Koeajo diesel ja bensiini: tyypit
Diesel- ja bensiinimoottoreiden kireä vastakkainasettelu saavuttaa huippunsa. Uusin turbotekniikka, elektronisesti ohjatut yhteispaineruiskutusjärjestelmät, korkeat puristussuhteet – kilpailu tuo kahden tyyppiset moottorit lähemmäksi… Ja yhtäkkiä, keskellä muinaista kaksintaistelua, paikalle ilmestyi yhtäkkiä uusi pelaaja. paikka auringon alla.
Monien vuosien laiminlyönnin jälkeen suunnittelijat ovat löytäneet uudelleen dieselmoottorin valtavan potentiaalin ja nopeuttaneet sen kehitystä ottamalla käyttöön uutta teknologiaa. Se saavutti pisteen, jossa sen dynaaminen suorituskyky lähestyi bensiinikilpailijan ominaisuuksia ja mahdollisti tähän asti käsittämättömien autojen, kuten Volkswagen Race Touaregin ja Audi R10 TDI: n, luomisen, joilla oli enemmän kuin vakavia kilpa -tavoitteita. Viimeisten viidentoista vuoden tapahtumien kronologia on hyvin tiedossa ... 1936-mallien dieselmoottorit eivät eronneet olennaisesti esivanhemmistaan, jotka Mercedes-Benz loi vuonna 13. Siitä seurasi hidas evoluutio, joka on viime vuosina kasvanut voimakkaaksi teknologiseksi räjähdykseksi. 1-luvun lopulla Mercedes loi ensimmäisen autojen turbodieselin, XNUMX-luvun lopulla suoraruiskutus teki debyyttinsä Audi-mallissa, myöhemmin dieselit saivat neliventtiiliset päät, ja XNUMX-luvun lopulla sähköisesti ohjatut Common Rail -ruiskutusjärjestelmät tulivat todellisuuteen . ... Samaan aikaan korkeapaineinen suora polttoaineen ruiskutus on otettu bensiinimoottoreihin, joissa puristussuhde saavuttaa nykyään joissakin tapauksissa XNUMX: XNUMX. Viime aikoina myös turbotekniikka on kokenut renessanssia, kun bensiinimoottorien vääntömomenttiarvot alkavat lähestyä merkittävästi kuuluisan joustavan turbodieselin vääntömomenttiarvoja. Nykyaikaistamisen rinnalla bensiinimoottorin kustannusten vakava nousu jatkuu kuitenkin jatkuvana ... Joten huolimatta bensiini- ja dieselmoottoreita koskevista voimakkaista ennakkoluuloista ja mielipiteiden polarisaatiosta eri puolilla maailmaa, kumpikaan molemmat kilpailijat saavat konkreettisen määräävän aseman.
Huolimatta kahden tyyppisten yksiköiden ominaisuuksien sattumasta, näiden kahden lämpömoottorin luonteessa, luonteessa ja käyttäytymisessä on edelleen suuria eroja.
Bensiinimoottorin tapauksessa ilman ja haihtuneen polttoaineen seos muodostuu paljon pidemmän ajan kuluessa ja alkaa kauan ennen palamisprosessin alkamista. Käytettäessä kaasutinta tai nykyaikaisia elektronisia suoraruiskutusjärjestelmiä, sekoittamisen tavoitteena on tuottaa tasainen, homogeeninen polttoaineseos, jolla on hyvin määritelty ilma-polttoainesuhde. Tämä arvo on yleensä lähellä niin kutsuttua "stoikiometristä seosta", jossa on tarpeeksi happiatomeja, jotta ne pystyvät (teoreettisesti) sitoutumaan stabiiliin rakenteeseen polttoaineen jokaisen vety- ja hiiliatomin kanssa muodostaen vain H20:ta ja CO2:ta. Koska puristussuhde on riittävän pieni, jotta vältetään joidenkin polttoaineessa olevien aineiden ennenaikainen hallitsematon itsesyttyminen korkean puristuslämpötilan vuoksi (bensiinifraktio koostuu hiilivedyistä, joiden haihtumislämpötila on paljon alhaisempi ja palamislämpötila paljon korkeampi). itsesyttyminen dieselfraktiosta), seoksen syttyminen käynnistyy sytytystulpalla ja palaminen tapahtuu etuosan muodossa, joka liikkuu