HCCI Homogen laddningskompressionständning

I en strävan efter att ständigt förbättra bränsleeffektiviteten och utsläppsminskningen har en gammal och mycket lovande idé fått nytt liv. HCCI-teknik (homogen laddkomprimeringständning) 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 när avancerad datorstyrd elektronik utvecklades och mognades till pålitlig teknik, stannade framstegen. 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 och teknikdelar och kunskap på plats för att få ett riktigt grepp om det.

Vad är HCCI?

En HCCI-motor är en blandning av både konventionell gnisttändningsteknik och dieselkomprimeringsteknologi. 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) är homogent (noggrant och fullständigt) blandat med luft i förbränningskammaren (mycket lik en vanlig gnistantändad bensinmotor), men med en mycket hög andel av luft till bränsle (mager blandning). När motorns kolv når sin högsta punkt (topp dödcentrum) på kompressionsslaget antänds luft / bränsleblandningen automatiskt (spontant och helt förbränns utan tändstiftassistent) från kompressionsvärme, precis som en dieselmotor. Resultatet är det bästa från båda världarna: låg bränsleförbrukning och låga utsläpp.

Hur fungerar HCCI?

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 få bränsle / luftblandningen att spontant förbränna (ingen gnista är nödvändig) och tvinga kolven ner för kraftslaget. Till skillnad från konventionella gnistmotorer (och till och med dieslar) är förbränningsprocessen en smal, låg temperatur och flamlös frigörelse av energi 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 avgasslaget, men innan alla avgaserna kan evakueras stängs avgasventilerna tidigt och fångar en del av den latenta förbränningsvärmen. Denna värme bevaras och en liten mängd bränsle sprutas in i förbränningskammaren för en förladdning (för att hjälpa till att kontrollera förbränningstemperaturer och utsläpp) innan nästa intagslag börjar.

Utmaningar för HCCI

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 HCCIs flamlösa förbränning. Förbränningskammartemperatur och blandningskomposition måste kontrolleras tätt inom snabbt föränderliga och mycket smala trösklar som inkluderar parametrar såsom cylindertryck, motorbelastning och varvtal och gasposition, yttertemperaturer i omgivningstemperaturen och atmosfärtryckförändringar. 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 mil och år av slitage. Kanske lika utmanande kommer dock att vara problemet med att hålla dessa avancerade styrsystem överkomliga.

Fördelar med HCCI

• 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.
• Trottfritt induktionssystem eliminerar friktionspumpförluster som uppstår i traditionella (gasspjäll) gnistmotorer.

Nackdelar med HCCI

• 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 bensinmotorn för gnisttändning. 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 en fungerande verklighet, och ytterligare förbättringar kommer att behövas för att pressa den över kanten i vardagliga produktionsfordon.