HCCI Homogene ladingscompressieontsteking

In de zoektocht naar steeds betere brandstofefficiëntie en emissiereductie heeft een oud en veelbelovend idee een nieuw leven gevonden. HCCI-technologie (Homogeneous Compression Ignition) bestaat al lang, maar heeft onlangs hernieuwde aandacht en enthousiasme gekregen. Hoewel in de beginjaren veel (onoverkomelijke) obstakels werden gezien waarvan de antwoorden pas zouden komen als geavanceerde, computergestuurde elektronica werd ontwikkeld en gerijpt tot betrouwbare technologieën, bleef de vooruitgang steken. Tijd heeft, zoals altijd, zijn magie gewerkt en bijna elk probleem is opgelost. HCCI is een idee wiens tijd is gekomen met bijna alle onderdelen en stukjes technologie en knowhow die aanwezig zijn om er echt iets aan te doen.

Wat is HCCI?

Een HCCI-motor is een combinatie van zowel conventionele vonkontsteking als dieselcompressieontstekingstechnologie. Het samengaan van deze twee ontwerpen biedt een dieselachtig hoog rendement zonder de lastige en dure omgang met NOx- en deeltjesemissies. In zijn meest basale vorm betekent dit eenvoudig dat brandstof (benzine of E85) homogeen (grondig en volledig) wordt gemengd met lucht in de verbrandingskamer (zeer vergelijkbaar met een gewone vonkontstoken benzinemotor), maar met een zeer hoog aandeel lucht naar brandstof (arm mengsel). Terwijl de zuiger van de motor zijn hoogste punt bereikt (bovenste dode punt) op de compressieslag, ontsteekt het lucht / brandstofmengsel automatisch (spontaan en volledig verbrand zonder bougiehulp) uit compressiewarmte, net als een dieselmotor. Het resultaat is het beste van twee werelden: laag brandstofverbruik en lage emissies.

Hoe werkt HCCI??

In een HCCI-motor (die is gebaseerd op de viertakt Otto-cyclus), is de regeling van de brandstoftoevoer van het grootste belang bij het regelen van het verbrandingsproces. Bij de inlaatslag wordt brandstof in de verbrandingskamer van elke cilinder geïnjecteerd via brandstofinjectoren die direct in de cilinderkop zijn gemonteerd. Dit gebeurt onafhankelijk van luchtinductie die plaatsvindt via het inlaatplenum. Tegen het einde van de inlaatslag zijn brandstof en lucht volledig ingebracht en gemengd in de verbrandingskamer van de cilinder.

Terwijl de zuiger tijdens de compressieslag weer naar boven begint te bewegen, begint warmte zich op te bouwen in de verbrandingskamer. Wanneer de zuiger het einde van deze slag bereikt, heeft zich voldoende warmte verzameld om te zorgen dat het brandstof / luchtmengsel spontaan ontbrandt (geen vonk is nodig) en de zuiger naar beneden drukken voor de krachtslag. In tegenstelling tot conventionele vonkmotoren (en zelfs diesels) is het verbrandingsproces een magere, lage temperatuur en vlamloze afgifte van energie over de gehele verbrandingskamer. Het hele brandstofmengsel wordt tegelijkertijd verbrand en produceert gelijkwaardig vermogen, maar verbruikt veel minder brandstof en laat daarbij veel minder uitstoot vrij.

Aan het einde van de krachtslag keert de zuiger weer van richting en start de uitlaatslag, maar voordat alle uitlaatgassen kunnen worden geëvacueerd, sluiten de uitlaatkleppen vroeg, waardoor een deel van de latente verbrandingswarmte wordt vastgehouden. Deze warmte wordt behouden en een kleine hoeveelheid brandstof wordt in de verbrandingskamer geïnjecteerd voor een voorlading (om de verbrandingstemperaturen en -emissies te helpen beheersen) voordat de volgende inlaatslag begint.

Uitdagingen voor HCCI

Een voortdurend ontwikkelingsprobleem met HCCI-motoren is het regelen van het verbrandingsproces. In traditionele vonkmotoren wordt de timing van de verbranding gemakkelijk aangepast door de motormanagementregeleenheid die de vonkengebeurtenis en misschien de brandstoftoevoer verandert. Het is lang niet zo gemakkelijk met de vlamloze verbranding van HCCI. De temperatuur van de verbrandingskamer en de samenstelling van het mengsel moeten strak worden geregeld binnen snel veranderende en zeer nauwe drempels met parameters zoals cilinderdruk, motorbelasting en toerentallen en gasklepstand, extreme luchttemperatuur en veranderingen in de luchtdruk. De meeste van deze omstandigheden worden gecompenseerd met sensoren en automatische aanpassingen aan anders normaal vastgelegde acties. Inbegrepen zijn individuele cilinderdruksensoren, variabele hydraulische kleplift en elektromechanische fasers voor nokkenastiming. De kunst is niet zozeer om deze systemen aan het werk te krijgen, maar om ze samen te laten werken, heel snel, en over vele duizenden kilometers en jaren van slijtage. Misschien is het echter net zo uitdagend als het probleem om deze geavanceerde besturingssystemen betaalbaar te houden.

Voordelen van HCCI

• Magere verbranding levert een 15 procent hogere brandstofefficiëntie op dan een conventionele motor met vonkontsteking.
• Schonere verbranding en lagere emissies (vooral NOx) dan een conventionele motor met vonkontsteking.
• Compatibel met benzine en E85 (ethanol) brandstof.
• Brandstof wordt sneller en bij lagere temperaturen verbrand, waardoor warmteverlies wordt verminderd in vergelijking met een conventionele vonkenmotor.
• Gasloos inductiesysteem elimineert wrijvingspompverliezen opgelopen in traditionele (gasklephuis) vonkmotoren.

Nadelen van HCCI

• Hoge cilinderdrukken vereisen een sterkere (en duurdere) motorconstructie.
• Meer beperkt vermogensbereik dan een conventionele vonkenmotor.
• De vele fasen van verbrandingseigenschappen zijn moeilijk (en duurder) te regelen.

Het is duidelijk dat HCCI-technologie superieure brandstofefficiëntie en emissiebeheersing biedt in vergelijking met de conventionele beproefde benzinemotor met vonkontsteking. Wat nog niet zo zeker is, is het vermogen van deze motoren om deze kenmerken goedkoop te leveren, en, waarschijnlijk nog belangrijker, betrouwbaar gedurende de levensduur van het voertuig. Voortdurende vooruitgang in elektronische besturing heeft HCCI naar de afgrond van werkbare realiteit gebracht, en verdere verfijningen zullen nodig zijn om het over de rand in dagelijkse productievoertuigen te duwen.