Fuzja silników Diesla i Otta to przyszłość

W silniku Diesla sprężane jest samo powietrze. Dzięki wysokiemu stopniowi sprężania osiąga ono znaczną temperaturę. Zapłon następuje po wtryśnięciu paliwa, którego kropelki parują - część paliwa będąca już w stanie lotnym może się zapalić od gorącego powietrza.

Niestety taki sposób zapłonu ma kilka wad. Wtrysk paliwa i jego spalanie przebiega niemal równocześnie, nie ma czasu czasu na dobre odparowanie paliwa. Powoduje to emisję cząstek stałych (sadzy) i utrudnioną pracę z wysokimi prędkościami obrotowymi. By umożliwić dokładne spalanie, konieczny jest nadmiar powietrza. A to skutkuje emisją tlenków azotu.

Ilość powietrza dostarczanego do cylindra będzie zawsze niemal taka sama. Chcąc uzyskać jego nadmiar należy zmniejszyć ilość wtryskiwanego paliwa. W efekcie wolnossące silniki Diesla charakteryzują się niskim momentem obrotowym z danej pojemności skokowej.

W silniku z zapłonem iskrowym, przy wtrysku do kolektora dolotowego, sprężana jest jednorodna mieszanka paliwowo-powietrzna. Jej zapłon następuje od iskry elektrycznej. Płomień przesuwa się płynnie od świecy zapłonowej aż do ścianek cylindra.

Niestety również tutaj proces spalania trwa aż kilkadziesiąt stopni obrotu wału korbowego. Konieczne jest utrzymywanie niskiego stopnia sprężania, by zapobiec samozapłonowi, co obniża sprawność.

Skrót ten rozwijany jako Homogeneous Charge Compression Ignition oznacza spalanie mieszanek jednorodnych (jak w silniku ZI) przy użyciu samozapłonu (jak w ZS). Stopień sprężania jest zbliżony do stosowanego w silnikach Diesla. W przeciwieństwie do obecnych silników, w HCCI zapłon następuje niemal jednocześnie w całej objętości, a spalenie mieszanki zajmuje pojedyncze stopnie obrotu wału korbowego.

Oznacza to brak konieczności stosowania wyprzedzenia zapłonu i wysoką sprawność silnika. Sprężaniu ulega wymieszana już mieszanka paliwowo-powietrzna. Na skutek wzrostu temperatury ulega samozapłonowi. Spalanie takiej mieszanki oznacza niemal brak emisji cząstek stałych, a krótki czas przebiegu procesu i niska temperatura ogranicza emisję tlenków azotu.

Wytwarzane są jedynie węglowodory i tlenek węgla, które jednak mogą być łatwo utlenione w tanim katalizatorze trójfunkcyjnym. Takim jak we współczesnych silnikach benzynowych.

W silniku ZI o chwili zapłonu decydowała iskra elektryczna, w ZS rozpoczęcie wtrysku. W HCCI problem jest bardziej złożony. Tam trzeba sterować temperaturą i ciśnieniem mieszanki. Rozwiązaniami mogącymi w tym pomóc są:

• zmienne fazy rozrządu,
• zmienne wzniosy zaworów,
• recyrkulacja spalin,
• doładowanie,
• zmienny stopień sprężania.

Pomimo tego większość rozwiązań nie potrafi pracować w trybie HCCI w całym zakresie obciążeń. Poza tym obszarem wykorzystywana jest iskra elektryczna.

Silniki HCCI przedstawiło m.in. General Motors, Mercedes (DiesOtto) czy Volkswagen (GCI). Badania nad tym procesem spalania trwają na całym świecie: od Japonii po Polskę. Konstruktorzy borykają się trudnościami w sterowaniu silnikiem i walczą z "twardą" pracą. Wysiłek może się opłacić - silnik HCCI powinien osiągać moce benzyniaków przy zużyciu paliwa diesli lub nawet niższym. Do tego nie będą potrzebne katalizatory NOx czy filtry cząstek stałych.

Być może przyszłością są silniki pracujące na nowych paliwach syntetycznych jak CCS Volkswagena. CCS zawsze działa w trybie HCCI.