Δοκιμαστική κίνηση κινητήρων βενζίνης και ντίζελ σε κινητήρες μονού ή HCCI: Μέρος 2

Η Mazda λέει ότι θα είναι οι πρώτοι που θα το χρησιμοποιήσουν στη σειρά

Με καθαρά αέρια όπως βενζίνη και αποδοτικότητα καυσίμου ντίζελ. Αυτό το άρθρο αναφέρεται στο τι συμβαίνει όταν σχεδιάζετε έναν ιδανικό κινητήρα με ομοιογενή ανάμιξη και αυτόματη ανάφλεξη κατά τη συμπίεση. Οι σχεδιαστές το αποκαλούν απλώς HCCI.

Συσσώρευση γνώσης

Τα θεμέλια τέτοιων διεργασιών χρονολογούνται από τη δεκαετία του εβδομήντα, όταν ο Ιάπωνας μηχανικός Onishi ανέπτυξε την τεχνολογία του «Ενεργή καύση στη θερμο-ατμόσφαιρα». Στην αυλή, το 1979 είναι η περίοδος της δεύτερης πετρελαϊκής κρίσης και των πρώτων σοβαρών νομικών περιορισμών περιβαλλοντικής φύσης, και στόχος του μηχανικού είναι να ευθυγραμμίσει τις δίχρονες μοτοσυκλέτες που ήταν συνηθισμένες εκείνη την εποχή. Είναι γνωστό ότι στη λειτουργία ελαφρού και μερικού φορτίου, μεγάλη ποσότητα καυσαερίων αποθηκεύεται στους κυλίνδρους των δίχρονων μονάδων και η ιδέα του Ιάπωνα σχεδιαστή είναι να μετατρέψει τα μειονεκτήματά του σε πλεονεκτήματα δημιουργώντας ένα διαδικασία καύσης κατά την οποία υπολειμματικά αέρια και υψηλή θερμοκρασία καυσίμου αναμειγνύονται για χρήσιμη εργασία.

Για πρώτη φορά, μηχανικοί από την ομάδα Onishi μπόρεσαν να εφαρμόσουν μια σχεδόν επαναστατική τεχνολογία από μόνη της, ενεργοποιώντας μια διαδικασία αυθόρμητης καύσης που μείωσε πραγματικά με επιτυχία τις εκπομπές καυσαερίων. Ωστόσο, βρήκαν επίσης σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση του κινητήρα και αμέσως μετά την αποκάλυψη της εξέλιξης, παρόμοιες διαδικασίες επιδείχθηκαν από την Toyota, τη Mitsubishi και τη Honda. Οι σχεδιαστές έμειναν έκπληκτοι από την εξαιρετικά ομαλή και ταυτόχρονα υψηλής ταχύτητας καύση στα πρωτότυπα, τη μειωμένη κατανάλωση καυσίμου και τις επιβλαβείς εκπομπές ρύπων. Το 1983 εμφανίστηκαν τα πρώτα εργαστηριακά δείγματα τετράχρονων κινητήρων αυτανάφλεξης, στα οποία είναι δυνατός ο έλεγχος της διαδικασίας σε διάφορους τρόπους λειτουργίας λόγω του γεγονότος ότι η χημική σύνθεση και η αναλογία των συστατικών στο χρησιμοποιούμενο καύσιμο είναι απολύτως γνωστές. Ωστόσο, η ανάλυση αυτών των διεργασιών είναι κάπως πρωτόγονη, καθώς βασίζεται στην υπόθεση ότι σε αυτόν τον τύπο κινητήρα πραγματοποιούνται λόγω της κινητικής των χημικών διεργασιών και τέτοια φυσικά φαινόμενα όπως η ανάμειξη και ο στροβιλισμός είναι ασήμαντα. Στη δεκαετία του '80 τέθηκαν τα θεμέλια για τα πρώτα αναλυτικά μοντέλα διαδικασιών με βάση την πίεση, τη θερμοκρασία και τη συγκέντρωση συστατικών καυσίμου και αέρα στον όγκο του θαλάμου. Οι σχεδιαστές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η λειτουργία αυτού του τύπου κινητήρα μπορεί να χωριστεί σε δύο κύρια μέρη - ανάφλεξη και ογκομετρική απελευθέρωση ενέργειας. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων της έρευνας δείχνει ότι η αυτανάφλεξη ξεκινά από τις ίδιες προκαταρκτικές χημικές διεργασίες χαμηλής θερμοκρασίας (που συμβαίνουν κάτω από 700 μοίρες με το σχηματισμό υπεροξειδίων) που ευθύνονται για την επιβλαβή εκρηκτική καύση στους βενζινοκινητήρες και τις διαδικασίες απελευθέρωσης της κύριας ενέργειας είναι υψηλής θερμοκρασίας. και εκτελούνται πάνω από αυτό το υπό όρους όριο θερμοκρασίας.

