ทดลองขับเครื่องยนต์เบนซินและดีเซลในเครื่องยนต์เดี่ยวหรือเครื่องยนต์ HCCI: ตอนที่ 2

Mazda กล่าวว่าพวกเขาจะเป็นคนแรกที่ใช้มันในซีรีส์นี้

ด้วยก๊าซที่สะอาดเช่นน้ำมันเบนซินและประสิทธิภาพของน้ำมันดีเซล บทความนี้เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อออกแบบเครื่องยนต์ในอุดมคติด้วยการผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันและการสลายตัวอัตโนมัติระหว่างการบีบอัด นักออกแบบเรียกง่ายๆว่า HCCI

การสะสมความรู้

รากฐานของกระบวนการดังกล่าวย้อนกลับไปในทศวรรษที่ 1979 เมื่อวิศวกรชาวญี่ปุ่น Onishi พัฒนาเทคโนโลยีของเขา "การเผาไหม้แบบแอคทีฟในอุณหภูมิและบรรยากาศ" ในสนาม XNUMX เป็นช่วงเวลาของวิกฤตการณ์น้ำมันครั้งที่สองและข้อจำกัดทางกฎหมายที่ร้ายแรงครั้งแรกเกี่ยวกับธรรมชาติของสิ่งแวดล้อม และเป้าหมายของวิศวกรคือการนำรถจักรยานยนต์สองจังหวะที่มีอยู่ทั่วไปในขณะนั้นให้สอดคล้องกับข้อกำหนดเหล่านี้ เป็นที่ทราบกันดีว่าในโหมดโหลดเบาและโหลดบางส่วน ก๊าซไอเสียจำนวนมากจะถูกเก็บไว้ในกระบอกสูบของหน่วยสองจังหวะ และแนวคิดของนักออกแบบชาวญี่ปุ่นคือการเปลี่ยนข้อเสียให้เป็นข้อได้เปรียบโดยการสร้าง กระบวนการเผาไหม้ที่ก๊าซตกค้างและอุณหภูมิเชื้อเพลิงสูงปะปนกันเพื่องานที่เป็นประโยชน์ .

นับเป็นครั้งแรกที่วิศวกรจากทีม Onishi สามารถใช้เทคโนโลยีที่เกือบจะปฏิวัติวงการในตัวเอง ทำให้เกิดกระบวนการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองซึ่งช่วยลดการปล่อยไอเสียได้สำเร็จอย่างแท้จริง อย่างไรก็ตาม พวกเขายังพบว่ามีการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์อย่างมีนัยสำคัญ และไม่นานหลังจากที่มีการเปิดเผยการพัฒนา กระบวนการที่คล้ายกันก็ได้รับการสาธิตโดย Toyota, Mitsubishi และ Honda นักออกแบบรู้สึกทึ่งกับความนุ่มนวลสูงสุดและการเผาไหม้ด้วยความเร็วสูงในรถต้นแบบ การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงที่ลดลง และการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตราย ในปี 1983 ตัวอย่างห้องปฏิบัติการแรกของเครื่องยนต์ที่จุดระเบิดด้วยตัวเองสี่จังหวะปรากฏขึ้นซึ่งสามารถควบคุมกระบวนการในโหมดการทำงานต่างๆได้เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าองค์ประกอบทางเคมีและอัตราส่วนของส่วนประกอบในเชื้อเพลิงที่ใช้นั้นเป็นที่รู้จักอย่างแน่นอน อย่างไรก็ตามการวิเคราะห์กระบวนการเหล่านี้ค่อนข้างดั้งเดิมเนื่องจากเป็นไปตามสมมติฐานที่ว่าในเครื่องยนต์ประเภทนี้จะดำเนินการเนื่องจากจลนพลศาสตร์ของกระบวนการทางเคมีและปรากฏการณ์ทางกายภาพเช่นการผสมและความปั่นป่วนนั้นไม่มีนัยสำคัญ ในช่วงทศวรรษที่ 80 มีการวางรากฐานสำหรับแบบจำลองการวิเคราะห์รุ่นแรกของกระบวนการโดยพิจารณาจากความดัน อุณหภูมิ และความเข้มข้นของส่วนประกอบเชื้อเพลิงและอากาศในปริมาตรห้องเพาะเลี้ยง ผู้ออกแบบได้ข้อสรุปว่าการทำงานของเครื่องยนต์ประเภทนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองส่วนหลักคือการจุดระเบิดและการปล่อยพลังงานตามปริมาตร การวิเคราะห์ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการจุดระเบิดในตัวเองนั้นเริ่มต้นจากกระบวนการทางเคมีเบื้องต้นที่อุณหภูมิต่ำเดียวกัน (เกิดขึ้นต่ำกว่า 700 องศาพร้อมกับการก่อตัวของเปอร์ออกไซด์) ซึ่งมีหน้าที่ในการระเบิดของการเผาไหม้ที่เป็นอันตรายในเครื่องยนต์เบนซินและกระบวนการปล่อยพลังงานหลัก มีอุณหภูมิสูง และดำเนินการเกินขีดจำกัดอุณหภูมิตามเงื่อนไขนี้

