Probefahrt Benzin- und Dieselmotoren in Einzelmotoren oder HCCI-Motoren: Teil 2
Mazda sagt, dass sie die ersten sein werden, die es in der Serie verwenden
Mit sauberen Gasen wie Benzin und der Effizienz von Dieselkraftstoff. In diesem Artikel geht es darum, was passiert, wenn ein idealer Motor mit homogenem Mischen und Selbstentzündung während der Kompression entwickelt wird. Die Designer nennen es einfach HCCI.
Anhäufung von Wissen
Die Grundlagen solcher Verfahren reichen bis in die siebziger Jahre zurück, als der japanische Ingenieur Onishi seine Technologie „Aktive Verbrennung in der Thermoatmosphäre“ entwickelte. 1979 ist in der Werft die Zeit der zweiten Ölkrise und der ersten gravierenden gesetzlichen Restriktionen mit Umweltcharakter, und das Ziel des Ingenieurs ist es, damals übliche Zweitakt-Motorräder an diese Anforderungen anzupassen. Es ist bekannt, dass im Leicht- und Teillastbetrieb eine große Menge an Abgasen in den Zylindern von Zweitaktern gespeichert wird, und die Idee des japanischen Konstrukteurs ist es, seine Nachteile in Vorteile umzuwandeln, indem er einen entwickelt Verbrennungsprozess, bei dem sich Restgase und eine hohe Brennstofftemperatur für nützliche Arbeit vermischen.
Zum ersten Mal konnten die Ingenieure des Onishi-Teams eine nahezu revolutionäre Technologie implementieren, die einen Selbstverbrennungsprozess auslöste, der die Abgasemissionen wirklich erfolgreich reduzierte. Allerdings stellten sie auch deutliche Verbesserungen der Motoreffizienz fest, und kurz nach der Vorstellung der Entwicklung wurden ähnliche Prozesse von Toyota, Mitsubishi und Honda demonstriert. Die Konstrukteure waren von der extrem gleichmäßigen und gleichzeitig schnellen Verbrennung der Prototypen sowie dem reduzierten Kraftstoffverbrauch und den Schadstoffemissionen begeistert. 1983 erschienen die ersten Labormuster von Viertakt-Selbstzündungsmotoren, bei denen eine Prozesssteuerung in verschiedenen Betriebsarten möglich ist, da die chemische Zusammensetzung und das Verhältnis der Komponenten im verwendeten Kraftstoff absolut bekannt sind. Die Analyse dieser Prozesse ist jedoch etwas primitiv, da sie auf der Annahme basiert, dass sie in diesem Motortyp aufgrund der Kinetik chemischer Prozesse ablaufen und physikalische Phänomene wie Vermischung und Turbulenzen unbedeutend sind. In den 80er Jahren wurde der Grundstein für die ersten analytischen Modelle von Prozessen gelegt, die auf Druck, Temperatur und Konzentration von Kraftstoff- und Luftbestandteilen im Kammervolumen basieren. Die Konstrukteure kamen zu dem Schluss, dass der Betrieb dieses Motortyps in zwei Hauptteile unterteilt werden kann – Zündung und volumetrische Energiefreisetzung. Die Analyse der Forschungsergebnisse zeigt, dass die Selbstentzündung durch dieselben chemischen Vorprozesse bei niedrigen Temperaturen (unter 700 Grad unter Bildung von Peroxiden) ausgelöst wird, die für die schädliche Detonationsverbrennung in Benzinmotoren verantwortlich sind, und durch die Prozesse der Freisetzung der Hauptenergie sind Hochtemperatur. und werden oberhalb dieser bedingten Temperaturgrenze durchgeführt.
