От Mazda я наричат „страхотна технология“, а конструкторите - просто HCCI
От Mazda я наричат „страхотна технология“ и твърдят че ще са първите, които ще я използват серийно. С чисти газове като при бензинов агрегат и ефективност на дизел. Тази публикацияе за това какво се случва с разработките на перфектния двигател с хомогенно смесообразуване и самозапалване при сгъстяването. Конструкторите го наричат просто HCCI.
Преди десетина години развитието на двигателите от HCCI изглеждаха като изключително перспективно решение, комбиниращо най-добрите качества на дизеловия и бензиновия мотор. След последните дебати за емисиите, развитието на този тип машини със сигурност ще се ускори. Всъщност разработването им не е спирало, но просто се насочи в малко по-различна посока. Както точно се случи през последните десет години. Тогава тези машини с хомогенно смесообразуване и самовъзпламеняване изглеждаха като нещо, което може да бъде реализирано до наши дни. Това така и не стана, но макар че конструкторите се насочиха към даунсайзинг на моторите, разработките всъщност не спират. Пионерите бяха VW, GM и Mercedes.
Представеният през 2007 година Mercedes F700
и по специално неговият двигател Diesotto бе ярка демонстрация на потенциала, който все още се крие в буталния двигател и чака да бъде оползотворен. Mercedes не бе сред първите, които показваха пред публика действащ прототип на автомобил с двигател от типа, добил известност с означението HCCI – „Homogeneous Charge Compression Ignition Engine” или „двигател с хомогенна смес и самозапалване на горивото”. Малко преди това Volkswagen също бе демострирал подобна разработка (CCS), но за разлика от мотора Diesotto в F700, който работеше с обикновен бензин, двигателят на VW изискваше специално синтетично гориво. Още по-близки до реалността бяха двата концептуални модела на GM в лицето на близнаците Saturn Aura и Opel Vectra, появили се малко преди това, и които авторът на тези редове имаше щастието да шофира тогава. Двигателят на GM използваше датчици за контрол на налягането в камерите и променливо газоразпределение с цел да прецизира впръскването и да постигне необходимите условия за работа в HCCI режим. Електронният модул следеше кривата на нарастването на налягането във всеки цилиндър, а контролните алгоритми настройваха газоразпределителната система и впръскването на гориво. След всеки работен такт в цилиндрите умишлено се оставяха до 50-60% от отработилите газове. Конструкторите се въздържаха от използване на режима на самозапалване при пълно натоварване на мотора, тъй като това би довело до недопустимо механично претоварване на частите в резултат от бързия процес – на практика това означава, че HCCI-режимът се използваше само при скорост на движение до 90 км/ч.
Американската разработка на двигател HCCI бе осъществена на базата на съществуващ атмосферен бензинов двигател, в сравнение, с който разходът на гориво бе снижен с около 15%. Като цяло стандартната конструкция при него бе запазена и макар да не притежаваше всички предимства на Diesotto, този мотор бе значително по-евтин, респ. по-близък до внедряване в серийно производство от германския си колега. От тази гледна точка той можеше да изиграе ролята на междинно звено при навлизането на технологията HCCI в едросерийното автомобилостроене. Усилията и инвестициите в разработка на подобни агрегати определено имат своите основания, изразяващи се във възможността за създаване на много по-ефективен двигател от нов тип, съчетаващ предимствата на дизеловия и бензиновия мотор.
Какви са предизвикателствата пред реализацията на сериен мотор, използващ принципа HCCI?
Какво всъщност е спирало досега инженерите да намерят начин за съчетаване на силните страни на двата вида двигатели? Как би изглеждала идеалната комбинация от високата степен на сгъстяване на дизела, липсата на дроселова клапа, хомогенното разпределение на сместа в целия обем на горивната камера и равномерното самовъзпламеняване в същият този обем? Дали наистина бъдещето принадлежи на двигателите, които автомобилните компании и независимите конструкторски фирми и университети наричат и с не по-малко адекватното от HCCI наименование CAI – „Сontrolled Аuto Ignition” или „Контролирано самовъзпламеняване”.
Тук трябва задължително да отбележим, че подобно на много други „революционни” на пръв поглед разработки, идеята за създаване на подобна машина съвсем не е нова. Но това далеч не я прави по-лесно осъществима - стабилно работещите серийни образци продължават да са доста далеч от реалността, въпреки първите показани пред публика концепции и прототипи. В същото време нарастването на възможностите за електронен контрол на процесите и по-голямата гъвкавост на газоразпределителните системи създават доста реалистична и оптимистична перспектива пред този тип двигател.
Ще се опитаме да опишем накратко това, което се опитват да постигнат конструкторите. Моторите HCCI или CAI са своеобразни хибриди (не във сегашния смисъл на това понятие), съчетаващи принципите на работа на бензиновия и дизеловия двигател. При тях в цилиндрите постъпва добре хомогенизирана смес по примера на бензиновите двигатели, но нейното самовъзпламеняване протича под въздействие на топлината от сгъстяването, характерно за дизелите. Този тип двигател не се нуждае от дроселова клапа, тъй като може да работи с бедни смеси. В случая обаче смисълът на определението „бедна смес” съществено се различава от този при дизела, защото при HCCI няма напълно обеднени и силно обогатени смеси, а своеобразна равномерно обеднена смес. Принципът на работа предполага едновременно възпламеняване на сместа в целия обем на цилиндъра без равномерно движещ се фронт на пламъка и при относително ниска температура, което на свой ред води до намаляване на разхода и значително снижаване на количествата азотни окиси (практически нула) и сажди в отработилите газове. Възпламеняването на сместа при двигателите HCCI може да бъде осъществено в широк диапазон от съотношения между от гориво, въздух и изгорели газове, а малката продължителност и плавното протичане на горенето води до чувствително повишаване на ефективността на работа на мотора.
Най-голямото в момента предизвикателство пред инженерите е липсата на надежден способ за контрол на процесите на самовъзпламеняване при използване на продаваните в момента по бензиностанциите горива, съдържащи определени фракции с различен химичен състав, свойства и поведение. Според някои специалисти, това би могло да се осъществи посредством връщане на прецизно дозирано количество отработили газове обратно в цилиндъра, чрез предварително нагряване на сместа или чрез динамична промяна на степента на сгъстяване – било то с директна промяна на компресията или посредством промяна на момента на затваряне на клапаните с помощта на системите за променливо газоразпределение. Възможно е и използването на всички тези мерки накуп – именно това се случва в двигателя Diesotto на концептуалния прототип Mercedes F700.
Все още съществуват сериозни въпроси по отношение на проблема с термодинамичния удар върху конструкцията на този тип мотори вследствие на самовъзпламеняването на голямо количество свежа смес в режим на работа с пълно натоварване. Истинско предизвикателство е и стартирането на двигателя при ниска температура в цилиндрите, тъй като инициирането на самозапалване в такива условия е доста трудна задача, но в момента върху отстраняването на споменатите критични места или в търсене на възможности за компенсирането е впрегнат значителен експертен и финансов ресурс.
Част от проблемите могат да се разрешат успешно в комбинация с хибридни системи от рода на Hybrid Synergy Drive на Toyota – при тях ДВГ може да се използва само при точно определен, оптимален по отношение на оборотите и натоварването режим на работа, като по този начин се заобиколят режимите, в които моторът изпитва затруднения или става неефективен. Малко по-опростена хибридна система се използва и в споменатия Mercedes F700.
HCCI може би наистина е праг, след който автомобилостроенето ще навлезе в нова ера, но засега процесите в HCCI протичат едва ли не „по божията воля” – въпреки огромните инвестиции и изследователския и развоен потенциал на големите компании. Оптималната работа на HCCI зависи от моментното състояние на стотици параметри, сред които температурата на всмукания въздух, на цилиндровите стени и буталата, на степента на сгъстяване, от налягането, както и от състава и характеристиките на отделните компоненти в горивото. Дори след хиляди часове лабораторни експерименти и анализ на огромна база данни, конструкторите са готови за нови изненади от своенранвните HCCI агрегати.
(следва)
Текст: инж. Георги Колев, отг. редактор на сп. auto motor und sport България