シングルエンジンまたは HCCI エンジンでガソリンエンジンとディーゼルエンジンを試乗する: パート 2

マツダは彼らがシリーズでそれを使用する最初になると言います

ガソリンのようなクリーンガスとディーゼル燃料の効率。この記事は、圧縮中に均一混合と自動点火を備えた理想的なエンジンを設計するときに何が起こるかについてです。デザイナーは単にHCCIと呼びます。

知識の蓄積

このようなプロセスの基礎は、1979 年代に日本人エンジニア大西が「熱雰囲気中での能動燃焼」という技術を開発したときまでさかのぼります。ヤードでは、XNUMX 年は第 XNUMX 次オイルショックの時期であり、環境上の性質による最初の深刻な法的制限がありました。エンジニアの目標は、当時一般的だった XNUMX ストロークモーターサイクルをこれらの要件に適合させることです。軽負荷および部分負荷モードでは、大量の排気ガスがXNUMXストロークユニットのシリンダーに保存されることが知られており、日本のデザイナーのアイデアは、その欠点を利点に変えることです。有用な仕事のために残留ガスと高い燃料温度が混合する燃焼プロセス. .

大西チームのエンジニアは、それ自体がほぼ革新的な技術を実装することに初めて成功し、自然燃焼プロセスを引き起こし、排気ガスの削減に真に成功しました。しかし、エンジン効率の大幅な向上も発見され、開発が発表されてすぐに、同様のプロセスがトヨタ、三菱、ホンダによって実証されました。設計者は、プロトタイプの非常にスムーズでありながら高速の燃焼、燃料消費量と有害な排出ガスの削減に驚きました。 1983 年に、80 ストローク自己点火エンジンの最初の実験室サンプルが登場しました。このエンジンでは、使用される燃料の化学組成と成分の比率が完全にわかっているため、さまざまな動作モードでのプロセス制御が可能です。ただし、これらのプロセスの解析は、このタイプのエンジンでは化学プロセスの動力学によって実行され、混合や乱流などの物理現象は重要ではないという仮定に基づいているため、いくぶん原始的です。チャンバー容積内の燃料と空気の成分の圧力、温度、濃度に基づいたプロセスの最初の解析モデルの基礎が築かれたのは 700 年代でした。設計者は、このタイプのエンジンの動作は、点火と体積エネルギーの放出という XNUMX つの主要な部分に分けられるという結論に達しました。研究結果の分析によると、自己発火は、ガソリンエンジンの有害な爆轟燃焼の原因となる低温の予備化学プロセス (過酸化物の形成とともに XNUMX 度以下で発生) と主エネルギーの放出プロセスと同じプロセスによって開始されることが示されています。高温です。この条件付き温度制限を超えて実行されます。

作業は、温度と圧力の影響下での化学構造とチャージの組成の変化の結果の研究と研究に集中する必要があることは明らかです。これらのモードでは、コールドスタートを制御して最大負荷で動作させることができないため、エンジニアはスパークプラグの使用に頼っています。実際のテストでは、ディーゼル燃料を使用すると効率が低下するという理論も確認されています。これは、圧縮比が比較的低くなければならず、圧縮率が高いと自己着火プロセスが早すぎるためです。圧縮ストローク。同時に、ディーゼル燃料を使用する場合、ディーゼル燃料の可燃性部分の蒸発に問題があり、それらの燃焼前の化学反応が高オクタン価ガソリンの場合よりもはるかに顕著であることが判明しました。そしてもう50つの非常に重要な点は、HCCIエンジンは、シリンダー内の対応する希薄混合気の残留ガスの最大XNUMX％で問題なく動作することがわかりました。以上のことから、ガソリンはこのタイプのユニットでの作業にはるかに適しており、開発はこの方向に向けられています。

これらのプロセスが実際に正常に実装された実際の自動車産業に近い最初のエンジンは、1,6年にVW 1992リッターエンジンに変更されました。彼らの助けにより、ヴォルフスブルクの設計者は部分負荷で効率を34％向上させることができました。その少し後の1996年に、HCCIエンジンをガソリンおよび直接噴射ディーゼルエンジンと直接比較したところ、HCCIエンジンは、高価な噴射システムを必要とせずに、燃料消費量とNOx排出量が最も低いことがわかりました。燃料に。

