Тест драйв дизель и бензин: типы

Напряженное противостояние дизельного и бензинового двигателей достигает апогея. Новейшие турбо-технологии, системы непосредственного впрыска Common-Rail с электронным управлением, высокая степень сжатия – соперничество сближает два типа двигателей … И вдруг, в разгар древней дуэли, на сцене неожиданно появился новый игрок. место под солнцем.

После многих лет забвения конструкторы заново открыли огромный потенциал дизельного двигателя и ускорили его разработку за счет интенсивного внедрения новых технологий. Дошло до того, что его динамические характеристики приблизились к характеристикам бензинового конкурента и позволили создавать немыслимые доселе автомобили, такие как Volkswagen Race Touareg и Audi R10 TDI с более чем серьезными гоночными амбициями. Хронология событий последних пятнадцати лет хорошо известна … Дизельные двигатели XNUMX-х годов принципиально не отличались от своих предков, созданных Mercedes-Бенц в далеком 1936 году. Последовал процесс медленной эволюции, переросший в последние годы в мощный технологический взрыв. В конце 13-х Mercedes воссоздала первый автомобильный турбодизель, в конце 1-х в модели Audi дебютировал прямой впрыск, позже дизели получили четырехклапанные головки, а в конце XNUMX-х годов стали реальностью системы впрыска Common Rail с электронным управлением. . Между тем, прямой впрыск топлива под высоким давлением был внедрен в бензиновые двигатели, где степень сжатия сегодня в некоторых случаях достигает XNUMX: XNUMX. В последнее время турбо-технологии также переживают ренессанс, благодаря которому значения крутящего момента бензиновых двигателей начали значительно приближаться к значениям крутящего момента известных своим гибким турбодизелем. Однако параллельно с модернизацией сохраняется устойчивая тенденция к серьезному удорожанию бензинового двигателя… Итак, несмотря на ярко выраженные предубеждения и поляризацию мнений относительно бензиновых и дизельных двигателей в разных частях мира, ни один из двух соперников приобретение ощутимого доминирования.

Несмотря на совпадение качеств двух типов агрегатов, по-прежнему существуют огромные различия в характере, характере и поведении двух тепловых двигателей.

В случае бензинового агрегата смесь воздуха и испарившегося топлива образуется в течение значительно более длительного периода времени и начинается задолго до начала процесса сгорания. Независимо от того, используется ли карбюратор или современные электронные системы прямого впрыска, целью смешивания является получение однородной, гомогенной топливной смеси с четко определенным соотношением воздух-топливо. Это значение обычно близко к так называемой «стехиометрической смеси», в которой атомов кислорода достаточно, чтобы быть способными (теоретически) связываться в стабильную структуру с каждым атомом водорода и углерода в топливе, образуя только H20 и CO2. Поскольку степень сжатия достаточно мала, чтобы избежать преждевременного неконтролируемого самовоспламенения некоторых веществ в топливе из-за высокой температуры сжатия (фракция бензина состоит из углеводородов со значительно более низкой температурой испарения и значительно более высокой температурой сгорания). самовоспламенение от тех, кто находится в дизельной фракции), воспламенение смеси инициируется свечой зажигания, и горение происходит в виде фронта, движущегося с определенным ограничением скорости. К сожалению, в камере сгорания образуются зоны с незавершенными процессами, ведущими к образованию монооксида углерода и стабильных углеводородов, а при движении фронта пламени давление и температура на его периферии повышаются, что приводит к образованию вредных оксидов азота (между азот и кислород из воздуха), пероксиды и гидропероксиды (между кислородом и топливом). Накопление последних до критических значений приводит к неконтролируемому детонационному сгоранию, поэтому в современных бензинах используются фракции молекул с относительно стабильной, трудно поддающейся детонации химической «конструкцией» – именно для достижения такой стойкости на нефтеперерабатывающих заводах проводится ряд дополнительных процессов. в том числе увеличение октанового числа топлива. Из-за в значительной степени фиксированного соотношения смеси, с которой могут работать бензиновые двигатели, важную роль в них играет дроссельная заслонка, с помощью которой регулируется нагрузка двигателя путем регулирования количества свежего воздуха. Однако он, в свою очередь, становится источником значительных потерь в режиме частичной нагрузки, играя роль своеобразной «горловой пробки» двигателя.

