Probefahrt Diesel und Benzin: Typen
Die angespannte Auseinandersetzung zwischen Diesel- und Benzinmotoren erreicht ihren Höhepunkt. Modernste Turbo-Technologie, elektronisch gesteuerte Common-Rail-Direkteinspritzsysteme, hohe Verdichtungsverhältnisse – die Rivalität bringt die beiden Motorentypen einander näher … Und plötzlich, inmitten eines uralten Duells, taucht plötzlich ein neuer Spieler auf der Bildfläche auf. ein Platz unter der Sonne.
Nach vielen Jahren der Vernachlässigung haben die Konstrukteure das enorme Potenzial des Dieselmotors wiederentdeckt und seine Entwicklung durch die intensive Einführung neuer Technologien beschleunigt. Er erreichte einen Punkt, an dem sich seine Dynamik den Eigenschaften eines Benzinkonkurrenten annäherte und bis dahin undenkbare Autos wie den Volkswagen Race Touareg und den Audi R10 TDI mit mehr als ernsthaften Rennambitionen ermöglichte. Die Chronologie der Ereignisse der letzten fünfzehn Jahre ist bekannt ... Die Dieselmotoren der 1936s unterschieden sich nicht grundlegend von ihren Vorfahren, die 13 von Mercedes-Benz entwickelt wurden. Es folgte ein Prozess langsamer Evolution, der sich in den letzten Jahren zu einer gewaltigen technologischen Explosion entwickelt hat. Ende der 1er Jahre baute Mercedes den ersten Automobil-Turbodiesel nach, in den späten XNUMXer Jahren debütierte die Direkteinspritzung im Audi-Modell, später erhielten Dieselmotoren Vierventilköpfe und Ende des XNUMX wurden elektronisch gesteuerte Common-Rail-Einspritzsysteme Realität . ... Inzwischen wurde die Hochdruck-Direkteinspritzung in Benzinmotoren eingeführt, bei denen das Verdichtungsverhältnis heute in einigen Fällen XNUMX: XNUMX erreicht. In letzter Zeit erlebt auch die Turbotechnologie eine Renaissance, wobei sich die Drehmomentwerte von Ottomotoren deutlich an die Drehmomentwerte des berühmten flexiblen Turbodiesels anzunähern beginnen. Parallel zur Modernisierung bleibt jedoch eine stetige Tendenz zu einem gravierenden Preisanstieg des Benzinmotors bestehen ... Trotz der ausgeprägten Vorurteile und Polarisierung der Meinungen zu Benzin- und Dieselmotoren in verschiedenen Teilen der Welt, keiner von beiden die beiden Rivalen gewinnen spürbare Dominanz.
Trotz des Zusammentreffens der Eigenschaften der beiden Gerätetypen gibt es immer noch große Unterschiede in Art, Charakter und Verhalten der beiden Wärmekraftmaschinen.
Beim Ottomotor bildet sich das Gemisch aus Luft und verdunstetem Kraftstoff über einen viel längeren Zeitraum und beginnt lange vor Beginn des Verbrennungsprozesses. Unabhängig davon, ob Sie einen Vergaser oder moderne elektronische Direkteinspritzsysteme verwenden, das Ziel des Mischens ist es, ein gleichmäßiges, homogenes Kraftstoffgemisch mit einem genau definierten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erzeugen. Dieser Wert liegt in der Regel in der Nähe der sogenannten „stöchiometrischen Mischung“, bei der genügend Sauerstoffatome vorhanden sind, um (theoretisch) mit jedem Wasserstoff- und Kohlenstoffatom im Kraftstoff eine stabile Struktur eingehen zu können, wobei nur H20O und CO2 entstehen. Weil das Verdichtungsverhältnis klein genug ist, um eine vorzeitige unkontrollierte Selbstzündung einiger Substanzen im Kraftstoff aufgrund der hohen Verdichtungstemperatur zu vermeiden (Benzinfraktion besteht aus Kohlenwasserstoffen mit einer viel niedrigeren Verdampfungstemperatur und einer viel höheren Verbrennungstemperatur). Selbstzündung von denen in der Dieselfraktion), die Zündung des Gemischs wird durch eine Zündkerze eingeleitet und die Verbrennung erfolgt in Form einer Front, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeitsgrenze bewegt. Leider