Prøvekjør diesel og bensin: typer
Den spente konfrontasjonen mellom diesel- og bensinmotorer når sitt klimaks. Den nyeste turboteknologien, elektronisk kontrollerte common-rail direkteinnsprøytningssystemer, høye kompresjonsforhold – rivaliseringen bringer de to motortypene nærmere... Og plutselig, midt i en eldgammel duell, dukket plutselig en ny spiller opp på scenen. et sted under solen.
Etter mange års forsømmelse har designerne gjenoppdaget dieselmotorens enorme potensial og akselerert utviklingen gjennom intensiv introduksjon av ny teknologi. Den kom til et punkt der dens dynamiske ytelse nærmet seg egenskapene til en bensinkonkurrent og tillot opprettelse av hittil utenkelige biler som Volkswagen Race Touareg og Audi R10 TDI med mer enn seriøse racingambisjoner. Kronologien til hendelsene de siste femten årene er velkjent ... Dieselmotorer fra 1936-ene skilte seg ikke grunnleggende fra deres forfedre, opprettet av Mercedes-Benz tilbake i 13. En prosess med sakte evolusjon fulgte, som de siste årene har vokst til en kraftig teknologisk eksplosjon. På slutten av 1-tallet gjenskapte Mercedes den første bil-turbodiesel, på slutten av XNUMX-tallet debuterte direkte injeksjon i Audi-modellen, senere mottok dieselmotorer fire-ventilshoder, og i slutten av XNUMX-årene ble elektronisk styrte Common Rail-injeksjonssystemer en realitet . ... I mellomtiden har høytrykks direkte drivstoffinnsprøytning blitt introdusert i bensinmotorer, der kompresjonsforholdet i dag når XNUMX: XNUMX i noen tilfeller. Nylig opplever turboteknologien også en renessanse, med bensinmotorers dreiemomentverdier som begynner å nærme seg dreiemomentverdiene til den berømte fleksible turbo -dieselen betydelig. Parallelt med moderniseringen er det imidlertid en jevn tendens til en alvorlig økning i kostnaden for bensinmotoren ... Så, til tross for de uttalte fordommer og polarisering av meninger om bensin- og dieselmotorer i forskjellige deler av verden, er ingen av de to rivalene får håndgripelig dominans.
Til tross for sammenfallet av kvalitetene til de to typene enheter, er det fortsatt store forskjeller i naturen, karakteren og oppførselen til de to varmemotorene.
Når det gjelder en bensinmotor, dannes blandingen av luft og fordampet drivstoff over en mye lengre periode og begynner lenge før starten av forbrenningsprosessen. Enten du bruker en forgasser eller moderne elektroniske direkteinjeksjonssystemer, er målet med blandingen å produsere en jevn, homogen drivstoffblanding med et veldefinert luft-drivstoffforhold. Denne verdien er vanligvis nær den såkalte "støkiometriske blandingen", der det er nok oksygenatomer til å kunne (teoretisk) binde seg i en stabil struktur med hvert hydrogen- og karbonatom i drivstoffet, og danne kun H20 og CO2. Fordi kompresjonsforholdet er lite nok til å unngå for tidlig ukontrollert selvantennelse av enkelte stoffer i drivstoffet på grunn av høy kompresjonstemperatur (bensinfraksjonen består av hydrokarboner med mye lavere fordampningstemperatur og mye høyere forbrenningstemperatur). selvantenning fra de i dieselfraksjonen), initieres antennelse av blandingen av en tennplugg og forbrenning skjer i form av en front som beveger seg med en viss fartsgrense. Dessverre dannes det soner med ufullstendige prosesser i forbrenningskammeret, noe som fører til dannelse av karbonmonoksid og stabile hydrokarboner, og når flammefronten beveger seg, øker trykket og temperaturen i periferien, noe som fører til dannelsen av skadelige nitrogenoksider ( mellom nitrogen og oksygen fra luften), peroksider og hydroperoksider (mellom oksygen og drivstoff). Akkumuleringen av sistnevnte til kritiske verdier fører til ukontrollert detonasjonsforbrenning, derfor brukes i moderne bensin fraksjoner av molekyler med en relativt stabil, vanskelig å detonere kjemisk "konstruksjon" - en rekke ekstra prosesser utføres ved raffinerier for å oppnå slik stabilitet. inkludert en økning i oktantallet til drivstoffet. På grunn av det stort sett faste blandingsforholdet som bensinmotorer kan kjøre, spiller gassventilen en viktig rolle i dem, hvorved motorbelastningen reguleres ved å justere mengden frisk luft. Imidlertid blir det på sin side en kilde til betydelige tap i dellastmodus, og spiller rollen som en slags "halsplugg" til motoren.
Ideen til skaperen av dieselmotoren, Rudolf Diesel, er å øke kompresjonsforholdet betydelig, og dermed den termodynamiske effektiviteten til maskinen. Dermed reduseres arealet av drivstoffkammeret, og forbrenningsenergien spres ikke gjennom sylinderens vegger og kjølesystemet, men "brukes" mellom partiklene selv, som i dette tilfellet er mye nærmere hver annen. Hvis en forhåndstilberedt luft-drivstoffblanding kommer inn i forbrenningskammeret til denne motortypen, som i tilfellet med en bensinmotor, når en viss kritisk temperatur nås under kompresjonsprosessen (avhengig av kompresjonsforholdet og typen drivstoff ), vil selvantenningsprosessen bli igangsatt lenge før GMT. ukontrollert volumetrisk forbrenning. Det er av denne grunn at diesel injiseres i siste øyeblikk, kort før GMT, ved svært høyt trykk, noe som skaper betydelig mangel på tid for god fordampning, diffusjon, blanding, selvantenning og behov for en toppfartsgrense. som sjelden overskrider grensen. fra 4500 rpm Denne tilnærmingen stiller passende krav til kvaliteten på drivstoffet, som i dette tilfellet er en brøkdel av dieseldrivstoff - hovedsakelig rene destillater med betydelig lavere selvantenningstemperatur, siden en mer ustabil struktur og lange molekyler er en forutsetning for enklere brudd og reaksjon med oksygen.
Et trekk ved forbrenningsprosessene til en dieselmotor er på den ene siden soner med en beriket blanding rundt injeksjonshullene, der drivstoff nedbrytes (sprekker) fra temperatur uten oksidasjon, og blir til en kilde for karbonpartikler (sot) og på den andre. der det ikke er noe drivstoff i det hele tatt, og under påvirkning av høy temperatur kommer nitrogen og oksygen i luften til kjemisk interaksjon og danner nitrogenoksider. Derfor er dieselmotorer alltid innstilt på å fungere med middels magre blandinger (det vil si med et alvorlig luftoverskudd), og lasten styres bare ved å dosere mengden innsprøytet drivstoff. Dette unngår å bruke gassen, noe som er en stor fordel i forhold til deres bensin kolleger. For å kompensere for noen av manglene ved bensinmotoren har designere laget motorer der blandingsdannelsesprosessen er den såkalte "charge stratification".
I delvis lastmodus opprettes den optimale støkiometriske blandingen bare i området rundt tennpluggelektrodene på grunn av en spesiell injeksjon av en injisert drivstoffstråle, en rettet luftstrøm, en spesiell stempelfrontprofil og andre lignende metoder som sikrer antennelsestabilitet. Samtidig forblir blandingen i det meste av kammervolumet mager, og siden belastningen i denne modusen bare kan styres av mengden tilført drivstoff, kan gassventilen forbli helt åpen. Dette fører igjen til en samtidig nedgang i tap og en økning i motorens termodynamiske effektivitet. I teorien ser alt bra ut, men suksessen til denne typen motor produsert av Mitsubishi og VW har så langt ikke vært glamorøs. Generelt kan ingen så langt skryte av at de har utnyttet disse teknologiske løsningene fullt ut.
Og hvis du "magisk" kombinerer fordelene med de to motortypene? Hva ville være den ideelle kombinasjonen av høy dieselkompresjon, homogen fordeling av blandingen gjennom hele brennkammerets volum og jevn selvantennelse i samme volum? Intensive laboratoriestudier av eksperimentelle enheter av denne typen de siste årene har vist en betydelig reduksjon i skadelige utslipp i eksosgasser (for eksempel reduseres mengden nitrogenoksider med opptil 99 %!) Med en økning i effektivitet sammenlignet med bensinmotorer . Det ser ut til at fremtiden faktisk tilhører motorer, som bilfirmaer og uavhengige designselskaper nylig har samlet under paraplynavnet HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines eller Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Som mange andre tilsynelatende “revolusjonerende” utviklinger, er ikke ideen om å lage en slik maskin ny, og mens forsøk på å lage en pålitelig produksjonsmodell fremdeles mislykkes. Samtidig skaper de økende mulighetene for elektronisk kontroll av den teknologiske prosessen og den store fleksibiliteten til gassdistribusjonssystemer et veldig realistisk og optimistisk perspektiv for en ny type motor.
Faktisk er det i dette tilfellet en slags hybrid av prinsippene for drift av bensin- og dieselmotorer. En godt homogenisert blanding, som i bensinmotorer, kommer inn i forbrenningskamrene til HCCI, men den antenner selv under påvirkning av varme fra kompresjonen. Den nye motortypen krever heller ikke gassventil, siden den kan kjøre på magre blandinger. Imidlertid bør det bemerkes at i dette tilfellet er betydningen av definisjonen av "mager" vesentlig forskjellig fra definisjonen av diesel, siden HCCI ikke har en helt mager og sterkt beriket blanding, men er en slags jevn mager blanding. Operasjonsprinsippet innebærer samtidig antenning av blandingen i hele sylindervolumet uten en jevn bevegelig flammefront og ved en mye lavere temperatur. Dette fører automatisk til en betydelig reduksjon i mengden av nitrogenoksider og sot i eksosgassene, og ifølge en rekke autoritative kilder, den massive innføringen av mye mer effektive HCCI i seriell bilproduksjon i 2010-2015. Vil redde menneskeheten omtrent en halv million fat. olje daglig.
Men før de oppnår dette, må forskere og ingeniører overvinne den største snublesteinen for øyeblikket - mangelen på en pålitelig måte å kontrollere selvantenningsprosesser ved å bruke fraksjoner med forskjellig kjemisk sammensetning, egenskaper og oppførsel til moderne drivstoff. En rekke spørsmål er forårsaket av inneslutning av prosesser ved forskjellige belastninger, omdreininger og temperaturforhold for motoren. I følge noen eksperter kan dette gjøres ved å returnere en nøyaktig målt mengde avgasser tilbake til sylinderen, forvarme blandingen, eller dynamisk endre kompresjonsforholdet, eller direkte endre kompresjonsforholdet (for eksempel SVC Saab-prototypen) eller endre tidspunktet for ventilstengning ved å bruke variabel gassdistribusjon.
Det er ennå ikke klart hvordan problemet med støy og termodynamiske effekter på motordesignet på grunn av selvantenning av en stor mengde fersk blanding ved full belastning vil bli eliminert. Det virkelige problemet er å starte motoren ved lav temperatur i sylindrene, siden det er ganske vanskelig å starte selvantenning under slike forhold. For tiden jobber mange forskere med å eliminere disse flaskehalsene ved å bruke resultatene av observasjoner av prototyper med sensorer for kontinuerlig elektronisk kontroll og analyse av arbeidsprosesser i sylindere i sanntid.
По мнению специалистов автомобильных компаний, работающих в этом направлении, среди которых Honda, Nissan, Toyota и GM, вероятно, сначала будут созданы комбинированные машины, которые могут переключать режимы работы, а свеча зажигания будет использоваться как своего рода помощник в тех случаях, когда HCCI испытывает трудности. Volkswagen уже реализует аналогичную схему в своем двигателе CCS (Combined Combustion System), который в настоящее время работает только на специально разработанном для него синтетическом топливе.
Tenning av blandingen i HCCI-motorer kan utføres i et bredt spekter av forhold mellom drivstoff, luft og eksosgasser (det er nok til å nå selvantenningstemperaturen), og en kort forbrenningstid fører til en betydelig økning i motorens effektivitet. Noen problemer med nye typer enheter kan med hell løses i kombinasjon med hybridsystemer, som Toyotas Hybrid Synergy Drive - i dette tilfellet kan forbrenningsmotoren bare brukes i en bestemt modus som er optimal med tanke på hastighet og belastning. på jobb, og omgår dermed moduser der motoren sliter eller blir ineffektiv.
Forbrenning i HCCI-motorer, oppnådd gjennom integrert kontroll av temperatur, trykk, mengde og kvalitet av blandingen i en posisjon nær GMT, er virkelig et stort problem på bakgrunn av mye lettere tenning med tennplugg. På den annen side trenger HCCI ikke å lage turbulente prosesser, som er viktige for bensin og spesielt dieselmotorer, på grunn av selvantennelsens samtidig volumetriske natur. Samtidig er det av denne grunn at selv små temperaturavvik kan føre til betydelige endringer i kinetiske prosesser.
I praksis er den viktigste faktoren for fremtiden til denne motortypen drivstofftypen, og den riktige designløsningen kan bare bli funnet med en detaljert kunnskap om dens oppførsel i forbrenningskammeret. Derfor jobber mange bilselskaper for tiden med oljeselskaper (som Toyota og ExxonMobil), og de fleste eksperimentene på dette stadiet utføres med spesialdesignede syntetiske drivstoff, hvis sammensetning og oppførsel er beregnet på forhånd. Effektiviteten ved å bruke bensin og diesel i HCCI er i strid med logikken til klassiske motorer. På grunn av den høye selvtenningstemperaturen til bensiner, kan kompresjonsforholdet i dem variere fra 12:1 til 21:1, og i diesel, som antennes ved lavere temperaturer, bør det være relativt lite - i størrelsesorden bare 8 :1.
Tekst: Georgy Kolev
Foto: selskap
