Homogen laddningskompressionständning ( HCCI ) är en förbränningsmotor i vilken ett välblandat bränsle och oxidationsmedel (vanligtvis luft) komprimeras till självantändningspunkten . Precis som med andra typer av förbränning frigör denna exotermiska reaktion energi som kan omvandlas av motorn till värme och nyttigt arbete.
En sådan motor kombinerar egenskaperna hos konventionella bensin- och dieselmotorer . Bensinmotorer använder en homogen blandning och gnisttändning . Moderna dieselmotorer använder en skiktad blandning och kompressionständning.
Precis som i en bensinmotor sker HCCI-bränsleinsprutningen på insugningstakten. Men istället för att använda en elektrisk gnista för att antända en liten del av bränsleblandningen, komprimerar HCCI hela blandningen på en gång, vilket ökar dess densitet och temperatur tills den samtidigt antänds hela tiden.
Moderna dieselmotorer fungerar på liknande sätt, med skillnaden att insprutningen sker senare under kompressionscykeln. Förbränning sker vid luft/bränsle-gränssnittet, vilket skapar mer utsläpp, kräver en mindre mättad blandning och skapar en högre förbränningstemperatur, vilket resulterar i högre effektivitet.
Att styra en HCCI-motor kräver användning av ett mikroprocessorstyrsystem och en förståelse för tändningens fysik. Sådana motorer kan kombinera de relativt rena avgaserna från bensin och dieselns höga effektivitet.
Även HCCI-motorer har extremt låga NOx-utsläpp även utan användning av en katalysator. För att uppfylla miljökraven krävs dock neutralisering av oförbrända kolväten och kolmonoxid.
Nyligen genomförda studier har visat att användningen av hybridbränslen (t.ex. en blandning av diesel och bensin) hjälper till att bättre kontrollera antändnings- och förbränningsprocesserna i HCCI-motorer [1] .
HCCI-motorer har en lång historia, även om de inte är lika utbredda som bensin- och dieselmotorer. Sådana motorer var populära före tillkomsten av elektrisk gnisttändning. En sådan motor är oljemotorn (brännare), som använde en varm ångkammare för att blanda bränslet med luft. Ytterligare uppvärmning tillsammans med kompression skapar förutsättningar för förbränning. Ett annat exempel är den kompressionsförgasade motorn som ofta används i flygplansmodellering.
Blandningen av luft och bränsle antänds när temperaturen och trycket i blandningen är tillräckligt högt. Koncentrationen och/eller temperaturen kan ökas på något av följande sätt:
Omedelbart efter tändningen börjar förbränningen, som går mycket snabbt. Om självantändningen är för tidigt eller för mycket energi frigörs kan högt tryck i cylindrarna leda till att motorn förstörs. Därför, när motorn är igång, används vanligtvis en mager blandning.
En motor med kompressionständning är svårare att kontrollera än andra ICE. Bensinmotorer använder tändstift för att antända bränsleblandningen. I dieselmotorer börjar förbränningen när bränsle sprutas in i förkomprimerad luft. I båda fallen sker antändning vid en viss tidpunkt. I HCCI-motorer däremot komprimeras en homogen blandning av bränsle och luft och förbränningen börjar vid ett godtyckligt ögonblick då temperatur och tryck blir tillräckliga för självantändning. Det betyder att det inte finns någon specifik tändinitiator som kan styras. Motorn måste vara konstruerad på ett sådant sätt att självantändningsförhållanden uppnås i tid. För stabil drift måste motorstyrningssystemet kontrollera de förhållanden som initierar förbränning. Dessa metoder kan vara: kompressionsförhållande, temperatur och laddtryck, förändring av procentandelen av avgasåterföring.
