HCCI

L'allumage spontané homogène de charge de , ou le HCCI , est une forme de la combustion interne dans laquelle le carburant bien mélangé et l'oxydant (typiquement air) de sont comprimés au point d'auto-allumage. Comme sous d'autres formes de la combustion , cette réaction exothermique décharge l'énergie chimique dans une forme sensible qui peut être traduite par un moteur en travail et chaleur.

Introduction

HCCI a des caractéristiques des deux formes les plus populaires de combustion utilisées dans des moteurs d'IC : allumage par étincelle homogène de charge (moteurs d'essence ) et allumage spontané stratifié de charge (moteurs diesel ). Comme dans l'allumage par étincelle homogène de charge, le carburant et l'oxydant sont mélangés ensemble. Cependant, plutôt qu'using une décharge électrique pour mettre à feu une partie du mélange, la concentration et la température du mélange sont augmentées par compression jusqu'à ce que le mélange entier réagisse spontanément. L'allumage spontané stratifié de charge se fonde également sur l'augmentation et la concentration de la température résultant de la compression, mais la combustion se produit à la frontière du mélange fuel-air, provoquée par un événement d'injection, pour lancer la combustion.

La caractéristique de définition de HCCI est que l'allumage se produit à plusieurs endroits à la fois qui fait le mélange de carburant/air brûler presque simultanément. Il n'y a aucun initiateur direct de la combustion. Ceci rend le processus en soi provocant à la commande . Cependant, avec des avances dans des microprocesseurs et un arrangement physique du procédé d'allumage, HCCI peut être commandé pour réaliser le moteur d'essence - comme des émissions avec le moteur diesel - comme l'efficacité. En fait, des moteurs de HCCI ont été montrés pour réaliser extrêmement - les niveaux bas des émissions d'oxyde d'azote (NO_x) sans convertisseur catalytique de post-traitement. Les émissions non brûlées d'oxyde de carbone d'hydrocarbure et sont encore hautes (en raison des plus basses températures maximales), comme dans des moteurs d'essence, et doivent toujours être traitées pour rencontrer les règlements d'émission des véhicules à moteur de .

Histoire

Les moteurs de HCCI ont une longue histoire, quoique HCCI n'ait pas été aussi largement mis en application que l'allumage par étincelle ou l'injection diesel. C'est essentiellement un cycle de combustion d'Otto de . En fait, HCCI était populaire avant que l'allumage par étincelle électronique ait été employé. Un exemple est le moteur de chaud-ampoule de qui a employé une chambre chaude de vaporisation pour aider à mélanger le carburant à de l'air. La chaleur supplémentaire a combiné avec la compression a induit les conditions pour que la combustion se produise.

Opération

Méthodes

Un mélange de carburant et d'air mettra à feu quand la concentration et la température des réactifs est suffisamment haute. La concentration et/ou la température peuvent être augmentées plusieurs différentes manières :
Taux de compression élevé
Préchauffer les gaz d'induction
Induction obligatoire
Maintenir ou échappement de reinduct

Une fois que mis à feu, la combustion se produit très rapidement. Quand l'auto-allumage se produit trop tôt ou avec de la trop d'énergie chimique, la combustion est trop rapide et les pressions élevées de dans-cylindre peuvent détruire un moteur. Pour cette raison, HCCI est typiquement actionné aux mélanges globaux de carburant du maigre .

Avantages

HCCI est plus près du cycle d'Otto idéal que la combustion étinceler-mise à feu.
L'opération maigre mène à un rendement plus élevé que dans des moteurs d'essence étinceler-mis à feu
Le mélange homogène du carburant et de l'air mène à la combustion sans résidus et aux émissions inférieures. En fait, étant donné que les températures maximales sont sensiblement plus basses que dans l'étincelle typique a mis à feu des moteurs, niveaux du NO_x être presque négligeable.
Puisque HCCI court throttleless, il élimine des pertes de étranglement

Inconvénients

Pressions maximales élevées
Taux de dégagement de chaleur élevée
Difficulté de commande
Gamme de puissance limitée
Émissions à haut carbone de pré-catalyseur d'oxyde et d'hydrocarbure

Commande

HCCI de contrôle est un obstacle important à une commercialisation plus répandue. Il est plus difficile commander HCCI que d'autres méthodes modernes populaires de combustion.

