Lái thử động cơ xăng và động cơ diesel trong động cơ đơn hoặc động cơ HCCI: Phần 2
Mazda cho biết họ sẽ là người đầu tiên sử dụng nó trong loạt
Với khí sạch như xăng và hiệu quả của nhiên liệu diesel. Bài viết này nói về những gì sẽ xảy ra khi thiết kế một động cơ lý tưởng với sự trộn đồng nhất và tự động trong quá trình nén. Các nhà thiết kế chỉ đơn giản gọi nó là HCCI.
Tích lũy kiến thức
Nền tảng của các quy trình như vậy có từ những năm bảy mươi, khi kỹ sư người Nhật Onishi phát triển công nghệ "Đốt cháy tích cực trong khí quyển nhiệt". Trong sân, năm 1979 là thời kỳ của cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ hai và những hạn chế pháp lý nghiêm trọng đầu tiên về bản chất môi trường, và mục tiêu của kỹ sư là đưa những chiếc xe máy hai thì phổ biến vào thời điểm đó phù hợp với những yêu cầu này. Được biết, ở chế độ tải nhẹ và tải một phần, một lượng lớn khí thải được chứa trong xi-lanh của động cơ hai thì và ý tưởng của nhà thiết kế Nhật Bản là biến nhược điểm thành ưu điểm bằng cách tạo ra một quá trình đốt cháy trong đó khí dư và nhiệt độ nhiên liệu cao trộn lẫn với nhau để thực hiện công việc hữu ích. .
Lần đầu tiên, các kỹ sư của nhóm Onishi có thể tự mình triển khai một công nghệ gần như mang tính cách mạng, kích hoạt quá trình đốt cháy tự phát giúp giảm lượng khí thải thực sự thành công. Tuy nhiên, họ cũng tìm thấy những cải tiến đáng kể về hiệu suất động cơ và ngay sau khi quá trình phát triển được công bố, các quy trình tương tự đã được Toyota, Mitsubishi và Honda chứng minh. Các nhà thiết kế đã rất ngạc nhiên trước quá trình đốt cháy cực kỳ êm ái, đồng thời ở tốc độ cao trong nguyên mẫu, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải độc hại. Năm 1983, các mẫu thí nghiệm đầu tiên của động cơ tự bốc cháy bốn thì đã xuất hiện, trong đó có thể kiểm soát quá trình ở các chế độ vận hành khác nhau do thành phần hóa học và tỷ lệ các thành phần trong nhiên liệu được sử dụng đã được biết đến hoàn toàn. Tuy nhiên, việc phân tích các quá trình này hơi thô sơ, vì nó dựa trên giả định rằng ở loại động cơ này, chúng được thực hiện do động học của các quá trình hóa học và các hiện tượng vật lý như trộn lẫn và nhiễu loạn là không đáng kể. Vào những năm 80, nền móng đã được đặt ra cho các mô hình phân tích đầu tiên của các quá trình dựa trên áp suất, nhiệt độ và nồng độ của các thành phần nhiên liệu và không khí trong thể tích buồng. Các nhà thiết kế đã đi đến kết luận rằng hoạt động của loại động cơ này có thể được chia thành hai phần chính - đánh lửa và giải phóng năng lượng thể tích. Phân tích kết quả nghiên cứu cho thấy hiện tượng tự bốc cháy được bắt đầu bởi các quá trình hóa học sơ bộ ở nhiệt độ thấp (xảy ra dưới 700 độ với sự hình thành peroxit) gây ra hiện tượng cháy nổ có hại trong động cơ xăng và các quá trình giải phóng năng lượng chính. có nhiệt độ cao. và được thực hiện trên giới hạn nhiệt độ có điều kiện này.
