Teste os motores a gasolina e diesel em motores individuais ou motores HCCI: Parte 2
Mazda afirma que será a primeira a usá-lo na série
Com gases limpos como a gasolina e a eficiência do óleo diesel. Este artigo é sobre o que acontece ao projetar um motor ideal com mistura homogênea e autoignição durante a compressão. Os designers simplesmente o chamam de HCCI.
Acúmulo de conhecimento
Os fundamentos de tais processos remontam aos anos setenta, quando o engenheiro japonês Onishi desenvolveu sua tecnologia "Combustão ativa na termo-atmosfera". No estaleiro, 1979 é o período da segunda crise do petróleo e das primeiras restrições legais graves de natureza ambiental, e o objetivo do engenheiro é adequar as motocicletas dois tempos comuns à época a essas exigências. Sabe-se que no modo de carga leve e parcial, uma grande quantidade de gases de escape é armazenada nos cilindros das unidades de dois tempos, e a ideia do projetista japonês é transformar suas desvantagens em vantagens, criando um processo de combustão no qual os gases residuais e a alta temperatura do combustível se misturam para um trabalho útil.
Pela primeira vez, os engenheiros da equipa Onishi conseguiram implementar uma tecnologia quase revolucionária por si só, desencadeando um processo de combustão espontânea que reduziu verdadeiramente com sucesso as emissões de escape. No entanto, também encontraram melhorias significativas na eficiência do motor e, logo após o desenvolvimento ter sido revelado, processos semelhantes foram demonstrados pela Toyota, Mitsubishi e Honda. Os projetistas ficaram impressionados com a combustão extremamente suave e ao mesmo tempo de alta velocidade nos protótipos, redução do consumo de combustível e emissões nocivas. Em 1983, surgiram as primeiras amostras de laboratório de motores de autoignição quatro tempos, nos quais o controle do processo nos diversos modos de operação é possível pelo fato de a composição química e a proporção dos componentes do combustível utilizado serem absolutamente conhecidas. Porém, a análise desses processos é um tanto primitiva, pois se baseia no pressuposto de que neste tipo de motor eles são realizados devido à cinética dos processos químicos, e fenômenos físicos como mistura e turbulência são insignificantes. Foi na década de 80 que foram lançadas as bases para os primeiros modelos analíticos de processos baseados em pressão, temperatura e concentração de componentes combustível e ar no volume da câmara. Os projetistas chegaram à conclusão de que o funcionamento desse tipo de motor pode ser dividido em duas partes principais - ignição e liberação volumétrica de energia. A análise dos resultados da pesquisa mostra que a autoignição é iniciada pelos mesmos processos químicos preliminares de baixa temperatura (ocorrendo abaixo de 700 graus com a formação de peróxidos) que são responsáveis pela combustão de detonação prejudicial em motores a gasolina, e pelos processos de liberação da principal energia são de alta temperatura. e são realizados acima deste limite de temperatura condicional.
É claro que o trabalho deve ser focado no estudo e estudo dos resultados das mudanças na estrutura química e na composição da carga sob a influência da temperatura e da pressão. Devido à incapacidade de controlar a partida a frio e trabalhar com cargas máximas nesses modos, os engenheiros recorrem ao uso de uma vela de ignição. O teste prático também confirma a teoria de que a eficiência é menor quando operando com óleo diesel, pois a taxa de compressão deve ser relativamente baixa, e em compressão maior o processo de autoignição ocorre muito cedo. curso de compressão. Ao mesmo tempo, verifica-se que, ao usar óleo diesel, há problemas com a evaporação de frações inflamáveis \u50b\uXNUMXbdo óleo diesel e que suas reações químicas pré-chama são muito mais pronunciadas do que com gasolinas de alta octanagem. E mais um ponto muito importante - verifica-se que os motores HCCI funcionam sem problemas com até XNUMX% de gases residuais nas misturas pobres correspondentes nos cilindros. De tudo isto conclui-se que as gasolinas são muito mais adequadas para trabalhar neste tipo de unidades e os desenvolvimentos vão neste sentido.
Os primeiros motores próximos à indústria automobilística real, nos quais esses processos foram implementados com sucesso na prática, foram modificados os motores VW 1,6 em 1992. Com a ajuda deles, os projetistas de Wolfsburg conseguiram aumentar a eficiência em 34% com carga parcial. Um pouco mais tarde, em 1996, uma comparação direta do motor HCCI com um motor a gasolina e diesel com injeção direta mostrou que os motores HCCI apresentavam o menor consumo de combustível e emissões de NOx sem a necessidade de sistemas de injeção caros. no combustível.