bilden sich in der Brennkammer Zonen mit unvollständigen Prozessen, die zur Bildung von Kohlenmonoxid und stabilen Kohlenwasserstoffen führen, und wenn sich die Flammenfront bewegt, steigen Druck und Temperatur an ihrer Peripherie an, was zur Bildung schädlicher Stickoxide führt ( zwischen Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft), Peroxide und Hydroperoxide (zwischen Sauerstoff und Kraftstoff). Die Anhäufung letzterer auf kritische Werte führt zu einer unkontrollierten Detonationsverbrennung, daher werden in modernen Benzinen Molekülfraktionen mit einer relativ stabilen, schwer zu detonierenden chemischen "Konstruktion" verwendet - eine Reihe zusätzlicher Prozesse werden durchgeführt in Raffinerien, um eine solche Stabilität zu erreichen. einschließlich einer Erhöhung der Oktanzahl des Kraftstoffs. Aufgrund des weitgehend festen Mischungsverhältnisses, das Ottomotoren fahren können, spielt bei ihnen die Drosselklappe eine wichtige Rolle, mit der die Motorlast durch Anpassung der Frischluftmenge geregelt wird. Im Teillastbetrieb wird es jedoch wiederum zu einer Quelle erheblicher Verluste und spielt die Rolle einer Art "Halspfropfen" des Motors.
Die Idee des Schöpfers des Dieselmotors, Rudolf Diesel, ist es, das Verdichtungsverhältnis und damit den thermodynamischen Wirkungsgrad der Maschine deutlich zu erhöhen. Somit nimmt die Fläche der Kraftstoffkammer ab und die Verbrennungsenergie wird nicht durch die Wände des Zylinders und des Kühlsystems abgeführt, sondern zwischen den Partikeln selbst "verbraucht", die in diesem Fall viel näher beieinander liegen andere. Tritt bei einem solchen Motor wie beim Ottomotor ein vorgefertigtes Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Brennraum ein, so wird beim Erreichen einer bestimmten kritischen Temperatur während des Verdichtungsvorgangs (abhängig vom Verdichtungsverhältnis und der Art des Kraftstoffs ), wird der Selbstzündungsprozess lange vor GMT eingeleitet. unkontrollierte volumetrische Verbrennung. Aus diesem Grund wird Dieselkraftstoff im letzten Moment, kurz vor GMT, mit sehr hohem Druck eingespritzt, was zu einem erheblichen Zeitmangel für eine gute Verdampfung, Diffusion, Vermischung, Selbstzündung und die Notwendigkeit einer Höchstgeschwindigkeitsbegrenzung führt das überschreitet selten die Grenze. ab 4500 U/min Dieser Ansatz stellt entsprechende Anforderungen an die Qualität des Kraftstoffs, der in diesem Fall eine Fraktion von Dieselkraftstoff ist - hauptsächlich reine Destillate mit einer deutlich niedrigeren Selbstentzündungstemperatur, da eine instabilere Struktur und lange Moleküle eine Voraussetzung für deren leichtere Verbrennung sind Bruch und Reaktion mit Sauerstoff.
Ein Merkmal der Verbrennungsprozesse eines Dieselmotors sind einerseits Zonen mit einem angereicherten Gemisch um die Einspritzlöcher, in denen sich Kraftstoff von der Temperatur ohne Oxidation zersetzt (Risse) und sich in eine Kohlenstoffpartikelquelle (Ruß) verwandelt, und andererseits. in denen überhaupt kein Kraftstoff vorhanden ist und unter dem Einfluss hoher Temperaturen Stickstoff und Luftsauerstoff in chemische Wechselwirkung treten und Stickoxide bilden. Daher sind Dieselmotoren immer so eingestellt, dass sie mit mittelmageren Gemischen (dh mit einem starken Luftüberschuss) arbeiten, und die Last wird nur durch die Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge gesteuert. Dies vermeidet die Verwendung des Gashebels, was ein großer Vorteil gegenüber ihren Benzin-Gegenstücken ist. Um einige der Mängel eines Benzinmotors auszugleichen, haben Entwickler Motoren entwickelt, bei denen der Gemischbildungsprozess die sogenannte "Ladungsschichtung" ist.
