Testrit benzine- en dieselmotoren in enkele motoren of HCCI-motoren: deel 2
Mazda zegt dat ze het als eersten zullen gebruiken in de serie
Met schone gassen zoals benzine en de efficiëntie van dieselbrandstof. Dit artikel gaat over wat er gebeurt bij het ontwerpen van een ideale motor met homogene menging en zelfontbranding tijdens compressie. De ontwerpers noemen het gewoon HCCI.
Accumulatie van kennis
De basis van dergelijke processen dateert uit de jaren zeventig, toen de Japanse ingenieur Onishi zijn technologie "Actieve verbranding in de thermo-atmosfeer" ontwikkelde. Op de werf is 1979 de periode van de tweede oliecrisis en de eerste ernstige wettelijke beperkingen van ecologische aard, en het doel van de ingenieur is om de toen gangbare tweetaktmotorfietsen in overeenstemming te brengen met deze eisen. Het is bekend dat in de lichte en deellastmodus een grote hoeveelheid uitlaatgassen wordt opgeslagen in de cilinders van tweetaktmotoren, en het idee van de Japanse ontwerper is om de nadelen om te zetten in voordelen door een verbrandingsproces waarbij restgassen en hoge brandstoftemperatuur zich vermengen voor nuttig werk. .
Voor het eerst waren de ingenieurs van het Onishi-team in staat een bijna revolutionaire technologie op zichzelf te implementeren, waardoor een zelfontbrandingsproces op gang kwam dat de uitlaatemissies met succes verminderde. Ze ontdekten echter ook aanzienlijke verbeteringen in de motorefficiëntie, en kort nadat de ontwikkeling was onthuld, werden soortgelijke processen gedemonstreerd door Toyota, Mitsubishi en Honda. Ontwerpers waren verbaasd over de extreem soepele en tegelijkertijd snelle verbranding in de prototypes, het verminderde brandstofverbruik en de schadelijke uitstoot. In 1983 verschenen de eerste laboratoriummonsters van viertakt-zelfontbrandingsmotoren, waarbij procescontrole in verschillende bedrijfsmodi mogelijk is vanwege het feit dat de chemische samenstelling en verhouding van componenten in de gebruikte brandstof absoluut bekend zijn. De analyse van deze processen is echter enigszins primitief, omdat deze gebaseerd is op de veronderstelling dat ze bij dit type motor worden uitgevoerd als gevolg van de kinetiek van chemische processen, en dat fysische verschijnselen als vermenging en turbulentie onbeduidend zijn. Het was in de jaren 80 dat de basis werd gelegd voor de eerste analytische modellen van processen op basis van druk, temperatuur en concentratie van brandstof- en luchtcomponenten in het kamervolume. De ontwerpers kwamen tot de conclusie dat de werking van dit type motor kan worden onderverdeeld in twee hoofdonderdelen: ontsteking en volumetrische energieafgifte. Analyse van onderzoeksresultaten toont aan dat zelfontbranding wordt geïnitieerd door dezelfde voorbereidende chemische processen bij lage temperaturen (die optreden onder 700 graden met de vorming van peroxiden) die verantwoordelijk zijn voor schadelijke detonatieverbranding in benzinemotoren, en de processen waarbij de belangrijkste energie vrijkomt. zijn op hoge temperatuur. en worden uitgevoerd boven deze voorwaardelijke temperatuurlimiet.
Het is duidelijk dat het werk gericht moet zijn op het bestuderen en bestuderen van de resultaten van veranderingen in de chemische structuur en samenstelling van de lading onder invloed van temperatuur en druk. Vanwege het onvermogen om de koude start te beheersen en in deze modi met maximale belasting te werken, nemen ingenieurs hun toevlucht tot het gebruik van een bougie. De praktijktest bevestigt ook de theorie dat het rendement lager is bij het werken met dieselbrandstof, aangezien de compressieverhouding relatief laag moet zijn en bij hogere compressie het zelfontbrandingsproces te vroeg plaatsvindt. compressieslag. Tegelijkertijd blijkt dat er bij het gebruik van dieselbrandstof problemen zijn met de verdamping van brandbare fracties van dieselbrandstof en dat hun chemische reacties vóór de vlam veel uitgesprokener zijn dan bij benzine met een hoog octaangehalte. En nog een heel belangrijk punt: het blijkt dat HCCI-motoren probleemloos werken met tot 50% restgassen in de overeenkomstige magere mengsels in de cilinders. Uit dit alles volgt dat benzine veel geschikter is om in dit type units te werken en de ontwikkelingen zijn in die richting gericht.
De eerste motoren die dicht bij de echte auto-industrie stonden, waarin deze processen met succes in de praktijk werden geïmplementeerd, waren in 1,6 gemodificeerde VW 1992-liter motoren. Met hun hulp konden de ontwerpers uit Wolfsburg de efficiëntie bij deellast met 34% verhogen. Even later, in 1996, bleek uit een directe vergelijking van de HCCI-motor met een benzine- en direct ingespoten dieselmotor dat HCCI-motoren het laagste brandstofverbruik en NOx-emissies vertoonden zonder dat er dure injectiesystemen nodig waren. op brandstof.
