נסיעת מבחן מנועי בנזין ודיזל במנועים בודדים או מנועי HCCI: חלק 2

מאזדה אומרת שהם יהיו הראשונים להשתמש בה בסדרה

עם גזים נקיים כמו בנזין והיעילות של סולר. מאמר זה עוסק במתרחש בעת תכנון מנוע אידיאלי עם ערבוב הומוגני והצתה אוטומטית במהלך הדחיסה. המעצבים פשוט קוראים לזה HCCI.

צבירת ידע

היסודות של תהליכים כאלה מתחילים בשנות השבעים, כאשר המהנדס היפני אונישי פיתח את הטכנולוגיה שלו "בעירה פעילה בתרמו-אטמוספירה". בחצר שנת 1979 היא תקופת משבר הנפט השני וההגבלות המשפטיות החמורות הראשונות בעלות אופי סביבתי, ומטרת המהנדס היא להתאים את אופנועי הדו-פעימות הנפוצים באותה תקופה לדרישות אלו. ידוע שבמצב עומס קל וחלקי, כמות גדולה של גזי פליטה מאוחסנת בצילינדרים של יחידות שתי פעימות, והרעיון של המעצב היפני הוא להפוך את החסרונות שלו ליתרונות על ידי יצירת תהליך בעירה בו מתערבבים שאריות גזים וטמפרטורת דלק גבוהה לעבודה שימושית.

בפעם הראשונה, מהנדסים מצוות Onishi הצליחו ליישם טכנולוגיה כמעט מהפכנית בפני עצמה, שגררה תהליך בעירה ספונטנית שבאמת הפחית בהצלחה את פליטת הפליטה. עם זאת, הם מצאו גם שיפורים משמעותיים ביעילות המנוע, וזמן קצר לאחר חשיפת הפיתוח, הדגימו תהליכים דומים על ידי טויוטה, מיצובישי והונדה. המעצבים נדהמו מהבעירה החלקה במיוחד ובו זמנית המהירה באבות הטיפוס, צריכת הדלק המופחתת והפליטות המזיקות. בשנת 1983, הופיעו דגימות המעבדה הראשונות של מנועי הצתה עצמית ארבע פעימות, שבהן ניתן לבקרת תהליכים במצבי פעולה שונים בשל העובדה שההרכב הכימי והיחס בין הרכיבים בדלק המשמש ידועים לחלוטין. עם זאת, הניתוח של תהליכים אלה הוא פרימיטיבי במקצת, שכן הוא מבוסס על ההנחה שבסוג זה של מנוע הם מתבצעים עקב קינטיקה של תהליכים כימיים, ותופעות פיזיקליות כגון ערבוב ומערבולת אינן משמעותיות. בשנות ה-80 הונחו היסודות למודלים אנליטיים ראשונים של תהליכים המבוססים על לחץ, טמפרטורה וריכוז של רכיבי דלק ואוויר בנפח החדר. המעצבים הגיעו למסקנה שניתן לחלק את פעולתו של סוג זה של מנוע לשני חלקים עיקריים - הצתה ושחרור אנרגיה נפחי. ניתוח תוצאות המחקר מראה שההצתה העצמית מתחילה באותם תהליכים כימיים מקדימים בטמפרטורה נמוכה (המתרחשים מתחת ל-700 מעלות עם יצירת פרוקסידים) שאחראים לשריפת פיצוץ מזיק במנועי בנזין, ולתהליכי שחרור האנרגיה העיקרית. הם בטמפרטורה גבוהה. ומבוצעות מעל גבול טמפרטורה מותנה זה.

