Всичко започва с една искра или да поговорим за горивни реакции


25 Mar 2024

В двигателите с вътрешно горене все още има живот и поле за развитие. И много страст. Директно впръскване, турбо пълнене, използване на работа в цикли на Милър и Аткинсън, нови горивни процеси са само част от основите за постигане на висока ефективност. Именно за горивните процеси и потенциала на агрегатите със самовъзпламеняване на хомогенна смес ще ви разкажем в следващите материали.

HCCI бе изоставен от радетелите му като Mercedes, GM и Hyundai. Както показаха инженерите от Mazda, когато преследваш упорите целта си, успехът няма да те изостави.

Неведоми са пътищата инженерни. Едва ли има човек изкушен от автомобилните технологии и от технологиите въобще, който да не проявява интерес както към топлинните машини, така и към електрическите. В автомобилната история пътищата на развитие често са криволичели и са се пресичали, затова може би е излишно да използваме клишета като „живеем в интересни времена“. Ако се вгледаме внимателно във фактите обаче, ще открием че за последните две десетилетия автомобилът преживява разнообразни превъплъщения. Векът започна със стремителен ръст на внедряването на дизелови двигатели, които след въвеждането на системите common rail се радваха на своя пробив в почти всички класове необезпокоявано. Представеното в Prius хибридно задвижване на Toyota почти по същото време като модерните технологии в дизеловите двигатели не вълнуваше особено много европейците, докато не се появиха по-стриктните норми за емисии на газовете, разкритията свързани с манипулациите на софтуери при анализа на дизелови двигатели и навлизането на електрическата мобилност. Можем с часове да си говорим за развитието на хибридните технологии. Дори при марки като BMW, които не се символизират точно с това. Тогава ще си припомним за изключително сложната система Two Mode Hybrid създадена съвместно с Mercedes и GM…

Но това ще стане друг път. Защото следващите редове са посветени на двигателя с вътрешно горене. И защото гласовете за стремително бързото преминаване към изцяло електрическо задвижване стават все по-малко гръмки. Не ме разбирайте неправилно, моята лична връзка с автомобила включва изцяло признанието и живия интерес към този вид задвижване. Но както е казал Аристотел, „Платон ми е приятел, но истината ми е по-добър приятел“, което в контекста на този материал трябва да означава че трябва да отдадем необходимото място на двигателя с вътрешно горене за още (не)известен брой години.

Признавам отсега че в него често ще срещате името Mazda, защото японската марка е може би един от най-страстните радетели на топлинните машини напоследък – само за няколко години тя представи революционния бензинов агрегат SPCCI, работещ със самовъзпламеняване, инициирано от искра, ново поколение дизелов двигател с предварително формиране на част от гориво-въздушната смес и последващо „класическо“ впръскване DCPCI и еднороторен ванкелов мотор, чиято скорост на буталото, респективно времето за отваряне на всмукателния и изпускателния отвори, се регулира с помощта на електрическата машина, която произвежда ток за зареждане на батерията. Оказа се, че именно специфичния по своя характер роторен двигател идеално се съчетава с електрически мотор. Цялата тази плеяда от изобретения е един добър повод да поговорим за това какво въобще представляват горивните процеси в бензиновия, дизеловия, HCCI и ванкеловия мотор. Който, впрочем, в актуалния си вид с един ротор всъщност е създаден не от Феликс Ванкел, а от германския инженер Ханс-Дитер Пашке. Но да караме подред.                       

СРЕЩА НА ЖЪЛТИТЕ ПАВЕТА

Спомням си срещата с Джейми Търнър, състояла се преди няколко години при представянето на Mazda 3 в България. Това бе уникално събитие, тъй като ставаше дума за международното представяне на модела, на което България имаше честта да бъде домакин. „Честно да си призная, ние почти се отказахме от разработките на HCCI мотори, смятайки че е невъзможно да създадем функционален агрегат приложим за автомобили в серийно производство“, сподели ми тогава професор Търнър. Знаех, че е така, защото години наред се опитвах да вникна в кинетиката на процесите свързани с двигателите с хомогенно смесообразуване и самовъзпламеняване, и дори бях успял да шофирам прототип на GM с такова задвижване.    