Es ist klar, dass sich die Arbeit auf die Untersuchung und Untersuchung der Ergebnisse von Änderungen der chemischen Struktur und Zusammensetzung der Ladung unter dem Einfluss von Temperatur und Druck konzentrieren sollte. Aufgrund der Unfähigkeit, den Kaltstart zu steuern und in diesen Modi bei maximaler Last zu arbeiten, greifen die Ingenieure auf die Verwendung einer Zündkerze zurück. Der Praxistest bestätigt auch die Theorie, dass der Wirkungsgrad beim Betrieb mit Dieselkraftstoff geringer ist, da das Verdichtungsverhältnis relativ niedrig sein muss und bei höherer Verdichtung der Selbstzündungsvorgang zu früh eintritt. Kompressionshub. Gleichzeitig zeigt sich, dass es bei der Verwendung von Dieselkraftstoff Probleme mit der Verdampfung brennbarer Anteile des Dieselkraftstoffs gibt und dass deren chemische Reaktionen vor der Flamme viel ausgeprägter sind als bei hochoktanigen Benzinen. Und noch ein ganz wichtiger Punkt - es stellt sich heraus, dass HCCI-Motoren mit bis zu 50% Restgasen in den entsprechenden mageren Gemischen in den Zylindern problemlos arbeiten. Aus all dem folgt, dass Benzine für die Arbeit in dieser Art von Einheiten viel besser geeignet sind und die Entwicklungen in diese Richtung gehen.
Die ersten Motoren in der Nähe der realen Autoindustrie, in denen diese Prozesse erfolgreich in die Praxis umgesetzt wurden, waren 1,6 modifizierte VW-1992-Liter-Motoren. Mit ihrer Hilfe konnten die Designer aus Wolfsburg den Wirkungsgrad bei Teillast um 34% steigern. Wenig später, 1996, zeigte ein direkter Vergleich des HCCI-Motors mit einem Benzin- und Direkteinspritzungsdieselmotor, dass HCCI-Motoren den niedrigsten Kraftstoffverbrauch und die niedrigsten NOx-Emissionen aufwiesen, ohne dass teure Einspritzsysteme erforderlich waren. auf Kraftstoff.
Was steht heute an
Trotz der Downsizing-Richtlinien entwickelt GM heute HCCI-Motoren weiter und glaubt, dass diese Art von Maschinen dazu beitragen wird, den Benzinmotor zu verbessern. Die gleiche Meinung vertreten die Ingenieure von Mazda, aber wir werden in der nächsten Ausgabe darüber sprechen. Bei Sandia National Laboratories verfeinern sie derzeit in enger Zusammenarbeit mit GM einen neuen Arbeitsablauf, der eine Variante des HCCI ist. Die Entwickler nennen es LTGC für „Low Temperature Gasoline Combustion“. Da HCCI-Modi in früheren Designs auf einen eher engen Betriebsbereich beschränkt sind und bei der Zerkleinerung gegenüber modernen Maschinen keinen großen Vorteil haben, entschieden sich die Wissenschaftler, das Gemisch trotzdem zu schichten. Mit anderen Worten, um genau kontrolliert ärmere und reichere Gebiete zu schaffen, aber im Gegensatz zu mehr Diesel. Die Ereignisse um die Jahrhundertwende haben gezeigt, dass die Betriebstemperaturen oft nicht ausreichen, um die Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen und CO-CO2 abzuschließen. Wenn das Gemisch angereichert und abgereichert wird, ist das Problem beseitigt, da seine Temperatur während des Verbrennungsprozesses ansteigt. Sie bleibt jedoch niedrig genug, um die Bildung von Stickoxiden nicht auszulösen. Um die Jahrhundertwende glaubten die Konstrukteure noch, dass HCCI eine Niedrigtemperatur-Alternative zu einem Dieselmotor war, der keine Stickoxide erzeugte. Sie werden jedoch auch nicht im neuen LTGC-Prozess erstellt. Zu diesem Zweck wird auch Benzin verwendet, wie in den ursprünglichen GM-Prototypen, da es eine niedrigere Verdampfungstemperatur (und eine bessere Vermischung mit Luft) aber eine höhere Selbstzündungstemperatur hat. Laut Labordesignern führt die Kombination von LTGC-Modus und Funkenzündung in ungünstigeren und schwieriger zu steuernden Modi wie Volllast zu Maschinen, die viel effizienter sind als bestehende Downsizing-Einheiten. Delphi Automotive entwickelt ein ähnliches Kompressionszündungsverfahren. Sie nennen ihre Konstruktionen GDCI, für "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), die auch Mager- und Fettarbeit zur Steuerung des Verbrennungsprozesses leistet. In Delphi geschieht dies über Injektoren mit komplexer Einspritzdynamik, sodass das Gemisch trotz Entleerung und Anreicherung insgesamt mager genug bleibt, um keine Rußbildung zu bilden, und eine Temperatur niedrig genug, um keine Stickoxide zu bilden. Die Designer steuern verschiedene Teile der Mischung so, dass sie zu unterschiedlichen Zeiten brennen. Dieser komplexe Prozess ähnelt Dieselkraftstoff, die CO2-Emissionen sind gering und die NOx-Bildung vernachlässigbar. Delphi hat die US-Regierung für mindestens 4 weitere Jahre finanziert, und das Interesse von Herstellern wie Hyundai an ihrer Entwicklung bedeutet, dass sie nicht aufhören werden.
