Homogeninio mišinio suspaudžiamojo užsiliepsnojimo (HCCI) technologija yra „šventasis Gralis“ vidaus degimo variklių kūrime, žadanti dyzelinio variklio efektyvumą su benzininio variklio mažomis emisijomis. Tačiau pagrindinė inžinerinė kliūtis plačiam pritaikymui išlieka itin siauras HCCI degimo proceso darbo diapazonas. Šiame straipsnyje nagrinėjamas kritinis pažangių turbokompresorių slėgio valdymo sistemų vaidmuo stabilizuojant įsiurbiamo oro masę bei slėgio ir temperatūros sąlygas, būtinas HCCI veikimui užtikrinti.
HCCI procesas remiasi savaiminiu iš anksto sumaišyto lieso mišinio užsiliepsnojimu. Skirtingai nei kibirkštinio uždegimo (SI) ar suspaudžiamojo uždegimo (CI) varikliuose, HCCI degimą lemia cheminė kinetika, o ne uždegimo žvakė ar tiesioginio įpurškimo laikas. Termodinaminė būsena apatiniame mirties taške (AMT) yra kritinė. Įsiurbiamo oro slėgio (MAP) ir temperatūros (MAT) svyravimai net 2-3 % gali sukelti variklio detonaciją arba degimo ciklo nestabilumą.
Techniniai tyrimai rodo, kad stabiliam HCCI veikimui įsiurbimo kolektoriaus absoliutus slėgis turi būti valdomas ±0,05 bar tikslumu. Nukrypimai už šių ribų išderina savaiminio užsiliepsnojimo vėlinimo laiką, todėl degimas arba vėluoja (praleidžiamas degimas), arba vyksta per anksti (pernelyg greitas slėgio kilimas cilindre).
Norint išplėsti HCCI darbo diapazoną, privalome naudoti itin tikslaus įpūtimo valdymo sistemas. Elektroninės išmetamųjų dujų sklendės pavaros (EWA) yra būtinos. Skirtingai nei pneumatinės pavaros, pasižyminčios histereze, elektroninės pavaros užtikrina 0,1 mm pozicionavimo tikslumą. Dabartiniuose mokslinių tyrimų ir plėtros stenduose pavaros grįžtamojo ryšio kilpai reikia mažesnio nei 50 ms atsako laiko, kad būtų kompensuoti staigūs apkrovos pokyčiai.
Įpūtimo sistemos vientisumo palaikymas HCCI konfigūracijoje reikalauja griežto surinkimo specifikacijų laikymosi. Pavyzdžiui, aukšto įpūtimo slėgio, didelio EGR (išmetamųjų dujų recirkuliacijos) HCCI sistemose, turbokompresoriaus guolių korpuso aušinimas yra ypač svarbus. Remiantis originalios įrangos gamintojų (OEM) techniniais duomenimis, skirtais HCCI prototipams, alyvos tiekimo linijos privalo būti priveržtos 25 Nm (±1 Nm) momentu, kad būtų išvengta mikro-nuotėkių, galinčių užteršti įsiurbiamą mišinį.
Kompresoriaus įsiurbiamo oro temperatūra (CIAT) yra lygiai tokia pat svarbi. Norint užtikrinti vienodą oro tankį, įsiurbiamą orą būtina atvėsinti iki ±5°C ribos nuo aplinkos temperatūros. Jei slėgio kritimas oro aušintuvo (CAC) sistemoje viršija 15 kPa esant maksimaliam srautui, turbina turi kompensuoti tai didindama veleno apsukas, o tai tiesiogiai veikia priešslėgio ir įpūtimo slėgio santykį – kritinį kintamąjį vidinio EGR valdyme.
VGT technologija HCCI varikliams dažnai teikiama pirmenybė dėl galimybės moduliuoti priešslėgį nepriklausomai nuo įpūtimo slėgio. Manipuliuojant turbinos mentelių kampu, inžinieriai gali padidinti vidinių likutinių dujų frakciją (iEGR), padidindami priešslėgį vožtuvų persidengimo metu. Tai padeda pašildyti įsiurbiamą mišinį HCCI užsiliepsnojimui esant mažoms apkrovoms.
Pereinant nuo prototipų prie serijinės gamybos, diagnostika kryps link prognozuojamojo modeliavimo. Naudojant realaus laiko slėgio keitiklius, sumontuotus kompresoriaus korpuse, variklio valdymo blokas (ECU) privalo atlikti išankstinę sklendės pozicijos korekciją dar prieš pasireiškiant degimo nestabilumui. Turbinos apsukų jutiklio nestebėjimas – kai 5 000 aps./min. nuokrypis nuo tikslinio žemėlapio gali rodyti artėjantį sūkurinį reiškinį („surge“) – lems HCCI degimo režimo visišką žlugimą.
