Homogeno zgorevanje ali nadzorovan samovžig Homogeno zgorevanje ali nadzorovan samovžig
Daimler je zdaj že daljnjega leta 2007 na salonu avtomobilov v Frankfurtu predstavil konceptni avtomobil F 700, ki je združeval vizijo oblike in tehnologije.... Homogeno zgorevanje ali nadzorovan samovžig
Mercedes-Benz F 700, letnik 2007: 4-valjni, 1,8-litrski turbo motor s homogenim zgorevanjem. Ta stroj s 175 kilovati in 400 njutonmetri je že takrat zadostil normam EU6, a je očitno neslavno končal v 'bunkerju'.

Mercedes-Benz F 700, letnik 2007: 4-valjni, 1,8-litrski turbo motor s homogenim zgorevanjem. Ta stroj s 175 kilovati in 400 njutonmetri je že takrat zadostil normam EU6, a je očitno neslavno končal v ‘bunkerju’.

Daimler je zdaj že daljnjega leta 2007 na salonu avtomobilov v Frankfurtu predstavil konceptni avtomobil F 700, ki je združeval vizijo oblike in tehnologije. Pri slednji tudi vizijo prihodnjega motorja z notranjim zgorevanjem, ki so ga poimenovali DiesOtto, torej hibrid dizelskega in bencinskega motorja.

S tem je bil F 700 novodobni znanilec smeri razvoja motorjev z notranjim zgorevanjem, kjer naj bi bilo zgorevanje homogeno. Velike tehnične revolucije v praksi ni pognal, se pa tehniki kljub temu pri tej in pri oni znamki vračajo na te teoretične osnove. Do kod so stvar pripeljali v praksi do danes?

Najbolj pogosta kratica, ki se pojavlja v zvezi s homogeno pripravo zmesi in zgorevanjem, je HCCI (‘Homogeneous Charge Compression Ignition’), ki predstavlja tehnologijo oziroma obliko zgorevanja v motorju, ko se dobro premešana zmes stisne do točke samovžiga – podobno kot pri dizelskemu motorju. Poleg omenjene pa nastopa s tem v zvezi še kopica drugih kratic, ki imajo enak ali podoben pomen, saj se razlikujejo pravzaprav samo po tem, kar želijo raziskovalci poudariti, kajti toliko, kot je kratic, je tudi izdelovalcev motorjev ­– no, skoraj toliko. Oglejmo si nekaj primerov kratic – HCCI, HCSI, SCCI, RCCI… in pomenov posameznih črk – črka H pomeni homogen (Homogeneous), C polnjenje ali stistanje (Charge, Compression), S plasten ali iskra (Stratified, Spark), I vžig (Ignition)… Edino pri kratici DiesOtto vemo, od kod prihaja.

Mazda: pogled na izpušni zbiralnik pri motorju s homogenim zgorevanjem.

Mazda: pogled na izpušni zbiralnik pri motorju s homogenim zgorevanjem.

Pri homogeni pripravi zmesi se gorivo (bencin) razprši na najmanjše delce zaradi večje stične površine z zrakom in enakomernejše porazdelitve po prostoru. Podobno je pri plastni pripravi zmesi, vendar s to razliko, da se oblikujeta področji bogate homogene zmesi blizu svečke in revnejše v preostalem prostoru. Priprava homogene zmesi je popolnejša pri intenzivnem gibanju medija, to je pri vrtinčenju, ki ga dosežemo v primerno oblikovanem zgorevalnem prostoru. Pred in med zgorevanjem je mogoče vplivati na pripravo zmesi ter zgorevanje še s temperaturo, ki je odvisna od toplotnih izgub, z dodajanjem ali odvzemanjem zaostalih plinov, z vnosom drugega goriva, s pilotnim vbrizgavanjem, s krmiljenjem ventilov (predvsem izpušnega), s spreminjanjem prostorninskega razmerja, s spremembo načina delovanja (2- ali 4-taktno), s sestavo zmesi, s primernimi tlačnimi razlikami na sesalni in izpušni strani ter z zmanjšanjem parazitskih izgub. Čeprav je na voljo precej možnih ukrepov, je usklajevanje med njimi za doseganje končnega cilja – samovžiga zmesi – v določenem trenutku vse prej kot lahko. Nekoliko lažje je v primeru uporabe svečke, kar hkrati omogoča tudi nekoliko širše območje delovanja motorja s homogeno zmesjo.

Mazda: primerjava zgorevalnih prostorov – levo običajni, desno prilagojen homogenemu zgorevanju.

Slika 1. Mazda: primerjava zgorevalnih prostorov – levo običajni, desno prilagojen homogenemu zgorevanju.

