Тэст драйв дызель і бензін: тыпы
Напружанае супрацьстаянне дызельнага і бензінавага рухавікоў дасягае апагею. Найноўшыя турба-тэхналогіі, сістэмы непасрэднага ўпырску Common-Rail з электронным кіраваннем, высокая ступень сціску суперніцтва збліжае два тыпу рухавікоў... І раптам, у разгар старажытнага двубоя, на сцэне нечакана з'явіўся новы гулец. месца пад сонцам.
Пасля многіх гадоў забыцця канструктары зноўку адкрылі вялізны патэнцыял дызельнага рухавіка і паскорылі яго распрацоўку за кошт інтэнсіўнага ўкаранення новых тэхналогій. Дайшло да таго, што яго дынамічныя характарыстыкі наблізіліся да характарыстык бензінавага канкурэнта і дазволілі ствараць неймаверныя дагэтуль аўтамабілі, такія як Volkswagen Race Touareg і Audi R10 TDI з больш за сур'ёзнымі гоначнымі амбіцыямі. Храналогія падзей апошніх пятнаццаці гадоў добра вядомая… Дызельныя рухавікі 1936-х гадоў прынцыпова не адрозніваліся ад сваіх продкаў, створаных Mercedes-Бэнц у далёкім 13 году. Рушыў услед працэс павольнай эвалюцыі, які перарос у апошнія гады ў магутны тэхналагічны выбух. У канцы 1-х Mercedes аднавіла першы аўтамабільны турбадызель, у канцы XNUMX-х у мадэлі Audi дэбютаваў прамы ўпырск, пазней дызелі атрымалі четырехклапанные галоўкі, а ў канцы XNUMX-х гадоў сталі рэальнасцю сістэмы ўпырску Common Rail з электронным кіраваннем. . Тым часам, прамы ўпырск паліва пад высокім ціскам быў укаранёны ў бензінавыя рухавікі, дзе ступень сціску сёння ў некаторых выпадках дасягае XNUMX: XNUMX. У апошні час турба-тэхналогіі таксама перажываюць рэнесанс, дзякуючы якому значэння крутоўнага моманту бензінавых рухавікоў пачалі значна набліжацца да значэнняў крутоўнага моманту вядомых сваім гнуткім турбадызелем. Аднак раўналежна з мадэрнізацыяй захоўваецца ўстойлівая тэндэнцыя да сур'ёзнага падаражэння бензінавага рухавіка… Такім чынам, нягледзячы на ярка выяўленыя прадузятасці і палярызацыю меркаванняў адносна бензінавых і дызельных рухавікоў у розных частках міру, ніводны з двух супернікаў набыццё адчувальнага дамінавання.
Нягледзячы на супадзенне якасцяў двух тыпаў агрэгатаў, па-ранейшаму існуюць велізарныя адрозненні ў характары, характары і паводзінах двух цеплавых рухавікоў.
У выпадку бензінавага агрэгата сумесь паветра і якое выпарылася паліва ўтворыцца на працягу значна больш працяглага перыяду часу і пачынаецца задаўга да пачатку працэсу згарання. Незалежна ад таго, ці выкарыстоўваецца карбюратар ці сучасныя электронныя сістэмы прамога ўпырску, мэтай змешвання з'яўляецца атрыманне аднастайнай, гамагеннай паліўнай сумесі з выразна вызначаным суадносінамі паветра-паліва. Гэта значэнне звычайна блізка да так званай «стехиометрической сумесі», у якой атамаў кіслароду дастаткова, каб быць здольнымі (тэарэтычна) звязвацца ў стабільную структуру з кожным атамам вадароду і вугляроду ў паліве, утворачы толькі H20 і CO2. Паколькі ступень сціску досыць малая, каб пазбегнуць заўчаснага некантралюемага самазагарання некаторых рэчываў у паліве з-за высокай тэмпературы сціску (фракцыя бензіну складаецца з вуглевадародаў са значна ніжэйшай тэмпературай выпарэння і значна больш высокай тэмпературай згарання). самазагаранне ад тых, хто знаходзіцца ў дызельнай фракцыі), узгаранне сумесі ініцыюецца свечкай запальвання, і гарэнне адбываецца ў выглядзе фронту, які рухаецца з вызначаным абмежаваннем хуткасці. Нажаль, у камеры згарання ўтворацца зоны з незавершанымі працэсамі, кіроўнымі да адукацыі монооксида вугляроду і стабільных вуглевадародаў, а пры руху фронту полымя ціск і тэмпература на яго перыферыі павялічваюцца, што прыводзіць да адукацыі шкодных аксідаў азоту (паміж азот і кісларод з паветра), пераксіды і гідрапераксіды (паміж кіслародам і палівам). Назапашванне апошніх да крытычных значэнняў прыводзіць да некантралюемага детонационному згаранні, таму ў сучасных бензінах выкарыстоўваюцца фракцыі малекул з адносна стабільнай, цяжка якая паддаецца дэтанацыі хімічнай "канструкцыяй" - менавіта для дасягнення такой устойлівасці на нафтаперапрацоўчых заводах праводзіцца шэраг дадатковых працэсаў. у тым ліку павелічэнне актанавага ліку паліва. З-за ў значнай ступені фіксаваных суадносін сумесі, з якой могуць працаваць бензінавыя рухавікі, важную ролю ў іх гуляе дросельная засланка, з дапамогай якой рэгулюецца нагрузка рухавіка шляхам рэгулявання колькасці свежага паветра. Аднак ён, у сваю чаргу, становіцца крыніцай значных страт у рэжыме частковай нагрузкі, гуляючы ролю своеасаблівай гарлавой коркі рухавіка.