O que está acontecendo hoje
Hoje, apesar das diretrizes de downsizing, a GM continua a desenvolver motores HCCI, e a empresa acredita que esse tipo de máquina ajudará a melhorar o motor a gasolina. A mesma opinião é mantida pelos engenheiros da Mazda, mas falaremos sobre eles na próxima edição. No Sandia National Laboratories, trabalhando em estreita colaboração com a GM, eles estão atualmente refinando um novo fluxo de trabalho que é uma variante do HCCI. Os desenvolvedores o chamam de LTGC para "Combustão de gasolina em baixa temperatura". Como em projetos anteriores, os modos HCCI são limitados a uma faixa de operação bastante estreita e não têm muita vantagem sobre as máquinas modernas para redução de tamanho, os cientistas decidiram estratificar a mistura de qualquer maneira. Em outras palavras, para criar áreas mais pobres e ricas controladas com precisão, mas em contraste com mais diesel. Os eventos da virada do século mostraram que as temperaturas operacionais são freqüentemente insuficientes para completar as reações de oxidação de hidrocarbonetos e CO-CO2. Quando a mistura é enriquecida e esgotada, o problema é eliminado, pois sua temperatura sobe durante o processo de combustão. No entanto, permanece baixo o suficiente para não iniciar a formação de óxidos de nitrogênio. Na virada do século, os designers ainda acreditavam que o HCCI era uma alternativa de baixa temperatura para um motor a diesel que não gerava óxidos de nitrogênio. No entanto, eles também não são criados no novo processo LTGC. A gasolina também é utilizada para esse fim, como nos protótipos originais da GM, por apresentar menor temperatura de vaporização (e melhor mistura com o ar), mas maior temperatura de autoignição. De acordo com projetistas de laboratório, a combinação do modo LTGC e ignição por centelha em modos mais desfavoráveis e difíceis de controlar, como carga total, levará à criação de máquinas que são muito mais eficientes do que as unidades de redução existentes. A Delphi Automotive está desenvolvendo um processo de ignição por compressão semelhante. Eles chamam seus projetos de GDCI para "injeção direta de gasolina por ignição por compressão" (injeção direta de gasolina e ignição por compressão), que também fornece trabalho enxuto e rico para controlar o processo de combustão. Em Delphi, isso é feito com injetores com dinâmica de injeção complexa, de forma que, apesar do esgotamento e do enriquecimento, a mistura como um todo permanece enxuta o suficiente para não formar fuligem e temperatura baixa o suficiente para não formar NOx. Os designers controlam diferentes partes da mistura para que queimem em momentos diferentes. Este processo complexo se assemelha ao combustível diesel, as emissões de CO2 são baixas e a formação de óxidos de nitrogênio é insignificante. A Delphi forneceu pelo menos mais 4 anos de financiamento do governo dos EUA, e o interesse de fabricantes como a Hyundai em seu desenvolvimento significa que eles não vão parar.
Vamos lembrar Disotto
O desenvolvimento dos projetistas dos Laboratórios de Pesquisa de Motores da Daimler em Untertürkheim é chamado de Diesotto e, no modo de partida e carga máxima, funciona como um motor a gasolina clássico, usando todas as vantagens da injeção direta e da turboalimentação em cascata. No entanto, em velocidades e cargas baixas a médias em um ciclo, o sistema eletrônico desligará o sistema de ignição e mudará para o modo de controle do modo de auto-ignição. Nesse caso, as fases das válvulas de escape mudam radicalmente de caráter. Eles abrem em um tempo muito menor do que o normal e com um curso muito reduzido - assim, apenas metade dos gases de escape tem tempo de sair da câmara de combustão, e o restante é deliberadamente mantido nos cilindros, junto com a maior parte do calor contido neles . Para atingir uma temperatura ainda maior nas câmaras, os bicos injetam uma pequena porção de combustível que não se inflama, mas reage com os gases aquecidos. Durante o curso de admissão subsequente, uma nova porção de combustível é injetada em cada cilindro na quantidade exata. A válvula de admissão abre brevemente com um curso curto e permite que uma quantidade precisamente medida de ar fresco entre no cilindro e se misture com os gases disponíveis para produzir uma mistura de combustível pobre com uma alta proporção de gases de escape. Isto é seguido por um curso de compressão no qual a temperatura da mistura continua a subir até o momento da auto-ignição. O tempo preciso do processo é obtido pelo controle preciso da quantidade de combustível, ar fresco e gases de escape, informações constantes de sensores que medem a pressão no cilindro e um sistema que pode alterar instantaneamente a taxa de compressão usando um mecanismo excêntrico. alterando a posição do virabrequim. A propósito, a operação do sistema em questão não se limita ao modo HCCI.
O gerenciamento de todas essas operações complexas requer um controle eletrônico que não depende do conjunto usual de algoritmos predefinidos encontrados em motores de combustão interna convencionais, mas permite alterações de desempenho em tempo real com base nos dados do sensor. A tarefa é difícil, mas o resultado vale a pena - 238 cv. O Diesotto de 1,8 litro garantiu o conceito F700 com emissões de CO2 da Classe S de 127 g/km e conformidade com as rigorosas diretivas Euro 6.
Texto: Georgy Kolev
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