Dans un moteur d'essence typique , une étincelle est employée pour mettre à feu le carburant et l'air prémélangés. Dans des moteurs diesel , la combustion commence quand le carburant est injecté dans l'air comprimé. Dans les deux cas, la synchronisation de la combustion est explicitement commandée. Dans un moteur de HCCI, cependant, le mélange homogène du carburant et de l'air est comprimé, et la combustion commence toutes les fois que les conditions appropriées sont atteintes. Ceci signifie qu'il n'y a aucun initiateur bien défini de combustion qui peut être directement commandé. Un moteur peut être conçu de sorte que les conditions d'allumage se produisent à une synchronisation souhaitable. Cependant, ceci se produirait seulement à un point d'opération. Le moteur ne pourrait pas changer la quantité de travail qu'elle produit. Ceci pourrait fonctionner dans un véhicule hybride , mais la plupart des moteurs doivent moduler leur rendement pour satisfaire des demandes d'utilisateur dynamiquement.

Pour réaliser l'opération dynamique dans un moteur de HCCI, le système de contrôle doit changer les conditions qui induisent la combustion. Ainsi, le moteur doit commander le taux de compression, la température installée de gaz, la pression de gaz installée, le rapport carburant-air, ou la quantité d'échappement maintenu ou reinducted.

Plusieurs approches ont été suggérées pour la commande :

Taux de compression variable

Il y a plusieurs méthodes de moduler le taux de compression géométrique et efficace. Le taux de compression géométrique peut être changé avec un plongeur mobile au dessus de la culasse. Le taux de compression efficace peut être réduit du rapport géométrique en fermant la valve d'admission très tard ou très tôt avec une certaine forme de mise en action variable de valve (c. laissant variable Miller de synchronisation de valve font un cycle ). Toutes les deux approches mentionnées ci-dessus exigent de quelques quantités d'énergie de réaliser des réponses rapides et sont chères (plus vrai pour la 2ème solution, la synchronisation de valve variable ayant été a maîtrisé). Une 3ème solution proposée est développée par la compagnie MCE-5 (nouveau Rod ).

La température variable d'induction

Cette technique est également connue en tant que gestion thermique rapide. Elle est accomplie en variant rapidement le cycle pour faire un cycle la température de charge de prise. Il est également cher de mettre en application et a limité la largeur de bande liée à l'énergie de déclencheur.

Pourcentage variable de gaz d'échappement

Le gaz d'échappement peut être très chaud si maintenu ou reinducted du cycle précédent de combustion ou se refroidir si recyclé par la prise comme dans les systèmes conventionnels de RGE . L'échappement a des effets duels sur la combustion de HCCI. Il dilue la charge fraîche, retardant l'allumage et réduisant l'énergie chimique et le travail de moteur. Les produits chauds de combustion réciproquement augmenteront la température des gaz dans le cylindre et l'allumage à l'avance.

Mise en action variable de valve

La mise en action variable de valve (VVA) a été avérée prolonger la région d'opération de HCCI en donnant un contrôle plus fin de l'histoire de température-pression-temps dans la chambre de combustion. VVA peut réaliser ceci par l'intermédiaire de deux méthodes distinctes :

1. Contrôle du taux de compression efficace : Un système variable de la durée VVA sur la prise peut commander le point auquel la valve d'admission se ferme. Si ceci est retardé après le centre mort inférieur (BDC), alors le taux de compression changera, changeant l'histoire de pression-temps de dans-cylindre avant la combustion. Commandant la quantité de gaz d'échappement chaud maintenu dans la chambre de combustion : Un système de VVA peut être employé pour commander la quantité de recirculation de gaz d'échappement interne chaude (EGR) dans la chambre de combustion. Ceci peut être réalisé avec plusieurs méthodes, y compris la ré-ouverture de valve et les changements de la valve recouvrent. En équilibrant le pourcentage de la RGE refroidie d'external avec la RGE interne chaude produite par un système de VVA, il peut être possible de commander la température de dans-cylindre.

Tandis que des systèmes électrohydrauliques et sans cames de VVA peuvent être employés pour donner beaucoup de contrôle de l'événement de valve, les accessoires pour de tels systèmes sont actuellement compliqués et chers.

Les systèmes variables mécaniques d'ascenseur et de durée, cependant, tandis qu'étant toujours plus complexes qu'un valvetrain standard, sont bien meilleur marché et moins compliqués. Si la caractéristique désirée de VVA est connue, alors il est relativement simple de configurer de tels systèmes pour réaliser le contrôle nécessaire de la valve polaire.

Voir également la synchronisation de valve variable .

Taux de pressions maximales élevées et de dégagement de chaleur

Dans une essence typique ou un moteur diesel, la combustion se produit par l'intermédiaire d'une flamme. Par conséquent à un point quelconque à temps, seulement une fraction de tout le carburant brûle. Ceci a comme conséquence de basses pressions maximales et le dégagement de basse énergie. Dans HCCI, cependant, le carburant/mélange entiers d'air met à feu et brûle presque simultanément ayant pour résultat des pressions maximales élevées et des taux de rejets de haute énergie. Pour résister aux pressions plus élevées, le moteur doit être structurellement plus fort et donc plus lourd.