เป็นที่ชัดเจนว่างานควรมุ่งเน้นไปที่การศึกษาและศึกษาผลของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางเคมีและองค์ประกอบของประจุภายใต้อิทธิพลของอุณหภูมิและความดัน เนื่องจากไม่สามารถควบคุมการสตาร์ทขณะเย็นและทำงานที่โหลดสูงสุดในโหมดเหล่านี้ วิศวกรจึงหันไปใช้หัวเทียน การทดสอบภาคปฏิบัติยังยืนยันทฤษฎีที่ว่าประสิทธิภาพจะลดลงเมื่อใช้งานกับน้ำมันดีเซล เนื่องจากอัตราส่วนการอัดจะต้องค่อนข้างต่ำ และเมื่อกำลังอัดสูงขึ้น กระบวนการจุดระเบิดด้วยตัวเองจะเกิดขึ้นเร็วเกินไป จังหวะการบีบอัด ในเวลาเดียวกัน ปรากฎว่าเมื่อใช้น้ำมันดีเซล จะมีปัญหาเกี่ยวกับการระเหยของเศษส่วนที่ติดไฟได้ของน้ำมันดีเซล และปฏิกิริยาเคมีก่อนเกิดเปลวไฟจะเด่นชัดกว่าน้ำมันเบนซินออกเทนสูง และอีกจุดที่สำคัญมาก - ปรากฎว่าเครื่องยนต์ HCCI ทำงานโดยไม่มีปัญหาโดยมีก๊าซตกค้างมากถึง 50% ในส่วนผสมแบบไม่ติดมันที่เกี่ยวข้องในกระบอกสูบ จากทั้งหมดนี้เป็นไปตามที่น้ำมันเบนซินมีความเหมาะสมมากกว่าสำหรับการทำงานในหน่วยประเภทนี้และการพัฒนาจะมุ่งไปในทิศทางนี้

เครื่องยนต์ตัวแรกที่ใกล้เคียงกับอุตสาหกรรมยานยนต์จริงซึ่งกระบวนการเหล่านี้ถูกนำไปใช้อย่างประสบความสำเร็จในทางปฏิบัติได้รับการดัดแปลงเครื่องยนต์ VW 1,6 ลิตรในปี 1992 ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขานักออกแบบจาก Wolfsburg สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ 34% เมื่อโหลดบางส่วน หลังจากนั้นไม่นานในปี 1996 การเปรียบเทียบโดยตรงของเครื่องยนต์ HCCI กับเครื่องยนต์ดีเซลแบบเบนซินและแบบฉีดตรงพบว่าเครื่องยนต์ HCCI มีอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและการปล่อยก๊าซ NOx ต่ำที่สุดโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระบบหัวฉีดที่มีราคาแพง เกี่ยวกับน้ำมันเชื้อเพลิง

