Probna vožnja dizel i benzin: vrste
Napeto sučeljavanje dizelskih i benzinskih motora doseže vrhunac. Najnovija turbo tehnologija, elektronički kontrolirani common-rail sustavi izravnog ubrizgavanja, visoki stupnjevi kompresije – rivalstvo približava dvije vrste motora... I odjednom, usred drevnog dvoboja, na sceni se iznenada pojavio novi igrač. mjesto pod suncem.
Nakon mnogo godina zanemarivanja, dizajneri su ponovno otkrili ogroman potencijal dizelskog motora i ubrzali njegov razvoj intenzivnim uvođenjem novih tehnologija. Došlo je do toga da su se njegove dinamičke performanse približile karakteristikama benzinskog konkurenta i dopustile stvaranje dosad nezamislivih automobila kao što su Volkswagen Race Touareg i Audi R10 TDI s više nego ozbiljnim trkačkim ambicijama. Kronologija događaja u posljednjih petnaest godina dobro je poznata ... Dizelski motori 1936-a nisu se bitno razlikovali od svojih predaka, koje je Mercedes-Benz stvorio još 13. godine. Uslijedio je proces spore evolucije koji je posljednjih godina prerastao u snažnu tehnološku eksploziju. Krajem 1-ih Mercedes je ponovno stvorio prvi automobilski turbodizel, u kasnim XNUMX-im godinama izravno ubrizgavanje debitiralo je u modelu Audi, kasnije su dizelski motori dobili glave s četiri ventila, a krajem XNUMX-a elektronički upravljani Common Rail sustavi ubrizgavanja postali su stvarnost . ... U međuvremenu je izravno ubrizgavanje goriva pod visokim tlakom uvedeno u benzinske motore, gdje omjer kompresije danas doseže XNUMX: U nekim slučajevima XNUMX. U posljednje vrijeme turbo tehnologija također doživljava renesansu, pri čemu se vrijednosti okretnog momenta benzinskih motora počinju značajno približavati vrijednostima okretnog momenta poznatog fleksibilnog turbo dizela. No, paralelno s modernizacijom, ostaje stalna tendencija ozbiljnog poskupljenja benzinskih motora ... Dakle, unatoč izraženim predrasudama i polarizaciji mišljenja o benzinskim i dizelskim motorima u različitim dijelovima svijeta, niti jedan od dva suparnika stječu opipljivu dominaciju.
Unatoč podudarnosti kvaliteta dviju vrsta jedinica, još uvijek postoje ogromne razlike u prirodi, karakteru i ponašanju dviju toplinskih mašina.
U slučaju benzinskog motora, smjesa zraka i isparenog goriva nastaje puno duže i počinje puno prije početka procesa izgaranja. Bilo da koristite rasplinjač ili moderne elektronske sustave izravnog ubrizgavanja, cilj miješanja je proizvesti jednoliku, homogenu smjesu goriva s dobro definiranim omjerom zraka i goriva. Ta je vrijednost obično blizu takozvane "stehiometrijske smjese", u kojoj ima dovoljno atoma kisika da se mogu (teoretski) vezati u stabilnu strukturu sa svakim atomom vodika i ugljika u gorivu, tvoreći samo H20 i CO2. Budući da je omjer kompresije dovoljno mali da se izbjegne prerano nekontrolirano samozapaljenje nekih tvari u gorivu zbog visoke temperature kompresije (frakcija benzina sastoji se od ugljikovodika s puno nižom temperaturom isparavanja i puno višom temperaturom izgaranja). samozapaljenje od onih u dizelskoj frakciji), paljenje smjese inicira svjećica, a izgaranje se odvija u obliku fronte koja se kreće određenom granicom brzine. Nažalost, u komori za izgaranje stvaraju se zone s nedovršenim procesima, što dovodi do stvaranja ugljičnog monoksida i stabilnih ugljikovodika, a pomicanjem fronte plamena dolazi do povećanja tlaka i temperature na njenoj periferiji, što dovodi do stvaranja štetnih dušikovih oksida ( između dušika i kisika iz zraka), peroksida i hidroperoksida (između kisika i goriva). Akumulacija potonjeg do kritičnih vrijednosti dovodi do nekontroliranog detonacijskog izgaranja, stoga se u modernim benzinima koriste frakcije molekula s relativno stabilnom kemijskom "konstrukcijom" koju je teško detonirati - provodi se niz dodatnih procesa u rafinerijama za postizanje takve stabilnosti. uključujući povećanje oktanskog broja goriva. Zbog uglavnom fiksnog omjera mješavina koje mogu pokretati benzinski motori, kod njih važnu ulogu ima prigušni ventil kojim se podešavanjem količine svježeg zraka regulira opterećenje motora. Međutim, on zauzvrat postaje izvor značajnih gubitaka u načinu djelomičnog opterećenja, igrajući ulogu svojevrsnog "čepa za grlo" motora.
Ideja tvorca dizel motora, Rudolfa Diesela, je značajno povećati omjer kompresije, a time i termodinamičku učinkovitost stroja. Dakle, površina komore za gorivo se smanjuje, a energija izgaranja se ne rasipa kroz stijenke cilindra i rashladnog sustava, već se "troši" između samih čestica, koje su u ovom slučaju mnogo bliže svakoj drugo. Ako kod ovog tipa motora u komoru za izgaranje ulazi unaprijed pripremljena smjesa zrak-gorivo, kao kod benzinskog motora, tada kada se tijekom procesa kompresije postigne određena kritična temperatura (ovisno o omjeru kompresije i vrsti goriva). ), proces samozapaljenja će biti pokrenut mnogo prije GMT. nekontrolirano volumetrijsko izgaranje. Iz tog razloga se dizelsko gorivo ubrizgava u zadnjem trenutku, malo prije GMT, pod vrlo visokim tlakom, što stvara značajan nedostatak vremena za dobro isparavanje, difuziju, miješanje, samozapaljenje i potrebu za ograničenjem najveće brzine koji rijetko prelazi granicu. od 4500 o/min Ovakav pristup postavlja odgovarajuće zahtjeve za kvalitetu goriva, što je u ovom slučaju frakcija dizelskog goriva - uglavnom čistih destilata sa znatno nižom temperaturom samozapaljenja, budući da su nestabilnija struktura i duge molekule preduvjet za njihovo lakše pucanje i reakcija s kisikom.
Značajka procesa izgaranja dizelskog motora su, s jedne strane, zone s bogatom smjesom oko rupa za ubrizgavanje, gdje se gorivo raspada (puca) od temperature bez oksidacije, pretvarajući se u izvor čestica ugljika (čađa), a s druge strane. u kojem uopće nema goriva i pod utjecajem visoke temperature dušik i kisik zraka ulaze u kemijsku interakciju, stvarajući dušikove okside. Stoga su dizelski motori uvijek podešeni da rade sa srednje slabim smjesama (odnosno s ozbiljnim suviškom zraka), a opterećenje kontrolira samo doza količine ubrizganog goriva. Time se izbjegava uporaba leptira za gas, što je velika prednost u odnosu na njihove benzinske kolege. Kako bi nadoknadili neke nedostatke benzinskog motora, dizajneri su stvorili motore u kojima je postupak stvaranja smjese takozvana "stratifikacija naboja".
U načinu djelomičnog opterećenja optimalna stehiometrijska smjesa stvara se samo u području oko elektroda svjećica zbog posebnog ubrizgavanja mlaza ubrizganog goriva, usmjerenog strujanja zraka, posebnog prednjeg profila klipa i drugih sličnih metoda koje osiguravaju pouzdanost paljenja. Istodobno, smjesa u većini volumena komore ostaje mršava, a budući da se opterećenje u ovom načinu rada može kontrolirati samo količinom isporučenog goriva, ventil za gas može ostati potpuno otvoren. To pak dovodi do istodobnog smanjenja gubitaka i povećanja termodinamičke učinkovitosti motora. U teoriji sve izgleda sjajno, ali do sada uspjeh ove vrste motora koji su proizvodili Mitsubishi i VW nije bio glamurozan. Općenito, dosad se nitko ne može pohvaliti da je u potpunosti iskoristio ova tehnološka rješenja.
A ako "čarobno" spojite prednosti dviju vrsta motora? Koja bi bila idealna kombinacija visoke kompresije dizela, homogene raspodjele smjese po cijelom volumenu komore za izgaranje i ravnomjernog samozapaljenja u istom volumenu? Intenzivna laboratorijska istraživanja eksperimentalnih jedinica ovog tipa posljednjih godina pokazala su značajno smanjenje štetnih emisija u ispušnim plinovima (primjerice, količina dušikovih oksida smanjena je i do 99%!) uz povećanje učinkovitosti u usporedbi s benzinskim motorima. . Čini se da budućnost doista pripada motorima, koje automobilske tvrtke i nezavisne dizajnerske tvrtke nedavno objedinjuju pod krovnim nazivom HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines ili Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Kao i mnogi drugi naizgled „revolucionarni“ događaji, ideja o stvaranju takvog stroja nije nova i premda su pokušaji stvaranja pouzdanog proizvodnog modela još uvijek neuspješni. Istodobno, sve veće mogućnosti elektroničkog upravljanja tehnološkim procesom i velika fleksibilnost sustava za distribuciju plina stvaraju vrlo realne i optimistične izglede za novi tip motora.
Zapravo je u ovom slučaju svojevrsni hibrid principa benzinskih i dizelskih motora. Dobro homogenizirana smjesa, kao u benzinskim motorima, ulazi u komore za izgaranje HCCI, ali se samozapaljuje pod utjecajem topline od kompresije. Za novi tip motora također nije potreban prigušni ventil jer može raditi na mršavim smjesama. Međutim, treba imati na umu da se u ovom slučaju značenje definicije "mršavog" značajno razlikuje od definicije dizela, jer HCCI nema potpuno nemasnu i visoko obogaćenu smjesu, već je vrsta jednoliko nemasne smjese. Princip rada uključuje istovremeno paljenje smjese u cijelom volumenu cilindra bez ravnomjerno pomicanja prednje strane plamena i na puno nižoj temperaturi. To automatski dovodi do značajnog smanjenja količine dušikovih oksida i čađe u ispušnim plinovima te, prema brojnim mjerodavnim izvorima, masovnom uvođenju mnogo učinkovitijih HCCI-a u serijsku proizvodnju automobila u 2010.-2015. Spasit će čovječanstvo oko pola milijuna barela. ulje svakodnevno.
Međutim, prije nego što to postignu, istraživači i inženjeri moraju prevladati najveći kamen spoticanja u ovom trenutku - nedostatak pouzdanog načina za kontrolu procesa samozapaljenja korištenjem frakcija koje sadrže različite kemijski sastav, svojstva i ponašanje modernih goriva. Brojna pitanja izaziva obuzdavanje procesa pri različitim opterećenjima, okretajima i temperaturnim uvjetima motora. Prema nekim stručnjacima, to se može učiniti vraćanjem točno izmjerene količine ispušnih plinova natrag u cilindar, predgrijavanjem smjese, ili dinamičkom promjenom omjera kompresije, ili izravnom promjenom omjera kompresije (npr. prototip SVC Saab) ili mijenjanje vremena zatvaranja ventila pomoću varijabilnih sustava distribucije plina.
Još nije jasno kako će se eliminirati problem buke i termodinamičkih učinaka na konstrukciju motora zbog samozapaljenja velike količine svježe smjese pri punom opterećenju. Pravi problem je pokrenuti motor pri niskoj temperaturi u cilindrima, jer je u takvim uvjetima dosta teško pokrenuti samozapaljenje. Trenutno mnogi istraživači rade na uklanjanju ovih uskih grla koristeći rezultate promatranja prototipova sa senzorima za kontinuiranu elektroničku kontrolu i analizu radnih procesa u cilindrima u stvarnom vremenu.
Prema riječima stručnjaka iz automobilskih kompanija koje rade u tom smjeru, uključujući Hondu, Nissan, Toyotu i GM, vjerojatno će prvo biti stvoreni kombinirani automobili koji će moći mijenjati načine rada, a svjećica će se koristiti kao svojevrsni pomoćnik u slučajevima gdje HCCI ima poteškoća. Volkswagen već implementira sličnu shemu u svom CCS (Combined Combustion System) motoru, koji trenutno radi samo na sintetičkom gorivu posebno razvijenom za njega.
Paljenje smjese u HCCI motorima moguće je provesti u širokom rasponu omjera između goriva, zraka i ispušnih plinova (dovoljno je postići temperaturu samozapaljenja), a kratko vrijeme izgaranja dovodi do značajnog povećanja učinkovitosti motora. Neki problemi novih tipova agregata mogu se uspješno riješiti u kombinaciji s hibridnim sustavima, poput Toyotinog Hybrid Synergy Drivea – u tom slučaju motor s unutarnjim izgaranjem može se koristiti samo u određenom režimu koji je optimalan s obzirom na brzinu i opterećenje. na radu, zaobilazeći tako načine rada u kojima se motor muči ili postaje neučinkovit.
Izgaranje u HCCI motorima, postignuto integriranom kontrolom temperature, tlaka, količine i kvalitete smjese u položaju blizu GMT, doista je veliki problem u pozadini mnogo jednostavnijeg paljenja svjećicom. S druge strane, HCCI ne treba stvarati turbulentne procese, koji su važni za benzinske, a posebno dizelske motore, zbog istodobne volumetrijske prirode samozapaljenja. Istodobno, iz tog razloga čak i mala temperaturna odstupanja mogu dovesti do značajnih promjena u kinetičkim procesima.
U praksi, najvažniji čimbenik za budućnost ovog tipa motora je vrsta goriva, a ispravno konstrukcijsko rješenje moguće je pronaći samo uz detaljno poznavanje njegovog ponašanja u komori za izgaranje. Stoga mnoge automobilske tvrtke trenutno surađuju s naftnim kompanijama (kao što su Toyota i ExxonMobil), a većina eksperimenata u ovoj fazi provodi se s posebno dizajniranim sintetičkim gorivima, čiji se sastav i ponašanje unaprijed izračunavaju. Učinkovitost korištenja benzina i dizelskog goriva u HCCI je u suprotnosti s logikom klasičnih motora. Zbog visoke temperature samozapaljenja benzina, omjer kompresije u njima može varirati od 12:1 do 21:1, au dizelskom gorivu, koje se zapali na nižim temperaturama, trebao bi biti relativno mali - reda veličine samo 8 :1.
Tekst: Georgy Kolev
Foto: tvrtka