On a proposé plusieurs stratégies pour abaisser le taux de combustion. Deux mélanges différents de carburant peuvent être employés, cela mettront à feu à différentes heures, ayant pour résultat la vitesse inférieure de combustion. Le problème avec ceci est la condition d'installer une infrastructure pour assurer le carburant mélangé. Alternativement, la dilution, par exemple avec l'échappement, réduit le taux de pression et de combustion au coût de production de travail.

Puissance

Dans un moteur d'essence, la puissance peut être augmentée en augmentant la charge de carburant/air. Dans un moteur diesel, la puissance peut être augmentée en augmentant la quantité du combustible injectée. Les moteurs peuvent résister à une poussée dans la puissance parce que le taux de dégagement de chaleur dans des ces moteurs est lent. Dans HCCI cependant, le mélange entier brûle presque simultanément. L'augmentation du rapport de carburant/air aura comme conséquence encore des taux de pressions maximales plus élevées et de dégagement de chaleur. En outre, l'augmentation du rapport de carburant/air (également appelé le rapport d'équivalence) augmente le danger du coup . En outre, plusieurs des stratégies viables de commande pour HCCI exigent le préchauffage thermique de la charge qui réduit la densité et par conséquent la masse de la charge air/carburant dans la chambre de combustion, puissance de réduction. Ces facteurs rend augmentant la puissance dans HCCI en soi provocant.

L'one-way pour augmenter la puissance est d'employer différents mélanges de carburant. Ceci abaissera le taux de dégagement de chaleur et les pressions maximales et permettra pour augmenter le rapport d'équivalence. Une autre manière est de stratifier thermiquement la charge de sorte que les différents points dans la charge comprimée aient les différentes températures et brûlent à différentes heures abaissant le taux de dégagement de chaleur permettant pour augmenter la puissance. Une troisième manière est de courir le moteur en mode de HCCI seulement aux conditions de charge de partie et de le courir comme diesel ou moteur à allumage par étincelle à de pleins ou proches états de chargement complet. Puisque beaucoup plus de recherche est exigée pour mettre en application avec succès la stratification thermique dans la charge comprimée, la dernière approche est étudiée plus intensivement.

Émissions d'oxyde de carbone et d'hydrocarbure

Puisque HCCI opère les mélanges maigres, les températures maximales sont plus basses par rapport à l'allumage par étincelle et aux moteurs diesel. Les basses températures maximales empêchent la formation sans _x. Cependant elles mènent également au burning inachevé du carburant particulièrement près des murs de la chambre de combustion. Ceci mène aux émissions à haut carbone d'oxyde et d'hydrocarbure. Un catalyseur de oxydation serait efficace à enlever les espèces réglées puisque l'échappement est toujours des riches de l'oxygène.

Différence de coup

Le coup de de moteur ou le de cinglement se produit quand certains des gaz non brûlés en avant de la flamme dans un moteur mis à feu par étincelle mettent à feu spontanément. Le gaz non brûlé en avant de la flamme est comprimé pendant que la flamme propage et la pression dans la chambre de combustion monte. La pression et la température correspondante des réactifs non brûlés peuvent les faire mettre à feu spontanément. Ceci cause un choc saluent transversalement de la région de gaz d'extrémité et une expansion saluent transversalement dans la région de gaz d'extrémité. Les deux vagues se reflètent outre des frontières de la chambre de combustion et agissent l'un sur l'autre pour produire les ondes stationnaires élevé d'amplitude.

Un procédé d'allumage semblable se produit dans HCCI. Cependant, plutôt qu'une partie du mélange de réactif mis à feu par compression en avant d'un front de flamme, l'allumage dans des moteurs de HCCI se produit en raison de la compression de piston. Dans HCCI, le mélange entier de réactif met à feu (presque) simultaneaously. Puisqu'il y a très peu ou pas de différences de pression entre les différentes régions du gaz, il n'y a aucune propagation d'onde choc et par conséquent aucun frappement. Cependant aux charges élevées (c. haut rapports de carburant/air), le frappement est une possibilité même dans HCCI.

Prototypes de HCCI

En date de l'août 2007 il n'y a aucun moteur de HCCI étant produit dans à l'échelle commerciale. Cependant plusieurs fabricants de voiture ont les prototypes entièrement de fonctionnement de HCCI.
le projet de moteur de Bourke a démontré le moteur de Bourke de .
le General Motors de

a démontré le Opel Vectra et l'aura de Saturne de avec les moteurs modifiés de HCCI.

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