tietyllä nopeusrajoituksella. Valitettavasti polttokammioon muodostuu epätäydellisiä prosesseja sisältäviä vyöhykkeitä, jotka johtavat hiilimonoksidin ja stabiilien hiilivetyjen muodostumiseen, ja kun liekin eturintama liikkuu, paine ja lämpötila sen reunalla kohoavat, mikä johtaa haitallisten typen oksidien muodostumiseen ( typen ja ilman hapen välillä), peroksidit ja hydroperoksidit (hapen ja polttoaineen välillä). Jälkimmäisen kertyminen kriittisiin arvoihin johtaa hallitsemattomaan räjähdyspalamiseen, joten nykyaikaisissa bensiinissä käytetään molekyylien fraktioita, joilla on suhteellisen vakaa, vaikeasti räjähtävä kemiallinen "rakenne" - suoritetaan useita lisäprosesseja. jalostamoissa tällaisen vakauden saavuttamiseksi. mukaan lukien polttoaineen oktaaniluvun nousu. Bensiinimoottorien pitkälti kiinteästä seossuhteesta johtuen niissä on tärkeä rooli kaasuventtiilillä, jolla säädellään moottorin kuormitusta säätämällä raitista ilmaa. Siitä puolestaan tulee kuitenkin merkittävien häviöiden lähde osittaisessa kuormitustilassa, toimien eräänlaisena moottorin "kurkun tulpana".
Dieselmoottorin luojan Rudolf Dieselin ideana on lisätä merkittävästi puristussuhdetta ja siten koneen termodynaamista hyötysuhdetta. Näin ollen polttoainekammion pinta-ala pienenee, eikä palamisenergia hajoa sylinterin ja jäähdytysjärjestelmän seinien läpi, vaan se "kulutetaan" itse hiukkasten välillä, jotka tässä tapauksessa ovat paljon lähempänä toisiaan. muu. Jos esivalmistettu ilma-polttoaineseos tulee tämän tyyppisen moottorin polttokammioon, kuten bensiinimoottorin tapauksessa, silloin kun tietty kriittinen lämpötila saavutetaan puristusprosessin aikana (riippuen puristussuhteesta ja polttoainetyypistä ), itsesyttymisprosessi käynnistetään kauan ennen GMT:tä. hallitsematon tilavuuspoltto. Tästä syystä dieselpolttoaine ruiskutetaan viime hetkellä, vähän ennen GMT:tä, erittäin korkealla paineella, mikä aiheuttaa huomattavan ajan puutteen hyvään haihtumisen, diffuusion, sekoittumisen, itsesyttymisen ja huippunopeusrajoituksen tarpeen. joka harvoin ylittää rajan. 4500 rpm alkaen Tämä lähestymistapa asettaa asianmukaiset vaatimukset polttoaineen laadulle, joka tässä tapauksessa on murto-osa dieselpolttoainetta - pääasiassa suoria tisleitä, joiden itsesyttymislämpötila on huomattavasti alhaisempi, koska epävakaampi rakenne ja pitkät molekyylit ovat edellytyksenä niiden helpottamiselle. repeäminen ja reaktio hapen kanssa.
Ominaisuus dieselmoottorin palamisprosesseissa on toisaalta alueet, joilla on rikas seos ruiskutusreikien ympärillä, joissa polttoaine hajoaa (halkeilee) lämpötilasta ilman hapettumista, muuttuen hiilihiukkasten lähteeksi (noki), ja toisaalta. jossa polttoainetta ei ole lainkaan ja ilman typpi ja happi korkean lämpötilan vaikutuksesta joutuvat kemialliseen vuorovaikutukseen muodostaen typen oksideja. Siksi dieselmoottorit on aina viritetty toimimaan keskiraskailla seoksilla (toisin sanoen voimakkaalla ilman ylimäärällä), ja kuormaa hallitaan vain annostelemalla ruiskutetun polttoaineen määrä. Näin vältetään kaasun käyttö, mikä on valtava etu verrattuna niiden bensiiniä vastaaviin. Joidenkin bensiinimoottoreiden puutteiden kompensoimiseksi suunnittelijat ovat luoneet moottoreita, joissa seoksen muodostumisprosessi on ns. "Varauksen kerrostuminen".