Erinnern wir uns an Disotto
Die Entwicklung der Konstrukteure der Daimler-Motorenforschung Untertürkheim heißt Diesotto und arbeitet im Anfahr- und Höchstlastbetrieb wie ein klassischer Benziner, nutzt alle Vorteile von Direkteinspritzung und Kaskaden-Turboaufladung. Bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen und Lasten innerhalb eines Zyklus schaltet die Elektronik jedoch das Zündsystem aus und wechselt in den Steuermodus des Selbstzündungsmodus. In diesem Fall ändern die Phasen der Auslassventile radikal ihren Charakter. Sie öffnen in deutlich kürzerer Zeit als üblich und mit deutlich reduziertem Hub – so hat nur die Hälfte der Abgase Zeit, den Brennraum zu verlassen, der Rest wird bewusst in den Zylindern gehalten, zusammen mit einem Großteil der darin enthaltenen Wärme . Um eine noch höhere Temperatur in den Kammern zu erreichen, spritzen die Düsen eine kleine Portion Kraftstoff ein, die sich nicht entzündet, sondern mit erhitzten Gasen reagiert. Beim anschließenden Ansaugtakt wird in jeden Zylinder eine neue Portion Kraftstoff in genau der richtigen Menge eingespritzt. Das Einlassventil öffnet kurzzeitig mit kurzem Hub und lässt eine genau dosierte Frischluftmenge in den Zylinder einströmen und sich mit den vorhandenen Gasen zu einem mageren Kraftstoffgemisch mit hohem Abgasanteil vermischen. Darauf folgt ein Verdichtungstakt, bei dem die Temperatur des Gemisches bis zum Moment der Selbstentzündung weiter ansteigt. Ein präzises Timing des Prozesses wird durch eine präzise Steuerung der Kraftstoff-, Frischluft- und Abgasmenge, konstante Informationen von Sensoren, die den Druck im Zylinder messen, und ein System erreicht, das das Verdichtungsverhältnis mithilfe eines Exzentermechanismus sofort ändern kann. Position der Kurbelwelle ändern. Übrigens ist der Betrieb des betreffenden Systems nicht auf den HCCI-Modus beschränkt.
Die Verwaltung all dieser komplexen Vorgänge erfordert eine Steuerelektronik, die sich nicht auf die üblichen vordefinierten Algorithmen herkömmlicher Verbrennungsmotoren stützt, sondern Leistungsänderungen in Echtzeit auf der Grundlage von Sensordaten ermöglicht. Die Aufgabe ist schwierig, aber das Ergebnis lohnt sich - 238 PS. Den 1,8-Liter-Diesotto garantiert die Studie F700 mit S-Klasse CO2-Emissionen von 127 g/km und die Einhaltung der strengen Euro-6-Richtlinien.
Text: Georgy Kolev
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