Hur fungerar homogen laddkomprimering

I en strävan efter ständigt förbättrad bränsleeffektivitet och minskning av utsläpp har en gammal och mycket lovande idé fått nytt liv. HCCI (homogen avgift Tändning av kompression) Tekniken har funnits länge men har nyligen fått förnyad uppmärksamhet och entusiasm. Medan de första åren såg många oöverstigliga (vid den tiden) hinder vars svar bara skulle komma sofistikerad datorstyrd elektronik utvecklades och mognades till pålitlig teknik, framsteg avstannat. Tiden har som alltid gjort sin magi och nästan alla problem har lösts. HCCI är en idé vars tid har kommit med nästan alla delar av teknik och kunskap på plats för att få ett riktigt grepp om det.

En HCCI-motor är en blandning av båda konventionella gnisttändning och diesel kompressionständning teknologi. Blandningen av dessa två konstruktioner erbjuder dieselliknande hög effektivitet utan svåra - och dyra - att hantera NOx och partiklar. I sin mest grundläggande form betyder det helt enkelt att bränsle (bensin eller E85) blandas homogent (noggrant och fullständigt) med luft i förbränningskammare (mycket lik en vanlig tändständig bensinmotor), men med en mycket hög andel luft till bränsle (magert blandning). När motorens kolv når sin högsta punkt (topp dödcentrum) på kompressionsslaget, blandas luft / bränsle antänds automatiskt (spontant och helt förbränns utan tändstiftsstöd) från kompressionsvärme, ungefär som en diesel motor. Resultatet är det bästa från båda världarna: låg bränsleförbrukning och låga utsläpp.

I en HCCI-motor (som är baserad på fyrtaktscykeln Otto) är styrning av bränsletillförsel av största vikt vid kontroll av förbränningsprocessen. Vid insugningsslag injiceras bränsle i varje cylinders förbränningskammare via bränsleinsprutare monterade direkt i cylinderhuvudet. Detta uppnås oberoende av luftinduktion som sker genom insugningsplenumet. I slutet av insugningsslaget har bränsle och luft införts och blandats i cylinderns förbränningskammare.

När kolven börjar röra sig upp igen under kompressionsslaget börjar värmen byggas upp i förbränningskammaren. När kolven når slutet av detta slag, har tillräckligt med värme samlats för att orsaka bränsle / luft blandning för att spontant förbränna (ingen gnista är nödvändig) och tvinga kolven ner för kraften stroke. Till skillnad från konventionella gnistmotorer (och till och med dieslar) är förbränningsprocessen en mager, låg temperatur och flamlös energiutsläpp över hela förbränningskammaren. Hela bränsleblandningen bränns samtidigt och producerar motsvarande effekt, men använder mycket mindre bränsle och släpper mycket färre utsläpp i processen.

I slutet av strömslaget vänder kolven igen riktningen och initierar avgasslag, men innan alla avgaserna kan evakueras, avgasventilerna stängs tidigt och fångar en del av den latenta förbränningen värme. Denna värme bevaras och en liten mängd bränsle sprutas in i förbränningskammaren för a förladdning (för att kontrollera förbränningstemperaturer och utsläpp) före nästa intagslag börjar.

Ett pågående utvecklingsproblem med HCCI-motorer är att kontrollera förbränningsprocessen. I traditionella gnistmotorer justeras förbränningstimingen enkelt genom att motorhanteringsstyrmodulen ändrar gnisthändelsen och kanske bränsletillförsel. Det är inte så lätt med HCCI: s flamlösa förbränning. Förbränningskammartemperatur och blandningskomposition måste kontrolleras tätt inom snabbt föränderliga och mycket smala trösklar som inkluderar parametrar som cylindertryck, motorbelastning och varvtal och gasposition, omgivningens lufttemperaturekstrar och atmosfärstryck ändringar. De flesta av dessa förhållanden kompenseras med sensorer och automatiska justeringar för annars normalt fixerade åtgärder. Inkluderade är individuella cylindertrycksensorer, variabel hydraulisk ventillyft och elektromekaniska fasare för kamaxelstimning. Tricket är inte så mycket som att få dessa system att fungera eftersom det får dem att arbeta tillsammans, mycket snabbt och över många tusentals miles och år av slitage. Kanske lika utmanande kommer dock att vara problemet med att hålla dessa avancerade styrsystem överkomliga.

• Lean förbränning ger 15 procent ökad bränsleeffektivitet jämfört med en konventionell gnisttändningsmotor.
• Renare förbränning och lägre utsläpp (särskilt NOx) än en konventionell gnisttändningsmotor.
• Kompatibel med bensin och E85 (etanol).
• Bränsle förbränns snabbare och vid lägre temperaturer, vilket minskar värmeenergiförlust jämfört med en konventionell gnistmotor.
• Trottlöst induktionssystem eliminerar friktionspumpförluster som uppstår i traditionella (gasspjäll) gnistmotorer.

• Höga cylindertryck kräver starkare (och dyrare) motorkonstruktion.
• Mer begränsat effektområde än en konventionell gnistmotor.
• De många faser av förbränningsegenskaper är svåra (och dyrare) att kontrollera.

Det är tydligt att HCCI-tekniken erbjuder överlägsen bränsleeffektivitet och utsläppskontroll jämfört med den konventionella beprövade gnistan tändning bensinmotor. Det som ännu inte är säkert är dessa motorers förmåga att leverera dessa egenskaper billigt, och, förmodligen ännu viktigare, pålitligt under fordonets livslängd. Fortsatta framsteg inom elektroniska kontroller har lett HCCI till att fungera verkligheten, och ytterligare förfiningar kommer att vara nödvändiga för att pressa den över kanten till vardagsproduktion fordon.