HCCI-körkép

A HCCI égésfolyamatnak köszönhetően „van még egy dobása” az Otto-motoroknak. A Volkswagen konszern GCI (Gasoline Compression Ignition – kompressziógyújtásos Otto-) motorján keresztül bemutatjuk, mit jelent mindez ez a gyakorlatban.

A szabályozott öngyulladás alkalmazása szikragyújtású motorokban kedvező hatással van a tüzelőanyag-fogyasztásra és a károsanyag-kibocsátásra, amint arról cikksorozatunkban korábban már beszámoltunk. Jelenleg a legnagyobb kihívást az öngyulladásos égésfolyamat alkalmazhatósági tartományának kiterjesztése és a megbízható szabályozás jelenti. Továbbá nem elhanyagolható a költséghatékony előállíthatóság követelménye sem, hiszen ez nagymértékben kihat a technológia későbbi piaci sikerére. A járulékos költségek, amit például a hengernyomás érzékelők alkalmazása jelentene, éppen ezért elkerülendőek.

A Volkswagen konszern GCI motorkoncepciója egy 1,6 literes, közvetlen befecskendezéses, szikragyújtású (DISI – Direct Injection Spark Ignition) FSI motoron alapul. Amiben azon túlmutat, az a kétféle vezérműtengely bütyökprofil és az a képesség, hogy az aktuális üzemállapotnak megfelelően átkapcsol a hagyományos szikragyújtású-, valamint az újszerű öngyulladásos üzemmódok között. A levegő-tüzelőanyag keverék és a kipufogógáz-visszavezetés mértékének igen pontos beállítása szükséges a stabil égésfolyamat megvalósításához. Mindez azonban függ az aktuális üzemállapottól, az adott henger hőállapotától, valamint a befecskendezési nyomástól és a befecskendezés időzítésétől.

Először az égésfolyamat karakterisztikája, optimális beállításai és alkalmazhatósági határai kerültek meghatározásra egy motorfékpadon. Ezek az eredmények szolgáltak kiindulási alapul a GCI motor vezérlőelektronikájának fejlesztésekor. Végeredményben sikerült integrálniuk a mérnököknek a GCI-specifikus funkciókat az eredeti DISI motor vezérlő elektronikájába, ezáltal biztosítva a megbízható működést mind stacionárius, mind tranziens üzemállapotokban.

A tüzelőanyag-fogyasztás és a károsanyag-kibocsátás csökkenését sikerült beigazolni a kifejlesztett GCI funkciókkal, jóllehet csak olyan érzékelőket használtak fel, amelyek már szériagyártásban vannak. A motorban megvalósuló HCCI égésfolyamat a Volkswagen AG és az IAV GmbH közös fejlesztőmunkájának eredménye.

A szabályozott öngyulladás, mint égésfolyamat – amint már láthattuk –, rendkívül összetett. Az égéstérben lejátszódó folyamatokat a paraméterekben bekövetkező kis változások is nagymértékben befolyásolják, ami igen bonyolulttá teszi a szabályozást. Dinamikus üzemállapotokban való alkalmazása éppen ezért komoly kihívás. Az azonos nyomatékszinten megvalósuló, „sima” átváltás biztosítása a két üzemállapot között egy igen összetett mérnöki feladat.

Mivel szabályozott öngyulladással a motorban alacsonyabb NOx nyers emisszió érhető el, a GCI égésfolyamat gyakorlatilag valamennyi már meglévő motorkoncepcióba integrálható (sztöchiometrikus-, homogén szegény-, rétegezett szegény keverékképzés). A Volkswagen AG választása végül a sztöchiometrikusra (λ=1) esett.

Szelepvezérlés

A benzin fő tulajdonsága a nagy kompresszióviszony, vagyis a kis öngyulladási hajlam (hiszen éppen ezt szeretnénk elkerülni egy hagyományos Otto-motorban). A GCI motorban a keverék kompressziós ütem során bekövetkező öngyulladásának előidézéséhez elegendő energiát kell biztosítani. Ez a következő módokon valósítható meg:

• Kellően nagy kompresszióviszony
• Beszívott levegő előmelegítése
• Kipufogógáz visszatartása
• Külső vagy belső kipufogógáz-visszavezetés

Ezek közül a belső kipufogógáz-visszavezetés a leghatékonyabb módszer.

