اختبار محرك الديزل والبنزين: الأنواع
المواجهة المتوترة بين محركات الديزل والبنزين تصل إلى ذروتها. أحدث تقنيات التوربو ، وأنظمة الحقن المباشر للقضيب المشترك التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا ، ونسب الضغط العالية - التنافس يقرّب نوعي المحركات… وفجأة ، في خضم مبارزة قديمة ، ظهر لاعب جديد فجأة في المشهد. مكان تحت الشمس.
بعد سنوات عديدة من الإهمال ، أعاد المصممون اكتشاف الإمكانات الهائلة لمحرك الديزل وسرّعوا من تطويره من خلال الإدخال المكثف للتقنيات الجديدة. وصلت إلى النقطة التي اقترب فيها أداؤها الديناميكي من خصائص منافس البنزين وسمح بابتكار سيارات لا يمكن تصورها حتى الآن مثل Volkswagen Race Touareg و Audi R10 TDI مع أكثر من طموحات سباق جادة. التسلسل الزمني لأحداث الخمسة عشر عامًا الماضية معروف جيدًا ... لم تختلف محركات الديزل لـ 1936 بشكل أساسي عن أسلافها ، التي أنشأتها مرسيدس-بنز في عام 13. تبع ذلك عملية تطور بطيء نمت في السنوات الأخيرة إلى انفجار تكنولوجي قوي. في أواخر القرن الثالث عشر ، أعادت مرسيدس إنتاج أول محرك توربيني للسيارات ، في أواخر القرن الأول ، ظهر الحقن المباشر لأول مرة في طراز أودي ، تلقت محركات الديزل لاحقًا رؤوسًا بأربعة صمامات ، وفي أواخر 1s ، أصبحت أنظمة حقن السكك الحديدية المشتركة التي يتم التحكم فيها إلكترونيًا حقيقة واقعة. ... وفي الوقت نفسه ، تم إدخال حقن الوقود المباشر عالي الضغط في محركات البنزين ، حيث تصل نسبة الضغط اليوم إلى XNUMX: XNUMX في بعض الحالات. في الآونة الأخيرة ، تشهد تقنية التوربو أيضًا نهضة ، حيث بدأت قيم عزم الدوران لمحركات البنزين في الاقتراب بشكل كبير من قيم عزم الدوران لمحرك الديزل التوربيني المرن الشهير. ومع ذلك ، بالتوازي مع التحديث ، لا يزال هناك اتجاه ثابت نحو زيادة خطيرة في تكلفة محرك البنزين ... لذلك ، على الرغم من التحيزات والاستقطاب الواضح في الآراء بشأن محركات البنزين والديزل في أجزاء مختلفة من العالم ، لا المتنافسان يكتسبان هيمنة ملموسة.
على الرغم من تطابق صفات نوعي الوحدات ، لا تزال هناك اختلافات كبيرة في طبيعة وخصائص وسلوك المحركين الحراريين.
في حالة محرك البنزين ، يتشكل خليط الهواء والوقود المتبخر على مدى فترة زمنية أطول ويبدأ قبل وقت طويل من بدء عملية الاحتراق. سواء باستخدام المكربن أو أنظمة الحقن المباشر الإلكترونية الحديثة ، فإن الهدف من الخلط هو إنتاج خليط وقود موحد ومتجانس مع نسبة محددة جيدًا من وقود الهواء. عادة ما تكون هذه القيمة قريبة مما يسمى ب "الخليط المتكافئ" ، حيث يوجد ما يكفي من ذرات الأكسجين لتكون قادرة (نظريًا) على الارتباط في بنية مستقرة مع كل ذرة هيدروجين وكربون في الوقود ، مكونًا فقط H20 و CO2. لأن نسبة الضغط صغيرة بما يكفي لتجنب الاشتعال الذاتي غير المنضبط المبكر لبعض المواد في الوقود بسبب ارتفاع درجة حرارة الانضغاط (يتكون جزء البنزين من الهيدروكربونات مع درجة حرارة تبخر أقل بكثير ودرجة حرارة احتراق أعلى بكثير). الاشتعال الذاتي من تلك الموجودة في جزء الديزل) ، يبدأ اشتعال الخليط بواسطة شمعة احتراق ويحدث الاحتراق على شكل جبهة تتحرك عند حد معين للسرعة. لسوء الحظ ، يتم تشكيل مناطق ذات عمليات غير مكتملة في غرفة الاحتراق ، مما يؤدي إلى تكوين أول أكسيد الكربون والهيدروكربونات المستقرة ، وعندما تتحرك مقدمة اللهب ، يزداد الضغط ودرجة الحرارة عند أطرافها ، مما يؤدي إلى تكوين أكاسيد النيتروجين الضارة ( بين النيتروجين والأكسجين من الهواء) ، البيروكسيدات والبيروكسيدات (بين الأكسجين والوقود). يؤدي تراكم الأخير إلى القيم الحرجة إلى احتراق تفجير غير متحكم فيه ، وبالتالي ، في البنزين الحديث ، يتم استخدام أجزاء من الجزيئات ذات "بنية" كيميائية مستقرة نسبيًا يصعب تفجيرها - يتم تنفيذ عدد من العمليات الإضافية في المصافي لتحقيق هذا الاستقرار. بما في ذلك زيادة في رقم أوكتان الوقود. نظرًا لنسبة الخليط الثابتة إلى حد كبير التي يمكن أن تعمل بها محركات البنزين ، يلعب صمام الخانق دورًا مهمًا فيها ، حيث يتم تنظيم حمل المحرك عن طريق ضبط كمية الهواء النقي. ومع ذلك ، فإنه بدوره يصبح مصدر خسائر كبيرة في وضع التحميل الجزئي ، ويلعب دور نوع من "سدادة الحلق" للمحرك.
