موتور «HCCI» پیوندی میان موتورهای بنزینی و دیزلی

به گزارش پدال نیوز به نقل از صمت ، معیارهایی که باید در طراحی این نوع از فناوری مدنظر باشند عبارتند از نسبت تراکم بالا، مخلوط سوخت و هوای رقیق همگن، احتراق کامل و آنی که منجر به احتراق تراکمی شارژ همگن شود. HCCI بهترین ویژگی‌های احتراق جرقه‌ای و احتراق تراکمی را با یکدیگر ترکیب می‌کند یعنی همانند یک موتور اشتعال جرقه‌ای با مخلوط سوخت و هوای مناسب شارژ می‌شود و همانند یک موتور اشتعال تراکمی به صورت تراکمی احتراق می‌یابد و به علت نبود دریچه هوا دارای کارآیی بالاست. این مقاله فناوری پیشرفته موجود در موتور HCCI و همچنین چالش‌ها و مزیت‌ها آن را بررسی می‌کند.
موتورهای احتراق داخلی مقدار سوخت زیادی برای تولید توان و انتشار گازهای خروجی مضر شامل کربن منواکسید(CO)، هیدروکربن(HC)، اکسیدهای نیتروژن(NOx)، ذرات رسوب (PM) و دی‌اکسیدکربن (CO2) مصرف می‌کنند. احتراق تراکمی(CI) و احتراق جرقه‌ای(SI) دو نوع از فناوری‌هایی هستند که در خودروهای سواری پایه‌گذاری شدند. هر دو نوع از احتراق، سوخت‌های فسیلی را مصرف می‌کنند و هر کدام جداگانه دارای مزیت‌ها و عیب‌های مخصوص خود هستند.
ویژگی شاخص موتورهای اشتعال جرقه‌ای انتشار شعله برای احتراق است. این موتورها با کنترل دقیق نسبت هوا به سوخت و استفاده از مبدل کاتالیست تولیدکننده‌های توان به نسبت پاکی هستند اما کارآیی آنها به علت به کاربردن دریچه هوا، ضربه (knock) و قابلیت اشتعال محدود، کاهش می‌یابد. در مقابل یک موتور اشتعال تراکمی از یک مخلوط همگن سوخت به هوا استفاده می‌کند. در این موتورها تنها اصطکاک هوا و سوخت پیش‌بینی شده است که منجر به سوختن سریع می‌شود درحالی‌که برای قسمت اعظمی از سوخت، مقیاس زمانی انتشار تبخیر سوخت بیشتر از مقیاس زمانی واکنش شیمیایی سوخت است. بنابراین مخلوط سوخت و هوا موجود در محفظه احتراق را می‌توان به دو ناحیه تقسیم‌بندی کرد که عبارتند از ناحیه تمرکز بالای سوخت و ناحیه با دمای شعله بالا. در مناطق غنی شده از سوخت، نرخ تشکیل دوده به علت نبود اکسیژن بالاست. همچنین در مناطق با دمای بالا، نرخ تشکیل اکسیدهای نیتروژن(NOx) نیز افزایش می‌یابد. این موتورها تولیدکننده‌های بسیار کارآمدی هستند اما انتشار NOx و PM محدودیت جدی این نوع از موتورها به‌شمار می‌رود.
 
 
 
 
احتراق HCCI
در این نوع از احتراق، سوخت و هوا قبل از شروع احتراق با یکدیگر مخلوط می‌شوند و این مخلوط در چندین مکان از محفظه احتراق به واسطه افزایش در دما و فشار به‌صورت آنی خوداشتعال می‌شود، در این حالت فرآیند احتراق در شرایط مخلوطی رقیق اتفاق افتاده و کنترل می‌شود که این امر به نوبه خود منجر به کاهش دمای احتراق و در نتیجه کاهش انتشار NOx و همچنین کاهش مصرف سوخت می‌شود علاوه براین به علت مخلوط شدن همگن سوخت و هوا دیگر شاهد ایجاد نواحی غنی از سوخت و تشکیل رسوب (PM) در داخل محفظه احتراق نخواهیم بود.
نحوه کارکردن موتور HCCI
در یک موتور HCCI که براساس چرخه چهارزمانه موتور اتو است کنترل تحویل سوخت، پارامتری مهم در کنترل کردن فرآیند احتراق به شمار می‌رود. در مرحله مکش، مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق هرکدام از سیلندرها می‌شود البته در بعضی موارد سعی شده که ایجاد مخلوط همگن سوخت و هوا با پاشش سوخت از جانب انژکتور در داخل سیلندر انجام می‌شود. هنگامی که پیستون شروع به بالا آمدن در مرحله تراکم می‌کند این امر به نوبه خود منجر به افزایش گرما در محفظه احتراق می‌شود، زمانی که پیستون به پایان مرحله تراکم می‌رسد، گرمای کافی برای احتراق آنی مخلوط سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه فراهم می‌شود و این احتراق پیستون را مجبور به پایین رفتن در مرحله توان می‌کند. برخلاف موتورهای احتراق جرقه‌ای و حتی احتراق تراکمی فرآیند احتراق به صورت رقیق، با دما پایین و انتشار کم انرژی به صورت شعله در طول محفظه احتراق می‌باشد، در واقع تمام مخلوط سوخت و هوا به صورت آنی سوزانده می‌شود. در پایان کورس توان، پیستون مسیر طی شده در سیلندر دوباره برمی‌گردد و مرحله تخلیه را آغاز می‌کند اما قبل از آن که تمام گازهای خروجی تخلیه شوند، سوپاپ خروجی برای گیرانداختن مقداری از گرمای نهفته احتراق، زودتر بسته می‌شود. این گرما نگهداری می‌شود و مقدار اندکی سوخت به صورت یک فرآیند پیش شارژ(کمک به کنترل دمای احتراق و انتشار آن) به داخل محفظه احتراق قبل از شروع مرحله مکش بعدی پاشیده می‌شود.
 
 
 
 
پیشرفت‌های اخیر در HCCI
چالش‌های مهمی که به عنوان مانعی بر سر راه تبدیل شدن موتورهای HCCI به موتورهای تجاری وجود دارند عبارتند از کنترل مشکل برنامه‌ریزی احتراق، نبود احتراق (misfire) در بارگذاری‌های پایین و وقوع پدیده ضربه(knock) در بارگذاری‌های بالا، مشکلات در شروع(start) سرد، مشکلات در مهیاسازی مخلوط همگن. پیشرفت‌های اخیر فناوری HCCI نتایج بسیار مثبتی برای غلبه بر محدودیت‌های این فناوری در پی داشته است. شرکت‌های بزرگ خودروسازی همانند جنرال‌موتورز، فورد و کامینز تلاش‌های خود را از 15 سال پیش تا به امروز به دلیل کشف راه‌حل‌هایی برای فناوری HCCI آغاز کرده و توانسته‌اند به راه‌حل‌های موفقیت‌آمیزی دست پیدا کنند. برای نمونه شرکت جنرال‌موتورز برنامه‌های آموزشی در دانشگاه‌های متنوع به دلیل ارتقای هدف پژوهشی خود در این زمینه آغاز کرده است. علاوه بر این فناوری HCCI پژوهشگران را به آزمایش روی سوخت‌های ترکیبی متفاوت و حتی غیرمتداول قادر کرده است. شرکت جنرال موتورز خودروهای نمونه Opel Vectra و Saturn Aura را با به‌کارگیری فناوری HCCI طراحی کرده است. همچنین شرکت مرسدس بنز نیز موتوری براساس فناوری HCCI به نام Dies-otto ابداع کرده است که در سال 2007م در خودروی مفهومی 700 -F در نمایشگاه خودرو فرانکفورت آن را به نمایش گذاشت.
موتور HCCI با سوخت بنزین در مقایسه با موتور اشتعال جرقه‌ای، در کارکردهای سبک (دور پایین) کارآیی بیشتری را از خود نشان می‌دهد. این موتورها قابلیت کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن(NOx) و رسوب (PM) را دارا هستند. کنترل خوداشتعالی و مهیاسازی مخلوط همگن دو موضوع اساسی احتراق HCCI به‌شمار می‌رود. به طور اساسی دو استراتژی برای کنترل احتراق HCCI محتمل است که عبارتند از:
1- تغییر دادن تمایل مخلوط برای خوداشتعالی
2- تغییر دادن تاریخچه زمان-دما به دلیل فهمیدن زمان آشکار شدن مخلوط
در واقع فناوری HCCI مفهومی از یک نوع احتراق است که در پاسخ به نیاز کاهش انتشار NOx و PM، کاهش مصرف سوخت و بالا بردن کارآیی توسعه داده شده است. البته غلبه بر تمام چالش‌های این فناوری نیاز به پیشرفت‌های بیشتری در این زمینه دارد که برای نمونه هنوز روش پایداری برای رفع مشکل کنترل احتراق معرفی نشده اس
ت.
سید مرتضی قدمگاهی
کارشناس شرکت ایران‌خودرو
علی اسراری
کارشناس ارشد شرکت ایران‌خودرو
علیرضا میرزامحمدی
کارشناس صنعت خودرو