ПРОЩАЙ «СОЛЯРА»?

Бенгт Йоханссон (Bengt Johansson), профессор кафедры двигателей внутреннего сгорания Лундского университета — LTH (Lunds Tekniska Högskola), на основе своих исследований считает, что при использовании бензина вместо дизельного топлива, пересмотрев процесс сгорания HCCI, можно получить существенное увеличение эффективности двигателя при одновременном уменьшении токсичности отработавших газов.

Рабочий процесс HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) — это воспламенение сжатием гомогенной смеси, то есть процесс, в котором хорошо перемешенная смесь, состоящая из топлива и окислителя (обычного воздуха), сжимается до достижения самовоспламенения. Процесс HCCI обладает характеристиками двух самых распространенных форм рабочих процессов — в двигателях с искровым зажиганием (SI) и в двигателях с воспламенением от сжатия (CI).

В классическом варианте в большинстве современных двигателей с искровым зажиганием принудительно воспламеняется, в большей мере, гомогенный топливный заряд. В двигателях с воспламенением от сжатия топливный заряд считается стратифицированным (термин «стратификация» происходит от латинских слов stratum — слой и facio — делаю). То есть, в рабочем процессе дизеля имеет место значительный нагрев при сжатии, впрыск топлива инициирует процесс возгорания, при котором горение топлива происходит на границе смешивания частиц топлива с воздухом.

При процессе HCCI, из-за самовозгорания гомогенного топливного заряда от сжатия, горение должно возникать одновременно в нескольких местах без непосредственного инициатора горения, как это происходит в двигателях с искровым зажиганием. При локальном зажигании в области возгорания наблюдается повышенная температура, из-за которой процесс горения сопровождается повышенным выделением оксидов азота.

Процесс HCCI плохо управляем. Наиболее эффективный способ им управлять — изменение степени сжатия. Однако полученные в современных лабораториях знания физики процесса воспламенения, подкрепленные достижениями современной микропроцессорной электроники, позволяют улучшить управление HCCI. Достижения исследователей породили интерес некоторых компаний к HCCI. В результате появились несколько моделей автомобилей с двигателями HCCI. В частности, прототипы двигателей легковых автомобилей, работающих по принципу HCCI, были созданы компаниями General Motors, Mercedes-Benz, Volkswagen, Honda.

Mercedes-Benz назвала свой двигатель «DiesOtto». Такое название полностью отражает суть двигателей HCCI. Благодаря технологии управляемому самовоспламенению — CAI (Controlled Auto Ignition), реализованному с помощью системы, изменяющей степень сжатия, удалось создать четырехцилиндровый бензиновый двигатель с двойным турбонаддувом рабочим объемом 1,8 л мощностью 175 кВт (288 л.с.).

Разработчикам двигателей HCCI в целом удалось добиться уровня выбросов, соответствующего двигателям с искровым зажиганием, и уменьшить расход топлива до эффективности дизелей. При испытаниях двигатели HCCI, как и ожидалось, демонстрировали чрезвычайно низкий уровень выбросов оксидов азота (NOx). Однако из-за более низких пиковых температур уровни выбрасываемых несгоревших углеводородов и окиси углеродов (сажи) были высокими.

Исследования последнего десятилетия выявили другую ограниченность применения процесса HCCI — ограниченную возможность работы под нагрузкой, что недопустимо для грузовых автомобилей. Двигатели HCCI способны работать только на сильно обедненных топливных смесях. Кроме всего прочего, привлекательность двигателей HCCI уменьшает чрезмерный шум.

Проведенные исследования показали, что одновременное использование топлива двух различных видов (бензина и дизельного) может помочь решить некоторые проблемы управления воспламенением и горением, возникающие при HCCI. Процесс RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) показал высокую эффективность и низкий уровень выбросов в широком диапазоне нагрузок и скоростей. Работающими на «коктейле» из бензина и дизельного топлива двигателями занимается в США группа исследователей в Университете Висконсина (University of Wisconsin-Madison) под руководством заслуженного профессора Рольфа Рейтца (Rolf D. Reitz).

