Корпорация GM разработала новую технологию процесса сгорания топлива HCCI
«Я помню споры об осуществимости данной технологии процесса сгорания еще со времен обучения в колледже», - вспоминает Том Стефенс (Tom Stephens), вице-президент, возглавляющий группу корпорации GM по повышению качества силовых агрегатов. «Тогда это казалось несбыточной мечтой. Но сегодня, используя математические методы прогностического анализа и другие средства разработки, мы, наконец, поняли, как превратить нашу мечту в реальность. Применяя технологию HCCI совместно с другими современными технологиями для бензиновых двигателей, а также совершенствуя управление рабочими процессами, мы добились внушительной экономии топлива, что представляет большую ценность в глазах наших покупателей.
Объединенные в одном концептуальном двигателе, технология HCCI и другие современные технологии повышают эффективный КПД бензиновых двигателей почти до уровня дизельных двигателей, но без необходимости в использовании дорогостоящих систем, снижающих содержание оксидов азота (NOx) в отработавших газах. Эффективность новой технологии обусловлена низкотемпературным сгоранием топлива, что приводит к снижению тепловых потерь. При этом уменьшаются также выбросы в атмосферу двуокиси углерода.
Технология HCCI реализована на двух концепт-карах, созданных на базе серийных автомобилей (Saturn Aura и Opel Vectra) и оснащенных модифицированными четырехцилиндровыми двигателями Ecotec с рабочим объемом 2,2 литра. По ездовым характеристикам эти концепт-кары не уступают обычным автомобилям, но расходуют на 15 % меньше топлива по сравнению с автомобилями, оснащенными сопоставимыми традиционными двигателями. (Фактическая экономия топлива зависит от области применения автомобиля, а также от стиля вождения конкретного водителя.) Создание пригодных для движения концепт-каров является одним из первых доказательств возможности использования технологии HCCI вне лабораторных условий.
«Я удовлетворен прогрессом, который достигнут нашими инженерами», - поясняет Стефенс. «Это можно расценивать, как очередную инициативу корпорации GM в рамках стратегии уменьшения нашей зависимости от конъюнктуры нефтяного рынка.
Технология HCCI, система непосредственного впрыска топлива, регулирование фаз газораспределения и степени подъема клапанов, а также система Active Fuel Management (активное управление топливоподачей) - все эти технологии повышают топливную экономичность и улучшают силовые характеристики наших двигателей внутреннего сгорания. Я уверен, что в будущем технология HCCI займет одно из ведущих мест среди предлагаемых нами топливосберегающих технологий».
Отметим основные положительные особенности технологии HCCI:
· Коэффициент полезного действия бензиновых двигателей - на уровне дизелей при меньшей стоимости очистки отработавших газов
· Возможность использования апробированных технологий, таких как система непосредственного впрыска бензина и механизм регулирования фаз газораспределения
· Простота адаптации обычных бензиновых двигателей к системе HCCI
· Требуются только традиционные для бензиновых двигателей системы последующей обработки отработавших газов
· Совместимость системы HCCI со всеми имеющимися в продаже сортами бензина, а также с топливом Е85 на базе этанола.
Принцип действия системы HCCI
Технология HCCI предусматривает воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре путем ее сжатия. В отличие от искрового зажигания, а также от процесса сгорания в дизельном двигателе, технология HCCI позволяет реализовать высвобождение энергии топлива при низкотемпературном сгорании смеси сразу во всем объеме камеры сгорания - без факела пламени. Все топливо, находящееся в цилиндре, сгорает одновременно. Данный процесс позволяет получить такую же мощность, как у обычного бензинового двигателя, но при меньшем расходе топлива.
