Diesel und Benzin: Typen

Diesel und Benzin: Typen

Die angespannte Konfrontation zwischen Diesel- und Benzinmotoren erreicht ihren Höhepunkt. Die neuesten Turbotechnologien, elektronisch gesteuerte Common-Rail-Direkteinspritzsysteme, hohes Verdichtungsverhältnis - die Rivalität bringt die beiden Motortypen näher zusammen ... Und plötzlich tauchte mitten in einem alten Duell ein neuer Spieler auf. ein Ort unter der Sonne.

Nach vielen Jahren der Vernachlässigung haben Designer das enorme Potenzial des Dieselmotors wiederentdeckt und seine Entwicklung durch die intensive Einführung neuer Technologien beschleunigt. Es kam zu dem Punkt, dass seine dynamischen Eigenschaften sich den Eigenschaften eines Benzin-Konkurrenten näherten und die Schaffung bisher undenkbarer Autos wie des Volkswagen Race Touareg und ermöglichten Audi Ein R10 TDI mit mehr als ernsthaften Rennambitionen. Die Chronologie der Ereignisse der letzten fünfzehn Jahre ist bekannt ... Dieselmotoren der XNUMX-ies unterschieden sich nicht grundlegend von ihren Vorfahren, die geschaffen wurden Mercedes-Bents im Jahr 1936. Es folgte ein Prozess langsamer Evolution, der sich in den letzten Jahren zu einer mächtigen technologischen Explosion entwickelt hat. In den späten 13er Jahren baute Mercedes den ersten Automobil-Turbodiesel nach, in den späten 1er Jahren debütierte die Direkteinspritzung im Audi-Modell, später erhielten die Dieselmotoren Vierventilköpfe, und in den späten 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 jüngster Zeit erlebt auch die Turbotechnologie eine Renaissance: Die Drehmomentwerte von Benzinmotoren nähern sich deutlich den Drehmomentwerten des berühmten flexiblen Turbodiesels an. Parallel zur Modernisierung gibt es jedoch einen stetigen Trend zu einem ernsthaften Preisanstieg für Benzinmotoren ... Trotz der ausgeprägten Vorurteile und der Polarisierung der Meinungen zu Benzin- und Dieselmotoren in verschiedenen Teilen der Welt gewinnt keiner der beiden Konkurrenten eine spürbare Dominanz.

Trotz des Zusammentreffens der Eigenschaften der beiden Gerätetypen gibt es immer noch große Unterschiede in Art, Charakter und Verhalten der beiden Wärmekraftmaschinen.

Bei einer Benzineinheit bildet sich über einen viel längeren Zeitraum ein Gemisch aus Luft und verdampftem Kraftstoff, das lange vor Beginn des Verbrennungsprozesses beginnt. Unabhängig davon, ob ein Vergaser oder moderne elektronische Direkteinspritzsysteme verwendet werden, besteht das Ziel des Mischens darin, ein gleichmäßiges, homogenes Kraftstoffgemisch mit einem genau definierten Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu erhalten. Dieser Wert liegt normalerweise in der Nähe des sogenannten „stöchiometrischen Gemisches“, in dem genügend Sauerstoffatome vorhanden sind, um (theoretisch) mit jedem Wasserstoff- und Kohlenstoffatom im Kraftstoff eine stabile Struktur zu bilden, wobei nur H20 und CO2 gebildet werden. Da das Verdichtungsverhältnis klein genug ist, um die vorzeitige unkontrollierte Selbstentzündung bestimmter Substanzen im Kraftstoff aufgrund der hohen Verdichtungstemperatur zu vermeiden (die Benzinfraktion besteht aus Kohlenwasserstoffen mit einer deutlich niedrigeren Verdampfungstemperatur und einer deutlich höheren Verbrennungstemperatur). Selbstentzündung von denen in der Dieselfraktion), die Zündung des Gemisches wird durch die Zündkerze ausgelöst, und die Verbrennung erfolgt als Front, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeitsbegrenzung 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 (zwischen Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft) führt. Peroxide und Hydroperoxide (zwischen Sauerstoff und Kraftstoff). Die Akkumulation letzterer auf kritische Werte führt zu einer unkontrollierten Detonationsverbrennung. Daher verwenden moderne Benzine Fraktionen von Molekülen mit einer relativ stabilen chemischen "Struktur", die schwer zu detonieren ist. In Ölraffinerien werden eine Reihe zusätzlicher Prozesse durchgeführt, um diesen Widerstand zu erreichen. einschließlich einer Erhöhung der Oktanzahl des Kraftstoffs. Aufgrund des weitgehend festen Mischungsverhältnisses, mit dem Benzinmotoren umgehen können, spielt die Drosselklappe eine wichtige Rolle, die die Motorlast durch Regulierung der Frischluftmenge reguliert. Es wird jedoch wiederum zu einer Quelle erheblicher Verluste im Teillastmodus, der als eine Art "Halsstopfen" des Motors wirkt.

