Firma GM po raz pierwszy zademonstrowała proces spalania formalnie zwany HCCI (homogeneous charge compression ignition – zapłon samoczynny mieszanki jednorodnej) w dwóch jeżdżących samochodach prototypowych: w Saturnie Aura, model 2007, i w Oplu Vectra. W połączeniu z zaawansowanymi technikami umożliwiającymi realizację tej metody, tj. wtryskiem bezpośrednim, elektryczną zmianą faz rozrządu, zmiennym wzniosem zaworu i pomiarem ciśnienia w cylindrze, HCCI pozwala na 15-procentowe zmniejszenie zużycia paliwa, spełniając równocześnie przyszłe normy emisji spalin.

„Pamiętam, jak na studiach dyskutowaliśmy o takim sposobie spalania”, powiedział Tom Stepheson, wiceprezes grupy, odpowiedzialny za dział GM Powertrain and Quality. „Wówczas było to tylko marzenie. Dzisiaj, dzięki użyciu matematycznej analizy predykcyjnej i innych narzędzi, zaczynamy widzieć, w jaki sposób możemy je urzeczywistnić. Łącząc HCCI z innymi zaawansowanymi rozwiązaniami stosowanymi w silnikach benzynowych oraz wykorzystując nowoczesne systemy sterowania, możemy umożliwić użytkownikom poważne oszczędności paliwa”.

W koncepcji silnika zintegrowanego system HCCI wraz z innymi nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi pozwala zbliżyć się do sprawności silnika diesla, jednakże bez konieczności stosowania kosztownych systemów usuwania tlenków azotu ze spalin. Sprawność jest efektem spalania paliwa w niższych temperaturach i zmniejszenia strat energii cieplnej w trakcie procesu spalania. W efekcie powstaje też mniej dwutlenku węgla, gdyż w trybie HCCI samochód ma wyższą sprawność.

Prototypowe samochody napędzane silnikiem HCCI – oparte na seryjnych modelach Saturna Aura i Opla Vectra, napędzanych czterocylindrowym silnikiem Ecotec o pojemności 2,2 litra – jeżdżą tak jak pojazdy z konwencjonalnym napędem, ale zużywają do 15% mniej paliwa w stosunku do porównywalnego silnika z wtryskiem paliwa. (Spadek zużycia paliwa zależy tu od sposobu stosowania pojazdu i cyklu, w jakim jest on użytkowany.) Te nadające się do jazdy prototypy są jednymi z pierwszych namacalnych przykładów zastosowania techniki HCCI poza laboratorium. „Cieszę się z postępu, jaki poczynił nasz zespół projektowy”, powiedział Tom Stephens. „Jest to kolejna inicjatywa GM w ramach strategii tworzenia zaawansowanych układów napędowych, mających zmniejszyć nasze uzależnienie od ropy naftowej. HCCI, wtrysk bezpośredni, zmienne fazy rozrządu i regulowany wznios zaworu oraz system Active Fuel Mangement prowadzą do lepszego wykorzystania paliwa i poprawy osiągów naszych silników o spalaniu wewnętrznym. Nie wątpię, że HCCI pewnego dnia znajdzie się w wachlarzu naszych przyszłych rozwiązań zmniejszających zużycie paliwa”.

Najważniejsze cechy systemu HCCI to:

•Sprawność podobna jak w silniku diesla przy zdecydowanie niższych kosztach oczyszczania spalin.•Wykorzystanie sprawdzonych układów bezpośredniego wtrysku benzyny i regulacji faz rozrządu oraz wzniosu zaworu.•Możliwość dostosowania do konwencjonalnych konstrukcji silników benzynowych.•Wymaga tylko standardowego samochodowego systemu oczyszczania spalin.•Zasilanie wszystkimi dostępnymi w handlu rodzajami benzyna i paliwa etanolowego E85.

Działanie systemu HCCI

W silniku HCCI zapłon mieszanki paliwa z powietrzem następuje poprzez jej sprężenie w cylindrze. W przeciwieństwie do silników z zapłonem iskrowym lub samoczynnym, w silniku HCCI wyzwolenie energii odbywa się w niskotemperaturowym, bezpłomieniowym procesie, obejmującym całą komorę spalania. Całe paliwo w komorze spala się równocześnie. W efekcie wytwarzana moc jest podobna do dostępnej we współczesnych silnikach spalinowych, jednak potrzebne jest do tego mniej paliwa.

