Hoe homogene lading compressieontsteking werkt

In de zoektocht naar steeds betere brandstofefficiëntie en emissiereductie heeft een oud en veelbelovend idee nieuw leven gekregen. HCCI (homogene lading Compressieontsteking) technologie bestaat al heel lang, maar heeft recentelijk hernieuwde aandacht en enthousiasme gekregen. Terwijl de eerste jaren veel onoverkomelijke (destijds) obstakels zagen waarvan de antwoorden alleen zouden komen geavanceerde computergestuurde elektronica werd ontwikkeld en uitgegroeid tot betrouwbare technologieën, vooruitgang vastgelopen. De tijd heeft, zoals altijd, zijn magie bewerkt en bijna elk probleem is opgelost. HCCI is een idee waarvan de tijd is gekomen met bijna alle onderdelen en stukjes technologie en knowhow om er echt iets van te maken.

Een HCCI-motor is een mix van beide conventionele vonkontsteking en diesel compressieontsteking technologie. De combinatie van deze twee ontwerpen biedt een dieselachtig hoog rendement zonder de moeilijke - en dure - om te gaan met de uitstoot van NOx en deeltjes. In zijn meest basale vorm betekent het simpelweg dat brandstof (benzine of E85) homogeen (grondig en volledig) wordt gemengd met lucht in de verbrandingskamer (zeer vergelijkbaar met een gewone door vonken ontstoken benzinemotor), maar met een zeer hoog aandeel lucht om te stoken (mager mengsel). Als de zuiger van de motor het hoogste punt (bovenste dode punt) bereikt op de compressieslag, het lucht / brandstofmengsel ontbrandt automatisch (spontaan en volledig zonder hulp van bougie) door compressiewarmte, net als een diesel motor. Het resultaat is het beste van twee werelden: laag brandstofverbruik en lage emissies.

In een HCCI-motor (die is gebaseerd op de viertakt-Otto-cyclus) is de regeling van de brandstoftoevoer van cruciaal belang bij het beheersen van het verbrandingsproces. Bij de inlaatslag wordt brandstof in de verbrandingskamer van elke cilinder geïnjecteerd via brandstofinjectoren die direct in de cilinderkop zijn gemonteerd. Dit gebeurt onafhankelijk van luchtinductie die plaatsvindt via het inlaatplenum. Aan het einde van de inlaatslag zijn brandstof en lucht volledig ingevoerd en gemengd in de verbrandingskamer van de cilinder.

Terwijl de zuiger tijdens de compressieslag weer naar boven begint te bewegen, begint warmte zich in de verbrandingskamer op te bouwen. Wanneer de zuiger het einde van deze slag bereikt, heeft zich voldoende warmte verzameld om de brandstof / lucht te veroorzaken mengsel om spontaan te verbranden (geen vonk nodig) en duw de zuiger naar beneden voor de kracht beroerte. In tegenstelling tot conventionele vonkenmotoren (en zelfs diesels), is het verbrandingsproces een magere, lage temperatuur en vlamloze afgifte van energie door de hele verbrandingskamer. Het gehele brandstofmengsel wordt tegelijkertijd verbrand, wat gelijkwaardig vermogen oplevert, maar met veel minder brandstof en veel minder uitstoot.

Aan het einde van de krachtslag keert de zuiger weer van richting en begint de uitlaatslag, maar daarvoor alle uitlaatgassen kunnen worden geëvacueerd, de uitlaatkleppen sluiten vroeg en houden een deel van de latente verbranding vast warmte. Deze warmte blijft behouden en er wordt een kleine hoeveelheid brandstof in de verbrandingskamer gespoten voorladen (om verbrandingstemperaturen en emissies te helpen beheersen) vóór de volgende inlaatslag begint.

Een voortdurend ontwikkelingsprobleem met HCCI-motoren is het beheersen van het verbrandingsproces. Bij traditionele vonkmotoren kan de verbrandingstijd gemakkelijk worden aangepast door de motormanagementregelmodule die de vonkgebeurtenis en misschien de brandstoftoevoer verandert. Met de vlamloze verbranding van HCCI is het lang niet zo eenvoudig. De temperatuur van de verbrandingskamer en de samenstelling van het mengsel moeten strak worden gecontroleerd binnen snel veranderende en zeer nauwe drempels die dit omvatten parameters zoals cilinderdruk, motorbelasting en RPM's en gasklepstand, extreme temperaturen van de omgevingslucht en atmosferische druk veranderingen. De meeste van deze omstandigheden worden gecompenseerd met sensoren en automatische aanpassingen aan normaal gesproken vaste acties. Inbegrepen zijn individuele cilinderdruksensoren, variabele hydraulische kleplift en elektromechanische fasers voor nokkenastiming. De truc is niet zozeer om deze systemen aan het werk te krijgen, maar om ze heel snel samen te laten werken, en over vele duizenden kilometers en jaren van slijtage. Misschien wel net zo uitdagend is het probleem om deze geavanceerde controlesystemen betaalbaar te houden.

• Magere verbranding levert een 15% hogere brandstofefficiëntie op dan een conventionele motor met vonkontsteking.
• Schonere verbranding en lagere emissies (vooral NOx) dan een conventionele motor met vonkontsteking.
• Compatibel met benzine en E85 (ethanol) brandstof.
• Brandstof wordt sneller en bij lagere temperaturen verbrand, waardoor warmteverlies wordt verminderd in vergelijking met een conventionele vonkenmotor.
• Gasloos inductiesysteem elimineert wrijvingspompverliezen opgelopen in traditionele (gasklephuis) vonkenmotoren.

• Hoge cilinderdrukken vereisen een sterkere (en duurdere) motorconstructie.
• Meer beperkt vermogensbereik dan een conventionele vonkenmotor.
• De vele fasen van verbrandingseigenschappen zijn moeilijk (en duurder) te regelen.

Het is duidelijk dat HCCI-technologie superieure brandstofefficiëntie en emissiebeheersing biedt in vergelijking met de conventionele beproefde vonk ontsteking Benzinemotor. Wat nog niet zo zeker is, is het vermogen van deze motoren om deze kenmerken goedkoop te leveren, en, waarschijnlijk nog belangrijker, betrouwbaar gedurende de levensduur van het voertuig. Aanhoudende vorderingen op het gebied van elektronische besturing hebben HCCI naar de afgrond van werkbaar gebracht realiteit, en verdere verfijningen zullen nodig zijn om het over de rand te duwen in de dagelijkse productie voertuigen.