Test drive motori a benzina e diesel in motori singoli o motori HCCI: Parte 2

Mazda dice che saranno i primi ad usarlo nella serie

Con gas puliti come la benzina e l'efficienza del gasolio. Questo articolo riguarda ciò che accade quando si progetta un motore ideale con miscelazione omogenea e autoaccensione durante la compressione. I progettisti lo chiamano semplicemente HCCI.

Accumulo di conoscenza

Le basi di tali processi risalgono agli anni settanta, quando l'ingegnere giapponese Onishi sviluppò la sua tecnologia "Combustione attiva nella termo-atmosfera". Nel cantiere, il 1979 è il periodo della seconda crisi petrolifera e delle prime gravi restrizioni legali di natura ambientale, e l'obiettivo dell'ingegnere è quello di allineare a questi requisiti le motociclette a due tempi comuni a quel tempo. È noto che nella modalità di carico leggero e parziale, una grande quantità di gas di scarico viene immagazzinata nei cilindri delle unità a due tempi e l'idea del designer giapponese è quella di trasformare i suoi svantaggi in vantaggi creando un processo di combustione in cui i gas residui e l'elevata temperatura del combustibile si mescolano per un lavoro utile.

Per la prima volta, gli ingegneri del team Onishi sono stati in grado di implementare una tecnologia quasi rivoluzionaria di per sé, innescando un processo di combustione spontanea che ha ridotto con successo le emissioni di scarico. Tuttavia, hanno riscontrato anche miglioramenti significativi nell'efficienza del motore e, subito dopo la presentazione dello sviluppo, processi simili sono stati dimostrati da Toyota, Mitsubishi e Honda. I progettisti sono rimasti stupiti dalla combustione estremamente fluida e allo stesso tempo rapida nei prototipi, dal consumo di carburante ridotto e dalle emissioni nocive. Nel 1983 apparvero i primi campioni di laboratorio di motori ad autoaccensione a quattro tempi, in cui il controllo del processo in varie modalità operative è possibile grazie al fatto che la composizione chimica e il rapporto dei componenti nel carburante utilizzato sono assolutamente noti. Tuttavia, l'analisi di questi processi è alquanto primitiva, poiché si basa sul presupposto che in questo tipo di motore vengono eseguiti a causa della cinetica dei processi chimici e che fenomeni fisici come la miscelazione e la turbolenza sono insignificanti. Fu negli anni '80 che furono gettate le basi per i primi modelli analitici di processi basati su pressione, temperatura e concentrazione dei componenti del carburante e dell'aria nel volume della camera. I progettisti sono giunti alla conclusione che il funzionamento di questo tipo di motore può essere suddiviso in due parti principali: accensione e rilascio volumetrico di energia. L'analisi dei risultati della ricerca mostra che l'autoaccensione viene avviata dagli stessi processi chimici preliminari a bassa temperatura (che si verificano sotto i 700 gradi con la formazione di perossidi) responsabili della dannosa combustione per detonazione nei motori a benzina, e dai processi di rilascio dell'energia principale sono ad alta temperatura. e vengono eseguiti al di sopra di questo limite di temperatura condizionale.

È chiaro che il lavoro dovrebbe essere focalizzato sullo studio e lo studio dei risultati dei cambiamenti nella struttura chimica e nella composizione della carica sotto l'influenza della temperatura e della pressione. A causa dell'impossibilità di controllare l'avviamento a freddo e di lavorare ai massimi carichi in queste modalità, gli ingegneri ricorrono all'uso di una candela. La prova pratica conferma anche la teoria secondo cui l'efficienza è inferiore quando si opera con gasolio, poiché il rapporto di compressione deve essere relativamente basso e, a una compressione più elevata, il processo di autoaccensione avviene troppo presto. corsa di compressione. Allo stesso tempo, risulta che quando si utilizza il gasolio, ci sono problemi con l'evaporazione delle frazioni infiammabili del gasolio e che le loro reazioni chimiche pre-fiamma sono molto più pronunciate rispetto alle benzine ad alto numero di ottani. E un altro punto molto importante: si scopre che i motori HCCI funzionano senza problemi con fino al 50% di gas residui nelle corrispondenti miscele magre nei cilindri. Da tutto ciò ne consegue che le benzine sono molto più adatte a lavorare in questo tipo di unità e gli sviluppi vanno in questa direzione.

I primi motori vicini alla vera industria automobilistica in cui questi processi sono stati implementati con successo nella pratica sono stati i motori VW da 1,6 litri modificati nel 1992. Con il loro aiuto, i progettisti di Wolfsburg sono stati in grado di aumentare l'efficienza del 34% a carico parziale. Un po 'più tardi, nel 1996, un confronto diretto del motore HCCI con un motore diesel a benzina e iniezione diretta ha mostrato che i motori HCCI hanno mostrato il consumo di carburante e le emissioni di NOx più bassi senza la necessità di costosi sistemi di iniezione. sul carburante.

