HCCI và TJI: tương lai của động cơ đốt trong?

Yêu cầu giảm phát thải đối với động cơ đốt trong đang trở nên nghiêm ngặt hơn mỗi năm. Những khó khăn trong việc điều chỉnh các động cơ quen thuộc theo các tiêu chuẩn mới đã khiến các nhà sản xuất ô tô bắt đầu tìm kiếm các giải pháp thay thế. Đặc biệt, họ nhắc lại mức độ hiệu quả cao của HCCI, cả về tiết kiệm nhiên liệu và khí thải. Các kỹ sư thường mô tả HCCI là loại động cơ đốt trong có hiệu suất nhiệt cao nhất. Rốt cuộc, đối với quá trình đốt cháy, những động cơ như vậy dựa vào tỷ số nén tăng lên, tương tự như tỷ số nén được sử dụng trong động cơ diesel.


Trong trường hợp này, thay vì nhiên liệu diesel, hỗn hợp không có không khí được sử dụng. Một lợi ích bổ sung của HCCI là không có điểm chớp cháy trong buồng đốt như kim phun hoặc bugi. Rốt cuộc, chúng tạo ra một nguồn nhiệt độ cực cao, có khả năng đạt tới 2200 độ. Thay vào đó, HCCI đốt cháy toàn bộ thể tích của hỗn hợp không khí-nhiên liệu cùng một lúc, chỉ sử dụng lực nén để đạt đến điểm tự bốc cháy. Loại bỏ nguồn "nóng" cục bộ khỏi buồng đốt giúp giảm nhiệt độ bên trong xi lanh, do đó loại bỏ gần như hoàn toàn sự hình thành NOx.

vấn đề

Rắc rối chính cản trở động cơ HCCI nối tiếp là phạm vi tự đánh lửa cực kỳ hẹp. Sử dụng phun đồng nhất mà không cần kim phun nhiên liệu hoặc bugi để kiểm soát thời điểm bắt đầu đánh lửa, các nhà thiết kế buộc phải đạt được khả năng kiểm soát nhiệt độ xi lanh cực kỳ chính xác.


Cần phải giữ nó trong một phạm vi nhất định: nóng - nổ mạnh sẽ xảy ra; lạnh lùng - những vụ cháy nổ sẽ bắt đầu. Có tính đến các phương thức di chuyển khác nhau của xã hội hiện đại xe hơi, nhiệm vụ có vẻ không thể vượt qua được. 

cuộc đua

Cách đây vài năm, những người hâm mộ Công thức 1 đã rất phấn khích trước tin đồn rằng HCCI đã được đưa vào động cơ Công thức 1 để cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu. Đúng vậy, các chuyên gia nhớ lại rằng Honda đã sử dụng thứ tương tự từ rất lâu trước khi xảy ra các sự kiện được mô tả, trong loại động cơ hai thì đặc biệt. xe máy với sự đánh lửa không có tia lửa. Nguyên lý hoạt động như sau: trong quá trình xả, van chặn một phần dòng chảy của các sản phẩm đốt, do đó trong xi lanh vẫn còn đủ lượng khí thải nóng để tự bốc cháy một lượng điện tích mới. Và vì quá trình đánh lửa xảy ra đồng thời “ở khắp mọi nơi” nên quá trình đốt cháy diễn ra nhanh như chớp và hiệu quả. Nhưng ở chế độ này, động cơ chỉ hoạt động khi bướm ga mở một nửa: ở tốc độ thấp và cao cần có tia lửa điện để đánh lửa. 


Theo kinh nghiệm, có thể phát hiện ra rằng việc xác định địa điểm và thời gian xảy ra áp suất cực đại dẫn đến tự bốc cháy là vô cùng khó khăn. Và ngay cả ở tốc độ và vị trí bướm ga không đổi. Nhân tiện, có một số khái niệm về đánh lửa ở nhiệt độ thấp (LTCT) của các tổ hợp nhiên liệu từ quá trình nén:

✅ PPLTC - có trộn từng phần
✅ HCCI - với phí thống nhất 
✅ PCCI - trộn sẵn
✅ RCCI - với phản ứng có kiểm soát 

Vì vậy, dựa trên kinh nghiệm thực tế của Honda, có những nghi ngờ hợp lý nảy sinh rằng với sự trợ giúp của HCCI trong Công thức 1, họ sẽ có thể đốt cháy nhiên liệu hiệu quả hơn so với cách đánh lửa truyền thống. Có thể tin đồn về HCCI “tinh khiết” là không đúng sự thật. 

Mahle: Nhân vật Bắc Âu

Vì vậy, trong Công thức 1 đã sớm có cuộc nói chuyện về "đánh lửa phản lực hỗn loạn", một ví dụ về điều này có thể được xem trên trang web Mahle. Trong buồng đốt trước được nối bằng một số lỗ với CS chính, cả vòi phun và bugi đều được đặt: 97-98% xăng được cung cấp cho hoạt động của động cơ và chỉ 2-3% đi vào buồng đốt trước. Sự khác biệt là ở phần đầu tiên, các tổ hợp nhiên liệu được làm gọn gàng (vì lợi ích của nền kinh tế) và ở phần thứ hai, nó là hỗn hợp nhiên liệu và không khí được làm giàu dễ cháy.


