Тест драйв бензинові та дизельні двигуни в одинарних двигунах або двигунах HCCI: Частина 2

Mazda заявляє, що вони будуть першими використовувати його в серії

З чистими газами, подібними бензину, і ефективністю дизельного палива. Цей матеріал про те, що відбувається при розробці ідеального двигуна з однорідним перемішуванням і самозаймання під час стиснення. Дизайнери називають це просто HCCI.

накопичення знань

Основи таких процесів сягають сімдесятих років, коли японський інженер Ониші розробив свою технологію «Активне спалювання в термоатмосфері». На дворі 1979 рік – період другої нафтової кризи та перших серйозних юридичних обмежень екологічного характеру, і мета інженера – привести у відповідність до цих вимог поширені на той час двотактні мотоцикли. Відомо, що в режимі малого та часткового навантаження в циліндрах двотактних агрегатів зберігається велика кількість вихлопних газів, і ідея японського конструктора полягає в тому, щоб перетворити його недоліки на переваги, створивши процес згоряння, в якому залишкові гази та висока температура палива суміш для корисної роботи .

Вперше інженерам із команди Onishi вдалося реалізувати практично революційну технологію сама по собі, запустивши процес самозаймання, який справді успішно знизив викиди вихлопних газів. Однак вони також виявили значне підвищення ефективності двигуна, і незабаром після презентації розробки аналогічні процеси були продемонстровані Toyota, Mitsubishi та Honda. Конструктори вражені надзвичайно плавним і водночас високошвидкісним згорянням у прототипах, зниженою витратою палива та шкідливими викидами. У 1983 році з'явилися перші лабораторні зразки чотиритактних двигунів із самозайманням, в яких управління процесами в різних режимах роботи можливе завдяки тому, що хімічний склад та співвідношення компонентів у паливі, що використовується, абсолютно відомі. Проте аналіз цих процесів дещо примітивний, оскільки заснований на припущенні, що в цьому типі двигуна вони виконуються через кінетики хімічних процесів, а такі фізичні явища, як перемішування та турбулентність, незначні. Саме у 80-х роках було закладено основи перших аналітичних моделей процесів, заснованих на тиску, температурі та концентрації компонентів палива та повітря в об'ємі камери. Конструктори дійшли висновку, що роботу цього типу двигуна можна поділити на дві основні частини – запалення та об'ємне виділення енергії. Аналіз результатів досліджень показує, що самозаймання ініціюється тими ж низькотемпературними попередніми хімічними процесами (що протікають нижче 700 градусів з утворенням пероксидів), які відповідальні за шкідливе детонаційне горіння в бензинових двигунах, а процеси виділення основної енергії високотемпературні. і виконуються вище за цю умовну температурну межу.

Зрозуміло, що робота має бути зосереджена на вивченні та вивченні результатів змін хімічної структури та складу заряду під дією температури та тиску. Через неможливість контролювати холодний запуск та роботу на максимальних навантаженнях у цих режимах інженери вдаються до використання свічки запалювання. У процесі практичних випробувань також підтверджується теоретичне положення про те, що ККД нижче при роботі з дизельним паливом, так як ступінь стиснення має бути відносно низьким, а при вищому стисненні процес самозаймання відбувається занадто рано. хід стиснення. У той же час з'ясовується, що при використанні дизельного палива виникають проблеми з випаровуванням фракцій дизельного палива, що легко займаються, і що їх передполум'яні хімічні реакції набагато більш виражені, ніж з високооктановими бензинами. І ще один дуже важливий момент – виявляється, що двигуни HCCI без проблем працюють із до 50% залишкових газів у відповідних бідних сумішах у циліндрах. З усього цього випливає, що бензини набагато більше підходять для роботи в цьому типі агрегатів і спрямовані розробки саме в цьому напрямку.

Першими двигунами, близькими до цього автопрому, в яких ці процеси були успішно реалізовані на практиці, були модифіковані 1,6-літрові двигуни VW в 1992 році. З їх допомогою конструкторам з Вольфсбурга вдалося підвищити ККД на 34% в режимі часткового навантаження. Трохи пізніше, в 1996 році, пряме порівняння двигуна HCCI з бензиновим і дизельним двигуном з прямим уприскуванням показало, що двигуни HCCI показали найнижчий витрата палива і викиди оксидів азоту без необхідності використання дорогих систем уприскування. по паливу.

