Test drive diesel și benzină: tipuri
Confruntarea tensionată dintre motoarele diesel și pe benzină atinge punctul culminant. Cea mai recentă tehnologie turbo, sisteme de injecție directă common-rail controlate electronic, rapoarte mari de compresie – rivalitatea apropie cele două tipuri de motoare... Și deodată, în mijlocul unui duel străvechi, un nou jucător a apărut brusc pe scenă. un loc sub soare.
După mulți ani de neglijare, designerii au redescoperit enormul potențial al motorului diesel și au accelerat dezvoltarea acestuia prin introducerea intensivă a noilor tehnologii. A ajuns la punctul în care performanțele sale dinamice s-au apropiat de caracteristicile unui concurent pe benzină și au permis crearea de mașini până acum de neimaginat, precum Volkswagen Race Touareg și Audi R10 TDI cu ambiții de curse mai mult decât serioase. Cronologia evenimentelor din ultimii cincisprezece ani este bine cunoscută ... Motoarele diesel ale 1936 nu au diferit în mod fundamental de strămoșii lor, create de Mercedes-Benz în 13. A urmat un proces de evoluție lentă, care în ultimii ani a devenit o puternică explozie tehnologică. La sfârșitul anilor 1, Mercedes a recreat primul turbodiesel auto, la sfârșitul primului an, injecția directă a debutat în modelul Audi, mai târziu motorinele au primit capete cu patru supape, iar la sfârșitul XNUMX-urilor, sistemele de injecție Common Rail controlate electronic au devenit o realitate. ... Între timp, injecția directă de combustibil de înaltă presiune a fost introdusă în motoarele pe benzină, unde raportul de compresie ajunge astăzi la XNUMX: XNUMX în unele cazuri. Recent, tehnologia turbo se confruntă și cu o renaștere, valorile cuplului motoarelor pe benzină începând să se apropie semnificativ de valorile cuplului faimosului turbo diesel flexibil. Cu toate acestea, în paralel cu modernizarea, rămâne o tendință constantă către o creștere gravă a prețului motorului pe benzină ... Deci, în ciuda prejudecăților pronunțate și polarizării opiniilor cu privire la motoarele pe benzină și diesel din diferite părți ale lumii, niciuna dintre cei doi rivali câștigă o dominație tangibilă.
În ciuda coincidenței calităților celor două tipuri de unități, există încă diferențe uriașe în natura, caracterul și comportamentul celor două motoare termice.
În cazul unui motor pe benzină, amestecul de aer și combustibil evaporat se formează pe o perioadă mult mai lungă de timp și începe cu mult înainte de începerea procesului de ardere. Indiferent dacă se utilizează un carburator sau sisteme electronice moderne de injecție directă, scopul amestecării este de a produce un amestec de combustibil uniform, omogen, cu un raport aer-combustibil bine definit. Această valoare este de obicei apropiată de așa-numitul „amestec stoichiometric”, în care există destui atomi de oxigen pentru a se putea (teoretic) să se lege într-o structură stabilă cu fiecare atom de hidrogen și carbon din combustibil, formând doar H20 și CO2. Deoarece raportul de compresie este suficient de mic pentru a evita autoaprinderea prematură necontrolată a unor substanțe din combustibil din cauza temperaturii ridicate de compresie (fracția de benzină este formată din hidrocarburi cu o temperatură de evaporare mult mai scăzută și o temperatură de ardere mult mai ridicată). autoaprindere de la cei din fracția diesel), aprinderea amestecului este inițiată de o bujie și arderea are loc sub forma unui front care se deplasează la o anumită limită de viteză. Din păcate, în camera de ardere se formează zone cu procese incomplete, ducând la formarea de monoxid de carbon și hidrocarburi stabile, iar atunci când frontul de flăcări se mișcă, presiunea și temperatura la periferie cresc, ceea ce duce la formarea de oxizi de azot nocivi ( între azot și oxigen din aer), peroxizi și hidroperoxizi (între oxigen și combustibil). Acumularea acestora din urmă la valori critice duce la arderea cu detonare necontrolată, prin urmare, în benzinele moderne, se folosesc fracții de molecule cu o „construcție” chimică relativ stabilă, greu de detonat - se efectuează o serie de procese suplimentare. la rafinării pentru a atinge o asemenea stabilitate. inclusiv o creștere a numărului octanic al combustibilului. Datorită raportului de amestec în mare măsură fix pe care îl pot rula motoarele pe benzină, supapa de accelerație joacă un rol important în ele, prin care sarcina motorului este reglată prin reglarea cantității de aer proaspăt. Cu toate acestea, la rândul său, devine o sursă de pierderi semnificative în modul de sarcină parțială, jucând rolul unui fel de „dop de gât” al motorului.