تتمثل فكرة مبتكر محرك الديزل ، رودولف ديزل ، في زيادة نسبة الضغط بشكل كبير ، وبالتالي الكفاءة الديناميكية الحرارية للآلة. وبالتالي ، تقل مساحة حجرة الوقود ، ولا تتبدد طاقة الاحتراق من خلال جدران الأسطوانة ونظام التبريد ، بل يتم "إنفاقها" بين الجسيمات نفسها ، والتي تكون في هذه الحالة أقرب بكثير إلى كل منها آخر. إذا دخل خليط الهواء والوقود المُعد مسبقًا إلى غرفة الاحتراق لهذا النوع من المحركات ، كما في حالة محرك البنزين ، فعند الوصول إلى درجة حرارة حرجة معينة أثناء عملية الضغط (اعتمادًا على نسبة الضغط ونوع الوقود ) ، سيتم بدء عملية الاشتعال الذاتي قبل وقت طويل من توقيت جرينتش. الاحتراق الحجمي غير المنضبط. ولهذا السبب ، يتم حقن وقود الديزل في اللحظة الأخيرة ، قبل وقت قصير من توقيت جرينتش ، عند ضغط عالٍ جدًا ، مما يؤدي إلى نقص كبير في الوقت للتبخر الجيد ، والانتشار ، والخلط ، والاشتعال الذاتي ، والحاجة إلى حد أقصى للسرعة نادرا ما يتجاوز الحد. من 4500 دورة في الدقيقة يحدد هذا النهج المتطلبات المناسبة لجودة الوقود ، والتي تكون في هذه الحالة جزءًا صغيرًا من وقود الديزل - نواتج التقطير المستقيمة بدرجة حرارة اشتعال ذاتي منخفضة بشكل كبير ، نظرًا لأن الهيكل غير المستقر والجزيئات الطويلة هي شرط أساسي لتسهيلها تمزق وتفاعل مع الأكسجين.
من سمات عمليات الاحتراق لمحرك الديزل ، من ناحية ، المناطق التي تحتوي على خليط غني حول فتحات الحقن ، حيث يتحلل الوقود (الشقوق) من درجة الحرارة دون أكسدة ، ويتحول إلى مصدر لجزيئات الكربون (السخام) ، ومن ناحية أخرى. حيث لا يوجد وقود على الإطلاق ، وتحت تأثير درجة الحرارة المرتفعة ، يدخل النيتروجين والأكسجين في الهواء في تفاعل كيميائي ، مكونين أكاسيد النيتروجين. لذلك ، يتم ضبط محركات الديزل دائمًا للعمل بمخاليط متوسطة الحجم (أي مع وجود فائض خطير من الهواء) ، ويتم التحكم في الحمل فقط عن طريق تحديد كمية الوقود المحقون. هذا يتجنب استخدام الخانق ، وهو ميزة كبيرة على نظرائهم البنزين. للتعويض عن بعض أوجه القصور في محرك البنزين ، ابتكر المصممون محركات تكون فيها عملية تكوين الخليط تسمى "طبقات الشحنة".