เกิดอะไรขึ้นวันนี้

วันนี้ แม้จะมีคำสั่งให้ลดขนาดลง แต่ GM ยังคงพัฒนาเครื่องยนต์ HCCI ต่อไป และบริษัทเชื่อว่าเครื่องจักรประเภทนี้จะช่วยปรับปรุงเครื่องยนต์เบนซิน วิศวกรของ Mazda เองก็มีความคิดเห็นแบบเดียวกัน แต่เราจะพูดถึงพวกเขาในฉบับหน้า Sandia National Laboratories ซึ่งทำงานอย่างใกล้ชิดกับ GM กำลังปรับปรุงขั้นตอนการทำงานใหม่ ซึ่งแตกต่างจาก HCCI นักพัฒนาเรียกมันว่า LTGC สำหรับ "การเผาไหม้น้ำมันเบนซินอุณหภูมิต่ำ" เนื่องจากในการออกแบบก่อนหน้านี้ โหมด HCCI ถูกจำกัดให้อยู่ในช่วงการทำงานที่ค่อนข้างแคบ และไม่มีข้อได้เปรียบเหนือเครื่องจักรสมัยใหม่ในการลดขนาดมากนัก นักวิทยาศาสตร์จึงตัดสินใจแบ่งชั้นของส่วนผสมต่อไป กล่าวอีกนัยหนึ่งเพื่อสร้างพื้นที่ยากจนและร่ำรวยที่มีการควบคุมอย่างแม่นยำ แต่ในทางตรงกันข้ามกับดีเซลมากขึ้น เหตุการณ์ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิในการทำงานมักไม่เพียงพอที่จะทำปฏิกิริยาออกซิเดชันของไฮโดรคาร์บอนและ CO-CO2 ให้สมบูรณ์ เมื่อส่วนผสมสมบูรณ์และหมดลง ปัญหาก็จะหมดไป เนื่องจากอุณหภูมิของส่วนผสมจะเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการเผาไหม้ อย่างไรก็ตาม มันยังคงต่ำพอที่จะไม่เริ่มต้นการก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์ ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษ นักออกแบบยังคงเชื่อว่า HCCI เป็นทางเลือกที่มีอุณหภูมิต่ำแทนเครื่องยนต์ดีเซลที่ไม่สร้างไนโตรเจนออกไซด์ อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นในกระบวนการ LTGC ใหม่เช่นกัน น้ำมันเบนซินยังใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ เช่นเดียวกับต้นแบบของ GM ดั้งเดิม เนื่องจากมีอุณหภูมิการระเหยที่ต่ำกว่า (และผสมกับอากาศได้ดีกว่า) แต่มีอุณหภูมิในการจุดติดไฟเองที่สูงกว่า ตามที่นักออกแบบห้องปฏิบัติการกล่าวว่าการรวมกันของโหมด LTGC และการจุดระเบิดด้วยประกายไฟในโหมดที่ไม่เอื้ออำนวยและควบคุมยาก เช่น โหลดเต็มที่ จะส่งผลให้เครื่องจักรมีประสิทธิภาพมากกว่าหน่วยลดขนาดที่มีอยู่มาก Delphi Automotive กำลังพัฒนากระบวนการจุดระเบิดด้วยการอัดที่คล้ายคลึงกัน พวกเขาเรียกการออกแบบของพวกเขาว่า GDCI สำหรับ "การจุดระเบิดด้วยการจุดระเบิดโดยตรงด้วยการฉีดน้ำมัน" (การฉีดโดยตรงด้วยน้ำมันเบนซินและการจุดระเบิดด้วยแรงอัด) ซึ่งให้การทำงานแบบลีนและสมบูรณ์เพื่อควบคุมกระบวนการเผาไหม้ ในเดลฟี ทำได้โดยใช้หัวฉีดที่มีไดนามิกของการฉีดที่ซับซ้อน ดังนั้นถึงแม้จะหมดแรงและถูกเติมแต่ง ส่วนผสมทั้งหมดก็ยังคงไม่ติดมันมากพอที่จะไม่เกิดเขม่า และอุณหภูมิต่ำพอที่จะไม่ก่อให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ นักออกแบบควบคุมส่วนต่าง ๆ ของส่วนผสมเพื่อให้เผาไหม้ในเวลาที่ต่างกัน กระบวนการที่ซับซ้อนนี้คล้ายกับเชื้อเพลิงดีเซล การปล่อย CO2 ต่ำ และการก่อตัวของไนโตรเจนออกไซด์นั้นเล็กน้อย Delphi ได้ให้เงินทุนสนับสนุนอย่างน้อย 4 ปีจากรัฐบาลสหรัฐฯ และความสนใจของผู้ผลิตเช่น Hyundai ในการพัฒนาของพวกเขาหมายความว่าพวกเขาจะไม่หยุด