Czynnikiem niezbędnym do zainicjowania procesu HCCI jest ciepło, dlatego przy uruchamianiu zimnego silnika stosowany jest tradycyjny zapłon iskrowy, wytwarzający ciepło w cylindrach i pozwalający szybko nagrzać katalizator, by następnie przejść na tryb HCCI. Przy pracy w systemie HCCI mieszanka jest stosunkowo uboga, co oznacza, że ma większą procentową zawartość powietrza. Dzięki pracy na ubogiej mieszance system HCCI podnosi sprawność silnika do poziomu silników diesla, ale w przeciwieństwie do nich tutaj do oczyszczenia spalin wystarczają standardowe układy powszechnie stosowane w samochodach. W silnikach diesla konieczne jest stosowanie bardziej skomplikowanych i droższych rozwiązań zmniejszających poziom emisji spalin.

System HCCI wykorzystuje integrację innych zaawansowanych konstrukcji stosowanych w silnikach – niektóre z nich są już produkowane i mogą być zaadaptowane do istniejących silników benzynowych. Stopień sprężania jest zbliżony do stosowanego w konwencjonalnych silnikach benzynowych z wtryskiem bezpośrednim i ma wartość właściwą dla wszystkich dostępnych w handlu typów benzyny i paliw E85.

Pojazdy prototypowe

GM zademonstrowała adaptację systemu HCCI do jeżdżących samochodów prototypowych, opartych na konstrukcji konwencjonalnych, seryjnie produkowanych modeli Saturn Aura i Opel Vectra. Aura posiada automatyczną skrzynię biegów, a przeznaczona na rynek europejski Vectra – ręczną.

Oba samochody są napędzane 2,2-litrowym silnikiem Ecotec (180 KM, moment obrotowy 230 Nm) z centralnym wtryskiem bezpośrednim, regulowanym wzniosem zaworów wlotowych i wylotowych, podwójnym elektrycznym mechanizmem zmiany faz rozrządu i przetwornikami ciśnienia w poszczególnych cylindrach, co pozwala kontrolować przebieg spalania i zapewnia płynne przejście od jednego trybu spalania do drugiego.

Wyrafinowany sterownik, wykorzystujący czujniki ciśnienia w cylindrach i opracowane w GM algorytmy sterujące, kieruje procesem spalania HCCI oraz przejściem pomiędzy spalaniem HCCI a konwencjonalnym spalaniem inicjowanym iskrą. W zademonstrowanych prototypach przejście od jednego procesu spalania do drugiego jest wyczuwalne, ale w wersjach produkcyjnych ma się ono odbywać niezauważalnie podczas jazdy, podobnie jak odłączanie cylindrów przez skonstruowany w GM system Active Fuel Management.

Obecnie prototypy demonstracyjne GM mogą korzystać z trybu HCCI do prędkości około 90 km/h, a przy szybszej jeździe oraz przy dużych obciążeniach silnika przechodzą na zapłon iskrowy. Przewiduje się, że po udoskonaleniu systemu sterowania i konstrukcji silnika zakres pracy w trybie HCCI ulegnie poszerzeniu.

„Wydaje się, że największym wyzwaniem w HCCI jest sterowanie procesem spalania”, powiedział profesor doktor Uwe Grebe, dyrektor naczelny GM Powertrain Advanced Engineering. „Przy zapłonie iskrowym można regulować moment pojawienia się iskry i jej intensywność, ale w przypadku bezpłomieniowego spalania HCCI osiągnięcie porównywalnych wyników wymaga skomplikowanej, przeprowadzonej w odpowiedniej chwili zmiany składu i temperatury mieszanki”.

Globalny zespół GM pracujący nad systemem HCCI nadal będzie pracować nad jego lepszym przystosowaniem do zróżnicowanych warunków eksploatacji – w skrajnie wysokich i niskich temperaturach, a także na dużych wysokościach, gdzie powietrze jest rozrzedzone.

„Co prawda koszty prac nad HCCI są znaczne, ale wyprowadzenie tego najbardziej wyczekiwanego systemu spalania z laboratorium na tor próbny w prototypowych modelach Saturna Aura i Opla Vectra świadczy o wielkich postępach naszych działań. Konieczne są dalsze wydatki na prace rozwojowe, w tym na badania i programy testów, w celu dostosowania tego systemu do różnorodnych warunków jazdy, z jakimi stykają się użytkownicy samochodów”, powiedział profesor Grebe.