في وضع التحميل الجزئي ، يتم إنشاء خليط القياس المتكافئ الأمثل فقط في المنطقة المحيطة بأقطاب شمعات الإشعال بسبب الحقن الخاص لنفث الوقود المحقون ، وتدفق الهواء الموجه ، والمظهر الجانبي الخاص لواجهات المكبس ، وطرق أخرى مماثلة تضمن الاشتعال إمكانية الإعتماد على. في الوقت نفسه ، يظل الخليط في معظم حجم الغرفة هزيلًا ، وبما أنه لا يمكن التحكم في الحمل في هذا الوضع إلا بمقدار الوقود المزود ، يمكن أن يظل صمام الخانق مفتوحًا بالكامل. وهذا بدوره يؤدي إلى انخفاض متزامن في الخسائر وزيادة في الكفاءة الديناميكية الحرارية للمحرك. من الناحية النظرية ، يبدو كل شيء رائعًا ، ولكن حتى الآن لم يكن نجاح هذا النوع من المحركات من Mitsubishi و VW ساحرًا. بشكل عام ، لا يمكن لأحد حتى الآن التباهي بأنه قد استفاد بشكل كامل من مزايا هذه الحلول التكنولوجية.
وماذا لو جمعت "بطريقة سحرية" بين مزايا نوعي المحركات؟ ما هو المزيج المثالي لضغط الديزل العالي ، والتوزيع المتجانس للخليط في جميع أنحاء حجم غرفة الاحتراق والاشتعال الذاتي المنتظم في نفس الحجم؟ أظهرت الدراسات المختبرية المكثفة للوحدات التجريبية من هذا النوع في السنوات الأخيرة انخفاضًا كبيرًا في الانبعاثات الضارة في غازات العادم (على سبيل المثال ، يتم تقليل كمية أكاسيد النيتروجين بنسبة تصل إلى 99٪!) مع زيادة الكفاءة مقارنة بمحركات البنزين . يبدو أن المستقبل ينتمي بالفعل إلى المحركات ، التي جمعتها شركات السيارات وشركات التصميم المستقلة مؤخرًا تحت الاسم الشامل HCCI - محركات الإشعال ذات الشحنة المتجانسة أو محركات الإشعال الذاتي ذات الشحن المتجانسة.
مثل العديد من التطورات الأخرى التي تبدو "ثورية" ، فإن فكرة إنشاء مثل هذه الآلة ليست جديدة ، وحتى الآن محاولات إنشاء نموذج إنتاج موثوق لا تزال غير ناجحة. في الوقت نفسه ، تخلق القدرات المتزايدة للتحكم الإلكتروني في العمليات والمرونة الكبيرة لأنظمة توزيع الغاز آفاقًا واقعية للغاية ومتفائلة لنوع جديد من المحركات.
في الواقع ، في هذه الحالة هو نوع من الهجين لمبادئ تشغيل محركات البنزين والديزل. يدخل خليط متجانس جيدًا ، كما هو الحال في محركات البنزين ، إلى غرف الاحتراق في HCCI ، لكنه يشتعل ذاتيًا تحت تأثير الحرارة الناتجة عن الانضغاط. لا يتطلب النوع الجديد من المحرك أيضًا صمام خانق لأنه يمكن أن يعمل على خلائط خفيفة الوزن. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أنه في هذه الحالة ، يختلف معنى تعريف "العجاف" اختلافًا كبيرًا عن تعريف الديزل ، نظرًا لأن HCCI لا يحتوي على خليط قليل الدسم وعالي التخصيب تمامًا ، ولكنه نوع من الخليط الخالي من الدهون بشكل موحد. يتضمن مبدأ التشغيل الاشتعال المتزامن للخليط في الحجم الكامل للأسطوانة بدون واجهة لهب متحركة بشكل موحد وعند درجة حرارة أقل بكثير. يؤدي هذا تلقائيًا إلى انخفاض كبير في كمية أكاسيد النيتروجين والسخام في غازات العادم ، ووفقًا لعدد من المصادر الموثوقة ، فإن الإدخال الهائل لـ HCCIs الأكثر كفاءة في إنتاج السيارات التسلسلي في 2010-2015. ستنقذ البشرية حوالي نصف مليون برميل. زيت يومي.
ومع ذلك ، قبل تحقيق ذلك ، يجب على الباحثين والمهندسين التغلب على أكبر عقبة في الوقت الحالي - عدم وجود طريقة موثوقة للتحكم في عمليات الاشتعال الذاتي باستخدام الكسور المحتوية ذات التركيب الكيميائي المختلف ، وخصائص وسلوك الوقود الحديث. هناك عدد من الأسئلة ناتجة عن احتواء العمليات في مختلف الأحمال والثورات وظروف درجة حرارة المحرك. وفقًا لبعض الخبراء ، يمكن القيام بذلك عن طريق إعادة كمية محسوبة بدقة من غازات العادم إلى الأسطوانة ، أو التسخين المسبق للخليط ، أو تغيير نسبة الضغط ديناميكيًا ، أو تغيير نسبة الضغط مباشرة (على سبيل المثال ، النموذج الأولي لـ SVC Saab) أو تغيير توقيت إغلاق الصمام باستخدام أنظمة توزيع الغاز المتغيرة.