A kompresszióviszony 12:1 fölé növelése nem jöhet számításba, hiszen hagyományos üzemállapotban kopogáshoz vezetne. A beszívott levegő előmelegítése a motor dinamikus folyamatait nem tudja időben elég gyorsan lekövetni.

Egyhengeres kísérleti motorok esetén a kipufogógáz egy részének visszatartása és a maradék gázok komprimálása jelenti az egyetlen lehetőséget a megfelelő mennyiségű energia biztosítására. Ennek az a magyarázata, hogy egy egyhengeres motorban a kipufogógáz visszavezetési módszert alkalmazva a kipufogás és a visszavezetés között eltelt idő olyan hosszú, hogy a kipufogógáz jelentős része olyan messze kerül a motortól, hogy a visszavezetett gáz szükséges mennyiségét nem lehet elérni. Különböző megoldásokkal ki lehet alakítani egy puffert a kipufogó oldalon, ez azonban a töltetcsere veszteség növekedéséhez vezet. További hátránya a kipufogógáz visszatartásának a felső holtpont környékén jelentkező nagy hőveszteség, amely azt jelenti, hogy alacsony terhelés mellett nem jön létre az öngyulladás. Ez a megoldás viszonylag korlátozott lehetőségeket kínál a hengerben lévő kipufogógáz mennyiségének és a töltet hőmérsékletének külön-külön történő beállításához, ami azonban fontos lenne az égésfolyamat szempontjából. A módszer egy további hátránya az egymást követő ciklusok közvetlen függő viszonya. Mindegyik ciklus hatással van a következőre a visszatartott kipufogógázon keresztül, amely azt a kockázatot hordozza magában, hogy ciklusról ciklusra tovább adódik az eltérés. Egy egyhengeres motorban ez a CAI üzemállapot elhagyásához vezethet, míg egy többhengeres motor esetében az egyes hengerekben különböző égésfolyamatok játszódhatnak le. Ennek megfelelően a szabályozott öngyulladás tartománya a kipufogógáz visszatartásával meglehetősen korlátozott.

Többhengeres motorokban a kipufogógáz-visszavezetésnek számos előnye van. Ekkor az egyes hengerekbe az összes henger által kibocsátott kipufogógáz egy bizonyos elegye jut. Az egyes hengerekben létrejövő ciklus-ingadozások így kompenzálhatóak. A hőveszteség a hengerfalon kisebb, mint a kipufogógáz-visszatartás esetén, ami egyúttal azt is jelenti, hogy kisebb terhelési állapotok esetén is megvalósítható az öngyulladásos égés. Ráadásul a töltet hőmérséklete bizonyos határok között beállítható a kipufogógáz-visszavezetés időzítésének és időtartamának célszerű megválasztásával, a kipufogógáz mennyiségétől gyakorlatilag függetlenül.

Az előzőek ismeretében a Volkswagen-konszern a külső kipufogógáz-visszavezetés mellett döntött a GCI égésfolyamat kivitelezéséhez. A GCI és a széria motor (1,6 FSI, 85 kW) szelepemelési görbéi az 1. ábrán láthatók. GCI üzemmódban a szívószelep emelési magassága kisebb. A szívó oldali vezérműtengely szöghelyzete állítható, akárcsak a széria változat esetében. A kipufogógáz-visszavezetés érdekében kettős szelepemelés van a kipufogó oldalon. A szabályozott öngyulladás jelenleg csak korlátozott fordulatszám- és terhelés tartományban valósítható meg, ezért szükséges a kétféle bütyökprofil közötti átkapcsolás mind a szívó-, mind a kipufogó oldalon. Minden más alkatrész megegyezik a már szériában gyártottal.