Бенгт Йоханссон считает более перспективным горение с частичным предварительным смешиванием — PPC (Partially premixed combustion). Принцип PPC отличается от HCCI большим сходством с процессом горения дизеля. PPC обеспечивает лучше управляемый процесс горения, чем HCCI, без увеличения выбросов оксидов азота и сажи. Выбросы этих веществ соответствуют уровню современных дизелей. Бенгт Йоханссон начал свои исследования процесса PPC с его разновидности — Diesel PPC, то есть, двигателей, работающих на тяжелом топливе. Затем результаты исследований привели его к Gasoline PPC — использованию в качестве топлива бензина. Исследовательские работы по Gasoline PPC проводились на одноцилиндровой установке Scania D12 и шестицилиндровом моторе Scania D13, модифицированном для работы одного цилиндра. Эти исследования стартовали в 2008 г.

Основной целью работ, проводимых в рамках разработки нового высокоэффективного двигателя, являлось достижение необходимой задержки воспламенения топлива после его впрыска в камеру сгорания. Такая задержка воспламенения позволила топливу смешаться с воздухом и образовать гомогенную топливную смесь. При сгорании такой топливный заряд производит минимальное количество сажи и оксида азота. Фактически это может означать, что двигателям с воспламенением от сжатия, но работающим на бензине, не потребуется так называемый дизельный каталитический нейтрализатор для очистки отработавших газов.

Кроме высоких экологических показателей, реализация нового рабочего процесса сгорания приведет к большей эффективности двигателя. Специалисты Лундского университета говорят об улучшении индикаторной эффективности до 57%, что соответствует увеличению КПД до 50% на выходном валу двигателя. «Приемлемая эффективность двигателя внутреннего сгорания на сегодняшний день должна быть в пределах 40-42%. Мы надеемся при реализации процесса сгорания PPC достичь КПД двигателя 60%», — говорит Бенгт Йоханссон. Изучение трех двигателей HCCI с рабочим объемом 0,3-2 л на цилиндр показало увеличение теплового КПД до 50-54%. Двигатель PPC Scania D12 с рабочим объемом цилиндра 2 л и степенью сжатия 17:1 показывает индикаторный КПД в 57%, а при степени 14,3:1 — 55%.

Для исследования новых рабочих процессов университет Лунда вместе с Технологическим университетом Чалмерса (Chalmers University of Technology) и Королевским технологическим институтом KTH (Kungliga Tekniska högskolan) создали Центр компетенции в области процессов горения — KCFP (Competence Center Combustion Processes). Партнерами центра являются известные производители: Siemens, Caterpillar Inc., Cummins Inc., Hino Motors, Ltd., Nissan Motors, Saab Automobile Powertrain AB, Scania CV AB, Sydkraft AB, Toyota Motor Corporation, Volvo Aero Corporation, Volvo Car Corporation, AB Volvo Penta, Volvo Technology, Volvo Powertrain Corporation. Центр был создан 1 июля 1995 г. С 1997 г. здесь изучают двигатели HCCI. Бенгт Йоханссон начал свою исследовательскую деятельность в LTH в 1996 г., приступив в одиночку к работе по совершенствованию двигателей грузовиков.

Можно отметить, что бензин все еще остается топливом для больших грузовых автомобилей в США. По данным бюро транспортной статистики — BTS (Bureau of Transportation Statistics) — грузовики потребляют 28 млрд галлонов (106 млрд л) бензина. В конце февраля президент США Барак Обама поручил Агентству по охране окружающей среды АРЕ разработать новые правила по топливной эффективности для средних и тяжелых грузовиков. Новые правила продолжат следовать политике по снижению расхода топлива, принятым в 2011 г. Эти правила предусматривают повысить пробег автомобилей на одном галлоне топлива на 10-20% к 2018 г. в зависимости от класса транспортного средства. Так что тяжелые бензиновые двигатели остаются еще популярными.