Експертът по двигателите с вътрешно горене и професор в университета Бат в Обединеното Кралство се възхищаваше на усилията и успеха на инженерите от Mazda при създаването на двигателя Skyactiv X, а това го превръщаше в своеобразен посланик на марката. Личната среща с професор Търнър ми осигури изключителната възможност да разговарям подробно за контрола на процесите в специфичния двигател с вътрешно горене – както и с един от създателите му, от страна на европейския развоен център на Mazda, германецът Хайко Щрицел. 

За разлика от изследователските центрове към университетите, често концентриращи работата си върху фундаментални разработки, тези на автомобилните компании имат задачата да създават практични продукти, които да работят и да се продават. Конструирането на адекватен и надежден HCCI двигател (от Homogeneous charge compression ignition или двигател с хомогенна смес и самовъзпламеняване от сгъстяване) обаче се превърна в илюзия след като всички иначе многообещаващи опити на големи автомобилни компании си останаха само на ниво студии и концептуални модели.

ВСЕ ПАК Е НУЖНА ИСКРА

Докато през 2019 г. Mazda не започна серийното производство на първите оборудвани с мотори със самовъзпламеняване на хомогенна смес автомобили. В името на технологичната точност ще отбележим че двигателят Skyactiv X (SPCCI) използва свещта като средство за иницииране на самовъзпламеняването, но това не прави разработката по-малко значима. В продължение на дълъг период от време от Mazda също експериментира със всевъзможни начини да предизвика самовъзпламеняване на хомогенна гориво-въздушна смес. Въпросът е в това, че подобен процес може да се осъществи в тесен работен диапазон с много предсказуеми параметри. Автомобилът обаче не работи в стационарни режими, а преминава от един в друг, при което условията в горивната камера се менят непрекъснато, често с резки преходи.

След като се убеждават че създаването на агрегат с приемлива за серийно производство цена, базиран на обемно самовъзпламеняване е практически невъзможно – поне не и със съвременните средства за контрол – те не се отказват, както колегите си, а решават да включат искрата на свещта като иницииращ процеса фактор. Свещта така или иначе съществува в агрегатите от подобен тип защото в някои режими HCCI агрегатите неминуемо работят в режим на конвенционално запалване. Процесът, който в Mazda създават, е наречен от тях, както споменахме SPCCI, съкращение на „Контролирано от запалителна свещ самовъзпламеняване.“

Работата на този мотор е описвана като опростен модел много пъти и на много места. Ако обаче човек има желанието да се задълбае в тази материя и е по-упорит, ще открие свободно достъпния патент US 2019/0063344 A1 от 28 февруари 2019 г., в който компанията Mazda описва детайлно работата на своя SPCCI агрегат. Внимателното прочитане на описанието за „заявлението за патент“ на Mazda, както и на по-ранния патент 02011551 от юли 2016 г. наречен „Структура на горивна камера за двигател“, към което се добавиха и срещите ми с инженерите, ми разкриваше една съвсем нова картина на функционирането на въпросната машина – много по-сложна от тази от, логично, изключително резюмираното за медиите обяснение. За да разберем в пълнота всичко това което инженерите на Mazda са успели да постигнат, трябва обаче да опишем работата на бензиновия и дизеловия двигател накратко и да се върнем назад в разработките на HCCI машините.                      

НЕКА ЗАПОЧНЕМ С ГОРИВОТО

Нефтът, от който се създават горивата, е изграден от множество въглеводородни химични съединения с различен размер на молекулите – от разтворените газове, до сложни тежки съединения. Всяко едно от веществата, с различна структура и молекулно тегло, има своя собствена температура на изпарение, респективно кипене, и на този факт се основава първичната преработка на нефта – атмосферната дестилация. Тя се осъществява в т.нар. „ректификационна колона“, където обаче се отделят групи вещества, наречени фракции. Такива фракции са например мазутът, дизеловото гориво, лигроинът, бензинът и въглеводородните газове като пропан и бутан.

