Diesel y gasolina: tipos

Diesel y gasolina: tipos

El tenso enfrentamiento entre motores diésel y gasolina llega a su punto culminante. Las últimas tecnologías turbo, sistemas de inyección directa common-rail controlados electrónicamente, alta relación de compresión: la rivalidad acerca los dos tipos de motores ... Y de repente, en medio de un duelo antiguo, un nuevo jugador apareció de repente en escena. un lugar bajo el sol.

Después de muchos años de negligencia, los diseñadores han redescubierto el enorme potencial del motor diesel y han acelerado su desarrollo mediante la introducción intensiva de nuevas tecnologías. Llegó al punto que sus características dinámicas se acercaron a las características de un competidor de gasolina y permitieron la creación de autos hasta ahora impensables como el Volkswagen Race Touareg y Audi Un R10 TDI con ambiciones de carreras más que serias. La cronología de los eventos de los últimos quince años es bien conocida ... Los motores diésel de los XNUMX-s no se diferenciaron fundamentalmente de sus antepasados, crearon Mercedes-Se dobla en 1936. Siguió un proceso de evolución lenta, que en los últimos años se convirtió en una poderosa explosión tecnológica. A finales de la década de 13, Mercedes recreó el primer turbodiésel de automóvil, a finales de la década de 1, la inyección directa hizo su debut en el modelo Audi, los motores diesel posteriores obtuvieron cabezas de cuatro válvulas y, a finales de la década de los XNUMX, los sistemas de inyección Common Rail controlados electrónicamente se hicieron realidad. . Mientras tanto, se ha introducido la inyección directa de combustible a alta presión en los motores de gasolina, donde la relación de compresión hoy alcanza XNUMX: XNUMX en algunos casos. Recientemente, la tecnología turbo también ha experimentado un renacimiento, con los valores de par de los motores de gasolina comenzando a acercarse significativamente a los valores de par del famoso turbo diesel flexible. Sin embargo, paralelamente a la modernización, se mantiene una tendencia constante hacia una fuerte subida del precio del motor de gasolina ... Así, a pesar de los pronunciados prejuicios y la polarización de opiniones sobre los motores de gasolina y diésel en diferentes partes del mundo, ninguno de los dos rivales está ganando un dominio tangible.

A pesar de la coincidencia de las cualidades de los dos tipos de unidades, todavía existen grandes diferencias en la naturaleza, el carácter y el comportamiento de los dos motores térmicos.

En el caso de una unidad de gasolina, se forma una mezcla de aire y combustible evaporado durante un período de tiempo mucho más largo y comienza mucho antes de que comience el proceso de combustión. Ya sea que se utilice un carburador o sistemas de inyección directa electrónicos modernos, el objetivo de la mezcla es obtener una mezcla de combustible uniforme y homogénea con una relación aire-combustible bien definida. Este valor suele estar cerca de la llamada "mezcla estequiométrica", en la que hay suficientes átomos de oxígeno para poder (teóricamente) unirse en una estructura estable con cada átomo de hidrógeno y carbono en el combustible, formando solo H20 y CO2. Dado que la relación de compresión es lo suficientemente pequeña como para evitar la autoignición incontrolada prematura de ciertas sustancias en el combustible debido a la alta temperatura de compresión (la fracción de gasolina se compone de hidrocarburos con una temperatura de evaporación significativamente más baja y una temperatura de combustión significativamente más alta). autoencendido de los de la fracción diesel), el encendido de la mezcla es iniciado por la bujía y la combustión ocurre como un frente que se mueve a un cierto límite de velocidad. Desafortunadamente, en la cámara de combustión se forman zonas con procesos incompletos que conducen a la formación de monóxido de carbono e hidrocarburos estables y, a medida que se mueve el frente de la llama, la presión y la temperatura en su periferia aumentan, lo que conduce a la formación de óxidos de nitrógeno nocivos (entre el nitrógeno y el oxígeno del aire). peróxidos e hidroperóxidos (entre oxígeno y combustible). La acumulación de estos últimos a valores críticos conduce a una combustión de detonación incontrolada, por lo tanto, las gasolinas modernas utilizan fracciones de moléculas con una "estructura" química relativamente estable que es difícil de detonar; se llevan a cabo varios procesos adicionales en las refinerías de petróleo para lograr esta resistencia. incluido un aumento en el índice de octano del combustible. Debido a la relación de mezcla en gran parte fija que pueden operar los motores de gasolina, la válvula de mariposa juega un papel importante en ellos, que regula la carga del motor al regular la cantidad de aire fresco. Sin embargo, a su vez, se convierte en una fuente de pérdidas importantes en el modo de carga parcial, actuando como una especie de "tapón de garganta" del motor.

La idea del creador del motor diésel, Rudolf Diesel, es aumentar significativamente la relación de compresión y, por tanto, la eficiencia termodinámica de la máquina. Así, el área de la cámara de combustible disminuye y la energía de combustión no se disipa a través de las paredes del cilindro y el sistema de enfriamiento, sino que se "gasta" entre las propias partículas, que en este caso están mucho más próximas entre sí. Si una mezcla aire-combustible previamente preparada ingresa a la cámara de combustión de este tipo de motor, como en el caso de un motor de gasolina, entonces cuando se alcanza una cierta temperatura crítica durante el proceso de compresión (dependiendo de la relación de compresión y el tipo de combustible), el proceso de autoignición se iniciará mucho antes de GMT. combustión volumétrica incontrolada. Es por ello que el combustible se inyecta en un motor diesel en el último momento, poco antes de la GMT, a muy alta presión, lo que genera una escasez significativa de tiempo para una buena evaporación, difusión, mezcla, autoencendido y la necesidad de limitar la velocidad máxima, que rara vez supera el límite. desde 4500 rpm Este enfoque establece los requisitos correspondientes para la calidad del combustible, que en este caso es una fracción del combustible diesel, principalmente destilados directos con una temperatura de autoignición significativamente menor, ya que una estructura más inestable y moléculas largas son un requisito previo para su fácil ruptura y reacción con oxígeno.

Una característica de los procesos de combustión de un motor diésel son, por un lado, las zonas con rica mezcla alrededor de los orificios de inyección, donde el combustible se descompone (agrieta) por la temperatura sin oxidación, convirtiéndose en una fuente de partículas de carbono (hollín), y por otro. en el que no hay combustible y, bajo la influencia de altas temperaturas, el nitrógeno y el oxígeno del aire entran en interacción química, formando óxidos de nitrógeno. Por lo tanto, los motores diésel siempre están ajustados para operar con mezclas de poca grasa (es decir, con un exceso de aire importante), y la carga se controla solo dosificando la cantidad de combustible inyectado. Esto evita el uso del acelerador, que es una gran ventaja sobre sus homólogos de gasolina. Para compensar algunas de las deficiencias del motor de gasolina, los diseñadores han creado motores en los que el proceso de formación de la mezcla es la denominada "estratificación de carga".

En el modo de carga parcial, la mezcla estequiométrica óptima se crea solo en el área alrededor de los electrodos de la bujía debido a una inyección especial de un chorro de combustible inyectado, un flujo de aire dirigido, un perfil especial de los frentes del pistón y otros métodos similares que garantizan la confiabilidad del encendido. Al mismo tiempo, la mezcla en la mayor parte del volumen de la cámara permanece pobre y, dado que la carga en este modo solo puede regularse por la cantidad de combustible suministrado, la válvula de mariposa puede permanecer completamente abierta. Esto, a su vez, conduce a una disminución simultánea de las pérdidas y un aumento de la eficiencia termodinámica del motor. En teoría todo pinta muy bien, pero hasta ahora el éxito de este tipo de motor de producción Mitsubishi y VW no es glamoroso. En general, hasta ahora nadie puede presumir de haber aprovechado al máximo estas soluciones tecnológicas.

¿Y si las ventajas de dos tipos de motores se combinan de forma "mágica"? ¿Cuál sería la combinación ideal de alta compresión de un motor diesel, distribución uniforme de la mezcla en todo el volumen de la cámara de combustión y autoignición uniforme en el mismo volumen? Los intensivos estudios de laboratorio de unidades experimentales de este tipo en los últimos años han demostrado una reducción significativa de las emisiones nocivas en los gases de escape (¡por ejemplo, la cantidad de óxidos de nitrógeno se reduce al 99%!) Con un aumento de la eficiencia en comparación con los motores de gasolina. Parece que el futuro pertenece realmente a los motores que las compañías automotrices y las compañías de ingeniería independientes fusionaron recientemente bajo el nombre general de HCCI: motores de encendido por compresión de carga homogénea o motores de encendido espontáneo homogéneo.

Como muchos otros desarrollos aparentemente "revolucionarios", la idea de crear una máquina de este tipo no es nueva y, hasta ahora, los intentos de crear un modelo de producción confiable aún no han tenido éxito. Al mismo tiempo, las crecientes capacidades del control electrónico de procesos y la gran flexibilidad de los sistemas de distribución de gas crean una perspectiva muy realista y optimista para un nuevo tipo de motor.

De hecho, en este caso se trata de una especie de híbrido de los principios de funcionamiento de los motores de gasolina y diésel. Una mezcla bien homogeneizada, como en los motores de gasolina, ingresa a las cámaras de combustión del HCCI, pero se autoinflama bajo la influencia del calor de la compresión. El nuevo tipo de motor tampoco requiere una válvula de mariposa, ya que puede funcionar con mezclas pobres. Sin embargo, cabe señalar que en este caso el significado de la definición de "pobre" es significativamente diferente de la definición de diesel, ya que el HCCI no tiene una mezcla completamente pobre y altamente enriquecida, sino que es una especie de mezcla uniformemente pobre. El principio de funcionamiento implica el encendido simultáneo de la mezcla en todo el volumen del cilindro sin un frente de llama en movimiento uniforme y a una temperatura mucho más baja. Esto conduce automáticamente a una reducción significativa en la cantidad de óxidos de nitrógeno y hollín en los gases de escape y, según varias fuentes autorizadas, a la introducción masiva de HCCI mucho más eficientes en la producción automotriz en serie en 2010-2015. Ahorrará a la humanidad alrededor de medio millón de barriles. Aceite diario.

Sin embargo, antes de lograr esto, los investigadores e ingenieros deben superar el mayor obstáculo hasta ahora: la falta de una forma confiable de controlar los procesos de autoignición utilizando fracciones de contención con diferente composición química, propiedades y comportamiento de los combustibles modernos. Una serie de preguntas se deben a la contención de procesos a diversas cargas, velocidades y modos de temperatura de funcionamiento del motor. Según algunos expertos, esto se puede hacer devolviendo una cantidad de gases de escape medida con precisión al cilindro, precalentando la mezcla o cambiando dinámicamente la relación de compresión, o cambiando directamente la relación de compresión (por ejemplo, el prototipo SVC Saab) o cambiando el momento de cierre de la válvula utilizando sistemas de sincronización variable de válvulas.

Todavía no está claro cómo se eliminará el problema del ruido y los efectos termodinámicos en el diseño del motor debido al encendido espontáneo de una gran cantidad de mezcla fresca a plena carga. El verdadero problema es arrancar el motor a bajas temperaturas de los cilindros, ya que es bastante difícil iniciar el autoencendido en tales condiciones. Muchos investigadores están trabajando actualmente para eliminar estos cuellos de botella mediante el uso de observaciones de prototipos de sensores para el monitoreo electrónico continuo y el análisis en tiempo real de los flujos de trabajo de los cilindros.

Según expertos de empresas de automoción que trabajan en este ámbito, entre ellas Honda, Nissan, Toyota y es probable que GM cree primero autos combinados que puedan cambiar de modo de operación, y la bujía se utilizará como una especie de ayuda cuando HCCI esté teniendo problemas. Volkswagen ya está implementando un esquema similar en su motor CCS (Combined Combustion System), que actualmente solo funciona con combustibles sintéticos especialmente desarrollados para él.

El encendido de la mezcla en los motores HCCI se puede realizar en una amplia gama de relaciones entre combustible, aire y gases de escape (es suficiente para alcanzar la temperatura de autoignición), y una duración corta de la combustión conduce a un aumento significativo en la eficiencia del motor. Algunos de los problemas del nuevo tipo de unidades se pueden solucionar con éxito en combinación con sistemas híbridos, como el Hybrid Synergy Drive de Toyota, en cuyo caso el motor de combustión solo se puede utilizar en un modo determinado, óptimo en cuanto a velocidad y carga. en el trabajo, evitando así los modos en los que el motor experimenta dificultades o se vuelve ineficaz.

La combustión en los motores HCCI, lograda mediante el control integrado de temperatura, presión, cantidad y calidad de la mezcla en una posición cercana a GMT, es de hecho un gran problema en el contexto de un encendido mucho más fácil con una bujía. Por otro lado, el HCCI no necesita crear procesos turbulentos, que son importantes para los motores de gasolina y especialmente diesel, debido a la naturaleza volumétrica simultánea de la autoignición. Al mismo tiempo, es por esta razón que incluso pequeñas desviaciones de temperatura pueden conducir a cambios significativos en los procesos cinéticos.

En la práctica, el factor más importante para el futuro de este tipo de motores es el tipo de combustible, y la solución de diseño correcta solo se puede encontrar con un conocimiento detallado de su comportamiento en la cámara de combustión. Por lo tanto, muchas compañías automotrices están trabajando actualmente con compañías petroleras (como Toyota y ExxonMobil), y la mayoría de los experimentos en esta etapa se llevan a cabo con combustibles sintéticos especialmente diseñados, cuya composición y comportamiento se calculan de antemano. La eficiencia de la gasolina y el diesel en HCCI va en contra de la lógica de los motores clásicos. Debido a la alta temperatura de autoignición de las gasolinas, la relación de compresión en ellas puede variar de 12: 1 a 21: 1, y en el combustible diesel, que se enciende a temperaturas más bajas, debe ser relativamente pequeña, aproximadamente solo 8: 1.

Texto: Georgy Kolev

Foto: empresa

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