Идея создателя дизельного двигателя Рудольфа Дизеля состоит в том, чтобы значительно повысить степень сжатия, а значит, и термодинамический КПД машины. Таким образом, площадь топливной камеры уменьшается, и энергия сгорания не рассеивается через стенки цилиндра и систему охлаждения, а «расходуется» между самими частицами, которые в этом случае находятся значительно ближе друг к другу. Если заранее приготовленная топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания этого типа двигателя, как в случае бензинового, то при достижении определенной критической температуры в процессе сжатия (в зависимости от степени сжатия и вида топлива) задолго до GMT будет инициирован процесс самовоспламенения. неуправляемое объемное горение. Именно по этой причине топливо в дизельный двигатель впрыскивается в последний момент, незадолго до GMT, под очень высоким давлением, что создает значительный дефицит времени для хорошего испарения, диффузии, смешивания, самовоспламенения и необходимость ограничения максимальной скорости, которая редко превышает предел. от 4500 об / мин Этот подход устанавливает соответствующие требования к качеству топлива, которое в данном случае является фракцией дизельного топлива – в основном это прямые дистилляты со значительно более низкой температурой самовоспламенения, поскольку более нестабильная структура и длинные молекулы являются предпосылкой для их более легкого разрыв и реакция с кислородом.

Особенностью процессов сгорания дизельного двигателя являются, с одной стороны, зоны с обогащенной смесью вокруг инжекционных отверстий, где топливо разлагается (трескается) от температуры без окисления, превращаясь в источник углеродных частиц (сажи), а с другой. в котором топливо полностью отсутствует и под действием высокой температуры азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие, образуя оксиды азота. Поэтому дизельные двигатели всегда настраиваются на работу со средне-бедными смесями (то есть с серьезным избытком воздуха), а нагрузка регулируется только дозированием количества впрыскиваемого топлива. Это позволяет избежать использования дроссельной заслонки, что является огромным преимуществом перед их бензиновыми аналогами. Чтобы компенсировать некоторые недостатки бензинового двигателя, конструкторы создали двигатели, в которых процесс смесеобразования представляет собой так называемое «расслоение заряда».

В режиме частичной нагрузки оптимальная стехиометрическая смесь создается только в зоне вокруг электродов свечей зажигания за счет специального впрыска впрыскиваемой топливной струи, направленного воздушного потока, специального профиля фронтов поршней и других подобных методов, обеспечивающих надежность зажигание. При этом смесь в большей части объема камеры остается бедной, и поскольку нагрузку в этом режиме можно регулировать только количеством подаваемого топлива, дроссельная заслонка может оставаться полностью открытой. Это, в свою очередь, приводит к одновременному снижению потерь и увеличению термодинамической эффективности двигателя. В теории все выглядит отлично, но пока успех этого типа двигателей производства Mitsubishi и VW нельзя назвать гламурным. В общем, пока никто не может похвастаться тем, что в полной мере воспользовался преимуществами этих технологических решений.

А если «волшебным» образом объединить достоинства двух типов двигателей? Каким будет идеальное сочетание высокой компрессии дизеля, однородного распределения смеси по всему объему камеры сгорания и равномерного самовоспламенения в том же объеме? Интенсивные лабораторные исследования экспериментальных агрегатов этого типа в последние годы показали значительное снижение вредных выбросов в выхлопных газах (например, количество оксидов азота снижено до 99%!) При увеличении КПД по сравнению с бензиновыми двигателями. Кажется, что будущее действительно принадлежит двигателям, которые автомобильные компании и независимые конструкторские компании недавно объединили под общим названием HCCI – «Двигатели с гомогенным зарядом и воспламенением от сжатия» или «двигатели с однородной смесью и самовоспламенением топлива».

Как и многие другие, казалось бы, «революционные» разработки, идея создания такой машины не нова, и пока попытки создать надежную серийную модель все еще безуспешны. В то же время растущие возможности электронного управления технологическим процессом и большая гибкость газораспределительных систем создают очень реалистичную и оптимистичную перспективу для нового типа двигателя.

По сути, в данном случае это некий гибрид принципов работы бензинового и дизельного двигателей. Хорошо гомогенизированная смесь, как и в бензиновых двигателях, поступает в камеры сгорания HCCI, но ее самовоспламенение происходит под действием тепла от сжатия. Новый тип двигателя также не требует дроссельной заслонки, так как он может работать на бедных смесях. Однако следует отметить, что в данном случае значение определения «бедная смесь» значительно отличается от определения дизельного топлива, поскольку HCCI не имеет полностью обедненных и высокообогащенных смесей, а представляет собой разновидность равномерно обедненной смеси. Принцип действия предполагает одновременное воспламенение смеси во всем объеме цилиндра без равномерно движущегося фронта пламени и при значительно более низкой температуре. Это автоматически приводит к значительному снижению количества оксидов азота и сажи в выхлопных газах, а, по данным ряда авторитетных источников, массовое внедрение значительно более эффективных HCCI в серийное автомобильное производство в 2010-2015 гг. Спасет человечеству около полумиллиона баррелей. масло ежедневно.

Однако, прежде чем достичь этого, исследователи и инженеры должны преодолеть самый большой камень преткновения на данный момент – отсутствие надежного способа управления процессами самовоспламенения с использованием содержащих фракций с различным химическим составом, свойствами и поведением современных видов топлива. Ряд вопросов вызывает сдерживание процессов при различных нагрузках, оборотах и ​​температурных режимах работы двигателя. По мнению некоторых экспертов, это можно сделать, возвращая точно отмеренное количество выхлопных газов обратно в цилиндр, предварительно нагревая смесь, или динамически изменяя степень сжатия, или напрямую изменяя степень сжатия (например, прототип SVC Saab) или изменением момента закрытия клапанов с помощью регулируемых систем газораспределения.

Пока не ясно, как будет устранена проблема шума и термодинамического воздействия на конструкцию двигателя за счет самовоспламенения большого количества свежей смеси в режиме полной нагрузки. Настоящая проблема – запустить двигатель при низкой температуре в цилиндрах, так как инициировать самовоспламенение в таких условиях довольно сложно. В настоящее время многие исследователи работают над устранением этих «узких мест», используя результаты наблюдений за прототипами с датчиками для непрерывного электронного контроля и анализа рабочих процессов в цилиндрах в реальном времени.

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.

Воспламенение смеси в двигателях HCCI может осуществляться в широком диапазоне соотношений между топливом, воздухом и выхлопными газами (достаточно достижения температуры самовоспламенения), а небольшая продолжительность сгорания приводит к значительному увеличению КПД двигателя. Некоторые проблемы агрегатов нового типа могут быть успешно решены в сочетании с гибридными системами, такими как Hybrid Synergy Drive от Toyota – в этом случае двигатель внутреннего сгорания может использоваться только в определенном, оптимальном с точки зрения скорости и нагрузки режиме. на работе, таким образом обходя режимы, в которых двигатель испытывает трудности или становится неэффективным.

Сгорание в двигателях HCCI, достигаемое за счет комплексного контроля температуры, давления, количественного и качественного состава смеси в положении, близком к GMT, действительно является большой проблемой на фоне гораздо более простого зажигания с помощью свечи зажигания. С другой стороны, HCCI не нужно создавать турбулентные процессы, которые важны для бензиновых и особенно дизельных двигателей, из-за одновременного объемного характера самовоспламенения. В то же время именно по этой причине даже небольшие отклонения температуры могут привести к значительным изменениям кинетических процессов.

На практике наиболее важным фактором для будущего этого типа двигателя является тип топлива, и правильное конструктивное решение можно найти только при детальном знании его поведения в камере сгорания. Поэтому многие автомобильные компании в настоящее время работают с нефтяными компаниями (такими как Toyota и ExxonMobil), и большинство экспериментов на этом этапе проводится со специально разработанным синтетическим топливом, состав и поведение которого рассчитаны заранее. Эффективность использования бензина и дизельного топлива в HCCI противоречит логике классических двигателей. Из-за высокой температуры самовоспламенения бензинов степень сжатия в них может варьироваться от 12: 1 до 21: 1, а в дизельном топливе, воспламеняющемся при более низких температурах, должна быть сравнительно небольшой – порядка всего 8: 1.

Текст: Георгий Колев

Фото: компания