Testna vožnja dizel in bencin: vrste
Napeto soočenje med dizelskimi in bencinskimi motorji doseže vrhunec. Najnovejša turbo tehnologija, elektronsko krmiljeni sistemi neposrednega vbrizgavanja goriva po skupnem vodu, visoka kompresijska razmerja – rivalstvo zbližuje oba tipa motorjev … In nenadoma, sredi starodavnega dvoboja, se je na sceni nenadoma pojavil nov igralec. mesto pod soncem.
Po dolgih letih zanemarjanja so oblikovalci znova odkrili ogromen potencial dizelskega motorja in pospešili njegov razvoj z intenzivnim uvajanjem novih tehnologij. Prišlo je do tega, da se je njegova dinamična zmogljivost približala značilnostim bencinskega tekmeca in omogočila nastanek doslej nepredstavljivih avtomobilov, kot sta Volkswagen Race Touareg in Audi R10 TDI z več kot resnimi dirkaškimi ambicijami. Kronologija dogodkov v zadnjih petnajstih letih je dobro znana ... Dizelski motorji 1936 se niso bistveno razlikovali od svojih prednikov, ki jih je Mercedes-Benz ustvaril leta 13. Sledil je proces počasnega razvoja, ki je v zadnjih letih prerasel v močno tehnološko eksplozijo. V poznih 1-ih je Mercedes ponovno ustvaril prvi avtomobilski turbodizel, v poznih XNUMX-ih je pri modelu Audi debitiral neposredno vbrizgavanje, pozneje so dizli prejeli glave s štirimi ventili, v poznih XNUMX-ih pa so elektronsko vodeni sistemi vbrizgavanja Common Rail postali resničnost. ... Medtem so v bencinske motorje uvedli visokotlačno neposredno vbrizgavanje goriva, kjer kompresijsko razmerje danes doseže XNUMX: v nekaterih primerih XNUMX. V zadnjem času turbo tehnologija doživlja tudi preporod, pri čemer se vrednosti navora bencinskih motorjev znatno približujejo vrednostim navora znamenitega fleksibilnega turbo dizla. Vzporedno s posodobitvijo pa ostaja stalna težnja k resnemu dvigu cen bencinskega motorja ... Torej kljub izrazitim predsodkom in polarizaciji mnenj glede bencinskih in dizelskih motorjev v različnih delih sveta ne oba tekmeca pridobita otipljivo prevlado.
Kljub sovpadanju lastnosti obeh vrst enot pa še vedno obstajajo velike razlike v naravi, značaju in vedenju obeh toplotnih strojev.
Pri bencinskem motorju se mešanica zraka in izhlapelega goriva tvori veliko dlje časa in se začne veliko pred začetkom zgorevalnega procesa. Ne glede na to, ali uporabljate uplinjač ali sodobne elektronske sisteme neposrednega vbrizgavanja, je cilj mešanja ustvariti enotno, homogeno mešanico goriva z natančno določenim razmerjem zrak-gorivo. Ta vrednost je običajno blizu tako imenovane "stehiometrične zmesi", v kateri je dovolj atomov kisika, da se lahko (teoretično) vežejo v stabilno strukturo z vsakim atomom vodika in ogljika v gorivu, pri čemer tvorita samo H20 in CO2. Ker je kompresijsko razmerje dovolj majhno, da se prepreči prezgodnji nenadzorovan samovžig nekaterih snovi v gorivu zaradi visoke kompresijske temperature (bencinska frakcija je sestavljena iz ogljikovodikov z veliko nižjo temperaturo izhlapevanja in veliko višjo temperaturo zgorevanja). samovžig tistih v dizelski frakciji), vžig zmesi sproži svečka in zgorevanje poteka v obliki fronte, ki se premika z določeno omejitvijo hitrosti. Na žalost se v zgorevalni komori tvorijo cone z nedokončanimi procesi, kar vodi do tvorbe ogljikovega monoksida in stabilnih ogljikovodikov, pri premikanju fronte plamena pa se tlak in temperatura na njenem obrobju povečata, kar vodi do tvorbe škodljivih dušikovih oksidov ( med dušikom in kisikom iz zraka), peroksidi in hidroperoksidi (med kisikom in gorivom). Kopičenje slednjih do kritičnih vrednosti vodi do nenadzorovanega detonacijskega izgorevanja, zato se v sodobnih bencinih uporabljajo frakcije molekul z razmeroma stabilno kemično "konstrukcijo", ki jo je težko detonirati - izvajajo se številni dodatni procesi v rafinerijah, da bi dosegli takšno stabilnost. vključno s povečanjem oktanskega števila goriva. Zaradi večinoma fiksnega mešalnega razmerja, ki ga lahko poganjajo bencinski motorji, ima pri njih pomembno vlogo dušilna loputa, s katero se s prilagajanjem količine svežega zraka uravnava obremenitev motorja. Vendar pa postane vir znatnih izgub v načinu delne obremenitve in igra vlogo nekakšnega "vratnega čepa" motorja.