Що відбувається сьогодні

Сьогодні, незважаючи на директиви щодо зменшення габаритів, GM не припиняє розробку двигунів HCCI, і компанія вважає, що цей тип машин допоможе поліпшити бензиновий двигун. Такої ж думки дотримуються інженери Mazda, але про них ми розповімо в наступному випуску. У Sandia National Laboratories, працюючи в тісній співпраці з GM, в даний час вони вдосконалюють новий робочий процес, який є варіантом HCCI. Розробники називають його LTGC від «низькотемпературного згоряння бензину». Оскільки в попередніх розробках режими HCCI обмежені досить вузьким робочим діапазоном і не мають особливого переваги перед сучасними машинами для зменшення габаритів, вчені в будь-якому випадку вирішили розшарувати суміш. Іншими словами, щоб створити точно контрольовані бідніші і багатші райони, але на відміну від дизельного палива в більшому обсязі. Події початку століття показали, що робочих температур часто недостатньо для завершення реакцій окислення вуглеводнів і CO-CO2. При збагаченні і збіднення суміші проблема усувається, оскільки в процесі згоряння підвищується її температура. Однак він залишається досить низьким, щоб не ініціювати утворення оксидів азоту. На рубежі століть конструктори і раніше вважали, що HCCI є низькотемпературної альтернативою дизельному двигуну, який не генерує оксиди азоту. Однак в новому процесі LTGC вони теж не створюються. Для цієї мети також використовується бензин, як і в оригінальних прототипах GM, оскільки він має більш низьку температуру випаровування (і краще змішування з повітрям), але більш високу температуру самозаймання. На думку розробників лабораторій, поєднання режиму LTGC і іскрового запалювання в більш несприятливих і важкокерована режимах, таких як повне навантаження, призведе до створення машин, які будуть набагато ефективнішими, ніж існуючі блоки зменшення габаритів. Delphi Automotive розробляє аналогічний процес займання від стиснення. Вони називають свої проекти GDCI від «безпосереднього вприскування бензину із запалюванням від стиснення» (безпосереднє уприскування бензину і самозаймання при стисканні), який також забезпечує роботу з збіднінням і збагаченням суміші для управління процесом згорання. У Delphi це робиться за допомогою інжекторів зі складною динамікою уприскування, так що, незважаючи на виснаження і збагачення, суміш в цілому залишається досить бідною, щоб не утворювалася сажа, і досить низькою температурою, щоб не утворювати оксиди азоту. Конструктори контролюють різні частини суміші, щоб вони горіли в різний час. Цей складний процес нагадує дизельне паливо, викиди CO2 низькі, а утворення оксидів азоту незначно. Delphi надала як мінімум ще 4 роки фінансування від уряду США, і зацікавленість виробників, таких як Hyundai до їх розвитку означає, що вони не зупиняться.

Згадаймо Дізотто

Розробка конструкторів дослідницької лабораторії Daimler Engine Research Labs в Унтертюркхаймі називається Diesotto і в режимі пуску та максимального навантаження працює як класичний бензиновий двигун, використовуючи всі переваги прямого упорскування та каскадного турбонаддуву. Однак при малих і середніх оборотах і навантаженнях протягом одного циклу електроніка відключає систему запалення і перемикається в режим керування самозайманням. І тут фази випускних клапанів кардинально змінюють свій характер. Вони відкриваються за набагато більш короткий час, ніж зазвичай, і зі значно зменшеним ходом - тому лише половина вихлопних газів встигає залишити камеру згоряння, а решта навмисно утримується в циліндрах разом з більшою частиною тепла, що міститься в них. Для досягнення більш високої температури в камерах форсунки впорскують невелику порцію палива, яке не займається, а вступає в реакцію з нагрітими газами. Під час наступного такту впуску в кожен циліндр впорскується нова порція палива в точно відміряній кількості. Впускний клапан відкривається на короткий час з невеликим ходом і дозволяє точно відміряній кількості свіжого повітря увійти в циліндр і змішатися з газами, щоб отримати збіднену паливну суміш з великою часткою вихлопних газів. Далі слідує такт стиснення, при якому температура суміші продовжує підвищуватися до моменту самозаймання. Виконання процесу у певний час досягається точно за рахунок точного регулювання кількості палива, свіжого повітря та вихлопних газів, постійної інформації від датчиків, що вимірюють тиск у циліндрі, та системи, здатної миттєво змінювати ступінь стиснення за допомогою ексцентрикового механізму. зміна положення колінчастого валу. До речі, робота системи не обмежується режимом HCCI.

Управління всіма цими складними операціями вимагає керуючої електроніки, яка не покладається на звичайний набір заздалегідь заданих алгоритмів, як у звичайних двигунах внутрішнього згоряння, але дозволяє змінювати характеристики роботи в реальному часі відповідно до даних, отриманих від датчиків. Завдання складне, але результат того вартий – 238 л.с. 1,8-літровий Diesotto гарантував концептуальний F700 з викидами CO2 S-класу 127 г/км та відповідністю суворим директивам Euro 6.

Текст: Георгій Колев

Головна » Статті » Заготовки » Бензинові і дизельні двигуни в одинарних двигунах або двигунах HCCI: Частина 2