Zkušební jízda benzinových a naftových motorů v jednotlivých motorech nebo motorech HCCI: Část 2

Mazda říká, že budou první, kdo ji v sérii použije

S čistými plyny, jako je benzín, a účinností motorové nafty. Tento článek pojednává o tom, co se stane při navrhování ideálního motoru s homogenním mícháním a samovznícením během komprese. Návrháři to jednoduše nazývají HCCI.

Akumulace znalostí

Základy takových procesů sahají do sedmdesátých let, kdy japonský inženýr Onishi vyvinul svou technologii „Aktivní spalování v termoatmosféře“. Na dvoře je rok 1979 obdobím druhé ropné krize a prvních vážných zákonných omezení ekologického charakteru a cílem inženýra je uvést v té době běžné dvoutaktní motocykly do souladu s těmito požadavky. Je známo, že v režimu lehkého a částečného zatížení se ve válcích dvoutaktních jednotek ukládá velké množství výfukových plynů a myšlenkou japonského konstruktéra je proměnit jeho nevýhody v výhody vytvořením spalovací proces, ve kterém se zbytkové plyny a vysoká teplota paliva mísí pro užitečnou práci.

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.

Je zřejmé, že práce by měla být zaměřena na studium a studium výsledků změn chemické struktury a složení vsázky pod vlivem teploty a tlaku. Vzhledem k nemožnosti řídit studený start a pracovat při maximálním zatížení v těchto režimech se inženýři uchýlí k použití zapalovací svíčky. Praktická zkouška také potvrzuje teorii, že účinnost je nižší při provozu s motorovou naftou, protože kompresní poměr musí být relativně nízký a při vyšší kompresi dochází k samovznícení příliš brzy. kompresní zdvih. Zároveň se ukazuje, že při použití motorové nafty dochází k problémům s odpařováním hořlavých frakcí motorové nafty a jejich chemické reakce před zapálením jsou mnohem výraznější než u vysokooktanových benzínů. A ještě jeden velmi důležitý bod – ukazuje se, že motory HCCI bez problémů pracují až s 50 % zbytkových plynů v odpovídajících chudých směsích ve válcích. Z toho všeho vyplývá, že benziny jsou pro práci v tomto typu agregátů mnohem vhodnější a vývoj směřuje tímto směrem.

První motory blízké reálnému automobilovému průmyslu, ve kterých byly tyto procesy úspěšně implementovány v praxi, byly v roce 1,6 upravené motory 1992 l VW. S jejich pomocí dokázali designéři z Wolfsburgu při částečném zatížení zvýšit účinnost o 34%. O něco později, v roce 1996, přímé srovnání motoru HCCI s benzínovým a dieselovým motorem s přímým vstřikováním ukázalo, že motory HCCI vykazovaly nejnižší spotřebu paliva a emise NOx bez nutnosti nákladných vstřikovacích systémů. na palivo.