لم يتضح بعد كيف سيتم القضاء على مشكلة الضوضاء والتأثيرات الديناميكية الحرارية على تصميم المحرك بسبب الاشتعال الذاتي لكمية كبيرة من الخليط الطازج عند التحميل الكامل. تكمن المشكلة الحقيقية في بدء تشغيل المحرك عند درجة حرارة منخفضة في الأسطوانات ، لأنه من الصعب جدًا بدء الاشتعال الذاتي في مثل هذه الظروف. حاليًا ، يعمل العديد من الباحثين على إزالة هذه الاختناقات باستخدام نتائج ملاحظات النماذج الأولية باستخدام أجهزة استشعار للتحكم الإلكتروني المستمر وتحليل عمليات العمل في الأسطوانات في الوقت الفعلي.
وفقًا لخبراء شركات السيارات العاملة في هذا الاتجاه، بما في ذلك هوندا ونيسان وتويوتا وجنرال موتورز، فمن المحتمل أن يتم أولاً إنشاء سيارات مركبة يمكنها تبديل أوضاع التشغيل، وسيتم استخدام شمعة الإشعال كنوع من المساعد في الحالات حيث HCCI تواجه صعوبات. تطبق شركة فولكس فاجن بالفعل مخططًا مشابهًا في محرك CCS (نظام الاحتراق المشترك)، والذي يعمل حاليًا فقط بالوقود الاصطناعي الذي تم تطويره خصيصًا له.
يمكن إجراء اشتعال الخليط في محركات HCCI في نطاق واسع من النسب بين الوقود والهواء وغازات العادم (وهو ما يكفي للوصول إلى درجة حرارة الاشتعال الذاتي) ، ويؤدي وقت الاحتراق القصير إلى زيادة كبيرة في كفاءة المحرك. يمكن حل بعض مشاكل الأنواع الجديدة من الوحدات بنجاح بالاقتران مع الأنظمة الهجينة ، مثل محرك Hybrid Synergy Drive من Toyota - في هذه الحالة ، لا يمكن استخدام محرك الاحتراق الداخلي إلا في وضع معين يكون مثاليًا من حيث السرعة والحمل. في العمل ، وبالتالي تجاوز الأوضاع التي يكافح فيها المحرك أو يصبح غير فعال.
يعتبر الاحتراق في محركات HCCI ، الذي يتحقق من خلال التحكم المتكامل في درجة الحرارة والضغط وكمية ونوعية الخليط في موضع قريب من GMT ، مشكلة كبيرة بالفعل على خلفية اشتعال أسهل بكثير باستخدام شمعة احتراق. من ناحية أخرى ، لا تحتاج HCCI إلى إنشاء عمليات مضطربة ، والتي تعتبر مهمة للبنزين وخاصة محركات الديزل ، بسبب الطبيعة الحجمية المتزامنة للاشتعال الذاتي. في الوقت نفسه ، ولهذا السبب ، حتى الانحرافات الصغيرة في درجات الحرارة يمكن أن تؤدي إلى تغييرات كبيرة في العمليات الحركية.
من الناحية العملية ، فإن العامل الأكثر أهمية لمستقبل هذا النوع من المحركات هو نوع الوقود ، ولا يمكن العثور على حل التصميم الصحيح إلا بمعرفة مفصلة بسلوكه في غرفة الاحتراق. لذلك ، تعمل العديد من شركات السيارات حاليًا مع شركات النفط (مثل Toyota و ExxonMobil) ، ويتم إجراء معظم التجارب في هذه المرحلة باستخدام أنواع الوقود الاصطناعية المصممة خصيصًا ، والتي يتم حساب تكوينها وسلوكها مسبقًا. تتعارض كفاءة استخدام البنزين ووقود الديزل في HCCI مع منطق المحركات الكلاسيكية. نظرًا لارتفاع درجة حرارة الاشتعال الذاتي للبنزين ، يمكن أن تختلف نسبة الضغط فيها من 12: 1 إلى 21: 1 ، وفي وقود الديزل ، الذي يشتعل عند درجات حرارة منخفضة ، يجب أن يكون صغيرًا نسبيًا - بترتيب 8 فقط : 1.
النص: جورجي كوليف
الصورة: شركة
