Тест драйв бензиновые и дизельные двигатели в одинарных двигателях или двигателях HCCI: Часть 2
Mazda заявляет, что они будут первыми использовать его в серии
С чистыми газами, подобными бензину, и эффективностью дизельного топлива. Этот материал о том, что происходит при разработке идеального двигателя с однородным перемешиванием и самовоспламенением во время сжатия. Дизайнеры называют это просто HCCI.
Накопление знаний
Основы таких процессов восходят к семидесятым годам, когда японский инженер Ониши разработал свою технологию «Активное сжигание в термоатмосфере». На дворе 1979 год – период второго нефтяного кризиса и первых серьезных юридических ограничений экологического характера, и цель инженера – привести в соответствие с этими требованиями распространенные в то время двухтактные мотоциклы. Известно, что в режиме малой и частичной нагрузки в цилиндрах двухтактных агрегатов сохраняется большое количество выхлопных газов, и идея японского конструктора состоит в том, чтобы превратить его недостатки в преимущества, создав процесс сгорания, в котором остаточные газы и высокая температура топлива смесь для полезной работы.
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.
Понятно, что работа должна быть сосредоточена на изучении и изучении результатов изменений химической структуры и состава заряда под действием температуры и давления. Из-за невозможности контролировать холодный запуск и работу на максимальных нагрузках в этих режимах инженеры прибегают к использованию свечи зажигания. В процессе практических испытаний также подтверждается теоретическое положение о том, что КПД ниже при работе с дизельным топливом, так как степень сжатия должна быть относительно низкой, а при более высоком сжатии процесс самовоспламенения происходит слишком рано. ход сжатия. В то же время выясняется, что при использовании дизельного топлива возникают проблемы с испарением легко воспламеняющихся фракций дизельного топлива, и что их предпламенные химические реакции гораздо более выражены, чем с высокооктановыми бензинами. И еще один очень важный момент – оказывается, что двигатели HCCI без проблем работают с до 50% остаточных газов в соответствующих бедных смесях в цилиндрах. Из всего этого следует, что бензины гораздо больше подходят для работы в этом типе агрегатов и разработки направлены именно в этом направлении.
Первыми двигателями, близкими к настоящему автопрому, в которых эти процессы были успешно реализованы на практике, были модифицированные 1,6-литровые двигатели VW в 1992 году. С их помощью конструкторам из Вольфсбурга удалось повысить КПД на 34% в режиме частичной нагрузки. Немного позже, в 1996 году, прямое сравнение двигателя HCCI с бензиновым и дизельным двигателем с прямым впрыском показало, что двигатели HCCI показали самый низкий расход топлива и выбросы оксидов азота без необходимости использования дорогих систем впрыска. по топливу.
Что происходит сегодня
Сегодня, несмотря на директивы по уменьшению габаритов, GM не прекращает разработку двигателей HCCI, и компания считает, что этот тип машин поможет улучшить бензиновый двигатель. Такого же мнения придерживаются инженеры Mazda, но о них мы расскажем в следующем выпуске. В Sandia National Laboratories, работая в тесном сотрудничестве с GM, в настоящее время они совершенствуют новый рабочий процесс, который является вариантом HCCI. Разработчики называют его LTGC от «низкотемпературного сгорания бензина». Поскольку в предыдущих разработках режимы HCCI ограничены довольно узким рабочим диапазоном и не имеют особого преимущества перед современными машинами для уменьшения габаритов, ученые в любом случае решили расслоить смесь. Другими словами, чтобы создать точно контролируемые более бедные и более богатые районы, но в отличие от дизельного топлива в большем объеме. События начала века показали, что рабочих температур часто недостаточно для завершения реакций окисления углеводородов и CO-CO2. При обогащении и обеднении смеси проблема устраняется, поскольку в процессе сгорания повышается ее температура. Однако он остается достаточно низким, чтобы не инициировать образование оксидов азота. На рубеже веков конструкторы