Osakuormitustilassa optimaalinen stökiometrinen seos syntyy vain sytytystulpan elektrodien ympärille ruiskutetun polttoainesuihkun erikoisruiskutuksen, suunnatun ilmavirran, männän etupintojen erityisprofiilin ja muiden vastaavien sytytyksen varmistavien menetelmien vuoksi luotettavuus. Samaan aikaan seos pysyy suurimmassa osassa kammion tilavuutta vähäisenä, ja koska kuormitusta tässä tilassa voidaan ohjata vain syötetyn polttoaineen määrällä, kaasuventtiili voi jäädä täysin auki. Tämä puolestaan johtaa samanaikaiseen häviöiden vähenemiseen ja moottorin termodynaamisen hyötysuhteen lisääntymiseen. Teoriassa kaikki näyttää hyvältä, mutta toistaiseksi Mitsubishin ja VW: n tämän tyyppisten moottoreiden menestys ei ole ollut lumoavaa. Yleensä toistaiseksi kukaan ei voi ylpeillä siitä, että hän on hyödyntänyt täysimääräisesti näitä teknologisia ratkaisuja.
Ja jos yhdistät "maagisesti" kahden moottorityypin edut? Mikä olisi ihanteellinen yhdistelmä korkeasta dieselpuristamisesta, seoksen tasaisesta jakautumisesta polttokammion tilavuuteen ja tasaisesta itsesyttymisestä samassa tilavuudessa? Tämän tyyppisten koeyksiköiden intensiiviset laboratoriotutkimukset viime vuosina ovat osoittaneet haitallisten päästöjen merkittävän vähenemisen pakokaasuissa (esimerkiksi typen oksidien määrä vähenee jopa 99 %!) Tehokkuus on lisääntynyt bensiinimoottoreihin verrattuna. . Tulevaisuus näyttää todellakin kuuluvan moottoreille, jotka autoteollisuusyritykset ja itsenäiset suunnitteluyritykset ovat viime aikoina koonneet yhteen kattonimen HCCI - Homogenous Charge Compression Ignition Engines tai Homogenous Charge Self Ignition Engines - alle.
Kuten monet muutkin "vallankumouksellisen" näennäiset kehityssuunnat, ajatus tällaisen koneen luomisesta ei ole uusi, ja vaikka yritykset luoda luotettava tuotantomalli ovat silti epäonnistuneita. Samaan aikaan kasvavat teknologisen prosessin elektronisen hallinnan mahdollisuudet ja kaasunjakelujärjestelmien suuri joustavuus luovat hyvin realistisen ja optimistisen näkymän uudentyyppiselle moottorille.
Itse asiassa tässä tapauksessa se on eräänlainen yhdistelmä bensiini- ja dieselmoottoreiden toimintaperiaatteita. Hyvin homogenoitu seos, kuten bensiinimoottoreissa, tulee HCCI: n polttokammioihin, mutta se itsestään syttyy puristuksen aiheuttaman lämmön vaikutuksesta. Uuden tyyppinen moottori ei myöskään vaadi kuristusventtiiliä, koska se voi toimia vähäraskaisilla seoksilla. On kuitenkin huomattava, että tässä tapauksessa "vähärasvaisen" määritelmän merkitys eroaa merkittävästi dieselöljyn määritelmästä, koska HCCI: llä ei ole täysin laihaa ja erittäin rikastettua seosta, mutta se on eräänlainen tasaisesti vähärasvainen seos. Toimintaperiaate käsittää seoksen samanaikaisen sytyttämisen koko sylinterin tilavuudessa ilman tasaisesti liikkuvaa liekin etuosaa ja paljon alhaisemmassa lämpötilassa. Tämä johtaa automaattisesti typpioksidien ja noken määrän merkittävään vähenemiseen pakokaasuissa ja useiden arvovaltaisten lähteiden mukaan paljon tehokkaampien HCCI-yhdisteiden massiiviseen käyttöönottoon sarjatuotannossa vuosina 2010--2015. Säästää ihmiskunnalle noin puoli miljoonaa tynnyriä. öljyä päivittäin.
Ennen tämän saavuttamista tutkijoiden ja insinöörien on kuitenkin voitettava tämän hetken suurin kompastuskivi - luotettavan tavan puuttuminen itsesyttymisprosessien ohjaamiseen käyttämällä sisältäviä fraktioita, joilla on erilainen kemiallinen koostumus, ominaisuudet ja käyttäytyminen nykyaikaisten polttoaineiden kanssa. Useita kysymyksiä aiheuttaa prosessien rajoittuminen moottorin eri kuormituksille, kierroksille ja lämpötilaolosuhteille. Joidenkin asiantuntijoiden mukaan tämä voidaan tehdä palauttamalla tarkasti mitattu määrä pakokaasuja takaisin sylinteriin, esilämmittämällä seos tai muuttamalla dynaamisesti puristussuhdetta tai muuttamalla puristussuhdetta suoraan (esim. SVC Saab prototyyppi) tai venttiilin sulkeutumisajoituksen muuttaminen muuttuvien kaasunjakelujärjestelmien avulla.
