Prueba de manejo de motores de gasolina y diesel en motores simples o motores HCCI: Parte 2

Mazda dice que serán los primeros en usarlo en la serie

Con gases limpios como gasolina y la eficiencia del combustible diesel. Este artículo trata sobre lo que sucede al diseñar un motor ideal con mezcla homogénea y autoignición durante la compresión. Los diseñadores simplemente lo llaman HCCI.

Acumulación de conocimiento

Los cimientos de este tipo de procesos se remontan a los años setenta, cuando el ingeniero japonés Onishi desarrolló su tecnología "Combustión activa en la termoatmósfera". En el patio, 1979 es el período de la segunda crisis del petróleo y las primeras restricciones legales serias de naturaleza ambiental, y el objetivo del ingeniero es adecuar las motocicletas de dos tiempos comunes en ese momento a estos requisitos. Se sabe que en el modo de carga ligera y parcial, una gran cantidad de gases de escape se almacena en los cilindros de las unidades de dos tiempos, y la idea del diseñador japonés es convertir sus desventajas en ventajas creando un proceso de combustión en el que los gases residuales y la alta temperatura del combustible se mezclan para un trabajo útil. .

Por primera vez, los ingenieros del equipo de Onishi pudieron implementar una tecnología casi revolucionaria en sí misma, desencadenando un proceso de combustión espontánea que realmente redujo con éxito las emisiones de escape. Sin embargo, también encontraron mejoras significativas en la eficiencia del motor y, poco después de que se dio a conocer el desarrollo, Toyota, Mitsubishi y Honda demostraron procesos similares. Los diseñadores quedaron sorprendidos por la combustión extremadamente suave y al mismo tiempo rápida de los prototipos, el menor consumo de combustible y las emisiones nocivas. En 1983 aparecieron las primeras muestras de laboratorio de motores de encendido automático de cuatro tiempos, en los que el control del proceso en varios modos de funcionamiento es posible gracias a que la composición química y la proporción de los componentes del combustible utilizado son absolutamente conocidas. Sin embargo, el análisis de estos procesos es algo primitivo, ya que se parte del supuesto de que en este tipo de motor se llevan a cabo debido a la cinética de procesos químicos, y fenómenos físicos como la mezcla y la turbulencia son insignificantes. Fue en los años 80 cuando se sentaron las bases para los primeros modelos analíticos de procesos basados ​​en la presión, temperatura y concentración de los componentes del combustible y del aire en el volumen de la cámara. Los diseñadores llegaron a la conclusión de que el funcionamiento de este tipo de motor se puede dividir en dos partes principales: encendido y liberación volumétrica de energía. El análisis de los resultados de la investigación muestra que la autoignición se inicia mediante los mismos procesos químicos preliminares a baja temperatura (que ocurren por debajo de 700 grados con la formación de peróxidos) que son responsables de la dañina combustión por detonación en los motores de gasolina, y los procesos de liberación de los principales. La energía es de alta temperatura. y se realizan por encima de este límite de temperatura condicional.

Está claro que el trabajo debe centrarse en el estudio y estudio de los resultados de los cambios en la estructura química y la composición de la carga bajo la influencia de la temperatura y la presión. Debido a la imposibilidad de controlar el arranque en frío y el trabajo a cargas máximas en estos modos, los ingenieros recurren al uso de una bujía. La prueba práctica también confirma la teoría de que la eficiencia es menor cuando se opera con combustible diesel, ya que la relación de compresión debe ser relativamente baja y, a mayor compresión, el proceso de autoencendido ocurre demasiado pronto. carrera de compresión. Al mismo tiempo, resulta que cuando se usa combustible diesel, hay problemas con la evaporación de las fracciones inflamables del combustible diesel y que sus reacciones químicas previas a la llama son mucho más pronunciadas que con las gasolinas de alto octanaje. Y otro punto muy importante: resulta que los motores HCCI funcionan sin problemas con hasta un 50 % de gases residuales en las correspondientes mezclas pobres en los cilindros. De todo ello se deduce que las gasolinas son mucho más adecuadas para trabajar en este tipo de unidades y los desarrollos van encaminados en esta dirección.

Los primeros motores cercanos a la industria automotriz real, en los que estos procesos se implementaron con éxito en la práctica, fueron motores VW 1,6 litros modificados en 1992. Con su ayuda, los diseñadores de Wolfsburg pudieron aumentar la eficiencia en un 34% a carga parcial. Un poco más tarde, en 1996, una comparación directa del motor HCCI con un motor diesel de inyección directa y gasolina mostró que los motores HCCI mostraban el menor consumo de combustible y emisiones de NOx sin necesidad de costosos sistemas de inyección. en combustible.

