Test drive diesel dan bensin: jenis
Uji jalan

Test drive diesel dan bensin: jenis

Test drive diesel dan bensin: jenis

Konfrontasi menegangkan antara mesin diesel dan bensin mencapai klimaksnya. Teknologi turbo terbaru, sistem injeksi langsung common-rail yang dikendalikan secara elektronik, rasio kompresi tinggi – persaingan mendekatkan kedua jenis mesin… Dan tiba-tiba, di tengah duel kuno, pemain baru tiba-tiba muncul di tempat kejadian. tempat di bawah matahari.

Setelah bertahun-tahun diabaikan, para perancang telah menemukan kembali potensi besar dari mesin diesel dan mempercepat perkembangannya melalui pengenalan intensif teknologi baru. Itu sampai pada titik bahwa kinerja dinamisnya mendekati karakteristik pesaing bensin dan memungkinkan penciptaan mobil yang sampai sekarang tidak terpikirkan seperti Volkswagen Race Touareg dan Audi R10 TDI dengan ambisi balap yang lebih serius. Kronologi peristiwa lima belas tahun terakhir sudah diketahui ... Mesin diesel 1936 pada dasarnya tidak berbeda dari nenek moyangnya, dibuat oleh Mercedes-Benz pada tahun 13. Sebuah proses evolusi lambat diikuti, yang dalam beberapa tahun terakhir telah berkembang menjadi ledakan teknologi yang kuat. Pada akhir 1-an, Mercedes menciptakan kembali turbodiesel mobil pertama, pada akhir XNUMX-an, injeksi langsung memulai debutnya di model Audi, kemudian mesin diesel menerima kepala empat katup, dan pada akhir XNUMX, sistem injeksi Common Rail yang dikontrol secara elektronik menjadi kenyataan. ... Sementara itu, injeksi bahan bakar langsung bertekanan tinggi telah diperkenalkan ke mesin bensin, di mana rasio kompresi saat ini mencapai XNUMX: XNUMX dalam beberapa kasus. Baru-baru ini, teknologi turbo juga mengalami kebangkitan, dengan nilai torsi mesin bensin mulai mendekati nilai torsi mesin diesel fleksibel yang terkenal secara signifikan. Namun, sejalan dengan modernisasi, kecenderungan tetap terhadap kenaikan serius dalam harga mesin bensin tetap ada ... Jadi, terlepas dari prasangka dan polarisasi pendapat yang jelas tentang mesin bensin dan diesel di berbagai belahan dunia, tidak satu pun dari kedua saingan memperoleh dominasi yang nyata.

Terlepas dari kebetulan kualitas kedua jenis unit tersebut, masih ada perbedaan besar dalam sifat, karakter, dan perilaku kedua mesin kalor.