Rõ ràng là công việc cần được tập trung nghiên cứu và nghiên cứu kết quả của sự thay đổi cấu trúc hóa học và thành phần của điện tích dưới tác động của nhiệt độ và áp suất. Do không thể kiểm soát khởi động nguội và hoạt động ở mức tải tối đa ở các chế độ này, các kỹ sư đã sử dụng bugi đánh lửa. Thử nghiệm thực tế cũng khẳng định lý thuyết rằng hiệu suất càng thấp khi vận hành bằng nhiên liệu diesel, do tỷ số nén phải tương đối thấp, còn ở độ nén cao hơn thì quá trình tự bốc cháy xảy ra quá sớm. đột quỵ nén. Đồng thời, hóa ra khi sử dụng nhiên liệu diesel, có vấn đề về sự bay hơi của các phần dễ cháy của nhiên liệu diesel và các phản ứng hóa học trước ngọn lửa của chúng rõ rệt hơn nhiều so với xăng có chỉ số octan cao. Và một điểm rất quan trọng nữa - hóa ra động cơ HCCI hoạt động mà không gặp vấn đề gì với tới 50% khí dư trong hỗn hợp nạc tương ứng trong xi lanh. Từ tất cả những điều này, có thể thấy rằng xăng phù hợp hơn nhiều để hoạt động trong loại đơn vị này và sự phát triển được hướng theo hướng này.
Những động cơ đầu tiên gần gũi với ngành công nghiệp ô tô thực sự, trong đó những quy trình này đã được thực hiện thành công trong thực tế, là động cơ VW 1,6 lít được sửa đổi vào năm 1992. Với sự giúp đỡ của họ, các nhà thiết kế từ Wolfsburg đã có thể tăng hiệu suất lên 34% khi tải một phần. Sau đó một chút, vào năm 1996, so sánh trực tiếp giữa động cơ HCCI với động cơ diesel phun xăng và phun trực tiếp cho thấy rằng động cơ HCCI cho thấy mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải NOx thấp nhất mà không cần đến hệ thống phun đắt tiền. về nhiên liệu.
Mọi chuyện hôm nay thế nào
Ngày nay, bất chấp các chỉ thị về việc cắt giảm quy mô, GM vẫn đang tiếp tục phát triển động cơ HCCI, và công ty tin rằng loại máy này sẽ giúp cải tiến động cơ xăng. Các kỹ sư của Mazda cũng có quan điểm tương tự, nhưng chúng ta sẽ nói về chúng trong số tiếp theo. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, hợp tác chặt chẽ với GM, họ hiện đang cải tiến quy trình làm việc mới, đây là một biến thể của HCCI. Các nhà phát triển gọi nó là LTGC cho "Đốt xăng ở nhiệt độ thấp". Vì trong các thiết kế trước đây, các chế độ HCCI bị giới hạn trong phạm vi hoạt động khá hẹp và không có nhiều lợi thế so với các máy hiện đại để giảm kích thước, các nhà khoa học đã quyết định phân tầng hỗn hợp. Nói cách khác, để tạo ra các khu vực nghèo hơn và giàu hơn được kiểm soát chính xác, nhưng ngược lại với nhiều dầu diesel hơn. Các sự kiện vào đầu thế kỷ này đã chỉ ra rằng nhiệt độ vận hành thường không đủ để hoàn thành các phản ứng oxy hóa hydrocacbon và CO-CO2. Khi hỗn hợp được làm giàu và cô cạn, vấn đề sẽ được loại bỏ, vì nhiệt độ của nó tăng lên trong quá trình đốt cháy. Tuy nhiên, nó vẫn đủ thấp để không bắt đầu hình thành các oxit nitơ. Vào đầu thế kỷ này, các nhà thiết kế vẫn tin rằng HCCI là một giải pháp thay thế nhiệt độ thấp cho động cơ diesel không tạo ra oxit nitơ. Tuy nhiên, chúng cũng không được tạo trong quy trình LTGC mới. Xăng cũng được sử dụng cho mục đích này, như trong các nguyên mẫu GM ban đầu, vì nó có nhiệt độ hóa hơi thấp hơn (và hòa trộn với không khí tốt hơn) nhưng nhiệt độ tự cháy cao hơn. Theo các nhà thiết kế phòng thí nghiệm, sự kết hợp giữa chế độ LTGC và đánh lửa bằng tia lửa điện ở các chế độ bất lợi hơn và khó kiểm soát hơn, chẳng hạn như đầy tải, sẽ tạo ra máy móc hiệu quả hơn nhiều so với các đơn vị giảm kích thước hiện có. Delphi Automotive đang phát triển một quy trình đánh lửa nén tương tự. Họ gọi các thiết kế của mình là GDCI, cho "Hệ thống phun xăng trực tiếp bằng khí nén" (Gasoline Direct Injection and Compression Ignition), cũng cung cấp công việc tinh gọn và phong phú để kiểm soát quá trình đốt cháy. Ở Delphi, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các kim phun có động lực phun phức tạp, do đó, mặc dù đã cạn kiệt và làm giàu, hỗn hợp nói chung vẫn đủ nạc để không tạo thành muội than và nhiệt độ đủ thấp để không tạo thành NOx. Các nhà thiết kế kiểm soát các phần khác nhau của hỗn hợp để chúng cháy vào những thời điểm khác nhau. Quá trình phức tạp này giống như nhiên liệu diesel, lượng khí thải CO2 thấp và sự hình thành NOx là không đáng kể. Delphi đã cung cấp thêm ít nhất 4 năm tài trợ từ chính phủ Hoa Kỳ, và sự quan tâm của các nhà sản xuất như Hyundai đối với sự phát triển của họ có nghĩa là họ sẽ không dừng lại.