Είναι σαφές ότι η εργασία πρέπει να επικεντρωθεί στη μελέτη και τη μελέτη των αποτελεσμάτων των αλλαγών στη χημική δομή και τη σύνθεση του φορτίου υπό την επίδραση της θερμοκρασίας και της πίεσης. Λόγω της αδυναμίας ελέγχου της ψυχρής εκκίνησης και της εργασίας με μέγιστα φορτία σε αυτές τις λειτουργίες, οι μηχανικοί καταφεύγουν στη χρήση μπουζί. Η πρακτική δοκιμή επιβεβαιώνει επίσης τη θεωρία ότι η απόδοση είναι χαμηλότερη όταν λειτουργεί με καύσιμο ντίζελ, καθώς ο λόγος συμπίεσης πρέπει να είναι σχετικά χαμηλός και σε υψηλότερη συμπίεση, η διαδικασία αυτανάφλεξης συμβαίνει πολύ νωρίς. εγκεφαλικό επεισόδιο συμπίεσης. Ταυτόχρονα, αποδεικνύεται ότι όταν χρησιμοποιείτε καύσιμο ντίζελ, υπάρχουν προβλήματα με την εξάτμιση των εύφλεκτων κλασμάτων του καυσίμου ντίζελ και ότι οι χημικές αντιδράσεις τους πριν από τη φλόγα είναι πολύ πιο έντονες από ό,τι με τις βενζίνες υψηλού οκτανίου. Και ένα ακόμη πολύ σημαντικό σημείο - αποδεικνύεται ότι οι κινητήρες HCCI λειτουργούν χωρίς προβλήματα με έως και 50% των υπολειμματικών αερίων στα αντίστοιχα άπαχα μείγματα στους κυλίνδρους. Από όλα αυτά προκύπτει ότι οι βενζίνες είναι πολύ πιο κατάλληλες για εργασία σε τέτοιου τύπου μονάδες και οι εξελίξεις κατευθύνονται προς αυτή την κατεύθυνση.

Οι πρώτοι κινητήρες κοντά στην πραγματική αυτοκινητοβιομηχανία, στον οποίο αυτές οι διαδικασίες εφαρμόστηκαν επιτυχώς στην πράξη, τροποποιήθηκαν VW κινητήρες 1,6-λίτρων το 1992. Με τη βοήθειά τους, οι σχεδιαστές από το Wolfsburg κατάφεραν να αυξήσουν την απόδοση κατά 34% με μερική φόρτιση. Λίγο αργότερα, το 1996, μια άμεση σύγκριση του κινητήρα HCCI με κινητήρα βενζίνης και άμεσου ψεκασμού έδειξε ότι οι κινητήρες HCCI παρουσίασαν τη χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου και εκπομπές NOx χωρίς την ανάγκη ακριβών συστημάτων ψεκασμού. με καύσιμο.