Die Idee des Entwicklers des Dieselmotors, Rudolf Diesel, ist es, das Verdichtungsverhältnis und damit den thermodynamischen Wirkungsgrad der Maschine deutlich zu erhöhen. Somit nimmt die Fläche der Brennstoffkammer ab und die Verbrennungsenergie wird nicht durch die Zylinderwände und das Kühlsystem abgeleitet, sondern zwischen den Partikeln selbst "verbraucht", die in diesem Fall viel näher beieinander liegen. Wenn ein zuvor hergestelltes Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum dieses Motortyps gelangt, wie im Fall eines Benzinmotors, wird der Selbstentzündungsprozess eingeleitet, wenn während des Kompressionsprozesses (abhängig vom Kompressionsverhältnis und der Kraftstoffart) lange vor GMT eine bestimmte kritische Temperatur erreicht wird. unkontrollierte volumetrische Verbrennung. Aus diesem Grund wird im letzten Moment, kurz vor GMT, Kraftstoff mit sehr hohem Druck in einen Dieselmotor eingespritzt, was zu einem erheblichen Zeitmangel für eine gute Verdampfung, Diffusion, Vermischung, Selbstentzündung und die Notwendigkeit führt, die Höchstgeschwindigkeit zu begrenzen, die selten den Grenzwert überschreitet. ab 4500 U / min Dieser Ansatz legt die entsprechenden Anforderungen an die Qualität des Kraftstoffs fest, bei dem es sich in diesem Fall um den Anteil des Dieselkraftstoffs handelt - hauptsächlich Direktdestillate mit einer deutlich niedrigeren Selbstentzündungstemperatur, da eine instabilere Struktur und lange Moleküle eine Voraussetzung für deren leichteren Bruch sind 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 eine chemische Wechselwirkung eingehen 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 Dosieren der eingespritzten Kraftstoffmenge gesteuert. Dies vermeidet die Verwendung des Gashebels, was ein großer Vorteil gegenüber ihren Benzin-Gegenstücken ist. Um einige der Mängel des Benzinmotors auszugleichen, haben die Konstrukteure Motoren entwickelt, bei denen der Gemischbildungsprozess die sogenannte "Ladungsschichtung" ist.

Im Teillastmodus wird das optimale stöchiometrische Gemisch nur im Bereich um die Zündkerzenelektroden aufgrund einer speziellen Einspritzung eines eingespritzten Kraftstoffstrahls, eines gerichteten Luftstroms, eines speziellen Kolbenfrontprofils und anderer ähnlicher Methoden, die die Zündzuverlässigkeit gewährleisten, erzeugt. Gleichzeitig bleibt das Gemisch im größten Teil des Kammervolumens mager, und da die Last in diesem Modus nur durch die zugeführte Kraftstoffmenge gesteuert werden kann, kann die Drosselklappe vollständig geöffnet bleiben. Dies führt wiederum zu einer gleichzeitigen Verringerung der Verluste und einer Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Motors. Theoretisch sieht alles gut aus, aber bisher der Erfolg dieser Art von Serienmotor Mitsubishi und VW ist nicht glamourös. Im Allgemeinen kann sich bisher niemand rühmen, diese technologischen Lösungen voll ausgenutzt zu haben.

Und was ist, wenn die Vorteile zweier Motortypen auf "magische" Weise kombiniert werden? Was wäre die ideale Kombination aus hoher Verdichtung eines Dieselmotors, gleichmäßiger Verteilung des Gemisches über das gesamte Volumen der Brennkammer und gleichmäßiger Selbstentzündung bei gleichem Volumen? Intensive Laboruntersuchungen an Versuchsanlagen dieses Typs in den letzten Jahren haben eine signifikante Reduzierung der Schadstoffemissionen in Abgasen gezeigt (zum Beispiel wird die Menge an Stickoxiden auf 99% reduziert!) Mit einer Effizienzsteigerung im Vergleich zu Benzinmotoren. Es scheint, dass die Zukunft tatsächlich den Motoren gehört, die Automobilunternehmen und unabhängige Ingenieurbüros kürzlich unter dem Dachnamen HCCI - Homogene Charge Compression Ignition Engines oder Homogene Spontaneous Ignition Engines zusammengelegt haben.

Wie bei vielen anderen scheinbar "revolutionären" Entwicklungen ist die Idee, eine solche Maschine zu schaffen, nicht neu, und obwohl Versuche, ein zuverlässiges Produktionsmodell zu schaffen, immer noch erfolglos sind. Gleichzeitig schaffen die wachsenden Möglichkeiten der elektronischen Steuerung des technologischen Prozesses 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 durch die Wärme der Kompression von selbst. 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 Reduzierung der Menge an Stickoxiden und Ruß in den Abgasen und nach einer Reihe maßgeblicher Quellen zu einer 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.

Bevor dies erreicht werden kann, müssen Forscher und Ingenieure jedoch den bislang 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. Eine Reihe von Fragen wird durch die Eindämmung von Prozessen bei verschiedenen Lasten, Drehzahlen und Temperaturmodi des Motorbetriebs verursacht. Nach Ansicht einiger Experten kann dies erreicht werden, indem eine genau dosierte Menge an Abgasen in den Zylinder zurückgeführt wird, das Gemisch vorgewärmt wird oder das Kompressionsverhältnis dynamisch geändert wird oder das Kompressionsverhältnis direkt geändert wird (z. B. der SVC-Prototyp) Saab) oder durch Ändern des Ventilmoments mit variablen Ventilsteuerungssystemen.

Es ist noch nicht klar, wie das Problem der Geräuschentwicklung und der thermodynamischen Auswirkungen auf die Motorkonstruktion aufgrund der spontanen Zündung einer großen Menge frischen Gemisches bei Volllast beseitigt werden kann. Das eigentliche Problem besteht darin, den Motor bei niedrigen Zylindertemperaturen zu starten, da es unter solchen Bedingungen ziemlich schwierig ist, eine Selbstentzündung einzuleiten. Viele Forscher arbeiten derzeit daran, diese Engpässe zu beseitigen, indem sie Beobachtungen von Sensorprototypen zur kontinuierlichen elektronischen Überwachung und Echtzeitanalyse von Zylinderarbeitsabläufen verwenden.

Laut Experten von Automobilunternehmen, die in diesem Bereich tätig sind, einschließlich Honda, Nissan, Toyota und GM werden wahrscheinlich zuerst Kombi-Autos entwickeln, die den Betriebsmodus wechseln können, und die Zündkerze wird als eine Art Helfer verwendet, wenn die HCCI Probleme hat. Ein ähnliches Schema setzt Volkswagen bereits in seinem CCS-Motor (Combined Combustion System) um, der derzeit nur mit speziell dafür entwickelten synthetischen Kraftstoffen betrieben wird.

Die Zündung des Gemisches in HCCI-Motoren kann in einem weiten Bereich von Verhältnissen zwischen Kraftstoff, Luft und Abgasen durchgeführt werden (es reicht aus, um die Selbstentzündungstemperatur zu erreichen), und eine kurze Verbrennungsdauer führt zu einer signifikanten Steigerung des Motorwirkungsgrads. Einige der Probleme des neuen Einheitentyps können in Kombination mit Hybridsystemen wie dem Hybrid Synergy Drive von Toyota erfolgreich gelöst werden. In diesem Fall kann der Verbrennungsmotor nur in einem bestimmten Modus verwendet werden, der hinsichtlich Geschwindigkeit und Last optimal ist. bei der Arbeit, wodurch Modi umgangen werden, in denen der Motor Schwierigkeiten hat oder unwirksam wird.

Die Verbrennung in HCCI-Motoren, die durch eine integrierte Steuerung von Temperatur, Druck, Menge und Qualität 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 Motortyps die Art des Kraftstoffs, und die richtige Konstruktionslösung kann nur mit einer detaillierten Kenntnis seines Verhaltens im Brennraum gefunden werden. Daher arbeiten viele Autounternehmen jetzt mit Ölfirmen (wie Toyota und ExxonMobil) zusammen, und die meisten Experimente in dieser Phase werden mit speziell entwickelten synthetischen Kraftstoffen durchgeführt, deren Zusammensetzung und Verhalten im Voraus berechnet werden. Der Wirkungsgrad von Benzin und Diesel in HCCI widerspricht der Logik klassischer Motoren. Aufgrund der hohen Selbstentzündungstemperatur von Benzinen kann das Verdichtungsverhältnis in diesen von 12: 1 bis 21: 1 variieren, und bei Dieselkraftstoff, der bei niedrigeren Temperaturen zündet, sollte er relativ klein sein - etwa nur 8: 1.

Text: Georgy Kolev

Foto: Firma

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