Пробно шофиране на бензинови и дизелови двигатели в единични двигатели или HCCI двигатели: Част 2
Mazda казва, че те ще бъдат първите, които ще го използват в серията
С чисти газове като бензин и ефективността на дизеловото гориво. Тази статия е за това какво се случва при проектирането на идеален двигател с хомогенно смесване и самозапалване по време на компресия. Дизайнерите просто го наричат HCCI.
Натрупване на знания
Основите на подобни процеси датират от седемдесетте години, когато японският инженер Onishi разработва своята технология „Активно изгаряне в термо-атмосфера“. В двора 1979 г. е периодът на втората петролна криза и първите сериозни законови ограничения от екологичен характер, а целта на инженера е да приведе двутактовите мотоциклети, обичайни по това време, в съответствие с тези изисквания. Известно е, че в режим на леко и частично натоварване в цилиндрите на двутактовите агрегати се натрупва голямо количество отработени газове, а идеята на японския конструктор е да превърне недостатъците му в предимства, като създаде процес на горене, при който остатъчните газове и високата температура на горивото се смесват за полезна работа.
За първи път инженерите от екипа на Onishi успяха да внедрят почти революционна технология сама по себе си, задействайки процес на спонтанно горене, който наистина успешно намали емисиите на отработени газове. Те обаче откриха и значителни подобрения в ефективността на двигателя и скоро след разкриването на разработката подобни процеси бяха демонстрирани от Toyota, Mitsubishi и Honda. Дизайнерите бяха удивени от изключително гладкото и същевременно високоскоростно горене в прототипите, намален разход на гориво и вредни емисии. През 1983 г. се появяват първите лабораторни образци на четиритактови двигатели със самозапалване, при които е възможно управление на процеса в различни режими на работа поради факта, че химичният състав и съотношението на компонентите в използваното гориво са абсолютно известни. Анализът на тези процеси обаче е донякъде примитивен, тъй като се основава на предположението, че в този тип двигатели те се извършват поради кинетиката на химичните процеси и такива физически явления като смесване и турбулентност са незначителни. През 80-те години са положени основите на първите аналитични модели на процеси, базирани на налягането, температурата и концентрацията на компонентите на горивото и въздуха в обема на камерата. Конструкторите стигат до извода, че работата на този тип двигател може да се раздели на две основни части - запалване и обемно отделяне на енергия. Анализът на резултатите от изследването показва, че самозапалването се инициира от същите нискотемпературни предварителни химични процеси (протичащи под 700 градуса с образуването на пероксиди), които са отговорни за вредното детонационно изгаряне в бензиновите двигатели, и процесите на освобождаване на основния енергия са високотемпературни. и се извършват над тази условна температурна граница.
Ясно е, че работата трябва да бъде насочена към изследване и изследване на резултатите от промените в химичната структура и състава на заряда под въздействието на температура и налягане. Поради невъзможността да се контролира студеното стартиране и работата при максимални натоварвания в тези режими, инженерите прибягват до използването на свещ. Практическият тест също така потвърждава теорията, че ефективността е по-ниска при работа с дизелово гориво, тъй като степента на компресия трябва да е относително ниска, а при по-висока компресия процесът на самозапалване настъпва твърде рано. такт на компресия. В същото време се оказва, че при използване на дизелово гориво има проблеми с изпарението на запалимите фракции на дизеловото гориво и че предпламенните им химически реакции са много по-силно изразени, отколкото при високооктановите бензини. И още един много важен момент - оказва се, че HCCI двигателите работят безпроблемно с до 50% остатъчни газове в съответните бедни смеси в цилиндрите. От всичко това следва, че бензините са много по-подходящи за работа в този тип агрегати и разработките са насочени в тази посока.
Първите двигатели, близки до истинската автомобилна индустрия, при които тези процеси бяха успешно внедрени на практика, бяха модифицирани 1,6-литрови двигатели на VW през 1992 г. С тяхна помощ дизайнерите от Волфсбург успяха да увеличат ефективността с 34% при частично натоварване. Малко по-късно, през 1996 г., директното сравнение на HCCI двигателя с бензинов и дизелов двигател с директно впръскване показа, че HCCI двигателите показват най-нисък разход на гориво и емисии на NOx без необходимост от скъпи инжекционни системи. на гориво.