ברור שהעבודה צריכה להיות ממוקדת בלימוד ולימוד תוצאות השינויים במבנה הכימי ובהרכב המטען בהשפעת טמפרטורה ולחץ. בשל חוסר היכולת לשלוט בהתנעה קרה ולעבוד בעומסים מרביים במצבים אלה, המהנדסים פונים לשימוש במצת. המבחן המעשי מאשש גם את התיאוריה שהיעילות נמוכה יותר בהפעלה עם סולר, שכן יחס הדחיסה חייב להיות נמוך יחסית, ובדחיסה גבוהה יותר תהליך ההצתה העצמי מתרחש מוקדם מדי. שבץ דחיסה. יחד עם זאת, מתברר כי בעת שימוש בסולר, יש בעיות באידוי חלקים דליקים של סולר, וכי התגובות הכימיות שלפני הלהבה שלהם בולטות הרבה יותר מאשר בבנזין בעל אוקטן גבוה. ועוד נקודה חשובה מאוד - מסתבר שמנועי HCCI עובדים ללא בעיות עם עד 50% משאריות גזים בתערובות הרזה המתאימות בצילינדרים. מכל זה נובע שהדלק הרבה יותר מתאים לעבודה ביחידות מסוג זה והפיתוחים מכוונים לכיוון זה.

המנועים הראשונים המקורבים לתעשיית הרכב האמיתית בה הוטמעו תהליכים אלה בפועל הוחלפו במנועי 1,6 ליטר פולקסווגן בשנת 1992. בעזרתם הצליחו המעצבים מוולפסבורג להגביר את היעילות ב -34% בעומס חלקי. קצת מאוחר יותר, בשנת 1996, השוואה ישירה של מנוע HCCI למנוע בנזין והזרקה ישירה הראתה כי מנועי HCCI הראו את צריכת הדלק הנמוכה ביותר ואת פליטת ה- NOx ללא צורך במערכות הזרקה יקרות. על דלק.

מה קורה היום

כיום, למרות ההוראות לצמצום, GM ממשיכה לפתח מנועי HCCI, והחברה מאמינה שמכונה מסוג זה תסייע בשיפור מנוע הבנזין. אותה דעה מחזיקים במהנדסי מאזדה, אך נדבר עליהם בגיליון הבא. מעבדות לאומיות של סנדיה, בשיתוף פעולה הדוק עם GM, מעדנות כיום זרימת עבודה חדשה, שהיא גרסה של HCCI. המפתחים קוראים לזה LTGC עבור "בעירת בנזין בטמפרטורה נמוכה". מכיוון שבעיצובים קודמים, מצבי HCCI מוגבלים לטווח הפעלה די צר ואין להם יתרון רב על פני מכונות מודרניות להפחתת גודל, המדענים החליטו לרבד את התערובת בכל מקרה. במילים אחרות, ליצור אזורים עניים ועשירים יותר בפיקוח מדויק, אך בניגוד ליותר סולר. אירועים בתחילת המאה הראו כי לעתים קרובות טמפרטורות ההפעלה אינן מספיקות להשלמת תגובות החמצון של פחמימנים ו- CO-CO2. כאשר התערובת מועשרת ומתרוקנת הבעיה מסולקת, שכן הטמפרטורה שלה עולה במהלך תהליך הבעירה. עם זאת, הוא נשאר נמוך מספיק כדי לא ליזום יצירת תחמוצות חנקן. בתחילת המאה, מעצבים עדיין האמינו כי HCCI היא חלופה בטמפרטורה נמוכה למנוע דיזל שאינו מייצר תחמוצות חנקן. עם זאת, הם אינם נוצרים גם בתהליך LTGC החדש. בנזין משמש גם למטרה זו, כמו באבות -הטיפוס המקוריים של GM, מכיוון שיש לו טמפרטורת אידוי נמוכה יותר (וערבוב טוב יותר עם אוויר) אך טמפרטורת התלקחות עצמית גבוהה יותר. לדברי מעצבי מעבדה, השילוב של מצב LTGC והצתה ניצוצות במצבים לא נוחים יותר וקשים יותר לשליטה, כגון עומס מלא, יביא למכונות שהן הרבה יותר יעילות מיחידות הקטינה הקיימות. חברת Delphi Automotive מפתחת תהליך הדלקת דחיסה דומה. הם קוראים לעיצובים שלהם GDCI, עבור "הזרקת דלק ישירה בנזין" (הדלקה ישירה והזרקה של בנזין), המספקת גם עבודה רזה ועשירה לשליטה בתהליך הבעירה. בדלפי זה נעשה באמצעות מזרקים בעלי דינמיקת הזרקה מורכבת, כך שלמרות הדלדול וההעשרה, התערובת בכללותה נשארת רזה מספיק כדי לא ליצור פיח, וטמפרטורה נמוכה מספיק כדי לא ליצור תחמוצות חנקן. המעצבים שולטים בחלקים שונים של התערובת כך שהם יישרפו בזמנים שונים. תהליך מורכב זה דומה לסולר, פליטת CO2 נמוכה ויצירת תחמוצות חנקן זניחה. דלפי סיפקה עוד 4 שנות מימון מממשלת ארה"ב, והאינטרס של יצרנים דוגמת יונדאי בפיתוחם אומר שהם לא יפסיקו.

