Homogeeninen lataussytytys ( HCCI ) on polttomoottori , jossa hyvin sekoitettu polttoaine ja hapetin (yleensä ilma) puristetaan itsesyttymiskohtaan . Kuten muissakin palamistyypeissä, tämä eksoterminen reaktio vapauttaa energiaa, jonka moottori voi muuntaa lämmöksi ja hyödylliseksi työksi.
Tällaisessa moottorissa yhdistyvät perinteisten bensiini- ja dieselmoottorien ominaisuudet . Bensiinimoottorit käyttävät homogeenista seosta ja kipinäsytytystä . Nykyaikaisissa dieselmoottoreissa käytetään kerrostettua seosta ja puristussytytystä.
Aivan kuten bensiinimoottorissa, HCCI-polttoaineen ruiskutus tapahtuu imutahdilla. Kuitenkin sen sijaan, että HCCI käyttäisi sähkökipinää sytyttämään pienen osan polttoaineseoksesta, se puristaa koko seoksen kerralla ja lisää sen tiheyttä ja lämpötilaa, kunnes se syttyy samanaikaisesti kauttaaltaan.
Nykyaikaiset dieselmoottorit toimivat samalla tavalla sillä erolla, että ruiskutus tapahtuu myöhemmin puristusjakson aikana. Palaminen tapahtuu ilman ja polttoaineen rajapinnassa, mikä aiheuttaa enemmän päästöjä, vaatii vähemmän kylläistä seosta ja luo korkeamman palamislämpötilan, mikä johtaa parempaan hyötysuhteeseen.
HCCI-moottorin ohjaaminen edellyttää mikroprosessoriohjausjärjestelmän käyttöä ja sytytyksen fysiikan ymmärtämistä. Tällaisissa moottoreissa voidaan yhdistää suhteellisen puhdas bensiinin pakokaasu ja dieselin korkea hyötysuhde.
Myös HCCI-moottoreilla on erittäin alhaiset NOx-päästöt jopa ilman katalysaattoria. Ympäristöstandardien täyttäminen edellyttää kuitenkin palamattomien hiilivetyjen ja hiilimonoksidin neutralointia.
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että hybridipolttoaineiden (esim. dieselin ja bensiinin seos) käyttö auttaa hallitsemaan paremmin HCCI-moottoreiden sytytys- ja palamisprosesseja [1] .
HCCI-moottoreilla on pitkä historia, vaikka ne eivät ole yhtä yleisiä kuin bensiini- ja dieselmoottorit. Tällaiset moottorit olivat suosittuja ennen sähköisen kipinäsytytyksen tuloa. Yksi tällainen moottori on öljy- (poltin) moottori, joka käytti kuumaa höyrykammiota sekoittamaan polttoainetta ilmaan. Lisälämmitys yhdessä puristuksen kanssa luo edellytykset palamiselle. Toinen esimerkki on painekaasumoottori, jota käytetään laajalti lentokoneiden mallintamisessa.
Ilman ja polttoaineen seos syttyy palamaan, kun seoksen lämpötila ja paine ovat riittävän korkeat. Konsentraatiota ja/tai lämpötilaa voidaan nostaa jollakin seuraavista tavoista:
Välittömästi sytytyksen jälkeen alkaa palaminen, joka etenee hyvin nopeasti. Jos itsesytytys tapahtuu liian aikaisin tai vapautuu liikaa energiaa, korkea paine sylintereissä voi johtaa moottorin tuhoutumiseen. Siksi moottorin käydessä käytetään yleensä laihaa seosta.
Puristussytytysmoottoria on vaikeampi hallita kuin muita ICE-moottoria. Bensiinimoottorit käyttävät sytytystulppia polttoaineseoksen sytyttämiseen. Dieselmoottoreissa palaminen alkaa, kun polttoainetta ruiskutetaan esipaineilmaan. Molemmissa tapauksissa syttyminen tapahtuu tietyllä hetkellä. HCCI-moottoreissa sitä vastoin homogeeninen polttoaineen ja ilman seos puristetaan ja palaminen alkaa mielivaltaisella hetkellä, kun lämpötila ja paine riittävät itsesyttymiseen. Tämä tarkoittaa, että ei ole olemassa erityistä sytytyssytytintä, jota voidaan ohjata. Moottori on suunniteltava siten, että itsesyttymisolosuhteet saavutetaan ajoissa. Vakaan toiminnan varmistamiseksi moottorin ohjausjärjestelmän on ohjattava olosuhteita, jotka käynnistävät palamisen. Näitä menetelmiä voivat olla: puristussuhde, lämpötila ja ahtopaine, pakokaasun takaisinkierrätyksen prosenttiosuuden muutos.
