От Mazda твърдят, че ще са първите, които ще я използват серийно
С чисти газове като при бензин и ефективност на дизел. Този материал е за това какво се случва с разработките на перфектния двигател с хомогенно смесообразуване и самозапалване при сгъстяването. Конструкторите го наричат просто HCCI.
Трупане на знания
Основа за подобни процеси можем да потърсим още в седемдестте години, когато японският инженер Ониши разработва своята технология „Active Thermo Atmosphere Combustion”. Годината е 1979 – периодът на втората петролна криза и първите сериозни законови ограничения от екологично естество, а целта на инженера е да приведе в унисон с тези изисквания широко разпространените по това време двутактови мотоциклети. Известно е, че в режим на ниско и частично натоварване в цилиндрите на двутактовите агрегати се задържат големи количества отработили газове, а идеята на японския конструктор e да превърне недостатъците му в предимства чрез създаване на горивен процес, при който остатъчните газове и високата температура на горивовъздушната смес да бъдат използвани за полезна работа.
Инженерите от екипа на Ониши успяват за първи път да oсъществят на практика революционна сама по себе си технология чрез иницииране на процес на спонтанно самовъзпламеняване, с което наистина успешно намаляват емисиите на отработили газове. Те обаче установяват и значително повишаване на ефективността на мотора и скоро след представянето на разработката, подобни процес са демонстрирани и от Toyota, Mitsubishi и Honda. Конструкторите са удивени от изключително плавното и същевременно високоскоростно горене в прототипите, намаления разход на гориво и емисии. През 1983 се появяват и първите лабораторни образци на четиритактови двигатели със самовъзпламеняване, при които контролът на процесите при различни работни режими е възможен, благодарение на факта, че химическата структура и съотношението на компонентите в използваното гориво е абсолютно известно. Анализът на тези процеси обаче е до известна степен примитивен, тъй като се основава на допускането, че при този тип мотори те се осъществяват благодарение на кинетиката на химичните процеси, а физични явления като смесване и турбуленция имат несъществено значение. Именно през 80-те години се поставят и основите на първите аналитични модели на процесите на базата на налягането, температурата и концентрацията на горивните и въздушни компоненти в обема на камерата. Конструкторите достигат до извода, че работата на този вид двигатели може да се раздели на две основни части – запалване и обемно освобождаване на енергията. Анализът на резултатите от изследванията показва, че самозапалването се инициира вследствие на същите нискотемпературни предварителни химически процеси (протичащи под 700 градуса с образуване на прекиси), които са отговорни за вредното детонационно горене в бензиновите двигатели, докато процесите на освобождаване на основното количество енергия са високотемпературни и се осъществяват над тази условна температурна граница.
Става ясно, че работата трябва да се насочи към изследване и опознаване на резултатите от промените в химическата структура и композицията на заряда вследствие от температурата и налягането. Поради невъзможността да се контролират студения старт и работата при максимални натоварвания, в тези режими инженерите прибягват до употреба на запалителна свещ. В процеса на практически изпитания се намира и потвърждение на теоретичната постановка, че КПД е по-малък при работа с дизелово гориво, тъй като степента на сгъстяване трябва да е сравнително ниска, а при по-висока компресия процесът на самозапалване се осъществява прекалено рано в такта сгъстяване. В същото време излиза наяве и обстоятелството, че при използване на дизелово гориво има проблеми с изпаряването на иначе лесновъзпламените дизелови фракции и че при тях предпламенните химически реакции са много по-силно изразени отколкото при висококтановите бензини. И още нещо много важно - оказва се че двигателите HCCI нямат проблеми да работят и с до 50% остатъчни газове при съответстващите бедни смеси в цилиндрите. От всичко това следва, че бензините са много по-подходящи за работа в този тип агрегати и разработките се насочват именно в тази насока.
Първите близки до реалното автомобилостроене двигатели, в които тези процеси са успешно осъществени на практика, са модифицирани 1,6-литрови мотори на VW през 1992 година. При тях конструкторите от Волфсбург са успели да постигнат с до 34% повишение на ефективността в режим на частично натоварване. Малко по-късно, през 1996 година, при директно сравнение на двигател HCCI с бензинови и дизелови двигатели с директно впръскване е установено, че HCCI моторите показват най-нисък разход на гориво и емисии на азотни окиси без необходимост от употреба на скъпи системи за впръскване на гориво.