今日何が起こっているの

今日、ダウンサイジング指令にもかかわらず、GMはHCCIエンジンの開発を続けており、同社はこのタイプのマシンがガソリンエンジンの改善に役立つと信じています。マツダのエンジニアも同じ意見を持っていますが、次号でお話します。サンディア国立研究所は、GMと緊密に協力して、現在、HCCIの変形である新しいワークフローを改良しています。開発者はそれを「低温ガソリン燃焼」のLTGCと呼んでいます。以前の設計では、HCCIモードはかなり狭い動作範囲に制限されており、サイズを縮小するために最新のマシンに比べてあまり利点がないため、科学者はとにかく混合物を層別化することにしました。言い換えれば、より多くのディーゼルとは対照的に、正確に制御された貧しい地域と豊かな地域を作成することです。世紀の変わり目の出来事は、炭化水素とCO-CO2の酸化反応を完了するには作動温度がしばしば不十分であることを示しています。混合気が濃縮および枯渇すると、燃焼プロセス中にその温度が上昇するため、問題は解消されます。しかし、それは窒素酸化物の形成を開始しないほど十分に低いままです。世紀の変わり目に、設計者は、HCCIが窒素酸化物を生成しないディーゼルエンジンの低温代替品であると依然として信じていました。ただし、新しいLTGCプロセスでも作成されません。ガソリンは、元のGMプロトタイプと同様に、気化温度が低く（空気との混合が良好）、自己発火温度が高いため、この目的にも使用されます。実験室の設計者によると、LTGCモードと火花点火を、全負荷などのより不利で制御が難しいモードで組み合わせると、既存のダウンサイジングユニットよりもはるかに効率的な機械になります。 Delphi Automotiveは、同様の圧縮点火プロセスを開発しています。彼らは自分たちの設計をGDCIと呼び、「圧縮点火直接ガソリン噴射」（ガソリン直接噴射と圧縮点火）を意味します。これは、燃焼プロセスを制御するための無駄のない豊富な作業も提供します。 Delphiでは、これは複雑な噴射ダイナミクスを備えたインジェクターを使用して行われるため、枯渇と濃縮にもかかわらず、混合気は全体として煤を形成しないほど希薄であり、窒素酸化物を形成しないほど十分に低い温度のままです。設計者は、混合物のさまざまな部分を制御して、さまざまな時間に燃焼するようにします。この複雑なプロセスはディーゼル燃料に似ており、CO2排出量は少なく、窒素酸化物の形成はごくわずかです。デルファイは、米国政府から少なくとも4年間の資金提供を行っており、ヒュンダイなどのメーカーの開発への関心は、彼らが止まらないことを意味します。

Disottoを覚えましょう

ウンターテュルクハイムにあるダイムラーエンジンリサーチラボの設計者が開発したものはディゾットと呼ばれ、始動時と最大負荷モードでは、直噴とカスケードターボチャージャーのすべての利点を利用して、従来のガソリンエンジンのように動作します。ただし、XNUMX サイクル内の低速から中速および負荷では、電子機器は点火システムをオフにし、自己点火モード制御モードに切り替えます。この場合、排気バルブの位相はその特性を根本的に変化させます。それらは通常よりもはるかに短い時間で開き、ストロークが大幅に短縮されます。そのため、排気ガスの半分だけが燃焼室を出る時間があり、残りはシリンダーに含まれる熱の大部分とともに意図的にシリンダーに保持されます。 . チャンバー内でさらに高い温度を達成するために、ノズルは点火しないが加熱されたガスと反応する少量の燃料を噴射します。その後の吸気行程では、燃料の新しい部分が正確に適切な量で各シリンダーに噴射されます。吸気バルブは短いストロークで短時間開き、正確に計量された量の新鮮な空気がシリンダーに入り、利用可能なガスと混合して、排気ガスの割合が高い希薄な燃料混合物を生成します。これに続いて圧縮行程が行われ、自己着火の瞬間まで混合気の温度が上昇し続けます。プロセスの正確なタイミングは、燃料、新鮮な空気、排気ガスの量、シリンダー内の圧力を測定するセンサーからの一定の情報、および偏心機構を使用して瞬時に圧縮比を変更できるシステムを正確に制御することによって実現されます。クランクシャフトの位置変更。ところで、問題のシステムの動作はHCCIモードに限定されません。

これらの複雑な操作をすべて管理するには、従来の内燃エンジンに見られる通常の一連の事前定義されたアルゴリズムに依存せず、センサーデータに基づいてリアルタイムでパフォーマンスを変更できる制御エレクトロニクスが必要です。この作業は困難ですが、結果はそれだけの価値があります - 238 hp。 1,8 リッターの Diesotto は、コンセプト F700 の S クラス CO2 排出量 127 g/km を保証し、厳格な Euro 6 指令に準拠しています。

テキスト：Georgy Kolev

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