Какво става днес
Днес, въпреки директивите за намаляване на размера, GM продължава да разработва двигатели HCCI и компанията вярва, че този тип машини ще помогнат за подобряване на бензиновия двигател. Същото мнение имат и инженерите на Mazda, но за тях ще говорим в следващия брой. В националните лаборатории Sandia, работещи в тясно сътрудничество с GM, те в момента усъвършенстват нов работен процес, който е вариант на HCCI. Разработчиците го наричат LTGC за "Изгаряне на нискотемпературен бензин". Тъй като в предишните проекти режимите на HCCI са ограничени до доста тесен работен диапазон и нямат голямо предимство пред съвременните машини за намаляване на размера, учените решиха да разслоят сместа така или иначе. С други думи, за създаване на прецизно контролирани по -бедни и богати райони, но за разлика от повече дизелово гориво. Събитията в началото на века показват, че работните температури често са недостатъчни за завършване на окислителните реакции на въглеводороди и CO-CO2. Когато сместа се обогати и изчерпи, проблемът се елиминира, тъй като температурата й се повишава по време на процеса на горене. Той обаче остава достатъчно нисък, за да не започне образуването на азотни оксиди. В началото на века дизайнерите все още вярваха, че HCCI е нискотемпературна алтернатива на дизелов двигател, който не генерира азотни оксиди. Те обаче не са създадени и в новия LTGC процес. За тази цел се използва и бензин, както в оригиналните прототипи на GM, тъй като той има по -ниска температура на изпаряване (и по -добро смесване с въздух), но по -висока температура на самозапалване. Според дизайнерите на лабораториите, комбинацията от режим LTGC и запалване с искри в по -неблагоприятни и трудни за управление режими, като пълно натоварване, ще доведе до машини, които са много по -ефективни от съществуващите съкращаващи агрегати. Delphi Automotive разработва подобен процес на запалване чрез компресия. Те наричат своите проекти GDCI, за „Директно впръскване при запалване чрез компресия“ (Директно впръскване на бензин и Компресионно запалване), което също осигурява чиста и богата работа за контрол на процеса на горене. В Delphi това се прави с помощта на инжектори със сложна динамика на инжектиране, така че въпреки изчерпването и обогатяването, сместа като цяло остава достатъчно постна, за да не образува сажди и достатъчно ниска температура, за да не се образува NOx. Дизайнерите контролират различни части от сместа, така че да изгарят по различно време. Този сложен процес прилича на дизелово гориво, емисиите на CO2 са ниски и образуването на NOx е незначително. Delphi е осигурила поне още 4 години финансиране от правителството на САЩ и интересът на производители като Hyundai към тяхното развитие означава, че те няма да спрат.
Нека си спомним Дизото
Разработката на конструкторите от Daimler Engine Research Labs в Унтертюркхайм се нарича Diesotto и в режим на стартиране и максимално натоварване работи като класически бензинов двигател, използвайки всички предимства на директното впръскване и каскадното турбокомпресор. Въпреки това, при ниски до средни скорости и натоварвания в рамките на един цикъл, електрониката ще изключи системата за запалване и ще премине в режим на управление на режима на самозапалване. В този случай фазите на изпускателните клапани коренно променят своя характер. Те се отварят за много по-кратко време от обикновено и с много намален ход - така че само половината от изгорелите газове имат време да напуснат горивната камера, а останалата част умишлено се задържа в цилиндрите, заедно с по-голямата част от топлината, съдържаща се в тях. . За да се постигне още по-висока температура в камерите, дюзите впръскват малка порция гориво, което не се възпламенява, а реагира с нагорещени газове. По време на последващия такт на всмукване във всеки цилиндър се впръсква нова порция гориво в точно необходимото количество. Всмукателният клапан се отваря за кратко с кратък ход и позволява точно измерено количество свеж въздух да влезе в цилиндъра и да се смеси с наличните газове, за да се получи бедна горивна смес с висок дял на отработените газове. Това е последвано от такт на компресия, при който температурата на сместа продължава да се повишава до момента на самозапалване. Прецизното синхронизиране на процеса се постига чрез прецизен контрол на количеството гориво, свеж въздух и отработени газове, постоянна информация от сензори, които измерват налягането в цилиндъра, и система, която може моментално да промени степента на компресия с помощта на ексцентричен механизъм. промяна на позицията на коляновия вал. Между другото, работата на въпросната система не се ограничава до режим HCCI.
Управлението на всички тези сложни операции изисква контролна електроника, която не разчита на обичайния набор от предварително дефинирани алгоритми, открити в конвенционалните двигатели с вътрешно горене, но позволява промени в производителността в реално време въз основа на данни от сензори. Задачата е трудна, но резултатът си заслужава – 238 к.с. 1,8-литровият Diesotto гарантира концептуалния F700 с CO2 емисии от S-класа от 127 g/km и съответствие със строгите директиви Euro 6.
Текст: Георги Колев
У дома " статии " Заготовки » Бензинови и дизелови двигатели в единични или HCCI двигатели: Част 2