Wat gebeurt er vandaag
Vandaag de dag blijft GM, ondanks de inkrimpingsrichtlijnen, HCCI-motoren ontwikkelen en het bedrijf gelooft dat dit type machine de benzinemotor zal helpen verbeteren. De Mazda-ingenieurs zijn dezelfde mening toegedaan, maar we zullen er in het volgende nummer over praten. Bij Sandia National Laboratories werken ze nauw samen met GM en verfijnen ze momenteel een nieuwe workflow, die een variant is van de HCCI. De ontwikkelaars noemen het LTGC voor "Low Temperature Gasoline Combustion". Omdat in eerdere ontwerpen de HCCI-modi beperkt zijn tot een vrij smal werkbereik en niet veel voordeel hebben ten opzichte van moderne machines voor het verkleinen van de afmetingen, besloten de wetenschappers om het mengsel toch te stratificeren. Met andere woorden, om nauwkeurig gecontroleerde armere en rijkere gebieden te creëren, maar in tegenstelling tot meer diesel. Gebeurtenissen rond de eeuwwisseling hebben aangetoond dat de bedrijfstemperaturen vaak onvoldoende zijn om de oxidatiereacties van koolwaterstoffen en CO-CO2 te voltooien. Wanneer het mengsel verrijkt en uitgeput is, wordt het probleem geëlimineerd, omdat de temperatuur stijgt tijdens het verbrandingsproces. Het blijft echter laag genoeg om de vorming van stikstofoxiden niet te initiëren. Aan het begin van de eeuw geloofden ontwerpers nog steeds dat HCCI een alternatief voor lage temperaturen was voor een dieselmotor die geen stikstofoxiden produceerde. Ze worden echter ook niet gemaakt in het nieuwe LTGC-proces. Benzine wordt ook voor dit doel gebruikt, zoals in de originele GM-prototypes, omdat het een lagere verdampingstemperatuur heeft (en betere vermenging met lucht), maar een hogere zelfontbrandingstemperatuur. Volgens laboratoriumontwerpers zal de combinatie van LTGC-modus en vonkontsteking in meer ongunstige en moeilijk te controleren modi, zoals vollast, resulteren in machines die veel efficiënter zijn dan bestaande downsizing-eenheden. Delphi Automotive ontwikkelt een soortgelijk compressieontstekingsproces. Ze noemen hun ontwerpen GDCI, voor "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Benzine Directe Injectie en Compressie Ignition), die ook arm en rijk werk levert om het verbrandingsproces te beheersen. In Delphi gebeurt dit met injectoren met complexe injectiedynamiek, zodat het mengsel ondanks uitputting en verrijking arm genoeg blijft om geen roet te vormen en laag genoeg om geen stikstofoxiden te vormen. De ontwerpers controleren verschillende delen van het mengsel zodat ze op verschillende tijdstippen branden. Dit complexe proces lijkt op diesel, de CO2-uitstoot is laag en de vorming van stikstofoxiden is verwaarloosbaar. Delphi heeft nog minstens 4 jaar financiering verstrekt van de Amerikaanse overheid, en de interesse van fabrikanten zoals Hyundai in hun ontwikkeling betekent dat ze niet zullen stoppen.
Laten we Disotto onthouden
De ontwikkeling van de ontwerpers van de Daimler Engine Research Labs in Untertürkheim heet Diesotto en werkt bij het opstarten en bij maximale belasting als een klassieke benzinemotor, gebruikmakend van alle voordelen van directe injectie en cascade-turbolading. Bij lage tot gemiddelde snelheden en belastingen binnen één cyclus schakelt de elektronica echter het ontstekingssysteem uit en schakelt over naar de zelfontbrandingsmodus. In dit geval veranderen de fasen van de uitlaatkleppen hun karakter radicaal. Ze openen in een veel kortere tijd dan normaal en met een veel kortere slag - dus slechts de helft van de uitlaatgassen heeft tijd om de verbrandingskamer te verlaten en de rest wordt opzettelijk in de cilinders gehouden, samen met de meeste warmte die erin zit . Om een nog hogere temperatuur in de kamers te bereiken, spuiten de nozzles een kleine hoeveelheid brandstof in die niet ontbrandt, maar reageert met verhitte gassen. Tijdens de daaropvolgende inlaatslag wordt in elke cilinder een nieuwe portie brandstof in precies de juiste hoeveelheid geïnjecteerd. De inlaatklep opent kort met een korte slag en laat een nauwkeurig gedoseerde hoeveelheid verse lucht de cilinder binnen en vermengt zich met de beschikbare gassen om een mager brandstofmengsel met een hoog aandeel uitlaatgassen te produceren. Daarna volgt een compressieslag waarbij de temperatuur van het mengsel blijft stijgen tot het moment van zelfontbranding. Nauwkeurige timing van het proces wordt bereikt door de hoeveelheid brandstof, verse lucht en uitlaatgassen nauwkeurig te regelen, constante informatie van sensoren die de druk in de cilinder meten, en een systeem dat de compressieverhouding onmiddellijk kan veranderen met behulp van een excentrisch mechanisme. het veranderen van de positie van de krukas. De werking van het betreffende systeem is overigens niet beperkt tot de HCCI-modus.
Het beheer van al deze complexe operaties vereist besturingselektronica die niet afhankelijk is van de gebruikelijke set vooraf gedefinieerde algoritmen die te vinden zijn in conventionele verbrandingsmotoren, maar real-time prestatieveranderingen mogelijk maakt op basis van sensorgegevens. De taak is moeilijk, maar het resultaat is het waard - 238 pk. De 1,8-liter Diesotto garandeerde het concept F700 met een S-Klasse CO2-uitstoot van 127 g/km en naleving van de strenge Euro 6-richtlijnen.
Tekst: Georgy Kolev
Thuis " Lidwoord " Spaties » Benzine- en dieselmotoren in enkele of HCCI-motoren: deel 2