по-прежнему считали, что HCCI является низкотемпературной альтернативой дизельному двигателю, который не генерирует оксиды азота. Однако в новом процессе LTGC они тоже не создаются. Для этой цели также используется бензин, как и в оригинальных прототипах GM, поскольку он имеет более низкую температуру испарения (и лучшее смешивание с воздухом), но более высокую температуру самовоспламенения. По мнению разработчиков лабораторий, сочетание режима LTGC и искрового зажигания в более неблагоприятных и трудноуправляемых режимах, таких как полная нагрузка, приведет к созданию машин, которые будут намного более эффективными, чем существующие блоки уменьшения габаритов. Delphi Automotive разрабатывает аналогичный процесс воспламенения от сжатия. Они называют свои проекты GDCI от «непосредственного впрыска бензина с воспламенением от сжатия» (непосредственный впрыск бензина и самовоспламенение при сжатии), который также обеспечивает работу с обеднением и обогащением смеси для управления процессом сгорания. В Delphi это делается с помощью инжекторов со сложной динамикой впрыска, так что, несмотря на истощение и обогащение, смесь в целом остается достаточно бедной, чтобы не образовывалась сажа, и достаточно низкой температурой, чтобы не образовывать оксиды азота. Конструкторы контролируют разные части смеси, чтобы они горели в разное время. Этот сложный процесс напоминает дизельное топливо, выбросы CO2 низкие, а образование оксидов азота незначительно. Delphi предоставила как минимум еще 4 года финансирования от правительства США, и заинтересованность производителей, таких как Hyundai к их развитию означает, что они не остановятся.
Вспомним Дизотто
Разработка конструкторов исследовательской лаборатории Daimler Engine Research Labs в Унтертюркхайме называется Diesotto и в режиме пуска и максимальной нагрузки работает как классический бензиновый двигатель, используя все преимущества прямого впрыска и каскадного турбонаддува. Однако при малых и средних оборотах и нагрузках в течение одного цикла электроника отключает систему зажигания и переключается в режим управления режимом самовоспламенения. В этом случае фазы выпускных клапанов кардинально меняют свой характер. Они открываются за гораздо более короткое время, чем обычно, и со значительно уменьшенным ходом – поэтому только половина выхлопных газов успевает покинуть камеру сгорания, а остальная часть намеренно удерживается в цилиндрах вместе с большей частью тепла, содержащегося в них. Для достижения еще более высокой температуры в камерах форсунки впрыскивают небольшую порцию топлива, которое не воспламеняется, а вступает в реакцию с нагретыми газами. Во время последующего такта впуска в каждый цилиндр впрыскивается новая порция топлива в точно отмеренном количестве. Впускной клапан открывается на короткое время с небольшим ходом и позволяет точно отмеренному количеству свежего воздуха войти в цилиндр и смешаться с имеющимися газами, чтобы получить обедненную топливную смесь с большой долей выхлопных газов. Далее следует такт сжатия, при котором температура смеси продолжает повышаться до момента самовоспламенения. Выполнение процесса в определенное время достигается точно за счет точного регулирования количества топлива, свежего воздуха и выхлопных газов, постоянной информации от датчиков, измеряющих давление в цилиндре, и системы, способной мгновенно изменять степень сжатия с помощью эксцентрикового механизма. изменение положения коленчатого вала. Кстати, работа рассматриваемой системы не ограничивается режимом HCCI.
Управление всеми этими сложными операциями требует управляющей электроники, которая не полагается на обычный набор заранее заданных алгоритмов, как в обычных двигателях внутреннего сгорания, но позволяет изменять характеристики работы в реальном времени в соответствии с данными, полученными от датчиков. Задача сложная, но результат того стоит – 238 л.с. 1,8-литровый Diesotto гарантировал концептуальный F700 с выбросами CO2 S-класса 127 г / км и соответствием строгим директивам Euro 6.
Текст: Георгий Колев
Главная » Статьи » Заготовки » Бензиновые и дизельные двигатели в одинарных двигателях или двигателях HCCI: Часть 2