PuristussuhdePuristussuhdetta on kaksi. Geometristä puristussuhdetta voidaan muuttaa sylinterinkannen yläosassa olevalla liikkuvalla männällä. Tällaista järjestelmää käytetään lentokoneiden mallien puristuskaasuttimen moottoreissa. Tehokasta puristussuhdetta voidaan pienentää geometriseen verrattuna sulkemalla imuventtiili joko liian aikaisin tai liian myöhään käyttämällä muuttuvaa venttiilin ajoitusta (VVT). Molemmat menetelmät vaativat energiaa halutun nopeuden saavuttamiseksi [9] . Ne ovat myös kalliita, mutta tehokkaita. Puristussuhteen vaikutus HCCI-moottorin palamisprosessiin on tutkimuksen kohteena [10] .
TehostelämpötilaItsesyttyminen HCCI:ssä on melko herkkä lämpötilalle. Yksinkertaisin tapa hallita lämpötilaa on käyttää vastuslämmittimiä tuloaukossa, mutta tämän lähestymistavan nopeus ei kuitenkaan riitä muuttamaan lämpötilaa yhden jakson aikana [11] . Toinen tapa on nopea lämpötilanhallinta (FTM), joka toteutetaan sekoittamalla kuumaa ja kylmää ilmaa imuaukossa [12] . Tällä menetelmällä on tarvittava nopeus, mutta se on kallis ja siinä on suorituskykyrajoituksia.
Pakokaasun kierrätyksen prosenttiosuusPakokaasut voivat olla erittäin kuumia, jos ne syötetään takaisin sylintereihin suoraan pakoputkesta, tai kylmiä, jos ne kierrätetään takaisin imuaukon kautta, kuten pakokaasujen kierrätysjärjestelmissä (EGR) tehdään. Pakokaasut vaikuttavat HCCI:n palamisprosessiin kahdella tavalla. Ne laimentavat tuoretta varausta, viivästyttäen syttymistä ja vähentäen energian vapautumista ja siten tehoa. Kuumat palamistuotteet päinvastoin nostavat sylinterin lämpötilaa ja nopeuttavat sytytyksen alkamista. HCCI-moottoreiden EGR-ohjaus on kokeellisesti osoitettu [13] .
Muuttuva venttiilin ajoitusMuuttuva venttiilin ajoitus (VVA) laajentaa HCCI-moottorin toiminta-aluetta mahdollistaen palotilan lämpötila-paine-aika -yhdistelmän tarkemman ohjauksen. Tämä voidaan saavuttaa seuraavilla tavoilla:
Sähköhydrauliset ja venttiilittömät säädettävät venttiilin ajoitusjärjestelmät, vaikka ne ohjaavatkin moottorin toimintaa, ovat liian monimutkaisia ja kalliita, kun taas laajalle levinneitä mekaanisia järjestelmiä voidaan virittää haluttujen moottorin käyttöolosuhteiden saavuttamiseksi.
Erityyppisten polttoaineiden sekoitusToinen tapa lisätä moottorin toiminta-aluetta on hallita itsesyttymisen alkamista ja lämmön vapautumista [14] [15] muuttamalla itse polttoaineen koostumusta. Tämä saavutetaan yleensä sekoittamalla useita polttoaineita lennossa samassa moottorissa [16] . Esimerkkejä ovat kaupallisesti saatavilla olevat moottorit, jotka käyttävät maakaasua [17] ja etanolia [18] yhdessä bensiinin/dieselin kanssa [19] . Tämä voidaan saavuttaa useilla tavoilla:
Compression Ignition Direct Injection (CIDI) on edistynyt sytytyksen ajoitus- ja lämmönsäätötekniikka, jota käytetään dieselmoottoreissa. Compression Pre-Mixed (Osittain) Polttosytytysmoottori (PPCI tai PCCI) on kompromissi helppokäyttöisten CIDI-moottoreiden ja ympäristöystävällisempien HCCI-moottoreiden välillä, erityisesti joissa nokea muodostuu vähän [20] . Lämmön vapautumista kontrolloidaan luomalla palava seos, joka palaa pidempään ja on vähemmän räjähdysaltis. Tämä tehdään ruiskuttamalla seos sellaisella hetkellä, että sytytyksen alkaessa sylinteriin muodostuu alueita, joissa polttoaineen ja ilman suhde on erilainen. Palaminen alkaa palotilan eri kohdissa eri aikoina, mikä hidastaa lämmön vapautumista. Seos muodostetaan siten, että vältetään seoksen rikastuneet alueet, jotka johtavat noen muodostumiseen [21] . EGR:n ja korkean syttymiskestävyyden omaavan dieselpolttoaineen käyttö antaa enemmän aikaa sekoittumiseen ennen sytytystä, mikä vähentää seoksen rikastettujen alueiden määrää [20] [21] .
Perinteisessä polttomoottorissa palaminen tapahtuu polttotilassa. Näin ollen tietyllä hetkellä vain tietty osa polttoaineesta palaa. Tämä johtaa verrattain alhaiseen paineen ja energian vapautumiseen. HCCI-moottoreissa koko ilma-polttoaineseos syttyy samanaikaisesti ja palaa lyhyemmässä ajassa, samalla kun paine ja energian vapautuminen ovat paljon suurempia. Tämä lisää vaatimuksia moottorin osien lujuudelle.
