Proovisõit diisel ja bensiin: tüübid
Diisel- ja bensiinimootorite pingeline vastasseis jõuab haripunkti. Uusim turbotehnoloogia, elektrooniliselt juhitavad ühisanuma otsesissepritsesüsteemid, kõrged surveastmed – rivaalitsemine lähendab kahte tüüpi mootoreid... Ja äkitselt, keset iidset duelli, ilmus ootamatult lavale uus mängija. koht päikese all.
Pärast paljude aastate hooletussejätmist on disainerid taasavastanud diiselmootori tohutu potentsiaali ja kiirendanud selle arengut uute tehnoloogiate intensiivse kasutuselevõtu kaudu. See jõudis selleni, et selle dünaamiline jõudlus lähenes bensiinikonkurendi omadustele ja võimaldas luua seni mõeldamatuid autosid, nagu Volkswagen Race Touareg ja Audi R10 TDI, millel on rohkem kui tõsiseid võidusõidu ambitsioone. Viimase viieteistkümne aasta sündmuste kronoloogia on hästi teada ... 1936ide diiselmootorid ei erinenud põhimõtteliselt nende esivanematest, mille Mercedes-Benz lõi juba 13. aastal. Järgnes aeglase evolutsiooni protsess, mis viimastel aastatel on kasvanud võimsaks tehnoloogiliseks plahvatuseks. 1-ndate lõpus lõi Mercedes esimese autoturbodieseli, XNUMX-ndate lõpus debüteeris Audi mudelis otsepritse, hiljem said diiselmootorid nelja ventiiliga pead ja XNUMX-ide lõpus said reaalsuseks elektrooniliselt juhitavad Common Rail sissepritsesüsteemid. ... Vahepeal on bensiinimootorites kasutusele võetud kõrgsurve otsene kütuse sissepritse, kus täna jõuab tihendussuhe mõnel juhul XNUMX: XNUMX. Viimasel ajal on renessanssi kogenud ka turbotehnoloogia, kus bensiinimootorite pöördemomendi väärtused hakkavad oluliselt lähenema kuulsa paindliku turbodiisli pöördemomendi väärtustele. Paralleelselt moderniseerimisega püsib aga pidev tendents bensiinimootori hinna tõsiseks tõusuks ... Niisiis, vaatamata bensiini- ja diiselmootorite väljendatud eelarvamustele ja arvamuste polariseerumisele erinevates maailma paikades, ei ole kumbki kaks rivaali saavad käegakatsutava ülekaalu.
Vaatamata kahte tüüpi agregaatide omaduste kokkulangevusele on nende kahe soojusmootori olemuses, iseloomus ja käitumises endiselt tohutuid erinevusi.
Bensiinimootori puhul tekib õhu ja aurustunud kütuse segu palju pikema aja jooksul ning see algab ammu enne põlemisprotsessi algust. Olenemata sellest, kas kasutatakse karburaatorit või kaasaegseid elektroonilisi otsesissepritsesüsteeme, on segamise eesmärk saada ühtlane homogeenne kütusesegu täpselt määratletud õhu-kütuse suhtega. See väärtus on tavaliselt lähedane nn stöhhiomeetrilisele segule, milles on piisavalt hapnikuaatomeid, et (teoreetiliselt) oleks võimalik siduda stabiilses struktuuris iga kütuses oleva vesiniku- ja süsinikuaatomiga, moodustades ainult H20 ja CO2. Kuna surveaste on piisavalt väike, et vältida mõne kütuses sisalduva ainete enneaegset kontrollimatut isesüttimist kõrge survetemperatuuri tõttu (bensiini fraktsioon koosneb palju madalama aurustumistemperatuuriga ja palju kõrgema põlemistemperatuuriga süsivesinikest). isesüttimine diislifraktsiooni omadest), segu süttimise algatab süüteküünla ja põlemine toimub teatud kiiruspiiranguga