheder. Delphi Automotive udvikler en lignende kompressionstændingsproces. De kalder deres design GDCI, for "Compression Ignition Direct Benzin Injection" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), som også giver magert og fyldigt arbejde med at kontrollere forbrændingsprocessen. I Delphi gøres dette ved hjælp af injektorer med kompleks injektionsdynamik, så på trods af udtømning og berigelse forbliver blandingen som helhed mager nok til ikke at danne sod og lav nok temperatur til ikke at danne NOx. Designerne styrer forskellige dele af blandingen, så de brænder på forskellige tidspunkter. Denne komplekse proces ligner dieselbrændstof, CO2 -emissioner er lave og NOx -dannelse er ubetydelig. Delphi har ydet mindst 4 års mere finansiering fra den amerikanske regering, og producenter som Hyundais interesse i deres udvikling betyder, at de ikke vil stoppe.

Lad os huske Disotto

Udviklingen af designerne af Daimler Engine Research Labs i Untertürkheim kaldes Diesotto og i opstarts- og maksimal belastningstilstand fungerer den som en klassisk benzinmotor, der bruger alle fordelene ved direkte indsprøjtning og kaskade turboopladning. Ved lave til mellemstore hastigheder og belastninger inden for en cyklus vil elektronikken dog slukke for tændingssystemet og skifte til selvtændingstilstandskontroltilstand. I dette tilfælde ændrer udstødningsventilernes faser radikalt deres karakter. De åbner på meget kortere tid end normalt og med et meget reduceret slag - så kun halvdelen af udstødningsgasserne når at forlade forbrændingskammeret, og resten holdes bevidst i cylindrene sammen med det meste af varmen i dem . For at opnå en endnu højere temperatur i kamrene indsprøjter dyserne en lille del brændstof, som ikke antændes, men reagerer med opvarmede gasser. Under det efterfølgende indsugningsslag sprøjtes en ny portion brændstof ind i hver cylinder i præcis den rigtige mængde. Indsugningsventilen åbner kortvarigt med et kort slag og tillader en præcis afmålt mængde frisk luft at komme ind i cylinderen og blandes med de tilgængelige gasser for at producere en mager brændstofblanding med en høj andel af udstødningsgasser. Dette efterfølges af et kompressionsslag, hvor temperaturen af blandingen fortsætter med at stige indtil selvantændelsesøjeblikket. Præcis timing af processen opnås ved præcis styring af mængden af brændstof, frisk luft og udstødningsgasser, konstant information fra sensorer, der måler trykket i cylinderen, og et system, der øjeblikkeligt kan ændre kompressionsforholdet ved hjælp af en excentrisk mekanisme. ændring af krumtapakslens position. Forresten er driften af det pågældende system ikke begrænset til HCCI-tilstanden.

Håndtering af alle disse komplekse operationer kræver kontrolelektronik, der ikke er afhængig af det sædvanlige sæt af foruddefinerede algoritmer, der findes i konventionelle forbrændingsmotorer, men tillader ændringer i real-time ydeevne baseret på sensordata. Opgaven er svær, men resultatet er det værd - 238 hk. 1,8-liters Diesotto garanterede konceptet F700 med S-klasse CO2-emissioner på 127 g/km og overholdelse af de strenge Euro 6-direktiver.

Tekst: Georgy Kolev

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