خلاصه
به واسطه افزایش انتشار گازهای گلخانه ای از جانب موتور خودروهای سواری، نیاز به توسعه تکنولوژی پاک در خودروهای سواری با مصرف سوخت پایین تر و کارآیی بالاتر به جهت بهبود کیفیت هوای محیط، کاهش گازهای گلخانه ای و امنیت انرژی احساس می شود. معیارهایی که باید در طراحی این نوع از تکنولوژی مدنظر باشند عبارتند از: نسبت تراکم بالا، مخلوط سوخت و هوا رقیق همگن، احتراق کامل و آنی که منجر به احتراق تراکمی شارژ هم گن بشود. HCCI بهترین ویژگی های احتراق جرقه ای(Spark-Ignition (SI)) و احتراق تراکمی(Compression-Ignition(CI)) را با یکدیگر ترکیب می کند یعنی همانند یک موتور اشتعال جرقه ای با یک مخلوط سوخت و هوا مناسب شارژ می شود و همانند یک موتور اشتعال تراکمی به صورت تراکمی احتراق می یابد و به علت نبود دریچه هوا دارای کارایی بالا می باشد. این مقاله تکنولوژی پیشرفته موجود در موتور HCCI و همچنین چالش ها و مزیت ها آن را بررسی می کند.
مقدمه
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) ودی اکسید کربن (CO2) مصرف می کنند. احتراق تراکمی(CI) و احتراق جرقه ای(SI) دو نوع از تکنولوژی هایی هستند که در خودروهای سواری پایه گذاری شدند.هر دو نوع از احتراق، سوخت های فسیلی را مصرف می کنند و هر کدام جداگانه دارای مزیت ها و عیب های مخصوص خود می باشند.
ویژگی شاخص موتورهای اشتعال جرقه ای انتشار شعله برای احتراق می باشد. این موتور ها با کنترل دقیق نسبت هوا به سوخت و استفاده از مبدل کاتالیست تولیدکننده های توان نسبتا پاکی می باشند اما کارآیی آن ها به علت به کاربردن دریچه هوا، ضربه (knock) و قابلیت اشتعال محدود، کاهش می یابد. در مقابل یک موتور اشتعال تراکمی از یک مخلوط همگن سوخت به هوا استفاده می کند.در این موتورها تنها اصطکاک هوا و سوخت پیش بینی شده است که منجر به سوختن سریع می شود درحالیکه برای قسمت اعظمی از سوخت مقیاس زمانی انتشار تبخیر سوخت بیشتر از مقیاس زمانی واکنش شیمیایی سوخت می باشد بنابراین مخلوط سوخت و هوا موجود در محفظه احتراق را می توان به دو ناحیه تقسیم بندی نمود 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 بالا می باشد همچنین در مناطق با دمای بالا، نرخ تشکیل اکسیدهای نیتروژن(NOx) نیز افزایش می یابد. این موتورها تولیدکننده های بسیار کارآمدی می باشند اما انتشار NOx و PM محدودیت جدی این نوع از موتورها می باشند.
احتراق HCCI
در این نوع از احتراق، سوخت و هوا قبل از شروع احتراق با یکدیگر مخلوط می شوند و این مخلوط در چندین مکان از محفظه احتراق به واسطه افزایش در دما و فشار به صورت آنی خوداشتعال می شود در این حالت فرآیند احتراق تحت شرایط مخلوطی رقیق اتفاق افتاده و کنترل می شود که این امر به نوبه خود منجر به کاهش دما احتراق و در نتیجه کاهش انتشار NOx همچنین کاهش مصرف سوخت می شود علاوه براین به علت مخلوط شدن همگن سوخت وهوا 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 بر اساس چرخه چهارزمانه موتور اتو (می باشد کنترل تحویل سوخت، پارامتری مهم در کنترل کردن فرآیند احتراق می باشد. در مرحله مکش، مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق هرکدام از سیلندرها می شود البته در بعضی موارد سعی شده که ایجاد مخلوط همگن سوخت و هوا با پاشش سوخت از جانب انژکتور در داخل سیلندر صورت پذیرد. هنگامیکه پیستون شروع به بالا آمدن در مرحله تراکم می کند این امر به نوبه خود منجر به افزایش گرما در محفظه احتراق می شود زمانیکه پیستون به پایان مرحله تراکم می رسد، گرمای کافی برای احتراق آنی مخلوط سوخت و هوا بدون نیاز به جرقه فراهم می شود و این احتراق پیستون را مجبور به پایین رفتن در مرحله توان می کند. برخلاف موتورهای احتراق جرقه ای و حتی احتراق تراکمی فرآیند احتراق به صورت رقیق،با دما پایین و انتشار کم انرژی به صورت شعله در طول محفظه احتراق می باشد، در واقع تمام مخلوط سوخت و هوا به صورت آنی سوزانده می شود. در پایان کورس توان، پیستون مسیر طی شده در سیلندر را دوباره برمی گردد و مرحله تخلیه را آغاز می کند اما قبل از آن که تمام گازهای خروجی تخلیه شوند، سوپاپ خروجی برای گیرانداختن مقداری از گرمای نهفته احتراق، زودتر بسته می شود. این گرما نگهداری می شود 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 می شود.
شکل 1- نمایش احتراق های CI، SI و HCCI
جدول 1- مقایسه ویژگی های موتور اشتعال جرقه ای و موتور HCCI
موتور HCCI
موتور اشتعال جرقه ای
ویژگی
زیاد
کم
کارآیی
عدم اتلاف
زیاد
اتلاف به واسطه دریچه هوا
زیاد
کم
نسبت تراکم
کم
زیاد
مدت احتراق
کم
نسبتا کم
انتشار NOx
جدول 2- مقایسه ویژگی های موتور اشتعال تراکمی و موتور HCCI
موتور HCCI
موتور اشتعال تراکمی
ویژگی
زیادتر
زیاد
کارآیی
1100-800 کلوین
2100-1900 کلوین
دمای احتراق
کم
زیاد
مدت احتراق
کم
زیاد
انتشار NOx و رسوب(PM)
چالش ها:
اساسا کنترل احتراق HCCI به علت نبود مکانیزم کنترل مستقیم مانند آنچه که در دو احتراق SI و CI وجود دارد یعنی به ترتیب سیستم شمع (spark plug) و انژکتور سوخت (fuel injector) پرچالش تر می باشد. مشکلات اساسی که هم اکنون به عنوان سدی بر سر راه توسعه موتور های HCCI قرار گرقته اند، عبارتند از:
1 – کنترل زمان احتراق در بازه دور ها و سرعت های بالا: این موضوع که احتراق HCCI به وسیله سینتیک شیمیایی سوخت و خواص فیزیکی و شیمیایی آن کنترل می شود، به وضوح شناخته شده است. به طور خلاصه می توان اشاره کرد که آشفتگی ایجاد شده در داخل سیلندر تاثیر کمی بر زمان احتراق می گذارد در مقایسه با عواملی همچون عدد اکتان سوخت، دمای شارژ ورودی، نسبت هم ارزی سوخت و هوا و نرخ EGR که زمان احتراق به این عوامل بسیار حساس می باشد.
2 – کنترل نرخ احتراق در بارگذاری های بالا موتور: موتور HCCI در بارگذاری ها در محدوده پایین تا متوسط، از خود کارایی مطلوبی را نشان داده است اما در بارگذاری های بالا به علت افزایش سرعت و شدت احتراق با مشکلاتی از قبیل افزایش پدیده ضربه (knock) که به دنبال آن افزایش سروصدا و آسیب زد به موتور را در پی دارد و همچنین انتشار بیش از حد اکسید های نیتروژن مواجه می باشد. طبیعتا تحقیق و توسعه بیشتری در زمینه کاهش نرخ آزادسازی حرارت در بارگذاری های بالا مورد نیاز می باشد.
3 – شروع سرد (cold start): همانطور که اشاره شد احتراق HCCI به شدت به دمای شارژ ورودی وابسته می باشد زیرا این دما تاثیر مستقیمی بر روی احتراق خود به خودی (self-ignition) که قرار است در احتراق HCCI رخ دهد، می گذارد. بنابراین اگر در طول منیفولد ورودی شارژ پیش گرمایشی را در مواقعی که شرایط cold start رخ می دهد دریافت نکند، احتراق شارژ فشرده شده در سیلندر به علت دمای پایین و انتقال حرارت با محفظه احتراق با مشکل رو به رو می شود.
4 – انتشار سطح بالایی از آلاینده های HC و CO : در احتراق HCCI طی دورهای پایین تا متوسط به علت رشد امکان احتراق ناقص تولید آلاینده های HC و CO فزایش می یابد.
5 – آماده سازی شارژ همگن: این چالش زمانی محسوس می شود که به علت برخورد مخلوط سوخت و هوا با دیواره ها، دمای آن کاهش می یابد و تشکیل مخلوط همگن به علت محدودیت در فرآیند تبخیر با مشکل روبرو می شود.
6 – سیستم کنترل موتور: قطعا به علت نبود اهرم کنترلی مستقیم بر روی احتراق HCCI نیاز به سیستم های کنترلی جدید شامل نرم افزار ها و سخت افزار های نوین برای کمک به کنترل احتراق مورد نیاز می باشد.
