HCCI и TJI: будущее двигателя внутреннего сгорания?

Требования по сокращению вредных выбросов для двигателей внутреннего сгорания с каждым годом становятся все более строгими. Сложности адаптации привычных моторов к новым нормам привели к тому, что автоконцерны начали поиски альтернативных решений. В частности, вспомнили о высоком уровне эффективности HCCI, причем как с точки зрения экономии топлива, так и выбросов выхлопных газов. Инженеры часто описывают HCCI как обладающий самым высоким тепловым КПД среди всех ДВС. Ведь, для процесса сгорания такие моторы полагаются на увеличенную степень сжатия, аналогичную той, что применяют в дизельных двигателях.


При этом вместо солярки используется безвоздушная смесь. Дополнительным преимуществом HCCI считается отсутствие точки воспламенения в камере сгорания, такой как инжектор или свеча зажигания. Ведь они создают источник чрезвычайно высокой температуры, способной достигать 2200 градусов. Вместо этого в HCCI поджигается весь объем топливовоздушной смеси одновременно, используя только сжатие для достижения точки самовоспламенения. Удаление локализованного «горячего» источника из камеры сгорания снижает температуру внутри цилиндра, что, в свою очередь, практически полностью устраняет образование NOx.

Проблема

Основной неприятностью, вставшей на пути серийного двигателя HCCI, оказался чрезвычайно узкий диапазон самовоспламенения. Используя гомогенный впрыск без топливной форсунки или свечи, контролирующих момент начала зажигания, конструкторы вынуждены были добиваться исключительно точного управления температурой в цилиндре.


Требовалось удерживать ее в определенном диапазоне: горячо – возникнет сильная детонация; холодно – начнутся пропуски воспламенения. С учетом разнообразных режимов движения современного автомобиля, задача выглядела неразрешимой. 

Гонки

Пару лет назад поклонники Формулы-1 с восторгом обсуждали слухи о том, что для повышения эффективности использования топлива в двигателях Формулы-1 внедрили HCCI. Правда знатоки вспоминали, что Honda применила нечто подобное задолго до описываемых событий, в специальном двухтактном мотоцикле с безискровым зажиганием. Принцип работы заключался в следующем: во время выпуска клапан частично перекрывал поток продуктов сгорания, в результате чего в цилиндре оставалось достаточное количество раскаленных выхлопных газов для самовоспламенения свежего заряда. И поскольку поджиг происходил одновременно «везде», сгорание было молниеносным и эффективным. Но в таком режиме мотор работал лишь при наполовину открытой дроссельной заслонке: на низких и высоких оборотах для зажигания требовалась искра. 


Опытным путем удалось выяснить, что чрезвычайно сложно определить место и время возникновения пикового давления, приводящего к самовоспламенению. Причем даже при постоянных оборотах и положении дроссельной заслонки. Кстати, существует несколько концепций с низкотемпературным поджигом (LTCT) ТВС от сжатия:

✅ PPLTC – с частичным перемешиванием
✅ HCCI – с однородным зарядом 
✅ PCCI – с предварительным смешиванием
✅ RCCI – с контролируемой реактивностью 

Так вот, опираясь на практический опыт Honda, возникают резонные сомнения в том, что с помощью HCCI в Формуле-1 смогли бы сжигать топливо эффективней, чем с традиционным зажиганием. Вероятно, слухи о «чистом» HCCI не соответствовали действительности. 

Mahle: характер нордический

Поэтому вскоре в Формуле-1 начались разговоры о «турбулентно-реактивном зажигании», пример которого можно увидеть на веб-сайте Mahle. В форкамере, соединенной несколькими отверстиями с основной КС, расположены как форсунка так и свеча зажигания: 97-98% бензина подается для работы двигателя, и только 2-3% поступает в форкамеру. Разница в том, что в первой из них ТВС сделана бедной (в интересах экономичности), а во второй представляет собой легковоспламеняющуюся обогащенную смесь топлива и воздуха.