A szívószelep és a kipufogószelep második nyitásának szöghelyzete és időtartama meghatározó jelentőségű az adott üzemállapotnak megfelelő mennyiségű kipufogógáz biztosításához. A követelmények minél tökéletesebb kielégítéséhez teljesen fokozatmentesen változtatható szelepvezérlés lenne kívánatos.

A problémát költségoldalról szemlélve megállapítható, hogy a folyamatosan változtatható szelepvezérlésben rejlő potenciál jelentős része sokkal alacsonyabb költségszinten is elérhető, körültekintően megtervezett, fix bütyökprofilokkal.

A szelepvezérlés változtathatóságánál sokkal fontosabb a visszavezetett kipufogógáz mennyiségének ciklusról ciklusra történő pontos meghatározása. Ez alapvető fontosságú a stabil öngyulladás szempontjából. Így egy hagyományos merev bütyökprofil is eleget tehet a követelményeknek. A hagyományos és az öngyulladásos üzemmód közötti átváltáshoz tehát megfelel a fentebb említett kettős bütyökprofil, amely már nagy szériákban is bizonyított (l. AVS – Audi Valvelift System).

Töltetcsere az üzemmódok váltásakor

GCI üzemmódban a töltet öngyulladása érdekében magasabb energiaszintre van szükség, amit a forró kipufogógázok nagyobb mértékű visszavezetésével érnek el, továbbá a motor a már bemutatott kétfokozatú szelepvezérléssel van ellátva.

A friss levegő mennyiségének megbízható meghatározásához szükséges a fordulatszám és a vezérműtengely szöghelyzetétől függő légszállítási jellegmező meghatározása. Azonban nagyon különböző friss levegő mennyiségek érhetők el azonos szívó oldali vezérműtengely állás esetén a hagyományos és a GCI üzemmódoknak megfelelő különböző bütyökprofilokkal. A friss levegő kalkuláció még elfogadható pontosságának biztosítása érdekében meg kell duplázni a jellegmezők számát, amely a friss levegő mennyiségét határozza meg az üzemmódtól függetlenül, és elő-vezérli a fojtószelepet.

A friss levegő szabályozása még összetettebb az üzemmódok váltásánál jelen lévő tranziens üzemállapotban: a friss levegő mennyiségét egy korrekciós tényezővel látják el, amely a szívócsőben mért nyomástól és a henger töltésétől függ. A nagy kipufogógáz-visszavezetési hányad miatt GCI módban ugyanakkora friss levegő töltet sokkal nagyobb szívócsőnyomás esetén érhető el, mint hagyományos üzemmódban. Ez a pillangószelep sokkal nagyobb nyitását teszi szükségessé.

A fejlesztés célja konstans nyomatékérték biztosítása az üzemmódok közötti váltások alkalmával. A 2. ábra az üzemmódok közötti váltások alkalmával szemlélteti a vezérlőegység által feldolgozott értékek görbéit, gyakorlatilag konstans nyomaték-igény esetén. Hagyományos üzemmódban az üzemmódváltást megelőzően a pillangószelepet jobban nyitják, ami nagyobb légtömeg-áramot és szívócsőnyomást eredményez. A nyomaték ennek következtében jelentkező növekedését a befecskendezési szög változtatásával küszöbölik ki. A vezérműtengely bütyökprofilok átváltását követően a légtömeg-áram a névleges értékre csökken, miközben a szívócsőnyomás továbbra is jelentősen nagyobb marad a nagyobb mennyiségű maradékgáz következtében. Hagyományosról GCI üzemmódra áttérve a keverék a sztöchiometrikus állapotból tüzelőanyagban szegény állapotba jut (λ ≈ 1,4).

Üzemmód menedzsment

Bizonyos feltételeknek még eleget kell tenni, mielőtt a GCI üzemmód eléri a szériagyártás stádiumát. Ezek a következőket foglalják magukba: motor hőmérséklete, mint az égésfolyamat hőhasznosításának alapja; a motor viselkedése az indítást követő felmelegedéskor; valamint az akkumulátor feszültség, amelynek egy meghatározott érték felett kell lennie, hogy biztosítsa a vezérműtengelyt állító aktuátorok megfelelő működését.