Τι συμβαίνει σήμερα

Σήμερα, παρά τις οδηγίες μείωσης, η GM συνεχίζει να αναπτύσσει κινητήρες HCCI και η εταιρεία πιστεύει ότι αυτός ο τύπος μηχανής θα βοηθήσει στη βελτίωση του βενζινοκινητήρα. Την ίδια γνώμη έχουν και οι μηχανικοί της Mazda, αλλά θα τους μιλήσουμε στο επόμενο τεύχος. Τα εθνικά εργαστήρια Sandia, σε στενή συνεργασία με τη GM, βελτιώνουν αυτήν τη στιγμή μια νέα ροή εργασίας, η οποία είναι μια παραλλαγή του HCCI. Οι προγραμματιστές το αποκαλούν LTGC για "καύση βενζίνης χαμηλής θερμοκρασίας". Δεδομένου ότι σε προηγούμενα σχέδια, οι λειτουργίες HCCI περιορίζονται σε ένα αρκετά στενό εύρος λειτουργίας και δεν έχουν μεγάλο πλεονέκτημα έναντι των σύγχρονων μηχανών για μείωση μεγέθους, οι επιστήμονες αποφάσισαν να στρωματοποιήσουν το μείγμα ούτως ή άλλως. Με άλλα λόγια, να δημιουργηθούν επακριβώς ελεγχόμενες φτωχότερες και πλουσιότερες περιοχές, αλλά σε αντίθεση με περισσότερο ντίζελ. Τα γεγονότα στο τέλος του αιώνα έχουν δείξει ότι οι θερμοκρασίες λειτουργίας είναι συχνά ανεπαρκείς για να ολοκληρωθούν οι αντιδράσεις οξείδωσης των υδρογονανθράκων και του CO-CO2. Όταν το μείγμα εμπλουτιστεί και εξαντληθεί, το πρόβλημα εξαλείφεται, καθώς η θερμοκρασία του αυξάνεται κατά τη διαδικασία καύσης. Ωστόσο, παραμένει αρκετά χαμηλό ώστε να μην ξεκινήσει ο σχηματισμός οξειδίων του αζώτου. Στο τέλος του αιώνα, οι σχεδιαστές εξακολουθούσαν να πιστεύουν ότι το HCCI ήταν μια εναλλακτική λύση χαμηλής θερμοκρασίας σε έναν κινητήρα ντίζελ που δεν παρήγαγε οξείδια αζώτου. Ωστόσο, δεν δημιουργούνται ούτε στη νέα διαδικασία LTGC. Η βενζίνη χρησιμοποιείται επίσης για το σκοπό αυτό, όπως στα αρχικά πρωτότυπα GM, καθώς έχει χαμηλότερη θερμοκρασία εξάτμισης (και καλύτερη ανάμειξη με τον αέρα) αλλά υψηλότερη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης. Σύμφωνα με σχεδιαστές εργαστηρίων, ο συνδυασμός της λειτουργίας LTGC και της ανάφλεξης με σπινθήρα σε πιο δυσμενείς και δύσκολους τρόπους ελέγχου, όπως το πλήρες φορτίο, θα έχει ως αποτέλεσμα μηχανές πολύ πιο αποδοτικές από τις υπάρχουσες μονάδες συρρίκνωσης. Η Delphi Automotive αναπτύσσει παρόμοια διαδικασία ανάφλεξης με συμπίεση. Ονομάζουν τα σχέδιά τους GDCI, για "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), το οποίο παρέχει επίσης άπαχο και πλούσιο έργο για τον έλεγχο της διαδικασίας καύσης. Στους Δελφούς, αυτό γίνεται με τη χρήση εγχυτήρων με πολύπλοκη δυναμική έγχυσης, έτσι ώστε, παρά την εξάντληση και τον εμπλουτισμό, το μείγμα στο σύνολό του να παραμένει αρκετά άπαχο ώστε να μην σχηματίζει αιθάλη και αρκετά χαμηλή θερμοκρασία για να μην σχηματίσει οξείδια του αζώτου. Οι σχεδιαστές ελέγχουν διαφορετικά μέρη του μείγματος έτσι ώστε να καίγονται σε διαφορετικούς χρόνους. Αυτή η περίπλοκη διαδικασία μοιάζει με καύσιμο ντίζελ, οι εκπομπές CO2 είναι χαμηλές και ο σχηματισμός οξειδίων του αζώτου είναι αμελητέος. Οι Delphi παρείχαν τουλάχιστον 4 χρόνια χρηματοδότησης από την αμερικανική κυβέρνηση και το ενδιαφέρον κατασκευαστών όπως η Hyundai για την ανάπτυξή τους σημαίνει ότι δεν θα σταματήσουν.

