HCCI körkép

A homogén töltetű kompressziógyújtás koncepciója Japánból ered és egészen az 1970-es évek végéig vezethető vissza. A szikragyújtású és a dízel motorok tulajdonságainak egyesítésével a HCCI motor a dízel motorokra jellemző nagy hatásfokot szinte jelentéktelen NO_x és részecske kibocsátás mellett érheti el. További előnye, hogy a motor különböző tüzelőanyagok változatos kombinációjával üzemelhet. Ezen jellemzőknek köszönhetően egyáltalán nem meglepő, hogy világszerte jelentős kutatások folynak a HCCI motorral kapcsolatosan.

A fejlesztőket a következő célok vezérelték munkájuk során:

1. A hatásfok javításán keresztül csökkenteni a tüzelőanyag-fogyasztást.

2. A motor nyers károsanyag kibocsátásának csökkentése (így a költséges kipufogógáz utókezelési technikáknak legalább egy része elhagyható).

3. Rendelkezésre álló gyártási technológiák és motorkoncepciók felhasználásával, minimális többletköltséggel megvalósítható legyen.

4. Egyszerű kezelhetőség, a felhasználó számára ne okozzon nehézséget az alkalmazása (pl. hidegindítás, átkapcsolás az üzemállapotok között stb.).

A benzin-levegő keveréket a hagyományos Otto-motoroknál a gyújtógyertya szikrája gyújtja meg. Ezzel szemben a HCCI égésfolyamatot megvalósító motorokban a kompresszió során a hengerben felmelegedő töltet, illetve a (külső- vagy belső) kipufogógáz-visszavezetés következtében jelen lévő forró kipufogógázok energiájának hatására a tüzelőanyag először hőbomláson megy keresztül, majd az égéstér számos pontján egyidejűleg kialakuló gyulladási magokból kiindulva egy lassú égési folyamat jön létre. Ez a szimultán öngyulladásos lassú égési folyamat nem jár lángjelenséggel (ez ún. hidegláng - cold flame), így nagymértékben különbözik a hagyományos Otto-motorok esetében igen káros és ezért elkerülendő spontán detonációs égéstől, vagy más néven a kopogás jelenségétől (ilyenkor a lángfront terjedési sebessége az 1000 m/s-ot is meghaladhatja).

A HCCI oxidációs reakció nem más, mint egy kétlépcsős öngyulladási folyamat: alacsony hőmérsékletű reakció (AHR) és magas hőmérsékletű reakció (MHR) közbeni hőfelszabadulás. Az AHR közbeni hőfelszabadulás a teljes hőfelszabadulás körülbelül 8-12%-a. Az AHR hatásainak figyelmen kívül hagyásának érdekében definiálták az égési időtartamot (φ_20-90), amely a tüzelőanyag 20 és 90 tömeg% arányú égési állapotai között megtett főtengelyfordulatot fejezi ki ft° mértékegységben.

A hagyományos szikra (Otto-) vagy kompressziógyújtású (dízel-) motorok esetében a tüzelőanyagnak igen nagy hőmérsékleten kell elégnie, hogy az égésfolyamat kellően rövid idő alatt lejátszódjon. A HCCI motorokban ugyanakkor nincs szükség a gyorsan terjedő lángfrontra, hiszen az égésteret homogén módon kitöltő tüzelőanyag egyszerre számtalan helyen öngyullad. Így a lokális égésfolyamat a két szomszédos gyulladási mag közötti térrészre korlátozódik, nem pedig az egész égéstérre. Ennek eredményeként az égéstérben csökkenthető a hőmérséklet, ami a nitrogén-oxidok kibocsátását igen kedvezően befolyásolja.

Azonban a HCCI motorokban lejátszódó égésfolyamat nagy szénhidrogén (HC) és szén-monoxid (CO) emisszióval jár együtt. Mindez a viszonylag kis égési hőmérséklet eredménye.

Öngyulladás leggyakrabban akkor lép fel, amikor a dugattyú a felső holtponti helyzetbe kerül. Az öngyulladás időzítése éppen ezért nagyon kritikus, de a HCCI motor esetében két időzítés szabályozó mechanizmus is kiesik. Egyrészt az égés kezdete nem befolyásolható közvetlenül egy külső tényezővel, mint például a befecskendezés kezdete a dízel motoroknál vagy a gyújtógyertya szikrája a benzinüzemű motoroknál. Másrészt a hőfelszabadulásra nincs hatással a tüzelőanyag befecskendezés gyorsasága és időtartama, mint egy dízel motor esetében, vagy a turbulens áramlatoknak, mint a szikragyújtású motorokban.

A forró kipufogógázokat is fel lehet használni hőforrásként, amely biztosítja a HCCI elven történő öngyulladást. A forró kipufogógázok mennyisége változtatható szelepvezérléssel (VVT – Variable Valve Timing) egyszerűen szabályozható (belső kipufogógáz-visszavezetés). A VVT rendszer javíthatja a volumetrikus hatásfokot is a szívószelep nyitási és zárási időpontjának változtatásával.