Освен различния си размер молекулите в тези вещества имат и различно изградена химическа структура или форма, в зависимост от което връзките в тях в процеса на горене се разкъсват по-трудно или по-лесно. Много от качествата на веществата в горивата се дължат на допълнителни, изкуствено създавани с оглед на определени нужди структури. Извършват се процеси от разкъсване на големите молекули (като термичен и каталитичен крекинг, при които от големи молекули се получават молекули на бензинова, керосинова и дизелова фракция) през каталитичен реформинг и изомеризация (промяна на структурата в търсене на въглеводороди с по-високо октаново число) до компаундиране (смесване на получени от различните процеси субстанции). По-подробно за това ще можете да прочетете в отделен материал.

ХОМОГЕННО СМЕСВАНЕ ПРИ БЕНЗИНОВИЯ МОТОР

При бензиновите мотори смесообразуването започва доста преди началото на процеса горене. Целта му е да се постигне равномерно разпределена, хомогенна по характер горивна смес с точно определена стойност на съотношението между въздух и гориво. Тази стойност варира в определен диапазон около т. нар. „стехиометрична смес”, при която кислородните атоми са точно толкова на брой, че да могат (теоретично) да се свържат в устойчива структура с всеки водороден и въглероден атом в състава на горивото, формирайки единствено H20 и CO2. Степента на сгъстяване е достатъчно ниска – максимум 14:1 при атмосферните мотори (при някои двигатели на Mazda, Toyota, Ferrari  и т.н., иначе по-малко) с директно впръскване, до 10,5:1 при модерните турбомашини. Същинското възпламеняване на сместа се инициира от запалителна свещ, след което горенето протича във вид на фронт, движещ се със скорост от 15 до 30 метра в секунда, т.е. между 50 и 100 км/ч. За съжаление, в горивната камера и най-вече в областта до цилиндровите стени и буталото се формират охладени зони с непълноценно протичане на процесите, водещо до образуване на въглероден окис и устойчиви въглеводороди.

ИЗТОЧНИК НА ДЕТОНАЦИИ

При движението на фронта на пламъка налягането и температурата по периферията му нарастват, в резултат на което в близките зони на все още негорящата смес се формират вредни азотни окиси (резултат от съединяването на азота и кислорода от въздуха), прекиси и хидропрекиси (съединения между кислорода и горивото). В зависимост от съдържанието на горивото, количеството на последните може да достигне определени критични стойности, при което започва неконтролируемо лавинообразно детонационно горене в целия останал обем. От този момент скоростта на разпространение на фронта на пламъка рязко нараства и достига 2000 м/сек или около 7200 км/ч. Този процес обаче не води до извършване на полезна работа и е изключително вреден за компонентите на двигателя.

Поради това в съвременните бензини се използват фракции от молекули със сравнително устойчива, трудно податлива на разкъсване и детонации химическа конструкция с висока температура на самовъзпламеняване (като изопарафини и ароматни въглеводороди), но по-ниска температура на изпаряване. Те се групират в различни подфракции, а индикаторът за устойчивостта срещу детонации е октановото число. От друга страна, високата степен на сгъстяване увеличава налягането и подобрява проникването на частиците, генерирането на топлина и ускоряване на процесите. Намалената площ на камерата намалява разсейването на топлина навън, което спомага за подобряване на ефективността на химическите реакции. Всичко това се обобщава като „термодинамична ефективност“, но тук идва и ограничението, свързано с устойчивостта към детонации. 

