Probna vožnja dizel i benzin: vrste
Napeta konfrontacija između dizel i benzinskih motora dostiže svoj vrhunac. Najnovija turbo tehnologija, elektronski kontrolisani common-rail sistemi direktnog ubrizgavanja, visoki omjeri kompresije – rivalstvo zbližava dva tipa motora... I odjednom, usred drevnog duela, na scenu se iznenada pojavio novi igrač. mesto pod suncem.
Nakon mnogo godina zanemarivanja, dizajneri su ponovno otkrili ogroman potencijal dizel motora i ubrzali njegov razvoj intenzivnim uvođenjem novih tehnologija. Došlo se do toga da su se njegove dinamičke performanse približile karakteristikama benzinskog konkurenta i omogućile stvaranje dosad nezamislivih automobila poput Volkswagen Race Touarega i Audija R10 TDI s više nego ozbiljnim trkačkim ambicijama. Hronologija 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 moćnu tehnološku eksploziju. U kasnim 1-im godinama Mercedes je stvorio prvi automobilski turbodizel, u kasnim XNUMXs, direktno ubrizgavanje debitiralo je u Audijevom modelu, kasnije su dizeli dobili glave s četiri ventila, a krajem XNUMX-a, elektronički upravljani Common Rail sustavi ubrizgavanja postali su stvarnost. ... U međuvremenu, izravno ubrizgavanje goriva pod visokim pritiskom uvedeno je 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. Međutim, 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, dva rivala stiču opipljivu dominaciju.
Uprkos podudarnosti kvaliteta dviju vrsta jedinica, još uvijek postoje ogromne razlike u prirodi, karakteru i ponašanju dviju toplotnih mašina.
U slučaju benzinskog motora, mješavina zraka i isparenog goriva nastaje u mnogo dužem vremenskom periodu i počinje mnogo prije početka procesa sagorijevanja. Bilo da se koristi karburator ili moderni elektronski sistemi direktnog ubrizgavanja, cilj mešanja je da se proizvede ujednačena, homogena mešavina goriva sa dobro definisanim odnosom vazduh-gorivo. Ova vrijednost je obično bliska takozvanoj "stehiometrijskoj smjesi", u kojoj ima dovoljno atoma kisika da se (teoretski) mogu povezati u stabilnu strukturu sa svakim atomom vodika i ugljika u gorivu, formirajući samo H20 i CO2. Zato što je omjer kompresije dovoljno mali da se izbjegne prerano nekontrolirano samozapaljenje nekih tvari u gorivu zbog visoke temperature kompresije (benzinska frakcija se sastoji od ugljovodonika s mnogo nižom temperaturom isparavanja i mnogo višom temperaturom sagorijevanja). samozapaljenje od onih u dizelskoj frakciji), paljenje smjese inicira svjećica i sagorijevanje se događa u obliku fronta koji se kreće određenom brzinom. Nažalost, u komori za sagorevanje se formiraju zone sa nezavršenim procesima koji dovode do stvaranja ugljen monoksida i stabilnih ugljovodonika, a kada se front plamena pomera, pritisak i temperatura na njegovoj periferiji se povećavaju, što dovodi do stvaranja štetnih azotnih oksida ( između dušika i kisika iz zraka), peroksida i hidroperoksida (između kisika i goriva). Akumulacija potonjeg do kritičnih vrijednosti dovodi do nekontroliranog detonacijskog sagorijevanja, stoga se u modernim benzinima koriste frakcije molekula s relativno stabilnom, teško detonirajućom kemijskom "konstrukcijom" - provode se brojni dodatni procesi u rafinerijama kako bi se postigla takva stabilnost. uključujući povećanje oktanskog broja goriva. Zbog uglavnom fiksnog omjera smjese koji mogu raditi benzinski motori, u njima važnu ulogu igra ventil za gas, kojim se reguliše opterećenje motora podešavanjem količine svježeg zraka. Međutim, on zauzvrat postaje izvor značajnih gubitaka u načinu djelomičnog opterećenja, igrajući ulogu svojevrsnog "čepa za grlo" motora.
Ideja kreatora dizel motora, Rudolfa Diesel-a, je da se značajno poveća omjer kompresije, a time i termodinamička efikasnost mašine. Dakle, površina komore za gorivo se smanjuje, a energija sagorevanja se ne raspršuje kroz zidove cilindra i rashladnog sistema, već se "troši" između samih čestica, koje su u ovom slučaju mnogo bliže svakoj ostalo. Ako prethodno pripremljena mješavina zraka i goriva uđe u komoru za sagorijevanje ovog tipa motora, kao u slučaju benzinskog motora, onda kada se tokom procesa kompresije dostigne određena kritična temperatura (ovisno o omjeru kompresije i vrsti goriva ), proces samozapaljenja će biti pokrenut mnogo prije GMT. nekontrolisano volumetrijsko sagorevanje. Iz tog razloga se dizel gorivo ubrizgava u posljednjem trenutku, malo prije GMT, pod vrlo visokim pritiskom, 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, koje je u ovom slučaju frakcija dizel goriva – uglavnom ravnih destilata sa znatno nižom temperaturom samozapaljenja, jer su nestabilnija struktura i dugi molekuli preduvjet za njihovo lakše ruptura i reakcija sa kiseonikom.