Ideja tvorca dizelskega motorja Rudolfa Diesla je bistveno povečati kompresijsko razmerje in s tem termodinamično učinkovitost stroja. Tako se površina komore za gorivo zmanjša, energija zgorevanja pa se ne razprši skozi stene valja in hladilnega sistema, temveč se "porabi" med samimi delci, ki so v tem primeru veliko bližje vsakemu drugo. Če v zgorevalno komoro tega tipa motorja vstopi vnaprej pripravljena mešanica zrak-gorivo, kot pri bencinskih motorjih, potem ko je med postopkom stiskanja dosežena določena kritična temperatura (odvisno od kompresijskega razmerja in vrste goriva). ), se bo proces samovžiga začel veliko pred GMT. nekontrolirano volumetrično zgorevanje. Zaradi tega se dizelsko gorivo vbrizga zadnji trenutek, malo pred GMT, pri zelo visokem tlaku, kar povzroči občutno pomanjkanje časa za dobro izhlapevanje, difuzijo, mešanje, samovžig in potrebo po najvišji omejitvi hitrosti. ki le redko preseže mejo. od 4500 vrt./min Ta pristop postavlja ustrezne zahteve glede kakovosti goriva, ki je v tem primeru frakcija dizelskega goriva - predvsem čisti destilati z bistveno nižjo temperaturo samovžiga, saj sta bolj nestabilna struktura in dolge molekule predpogoj za njihovo lažjo zlom in reakcija s kisikom.
Značilnost procesov zgorevanja dizelskega motorja so na eni strani območja z bogato zmesjo okoli vbrizgalnih odprtin, kjer gorivo razpade (razpoka) od temperature brez oksidacije, spremeni se v vir ogljikovih delcev (saj) in na drugi strani. v katerem sploh ni goriva in pod vplivom visokotemperaturnega dušika in kisika zrak vstopi v kemično interakcijo in tvori dušikove okside. Zato so dizelski motorji vedno nastavljeni tako, da delujejo s srednje suhimi mešanicami (torej s hudim presežkom zraka), obremenitev pa nadzorujemo le z doziranjem količine vbrizganega goriva. S tem se izognemo uporabi plina, kar je velika prednost pred njihovimi bencinskimi kolegi. Da bi nadomestili nekatere pomanjkljivosti bencinskega motorja, so oblikovalci ustvarili motorje, v katerih je postopek tvorbe zmesi tako imenovana "stratifikacija naboja".
V načinu delne obremenitve se optimalna stehiometrična mešanica ustvari le v območju okoli elektrod vžigalne svečke zaradi posebnega vbrizgavanja vbrizganega curka goriva, usmerjenega zračnega toka, posebnega profila čelnih strani bata in drugih podobnih metod, ki zagotavljajo vžig zanesljivost. Hkrati ostane mešanica v večini prostornine komore vitka, in ker je obremenitev v tem načinu mogoče nadzorovati le s količino dobavljenega goriva, lahko ventil za plin ostane popolnoma odprt. To pa vodi k hkratnemu zmanjšanju izgub in povečanju termodinamične učinkovitosti motorja. Teoretično je vse videti odlično, vendar doslej uspeh tovrstnih motorjev, ki sta jih proizvajala Mitsubishi in VW, ni bil glamurozen. Na splošno se doslej nihče ne more pohvaliti, da so te tehnološke rešitve v celoti izkoristili.
In če "čudežno" združite prednosti obeh vrst motorjev? Kakšna bi bila idealna kombinacija visoke kompresije dizla, homogene porazdelitve zmesi po prostornini zgorevalne komore in enakomernega samovžiga v isti prostornini? Intenzivne laboratorijske študije eksperimentalnih enot te vrste v zadnjih letih so pokazale znatno zmanjšanje škodljivih emisij v izpušnih plinih (na primer, količina dušikovih oksidov se zmanjša do 99%!) s povečanjem učinkovitosti v primerjavi z bencinskimi motorji. . Zdi se, da prihodnost res pripada motorjem, ki jih avtomobilska podjetja in neodvisna oblikovalska podjetja v zadnjem času združujejo pod krovnim imenom HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition Engines ali Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Tako kot mnogi drugi na videz "revolucionarni" dogodki tudi ideja o ustvarjanju takega stroja ni nova in doslej poskusi ustvariti zanesljiv proizvodni model še vedno niso uspešni. Hkrati naraščajoče zmogljivosti elektronskega nadzora procesov in velika prilagodljivost sistemov za distribucijo plina ustvarjajo zelo realne in optimistične možnosti za nov tip motorja.