Ας θυμηθούμε το Disotto

Η ανάπτυξη των σχεδιαστών των Daimler Engine Research Labs στο Untertürkheim ονομάζεται Diesotto και σε λειτουργία εκκίνησης και μέγιστου φορτίου λειτουργεί σαν κλασικός βενζινοκινητήρας, χρησιμοποιώντας όλα τα πλεονεκτήματα του άμεσου ψεκασμού και της καταρράκτη υπερσυμπίεσης. Ωστόσο, σε χαμηλές έως μεσαίες ταχύτητες και φορτία εντός ενός κύκλου, τα ηλεκτρονικά θα απενεργοποιήσουν το σύστημα ανάφλεξης και θα μεταβούν στη λειτουργία ελέγχου της λειτουργίας αυτανάφλεξης. Σε αυτή την περίπτωση, οι φάσεις των βαλβίδων εξαγωγής αλλάζουν ριζικά τον χαρακτήρα τους. Ανοίγουν σε πολύ μικρότερο χρόνο από το συνηθισμένο και με πολύ μειωμένη διαδρομή - έτσι μόνο τα μισά από τα καυσαέρια έχουν χρόνο να φύγουν από τον θάλαμο καύσης και τα υπόλοιπα φυλάσσονται σκόπιμα στους κυλίνδρους, μαζί με το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας που περιέχεται σε αυτούς . Για να επιτευχθεί ακόμη υψηλότερη θερμοκρασία στους θαλάμους, τα ακροφύσια εγχέουν μια μικρή ποσότητα καυσίμου που δεν αναφλέγεται, αλλά αντιδρά με θερμαινόμενα αέρια. Κατά τη διάρκεια της επόμενης διαδρομής εισαγωγής, μια νέα ποσότητα καυσίμου εγχέεται σε κάθε κύλινδρο ακριβώς στη σωστή ποσότητα. Η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει για λίγο με μια σύντομη διαδρομή και επιτρέπει σε μια ακριβή ποσότητα φρέσκου αέρα να εισέλθει στον κύλινδρο και να αναμιχθεί με τα διαθέσιμα αέρια για να παραχθεί ένα άπαχο μείγμα καυσίμου με υψηλή αναλογία καυσαερίων. Ακολουθεί μια διαδρομή συμπίεσης στην οποία η θερμοκρασία του μείγματος συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι τη στιγμή της αυτανάφλεξης. Ο ακριβής χρονισμός της διαδικασίας επιτυγχάνεται με τον ακριβή έλεγχο της ποσότητας καυσίμου, φρέσκου αέρα και καυσαερίων, σταθερές πληροφορίες από αισθητήρες που μετρούν την πίεση στον κύλινδρο και ένα σύστημα που μπορεί να αλλάξει άμεσα τον λόγο συμπίεσης χρησιμοποιώντας έναν έκκεντρο μηχανισμό. αλλάζοντας τη θέση του στροφαλοφόρου άξονα. Παρεμπιπτόντως, η λειτουργία του εν λόγω συστήματος δεν περιορίζεται στη λειτουργία HCCI.

Η διαχείριση όλων αυτών των πολύπλοκων λειτουργιών απαιτεί ηλεκτρονικά ελέγχου που δεν βασίζονται στο συνηθισμένο σύνολο προκαθορισμένων αλγορίθμων που βρίσκονται σε συμβατικούς κινητήρες εσωτερικής καύσης, αλλά επιτρέπουν αλλαγές απόδοσης σε πραγματικό χρόνο με βάση τα δεδομένα αισθητήρων. Το έργο είναι δύσκολο, αλλά το αποτέλεσμα αξίζει τον κόπο - 238 hp. Το Diesotto 1,8 λίτρων εγγυήθηκε το πρωτότυπο F700 με εκπομπές CO2 S-Class 127 g/km και συμμόρφωση με τις αυστηρές οδηγίες Euro 6.

Κείμενο: Georgy Kolev

Σπίτι " άρθρα " Κενά » Κινητήρες βενζίνης και ντίζελ σε κινητήρες μονού ή HCCI: Μέρος 2