Polttomoottorissa tehon muutos (lisäys) tapahtuu yksinkertaisesti lisäämällä enemmän polttoainetta sylintereihin. Koska lämmöntuotannon nopeus tällaisissa moottoreissa on suhteellisen hidas, ne kestävät tämän tehon kasvun. Kuitenkin HCCI-moottoreissa polttoaine/ilma-suhteen kasvu johtaa paineen ja lämmöntuoton lisääntymiseen. Lisäksi moniin HCCI-moottoreiden ohjausmenetelmiin kuuluu polttoaineen esilämmitys, mikä johtaa polttokammiossa olevan ilma-polttoaineseoksen tiheyden ja siten massan pienenemiseen, mikä vähentää tehoa. Tästä johtuen HCCI-moottorin tehon säätäminen on vaikea tehtävä. Yksi tapa on käyttää polttoaineiden seosta, joilla on erilainen itsesyttymisvastus. Tämä vähentää huippupainetta ja lämmöntuotantoa ja mahdollistaa pienemmän ylimääräisen ilman suhteen. Toinen tapa on ilma-polttoaineseoksen lämpökerrostus siten, että kokoonpuristuvalla seoksella on eri pisteissä eri lämpötila ja palamisnopeus. Kolmas tapa on rajoittaa HCCI-tilassa oleva moottori vain osittaiseen kuormitukseen kytkemällä se tavanomaiseen polttoon (diesel/bensiini) täydellä teholla.
Koska HCCI toimii laihalla seoksella, sen maksimilämpötila on alhaisempi kuin kipinäsytytysmoottoreissa ja dieseleissä. Tämä johtaa NOx-päästöjen vähenemiseen, mutta johtaa myös polttoaineen epätäydelliseen palamiseen erityisesti palotilan seinämien lähellä. Tämä lisää hiilimonoksidin tuotantoa ja lisää hiilivetypäästöjä. Hapettava katalyytti voi vangita sellaisia päästöjä, kuten pakokaasussa on vielä paljon happea.
Koputus tapahtuu, kun kipinäsytytteisessä bensiinimoottorissa palamattomat kaasut syttyvät itsestään ennen kipinöintiä. Nämä kaasut puristuvat, kun palaminen leviää ja paine polttokammiossa kasvaa. Tämä saa aikaan iskuaallon lähtevän seoksesta lähellä mäntää ja laajenemisaallon siirtymään mäntää kohti. Nämä kaksi aaltoa heijastuvat polttokammion seinistä ja muodostavat vuorovaikutuksessa suuriamplitudisia seisovia aaltoja, mikä muodostaa yksinkertaisimman termoakustisen laitteen, jossa resonanssia tehostetaan lisäämällä lämpöä aallon kulun aikana, aivan kuten Rijke-putki. Samanlainen prosessi tapahtuu HCCI:ssä, mutta siinä syttyminen tapahtuu männän puristuksen aikana enemmän tai vähemmän samanaikaisesti koko puristuvan seoksen tilavuudessa. Paine-erot seoksen eri alueiden välillä, joten iskuaaltoja ei synny eikä räjähdystä tapahdu, vaan saavutetaan nopea paineen nousu, joka tarvitaan maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseen lähes isokorisessa reaktiossa.
Tietokonemallit HCCI-moottoreiden palamisen ja lämmön muodostumisen simuloimiseksi vaativat yksityiskohtaisia kemiallisia malleja. Tämä johtuu siitä, että sytytys liittyy enemmän kemialliseen kinetiikkaan kuin perinteisten bensiini- ja dieselmoottoreiden turbulenssi- tai kipinäprosesseihin. Tietokonesimulaatiot ovat osoittaneet, että on tärkeää määrittää sylintereissä olevan seoksen todellinen homogeenisuus, erityisesti sen lämpötilan suhteen. Tämä homogeenisuus saavutetaan turbulenssilla ja lämmönsiirrolla sylinterin seinistä. Lämpötilan kerrostumisen taso määrittää lämmön vapautumisnopeuden ja vastaavasti räjähdystaipumuksen. Tämä rajoittaa sen oletuksen hyödyllisyyttä, että koko seos pidetään yhtenä vyöhykkeenä, joten 3D-CFD-koodin, kuten KIVA CFD:n, ja todennäköisyystiheysjakaumafunktion nopean ratkaisemisen koodin integrointia vaadittiin.
Vuodelle 2019 vain Mazda 3:een asennetut toisen sukupolven Mazda SkyActive-G -moottorit (Skyactive-X) ovat saavuttaneet massatuotantovaiheen. Kaksilitrainen moottori on varustettu turboahtimella ja sen puristussuhde 18:1.
Näyttelyssä olivat myös:
Toistaiseksi useimmat HCII-moottorit ovat edelleen prototyyppejä, mutta tämän alan tutkimus on johtanut polttoaineen ja moottoreiden kehitykseen, kuten: