Jazda próbna silników benzynowych i wysokoprężnych w silnikach pojedynczych lub silnikach HCCI: Część 2

Mazda twierdzi, że jako pierwsza użyje go w serii

Z czystymi gazami, takimi jak benzyna i wydajnością oleju napędowego. Ten artykuł dotyczy tego, co się dzieje podczas projektowania idealnego silnika z jednorodnym mieszaniem i samozapłonem podczas kompresji. Projektanci nazywają to po prostu HCCI.

Gromadzenie wiedzy

Początki takich procesów sięgają lat siedemdziesiątych, kiedy to japoński inżynier Onishi opracował swoją technologię „Aktywne spalanie w termoatmosferze”. W stoczni rok 1979 to okres drugiego kryzysu naftowego i pierwszych poważnych ograniczeń prawnych o charakterze środowiskowym, a celem inżyniera jest sprowadzenie powszechnych wówczas motocykli dwusuwowych do tych wymagań. Wiadomo, że w trybie lekkiego i częściowego obciążenia duża ilość spalin magazynowana jest w cylindrach jednostek dwusuwowych, a ideą japońskiego konstruktora jest przekucie jego wad w zalety poprzez stworzenie proces spalania, w którym gazy resztkowe i paliwo o wysokiej temperaturze mieszają się w celu uzyskania użytecznej pracy.

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.

Oczywiste jest, że praca powinna być ukierunkowana na badanie i badanie wyników zmian struktury chemicznej i składu wsadu pod wpływem temperatury i ciśnienia. Ze względu na brak możliwości kontrolowania zimnego rozruchu i pracy przy maksymalnych obciążeniach w tych trybach inżynierowie uciekają się do użycia świecy zapłonowej. Próba praktyczna potwierdza również teorię, że sprawność jest mniejsza przy pracy na oleju napędowym, gdyż stopień sprężania musi być stosunkowo niski, a przy większym sprężaniu proces samozapłonu następuje zbyt wcześnie. skok kompresji. Jednocześnie okazuje się, że przy stosowaniu oleju napędowego występują problemy z odparowywaniem palnych frakcji oleju napędowego, a ich przedpłomieniowe reakcje chemiczne są znacznie wyraźniejsze niż w przypadku benzyn wysokooktanowych. I jeszcze jeden bardzo ważny punkt - okazuje się, że silniki HCCI pracują bez problemów nawet przy 50% pozostałości gazów w odpowiednich ubogich mieszankach w cylindrach. Z tego wszystkiego wynika, że ​​benzyny znacznie bardziej nadają się do pracy w tego typu jednostkach i w tym kierunku zmierza rozwój.

Pierwszymi silnikami zbliżonymi do prawdziwego przemysłu samochodowego, w których procesy te zostały z powodzeniem wdrożone w praktyce, były zmodyfikowane silniki VW o pojemności 1,6 litra w 1992 roku. Z ich pomocą projektanci z Wolfsburga byli w stanie zwiększyć wydajność o 34% przy częściowym obciążeniu. Nieco później, w 1996 roku, bezpośrednie porównanie silnika HCCI z silnikiem benzynowym i dieslem z bezpośrednim wtryskiem wykazało, że silniki HCCI charakteryzowały się najniższym zużyciem paliwa i emisją NOx bez konieczności stosowania drogich układów wtryskowych. na paliwie.