При модерните турбоагрегати трябва да се отчита и факторът за предварителното сгъстяване на въздуха (макар и със снижена с помощта на междинния охладител температура), а директното впръскване на горивото играе охлаждаща роля. Взаимовръзката между скоростта на факелния фронт и размера на цилиндъра е от особено важно значение. Не случайно инженерите приемат за оптимален работен обем на един цилиндър 500 кубически сантиметра или половин литър. В такъв случай при приблизително еднакви ход на буталото и диаметър на цилиндъра и средни оборотни диапазони фронтът не разполага с достатъчно време за да създаде в периферията си критична маса от прекиси и хидропрекиси. С увеличаване на обема на цилиндъра, времето за този процес започва да се увеличава и с това се увеличават предпоставките за детонации.

По тази причина например агрегатите с четири цилиндъра на Mazda с работен обем от 2,5 литра имат по-ниска степен на сгъстяване от тези с работен обем от 2,0 литра. От друга страна високата скорост на буталото респективно обороти спомага за ограничаване на този ефект, защото разликата в скоростта на буталото и фронта става по-малка и няма достатъчно време за увеличаване на налягането и температурата, които да доведат до детонации. Конструкторите на модерните двигатели с вътрешно горене, независимо дали са с атмосферно или турбо пълнене, се стремят да създадат условия за бързо развитие на горивния процес в обема на цилиндъра – например с помощта на интензивни турбулентни явления за да няма време за натрупване на критични въглеводороди, водещи до детонационни явления.

ПРИ ДИЗЕЛОВИЯ ДВИГАТЕЛ ВСИЧКО СТАВА МНОГО БЪРЗО

Поради до голяма степен фиксираното съотношение на сместа, с която могат да работят бензиновите двигатели, важна роля при тях играе дроселовата клапа, с чиято помощ натоварването на двигателя се контролира чрез регулиране на количеството постъпващ в цилиндрите свеж въздух, а количеството бензин следва въздуха в съотношение с малки отклонения. За съжаление, самата дроселова клапа причинява значителни загуби в режим на частично натоварване, тъй като в подобни ситуации играе ролята на своеобразна „тапа” на гърлото на двигателя.

Основната идея на създателя на дизеловия двигател Рудолф Дизел е повишаване на термодинамичната ефективност на машината чрез значителното увеличаване на степента на сгъстяване. Ако в горивната камера на този вид двигател постъпи предварително подготвена гориво-въздушна смес (както при бензиновия), при достигане на определена критична температура в такта сгъстяване (зависеща от степента на сгъстяване, пълненето и вида на горивото, което е с ниска температура на самовъзпламеняване) много преди горна мъртва точка на буталото (ГМТ), ще се инициира процес на самовъзпламеняване и неконтролируемо обемно горене.

Точно поради тази причина горивото в дизеловия двигател се впръсква в последния момент, малко преди ГМТ (под много високо налягане, на няколко порции), с което обаче се създава съществен дефицит от време за добро изпарение, дифузия, смесообразуване и самозапалване. Затова е необходимо да бъдат ограничени максималните обороти. Този подход поставя съответните изисквания към качествата на горивото, което в случая е от дизеловата нефтена фракция – в основната си част директни дестилати със значително по-висока температура на изпарение от бензините, но по-ниска температура на самовъзпламеняване от тях. Тези физико-химични качества се дължат на структурата на въглеводородите във фракцията, с преобладаващо дълги неразклонени и неустойчиви въглеводородни молекули, които по-лесно се разкъсват и влизат в реакция с кислорода.  