Dalam kasus mesin bensin, campuran udara dan bahan bakar yang menguap terbentuk dalam jangka waktu yang lebih lama dan dimulai jauh sebelum dimulainya proses pembakaran. Baik menggunakan karburator atau sistem injeksi langsung elektronik modern, tujuan pencampuran adalah untuk menghasilkan campuran bahan bakar yang seragam dan homogen dengan rasio udara-bahan bakar yang ditentukan dengan baik. Nilai ini biasanya mendekati apa yang disebut "campuran stoikiometri", di mana terdapat cukup atom oksigen untuk dapat (secara teoritis) berikatan dalam struktur yang stabil dengan setiap atom hidrogen dan karbon dalam bahan bakar, hanya membentuk H20 dan CO2. Karena rasio kompresi cukup kecil untuk menghindari penyalaan otomatis dini yang tidak terkendali dari beberapa zat dalam bahan bakar karena suhu kompresi yang tinggi (fraksi bensin terdiri dari hidrokarbon dengan suhu penguapan yang jauh lebih rendah dan suhu pembakaran yang jauh lebih tinggi). penyalaan sendiri dari yang ada di fraksi diesel), penyalaan campuran diprakarsai oleh busi dan pembakaran terjadi dalam bentuk gerakan depan pada batas kecepatan tertentu. Sayangnya, zona dengan proses yang tidak lengkap terbentuk di ruang bakar, yang mengarah pada pembentukan karbon monoksida dan hidrokarbon yang stabil, dan ketika bagian depan api bergerak, tekanan dan suhu di pinggirannya meningkat, yang mengarah pada pembentukan oksida nitrogen yang berbahaya ( antara nitrogen dan oksigen dari udara), peroksida dan hidroperoksida (antara oksigen dan bahan bakar). Akumulasi yang terakhir ke nilai kritis menyebabkan pembakaran detonasi yang tidak terkendali, oleh karena itu, dalam bensin modern, fraksi molekul dengan "konstruksi" kimiawi yang relatif stabil dan sulit diledakkan digunakan - sejumlah proses tambahan dilakukan di kilang untuk mencapai stabilitas tersebut. termasuk peningkatan angka oktan bahan bakar. Karena rasio campuran yang sebagian besar tetap yang dapat dijalankan oleh mesin bensin, katup throttle memainkan peran penting di dalamnya, di mana beban mesin diatur dengan menyesuaikan jumlah udara segar. Namun, pada gilirannya, menjadi sumber kerugian yang signifikan dalam mode beban parsial, memainkan peran semacam "sumbat tenggorokan" mesin.

Gagasan pencipta mesin diesel, Rudolf Diesel, adalah untuk meningkatkan rasio kompresi secara signifikan, dan karenanya meningkatkan efisiensi termodinamika mesin tersebut. Dengan demikian, luas ruang bahan bakar berkurang, dan energi pembakaran tidak dihamburkan melalui dinding silinder dan sistem pendingin, tetapi "dihabiskan" di antara partikel-partikel itu sendiri, yang dalam hal ini lebih dekat satu sama lain. lainnya. Jika campuran udara-bahan bakar yang telah disiapkan sebelumnya memasuki ruang bakar mesin jenis ini, seperti dalam kasus mesin bensin, maka ketika suhu kritis tertentu tercapai selama proses kompresi (tergantung pada rasio kompresi dan jenis bahan bakar). ), proses penyalaan sendiri akan dimulai jauh sebelum GMT. pembakaran volumetrik yang tidak terkendali. Karena alasan inilah bahan bakar diesel disuntikkan pada saat terakhir, sesaat sebelum GMT, pada tekanan yang sangat tinggi, yang menyebabkan kurangnya waktu yang signifikan untuk penguapan, difusi, pencampuran, penyalaan sendiri yang baik, dan kebutuhan akan batas kecepatan tertinggi. yang jarang melebihi batas. dari 4500 rpm Pendekatan ini menetapkan persyaratan yang sesuai untuk kualitas bahan bakar, yang dalam hal ini adalah sebagian kecil dari bahan bakar diesel - terutama distilasi lurus dengan suhu penyalaan otomatis yang jauh lebih rendah, karena struktur yang lebih tidak stabil dan molekul yang panjang merupakan prasyarat agar lebih mudah pecah dan bereaksi dengan oksigen.

Ciri proses pembakaran mesin diesel, di satu sisi, zona dengan campuran yang diperkaya di sekitar lubang injeksi, di mana bahan bakar terurai (retak) dari suhu tanpa oksidasi, berubah menjadi sumber partikel karbon (jelaga), dan di sisi lain. di mana tidak ada bahan bakar sama sekali dan, di bawah pengaruh suhu tinggi, nitrogen dan oksigen di udara masuk ke dalam interaksi kimiawi, membentuk nitrogen oksida. Oleh karena itu, mesin diesel selalu disetel untuk beroperasi dengan campuran bersandar sedang (yaitu, dengan udara berlebih), dan beban hanya dikontrol oleh dosis jumlah bahan bakar yang diinjeksikan. Hal ini untuk menghindari penggunaan throttle, yang merupakan keuntungan besar dibandingkan bahan bakar bensin. Untuk mengkompensasi beberapa kekurangan mesin bensin, para perancang telah menciptakan mesin yang proses pembentukan campurannya disebut "stratifikasi muatan".