Im Teillastbetrieb wird das optimale stöchiometrische Gemisch nur im Bereich der Zündkerzenelektroden durch eine spezielle Einspritzung eines eingespritzten Kraftstoffstrahls, einen gerichteten Luftstrom, ein spezielles Kolbenfrontprofil und ähnliche Verfahren erzeugt, die eine Zündsicherheit gewährleisten. Gleichzeitig bleibt das Gemisch im größten Teil des Kammervolumens mager, und da die Last in diesem Modus nur über die zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert werden kann, kann die Drosselklappe vollständig geöffnet bleiben. Dies wiederum führt zu einer gleichzeitigen Verringerung der Verluste und einer Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrades des Motors. Theoretisch sieht alles gut aus, doch bisher war der Erfolg dieses Motorentyps von Mitsubishi und VW nicht gerade glamourös. Im Allgemeinen kann sich bisher niemand rühmen, diese technologischen Lösungen voll ausgeschöpft zu haben.
Und wenn Sie die Vorteile der beiden Motortypen „magisch“ kombinieren? Was wäre die ideale Kombination aus hoher Dieselverdichtung, homogener Gemischverteilung im gesamten Brennraumvolumen und gleichmäßiger Selbstzündung im gleichen Volumen? Intensive Laboruntersuchungen von Versuchsanlagen dieser Art in den letzten Jahren haben eine deutliche Reduzierung der Schadstoffemissionen in Abgasen (z. B. die Menge an Stickoxiden wird um bis zu 99 % reduziert!) bei einer Steigerung des Wirkungsgrads im Vergleich zu Ottomotoren gezeigt . Die Zukunft scheint tatsächlich den Motoren zu gehören, die Automobilunternehmen und unabhängige Designfirmen kürzlich unter dem Dachnamen HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition Engines oder Homogeneous Charge Self Ignition Engines – in einen Topf geworfen haben.
Wie bei vielen anderen scheinbar „revolutionären“ Entwicklungen ist die Idee, eine solche Maschine zu entwickeln, nicht neu, und obwohl Versuche, ein zuverlässiges Produktionsmodell zu erstellen, immer noch erfolglos sind. Gleichzeitig schaffen die wachsenden Fähigkeiten der elektronischen Prozesssteuerung und die große Flexibilität der Gasverteilungssysteme eine sehr realistische und optimistische Perspektive für einen neuen Motortyp.
In diesem Fall handelt es sich tatsächlich um eine Art Hybrid aus den Funktionsprinzipien von Benzin- und Dieselmotoren. Ein gut homogenisiertes Gemisch tritt wie bei Benzinmotoren in die Brennräume des HCCI ein, entzündet sich jedoch selbst durch die Wärme der Kompression. Der neue Motortyp benötigt auch keine Drosselklappe, da er mit mageren Gemischen betrieben werden kann. Es ist jedoch zu beachten, dass sich in diesem Fall die Bedeutung der Definition von "mager" erheblich von der Definition von Diesel unterscheidet, da HCCI kein vollständig mageres und stark angereichertes Gemisch aufweist, sondern eine Art gleichmäßig mageres Gemisch ist. Das Funktionsprinzip beinhaltet die gleichzeitige Zündung des Gemisches im gesamten Zylindervolumen ohne gleichmäßig bewegte Flammenfront und bei einer viel niedrigeren Temperatur. Dies führt automatisch zu einer signifikanten Verringerung der Menge an Stickoxiden und Ruß in den Abgasen und nach einer Reihe maßgeblicher Quellen zur massiven Einführung wesentlich effizienterer HCCIs in der Serienproduktion von Kraftfahrzeugen in den Jahren 2010-2015. Wird die Menschheit etwa eine halbe Million Barrel retten. Öl täglich.
Doch bevor dies erreicht werden kann, müssen Forscher und Ingenieure derzeit den größten Stolperstein überwinden – das Fehlen einer zuverlässigen Methode zur Steuerung von Selbstentzündungsprozessen unter Verwendung von Fraktionen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, Eigenschaften und Verhalten moderner Kraftstoffe. Durch die Eindämmung von Prozessen bei verschiedenen Lasten, Drehzahlen und Temperaturbedingungen des Motors ergeben sich eine Reihe von Fragen. Nach Ansicht einiger Experten kann dies durch Rückführen einer genau abgemessenen Abgasmenge in den Zylinder, Vorwärmen des Gemischs oder dynamisches Ändern des Verdichtungsverhältnisses oder direktes Ändern des Verdichtungsverhältnisses (z. B. beim SVC Saab-Prototyp) oder erfolgen Ändern des Ventilschließzeitpunkts mit variabler Systemgasverteilung.