Hãy chuyển hướng từ môn đua xe thể thao và tìm hiểu: tại sao bạn cần phức tạp hóa động cơ, có thực sự không thể sử dụng cụm nhiên liệu nạc "chỉ như vậy"? Ở đây cần phải tính đến thực tế là hỗn hợp như vậy rất khó bắt lửa và cháy không tốt. Các công nghệ "ngoài hành tinh", chẳng hạn như bộ đánh lửa plasma hoặc laze, không hề rẻ và sự gia tăng năng lượng sơ khai trên bugi dẫn đến việc các tiếp điểm bị ăn mòn nhanh không thể chấp nhận được và cần phải thay thế thường xuyên.  

Tuy nhiên, có một cách xung quanh những hạn chế này. Quay trở lại những năm 3 của thế kỷ trước, G. Riccardo đã giới thiệu một động cơ có buồng trước và một van bổ sung giúp phân tách hỗn hợp thành nạc và giàu. Một thập kỷ sau, các nhà khoa học từ "phòng thí nghiệm nhiên liệu động cơ" của Viện Vật lý Hóa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô đưa ra ý tưởng rằng để chống kích nổ, cần phải sử dụng "đèn khò" thay vì nến. Việc triển khai thực tế được thực hiện bởi một người gốc Astrakhan, Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật tương lai Gussak. Ngay sau chiến tranh, Lev Abramovich đã phát hiện ra rằng các sản phẩm của quá trình đốt cháy không hoàn toàn trong một thời gian ngắn sẽ gây ra các phản ứng hóa học nhanh. Điều này làm tăng khả năng đánh lửa và đốt cháy hỗn hợp làm việc sau đó lên 4-XNUMX lần.


Ví dụ, công nghệ này đã được sử dụng trên GAZ-51F thử nghiệm và GAZ-3102 nối tiếp của chúng tôi, cũng như trên Honda Civic CVCC của Nhật Bản. Nhưng với sự phổ biến của việc phun nhiên liệu, việc đánh lửa bằng mỏ hàn trước đã bị lãng quên. Sau đó, nó dường như là mãi mãi. 

Formula-1

Tuy nhiên, chủ đề đã nhận được một sự tiếp nối bất ngờ dưới hình thức đánh lửa phản lực hỗn loạn (TJI), do Mahle đề xuất cho đội Ferrari. Bản chất của giải pháp này là một số lỗ xuyên tâm giữa khoang trước và CS chính làm cho khí nóng giãn nở tạo thành các tia chuyển động nhanh mang tia lửa đánh lửa đến thành xi lanh, điều này hoàn toàn khác biệt với các động cơ truyền thống. Thật vậy, khi đánh lửa bằng tia lửa điện, ngọn lửa phía trước mở rộng từ ngọn nến nằm ở trung tâm. Nhưng nếu bạn tăng quá mức tỷ số nén hoặc tăng áp suất, các cụm nhiên liệu ở thành xi-lanh sẽ tự bốc cháy ở dạng bất thường được gọi là hiện tượng kích nổ. Mà gây ra thiệt hại động cơ. 

Nhưng với kim phun TJI "plasma" hướng tâm, theo Mahle, quá trình đánh lửa diễn ra ngược lại: từ thành xi lanh vào trong. Kiểu đốt cháy này cho phép sử dụng tỷ số nén cao hơn, dẫn đến tăng thêm cả mô-men xoắn và tiết kiệm nhiên liệu. 


Và ở đây, độc giả quan tâm đến công nghệ sẽ nhận thấy rằng trong các động cơ có buồng trước, buồng chính và buồng phụ được cấp nguồn riêng. Và rằng ở Công thức 1, theo quy chuẩn kỹ thuật hiện hành, mỗi xi-lanh chỉ được phép có một kim phun. Đồng thời, nó phải nằm trong buồng đốt và hoạt động ở áp suất lên tới 500 bar. Dựa trên những điều trên, một câu hỏi hợp lý được đặt ra: làm thế nào một vòi duy nhất có thể tạo ra hỗn hợp nạc và quá giàu cùng một lúc?

Tham quan lịch sử

Một câu trả lời có thể đến từ một nghiên cứu của nhà tiên phong chế tạo động cơ Harry Ricardo, được thực hiện ngay sau Thế chiến II. Trong động cơ E65 thử nghiệm, Ricardo đã sử dụng một kim phun nằm trong buồng đốt trước với mục đích cụ thể là cung cấp hỗn hợp chính loãng và hỗn hợp giàu gần bugi. Khi vòi mở hoàn toàn, kiểu phun là một hình nón khá hẹp hướng tới CS chính, nhưng khi đóng lại, hình dạng này trở thành hướng tâm và chỉ cung cấp cho buồng trước. Có lẽ trong Công thức 1, họ sử dụng một phương pháp tương tự.


Về sản xuất hàng loạt, những công nghệ như vậy phần lớn vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu. Ngoại trừ một ngoại lệ: Mazda SkyActive, thế hệ thứ 2. Nhưng xét theo các xu hướng gần đây, chúng ta khó có thể thấy những con đường tràn ngập các sản phẩm được xây dựng theo nguyên tắc tương tự. Rốt cuộc, các nhà lập pháp của Liên minh Châu Âu và Hoa Kỳ đang tích cực chuyển cả thế giới sang ô tô điện.