KompressionsförhållandeDet finns två kompressionsförhållanden. Det geometriska kompressionsförhållandet kan ändras med hjälp av en rörlig kolv i toppen av cylinderhuvudet. Ett sådant system används i kompressionsförgasarmotorer för flygplansmodeller. Det effektiva kompressionsförhållandet kan reduceras relativt geometriskt genom att stänga insugningsventilen antingen för tidigt eller för sent med hjälp av variabel ventiltid (VVT). Båda metoderna kräver energi för att uppnå önskad hastighet [9] . De är också dyra men effektiva. Effekten av kompressionsförhållande på förbränningsprocessen i en HCCI-motor är föremål för forskning [10] .
Boost temperaturSjälvantändning i HCCI är ganska temperaturkänslig. Det enklaste sättet att kontrollera temperaturen är att använda motståndsvärmare vid inloppet, men hastigheten på detta tillvägagångssätt räcker inte för att ändra temperaturen under en cykel [11] . Ett annat sätt är snabb temperaturhantering (FTM), den implementeras genom att blanda varm och kall luft vid intaget [12] . Denna metod har den nödvändiga hastigheten, men är dyr och har prestandabegränsningar.
Procentandel av avgasåterföringAvgaser kan vara mycket varma om de matas tillbaka till cylindrarna direkt från avgaskanalen, eller kalla om de recirkuleras genom intaget, vilket görs i avgasåterföringssystem (EGR). Avgaser påverkar förbränningsprocessen i HCCI på två sätt. De späder ut den nya laddningen, fördröjer antändningen och minskar energiutsläppet och därmed den resulterande kraften. Heta förbränningsprodukter, tvärtom, ökar temperaturen i cylindern och påskyndar starten av tändningen. EGR-kontroll av HCCI-motorer har påvisats experimentellt [13] .
Variabel ventiltidVariabel ventiltid (VVA) utökar driftsområdet för HCCI-motorn och tillåter mer exakt kontroll av kombinationen temperatur-tryck-tid i förbränningskammaren. Detta kan uppnås på följande sätt:
Elektrohydrauliska och ventillösa variabla ventiltider, även om de ger kontroll över motorns drift, är överdrivet komplexa och dyra, medan utbredda mekaniska system kan ställas in för att uppnå önskade motordriftsförhållanden.
En blandning av olika typer av bränsleEtt annat sätt att öka motorns arbetsområde är att kontrollera uppkomsten av självantändning och värmeavgivning [14] [15] genom att ändra sammansättningen av själva bränslet. Detta uppnås vanligtvis genom att blanda flera bränslen i farten i samma motor [16] . Exempel är kommersiellt tillgängliga motorer som använder naturgas [17] och etanol [18] tillsammans med bensin/diesel [19] . Detta kan uppnås på olika sätt:
Compression Ignition Direct Injection (CIDI) är en avancerad teknik för tändningstid och värmekontroll som används i dieselmotorer. Compression Pre-Mixed (Partially) Combustion Ignition (PPCI eller PCCI)-motorn är en kompromiss mellan lättmanövrerade CIDI-motorer och mer miljövänliga HCCI-motorer, i synnerhet med låg sotbildning [20] . Värmeavgivningen kontrolleras genom att skapa en brännbar blandning som brinner längre och är mindre benägen att detonera. Detta görs genom att injicera blandningen i ett sådant ögonblick att, när antändningen börjar, områden med ett annat förhållande mellan bränsle och luft bildas i cylindern. Förbränningen startar på olika ställen i förbränningskammaren vid olika tidpunkter och bromsar därmed värmeavgivningen. Blandningen bildas på ett sådant sätt att anrikade områden av blandningen undviks som leder till bildning av sot [21] . Användningen av EGR och dieselbränsle med hög motståndskraft mot antändning ger mer tid att blanda före antändning, vilket minskar antalet berikade områden i blandningen [20] [21] .
I en konventionell förbränningsmotor sker förbränningen i förbränningsläget. Sålunda brinner endast en viss del av bränslet vid ett visst ögonblick. Detta resulterar i jämförelsevis lågt tryck och energiutsläpp. I HCCI-motorer antänds hela luft-bränsleblandningen samtidigt och brinner ut på kortare tid, samtidigt som trycket och energiutsläppet är mycket högre. Detta ökar kraven på hållfastheten hos motordelar.