راه حل های پیشنهادی جهت رفع چالش ها:
1 – کنترل زمان بندی اشتعال در بارگذاری ها و سرعت های بالا
راه حل های پیشنهادی:
الف) تغییر تاریخچه دمایی مخلوط:
* استفاده از سیستم VVT
* روش نسبت تراکم متغیر (VCR)
* روش EGR متغیر
ب) تغییر واکنش پذیری مخلوط:
* تلفیق دو یا چند سوخت
* افزودنی های سوخت
2 – کنترل شروع (start) سرد
* استفاده از وسایل گرمکن مانند glow plug
* استفاده از سوختی دیگر و یا استفاده از افزودنی ها
* افزایش نسبت تراکم به وسیله VCR و یا VVT
3 – آماده کردن مخلوط همگن
* افزایش آشفتگی در هنگام پاشش سوخت به وسیله انژکتور های سوخت
* استفاده از سوخت های با فراریت بالا
حالت های دو گانه (Dual mode)
موتور های HCCI که هم اکنون به صورت نمونه پدید آمده اند با ترکیب دو احتراق SI و CI با احتراق HCCI کاربردی شده اند، که این حالت های ترکیبی به Dual mode تعبیر می شوند که دو حالت از آن به شرح زیر می باشد:
1 – حالت دوگانه HCCI-DI dual
* وجود دو نوع انژکتور، یکی در منیفولد ورودی و دیگری به عنوان انژکتور مستقیم
* عدم نیاز به گرمکن
* استفاده از سیستم VVA
* احتراق به وسیله انژکتور سوخت کنترل می شود
* استفاده از سوخت دیزل
2 – حالت دوگانه HCCI-SI dual
* استفاده از سیستم VVA و سیستم شمع
* احتراق در موتور در دور های پایین تا متوسط به صورت HCCI خواهد بود و در دور های بالا به SI تغییر وضعیت می دهد
* تغییر وضعیت خیلی پایدار و به نرمی صورت نمی گیرد
پیشرفت های اخیر در HCCI
چالش های مهمی که مانعی بر سر راه تبدیل شدن موتور های HCCI به موتورهای تجاری وجود دارند عبارتند از: کنترل مشکل برنامه ریزی احتراق، عدم احتراق (misfire) در بارگذاری های پایین و وقوع پدیده ضربه(knock) در بارگذاری های بالا، مشکلات در شروع(start) سرد، مشکلات در مهیا سازی مخلوط همگن. پیشرفت های اخیر تکنولوژی HCCI نتایج بسیار مثبتی برای غلبه بر محدودیت های این تکنولوژی در پی داشته است. شرکت های بزرگ خودروسازی همانند جنرال موتورز(GM)، فورد(Ford) و کامینز(Cummins) تلاش های خود را از 15 سال پیش تا به امروز به جهت کشف راه حل هایی برای تکنولوژی HCCI آغاز کرده و توانسته اند به راه حل های موفقیت آمیزی دست پیدا کنند. به طور مثال شرکت جنرال موتورز برنامه های آموزشی در دانشگاه های متنوع به جهت ارتقا هدف پژوهشی خود در این زمینه آغاز کرده است. علاوه بر این تکنولوژی HCCI محققان را به آزمایش روی سوخت های ترکیبی متفاوت و حتی غیر متداول قادر ساخته است.شرکت جنرال موتورز خودروهای نمونه Opel Vectra و Saturn Aura را با به کارگیری تکنولوژی HCCI طراحی کرده است. همچنین شرکت مرسدس بنز(Mercedes-Benz) نیز موتوری براساس تکنولوژی HCCI به نام Dies-otto را ابداع کرده است که در سال 2007 در خودروی مفهومی F-700 در نمایشگاه خودرو فرانکفورت آن را به نمایش گذاشت.
شکل 2- خودرو نمونه Opel Vectra شکل 3- خودرو نمونه Saturn Aura
نتیجه گیری
موتور HCCI با سوخت بنزین در مقایسه با موتور اشتعال جرقه ای، در کارکرد های سبک (دور پایین) موتور کارآیی بیشتری را از خود نشان می دهد. این موتور ها قابلیت کاهش انتشار اکسید های نیتروژن(NOx) و رسوب (PM) را دارا می باشند. کنترل خود اشتعالی و مهیا سازی مخلوط همگن دو موضوع اساسی احتراق HCCI می باشند. اساسا دو استراتژی جهت کنترل احتراق HCCI محتمل می باشد که عبارتند از :
1- تغییر دادن تمایل مخلوط برای خود اشتعالی
2- تغییر دادن تاریخچه زمان-دما به جهت فهمیدن زمان آشکار شدن مخلوط
در واقع تکنولوژی HCCI مفهومی از یک نوع احتراق می باشد 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 چالش های این تکنولوژی نیاز به پیشرفت های بیشتری در این زمینه دارد که به طور مثال هنوز روش پایداری برای رفع مشکل کنترل احتراق معرفی نشده است.