W dążeniu do coraz lepszej wydajności paliwowej i redukcji emisji stary i bardzo obiecujący pomysł znalazł nowe życie. HCCI (ładunek jednorodny Zapłon samoczynny) technologia istnieje od dawna, ale ostatnio zyskała na nowo uwagę i entuzjazm. Podczas gdy we wczesnych latach było wiele przeszkód nie do pokonania (w tym czasie), których odpowiedzi byłyby tylko takie opracowano zaawansowaną elektronikę sterowaną komputerowo i przekształcono w niezawodne technologie, postęp utknął 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 obu konwencjonalnych zapłon iskrowy i olej napędowy zapłon samoczynny technologia. 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 po prostu, że paliwo (benzyna lub E85) jest jednorodnie (dokładnie i całkowicie) mieszane z powietrzem w komora spalania (bardzo podobna do zwykłego silnika benzynowego z zapłonem iskrowym), ale z bardzo wysokim udziałem powietrza w paliwie (uboga mieszanina). Gdy tłok silnika osiąga najwyższy punkt (górny martwy punkt) na suwie sprężania, mieszanka paliwowo-powietrzna samozapłon (spontanicznie i całkowicie zapala się bez wspomagania świecy zapłonowej) od ciepła sprężania, podobnie jak diesel silnik. Rezultat jest najlepszy z obu światów: niskie zużycie paliwa i niska emisja.
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 powstanie paliwa / powietrza mieszanka do samozapłonu (nie jest wymagana iskra) i dociśnij tłok do siły uderzenie. W przeciwieństwie do konwencjonalnych 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 uwalniając znacznie mniej emisji w procesie.
Pod koniec suwu roboczego tłok ponownie zmienia kierunek i inicjuje suw wydechowy, ale wcześniej wszystkie gazy spalinowe można usunąć, zawory wylotowe zamykają się wcześnie, zatrzymując część ukrytego spalania ciepło. Ciepło to zostaje zachowane, a niewielka ilość paliwa jest wtryskiwana do komory spalania na czas wstępne ładowanie (w celu kontrolowania temperatur spalania i emisji) przed następnym skokiem wlotowym zaczyna się.
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 w komorze 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 ciśnienie atmosferyczne zmiany. Większość tych warunków jest kompensowana za pomocą czujników i automatycznych regulacji normalnie ustalonych działań. Obejmuje czujniki ciśnienia w poszczególnych cylindrach, zmienny skok hydrauliczny zaworu i elektromechaniczne fazery do rozrządu wałka rozrządu. Cała sztuka polega nie tyle na tym, żeby uruchomić te systemy, ile na tym, że działają 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 tradycyjnym 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 pompowania ciernego powstałe w tradycyjnych (korpus przepustnicy) silniki iskrowe.
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 do tradycyjnej sprawdzonej iskry zapłon silnik benzynowy. To, co nie jest jeszcze tak pewne, to zdolność tych silników do zapewnienia tych właściwości w sposób niedrogi, a co ważniejsze, niezawodnie przez cały okres eksploatacji pojazdu. Ciągłe postępy w sterowaniu elektronicznym doprowadziły HCCI do progu wykonalności rzeczywistość i konieczne będą dalsze udoskonalenia, aby zepchnąć to z krawędzi do codziennej produkcji pojazdy.