Co się dzisiaj dzieje

Dzisiaj, pomimo dyrektyw downsizingu, GM kontynuuje rozwój silników HCCI, a firma wierzy, że tego typu maszyna pomoże ulepszyć silnik benzynowy. Taką samą opinię mają inżynierowie Mazdy, ale o nich porozmawiamy w następnym numerze. W Sandia National Laboratories, ściśle współpracując z GM, pracują obecnie nad nowym przepływem pracy, który jest wariantem HCCI. Deweloperzy nazywają to LTGC od „Low Temperature Gasoline Combustion”. Ponieważ w poprzednich konstrukcjach tryby HCCI ograniczały się do dość wąskiego zakresu pracy i nie mają dużej przewagi nad nowoczesnymi maszynami do rozdrabniania, naukowcy zdecydowali się i tak na stratyfikować mieszaninę. Innymi słowy, aby stworzyć precyzyjnie kontrolowane obszary uboższe i bogatsze, ale w przeciwieństwie do większej ilości oleju napędowego. Wydarzenia przełomu wieków pokazały, że temperatury robocze są często niewystarczające do zakończenia reakcji utleniania węglowodorów i CO-CO2. Gdy mieszanina jest wzbogacana i zubożona, problem zostaje wyeliminowany, ponieważ jej temperatura wzrasta podczas procesu spalania. Pozostaje jednak na tyle niski, że nie inicjuje tworzenia tlenków azotu. Na przełomie wieków projektanci nadal wierzyli, że HCCI jest niskotemperaturową alternatywą dla silnika wysokoprężnego, która nie generuje tlenków azotu. Jednak nie są one również tworzone w nowym procesie LTGC. Do tego celu używana jest również benzyna, podobnie jak w oryginalnych prototypach GM, ponieważ ma niższą temperaturę waporyzacji (i lepsze mieszanie z powietrzem), ale wyższą temperaturę samozapłonu. Zdaniem projektantów laboratoriów połączenie trybu LTGC i zapłonu iskrowego w bardziej niekorzystnych i trudniejszych do kontrolowania trybach, takich jak pełne obciążenie, spowoduje, że maszyny będą znacznie wydajniejsze niż istniejące jednostki downsizingowe. Delphi Automotive opracowuje podobny proces zapłonu samoczynnego. Nazywają swoje projekty GDCI, od „Compression Ignition Direct Petrol Injection” (bezpośredni wtrysk benzyny i zapłonu ciśnieniowego), co zapewnia również ubogą i bogatą pracę w celu kontrolowania procesu spalania. W Delphi odbywa się to za pomocą wtryskiwaczy o złożonej dynamice wtrysku, dzięki czemu pomimo wyczerpania i wzbogacenia mieszanina jako całość pozostaje na tyle uboga, aby nie tworzyła sadzy i wystarczająco niska, aby nie tworzyć NOx. Projektanci kontrolują różne części mieszanki, aby spalały się w różnym czasie. Ten złożony proces przypomina olej napędowy, emisje CO2 są niskie, a powstawanie NOx znikome. Delphi zapewniło jeszcze co najmniej 4 lata finansowania od rządu USA, a zainteresowanie producentów takich jak Hyundai ich rozwojem oznacza, że ​​nie przestaną.

Pamiętajmy o Disotto

Opracowanie konstruktorów Daimler Engine Research Labs w Untertürkheim nazywa się Diesotto i w trybie rozruchu i maksymalnego obciążenia pracuje jak klasyczny silnik benzynowy, wykorzystując wszystkie zalety bezpośredniego wtrysku i kaskadowego turbodoładowania. Jednak przy niskich i średnich prędkościach i obciążeniach w ciągu jednego cyklu elektronika wyłączy układ zapłonowy i przełączy się w tryb sterowania samozapłonem. W tym przypadku fazy zaworów wydechowych radykalnie zmieniają swój charakter. Otwierają się w dużo krótszym czasie niż zwykle i ze znacznie zmniejszonym skokiem - dzięki czemu tylko połowa spalin ma czas na opuszczenie komory spalania, a reszta jest celowo zatrzymywana w cylindrach wraz z większością zawartego w nich ciepła . Aby osiągnąć jeszcze wyższą temperaturę w komorach, dysze wtryskują niewielką porcję paliwa, które nie zapala się, ale reaguje z ogrzanymi gazami. Podczas kolejnego suwu ssania do każdego cylindra wtryskiwana jest nowa porcja paliwa w dokładnie odpowiedniej ilości. Zawór wlotowy otwiera się na krótko po krótkim skoku i pozwala dokładnie odmierzonej ilości świeżego powietrza dostać się do cylindra i zmieszać z dostępnymi gazami, tworząc ubogą mieszankę paliwową z dużą zawartością gazów spalinowych. Następnie następuje suw sprężania, w którym temperatura mieszanki nadal rośnie, aż do momentu samozapłonu. Precyzyjne wyczucie czasu procesu uzyskuje się dzięki precyzyjnemu sterowaniu ilością paliwa, świeżego powietrza i spalin, stałej informacji z czujników mierzących ciśnienie w cylindrze oraz systemowi, który może błyskawicznie zmieniać stopień sprężania za pomocą mechanizmu mimośrodowego. zmiana położenia wału korbowego. Nawiasem mówiąc, działanie omawianego systemu nie ogranicza się do trybu HCCI.

Zarządzanie wszystkimi tymi złożonymi operacjami wymaga elektroniki sterującej, która nie opiera się na zwykłym zestawie predefiniowanych algorytmów stosowanych w konwencjonalnych silnikach spalinowych, ale umożliwia zmiany wydajności w czasie rzeczywistym na podstawie danych z czujników. Zadanie jest trudne, ale wynik jest tego wart - 238 KM. Diesotto o pojemności 1,8 litra gwarantowało koncepcyjnemu F700 emisję CO2 Klasy S na poziomie 127 g/km i zgodność z surowymi dyrektywami Euro 6.

Tekst: Georgy Kolev

Dom " Artykuły " Puste » Silniki benzynowe i wysokoprężne w silnikach pojedynczych lub HCCI: część 2