Pravzaprav gre v tem primeru za nekakšen hibrid načel delovanja bencinskih in dizelskih motorjev. Dobro homogenizirana mešanica, tako kot pri bencinskih motorjih, vstopi v zgorevalne komore HCCI, vendar se sama vžge pod vplivom toplote iz kompresije. Nova vrsta motorja prav tako ne zahteva dušilnega ventila, saj lahko deluje na proste mešanice. Vendar je treba opozoriti, da se v tem primeru pomen definicije "vitkega" bistveno razlikuje od definicije dizelskega goriva, saj HCCI nima povsem puste in zelo obogatene mešanice, temveč je nekakšna enakomerno vitka mešanica. Načelo delovanja vključuje hkratni vžig mešanice v celotni prostornini jeklenke brez enakomerno premikajočega se plamena spredaj in pri veliko nižji temperaturi. To samodejno vodi do znatnega zmanjšanja količine dušikovih oksidov in saj v izpušnih plinih in po navedbah številnih avtoritativnih virov množično uvajanje veliko učinkovitejših HCCI v serijsko avtomobilsko proizvodnjo v obdobju 2010–2015. Rešilo bo človeštvu približno pol milijona sodov. olje dnevno.
Preden pa to dosežejo, morajo raziskovalci in inženirji premagati trenutno največji kamen spotike – pomanjkanje zanesljivega načina za nadzor procesov samovžiga z uporabo vsebnih frakcij z drugačno kemično sestavo, lastnostmi in obnašanjem sodobnih goriv. Veliko vprašanj povzroča zadrževanje procesov pri različnih obremenitvah, vrtljajih in temperaturnih pogojih motorja. Po mnenju nekaterih strokovnjakov je to mogoče storiti tako, da natančno odmerjeno količino izpušnih plinov vrnemo nazaj v valj, predgrejemo mešanico ali pa dinamično spremenimo kompresijsko razmerje ali neposredno spremenimo kompresijsko razmerje (na primer prototip SVC Saab) oz. spreminjanje časa zapiranja ventila z uporabo spremenljivih sistemov distribucije plina.
Kako bo odpravljen problem hrupa in termodinamičnih učinkov na konstrukcijo motorja zaradi samovžiga velike količine sveže mešanice pri polni obremenitvi, še ni jasno. Resnična težava je zagon motorja pri nizki temperaturi v valjih, saj je v takih razmerah precej težko sprožiti samovžig. Trenutno si številni raziskovalci prizadevajo za odpravo teh ozkih grl z uporabo rezultatov opazovanj prototipov s senzorji za neprekinjen elektronski nadzor in analizo delovnih procesov v valjih v realnem času.
Po mnenju strokovnjakov iz avtomobilskih podjetij, ki delajo v tej smeri, vključno s Hondo, Nissanom, Toyoto in GM, bodo verjetno najprej nastali kombinirani avtomobili, ki bodo lahko preklapljali med načini delovanja, vžigalna svečka pa bo uporabljena kot nekakšen pomočnik v primerih. kjer ima HCCI težave. Volkswagen že izvaja podobno shemo v svojem motorju CCS (Combined Combustion System), ki trenutno poganja le zanj razvito sintetično gorivo.
Vžig zmesi pri HCCI motorjih lahko poteka v širokem razponu razmerij med gorivom, zrakom in izpušnimi plini (dovolj je doseči temperaturo samovžiga), kratek čas zgorevanja pa vodi do občutnega povečanja učinkovitosti motorja. Nekatere težave novih tipov agregatov je mogoče uspešno rešiti v kombinaciji s hibridnimi sistemi, kot je Toyotin Hybrid Synergy Drive – v tem primeru je motor z notranjim zgorevanjem mogoče uporabljati le v določenem režimu, ki je optimalen glede na hitrost in obremenitev. pri delu in tako zaobide načine, v katerih se motor trudi ali postane neučinkovit.
Zgorevanje v HCCI motorjih, doseženo z integriranim nadzorom temperature, tlaka, količine in kakovosti mešanice v položaju blizu GMT, je resnično velika težava v primerjavi s precej preprostejšim vžigom z vžigalno svečko. Po drugi strani HCCI zaradi hkratne volumetrične narave samozagorevanja ni treba ustvarjati turbulentnih procesov, ki so pomembni za bencinske in zlasti dizelske motorje. Hkrati pa prav zaradi tega lahko že majhna temperaturna odstopanja povzročijo pomembne spremembe v kinetičnih procesih.
V praksi je najpomembnejši dejavnik za prihodnost tovrstnih motorjev vrsta goriva, pravo konstrukcijsko rešitev pa lahko najdemo le s podrobnim poznavanjem njegovega obnašanja v zgorevalni komori. Zato veliko avtomobilskih podjetij trenutno sodeluje z naftnimi podjetji (kot sta Toyota in ExxonMobil), večina poskusov na tej stopnji pa se izvaja s posebej zasnovanimi sintetičnimi gorivi, katerih sestava in obnašanje sta izračunana vnaprej. Učinkovitost uporabe bencina in dizelskega goriva v HCCI je v nasprotju z logiko klasičnih motorjev. Zaradi visoke temperature samovžiga bencinov lahko kompresijsko razmerje v njih variira od 12:1 do 21:1, pri dizelskem gorivu, ki se vname pri nižjih temperaturah, pa mora biti relativno majhno - reda velikosti le 8 :1.
Besedilo: Georgy Kolev
Foto: podjetje