Cosa sta succedendo oggi

Oggi, nonostante le direttive di ridimensionamento, GM continua a sviluppare motori HCCI e l'azienda ritiene che questo tipo di macchina contribuirà a migliorare il motore a benzina. La stessa opinione è degli ingegneri Mazda, ma ne parleremo nel prossimo numero. Ai Sandia National Laboratories, lavorando a stretto contatto con GM, stanno attualmente perfezionando un nuovo flusso di lavoro, che è una variante dell'HCCI. Gli sviluppatori lo chiamano LTGC per "Combustione di benzina a bassa temperatura". Poiché nei progetti precedenti, le modalità HCCI sono limitate a un intervallo operativo piuttosto ristretto e non hanno molti vantaggi rispetto alle macchine moderne per la riduzione delle dimensioni, gli scienziati hanno deciso comunque di stratificare la miscela. In altre parole, per creare aree più povere e più ricche controllate con precisione, ma in contrasto con più diesel. Gli eventi a cavallo del secolo hanno dimostrato che le temperature di esercizio sono spesso insufficienti per completare le reazioni di ossidazione degli idrocarburi e della CO-CO2. Quando la miscela si arricchisce e si esaurisce, il problema viene eliminato, poiché la sua temperatura aumenta durante il processo di combustione. Tuttavia, rimane sufficientemente basso da non avviare la formazione di ossidi di azoto. All'inizio del secolo, i progettisti credevano ancora che l'HCCI fosse un'alternativa a bassa temperatura a un motore diesel che non generasse ossidi di azoto. Tuttavia, non vengono nemmeno creati nel nuovo processo LTGC. A questo scopo viene utilizzata anche la benzina, come nei prototipi originali GM, in quanto ha una temperatura di vaporizzazione più bassa (e una migliore miscelazione con l'aria) ma una temperatura di autoaccensione più elevata. Secondo i progettisti di laboratorio, la combinazione della modalità LTGC e dell'accensione a scintilla in modalità più sfavorevoli e difficili da controllare, come il pieno carico, si tradurrà in macchine molto più efficienti delle unità di ridimensionamento esistenti. Delphi Automotive sta sviluppando un processo di accensione per compressione simile. Chiamano i loro progetti GDCI, per "Compression Ignition Direct Petrol Injection" (Gasoline Direct Injection e Compression Ignition), che fornisce anche un lavoro snello e ricco per controllare il processo di combustione. In Delphi, questo viene fatto utilizzando iniettori con dinamiche di iniezione complesse, in modo che, nonostante l'esaurimento e l'arricchimento, la miscela nel suo insieme rimanga abbastanza magra da non formare fuliggine ea temperatura abbastanza bassa da non formare ossidi di azoto. I progettisti controllano diverse parti della miscela in modo che brucino in momenti diversi. Questo processo complesso assomiglia al carburante diesel, le emissioni di CO2 sono basse e la formazione di NOx è trascurabile. Delphi ha fornito almeno altri 4 anni di finanziamenti dal governo degli Stati Uniti e l'interesse di produttori come Hyundai nel loro sviluppo significa che non si fermeranno.

Ricordiamo Disotto

Lo sviluppo dei progettisti dei Daimler Engine Research Labs di Untertürkheim si chiama Diesotto e in modalità di avviamento e carico massimo funziona come un classico motore a benzina, sfruttando tutti i vantaggi dell'iniezione diretta e del turbocompressore in cascata. Tuttavia, a velocità medio-basse e carichi all'interno di un ciclo, l'elettronica disattiverà il sistema di accensione e passerà alla modalità di controllo della modalità di autoaccensione. In questo caso le fasi delle valvole di scarico cambiano radicalmente carattere. Si aprono in un tempo molto più breve del solito e con una corsa molto ridotta - quindi solo la metà dei gas di scarico ha il tempo di uscire dalla camera di combustione, e il resto viene volutamente trattenuto nei cilindri, insieme alla maggior parte del calore in essi contenuto . Per ottenere una temperatura ancora più elevata nelle camere, gli ugelli iniettano una piccola porzione di carburante che non si accende, ma reagisce con i gas riscaldati. Durante la successiva fase di aspirazione, una nuova porzione di carburante viene iniettata in ciascun cilindro esattamente nella giusta quantità. La valvola di aspirazione si apre brevemente con una corsa breve e consente a una quantità di aria fresca dosata con precisione di entrare nel cilindro e di miscelarsi con i gas disponibili per produrre una miscela di carburante magra con un'elevata percentuale di gas di scarico. Segue una corsa di compressione in cui la temperatura della miscela continua a salire fino al momento dell'autoaccensione. La tempistica precisa del processo si ottiene controllando con precisione la quantità di carburante, aria fresca e gas di scarico, informazioni costanti dai sensori che misurano la pressione nel cilindro e un sistema che può modificare istantaneamente il rapporto di compressione utilizzando un meccanismo eccentrico. cambiare la posizione dell'albero motore. A proposito, il funzionamento del sistema in questione non è limitato alla modalità HCCI.

La gestione di tutte queste complesse operazioni richiede un'elettronica di controllo che non si basi sul consueto insieme di algoritmi predefiniti presenti nei motori a combustione interna convenzionali, ma consenta modifiche delle prestazioni in tempo reale basate sui dati dei sensori. Il compito è difficile, ma ne vale la pena: 238 CV. Il Diesotto da 1,8 litri garantiva la concept F700 con emissioni di CO2 Classe S pari a 127 g/km e il rispetto delle stringenti direttive Euro 6.

Testo: Georgy Kolev

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