Ідэя стваральніка дызельнага рухавіка Рудольфа Дызеля складаецца ў тым, каб значна падвысіць ступень сціску, а значыць, і тэрмадынамічны ККД машыны. Такім чынам, пляц паліўнай камеры памяншаецца, і энергія згарання не рассейваецца праз сценкі цыліндру і сістэму астуджэння, а «расходуецца» паміж самімі часціцамі, якія ў гэтым выпадку знаходзяцца значна бліжэй сябар да сябра. Калі загадзя прыгатаваная паліўна-паветраная сумесь паступае ў камеру згарання гэтага тыпу рухавіка, як у выпадку бензінавага, то пры дасягненні вызначанай крытычнай тэмпературы падчас сціску (у залежнасці ад ступені сціску і выгляду паліва) задаўга да GMT будзе ініцыяваны працэс самазагарання. некіравальнае аб'ёмнае гарэнне. Менавіта па гэтым чынніку паліва ў дызельны рухавік упырскваецца ў апошні момант, незадоўга да GMT, пад вельмі высокім ціскам, што стварае значны дэфіцыт часу для добрага выпарэння, дыфузіі, змешванні, самазагаранні і неабходнасць абмежавання максімальнай хуткасці, якая рэдка перавышае мяжу. ад 4500 аб / мін Гэты падыход устанаўлівае адпаведныя патрабаванні да якасці паліва, якое ў дадзеным выпадку з'яўляецца фракцыяй дызельнага паліва – у асноўным гэта прамыя дыстыляты са значна больш нізкай тэмпературай самазагарання, паколькі больш нестабільная структура і доўгія малекулы з'яўляюцца перадумовай для іх больш лёгкага разрыў і рэакцыя з кіслародам.
Асаблівасцю працэсаў згарання дызельнага рухавіка з'яўляюцца, з аднаго боку, зоны з узбагачанай сумессю вакол инжекционных адтулін, дзе паліва раскладаецца (трэскаецца) ад тэмпературы без акіслення, ператвараючыся ў крыніцу вугляродных часціц (сажы), а з іншай. у якім паліва цалкам адсутнічае і пад дзеяннем высокай тэмпературы азот і кісларод паветра ўступаюць у хімічнае ўзаемадзеянне, утворачы аксіды азоту. Таму дызельныя рухавікі заўсёды наладжваюцца на працу са сярэдне-беднымі сумесямі (гэта значыць з сур'ёзным лішкам паветра), а нагрузка рэгулюецца толькі дазаваннем колькасці ўпырскваемага паліва. Гэта дазваляе пазбегнуць выкарыстанні дросельнай засланкі, што з'яўляецца велізарнай перавагай перад іх бензінавымі аналогамі. Каб кампенсаваць некаторыя недахопы бензінавага рухавіка, канструктары стварылі рухавікі, у якіх працэс смесеобразования ўяўляе сабой так званае "распластаванне зарада".