Que esta pasando ahora

Hoy, a pesar de las directivas de reducción, GM continúa desarrollando motores HCCI y la compañía cree que este tipo de máquina ayudará a mejorar el motor de gasolina. Los ingenieros de Mazda tienen la misma opinión, pero hablaremos de ellos en el próximo número. Sandia National Laboratories, en estrecha colaboración con GM, está perfeccionando un nuevo flujo de trabajo, que es una variante del HCCI. Los desarrolladores lo llaman LTGC para "Combustión de gasolina a baja temperatura". Dado que en diseños anteriores, los modos de HCCI se limitan a un rango operativo bastante estrecho y no tienen mucha ventaja sobre las máquinas modernas para la reducción de tamaño, los científicos decidieron estratificar la mezcla de todos modos. En otras palabras, para crear áreas más pobres y ricas controladas con precisión, pero en contraste con más diesel. Los acontecimientos de finales de siglo han demostrado que las temperaturas de funcionamiento a menudo son insuficientes para completar las reacciones de oxidación de los hidrocarburos y el CO-CO2. Cuando la mezcla se enriquece y se agota, se elimina el problema, ya que su temperatura aumenta durante el proceso de combustión. Sin embargo, permanece lo suficientemente bajo como para no iniciar la formación de óxidos de nitrógeno. En el cambio de siglo, los diseñadores todavía creían que el HCCI era una alternativa de baja temperatura a un motor diesel que no generaba óxidos de nitrógeno. Sin embargo, tampoco se crean en el nuevo proceso LTGC. La gasolina también se utiliza para este propósito, como en los prototipos originales de GM, ya que tiene una temperatura de vaporización más baja (y mejor mezcla con el aire) pero una temperatura de autoignición más alta. Según los diseñadores de laboratorio, la combinación del modo LTGC y el encendido por chispa en modos más desfavorables y difíciles de controlar, como la carga completa, dará como resultado máquinas mucho más eficientes que las unidades de reducción existentes. Delphi Automotive está desarrollando un proceso de encendido por compresión similar. Llaman a sus diseños GDCI, para "Inyección directa de gasolina de encendido por compresión" (Inyección directa de gasolina y encendido por compresión), que también proporciona un trabajo rico y delgado para controlar el proceso de combustión. En Delphi, esto se hace utilizando inyectores con dinámicas de inyección complejas, de modo que, a pesar del agotamiento y el enriquecimiento, la mezcla en su conjunto permanece lo suficientemente pobre como para no formar hollín y la temperatura lo suficientemente baja como para no formar óxidos de nitrógeno. Los diseñadores controlan diferentes partes de la mezcla para que se quemen en diferentes momentos. Este complejo proceso se asemeja al combustible diesel, las emisiones de CO2 son bajas y la formación de óxidos de nitrógeno es insignificante. Delphi ha proporcionado al menos 4 años más de financiación del gobierno de los EE. UU., Y el interés de fabricantes como Hyundai en su desarrollo significa que no se detendrán.

Recordemos Disotto

El desarrollo de los diseñadores de Daimler Engine Research Labs en Untertürkheim se llama Diesotto y en modo de arranque y carga máxima funciona como un motor de gasolina clásico, utilizando todas las ventajas de la inyección directa y la turboalimentación en cascada. Sin embargo, a velocidades y cargas bajas a medias dentro de un ciclo, la electrónica apagará el sistema de encendido y cambiará al modo de control de modo de encendido automático. En este caso, las fases de las válvulas de escape cambian radicalmente de carácter. Se abren en un tiempo mucho más corto de lo habitual y con una carrera mucho más reducida, por lo que solo la mitad de los gases de escape tienen tiempo de salir de la cámara de combustión, y el resto se mantiene deliberadamente en los cilindros, junto con la mayor parte del calor contenido en ellos. . Para lograr una temperatura aún más alta en las cámaras, las boquillas inyectan una pequeña porción de combustible que no se enciende, pero reacciona con los gases calientes. Durante la carrera de admisión posterior, se inyecta una nueva porción de combustible en cada cilindro exactamente en la cantidad correcta. La válvula de admisión se abre brevemente con un recorrido corto y permite que una cantidad de aire fresco medida con precisión ingrese al cilindro y se mezcle con los gases disponibles para producir una mezcla de combustible pobre con una alta proporción de gases de escape. A esto le sigue una carrera de compresión en la que la temperatura de la mezcla sigue aumentando hasta el momento del autoencendido. La sincronización precisa del proceso se logra controlando con precisión la cantidad de combustible, aire fresco y gases de escape, información constante de sensores que miden la presión en el cilindro y un sistema que puede cambiar instantáneamente la relación de compresión usando un mecanismo excéntrico. cambiando la posición del cigüeñal. Por cierto, el funcionamiento del sistema en cuestión no se limita al modo HCCI.

La gestión de todas estas operaciones complejas requiere una electrónica de control que no se base en el conjunto habitual de algoritmos predefinidos que se encuentran en los motores de combustión interna convencionales, sino que permita cambios de rendimiento en tiempo real basados ​​en datos de sensores. La tarea es difícil, pero el resultado lo vale: 238 hp. El Diesotto de 1,8 litros garantizó el concepto F700 con emisiones de CO2 de Clase S de 127 g/km y el cumplimiento de las estrictas directivas Euro 6.

Texto: Georgy Kolev

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