Ideea creatorului motorului diesel, Rudolf Diesel, este de a crește semnificativ raportul de compresie și, prin urmare, eficiența termodinamică a mașinii. Astfel, aria camerei de combustibil scade, iar energia de ardere nu este disipată prin pereții cilindrului și ai sistemului de răcire, ci este „cheltuită” între particulele în sine, care în acest caz sunt mult mai aproape de fiecare. alte. Dacă un amestec aer-combustibil pregătit în prealabil intră în camera de ardere a acestui tip de motor, ca în cazul unui motor pe benzină, atunci când se atinge o anumită temperatură critică în timpul procesului de compresie (în funcție de raportul de compresie și tipul de combustibil ), procesul de autoaprindere va fi inițiat cu mult înainte de GMT. ardere volumetrică necontrolată. Din acest motiv motorina este injectată în ultimul moment, cu puțin timp înainte de GMT, la presiune foarte mare, ceea ce creează o lipsă semnificativă de timp pentru o bună evaporare, difuzie, amestecare, autoaprindere și necesitatea unei limite de viteză maximă. care rareori depășește limita. de la 4500 rpm Această abordare stabilește cerințe adecvate pentru calitatea combustibilului, care în acest caz este o fracțiune de motorină - în principal distilate drepte cu o temperatură de autoaprindere semnificativ mai scăzută, deoarece o structură mai instabilă și moleculele lungi sunt o condiție prealabilă pentru mai ușor. ruptura si reactia cu oxigenul.
O caracteristică a proceselor de ardere ale unui motor diesel este, pe de o parte, zonele cu un amestec bogat în jurul găurilor de injecție, în care combustibilul se descompune (fisuri) de la temperatură fără oxidare, transformându-se într-o sursă de particule de carbon (funingine) și, pe de altă parte. în care nu există deloc combustibil și, sub influența temperaturii ridicate, azotul și oxigenul aerului intră în interacțiune chimică, formând oxizi de azot. Prin urmare, motoarele diesel sunt întotdeauna reglate pentru a funcționa cu amestecuri slabe medii (adică cu un exces grav de aer), iar sarcina este controlată numai de dozarea cantității de combustibil injectat. Acest lucru evită utilizarea clapetei de accelerație, ceea ce reprezintă un avantaj imens față de omologii lor pe benzină. Pentru a compensa unele dintre neajunsurile unui motor pe benzină, proiectanții au creat motoare în care procesul de formare a amestecului este așa-numita „stratificare a sarcinii”.
În modul de încărcare parțială, amestecul stoichiometric optim este creat numai în zona din jurul electrozilor bujiei datorită unei injecții speciale a unui jet de combustibil injectat, a unui flux de aer direcționat, a unui profil special al fronturilor pistonului și a altor metode similare care asigură aprinderea fiabilitate. În același timp, amestecul din cea mai mare parte a volumului camerei rămâne slab și, deoarece sarcina în acest mod poate fi controlată doar de cantitatea de combustibil furnizat, supapa de accelerație poate rămâne complet deschisă. Acest lucru, la rândul său, duce la o scădere simultană a pierderilor și la o creștere a eficienței termodinamice a motorului. În teorie totul arată grozav, dar până acum succesul acestui tip de motor produs de Mitsubishi și VW nu a fost plin de farmec. În general, până acum nimeni nu se poate lăuda cu a profita din plin de aceste soluții tehnologice.
Și dacă combini „magic” avantajele celor două tipuri de motoare? Care ar fi combinația ideală de compresie ridicată a motorinei, distribuție omogenă a amestecului în întregul volum al camerei de ardere și autoaprindere uniformă în același volum? Studiile intensive de laborator ale unităților experimentale de acest tip din ultimii ani au arătat o reducere semnificativă a emisiilor nocive din gazele de eșapament (de exemplu, cantitatea de oxizi de azot este redusă cu până la 99%!) Cu o creștere a eficienței în comparație cu motoarele pe benzină . Se pare că viitorul aparține într-adevăr motoarelor, pe care companiile de automobile și companiile independente de design le-au adunat recent sub denumirea umbrelă HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines sau Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
La fel ca multe alte evoluții aparent „revoluționare”, ideea creării unei astfel de mașini nu este nouă, iar în timp ce încercările de creare a unui model de producție fiabil nu sunt încă nereușite. În același timp, posibilitățile tot mai mari de control electronic al procesului tehnologic și flexibilitatea mare a sistemelor de distribuție a gazelor creează o perspectivă foarte realistă și optimistă pentru un nou tip de motor.
De fapt, în acest caz este un fel de hibrid al principiilor de funcționare a motoarelor pe benzină și diesel. Un amestec bine omogenizat, ca în motoarele pe benzină, intră în camerele de combustie ale HCCI, dar se auto-aprinde prin căldură de la compresie. Noul tip de motor nu necesită de asemenea o supapă de accelerație, deoarece poate funcționa pe amestecuri slabe. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că, în acest caz, sensul definiției „slab” diferă semnificativ de definiția motorinei, deoarece HCCI nu are un amestec complet slab și foarte îmbogățit, ci este un fel de amestec uniform slab. Principiul de funcționare implică aprinderea simultană a amestecului în întregul volum al cilindrului fără o față de flacără în mișcare uniformă și la o temperatură mult mai scăzută. Acest lucru duce automat la o reducere semnificativă a cantității de oxizi de azot și funingine din gazele de eșapament și, conform mai multor surse autorizate, introducerea masivă a HCCI mult mai eficiente în producția de serie a automobilelor în 2010-2015. Va salva omenirea aproximativ jumătate de milion de barili. ulei zilnic.
Cu toate acestea, înainte de a realiza acest lucru, cercetătorii și inginerii trebuie să depășească cea mai mare piedică din acest moment - lipsa unei modalități fiabile de a controla procesele de autoaprindere folosind fracțiuni care conțin diferite compoziții chimice, proprietăți și comportament ale combustibililor moderni. O serie de întrebări sunt cauzate de limitarea proceselor la diferite sarcini, rotații și condiții de temperatură ale motorului. Potrivit unor experți, acest lucru se poate face prin returnarea unei cantități măsurate cu precizie de gaze de eșapament înapoi în cilindru, preîncălzirea amestecului sau modificarea dinamică a raportului de compresie sau schimbarea directă a raportului de compresie (de exemplu, prototipul SVC Saab) sau modificarea timpului de închidere a supapei folosind sisteme variabile de distribuție a gazelor.
Nu este încă clar cum va fi eliminată problema zgomotului și a efectelor termodinamice asupra designului motorului datorită autoaprinderii unei cantități mari de amestec proaspăt la sarcină maximă. Adevărata problemă este să porniți motorul la o temperatură scăzută în cilindri, deoarece este destul de dificil să inițiezi autoaprinderea în astfel de condiții. În prezent, mulți cercetători lucrează la eliminarea acestor blocaje prin utilizarea rezultatelor observațiilor prototipurilor cu senzori pentru controlul electronic continuu și analiza proceselor de lucru în cilindri în timp real.
Potrivit experților companiilor de automobile care lucrează în această direcție, inclusiv Honda, Nissan, Toyota și GM, este probabil ca mai întâi să fie create mașini combinate care pot schimba modurile de funcționare, iar bujia va fi folosită ca un fel de asistent în cazuri. unde HCCI întâmpină dificultăți. Volkswagen implementează deja o schemă similară în motorul său CCS (Combined Combustion System), care în prezent funcționează numai cu combustibil sintetic dezvoltat special pentru acesta.
Aprinderea amestecului în motoarele HCCI poate fi efectuată într-o gamă largă de rapoarte între combustibil, aer și gaze de eșapament (este suficient să se atingă temperatura de autoaprindere), iar un timp scurt de ardere duce la o creștere semnificativă a eficienței motorului. Unele probleme ale noilor tipuri de unități pot fi rezolvate cu succes în combinație cu sisteme hibride, precum Hybrid Synergy Drive de la Toyota - în acest caz, motorul cu ardere internă poate fi utilizat doar într-un anumit mod care este optim în ceea ce privește viteza și sarcina. la locul de muncă, ocolind astfel modurile în care motorul se luptă sau devine ineficient.
Arderea în motoarele HCCI, realizată prin controlul integrat al temperaturii, presiunii, cantității și calității amestecului într-o poziție apropiată de GMT, este într-adevăr o mare problemă pe fondul unei aprinderi mult mai simple cu o bujie. Pe de altă parte, HCCI nu trebuie să creeze procese turbulente, care sunt importante pentru motoarele pe benzină și mai ales motorina, datorită naturii volumetrice simultane a autoaprinderii. În același timp, din acest motiv, chiar și abaterile mici de temperatură pot duce la modificări semnificative în procesele cinetice.
În practică, cel mai important factor pentru viitorul acestui tip de motor este tipul de combustibil, iar soluția corectă de proiectare poate fi găsită doar cu o cunoaștere detaliată a comportamentului acestuia în camera de ardere. Prin urmare, multe companii de automobile lucrează în prezent cu companii petroliere (cum ar fi Toyota și ExxonMobil), iar majoritatea experimentelor din această etapă sunt efectuate cu combustibili sintetici special proiectați, a căror compoziție și comportament sunt calculate în avans. Eficiența utilizării benzinei și motorinei în HCCI este contrară logicii motoarelor clasice. Datorită temperaturii ridicate de autoaprindere a benzinelor, raportul de compresie în ele poate varia de la 12:1 la 21:1, iar în motorina, care se aprinde la temperaturi mai scăzute, ar trebui să fie relativ mic - de ordinul a doar 8 :1.
Text: Georgy Kolev
Foto: companie