Co se dnes děje

Dnes GM navzdory směrnicím o zmenšování pokračuje ve vývoji motorů HCCI a společnost věří, že tento typ strojů pomůže vylepšit benzínový motor. Stejný názor zastávají i inženýři Mazdy, ale o nich si povíme v příštím čísle. Sandia National Laboratories, úzce spolupracující s GM, v současné době vylepšuje nový pracovní postup, což je varianta HCCI. Vývojáři tomu říkají LTGC pro „nízkoteplotní spalování benzínu“. Vzhledem k tomu, že v předchozích provedeních byly režimy HCCI omezeny na poměrně úzký provozní rozsah a oproti moderním strojům na zmenšení velikosti neměly velkou výhodu, rozhodli se vědci směs stejně stratifikovat. Jinými slovy, vytvořit přesně kontrolované chudší a bohatší oblasti, ale na rozdíl od více nafty. Události na přelomu století ukázaly, že provozní teploty často nestačí k dokončení oxidačních reakcí uhlovodíků a CO-CO2. Když je směs obohacena a vyčerpána, problém je odstraněn, protože její teplota během procesu spalování stoupá. Zůstává však dostatečně nízká, aby nespustila tvorbu oxidů dusíku. Na přelomu století se konstruktéři stále domnívali, že HCCI je alternativou za nízkých teplot k naftovému motoru, který nevytváří oxidy dusíku. Nejsou však vytvořeny ani v novém procesu LTGC. K tomuto účelu se také používá benzín, jako u původních prototypů GM, protože má nižší teplotu odpařování (a lepší směšování se vzduchem), ale vyšší teplotu samovznícení. Podle konstruktérů laboratoří povede kombinace režimu LTGC a zážehového zapalování v nepříznivějších a obtížně ovladatelných režimech, jako je plné zatížení, ke strojům, které jsou mnohem efektivnější než stávající jednotky snižování velikosti. Delphi Automotive vyvíjí podobný proces kompresního zapalování. Říkají svým návrhům GDCI, „Compression Ignition Direct Petrol Injection“ (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), který také poskytuje štíhlou a bohatou práci na řízení spalovacího procesu. V Delphi se to provádí pomocí vstřikovačů s komplexní dynamikou vstřikování, takže i přes vyčerpání a obohacení zůstává směs jako celek dostatečně libová, aby nevytvářela saze, a dostatečně nízkou teplotu, aby nevytvářela oxidy dusíku. Designéři ovládají různé části směsi tak, aby hořely v různých časech. Tento složitý proces připomíná naftu, emise CO2 jsou nízké a tvorba oxidů dusíku je zanedbatelná. Delphi poskytlo nejméně 4 roky financování od americké vlády a zájem výrobců, jako je Hyundai, o jejich vývoj znamená, že se nezastaví.

Vzpomeňme si na Disotto

Vývoj konstruktérů Daimler Engine Research Labs v Untertürkheimu nese název Diesotto a v režimu startování a maximálního zatížení funguje jako klasický benzinový motor s využitím všech výhod přímého vstřikování a kaskádového přeplňování turbodmychadlem. Při nízkých až středních otáčkách a zatížení v rámci jednoho cyklu však elektronika vypne zapalovací systém a přepne do režimu řízení režimu samovznícení. V tomto případě fáze výfukových ventilů radikálně mění svůj charakter. Otevřou se za mnohem kratší dobu než obvykle a s výrazně sníženým zdvihem - takže jen polovina výfukových plynů stihne opustit spalovací prostor a zbytek je záměrně zadržován ve válcích spolu s většinou tepla v nich obsaženého. . Pro dosažení ještě vyšší teploty v komorách trysky vstřikují malou část paliva, které se nevznítí, ale reaguje se zahřátými plyny. Během následného sacího zdvihu je do každého válce vstříknuta nová část paliva v přesně správném množství. Sací ventil se krátce otevře krátkým zdvihem a umožní přesně odměřenému množství čerstvého vzduchu vstoupit do válce a smísit se s dostupnými plyny za vzniku chudé palivové směsi s vysokým podílem výfukových plynů. Následuje kompresní zdvih, při kterém teplota směsi stále stoupá až do okamžiku samovznícení. Přesného načasování procesu je dosaženo přesným řízením množství paliva, čerstvého vzduchu a výfukových plynů, neustálými informacemi ze senzorů, které měří tlak ve válci, a systémem, který dokáže pomocí excentrického mechanismu okamžitě změnit kompresní poměr. změna polohy klikového hřídele. Mimochodem, provoz dotyčného systému není omezen na režim HCCI.

Řízení všech těchto složitých operací vyžaduje řídicí elektroniku, která se nespoléhá na obvyklou sadu předdefinovaných algoritmů používaných v konvenčních spalovacích motorech, ale umožňuje změny výkonu v reálném čase na základě dat ze senzorů. Úkol je to obtížný, ale výsledek stojí za to - 238 koní. Diesotto o objemu 1,8 litru zaručovalo konceptu F700 emise CO2 třídy S 127 g/km a shodu s přísnými směrnicemi Euro 6.

Text: Georgy Kolev

Domov " články" Blanks » Benzínové a naftové motory v jednoduchých nebo HCCI motorech: část 2