Skúšobná jazda benzínových a naftových motorov v jednotlivých motoroch alebo motoroch HCCI: Časť 2

Mazda hovorí, že ju ako prvú použijú v sérii

S čistými plynmi, ako je benzín, a účinnosťou nafty. Tento článok je o tom, čo sa stane pri navrhovaní ideálneho motora s homogénnym miešaním a samovznietením počas kompresie. Dizajnéri to jednoducho nazývajú HCCI.

Hromadenie vedomostí

Základy takýchto procesov siahajú do sedemdesiatych rokov, kedy japonský inžinier Onishi vyvinul svoju technológiu „Aktívne spaľovanie v termo-atmosfére“. Na dvore je rok 1979 obdobím druhej ropnej krízy a prvých vážnych zákonných obmedzení environmentálneho charakteru a cieľom inžiniera je zosúladiť v tom čase bežné dvojtaktné motocykle s týmito požiadavkami. Je známe, že v režime ľahkého a čiastočného zaťaženia sa vo valcoch dvojtaktných jednotiek ukladá veľké množstvo výfukových plynov a myšlienkou japonského dizajnéra je premeniť jeho nevýhody na výhody vytvorením spaľovací proces, v ktorom sa zmiešajú zvyškové plyny a vysoká teplota paliva pre užitočnú prácu.

Inžinieri z tímu Onishi boli po prvýkrát schopní implementovať takmer revolučnú technológiu samu osebe, ktorá spustila proces samovznietenia, ktorý skutočne úspešne znížil výfukové emisie. Zistili však aj výrazné zlepšenia účinnosti motora a čoskoro po odhalení vývoja podobné procesy predviedli aj Toyota, Mitsubishi a Honda. Konštruktéri boli u prototypov ohromení mimoriadne hladkým a zároveň vysokorýchlostným spaľovaním, zníženou spotrebou paliva a škodlivými emisiami. V roku 1983 sa objavili prvé laboratórne vzorky štvortaktných samozápalných motorov, v ktorých je možná kontrola procesu v rôznych prevádzkových režimoch vďaka tomu, že chemické zloženie a pomer zložiek v použitom palive sú absolútne známe. Analýza týchto procesov je však trochu primitívna, pretože je založená na predpoklade, že v tomto type motora sa vykonávajú v dôsledku kinetiky chemických procesov a také fyzikálne javy, ako je miešanie a turbulencia, sú bezvýznamné. Práve v 80. rokoch boli položené základy pre prvé analytické modely procesov založených na tlaku, teplote a koncentrácii zložiek paliva a vzduchu v objeme komory. Konštruktéri dospeli k záveru, že činnosť tohto typu motora možno rozdeliť na dve hlavné časti – zapaľovanie a objemové uvoľňovanie energie. Analýza výsledkov výskumu ukazuje, že samovznietenie je iniciované rovnakými nízkoteplotnými predbežnými chemickými procesmi (prebiehajúcimi pod 700 stupňov s tvorbou peroxidov), ktoré sú zodpovedné za škodlivé detonačné spaľovanie v benzínových motoroch, a procesmi uvoľňovania hlavnej energie sú vysokoteplotné. a sú vykonávané nad týmto podmieneným teplotným limitom.

Je zrejmé, že práca by mala byť zameraná na štúdium a štúdium výsledkov zmien chemickej štruktúry a zloženia vsádzky pod vplyvom teploty a tlaku. Kvôli nemožnosti ovládať studený štart a pracovať pri maximálnom zaťažení v týchto režimoch sa inžinieri uchyľujú k použitiu zapaľovacej sviečky. Praktická skúška tiež potvrdzuje teóriu, že účinnosť je nižšia pri prevádzke s motorovou naftou, keďže kompresný pomer musí byť relatívne nízky a pri vyššej kompresii dochádza k samovznieteniu príliš skoro. kompresný zdvih. Zároveň sa ukazuje, že pri použití motorovej nafty dochádza k problémom s odparovaním horľavých frakcií motorovej nafty a že ich chemické reakcie pred zapálením sú oveľa výraznejšie ako u vysokooktánových benzínov. A ešte jeden veľmi dôležitý bod – ukazuje sa, že motory HCCI bez problémov pracujú až s 50 % zvyškových plynov v zodpovedajúcich chudobných zmesiach vo valcoch. Z toho všetkého vyplýva, že benzíny sú na prácu v tomto type agregátov oveľa vhodnejšie a vývoj smeruje týmto smerom.

Prvé motory blízke skutočnému automobilovému priemyslu, v ktorých sa tieto procesy úspešne implementovali do praxe, boli v roku 1,6 upravené 1992-litrové motory VW. S ich pomocou dokázali dizajnéri z Wolfsburgu zvýšiť účinnosť pri čiastočnom zaťažení o 34%. O niečo neskôr, v roku 1996, priame porovnanie motora HCCI s benzínovým a naftovým motorom s priamym vstrekovaním ukázalo, že motory HCCI vykazovali najnižšiu spotrebu paliva a emisie NOx bez potreby drahých systémov vstrekovania. na palive.