ПО-НИСКА ТЕМПЕРАТУРА НА ГАЗОВЕТЕ

Особеност на процесите на горене при дизеловия двигател са, от една страна, зоните с преобогатена смес около впръскващите отвори, където горивото се разпада (крекира) поради високата температура без да се окисли, превръщайки се в източник на частици въглерод (сажди), а от друга, зоните, в които горивото въобще отсъства и под въздействие на високата температура азотът и кислородът от въздуха влизат в химично взаимодействие, формирайки голямо количество азотни окиси. Поради това, както и поради възможността да се възпламеняват бедни смеси, в режимите на частично натоварване, дизеловите двигатели се настройват за работа именно с такива (т. е. с излишък от въздух в голям работен диапазон), а регулирането на натоварването се извършва единствено чрез дозиране на количеството впръскано гориво без необходимост от дроселова клапа. Наличието на клапи от различно естество в модерните дизелови двигатели не променя самата същност на процесите. За да отговори на строгите изисквания на последните нормативи за нивото на вредните вещества обаче, дизелът се нуждае от скъпи системи за обработка на газовете. Всичко това е благодатна почва за използване на турбопълнене – относителният обем газове е по-голям и с по-ниска температура от този при бензиновия двигател.  

ПРЕДИМСТВАТА НА HCCI

Какво всъщност е спирало досега инженерите да намерят начин за съчетаване на силните страни на двата вида двигатели и какви са предимствата на агрегатите, работещи на принципа на HCCI? При този тип процес се всмуква въздух и гориво и в цилиндрите се създава сравнително бедна хомогенна смес, която при сгъстяването от буталото близо до горна мъртва точка се самовъзпламенява. Тази машина трябва има висока степен на сгъстяване по подобие на дизеловия (за да се достигне необходимата за самовъзпламеняване температура), което означава по-ефективни процеси на горене. За разлика от него обаче горивото е разпределено в целия обем на горивната камера, а това драстично намалява генерираните твърди частици и повишава качеството на горивния процес. По този начин значително се намаляват и изискванията по отношение на системите за дообработка на газовете. Тъй като двигателят работи с бедни смеси, регулирането може да става без помощта на дроселова клапа и тя да остане широко отворена. Това пък снижава помпените загуби при частично натоварване (подобен ефект има и при двигателите, работещи с бедни смеси без самовъзпламеняване като BMW N53 или Mercedes M276, но това е съвсем друга тема). Равномерното самовъзпламеняване в целия обем става без факелен фронт (с присъщата му висока температура) и изисква по-малко време. Така температурата на горене е по-ниска (затова често наричат процеса „нискотемпературно горене), в резултат от което се генерират значително по-малко азотни окиси. Поради това по-ниска температура имат и отработилите газове, които освен това имат по-голям дебит, а това означава повече свобода при проектиране на турбопълнене. Всичко това звучи чудесно на теория, но…

ВСИЧКО ЗАПОЧВА ПРЕДИ 40 ГОДИНИ

За да разберем защо чудесното на теория трудно се реализира на практика трябва малко да се върнем назад. Годината е 1979 – периодът на втората петролна криза и първите сериозни законови ограничения от екологично естество. В търсене на решение на тези проблеми японският инженер Шигеро Ониши разработва своята технология „Active Thermo Atmosphere Combustion” за широкоразпространените по това време двутактови мотоциклети. Известно е, че в режим на частично натоварване в цилиндрите на двутактовите агрегати се задържат големи количества отработили газове. Идеята на японския конструктор e да превърне недостатъците му в предимства чрез създаване на горивен процес, при който остатъчните газове и високата температура на гориво-въздушната смес могат да бъдат използвани за полезна работа. 

Инженерите от екипа на Ониши успяват за първи път да oсъществят на практика революционна технология чрез иницииране на процес на спонтанно самовъзпламеняване, с което наистина успешно намаляват емисиите на отработили газове. Те обаче установяват и значително повишаване на ефективността на мотора и скоро след представянето на разработката, подобен процес е демонстриран и от Toyota. Конструкторите са удивени от бързия процес на горене в прототипите, съпроводен с намален разход на гориво и емисии.

През 1983 г. се появяват и първите лабораторни образци на четиритактови двигатели със самовъзпламеняване, при които контролът на процесите при различни работни режими е възможен благодарение на факта, че химическата структура и съотношението на компонентите в използваното гориво е абсолютно известно. Анализът на тези процеси обаче е до известна степен примитивен, тъй като се основава на допускането, че при този тип мотори те се осъществяват благодарение на кинетиката на химичните процеси, а физични явления като смесване и турбуленция имат несъществено значение. По-късно ще разберете защо ви казваме това.

Именно през 80-те години се поставят и основите на първите аналитични модели на процесите на базата на налягането, температурата и концентрацията на горивните и въздушни компоненти в обема на камерата. Поради невъзможността да се контролират студеният старт и работата при максимални натоварвания, в тези режими инженерите прибягват до употреба на запалителна свещ. В процеса на практически изпитания се намира и потвърждение на теоретичната постановка, че КПД е по-малък при работа с дизелово гориво, тъй като степента на сгъстяване трябва да е сравнително ниска, защото при по-висока компресия процесът на самозапалване се осъществява прекалено рано в такта сгъстяване. Освен това, при използване на дизелово гориво има проблеми с изпаряването на по-тежките фракции. И още нещо много важно – оказва се, че двигателите HCCI нямат проблеми да работят и с до 50% остатъчни газове при съответстващите бедни смеси в цилиндрите – на която база започват и разработките на Ониши. От всичко това следва, че бензините са много по-подходящи за работа в този тип агрегати и разработките се насочват именно в тази насока. 

Първите близки до реалното автомобилостроене двигатели, в които тези процеси са успешно осъществени на практика, са модифицирани 1,6-литрови мотори на VW през 1992 година. При тях конструкторите от Волфсбург успяват да постигнат с до 34% подобряване на ефективността в режим на частично натоварване. Малко по-късно, през 1996 година, при директно сравнение на двигател HCCI с бензинови и дизелови двигатели с директно впръскване е установено, че HCCI моторите показват най-нисък разход на гориво и емисии на азотни окиси без необходимост от употреба на скъпи системи за впръскване на гориво.

Горенето в двигатeлите от типа HCCI е по-ефективен, но и несравнимо по-сложен процес за контрол от тривиалното възпламеняване със запалителна свещ, тъй като се постига чрез сложно управление на температурата, налягането и количествения и качествен състав на сместа в близост до ГМТ. Оптималната работа на HCCI зависи от моментното състояние на хиляди параметри сред които температурата на всмукания въздух, на цилиндровите стени и буталата, на степента на сгъстяване, от налягането, както и от състава и характеристиките на отделните компоненти в горивото.

Агрегатът Diesotto представен през 2007 г. от Mercedes включваше различни модулни компоненти, някои от които, като системата за директно впръскване например, вече влязоха в серийна употреба. За да осигурят максимално „стерилни“ и предсказуеми условия за самовъзпламеняване, инженерите на Mercedes трябваше да оборудват автомобила с множество „подсигуряващи“ технологии като принудително двустепенно пълнене с високо налягане, променлива степен на сгъстяване (от 9:1 до 14:1) и използване на променливи фази на газорапределение.

GM използваше по-малко радикален подход към контрола на процесите на възпламеняване. 2,2-литровият атмосферен бензинов агрегат на американския гигант, който авторът на тези редове имаше щастието да шофира, бе с фиксирана от 12,2:1 степен на сгъстяване, а управлението на  процесите се извършваше чрез промяна на фазите на отваряне на клапаните, постоянно следене на налягането в цилиндрите и управление на температурата на заряда. Предварителният контрол на температурата на възпламеняване се осъществяваше чрез внимателно смесване на свежата смес с отработилите газове. Прототипът GDCI на Hyundai и Delphi от 2011 г. пък използваше комбинация от механичен и турбокомпресор, за да поддържа във всеки момент оптимално налягане в цилиндрите. Как опитът на Mazda в областта на роторните двигатели им помогна в създаването на двигателя Skyactiv X и новия Skyactiv D, както и как работи новата комбинация от роторен двигател и електрически ще можете да прочетете в следващата публикация от рубриката ни "Анатомията на автомобила".

Първородната Godzilla!