A kísérletek során általánosan elterjedt a dimetil-éter (DME) alkalmazása, amely nagy cetánszámának köszönhetően alkalmas gyulladássegítőnek, és néhány kutató a gázolaj helyett alkalmazható alternatív tüzelőanyagnak tekinti. A DME fizikai és kémiai tulajdonságai igen közel állnak a gázolajéhoz. Nagy cetánszámán kívüli további előnyös tulajdonsága, hogy oxigén atomokat tartalmaz, és könnyen párolog. A nagyfokú illékonyság megakadályozza a hengerfal nedvesedését korai befecskendezéskor. A benne lévő oxigén atomok az expanzió során oxidálják a kormot.

A tüzelőanyagok alkalmazhatósági tartományának kiterjesztése érdekében kerültek kifejlesztésre a kettős üzemű HCCI motorok. A kis és nagy cetánszámú tüzelőanyag kombinálása egyidejűleg kielégítheti a kis és nagy terhelésű üzemállapotok által támasztott követelményeket. A legismertebb tüzelőanyag-kombinációk a benzin-gázolaj és az LPG-DME. A legtöbb kettős üzemű HCCI kísérlet során a gyulladási karakterisztikát, a kipufogógáz emissziót és a motor pillanatnyi üzemállapotának megfelelő tüzelőanyag kombináció adaptációs lehetőségeit próbálják meg feltárni.

Dízel HCCI

A dízelmotorokban megvalósítható HCCI égésfolyamat megvalósításának kutatása bő egy évtizede vette kezdetét, a NOx- és a részecske kibocsátás csökkentését szem előtt tartva. Akárcsak a benzinüzemű HCCI motorokban, az öngyulladás itt is egyidejűleg lép fel az égéstér számos pontján. Az emisszió csökkenése annak köszönhető, hogy a dízel tüzelőanyag és levegő homogén keveréke a hagyományosnál alacsonyabb hőmérsékleten ég el, amikor is még nem játszódnak le a nitrogén-oxidok keletkezésének reakciói.

A dízel HCCI üzemállapot a precíz termikus egyensúlyon áll vagy bukik. Az égéstérben magas hőmérsékletre van szükség, különben a tüzelőanyag nehezen párolog. Ez azonban az égésfolyamatra jellemző alacsonyabb hőmérséklet miatt nehezen megvalósítható.

Három módszert vizsgáltak a tüzelőanyag-levegő keverék létrehozására. Elsőként a szívócső befecskendezést. Aztán a jóval a felső holtpont előtti közvetlen befecskendezést, amivel szintén előállító a homogén keverék az öngyulladást megelőzően. A harmadik megközelítés szerint a hagyományosnál későbbi befecskendezést alkalmaznak nagymértékű kipufogógáz-visszavezetéssel, ezáltal segítve a tüzelőanyag gyors párolgását. Egy további, negyedik stratégia a víz befecskendezés alkalmazása az égéstérben uralkodó hőmérséklet csökkentése érdekében, így az öngyulladás időpontja késleltethető, amíg a töltet megfelelően homogenizálódik.

HCCI motorok üzemeltetésével kapcsolatos kérdések

Jóllehet a HCCI motorokkal kapcsolatos fejlesztések már az 1970-es évek végén elkezdődtek, az első ilyen elven működő motorral ellátott és a sajtó képviselői által kipróbálható járműveket csak 2007. augusztus 24-én mutatta be a GM (Saturn Aura, Opel Vectra). Ugyanakkor Tom Stephens, a GM Erőátvitel és Minőségbiztosítás osztályának alelnöke szerint is legkorábban 2013-ban találkozhatunk szériagyártású járművekben ezzel az előremutató technológiával. Addig is még számtalan problémát kell megoldani.

Először is a HCCI elven működő motor energiasűrűsége kisebb, mint a sztöchiometrikus benzin-levegő keverékkel üzemelő motor megfelelő adata. A legnagyobb kihívást azonban a HCCI égésfolyamat ellenőrzése jelenti. Különösen igaz ez a hagyományos és HCCI elvű égésfolyamatok közötti tranziens jelenségre. A hideg motor nem indítható HCCI üzemmódban, ugyanis ekkor a maradék gázok energiatartalma túlságosan alacsony az öngyulladás előidézéséhez. Éppen ezért nem alkalmazható a HCCI üzemmód az üresjárathoz közeli kis terhelési tartományban sem.

Ennek kiküszöbölésére a HCCI motorok tervezésekor a hagyományos benzinüzemű motorokból indulnak ki, amelyeket a szikragyújtású mellett alkalmassá tesznek a HCCI égésfolyamat megvalósítására is. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a motor csak a megfelelő üzemállapotokban vált át a HCCI üzemmódra. Jelenleg ez az átváltás körülbelül 80 km/h sebességig tolható ki. A két üzemmód közötti átváltást a szelepemelés idejének és magasságának változtatásával a szofisztikált motorvezérlő egység (ECU) végzi, a hengerenkénti nyomásérzékelőktől, a termosztáttól és a Flex-Fuel motorokban alkalmazotthoz hasonló tüzelőanyag-érzékelőtől érkező adatoknak megfelelően.