Какво се случва днес
Днес, въпреки насоките към даунсайзинг, разработването на HCCI мотори от GM не спира и в компанията смятат че този тип машини ще помогнат за усъвършенстване на бензиновия двигател. На същото мнение са инженерите на Mazda, но за тях ще ви разкажем в следващия брой. В Sandia National Laboratories, работещи в тясно сътрудничество с GM в момента усъвършенстват нов процес на работа, който е разновидност на HCCI. Конструкторите го наричат LTGC от “low temperature gasoline combustion“ (ниско температурен бензинов горивен процес ). Тъй като в предишните разработки режимите на HCCI са лимитирани до доста тесен работен диапазон и те нямат особено предимство пред днешните даунсайзинг машини учените решават все пак да разслоят сместа. Другояче казано, да създадат прецизно контролирани по-бедни и богати зони, но за разлика от дизела в по-голям обем. Разработките от началото на века установяват че работните температури често не са достатъчни за завършването на окисляването на въглеводородите и реакциите CO-CO2. Със обогатяването и обедняването на сместа проблемът се избягва защото горивният процес увеличава температурата си. Тя обаче остава достатъчно ниска за да не се инициира образуване на азотни окиси. В началото на века конструкторите все още смятат че HCCI е нискотемпературна алтернатива на дизеловия двигател, който не генерира азотни окиси. При новият LTGC процес обаче такива също не се създават. За целта както и при първоначалните прототипи на GM също се се използва бензин защото има по-ниска температура на изпарение (и по-добро смесване с въздуха), но по-висока температура на самовъзпламеняване. Според конструкторите на лабораториите комбинацията от LTGC режим и запалване със свещ в по-неблагоприятните и трудни за контролиране режими като пълно натоварване ще доведе до създаване на машини които са доста по-ефективни от сегашните даунсайзинг агрегати. В Delphi Automotive разработват подобен процес на самозапалване при сгъстяването. Те наричат своите проекти GDCI от “gasoline direct injection compression ignition” (директно впръскване на бензин и самовъзпламеняване при сгъстяването) при който също се постига работа с обедняване и обогатяване на сместа за контролиране на горивния процес. При Delphi това става с помощта на инжектори със сложна динамика на впръскването, така че въпреки обедняването и обогатяването сместа да остане като цяло достатъчно бедна за да не се генерират сажди и достатъчно нискотемпературна за да не се генерира азотни окиси. Конструкторите контролират различните части на сместа така че да горят по различно време. Този сложен процес наподобява дизеловия, емисиите на CO2 са ниски, а генeрираните азотни окиси са пренебрежимо по-малко. От Delphi са осигурили поне още 4 години финансиране от правителството на САЩ, а интересът на производители като Hyundai към техните разработки означава че те няма да спрат.
Да си спомним за Diesotto
Разработката на конструкторите на Daimler Engine Research Labs в Унтертюркхайм носи името Diesotto и в режим на стартиране и максимално натоварване работи като класически бензинов двигател, възползвайки се от всички предимства на директното впръскване и каскадното турбопълнене. При ниски и средни оборотни режими и натоварвания обаче, в рамките на един такт електрониката изключва запалителната система и преминава към контрол на режима на самозапалаване. В този случай фазите на изпускателните клапани променят коренно своя характер. Отварянето им става за много по-кратко време от обикновено и със значително намален ход - така само половината от отработилите газове успяват да напуснат горивната камера, а останалата част се задържа умишлено в цилиндрите заедно с голяма част от съдържащата се в тях топлина. С цел постигане на още по-висока температура в камерите, инжекторите впръскват малка порция гориво, което не се възпламенява, а влиза в реакция с нагорещените газове. По време на последващия всмукателен такт, във всеки цилиндър се впръсква нова порция гориво в прецизно премерено количество. Всмукателният клапан се отваря за кратко с малък ход и позволява на точно дозирано количество свеж въздух да нахлуе в цилиндъра и да се смеси с намиращите се там газове до получаване на бедна горивна смес с голям дял на отработилите газове. Следва такта сгъстяване, при който температурата на сместа продължава да расте до достигане на момента на самовъзпламеняване. Извършването на процеса в точно определен момент се постига именно благодарение на прецизното регулиране на количеството на горивото, свежия въздух и отработилите газове, на постоянната информация от датчици, измерващи налягането в цилиндъра и на системата, способна мигновено да смени степента на сгъстяване чрез ексцентриков механизъм, променящ позицията на коляновия вал. Между другото, действието на въпросната система не се ограничва само в режима HCCI.
Контролът на всички тези сложни операции изисква управляваща електроника, която да не разчита на обичайния набор от предварително уточнени алгоритми както при конвенционалните ДВГ, а да позволява промяна на характеристиките на работа в реално време съобразно получените от сензорите данни. Задачата е сложна, но и резултатът си го бива – разполагащият с 238 к. с. 1,8 литров Diesotto гарантираше на концептуалния F700 с размерите на S-класа емисии на СО2 от 127 г/км и изпълнение на стриктните норми на директивата Euro 6.
Текст: Георги Колев