liikuva frondi kujul. Kahjuks tekivad põlemiskambris mittetäielike protsessidega tsoonid, mis põhjustavad süsinikmonooksiidi ja stabiilsete süsivesinike moodustumist ning leegifrondi liikumisel tõuseb selle perifeeria rõhk ja temperatuur, mis põhjustab kahjulike lämmastikoksiidide moodustumist ( lämmastiku ja õhu hapniku vahel), peroksiidid ja hüdroperoksiidid (hapniku ja kütuse vahel). Viimaste akumuleerumine kriitiliste väärtusteni põhjustab kontrollimatut detonatsioonipõlemist, seetõttu kasutatakse tänapäevastes bensiinides suhteliselt stabiilse, raskesti detoneeritava keemilise "konstruktsiooniga" molekulide fraktsioone - viiakse läbi mitmeid täiendavaid protsesse. rafineerimistehastes sellise stabiilsuse saavutamiseks. sealhulgas kütuse oktaanarvu suurenemine. Bensiinimootorite suures osas fikseeritud segusuhte tõttu on neis oluline roll drosselklapil, mille abil reguleeritakse värske õhu hulka reguleerides mootori koormust. Kuid see omakorda muutub osalise koormuse režiimis oluliste kadude allikaks, mängides mootori omamoodi "kõrikorgi" rolli.
Diiselmootori looja Rudolf Dieseli idee on oluliselt suurendada surveastet ja seega ka masina termodünaamilist efektiivsust. Seega kütusekambri pindala väheneb ja põlemisenergia ei haju läbi silindri seinte ja jahutussüsteemi, vaid "kulutatakse" osakeste endi vahel, mis on sel juhul palju lähemal. muud. Kui seda tüüpi mootorite põlemiskambrisse siseneb eelnevalt ettevalmistatud õhu-kütuse segu, nagu bensiinimootori puhul, siis teatud kriitilise temperatuuri saavutamisel kompressiooniprotsessi käigus (olenevalt surveastmest ja kütuse tüübist ), käivitatakse isesüttimisprotsess ammu enne GMT-d. kontrollimatu mahuline põlemine. Just sel põhjusel süstitakse diislikütust viimasel hetkel, veidi enne GMT-d, väga kõrgel rõhul, mis tekitab olulise ajapuuduse heaks aurustumiseks, difusiooniks, segunemiseks, isesüttimiseks ja vajadus maksimaalse kiirusepiirangu järele. mis harva ületab piiri. alates 4500 p/min See lähenemine seab vastavad nõuded kütuse kvaliteedile, milleks on antud juhul diislikütuse osa – peamiselt sirgdestillaadid, mille isesüttimistemperatuur on oluliselt madalam, kuna nende kergemaks muutmise eelduseks on ebastabiilsem struktuur ja pikad molekulid. purunemine ja reaktsioon hapnikuga.
Diiselmootori põlemisprotsesside eripära on ühelt poolt rikkaliku seguga tsoonid sissepritseavade ümber, kus kütus laguneb (praguneb) temperatuuril oksüdeerumata, muutudes süsinikuosakeste (tahma) allikaks, ja teiselt poolt. milles kütus puudub üldse ja kõrge temperatuuri mõjul tekivad õhu lämmastik ja hapnik keemilises koostoimes, moodustades lämmastikoksiidid. Seetõttu on diiselmootorid alati häälestatud töötama keskmise lahja seguga (see tähendab tõsise õhu ülejäägiga) ning koormust kontrollitakse ainult sissepritsitava kütuse koguse doseerimisega. See väldib gaasi kasutamist, mis on tohutu eelis nende bensiini kolleegide ees. Bensiinimootori mõningate puuduste kompenseerimiseks on disainerid loonud mootorid, milles segu moodustamise protsess on nn "laengu kihistumine".
Osalise koormuse režiimis luuakse optimaalne stöhhiomeetriline segu ainult süüteküünla elektroodide ümbruses tänu sissepritseva kütusejoa spetsiaalsele sissepritsimisele, suunatud õhuvoolule, kolvipindade eriprofiilile ja muudele sarnastele süütamist tagavatele meetoditele usaldusväärsus. Samal ajal jääb segu enamikus kambri mahust lahjaks ja kuna selles režiimis saab koormust juhtida ainult tarnitud kütuse kogusega, võib drosselklapp jääda täielikult avatuks. See omakorda toob kaasa samaaegse kadude vähenemise ja mootori termodünaamilise efektiivsuse suurenemise. Teoreetiliselt tundub kõik suurepärane, kuid seni pole seda tüüpi Mitsubishi ja VW toodetud mootorite edu olnud glamuurne. Üldiselt ei saa siiani keegi kiidelda, et on täielikult kasutanud nende tehnoloogiliste lahenduste eeliseid.
Ja kui ühendate "maagiliselt" kahte tüüpi mootorite eelised? Milline oleks ideaalne kombinatsioon diisli kõrgest kompressioonist, segu homogeensest jaotumisest kogu põlemiskambri mahus ja ühtlasest isesüttimisest samas mahus? Seda tüüpi katseüksuste viimaste aastate intensiivsed laboratoorsed uuringud on näidanud kahjulike emissioonide olulist vähenemist heitgaasides (näiteks lämmastikoksiidide kogus väheneb kuni 99%!) Koos efektiivsuse suurenemisega võrreldes bensiinimootoritega . Tundub, et tulevik kuulub tõepoolest mootoritele, mille autotööstuse ettevõtted ja sõltumatud disainifirmad on viimasel ajal koondanud katusnimetuse HCCI – homogeense laenguga survesüütemootorid või homogeensed laengu isesüttimismootorid – alla.
Nagu paljud teised pealtnäha “revolutsioonilised” arengud, pole ka sellise masina loomise idee uus ja kuigi katsed usaldusväärse tootmismudeli loomiseks on endiselt ebaõnnestunud. Samal ajal loovad tehnoloogilise protsessi elektroonilise juhtimise kasvavad võimalused ja gaasijaotussüsteemide suur paindlikkus uut tüüpi mootoritele väga realistliku ja optimistliku väljavaate.
Tegelikult on antud juhul tegemist bensiini- ja diiselmootorite tööpõhimõtete omamoodi hübriidiga. Hästi homogeenitud segu, nagu ka bensiinimootorites, siseneb HCCI põlemiskambrisse, kuid see süttib kokkusurumisel tekkiva kuumuse mõjul. Uut tüüpi mootor ei vaja ka drosselklappi, kuna see võib töötada lahja seguga. Siiski tuleb märkida, et sel juhul erineb "lahja" määratluse tähendus oluliselt diislikütuse määratlusest, kuna HCCI-l ei ole täiesti lahja ja väga rikastatud segu, vaid see on omamoodi ühtlaselt lahja segu. Tööpõhimõte hõlmab segu samaaegset süttimist kogu silindri mahus ilma ühtlaselt liikuva leegi esiosa ja palju madalamal temperatuuril. See viib automaatselt lämmastikoksiidide ja tahma hulga märkimisväärse vähenemiseni heitgaasides ning mitmete autoriteetsete allikate andmetel massiivse palju tõhusamate HCCI-de kasutuselevõtmise autotootmises aastatel 2010–2015. Päästab inimkonda umbes pool miljonit tünni. õli päevas.
Enne selle saavutamist tuleb aga teadlastel ja inseneridel ületada hetkel suurim komistuskivi – usaldusväärse viisi puudumine isesüttimisprotsesside juhtimiseks, kasutades tänapäevaste kütuste erineva keemilise koostise, omaduste ja käitumisega sisaldavaid fraktsioone. Protsesside piiramine mootori erinevatel koormustel, pööretel ja temperatuuritingimustel tekitab mitmeid küsimusi. Mõnede ekspertide arvates saab seda teha täpselt mõõdetud heitgaaside koguse tagasi silindrisse tagasi viimisega, segu eelsoojendamisega või surveastme dünaamilise muutmisega või otse surveastme muutmisega (näiteks SVC Saabi prototüüp) või klapi sulgemise aja muutmine muutuva gaasijaotussüsteemi abil.
Praegu pole veel selge, kuidas kõrvaldatakse täiskoormusel suure koguse värske segu isesüttimisest tingitud müra ja termodünaamiliste mõjude probleem mootori konstruktsioonile. Tõeline probleem on mootori käivitamine silindrites madalal temperatuuril, kuna sellistes tingimustes on isesüttimist üsna raske käivitada. Praegu tegelevad paljud teadlased nende kitsaskohtade kõrvaldamisega, kasutades anduritega prototüüpide vaatlustulemusi pidevaks elektrooniliseks juhtimiseks ja balloonide tööprotsesside analüüsiks reaalajas.
Sellel suunal tegutsevate autofirmade ekspertide, sealhulgas Honda, Nissani, Toyota ja GM, sõnul luuakse esmalt tõenäoliselt kombineeritud autod, mis suudavad töörežiime vahetada ning süüteküünalt kasutatakse teatud juhtudel abistajana. kus HCCI-l on raskusi. Volkswagen rakendab sarnast skeemi juba oma CCS (Combined Combustion System) mootoris, mis praegu töötab ainult spetsiaalselt tema jaoks välja töötatud sünteetilisel kütusel.
Segu süütamist HCCI mootorites saab läbi viia mitmesugustes kütuse, õhu ja heitgaaside vahekordades (piisab isesüttimistemperatuuri saavutamisest) ning lühike põlemisaeg suurendab oluliselt mootori efektiivsust. Mõningaid uut tüüpi agregaatide probleeme saab edukalt lahendada kombineerides hübriidsüsteemidega, näiteks Toyota Hybrid Synergy Drive’iga – sel juhul saab sisepõlemismootorit kasutada vaid kindlal kiiruse ja koormuse poolest optimaalsel režiimil. tööl, vältides seega režiime, milles mootor vaevleb või muutub ebaefektiivseks.
HCCI mootorite põlemine, mis saavutatakse segu temperatuuri, rõhu, koguse ja kvaliteedi integreeritud reguleerimisega GMT lähedases asendis, on süüteküünlaga palju lihtsama süüte taustal tõepoolest suur probleem. Teisest küljest ei pea HCCI isesüttimise samaaegse mahulise olemuse tõttu looma turbulentseid protsesse, mis on bensiini- ja eriti diiselmootorite jaoks olulised. Samal ajal võivad isegi väikesed temperatuuri kõrvalekalded põhjustada kineetiliste protsesside olulisi muutusi.
Praktikas on seda tüüpi mootorite tuleviku jaoks olulisim tegur kütuse tüüp ja õige konstruktsioonilahenduse saab leida ainult selle käitumise põhjaliku tundmisega põlemiskambris. Seetõttu teevad paljud autofirmad praegu koostööd naftafirmadega (näiteks Toyota ja ExxonMobil) ning enamus katseid selles etapis tehakse spetsiaalselt selleks ette nähtud sünteetiliste kütustega, mille koostis ja käitumine on eelnevalt välja arvutatud. Bensiini ja diislikütuse kasutamise efektiivsus HCCI-s on vastuolus klassikaliste mootorite loogikaga. Bensiinide kõrge isesüttimistemperatuuri tõttu võib surveaste nendes varieeruda vahemikus 12:1 kuni 21:1 ning madalamatel temperatuuridel süttivas diislikütuses peaks see olema suhteliselt väike - suurusjärgus vaid 8 :1.
Tekst: Georgy Kolev
Foto: ettevõte