Vielä ei ole selvää, kuinka suuren tuoreen seoksen itsesyttymisen aiheuttama melu- ja termodynaamisten vaikutusten ongelma moottorin suunnittelussa eliminoidaan täydellä kuormituksella. Todellinen ongelma on käynnistää moottori alhaisessa lämpötilassa sylintereissä, koska itsesyttymisen käynnistäminen tällaisissa olosuhteissa on melko vaikeaa. Tällä hetkellä monet tutkijat pyrkivät poistamaan näitä pullonkauloja käyttämällä antureilla varustettujen prototyyppien havaintojen tuloksia jatkuvaan elektroniseen ohjaukseen ja sylintereiden työprosessien analysointiin reaaliajassa.
Tähän suuntaan toimivien autoyritysten, mukaan lukien Honda, Nissan, Toyota ja GM, asiantuntijoiden mukaan on todennäköistä, että ensin luodaan yhdistelmäautoja, jotka voivat vaihtaa toimintatapoja, ja sytytystulppaa käytetään eräänlaisena avustajana tilanteissa. missä HCCI:llä on vaikeuksia. Volkswagen toteuttaa jo samanlaista järjestelmää CCS (Combined Combustion System) -moottorissaan, joka toimii tällä hetkellä vain sitä varten kehitetyllä synteettisellä polttoaineella.
Seoksen sytytys HCCI-moottoreissa voidaan suorittaa useilla polttoaineen, ilman ja pakokaasujen suhteilla (itsesyttymislämpötilan saavuttaminen riittää), ja lyhyt palamisaika johtaa moottorin hyötysuhteen merkittävään nousuun. Jotkut uudentyyppisten yksiköiden ongelmat voidaan ratkaista onnistuneesti hybridijärjestelmien, kuten Toyotan Hybrid Synergy Driven, kanssa - tässä tapauksessa polttomoottoria voidaan käyttää vain tietyssä nopeuden ja kuormituksen kannalta optimaalisessa tilassa. töissä ohittaen tilat, joissa moottori kamppailee tai muuttuu tehottomaksi.
Poltto HCCI-moottoreissa, joka saavutetaan seoksen lämpötilan, paineen, määrän ja laadun integroidulla ohjauksella lähellä GMT: tä, on todellakin suuri ongelma sytytystulpan avulla tapahtuvan huomattavasti yksinkertaisemman sytytyksen taustalla. Toisaalta HCCI: n ei tarvitse luoda turbulenttisia prosesseja, jotka ovat tärkeitä bensiini- ja etenkin dieselmoottoreille johtuen autoignition samanaikaisesta tilavuusluonteesta. Samanaikaisesti juuri tästä syystä pienetkin lämpötilapoikkeamat voivat johtaa merkittäviin muutoksiin kineettisiin prosesseihin.
Käytännössä tämän tyyppisen moottorin tulevaisuuden kannalta tärkein tekijä on polttoaineen tyyppi, ja oikean suunnitteluratkaisun voi löytää vain, kun sen käyttäytyminen palotilassa on tarkkaan tiedossa. Siksi monet autoyhtiöt tekevät tällä hetkellä yhteistyötä öljy-yhtiöiden (kuten Toyota ja ExxonMobil) kanssa, ja suurin osa kokeista tässä vaiheessa suoritetaan erityisesti suunnitelluilla synteettisillä polttoaineilla, joiden koostumus ja käyttäytyminen on laskettu etukäteen. Bensiinin ja dieselpolttoaineen käytön tehokkuus HCCI:ssä on vastoin klassisten moottoreiden logiikkaa. Bensiinien korkeasta itsesyttymislämpötilasta johtuen puristussuhde niissä voi vaihdella välillä 12:1 - 21:1, ja dieselpolttoaineessa, joka syttyy alhaisissa lämpötiloissa, sen pitäisi olla suhteellisen pieni - luokkaa vain 8 :1.
Teksti: Georgy Kolev
Kuva: yritys