Es ist noch nicht klar, wie das Problem der Geräuschentwicklung und der thermodynamischen Auswirkungen auf die Motorkonstruktion aufgrund der Selbstzündung einer großen Menge Frischgemisch bei Volllast beseitigt werden soll. Das eigentliche Problem besteht darin, den Motor bei einer niedrigen Temperatur in den Zylindern zu starten, da es ziemlich schwierig ist, unter solchen Bedingungen eine Selbstzündung einzuleiten. Derzeit arbeiten viele Forscher daran, diese Engpässe zu beseitigen, indem sie die Ergebnisse von Beobachtungen von Prototypen mit Sensoren für die kontinuierliche elektronische Steuerung und Analyse von Arbeitsvorgängen in Zylindern in Echtzeit nutzen.
По мнению специалистов автомобильных компаний, работающих в этом направлении, среди которых Honda, Nissan, Toyota и GM, вероятно, сначала будут созданы комбинированные машины, которые могут переключать режимы работы, а свеча зажигания будет использоваться как своего рода помощник в тех случаях, когда HCCI испытывает трудности. Volkswagen уже реализует аналогичную схему в своем двигателе CCS (Combined Combustion System), который в настоящее время работает только на специально разработанном для него синтетическом топливе.
Die Zündung des Gemischs in HCCI-Motoren kann in einem weiten Bereich von Verhältnissen zwischen Kraftstoff, Luft und Abgasen durchgeführt werden (es reicht, um die Selbstzündungstemperatur zu erreichen), und eine kurze Verbrennungszeit führt zu einer signifikanten Steigerung des Motorwirkungsgrads. Einige Probleme neuartiger Aggregate lassen sich in Kombination mit Hybridsystemen erfolgreich lösen, wie etwa beim Hybrid Synergy Drive von Toyota – hier kann der Verbrennungsmotor nur in einem bestimmten, drehzahl- und lastoptimierten Modus genutzt werden. bei der Arbeit, wodurch Modi umgangen werden, in denen der Motor kämpft oder ineffizient wird.
Die Verbrennung in HCCI-Motoren, die durch integrierte Temperatur-, Druck-, Mengen- und Qualitätskontrolle des Gemisches in einer Position nahe GMT erreicht wird, ist in der Tat ein großes Problem vor dem Hintergrund einer viel einfacheren Zündung mit einer Zündkerze. Andererseits muss HCCI aufgrund des gleichzeitigen volumetrischen Charakters der Selbstentzündung keine turbulenten Prozesse erzeugen, die für Benzin- und insbesondere Dieselmotoren wichtig sind. Gleichzeitig können aus diesem Grund bereits geringe Temperaturabweichungen zu signifikanten Änderungen der kinetischen Prozesse führen.
In der Praxis ist der wichtigste Faktor für die Zukunft dieses Motorentyps die Art des Kraftstoffs, und die richtige konstruktive Lösung kann nur mit einer detaillierten Kenntnis seines Verhaltens im Brennraum gefunden werden. Daher arbeiten viele Automobilunternehmen derzeit mit Ölunternehmen (wie Toyota und ExxonMobil) zusammen, und die meisten Experimente werden in diesem Stadium mit speziell entwickelten synthetischen Kraftstoffen durchgeführt, deren Zusammensetzung und Verhalten im Voraus berechnet werden. Die Effizienz der Verwendung von Benzin- und Dieselkraftstoff in HCCI widerspricht der Logik klassischer Motoren. Aufgrund der hohen Selbstentzündungstemperatur von Benzinen kann das Verdichtungsverhältnis in ihnen zwischen 12:1 und 21:1 variieren, und in Dieselkraftstoff, der sich bei niedrigeren Temperaturen entzündet, sollte es relativ klein sein - in der Größenordnung von nur 8 :1.
Text: Georgy Kolev
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