Dalam mode beban parsial, campuran stoikiometrik optimal dibuat hanya di area di sekitar elektroda busi karena injeksi khusus dari jet bahan bakar yang disuntikkan, aliran udara terarah, profil khusus bagian depan piston dan metode serupa lainnya yang memastikan pengapian keandalan. Pada saat yang sama, campuran di sebagian besar volume ruang tetap ramping, dan karena beban dalam mode ini hanya dapat dikontrol oleh jumlah bahan bakar yang dipasok, katup throttle dapat tetap terbuka penuh. Ini, pada gilirannya, mengarah pada penurunan simultan dalam kerugian dan peningkatan efisiensi termodinamika mesin. Secara teori semuanya tampak hebat, tapi sejauh ini keberhasilan mesin jenis ini yang diproduksi oleh Mitsubishi dan VW belum glamor. Secara umum, sejauh ini tidak ada yang bisa menyombongkan diri untuk memanfaatkan sepenuhnya solusi teknologi ini.

Dan jika Anda "secara ajaib" menggabungkan keunggulan kedua jenis mesin tersebut? Apa kombinasi ideal dari kompresi diesel tinggi, distribusi campuran yang homogen ke seluruh volume ruang bakar dan penyalaan sendiri yang seragam dalam volume yang sama? Studi laboratorium intensif unit eksperimental jenis ini dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan pengurangan yang signifikan dalam emisi berbahaya dalam gas buang (misalnya, jumlah nitrogen oksida berkurang hingga 99%!) Dengan peningkatan efisiensi dibandingkan dengan mesin bensin . Tampaknya masa depan memang milik mesin, yang baru-baru ini disatukan oleh perusahaan otomotif dan perusahaan desain independen di bawah payung nama HCCI - Mesin Pengapian Kompresi Muatan Homogen atau Mesin Pengapian Diri Muatan Homogen.

Seperti banyak perkembangan lain yang tampaknya "revolusioner", gagasan untuk menciptakan mesin semacam itu bukanlah hal baru, dan upaya untuk menciptakan model produksi yang andal masih belum berhasil. Pada saat yang sama, kemungkinan yang berkembang dari kontrol elektronik dari proses teknologi dan sistem distribusi gas yang sangat fleksibel menciptakan prospek yang sangat realistis dan optimis untuk jenis mesin baru.

Padahal, dalam hal ini adalah semacam hibrida dari prinsip pengoperasian mesin bensin dan diesel. Campuran yang dihomogenisasi dengan baik, seperti pada mesin bensin, memasuki ruang pembakaran HCCI, tetapi terbakar sendiri oleh panas dari kompresi. Jenis mesin baru ini juga tidak memerlukan katup throttle karena dapat bekerja pada campuran lean. Namun, perlu dicatat bahwa dalam hal ini arti dari definisi "lean" berbeda secara signifikan dari definisi diesel, karena HCCI tidak memiliki campuran yang benar-benar ramping dan sangat kaya, tetapi merupakan jenis campuran tanpa lemak yang seragam. Prinsip operasi melibatkan penyalaan campuran secara simultan di seluruh volume silinder tanpa bagian depan api yang bergerak seragam dan pada suhu yang jauh lebih rendah. Hal ini secara otomatis menyebabkan penurunan yang signifikan dalam jumlah nitrogen oksida dan jelaga dalam gas buang, dan, menurut sejumlah sumber otoritatif, pengenalan besar-besaran HCCI yang jauh lebih efisien ke dalam produksi otomotif serial pada tahun 2010-2015. Akan menyelamatkan umat manusia sekitar setengah juta barel. minyak setiap hari.