Čo sa dnes deje

Dnes GM napriek smerniciam o znižovaní veľkosti pokračuje vo vývoji motorov HCCI a spoločnosť verí, že tento typ stroja pomôže vylepšiť benzínový motor. Rovnaký názor zastávajú aj inžinieri Mazdy, o ktorých si však povieme v nasledujúcom čísle. Národné laboratóriá Sandia, ktoré úzko spolupracujú s GM, v súčasnosti zdokonaľujú nový pracovný postup, ktorý je variantom HCCI. Vývojári to nazývajú LTGC pre „nízkoteplotné spaľovanie benzínu“. Pretože v predchádzajúcich projektoch sú režimy HCCI obmedzené na pomerne úzky prevádzkový rozsah a oproti moderným strojom na zmenšenie veľkosti nemajú veľkú výhodu, vedci sa rozhodli zmes aj tak stratifikovať. Inými slovami, vytvárať presne kontrolované chudobnejšie a bohatšie oblasti, ale na rozdiel od väčšieho množstva nafty. Udalosti na prelome storočí ukázali, že prevádzkové teploty často nestačia na dokončenie oxidačných reakcií uhľovodíkov a CO-CO2. Keď je zmes obohatená a vyčerpaná, problém je odstránený, pretože jej teplota počas spaľovacieho procesu stúpa. Zostáva však dostatočne nízka na to, aby nespúšťala tvorbu oxidov dusíka. Na prelome storočí sa konštruktéri stále domnievali, že HCCI je nízkoteplotná alternatíva k naftovému motoru, ktorý nevytvára oxidy dusíka. Nie sú však vytvárané ani v novom procese LTGC. Na tento účel sa používa aj benzín, ako v pôvodných prototypoch GM, pretože má nižšiu teplotu odparovania (a lepšie miešanie so vzduchom), ale vyššiu teplotu samovznietenia. Podľa projektantov laboratórií bude kombinácia režimu LTGC a zážihového zapaľovania v nepriaznivejších a ťažko kontrolovateľných režimoch, napríklad pri plnom zaťažení, viesť k strojom, ktoré sú oveľa efektívnejšie ako existujúce jednotky znižovania veľkosti. Spoločnosť Delphi Automotive vyvíja podobný proces kompresného zapaľovania. Svojim návrhom hovoria GDCI, „Direct Compression Ignition Direct Petrol Injection“ (benzínové priame vstrekovanie a kompresné zapaľovanie), ktoré tiež poskytuje štíhlu a bohatú prácu na riadenie spaľovacieho procesu. V Delphi sa to robí pomocou vstrekovačov s komplexnou dynamikou vstrekovania, takže napriek vyčerpaniu a obohateniu zostáva zmes ako celok dostatočne chudá, aby nevytvárala sadze a dostatočne nízka teplota, aby nevytvárala NOx. Dizajnéri ovládajú rôzne časti zmesi tak, aby v rôznych časoch spálili. Tento komplexný proces pripomína naftu, emisie CO2 sú nízke a tvorba oxidov dusíka je zanedbateľná. Spoločnosť Delphi poskytla vláde USA najmenej 4 roky financovania a záujem výrobcov, akými sú napríklad Hyundai, o ich vývoj znamená, že neprestanú.

Spomeňme si na Disotto

Vývoj konštruktérov Daimler Engine Research Labs v Untertürkheime nesie názov Diesotto a v režime štartovania a maximálneho zaťaženia funguje ako klasický benzínový motor, využívajúc všetky výhody priameho vstrekovania a kaskádového prepĺňania turbodúchadlom. Pri nízkych až stredných otáčkach a zaťažení v rámci jedného cyklu však elektronika vypne systém zapaľovania a prepne sa do režimu riadenia režimu samovznietenia. V tomto prípade fázy výfukových ventilov radikálne menia svoj charakter. Otvárajú sa v oveľa kratšom čase ako zvyčajne a s výrazne zníženým zdvihom - len polovica výfukových plynov tak stihne opustiť spaľovací priestor a zvyšok sa zámerne drží vo valcoch spolu s väčšinou tepla v nich obsiahnutých. . Na dosiahnutie ešte vyššej teploty v komorách vstrekujú trysky malú časť paliva, ktoré sa nezapáli, ale reaguje so zahriatymi plynmi. Počas nasledujúceho sacieho zdvihu sa do každého valca vstrekne nová časť paliva v presne správnom množstve. Nasávací ventil sa krátko otvorí krátkym zdvihom a umožní presne odmeranému množstvu čerstvého vzduchu vstúpiť do valca a zmiešať sa s dostupnými plynmi, čím vznikne chudobná palivová zmes s vysokým podielom výfukových plynov. Nasleduje kompresný zdvih, pri ktorom teplota zmesi stále stúpa až do okamihu samovznietenia. Presné načasovanie procesu je dosiahnuté precíznym riadením množstva paliva, čerstvého vzduchu a výfukových plynov, neustálymi informáciami zo senzorov, ktoré merajú tlak vo valci, a systémom, ktorý dokáže pomocou excentrického mechanizmu okamžite zmeniť kompresný pomer. zmena polohy kľukového hriadeľa. Mimochodom, prevádzka predmetného systému nie je obmedzená na režim HCCI.

Riadenie všetkých týchto zložitých operácií vyžaduje riadiacu elektroniku, ktorá sa nespolieha na zvyčajný súbor preddefinovaných algoritmov, ktoré sa nachádzajú v konvenčných spaľovacích motoroch, ale umožňuje zmeny výkonu v reálnom čase na základe údajov zo snímačov. Úloha je náročná, ale výsledok stojí za to - 238 k. Diesotto s objemom 1,8 litra zaručilo konceptu F700 emisie CO2 triedy S 127 g/km a súlad s prísnymi smernicami Euro 6.

Text: Georgy Kolev

Domov " články " Prázdne miesta » Benzínové a naftové motory v samostatných alebo HCCI motoroch: časť 2