Для рабочего процесса системы HCCI необходима относительно высокая температура двигателя. Поэтому в период прогрева холодного двигателя используется обычное искровое зажигание. В этот период двигатель быстро нагревается до температуры, обеспечивающей как функционирование системы HCCI, так и работу каталитического нейтрализатора. В режиме HCCI используется обедненная смесь (топливовоздушная смесь с повышенным процентным содержанием воздуха). При работе на обедненной смеси коэффициент полезного действия бензинового двигателя близок к КПД дизеля, при этом, в отличие от дизеля, для очистки отработавших газов требуются только традиционно применяемые устройства. Напомним, что дизели требуют использования сложных и дорогостоящих систем снижения токсичности отработавших газов.
Система HCCI интегрируется с другими высокотехнологичными системами. Некоторые из них уже производятся и могут быть адаптированы к существующим бензиновым двигателям. Степень сжатия двигателя, использующего технологию HCCI, - такая же, как у обычных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Система HCCI совместима со всеми имеющимися в продаже сортами бензина, а также с топливом Е85 на базе этанола.
Концепт-кары
Корпорация GM демонстрирует технологию HCCI на пригодных для движения по дорогам концепт-карах Saturn Aura и Opel Vectra (оба - на базе автомобилей серийного производства). Модель Aura оснащена автоматической трансмиссией, а на модели Vectra, которая нацелена на европейский рынок, установлена механическая коробка передач. Оба автомобиля оснащены 2,2-литровым двигателем Ecotec мощностью 180 л.с., развивающим крутящий момент 230 Н·м.
Особенности данного двигателя: система центрального непосредственного впрыска топлива, система регулирования степени подъема впускных и выпускных клапанов, электросистема регулирования фаз газораспределения (на двух распределительных валах), а также индивидуальные датчики давления в цилиндрах, которые контролируют процесс сгорания и позволяют выполнить плавный переход между различными режимами сгорания топлива.
Процессом сгорания по технологии HCCI управляет изощренный компьютер, который работает по разработанному корпорацией GM алгоритму с использованием показаний датчиков давления в цилиндрах. Компьютер также управляет переходами между режимом HCCI и обычным искровым зажиганием. У демонстрационных автомобилей переходы между двумя режимами ощутимы для водителя, однако ожидается, что у серийных автомобилей с технологией HCCI эти переходы будут заметны не более, чем, например, отключение существующей системы GM Active Fuel Management.
В настоящее время демонстрационные прототипы могут использовать технологию HCCI при скорости приблизительно до 55 миль в час. При более высоких скоростях, а также при работе двигателя с большой нагрузкой происходит переход в режим искрового зажигания. Однако после усовершенствования системы управления двигателем и соответствующего аппаратного обеспечения диапазон работы двигателя в режиме HCCI будет расширен.
«Возможно, наиболее трудной задачей, решаемой при создании технологии HCCI, является управление процессом сгорания», - говорит профессор, д-р Юв Гриб (Uwe Grebe), исполнительный директор GM по перспективной разработке силовых агрегатов. «При искровом зажигании мы можем управлять углом опережения зажигания и интенсивностью искрового разряда. Однако при использовании технологии HCCI при сгорании отсутствует факел пламени, и поэтому, чтобы добиться требуемых характеристик двигателя, приходится выполнять сложное синхронное регулирование состава смеси и температуры.
Разработчики продолжают совершенствовать технологию HCCI, чтобы сделать ее работоспособной в широком диапазоне условий вождения, характерных для разных регионов земного шара - от тропиков до Арктики, а также при разреженном воздухе на большой высоте над уровнем моря.
«Наши затраты на развитие технологии HCCI оказались весьма значительными. Однако мы сделали огромный шаг вперед, создав концептуальные автомобили Saturn Aura и Opel Vectra, что впервые позволило перенести эту наиболее перспективную технологию из лаборатории на испытательный полигон. Дополнительные расходы потребуются на исследовательские и испытательные программы, которые сделают технологию HCCI применимой в любых условиях, в которых наши покупатели эксплуатируют свои автомобили», - подводит итог профессор Гриб.
