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Der technische Redakteur Kevin Cameron teilt seinen Reichtum an Motorradwissen, Erfahrungen, Einsichten, Geschichte und vielem mehr. Fahrradwelt

Vor ein paar Wochen waren die Formel-1-Enthusiasten gespannt darauf, dass eine Art HCCI-Verbrennung zur Steigerung der Kraftstoffeffizienz von F1-Motoren eingesetzt wurde. HCCI steht für Homogene Charge Compression Ignition, die Honda vor einigen Jahren in einem speziellen Zweitakt-Endurobike mit funkenloser Zündung eingesetzt hat. In diesem Motor bewirkte ein Ventil im Auslasskanal, dass genügend Abgas im Zylinder zurückgehalten wurde, damit sich die frische Ladung (nur bei mittlerer Drosselklappe - im Leerlauf und am oberen Ende war ein Funken erforderlich) selbst entzündete. Da die Zündung an vielen Orten gleichzeitig erfolgte, war die Verbrennung schnell und effizient. Das übliche Funkenzündungsproblem der Schwankungen von Zyklus zu Zyklus, bei dem die Spitzendrücke der besten Zyklen ~ 20% höher sind als die schlechtesten, ist bei HCCI so gut wie beseitigt.

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Es ist jedoch äußerst schwierig, das Auftreten eines Spitzenverbrennungsdrucks im HCCI selbst bei konstanter Drehzahl und Drosselklappenstellung zu bestimmen, so dass es schwer zu glauben war, dass dies mit den sich ständig ändernden Variablen im F1-Rennsport erreicht werden konnte. Dieses HCCI-Gerücht musste Unsinn sein.

Jetzt macht es Sinn, was als „turbulente Jet-Zündung“ bezeichnet wird. Ein Beispiel dafür finden Sie auf einer Mahle-Website. In einer Vorkammer, die durch mehrere Öffnungen mit der Hauptbrennkammer verbunden ist, befinden sich sowohl ein Kraftstoffinjektor als auch eine Zündkerze. Ein herkömmlicher Einspritzventilanschluss liefert 97-98% des Kraftstoffs für den Motorbetrieb, wobei nur 2-3% in die Vorkammer gelangen. Der Unterschied besteht darin, dass das Gemisch in der Vorkammer ein leicht zu entzündendes, chemisch korrektes Gemisch aus Kraftstoff und Luft ist, während das Gemisch in der Hauptkammer im Interesse der Kraftstoffeffizienz sehr mager gemacht wird.

Magere Kraftstoff-Luft-Gemische sind schwer zu entzünden, da die Verbrennung durch das Vorhandensein von Luftüberschuss zu schnell von der Wärme befreit wird, als dass ein winziger funkengezündeter Flammenkern sich selbst tragen könnte. Normalerweise reicht der Bereich der funkenentzündbaren Gemische von 10: 1 (fett) bis 18: 1 (mager). Autohersteller würden gerne Motoren laufen lassen, die bei Teillast mager sind, da diese Niedertemperaturverbrennung den größten Teil ihrer Wärme dazu verwendet, Moleküle schneller zu bewegen, anstatt sie drehen oder vibrieren zu lassen. Der Verbrennungsdruck, der Kolben und Kurbelwellen antreibt, ergibt sich aus der Anzahl der auf sie auftreffenden Moleküle und den Geschwindigkeiten dieser Moleküle. Wenn die Verbrennung jedoch heißer und intensiver wird, geht ein größerer Teil der Wärmeenergie in molekulare Vibration und Rotation über, was weniger zum Druck auf die Kolben beiträgt. Aus diesem Grund ist eine sehr magere Verbrennung ein Weg zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs - wenn eine erfolgreiche Zündmethode entwickelt werden kann.

Tricktechnologien wie Plasma- oder Laserzünder sind nicht billig, und nur das Ablassen von mehr Energie über herkömmliche Zündkerzen führt zu einer unannehmbar schnellen Lückenerosion und einem häufigen Austausch.

Die Idee, eine Vorkammer zu verwenden, ist nicht neu - das Honda CVCC-Verbrennungsverfahren von 1972 und das Orbital-Verbrennungsverfahren für die Direkteinspritzung mit zwei Takten verwenden beide funkengezündete Vorkammern.

Neu bei Turbulent Jet Ignition (TJI) ist, dass mehrere radiale Öffnungen zwischen der Vorkammer und der Hauptkammer bewirken, dass das expandierende heiße Gas aus der Vorkammer sich schnell bewegende Strahlen bildet, die die Zündung bis zu den Rändern des Zylinders ausführen. Bei der normalen Funkenzündung dehnen sich die Flammenfronten von einer mehr oder weniger zentralen Zündkerze aus und komprimieren und erhitzen die letzten Teile der zu verbrennenden Ladung (das sogenannte „Endgas“) - die Ladung in der Nähe der Zylinderwand. Erhöhen Sie das Kompressionsverhältnis oder den Ladedruck zu hoch, und dieses Endgas wird so weit gedrückt, dass es sich in der abnormalen Form der Verbrennung, die als Klopfen oder Detonation bekannt ist, selbst entzündet. Die Detonation führt schnell zu Motorschäden.

Mit den radialen Flammenstrahlen von TJI, so Mahle, verlagere sich die Zündung jedoch eher in Richtung Brennen von den Außenkanten des Zylinders nach innen (Ein japanischer Autohersteller experimentierte vor einigen Jahren mit der Mehrfachzündung über Funkenstrecken in der Zylinderkopfdichtung). Eine Verbrennung dieser Art, die weniger anfällig für den Endgasmissbrauch einer konventionellen Flammenfrontverbrennung ist, kann mit einem nutzbringend höheren Verdichtungsverhältnis betrieben werden, wodurch sowohl das Drehmoment als auch der Kraftstoffverbrauch weiter gesteigert werden.

Das Problem der Formel 1 besteht darin, dass die geltenden Vorschriften die Verwendung von mehr als einem Kraftstoffinjektor verbieten und erfordern, dass sich der einzelne Injektor in der Brennkammer befindet und mit einem Kraftstoffdruck von nicht mehr als 500 bar (7350 psi) betrieben wird. Wie kann ein einzelner Injektor sowohl ein mageres Gemisch in der Hauptbrennkammer als auch ein Gemisch, das fett genug ist, um Funken zu entzünden, in einer Vorkammer erzeugen?

Eine mögliche Antwort ist die unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg durchgeführte Untersuchung des Triebwerkspioniers Harry Ricardo. In seinem E65-Labortestmotor stellte Ricardo einen einzelnen Zentralinjektor bereit, der in einer Art Vorkammer angeordnet war, um ein mageres Hauptgemisch und ein fetteres Gemisch in der Nähe der zentralen Zündkerze bereitzustellen. Wenn der Injektor vollständig geöffnet war, war sein Sprühmuster ein ziemlich schmaler Kegel, der die Hauptkammer erreichte, aber wenn der Injektor fast geschlossen war, wurde das Sprühmuster radial und füllte nur die Vorkammer mit Kraftstoff. Ich vermute, dass die von Mercedes und Ferrari in der Formel 1 verwendeten Einspritzdüsen ähnlich bimodal sind.