Integravus didelės spartos slėgio valdymą su tiksliu įsiurbiamo oro termoreguliavimu, HCCI variklis gali efektyviai veikti daug platesniame sukimo momento ir sūkių diapazone, todėl tai yra perspektyvi architektūra ateities didelio efektyvumo lengvųjų automobilių jėgainėms.
Siekiant užtikrinti stabilų HCCI degimą, reikia sušvelninti kompresoriaus aikščiąją eigą, kurią sukelia staigūs droselio perėjimai. Tai galima pasiekti naudojant elektroninį kompresoriaus apėjimo vožtuvą (eCBV), integruotą su turbokompresoriaus korpusu, pavyzdžiui, „BorgWarner R2S“ sistemą, naudojamą didelio našumo dyzelinio kuro į HCCI konversijos prototipuose. Siekiant išvengti alyvos kokso susidarymo per ekstremalias terminio užlaikymo (thermal soak) laikotarpius, būdingus dideliam EGR naudojimui, techninės priežiūros inžinieriai privalo užtikrinti, kad būtų naudojamos sintetinės tepamosios medžiagos, atitinkančios „dexos2“ arba „ACEA C3“ specifikacijas, nes liekamasis alyvos gedimas M10x1.0mm padavimo banjo veržlėse sukuria ribojančias anglies sankaupas, kurios trukdo hidrostatiniams žurnaliniams guoliams.
Be to, turbinos rato **inercinis momentas** (inertia) turi būti sumažintas; naudojant **titano-aliuminio (TiAl)** turbinos ratus, žymiai sumažinamas polinis **inercinis momentas**, leidžiantis ECU sekti greitus slėgio (boost) perėjimus, naudojant pakoreguotą **PID stiprumo** (gain) vertę, sukalibruotą pagal specifinį kompresoriaus rato aerodinaminį profilį, pavyzdžiui, „Garrett G-Series GTX2867R Gen II“ architektūrą, siekiant išvengti netyčinių degimo fazės poslinkių, susijusių su tradiciniais **Inconel 713C** turbinos menčių pjūvio profiliais.
VGT purkštukų mazgo **(nozzle assembly)** tikslumas labai priklauso nuo purkštukų mentelių ir neaušinamo arba vandeniu aušinamo purkštukų nešiklio paviršiaus apdailos ir **šiluminio plėtimosi koeficientų**, kur aukštos temperatūros **pridrąsmas** (galling) yra pasikartojantis gedimo režimas. Priežiūros protokolai numato naudoti **molibdeno disulfido** pagrindo aukštos temperatūros **sauso sluoksnio** tepalą surinkimo metu, siekiant užtikrinti, kad mentelės aktyvatoriaus žiedas – detalės numeris 767851-0001 standartizuotiems VNT-17 pagrindams – išlaikytų **judėjimo laisvę** (compliance) visame eigos diapazone be užstrigimo. Jei mentelės jungties **lygiagretumas** (parallelism) viršija 0,03 mm, atsirandanti nelinijinė atgalinio slėgio moduliacija sukels išmetamojo kolektoriaus slėgio **pulsuotę** (ripple), kuri sutrikdo HCCI degimo ciklo **išmetimo efektyvumą** (scavenging efficiency), sukeldama ciklinius pokyčius, pasireiškiančius lokalizuotu cilindro **detonaciniu degimu** (knock) vidutinės apkrovos perėjimo taškuose.
Pažangi diagnostinė stebėsena dabar reikalauja įvertinti kompresoriaus rato veržlės **sukimo momentą** (torque), paprastai nustatytą 2,5 Nm plius 90 laipsnių kampinį pasukimą, siekiant užtikrinti, kad rotacinis disbalansas nesukeltų veleno **virpėjimo** (whirl), kuris kitaip užgožtų didelio dažnio akselerometro duomenis, naudojamus ankstyvos stadijos **detonacijos** aptikimui. Būtina stebėti turbokompresoriaus greičio jutiklio (pvz., „Honeywell 541004-0001“) dažnio anomalijas; **±2%** nuokrypis nuo apskaičiuotos žemėlapio reikšmės rodo **aero-elastingą virpėjimą** (aero-elastic flutter) arba pradedantį guolių gedimą gerokai anksčiau, nei galima aptikti girdimą triukšmą. Scenarijuose, kai naudojami labai agresyvūs EGR greičiai, **kietųjų dalelių** kaupimasis turbinos korpuso **voliuto** (volute) vidiniame skersmenyje turi būti stebimas periodiškai endoskopiškai, nes **5%** efektyvios srauto srities (A/R santykio) sumažinimas pareikalaus **elektroninio aktyvatoriaus** žemėlapio **perkalibravimo** norint išlaikyti HCCI proceso **stichiometrinius** reikalavimus.