Informacje

HCCI: Homogeniczny zapłon samoczynny

HCCI: Homogeniczny zapłon samoczynny

W dążeniu do coraz lepszej wydajności paliwowej i redukcji emisji stary i bardzo obiecujący pomysł znalazł nowe życie. Technologia HCCI (Homogeniczne ładowanie z kompresją zapłonu) istnieje od dawna, ale ostatnio zyskała na nowo uwagę i entuzjazm. Podczas gdy we wczesnych latach pojawiło się wiele przeszkód nie do pokonania (w tym czasie), których odpowiedzi pojawiły się dopiero, gdy opracowano zaawansowaną elektronikę sterowaną komputerowo, która stała się niezawodną technologią, postępy utknęły w martwym punkcie. Czas, jak zawsze, zadziałał i prawie każdy problem został rozwiązany. HCCI to pomysł, którego czas przyszedł z prawie wszystkimi częściami i technologiami oraz know-how, aby naprawdę to wykorzystać.

Co to jest HCCI?

Silnik HCCI to połączenie zarówno konwencjonalnej technologii zapłonu iskrowego, jak i zapłonu wysokoprężnego. Połączenie tych dwóch konstrukcji zapewnia wysoką sprawność podobną do oleju napędowego bez trudnego i kosztownego radzenia sobie z emisjami NOx i cząstek stałych. W najbardziej podstawowej formie oznacza to po prostu, że paliwo (benzyna lub E85) jest jednorodnie (dokładnie i całkowicie) mieszane z powietrzem w komorze spalania (bardzo podobnie do zwykłego silnika benzynowego z zapłonem iskrowym), ale z bardzo wysokim udziałem powietrze do paliwa (mieszanka uboga). Gdy tłok silnika osiąga najwyższy punkt (górny martwy punkt) na suwie sprężania, mieszanka paliwowo-powietrzna zapala się automatycznie (spontanicznie i całkowicie zapala się bez wspomagania świecy zapłonowej) od ciepła sprężania, podobnie jak silnik wysokoprężny. Rezultat jest najlepszy z obu światów: niskie zużycie paliwa i niski poziom emisji.

Jak działa HCCI?

W silniku HCCI (opartym na czterosuwowym cyklu Otto) kontrola dostarczania paliwa ma ogromne znaczenie w kontrolowaniu procesu spalania. Podczas suwu ssania paliwo jest wtryskiwane do komory spalania każdego cylindra za pomocą wtryskiwaczy paliwa zamontowanych bezpośrednio w głowicy cylindrów. Osiąga się to niezależnie od indukcji powietrza, która odbywa się przez komorę wlotową. Pod koniec suwu wlotowego paliwo i powietrze zostały całkowicie wprowadzone i zmieszane z komorą spalania cylindra.

Gdy tłok zaczyna się cofać podczas suwu sprężania, ciepło zaczyna gromadzić się w komorze spalania. Gdy tłok osiągnie koniec tego skoku, zgromadziło się wystarczające ciepło, aby spowodować samozapłon mieszanki paliwowo-powietrznej (nie jest wymagana iskra) i zmusić tłok do opuszczenia dla skoku mocy. W przeciwieństwie do tradycyjnych silników iskrowych (a nawet silników wysokoprężnych) proces spalania polega na ubogim, niskotemperaturowym i bezpłomieniowym uwalnianiu energii w całej komorze spalania. Cała mieszanka paliwowa jest spalana jednocześnie, wytwarzając równoważną moc, ale zużywając znacznie mniej paliwa i emitując znacznie mniej emisji w procesie.

Pod koniec suwu zasilania tłok ponownie zmienia kierunek i inicjuje suw wydechowy, ale zanim wszystkie gazy spalinowe zostaną usunięte, zawory wydechowe zamykają się wcześnie, zatrzymując część utajonego ciepła spalania. Ciepło to zostaje zachowane, a niewielka ilość paliwa jest wtryskiwana do komory spalania w celu wstępnego naładowania (w celu kontroli temperatur spalania i emisji) przed rozpoczęciem następnego suwu wlotowego.

Wyzwania dla HCCI

Ciągłym problemem rozwojowym w silnikach HCCI jest kontrola procesu spalania. W tradycyjnych silnikach iskrowych czas spalania jest łatwo regulowany przez moduł sterujący zarządzania silnikiem zmieniający iskrę i być może dostarczanie paliwa. Dzięki bezpłomieniowemu spalaniu HCCI nie jest to takie proste. Temperatura komory spalania i skład mieszanki muszą być ściśle kontrolowane w ramach szybko zmieniających się i bardzo wąskich progów, które obejmują parametry takie jak ciśnienie w cylindrze, obciążenie silnika i obroty oraz położenie przepustnicy, ekstremalne temperatury otoczenia i zmiany ciśnienia atmosferycznego. Większość tych warunków jest kompensowana za pomocą czujników i automatycznych regulacji normalnie ustalonych działań. Obejmują one czujniki ciśnienia w poszczególnych cylindrach, zmienny skok hydrauliczny zaworu i elektromechaniczne fazery do rozrządu wałka rozrządu. Trik polega nie tylko na tym, aby uruchomić te systemy, ale na tym, aby działały razem, bardzo szybko i przez wiele tysięcy kilometrów i lat zużycia. Być może równie trudnym problemem będzie utrzymanie przystępnych cenowo tych zaawansowanych systemów sterowania.

Zalety HCCI

  • Dzięki niskiemu zużyciu paliwa oszczędność paliwa wzrasta o 15 procent w porównaniu z konwencjonalnym silnikiem o zapłonie iskrowym.
  • Czystsze spalanie i niższa emisja (szczególnie NOx) niż w tradycyjnym silniku o zapłonie iskrowym.
  • Kompatybilny z benzyną, a także paliwem E85 (etanol).
  • Paliwo jest spalane szybciej i w niższych temperaturach, co zmniejsza straty energii cieplnej w porównaniu z tradycyjnym silnikiem iskrowym.
  • Bezindukcyjny system indukcyjny eliminuje straty wynikające z tarcia podczas pompowania w tradycyjnych silnikach iskrowych (korpusie przepustnicy).

Wady HCCI

  • Wysokie ciśnienia w cylindrach wymagają mocniejszej (i droższej) konstrukcji silnika.
  • Bardziej ograniczony zakres mocy niż konwencjonalny silnik iskrowy.
  • Wiele faz charakterystyk spalania jest trudnych (i droższych) do kontrolowania.

Oczywiste jest, że technologia HCCI oferuje lepszą efektywność zużycia paliwa i kontrolę emisji w porównaniu z tradycyjnym sprawdzonym silnikiem benzynowym o zapłonie iskrowym. To, co nie jest jeszcze tak pewne, to zdolność tych silników do zapewnienia tych właściwości niedrogo, a co ważniejsze, pewniej przez cały okres eksploatacji pojazdu. Ciągłe postępy w sterowaniu elektronicznym doprowadziły HCCI do progu praktycznej rzeczywistości i konieczne będą dalsze udoskonalenia, aby przesunąć go ponad krawędź do codziennych pojazdów produkcyjnych.