Továbbá elég nagy kipufogógáz-visszavezetési hányad szükséges a stabil GCI üzemmód biztosításához. Ez a követelmény jelenti a GCI üzemmód alkalmazhatóságának alsó korlátját; nagyon kis terhelési állapotok és alapjárat esetén a GCI üzemmód nem valósítható meg további strukturális változtatások nélkül. Szívó motoroknál a GCI üzemmód felső korlátja a fojtás nélküli tartomány. Ekkor a nyomaték csak dúsabb GCI üzemben biztosítható, vagy vissza kell térni hagyományos üzemmódba. A keverék dúsítása természetesen növeli a tüzelőanyag-fogyasztást, így ez a megoldás csak gyorsabb vagy lágyabb üzemmód váltás érdekében lehet érdekes. Egy további lehetőség, hogy nem az összes hengerben alkalmazzák a GCI üzemmódot a terhelés növekedésekor, hanem például két hengerben a nagyobb nyomatékot szolgáltató hagyományos égésfolyamat játszódna le.

A központi kijelzőn nyomon követhető az aktuális üzemállapot

A GCI üzemmód előnyeinek maximális kihasználása érdekében, amikor a nyomatékigény a GCI alkalmazhatósági tartományába esik, akkor át kell váltani erre az üzemmódra. Meg kell azonban jegyezni, hogy a hagyományosról GCI üzemmódra való áttérés a nyomaték időfüggő szabályozását jelenti a vezérműtengely, a töltetcsere, illetve a gyújtás időzítésének szabályozásával. Nem minden esetben érdemes azonban a GCI üzemmódra azonnal áttérni egy előre meghatározott nyomatékigény jelentkezésekor, például olyan gyorsítás esetén, amikor a fordulatszám-nyomaték jellegmezőn a lehetséges tartománynak csak egy kis részén haladunk át. Egy megbízható felismerő algoritmusra van szükség annak érdekében, hogy az átváltás csak olyan esetekben menjen végbe, amikor arra valóban szükség van.

Amikor a GCI üzemmód alkalmazásának feltételei már nem adottak, át kell váltani a bütyökprofilokat a hagyományos üzemmódot megvalósítókra. Az átváltást követően a nyomatékot a gyújtás időzítésével lehet szabályozni, amíg beáll az egyensúlyi helyzet. A hagyományos üzemmódra való visszatérés hamarabb végbemegy, mint a GCI üzemmódra történő átváltás.

Széria közeli alkatrészek

A technológia szériában való alkalmazása nem pusztán technikai elhatározás kérdése, hanem nagymértékben függ a termék árától. A nyomásérzékelők égéstérben történő alkalmazása, vagy indirekt nyomásmérés, például ionáram-méréssel, ezért nem megengedhetőek még akkor sem, ha az égésfolyamat az alkalmazási tartomány dús részén kis nyomásváltozások hatására is kritikussá válhat.

A folyamat szabályozásához szükséges adatok visszacsatolása úgy lehetséges, hogy a dugattyúkat nyomásérzékelőknek tekintjük. Az égéstér nyomása és az adott dugattyú által szolgáltatott nyomaték között fennálló kapcsolat folytán a főtengely szöggyorsulás-lengéseit vizsgálva lehet következtetni az egyes hengerekben uralkodó nyomásra.

Már ki is dolgoztak egy komplex módszert a nyomaték-egyensúly biztosítására. Ez figyelembe veszi a súrlódás leküzdéséhez, továbbá a mellékhajtásokhoz és a jármű gyorsításához szükséges, illetve az útfelület által a hajtásláncra kifejtett nyomatékot.

A GCI-képes motorvezérlő elektronika megalkotásánál kihívást jelent egyrészt az égésfolyamat szabályozásának robusztussága, másrészt a költségszint alacsonyan tartása, a későbbi potenciális szériagyártás érdekében. A motorvezérlés megalkotásakor tekintettel kell lenni a rendszer öregedésére és a komponensek tűrésére. Így aztán pár évet még egészen biztosan várnunk kell a technológia megjelenésére a mindennapokban.

Hegedüs Tamás