У рэжыме частковай нагрузкі аптымальная стехиометрическая сумесь ствараецца толькі ў зоне вакол электродаў свечак запальвання за рахунак адмысловага ўпырску ўпырсканай паліўнай бруі, накіраванага паветранага струменя, адмысловага профіля франтоў поршняў і іншых падобных метадаў, якія забяспечваюць надзейнасць запальванне. Пры гэтым сумесь у большай частцы аб'ёму камеры застаецца беднай, і паколькі нагрузку ў гэтым рэжыме можна рэгуляваць толькі колькасцю падаванага паліва, дросельная засланка можа заставацца цалкам адчыненай. Гэта, у сваю чаргу, прыводзіць да адначасовага зніжэння страт і павелічэння тэрмадынамічнай эфектыўнасці рухавіка. У тэорыі ўсё выглядае выдатна, але пакуль поспех гэтага тыпу рухавікоў вытворчасці Mitsubishi і VW нельга назваць гламурным. Увогуле пакуль ніхто не можа пахваліцца тым, што ў поўнай меры скарыстаўся перавагамі гэтых тэхналагічных рашэнняў.
А калі чароўнай выявай аб'яднаць добрыя якасці двух тыпаў рухавікоў? Якім будзе ідэальнае спалучэнне высокай кампрэсіі дызеля, аднастайнага размеркавання сумесі па ўсім аб'ёме камеры згарання і раўнамернага самазагарання ў тым жа аб'ёме? Інтэнсіўныя лабараторныя даследаванні эксперыментальных агрэгатаў гэтага тыпу ў апошнія гады паказалі значнае зніжэнне шкодных выкідаў у выхлапных газах (напрыклад, колькасць аксідаў азоту зніжана да 99%!) пры павелічэнні ККД у параўнанні з бензінавага рухавіка. Здаецца, што будучыня сапраўды належыць рухавікам, якія аўтамабільныя кампаніі і незалежныя канструктарскія кампаніі нядаўна аб'ядналі пад агульнай назвай HCCI - Рухавікі з гамагенным зарадам і ўзгараннем ад сціску або рухавікі з аднастайнай сумессю і самазагараннем паліва .
Як і шматлікія іншыя, здавалася бы, рэвалюцыйныя распрацоўкі, ідэя стварэння такой машыны не новая, і пакуль спробы стварыць надзейную серыйную мадэль усё яшчэ беспаспяховыя. У той жа час якія растуць магчымасці электроннага кіравання тэхналагічным працэсам і вялікая гнуткасць газаразмеркавальных сістэм ствараюць вельмі рэалістычную і аптымістычную перспектыву для новага тыпу рухавіка.
У сутнасці, у дадзеным выпадку гэта нейкі гібрыд прынцыпаў працы бензінавага і дызельнага рухавікоў. Добра гомогенизированная сумесь, як і ў бензінавых рухавіках, паступае ў камеры згарання HCCI, але яе самазагаранне адбываецца пад дзеяннем цяпла ад сціску. Новы тып рухавіка таксама не патрабуе дросельнай засланкі, бо ён можа працаваць на бедных сумесях. Аднак варта адзначыць, што ў дадзеным выпадку значэнне вызначэння "бедная сумесь" значна адрозніваецца ад вызначэння дызельнага паліва, паколькі HCCI не мае цалкам збедненых і высокаўзбагачаных сумесяў, а ўяўляе сабой разнавіднасць раўнамерна збедненай сумесі. Прынцып дзеяння мяркуе адначасовае ўзгаранне сумесі ва ўсім аб'ёме цыліндру без раўнамерна які рухаецца фронту полымя і пры значна ніжэйшай тэмпературы. Гэта аўтаматычна прыводзіць да значнага зніжэння колькасці аксідаў азоту і сажы ў выхлапных газах, а, па дадзеных шэрагу аўтарытэтных крыніц, масавае ўкараненне значна больш эфектыўных HCCI у серыйную аўтамабільную вытворчасць у 2010-2015 гг. Выратуе чалавецтву каля паўмільёна барэляў. алей штодня.
Аднак, перш чым дасягнуць гэтага, даследнікі і інжынеры павінны пераадолець самы вялікі камень спатыкнення на дадзены момант - адсутнасць надзейнага спосабу кіравання працэсамі самазагарання з выкарыстаннем утрымоўвальных фракцый з розным хімічным складам, уласцівасцямі і паводзінамі сучасных выглядаў паліва. Шэраг пытанняў выклікае стрымліванне працэсаў пры розных нагрузках, абарачэннях і тэмпературных рэжымах працы рухавіка. Па меркаванні некаторых экспертаў, гэта можна зрабіць, вяртаючы сапраўды адмераная колькасць выхлапных газаў зваротна ў цыліндр, папярэдне награваючы сумесь, ці дынамічна змяняючы ступень сціску, ці напроста змяняючы ступень сціску (напрыклад, прататып SVC Saab) ці зменай моманту зачынення клапанаў з дапамогай рэгуляваных сістэм газаразмеркавання.