Hãy nhớ Disotto
Sự phát triển của các nhà thiết kế Phòng thí nghiệm nghiên cứu động cơ Daimler ở Untertürkheim được gọi là Diesotto và ở chế độ khởi động và tải tối đa, nó hoạt động giống như một động cơ xăng cổ điển, sử dụng tất cả các ưu điểm của hệ thống phun nhiên liệu trực tiếp và tăng áp theo tầng. Tuy nhiên, ở tốc độ và tải từ thấp đến trung bình trong vòng một chu kỳ, thiết bị điện tử sẽ tắt hệ thống đánh lửa và chuyển sang chế độ điều khiển chế độ tự đánh lửa. Trong trường hợp này, các pha của van xả thay đổi hoàn toàn đặc tính của chúng. Chúng mở trong thời gian ngắn hơn nhiều so với bình thường và hành trình giảm đi nhiều - vì vậy chỉ một nửa khí thải có thời gian rời khỏi buồng đốt, phần còn lại được cố tình giữ trong xi lanh, cùng với phần lớn nhiệt lượng chứa trong chúng . Để đạt được nhiệt độ cao hơn nữa trong các buồng, các vòi phun một phần nhỏ nhiên liệu không bắt lửa nhưng phản ứng với khí nóng. Trong kỳ nạp tiếp theo, một phần nhiên liệu mới được phun vào mỗi xi lanh với lượng chính xác. Van nạp mở nhanh bằng một hành trình ngắn và cho phép một lượng không khí trong lành được đo chính xác đi vào xi lanh và trộn với các loại khí có sẵn để tạo ra hỗn hợp nhiên liệu loãng với tỷ lệ khí thải cao. Tiếp theo là một hành trình nén trong đó nhiệt độ của hỗn hợp tiếp tục tăng cho đến thời điểm tự bốc cháy. Thời gian chính xác của quá trình đạt được bằng cách kiểm soát chính xác lượng nhiên liệu, không khí trong lành và khí thải, thông tin liên tục từ các cảm biến đo áp suất trong xi lanh và một hệ thống có thể thay đổi tỷ số nén ngay lập tức bằng cơ chế lệch tâm. thay đổi vị trí của trục khuỷu. Nhân tiện, hoạt động của hệ thống được đề cập không giới hạn ở chế độ HCCI.
Việc quản lý tất cả các hoạt động phức tạp này yêu cầu các thiết bị điện tử điều khiển không dựa vào bộ thuật toán được xác định trước thông thường có trong các động cơ đốt trong thông thường, nhưng cho phép thay đổi hiệu suất theo thời gian thực dựa trên dữ liệu cảm biến. Nhiệm vụ khó khăn, nhưng kết quả rất xứng đáng - 238 mã lực. Động cơ Diesotto 1,8 lít đảm bảo khái niệm F700 với lượng khí thải CO2 S-Class là 127 g/km và tuân thủ các chỉ thị Euro 6 nghiêm ngặt.
Văn bản: Georgy Kolev
Trang chủ " Bài viết " Khoảng trống » Động cơ xăng và động cơ diesel trong động cơ đơn hoặc HCCI: Phần 2