จำ Disotto กันเถอะ

การพัฒนาโดยนักออกแบบของ Daimler Engine Research Labs ใน Untertürkheim เรียกว่า Diesotto และในโหมดเริ่มต้นและโหลดสูงสุดจะทำงานเหมือนเครื่องยนต์เบนซินแบบคลาสสิกโดยใช้ข้อดีทั้งหมดของการฉีดโดยตรงและเทอร์โบชาร์จแบบเรียงซ้อน อย่างไรก็ตาม ที่ความเร็วต่ำถึงปานกลางและโหลดภายในหนึ่งรอบ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะปิดระบบจุดระเบิดและเปลี่ยนเป็นโหมดควบคุมโหมดจุดระเบิดเอง ในกรณีนี้เฟสของวาล์วไอเสียจะเปลี่ยนลักษณะไปอย่างสิ้นเชิง พวกเขาเปิดในเวลาที่สั้นกว่าปกติและมีจังหวะที่ลดลงมาก - ดังนั้นมีเพียงครึ่งหนึ่งของก๊าซไอเสียเท่านั้นที่มีเวลาออกจากห้องเผาไหม้และส่วนที่เหลือจะถูกเก็บไว้ในกระบอกสูบโดยเจตนาพร้อมกับความร้อนส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในนั้น . เพื่อให้อุณหภูมิในห้องสูงขึ้นไปอีก หัวฉีดจะฉีดเชื้อเพลิงส่วนเล็กๆ ที่ไม่ติดไฟ แต่ทำปฏิกิริยากับก๊าซร้อน ในช่วงจังหวะไอดีที่ตามมา เชื้อเพลิงส่วนใหม่จะถูกฉีดเข้าไปในแต่ละกระบอกสูบในปริมาณที่เหมาะสม วาล์วไอดีเปิดสั้น ๆ ด้วยจังหวะสั้น ๆ และปล่อยให้อากาศบริสุทธิ์ในปริมาณที่แม่นยำเข้าไปในกระบอกสูบและผสมกับก๊าซที่มีอยู่เพื่อผลิตส่วนผสมเชื้อเพลิงน้อยที่มีสัดส่วนของก๊าซไอเสียสูง ตามมาด้วยจังหวะอัดที่อุณหภูมิของส่วนผสมยังคงเพิ่มขึ้นจนกว่าจะจุดระเบิดได้เอง ระยะเวลาที่แม่นยำของกระบวนการทำได้โดยการควบคุมปริมาณเชื้อเพลิง อากาศบริสุทธิ์และก๊าซไอเสีย ข้อมูลคงที่จากเซ็นเซอร์ที่วัดความดันในกระบอกสูบ และระบบที่สามารถเปลี่ยนอัตราส่วนกำลังอัดได้ทันทีโดยใช้กลไกนอกรีต การเปลี่ยนตำแหน่งของเพลาข้อเหวี่ยง อย่างไรก็ตาม การทำงานของระบบที่เป็นปัญหาไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะโหมด HCCI

การจัดการการทำงานที่ซับซ้อนทั้งหมดนี้ต้องใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่ไม่ต้องพึ่งพาชุดอัลกอริทึมที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแบบปกติที่พบในเครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไป แต่อนุญาตให้มีการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพตามเวลาจริงตามข้อมูลเซ็นเซอร์ งานยาก แต่ผลลัพธ์ก็คุ้มค่า - 238 แรงม้า Diesotto ขนาด 1,8 ลิตรรับประกันแนวคิด F700 ด้วยการปล่อย CO2 ของ S-Class ที่ 127 กรัม/กม. และเป็นไปตามข้อกำหนด Euro 6 ที่เข้มงวด

ข้อความ: Georgy Kolev

บ้าน " บทความ " ช่องว่าง » เครื่องยนต์เบนซินและดีเซลในเครื่องยนต์เดี่ยวหรือ HCCI: ตอนที่ 2