Пакуль не ясна, як будзе ўхіленая праблема шуму і тэрмадынамічнага ўздзеяння на канструкцыю рухавіка за кошт самазагарання вялікай колькасці свежай сумесі ў рэжыме поўнай нагрузкі. Сапраўдная праблема запусціць рухавік пры нізкай тэмпературы ў цыліндрах, бо ініцыяваць самазагаранне ў такіх умовах даволі складана. У наш час шматлікія даследнікі працуюць над ухіленнем гэтых «вузкіх месцаў», выкарыстаючы вынікі назіранняў за прататыпамі з датчыкамі для бесперапыннага электроннага кантролю і аналізу працоўных працэсаў у цыліндрах у рэальным часе.
Па меркаванні адмыслоўцаў аўтамабільных кампаній, якія працуюць у гэтым кірунку, сярод якіх Honda, Nissan, Toyota і GM, верагодна, спачатку будуць створаны камбінаваныя машыны, якія могуць перамыкаць рэжымы працы, а свечка запальвання будзе выкарыстоўвацца як свайго роду памагаты ў тых выпадках, калі HCCI адчувае цяжкасці. Volkswagen ужо рэалізуе аналагічную схему ў сваім рухавіку CCS (Combined Combustion System), які ў цяперашні час працуе толькі на спецыяльна распрацаваным для яго сінтэтычным паліве.
Узгаранне сумесі ў рухавіках HCCI можа ажыццяўляцца ў шырокім дыяпазоне суадносін паміж палівам, паветрам і выхлапнымі газамі (досыць дасягненні тэмпературы самазагарання), а невялікая працягласць згарання прыводзіць да значнага павелічэння ККД рухавіка. Некаторыя праблемы агрэгатаў новага тыпу могуць быць паспяхова вырашаны ў спалучэнні з гібрыднымі сістэмамі, такімі як Hybrid Synergy Drive ад Toyota - у гэтым выпадку рухавік унутранага згарання можа выкарыстоўвацца толькі ў пэўным, аптымальным з пункту гледжання хуткасці і нагрузкі рэжыме. на працы, такім чынам абыходзячы рэжымы, у якіх рухавік адчувае цяжкасці ці становіцца неэфектыўным.
Згаранне ў рухавіках HCCI, якое дасягаецца за кошт комплекснага кантролю тэмпературы, ціску, колькаснага і якаснага складу сумесі ў становішчы, блізкім да GMT, сапраўды з'яўляецца вялікай праблемай на фоне значна прасцейшага запальвання з дапамогай свечкі запальвання. З іншага боку, HCCI не трэба ствараць турбулентныя працэсы, якія важныя для бензінавых і асабліва дызельных рухавікоў, з-за адначасовага аб'ёмнага характару самазагарання. У той жа час менавіта з гэтай прычыны нават невялікія адхіленні тэмпературы могуць прывесці да значных змен кінэтычных працэсаў.
На практыцы найболей важным фактарам для будучыні гэтага тыпу рухавіка з'яўляецца тып паліва, і правільнае канструктыўнае рашэнне можна знайсці толькі пры дэталёвым веданні яго паводзін у камеры згарання. Таму шматлікія аўтамабільныя кампаніі ў наш час працуюць з нафтавымі кампаніямі (такімі як Toyota і ExxonMobil), і большасць эксперыментаў на гэтым этапе праводзіцца са адмыслова распрацаваным сінтэтычным палівам, склад і паводзіны якога разлічаны загадзя. Эфектыўнасць выкарыстання бензіну і дызельнага паліва ў HCCI супярэчыць логіцы класічных рухавікоў. З-за высокай тэмпературы самазагарання бензінаў ступень сціску ў іх можа вар'іравацца ад 12: 1 да 21: 1, а ў дызельным паліве, які запальваецца пры ніжэйшых тэмпературах, павінна быць параўнальна невялікі – парадку ўсяго 8: 1.
Тэкст: Георгій Колеў
Фота: кампанія