בואו ניזכר בדיסוטו

הפיתוח של מתכנני מעבדות המחקר למנועי דיימלר באונטרטורקהיים נקרא Diesotto ובמצב התנעה ועומס מרבי הוא עובד כמו מנוע בנזין קלאסי, תוך שימוש בכל היתרונות של הזרקה ישירה והגדשת טורבו מדורגת. עם זאת, במהירויות ובעומסים נמוכים עד בינוניים בתוך מחזור אחד, האלקטרוניקה תכבה את מערכת ההצתה ותעבור למצב בקרת מצב הצתה עצמית. במקרה זה, השלבים של שסתומי הפליטה משנים באופן קיצוני את אופיים. הם נפתחים בזמן קצר בהרבה מהרגיל ובמהלך מופחת בהרבה - כך שרק למחצית מגזי הפליטה יש זמן לצאת מתא הבעירה, והשאר נשמר בכוונה בצילינדרים, יחד עם רוב החום הכלול בהם. . כדי להשיג טמפרטורה גבוהה עוד יותר בחדרים, החרירים מחדירים חלק קטן של דלק שאינו מתלקח, אלא מגיב עם גזים מחוממים. במהלך פעולת היניקה העוקבת, כמות דלק חדשה מוזרקת לכל צילינדר בדיוק בכמות הנכונה. שסתום היניקה נפתח לזמן קצר בתנועה קצרה ומאפשר לכמות מדודה מדויקת של אוויר צח להיכנס לצילינדר ולהתערבב עם הגזים הזמינים כדי לייצר תערובת דלק רזה עם שיעור גבוה של גזי פליטה. לאחר מכן מכת דחיסה שבה טמפרטורת התערובת ממשיכה לעלות עד לרגע ההצתה העצמית. תזמון מדויק של התהליך מושג על ידי שליטה מדויקת בכמות הדלק, האוויר הצח וגזי הפליטה, מידע קבוע מחיישנים המודדים את הלחץ בצילינדר ומערכת שיכולה לשנות באופן מיידי את יחס הדחיסה באמצעות מנגנון אקסצנטרי. שינוי המיקום של גל הארכובה. אגב, פעולת המערכת המדוברת אינה מוגבלת למצב HCCI.

ניהול כל הפעולות המורכבות הללו דורש אלקטרוניקת בקרה שאינה מסתמכת על הסט הרגיל של אלגוריתמים מוגדרים מראש המצויים במנועי בעירה פנימית קונבנציונליים, אלא מאפשרת שינויים בביצועים בזמן אמת על סמך נתוני חיישנים. המשימה קשה, אבל התוצאה שווה את זה - 238 כ"ס. הדיזוטו בנפח 1,8 ליטר הבטיח את הקונספט F700 עם פליטת CO2 של S-Class של 127 גרם/ק"מ ועמידה בהוראות יורו 6 המחמירות.

טקסט: ג'ורג'י קולב

בית " מאמרים" ריקים » מנועי בנזין ודיזל במנועי יחיד או HCCI: חלק 2