Kot medklic je treba omeniti samovžig v zgorevalnem prostoru, ki se mu skušamo izogniti že skoraj od pojave motorjev. V prostoru valja se pogosto zgodi, da se med stiskanjem pojavi delček prostornine, kjer se oblikuje idealna zmes (uplinjeno gorivo, pravo razmerje zraka in goriva, primerna temperatura in tlak), ki se sama vžge – samovžig. Ko se pojavi več takih delčkov prostornin, v katerih je zgorevanje zelo intenzivno, se pojavijo tlačna nihanja, ki pozročijo značilen zvok – klenkanje. Preprosto razmišljanje nas napelje na misel, da bi lahko, če je potek zgorevanja v malih prostorninah podoben homogenemu zgorevanju, malo prostornino povečali na celoten zgorevalni prostor. Toda preprosto razmišljanje nas lahko zapelje, ker ne pokaže vseh težav pri uvajanju homogenega zgorevanja.

Oglejmo si, kakšne prednosti nam prinaša homogeno zgorevanje v motorju:

–      omogoča za 30 % manjšo porabo goriva ob razmeroma lažjem doseganju emisijskih kriterijev;

–      omogoča zgorevanje revne zmesi bencina in zraka, podobno kot pri dizelskemu motorju, pri tem pa motor dosega večji izkoristek, kot ga ima dizelski motor;

–      omogoča manjše izgube pri zamenjavi snovi in manjše izpuste dušikovih oksidov, ki so pod dovoljeno mejo;

–      ugoden potek navora, ki omogoča uporabo menjalnika z manj prestavnimi stopnjami.

In kje nastopajo težave za uveljavitev homogenega zgorevanja:

–      težko ali pa nemogoče je dosegati homogeno pripravo zmesi v celotnem delovnem področju;

–      izkoristek motorja je odvisen od toplotnih izgub;

–      težko je dosegati tekoč prehod med različnimi načini zgorevanja (običajno in homogeno);

–      moč motorja je glede na istovrsten motor manjša zaradi revne zmesi.

Trenutno dogajanje v svetu na tem področju se lahko morda primerja z vremensko napovedjo; pretežno oblačno z malo sonca! Tako napoved so povzročili veliki trije (GM, VW, MB), ki so bili precej glasni do trenutka, ko so dali svoje projekte v hladilnico. Sedaj so v raziskavah glasni predvsem inštituti (SwRI) in še nekaj izdelovalcev vozil, kot na primer Hyundai (slika 2), ki mislijo, da poznajo rešitev. V resnici pa lahko edino Mazda (slika 1) pokaže rešitev, ki je že precej podobna homogeni pripravi in zgorevanju s svojim SkyActivom, saj njihovi motorji že delujejo v vsakdanjem življenju na cesti.

Hyundai: pogled na motor s homogenim zgorevanjem.

Hyundai: pogled na motor s homogenim zgorevanjem.

Rešitev pri Mazdi SkyActiv (govorijo o prvi generaciji, ker sledita še dve nadaljevanji) je videti praktična in zanimiva, ker so izbrali že znane prijeme, jih združili, uporabili primerno strategijo pri regulaciji in uspeli zmanjšati porabo goriva. Pri bencinskem motorju so razmeroma močno dvignili prostorninsko razmerje, obdržali svečko, s pomočjo izpušnega sistema zagotavljajo dobro prezračevanje valja in hladno zmes, z močnim vrtinčenjem v batni vdolbini dosegajo pretežno homogeno zmes, ki zgoreva zelo hitro, zato je vžig lahko nastavljen razmeroma pozno – po zgornji mrtvi legi (ZML). Pozno zgorevanje omogoča tudi višjo temperaturo izpušnih plinov, ki poganjajo turbino. Pri Mazdinem motorju še ne moremo govoriti o motorju s popolno homogeno pripravo zmesi in zgorevanjem, ampak recimo o stopnji v razvoju, kjer je podobnost s homogeno pripravo in zgorevanjem zelo velika in je trenutno edina rešitev, ki deluje v praksi. Z nadaljnjim razvojem pa napovedujejo širše področje homogene priprave in zgorevanja.

Hyundai: zgorevalni prostor, primeren za homogeno pripravo in zgorevanje zmesi.

Slika 2. Hyundai: zgorevalni prostor, primeren za homogeno pripravo in zgorevanje zmesi.

Po nekaterih mnenjih je mogoče delni neuspeh pri uvajanju homogenega zgorevanja pripisati predvsem uporabi znane in cenene tehnologije, ki ne dopušča dovolj hitrih odzivov pri krmiljenju procesa. Iz tega izhajajo dvomi, ali so stroški in prednosti res na strani homogenega zgorevanja, ki verjetno ne bo uporabno v celotnem delovnem območju motorja. Po drugi strani pa se ponuja rešitev s plastno pripravo zmesi in zgorevanjem, ki je malo manj optimistična glede porabe goriva, vendar ima več možnosti, da deluje v celotnem delovnem področju in je še racionalnejša, kar se tiče stroškov.

Aci Bizjan

Foto: Daimler, Hyundai, Mazda