Značajka procesa sagorijevanja 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 kojoj uopće nema goriva i pod utjecajem visoke temperature azot i kiseonik zraka ulaze u hemijsku interakciju, stvarajući okside dušika. Stoga su dizel motori uvijek podešeni da rade sa srednje mršavim smjesama (odnosno s ozbiljnim suviškom zraka), a opterećenje se kontrolira samo doziranjem količine ubrizganog goriva. Time se izbjegava korištenje 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 proces 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 profila čela klipa i drugih sličnih metoda koje osiguravaju paljenje pouzdanost. Istodobno, smjesa u većini zapremine 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 istovremenog smanjenja gubitaka i povećanja termodinamičke učinkovitosti motora. U teoriji sve izgleda odlično, 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 ova dva tipa motora? Koja bi bila idealna kombinacija visoke dizel kompresije, homogene distribucije smjese po cijeloj zapremini komore za sagorijevanje i ravnomjernog samozapaljenja u istoj zapremini? Intenzivna laboratorijska istraživanja eksperimentalnih jedinica ovog tipa posljednjih godina su pokazala značajno smanjenje štetnih emisija u izduvnim plinovima (npr. količina dušikovih oksida je smanjena i do 99%!) uz povećanje efikasnosti u odnosu na benzinske motore . Čini se da budućnost zaista pripada motorima, koje su automobilske kompanije i nezavisne dizajnerske kompanije nedavno objedinile pod krovnim imenom 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, a do sada pokušaji stvaranja pouzdanog proizvodnog modela još uvijek nisu uspješni. Istovremeno, rastuće mogućnosti elektronskog upravljanja procesima i velika fleksibilnost sistema za distribuciju plina stvaraju vrlo realne i optimistične izglede za novi tip motora.
U stvari, u ovom slučaju to je svojevrsni hibrid principa rada benzinskih i dizel motora. Dobro homogenizirana smjesa, kao u benzinskim motorima, ulazi u komore za sagorijevanje HCCI, ali se samozapaljuje pod utjecajem toplote od kompresije. Za novi tip motora također nije potreban prigušni ventil jer može raditi na mršavim mješavinama. 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 fronte plamena i na mnogo nižoj temperaturi. To automatski dovodi do značajnog smanjenja količine azotnih oksida i čađe u ispušnim plinovima i, prema brojnim autoritativnim izvorima, masovnom uvođenju mnogo efikasnijih HCCI-a u serijsku automobilsku proizvodnju u 2010.-2015. Spasit će čovječanstvo oko pola miliona 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 kemijske sastave, svojstva i ponašanje modernih goriva. Brojna su pitanja uzrokovana obuzdavanjem procesa pri različitim opterećenjima, okretajima i temperaturnim uvjetima motora. Prema nekim stručnjacima, to se može učiniti vraćanjem precizno izmjerene količine izduvnih plinova natrag u cilindar, predgrijavanjem smjese ili dinamičkom promjenom omjera kompresije, ili direktnom promjenom omjera kompresije (na primjer, SVC Saab prototip) ili mijenjanje vremena zatvaranja ventila korištenjem varijabilnog sistema distribucije plina.
Još nije jasno kako će se otkloniti problem buke i termodinamičkih efekata na konstrukciju motora zbog samozapaljenja velike količine svježe mješavine pri punom opterećenju. Pravi problem je upaliti motor na niskoj temperaturi u cilindrima, jer je u takvim uslovima prilično teško pokrenuti samozapaljenje. Trenutno mnogi istraživači rade na otklanjanju ovih uskih grla koristeći rezultate posmatranja prototipova sa senzorima za kontinuiranu elektronsku kontrolu i analizu radnih procesa u cilindrima u realnom vremenu.
Prema riječima stručnjaka iz automobilskih kompanija koje rade u ovom smjeru, uključujući Hondu, Nissan, Toyotu i GM, vjerovatno će prvo biti stvoreni kombinovani automobili koji mogu mijenjati režime rada, a svjećica će se koristiti kao svojevrsni pomoćnik u slučajevima gdje HCCI ima poteškoća. Volkswagen već implementira sličnu šemu u svoj CCS (Combined Combustion System) motor, koji trenutno radi samo na sintetičkom gorivu posebno razvijenom za njega.
Paljenje smjese u HCCI motorima može se vršiti u širokom rasponu omjera između goriva, zraka i izduvnih plinova (dovoljno je da se postigne temperatura samopaljenja), a kratko vrijeme sagorijevanja dovodi do značajnog povećanja efikasnosti motora. Neki problemi novih tipova agregata mogu se uspješno riješiti u kombinaciji sa hibridnim sistemima, kao što je Toyotin Hybrid Synergy Drive – u ovom slučaju motor s unutarnjim sagorijevanjem može se koristiti samo u određenom režimu koji je optimalan u smislu brzine i opterećenja. na radu, zaobilazeći na taj način načine u kojima se motor bori ili postaje neefikasan.
Sagorijevanje u HCCI motorima, postignuto integriranom kontrolom temperature, tlaka, količine i kvaliteta smjese u položaju blizu GMT, zaista 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 dizel motore, zbog istovremene volumetrijske prirode samozapaljenja. Istovremeno, iz tog razloga čak i mala temperaturna odstupanja mogu dovesti do značajnih promjena u kinetičkim procesima.
U praksi, najvažniji faktor za budućnost ovog tipa motora je vrsta goriva, a ispravno projektno rješenje može se pronaći samo uz detaljno poznavanje njegovog ponašanja u komori za sagorijevanje. Stoga mnoge automobilske kompanije trenutno rade s naftnim kompanijama (kao što su Toyota i ExxonMobil), a većina eksperimenata u ovoj fazi se provodi sa posebno dizajniranim sintetičkim gorivima, čiji su sastav i ponašanje unaprijed izračunati. Efikasnost korištenja benzina i dizel goriva u HCCI je suprotna logici klasičnih motora. Zbog visoke temperature samozapaljenja benzina, omjer kompresije u njima može varirati od 12:1 do 21:1, a kod dizel goriva, koje se pali na nižim temperaturama, trebao bi biti relativno mali - reda veličine samo 8 :1.
Tekst: Georgy Kolev
Foto: kompanija