A vizsgálatok azt mutatták, hogy a belső égésű motor az üzemidő kb. 40%-ában képes a HCCI üzemállapotban működni. Ennek következtében a szabványos menetciklusban mérve hozzávetőlegesen 15%-os tüzelőanyag-fogyasztás csökkenés érhető el.

A problémás üresjárati állapot csökkentése vagy elkerülése érdekében start-stop funkcióval láthatják el a járművet. A kis terhelési üzemállapotok gyakorisága hengerlekapcsolással csökkenthető, valamint a HCCI motorok hibrid járművek belső égésű erőforrásaként történő alkalmazásával is kiküszöbölhetők ezek a nemkívánatos üzemállapotok.

További nehézséget jelent, hogy az égési csúcshőmérséklet ugyan jóval a NOx kialakulásának hőmérséklete alatt van, azonban ilyen körülmények közepette a tüzelőanyag oxidációja az égéstérben nem tökéletes. Ez napjaink szikragyújtású motorjaihoz képest akár 50%-kal nagyobb HC és CO szintű emisszióhoz vezethet. Az igen kedvező részecske- (PM) és NOx-kibocsátást azonban beárnyalja az a tény, hogy a kipufogógázok meglehetősen alacsony hőmérséklete miatt a hagyományos katalizátorokban alkalmazott katalitikus folyamatok nem mennek végbe megfelelően, így az előbbi két kipufogógáz-összetevő mennyisége csak újabb technológiák kifejlesztése útján csökkenthető elfogadható mértékűre.

Mivel a HCCI technológia a hosszú fejlesztőmunka ellenére még mindig viszonylag gyermekcipőben jár, így a laboratóriumon kívüli kísérletek még csak a közeljövőben indulnak nagyobb számban.

A későbbiekben ezeket a már megvalósított konkrét fejlesztéseket vesszük sorra.

Hegedüs Tamás

A keveréken kívül nem akarunk senkit megkeverni…

Ma még nem egészen kiforrott a Diesel- és az Otto-motor egyesítéséből létrejövő motor (innen az elnevezés, hogy DiesOtto- vagy dízotto-motor), valamint a bennük megvalósuló egyesített elégetési, energiafelszabadítási eljárás terminológiája. A HCCI égésfolyamat kutatásának kezdete, a '70-es évek vége óta több tucat különböző megnevezést használtak. A CAI (Controlled Auto Ignition / szabályozott öngyulladás) lényegében ugyanaz, mint a HCCI égésfolyamat, egyes források azonban különbséget tesznek a benzin- és dízelüzemű HCCI motorok között, az előbbire használva a CAI megjelölést. A kettő között a legfontosabb különbség, hogy az Otto-motorból kifejlesztett HCCI motorokban továbbra is van gyújtógyertya, hiszen a tüzelőanyag öngyulladása csak bizonyos üzemállapotokban megengedett, egyéb esetekben pedig hagyományos szikragyújtású motorként üzemeltethető. A két égésfolyamat közötti áttéréshez egy igen szofisztikált vezérlő elektronikára van szükség. Ezen különbségek együttesen mégiscsak indokolttá tehetik a CAI megjelölést azon HCCI-motorok esetében, amelyek őse az Otto-motor. 

A HCCI megjelölés tulajdonképpen magát az égésfolyamatot jelenti, a CCS (Combined Combustion System) pedig a motort (rendszert), amely megvalósítja a HCCI és hagyományos égésfolyamatok kombinációját az aktuális üzemállapotnak megfelelően. Bár a VW-konszern – akinek motorkísérleteiről a következő részekben szólunk - eléggé kisajátította a CCS megjelölést, és az ő rendszerük nem is használható akármivel, csak a szintetikusan előállított SunFuel nevezetű speciális tüzelőanyaggal. A CCS megjelölésnek eredetileg pont az volt a lényege, hogy a benzin- és dízelmotorok lassan „összeérnek"; azaz a kompresszióviszony benzineseknél nő (VW FSI 12:1, Toyota Prius 13:1), dízeleseknél csökken (Toyota 2,2 D4D D-CAT Clean Power 15,7:1). Míg végül már csak a CCS lenne, amelybe mindegy, hogy gázolajat, vagy benzint vagy akár metanolt, etanolt, LPG-t stb. tankolunk.

Tehát a hagyományos értelemben vett CCS-től még eléggé messze vagyunk (a VW-konszern hasonló megnevezésű erőforrásáról nem is beszélve), és újabban az egyes gyártók is inkább külön kezdik kezelni a benzin- és dízelüzemű HCCI motorokat. (HT)