Namun, sebelum mencapai ini, peneliti dan insinyur harus mengatasi batu sandungan terbesar saat ini - kurangnya cara yang dapat diandalkan untuk mengontrol proses penyalaan otomatis menggunakan fraksi yang mengandung komposisi kimia, sifat, dan perilaku bahan bakar modern yang berbeda. Sejumlah pertanyaan disebabkan oleh penahanan proses pada berbagai beban, putaran, dan kondisi suhu mesin. Menurut beberapa ahli, hal ini dapat dilakukan dengan mengembalikan jumlah gas buang yang diukur dengan tepat kembali ke silinder, memanaskan campuran terlebih dahulu, atau mengubah rasio kompresi secara dinamis, atau langsung mengubah rasio kompresi (misalnya, prototipe Saab SVC) atau mengubah waktu penutupan katup menggunakan sistem distribusi gas variabel.

Belum jelas bagaimana masalah kebisingan dan efek termodinamika pada desain mesin karena penyalaan sendiri campuran segar dalam jumlah besar pada beban penuh akan dihilangkan. Masalah sebenarnya adalah menghidupkan mesin pada suhu rendah di dalam silinder, karena cukup sulit untuk memulai penyalaan sendiri dalam kondisi seperti itu. Saat ini, banyak peneliti sedang bekerja untuk menghilangkan hambatan tersebut dengan menggunakan hasil pengamatan prototipe dengan sensor untuk kontrol elektronik berkelanjutan dan analisis proses kerja dalam silinder secara real time.

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.

Pengapian campuran pada mesin HCCI dapat dilakukan dalam berbagai rasio antara bahan bakar, udara, dan gas buang (cukup untuk mencapai suhu penyalaan otomatis), dan waktu pembakaran yang singkat menyebabkan peningkatan efisiensi mesin yang signifikan. Beberapa masalah unit tipe baru dapat berhasil diselesaikan dalam kombinasi dengan sistem hybrid, seperti Toyota's Hybrid Synergy Drive - dalam hal ini, mesin pembakaran dalam hanya dapat digunakan dalam mode tertentu yang optimal dalam hal kecepatan dan beban. di tempat kerja, sehingga melewati mode di mana mesin berjuang atau menjadi tidak efisien.

Pembakaran pada mesin HCCI, yang dicapai melalui kontrol suhu, tekanan, kuantitas dan kualitas campuran yang terintegrasi dalam posisi mendekati GMT, memang merupakan masalah besar dengan latar belakang pengapian yang jauh lebih sederhana dengan busi. Di sisi lain, HCCI tidak perlu membuat proses turbulen, yang penting untuk mesin bensin dan terutama diesel, karena sifat penyalaan sendiri yang volumetrik secara simultan. Pada saat yang sama, karena alasan inilah bahkan penyimpangan suhu yang kecil dapat menyebabkan perubahan signifikan dalam proses kinetik.

Dalam praktiknya, faktor terpenting untuk masa depan mesin jenis ini adalah jenis bahan bakarnya, dan solusi desain yang tepat hanya dapat ditemukan dengan pengetahuan mendetail tentang perilakunya di ruang bakar. Oleh karena itu, banyak perusahaan otomotif yang saat ini bekerja sama dengan perusahaan oli (seperti Toyota dan ExxonMobil), dan sebagian besar percobaan pada tahap ini dilakukan dengan bahan bakar sintetik yang dirancang khusus, yang komposisi dan perilakunya telah dihitung sebelumnya. Efisiensi penggunaan bensin dan solar di HCCI bertentangan dengan logika mesin klasik. Karena suhu penyalaan otomatis bensin yang tinggi, rasio kompresi di dalamnya dapat bervariasi dari 12:1 hingga 21:1, dan dalam bahan bakar diesel, yang menyala pada suhu yang lebih rendah, seharusnya relatif kecil - hanya sekitar 8 :1.

Teks: Georgy Kolev

Foto: perusahaan

Tambah komentar