Давайте отвлечемся от автоспорта, и выясним: для чего нужно усложнять моторы, неужели нельзя использовать обедненную ТВС «просто так»? Здесь необходимо учесть то, что такую смесь трудно поджечь, да и горит она неважно. «Инопланетные» технологии, например плазменные или лазерные воспламенители, недешевы, а примитивное увеличение энергии на свече зажигания приводит к недопустимо быстрой эрозии контактов и необходимости частой замены.  

Однако способ обойти эти ограничения существует. Еще в двадцатые годы прошлого века, Г. Риккардо представил двигатель с предкамерой и дополнительным клапаном, разделяющими смесь на бедную и богатую. Спустя десятилетие, ученые из «моторно-топливной лаборатории» Института химической физики АН СССР выдвинули идею, что для борьбы с детонацией необходимо вместо свечи использовать «факел». Практическим воплощением занимался уроженец Астрахани, будущий доктор технических наук Гуссак. Уже после войны Льву Абрамовичу удалось выяснить, что продукты неполного сгорания на короткое время инициируют возникновение быстропротекающих химических реакций. Что в 3-4 раза усиливало воспламенение и последующее горение рабочей смеси.


Данная технология, использовалась, например, на наших опытных ГАЗ-51Ф и серийных ГАЗ-3102, а также на японской Honda Civic CVCC. Но с распространением впрыска топлива о форкамерно-факельном зажигании забыли. Тогда казалось что навсегда. 

Формула-1

Однако тема получила неожиданное продолжение в виде турбулентно-реактивного воспламенения (TJI), предложенная Mahle для команды Ferrari. Суть этого решения в том, что несколько радиальных отверстий между форкамерой и основной КС заставляют расширяющийся горячий газ формировать быстро движущиеся струи, несущие воспламенение к стенкам цилиндра, что кардинально отличает его от традиционных двигателей. Ведь при искровом зажигании фронт пламени расширяется от расположенной по центру свечи. Но стоит переборщить со степенью сжатия или давлением наддува, и ТВС у стенок цилиндра самовоспламеняется в ненормальной форме, известной как детонация. Что приводит к повреждению двигателя. 

Но с радиальными «плазменными» форсунками TJI, по утверждениям Mahle, зажигание происходит наоборот: от стенок цилиндра внутрь. Сгорание такого типа допускает использование более высокой степени сжатия, что дает дополнительный выигрыш как в крутящем моменте, так и в экономии топлива. 


И вот здесь интересующийся техникой читатель заметит, что в форкамерных двигателях питание главной и дополнительной камер осуществляется отдельно. И что в Формуле-1, согласно действующему техническому регламенту, разрешается использование только одного инжектора на цилиндр. При этом он должен располагаться в камере сгорания и работает при давлении до 500 бар. Исходя из вышеизложенного, возникает резонный вопрос: как единственная форсунка может производить обедненную и переобогащенную смесь одновременно?

Экскурс в историю

Возможный ответ подсказывает исследование пионера моторостроения Гарри Рикардо, проведенное сразу после Второй мировой войны. В экспериментальном двигателе E65 Рикардо применил инжектор, расположенный в форкамере, для конкретной цели: обеспечения обедненной основной смеси, и обогащенной возле свечи зажигания. Когда форсунка была полностью открыта, характер распыления представлял собой довольно узкий конус, достигающий основной КС, но при закрывании, форма становилась радиальной и питала только форкамеру. Вероятно, в Формуле-1 используют аналогичный способ.


В том, что касается серийного производства, подобные технологии, по большей части, остались в стадии исследований. За одним исключением: Mazda SkyActive, 2 поколения. Но, судя по последним тенденциям, нам едва ли доведется увидеть, как дороги заполонит продукция, построенная на подобных принципах. Ведь законодатели Евросоюза и США активно пересаживают весь мир на электромобили.