I en förbränningsmotor sker en förändring (ökning) av effekten genom att helt enkelt införa mer bränsle i cylindrarna. Eftersom värmealstringshastigheten i sådana motorer är relativt långsam kan de motstå denna effektökning. I HCCI-motorer leder dock en ökning av bränsle/luft-förhållandet till en ökning av tryck och värmeutveckling. Dessutom involverar många metoder för att styra HCCI-motorer förvärmning av bränslet, vilket leder till en minskning av densiteten och följaktligen massan av luft-bränsleblandningen i förbränningskammaren, vilket minskar effekten. På grund av detta är det en svår uppgift att kontrollera kraften hos en HCCI-motor. Ett sätt är att använda en blandning av bränslen med olika självantändningsmotstånd. Detta minskar topptryck och värmealstring och möjliggör ett lägre luftöverskottsförhållande. Ett annat sätt är termisk skiktning av luft-bränsleblandningen så att den komprimerbara blandningen vid olika punkter har en annan temperatur och förbränningshastighet. Ett tredje sätt är att begränsa motorn i HCCI-läge till endast partiell belastning genom att växla den till konventionell förbränning (diesel/bensin) med full effekt.
Eftersom HCCI körs på en mager blandning är dess maximala temperatur lägre än i gnisttändningsmotorer och dieslar. Detta leder till en minskning av NOx-utsläppen, men leder också till ofullständig förbränning av bränslet, särskilt nära förbränningskammarens väggar. Detta resulterar i ökad kolmonoxidproduktion och ökade kolväteutsläpp. En oxiderande katalysator kan fånga sådana utsläpp som det finns fortfarande mycket syre i avgaserna.
Knackning uppstår när, i en bensinmotor med gnisttändning, oförbrända gaser spontant antänds innan gnistbildning. Dessa gaser komprimeras när förbränningen sprider sig och trycket i förbränningskammaren ökar. Detta gör att en stötvåg utgår från blandningen nära kolven och en expansionsvåg rör sig mot kolven. De två vågorna reflekteras från förbränningskammarens väggar och samverkar för att skapa stående vågor med hög amplitud, och bildar därigenom den enklaste termoakustiska enheten där resonansen förstärks genom att öka värmen under vågens passage, precis som ett Rijke-rör. En liknande process inträffar i HCCI, men i den sker antändning under kolvkompression mer eller mindre samtidigt genom hela volymen av den komprimerbara blandningen. Skillnader i tryck mellan olika regioner av blandningen, så inga stötvågor bildas och ingen detonation inträffar, men den snabba tryckstegringen som krävs för att nå punkten för maximal effektivitet i en nästan isokorisk reaktion uppnås.
Datormodeller för simulering av förbränning och värmealstring i HCCI-motorer kräver detaljerade kemiska modeller. Detta beror på att tändning har mer att göra med kemisk kinetik än med turbulens eller gnistbildningsprocesser i konventionella bensin- och dieselmotorer. Datorsimuleringar har visat vikten av att bestämma den faktiska homogeniteten hos blandningen i cylindrarna, särskilt när det gäller dess temperatur. Denna homogenitet uppnås genom turbulens och värmeöverföring från cylinderväggarna. Nivån på temperaturskiktningen bestämmer hastigheten för värmeavgivningen och följaktligen tendensen att detonera. Detta begränsar användbarheten av antagandet att betrakta hela blandningen som en enda zon, så integrationen av en 3D CFD-kod som KIVA CFD och en kod för att snabbt lösa sannolikhetsdensitetsfördelningsfunktionen krävdes.
För 2019 har endast andra generationens Mazda SkyActive-G-motorer (Skyactive-X), som är installerade på Mazda 3, nått massproduktionsstadiet. Tvålitersmotorn är utrustad med turboladdare och har ett kompressionsförhållande av 18:1.
Dessutom visades:
För närvarande förblir de flesta HCII-motorer prototyper, men forskning inom detta område har lett till framsteg inom bränsle- och motorutveckling, såsom: