Reynsluakstur dísel og bensín: tegundir
Spennulegur árekstur dísil- og bensínvéla nær hámarki. Nýjasta túrbótæknin, rafeindastýrð common-rail bein innspýtingskerfi, há þjöppunarhlutföll – samkeppnin færir tvær gerðir véla nær... Og skyndilega, í miðju fornu einvígi, birtist skyndilega nýr leikmaður á vettvangi. stað undir sólinni.
Eftir margra ára vanrækslu hafa hönnuðirnir enduruppgötvað gífurlega möguleika dísilvélarinnar og flýtt fyrir þróun hennar með mikilli innleiðingu nýrrar tækni. Það komst að því að kraftmikill árangur þess nálgaðist eiginleika bensínkeppnisaðila og gerði kleift að búa til hingað til óhugsandi bíla eins og Volkswagen Race Touareg og Audi R10 TDI með meira en alvarlegum kappakstursmeti. Tímaröð atburða síðustu fimmtán ára er vel þekkt ... Dísilvélar 1936 voru ekki í grundvallaratriðum frábrugðnar forfeðrum sínum, sem Mercedes-Benz bjó til árið 13. Hægur þróunarferli fylgdi í kjölfarið sem hefur á síðustu árum vaxið í öfluga tæknisprengingu. Seint á 1. áratugnum endurskapaði Mercedes fyrsta túrbódísilinn í bílnum, seint á XNUMX. áratugnum, bein innspýting hófst í Audi gerðinni, síðar fékk díselbifreiðar fjögurra ventla höfuð og seint XNUMX varð rafstýrt Common Rail innspýtingarkerfi að veruleika. ... Á sama tíma hefur hár þrýstingur bein eldsneytis innspýting verið kynnt í bensínvélum, þar sem þjöppunarhlutfallið í dag nær XNUMX: XNUMX í sumum tilfellum. Nýlega er túrbó tækni einnig að upplifa endurreisn, togi gildi bensínvéla farin að nálgast verulega toggildi hins fræga sveigjanlega túrbódísil. Hins vegar, samhliða nútímavæðingunni, er stöðug tilhneiging til alvarlegrar hækkunar á verði bensínvélarinnar ... Svo, þrátt fyrir áberandi fordóma og skautun skoðana varðandi bensín- og dísilvélar í mismunandi heimshlutum, hvorki keppinautarnir tveir öðlast áþreifanlega yfirburði.
Þrátt fyrir tilviljun í eiginleikum tveggja gerða eininganna er enn mikill munur á eðli, eðli og hegðun hitavélarinnar tveggja.
Þegar um bensínvél er að ræða myndast blanda lofts og uppgufaðs eldsneytis á mun lengri tíma og hefst löngu áður en brennsluferlið hefst. Hvort sem notaður er karburator eða nútíma rafræn bein innspýtingskerfi er markmiðið með blönduninni að framleiða einsleita, einsleita eldsneytisblöndu með vel skilgreindu loft-eldsneytishlutfalli. Þetta gildi er venjulega nálægt svokallaðri „stoichiometric blöndu“, þar sem nóg er af súrefnisatómum til að geta (fræðilega séð) tengst í stöðugri uppbyggingu við hvert vetnis- og kolefnisatóm í eldsneytinu og mynda aðeins H20 og CO2. Vegna þess að þjöppunarhlutfallið er nógu lítið til að forðast ótímabæra stjórnlausa sjálfkveikju sumra efna í eldsneytinu vegna hás þjöppunarhita (bensínhluti samanstendur af kolvetni með mun lægra uppgufunarhitastig og miklu hærra brennsluhitastig). sjálfkveikju frá þeim sem eru í dísilhlutanum), kviknar í blöndunni með kerti og bruni á sér stað í formi framhliðar sem hreyfist á ákveðnum hraðamörkum. Því miður myndast svæði með ófullnægjandi ferli í brennsluhólfinu, sem leiðir til myndunar kolmónoxíðs og stöðugra kolvetna, og þegar logaframhliðin hreyfist eykst þrýstingur og hitastig á jaðri þess, sem leiðir til myndunar skaðlegra köfnunarefnisoxíða ( milli köfnunarefnis og súrefnis úr lofti), peroxíða og vetnisperoxíða (milli súrefnis og eldsneytis). Uppsöfnun þess síðarnefnda að mikilvægum gildum leiðir til stjórnlausrar sprengibrennslu, því í nútíma bensíni eru brot af sameindum með tiltölulega stöðugri, erfitt að sprengja efnafræðilega "byggingu" notuð - fjöldi viðbótarferla er framkvæmdur hjá hreinsunarstöðvum til að ná slíkum stöðugleika. þar á meðal hækkun á oktantölu eldsneytis. Vegna hins að mestu fasta blöndunarhlutfalls sem bensínvélar geta keyrt gegnir inngjöfarventillinn mikilvægu hlutverki í þeim þar sem álagi hreyfilsins er stjórnað með því að stilla magn ferskt lofts. Hins vegar verður það aftur á móti uppspretta verulegs taps í hlutahleðsluham, gegnir hlutverki eins konar "hálstappa" vélarinnar.
Hugmynd skapara dísilvélarinnar, Rudolf Diesel, er að auka verulega þjöppunarhlutfallið og þar með varmafræðilega skilvirkni vélarinnar. Þannig minnkar flatarmál eldsneytishólfsins og brennsluorkan dreifist ekki í gegnum veggi strokksins og kælikerfisins, heldur er "eytt" á milli agnanna sjálfra, sem í þessu tilfelli eru mun nær hverri. annað. Ef tilbúin loft-eldsneytisblanda fer inn í brunahólf þessarar tegundar véla, eins og í tilviki bensínvéla, þá þegar ákveðnu mikilvægu hitastigi er náð meðan á þjöppunarferlinu stendur (fer eftir þjöppunarhlutfalli og gerð eldsneytis ), sjálfkveikjuferlið verður hafið löngu fyrir GMT. stjórnlaus rúmmálsbrennsla. Það er af þessum sökum sem dísileldsneyti er sprautað á síðustu stundu, skömmu fyrir GMT, við mjög háan þrýsting, sem skapar verulegan tímaskort fyrir góða uppgufun, dreifingu, blöndun, sjálfkveikju og þörf á hámarkshraða. sem sjaldan fer yfir mörkin. frá 4500 snúningum á mínútu. Þessi nálgun setur viðeigandi kröfur um gæði eldsneytis, sem í þessu tilfelli er brot af dísileldsneyti - aðallega bein eimingarefni með verulega lægra sjálfkveikjuhita, þar sem óstöðugari uppbygging og langar sameindir eru forsenda þess að þær verði auðveldari. rof og hvarf við súrefni.
Einkenni brennsluferla dísilvélar eru annars vegar svæði með auðgaðri blöndu umhverfis innspýtingargötin, þar sem eldsneyti brotnar niður (sprungur) úr hitastigi án oxunar, breytist í uppsprettu kolefnisagnir (sót) og hins vegar. þar sem alls ekki er eldsneyti og undir áhrifum háhita fara köfnunarefni og súrefni loftsins í efnaverkun og mynda köfnunarefnisoxíð. Þess vegna eru dísilvélar alltaf stilltar til að starfa með meðal halla blöndu (það er, með alvarlegu lofti umfram), og álaginu er eingöngu stjórnað með skammtastærð magnsins sem sprautað er inn. Þetta forðast að nota inngjöfina, sem er gríðarlegur kostur miðað við bensín hliðstæðna þeirra. Til að bæta upp nokkra annmarka bensínvélar hafa hönnuðir búið til vélar þar sem myndunarferlið blöndunnar er svokölluð „hleðsla lagskipting“.
Í hluthleðslustillingu er ákjósanleg stoichiometric blanda búin til aðeins á svæðinu í kringum neistaflokkana vegna sérstakrar innspýtingar á sprautaðri eldsneytisþotu, beint loftflæði, sérstöku sniði stimplaframhliða og öðrum svipuðum aðferðum sem tryggja kveikju áreiðanleika. Á sama tíma er blandan í mestu rúmmáli hólfsins áfram halla og þar sem álagið í þessari stillingu er aðeins hægt að stjórna með magni af eldsneyti sem fylgir getur inngjöfarlokinn verið að fullu opinn. Þetta aftur á móti leiðir til samtímis minnkunar á tapi og aukinnar hitafræðilegrar skilvirkni hreyfilsins. Fræðilega séð lítur allt vel út en hingað til hefur árangur þessarar vélar af gerðinni Mitsubishi og VW ekki verið glæsilegur. Almennt getur enginn hingað til státað sig af því að nýta þessar tæknilausnir til fulls.
Og ef þú "töfrar" sameinar kosti þessara tveggja gerða véla? Hver væri tilvalin blanda af mikilli dísilþjöppun, einsleitri dreifingu blöndunnar um rúmmál brunahólfsins og einsleitri sjálfkveikju í sama rúmmáli? Miklar rannsóknarstofurannsóknir á tilraunaeiningum af þessu tagi á undanförnum árum hafa sýnt verulega minnkun á skaðlegum útblæstri í útblásturslofti (til dæmis minnkar magn köfnunarefnisoxíða um allt að 99%!) Með aukinni skilvirkni miðað við bensínvélar . Svo virðist sem framtíðin tilheyri svo sannarlega vélum, sem bílafyrirtæki og óháð hönnunarfyrirtæki hafa nýlega sett saman undir regnhlífarnafninu HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines eða Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Eins og mörg önnur, sem virðist „byltingarkennd“, er hugmyndin um að búa til slíka vél ekki ný og á meðan tilraunir til að búa til áreiðanlegar framleiðslulíkön eru enn ekki árangursríkar. Á sama tíma skapa vaxandi möguleikar á rafrænu stjórnun á tækniferlinu og mikill sveigjanleiki gasdreifikerfa mjög raunhæfar og bjartsýnir horfur fyrir nýja tegund véla.
Reyndar, í þessu tilfelli er það eins konar blendingur meginreglna um notkun bensín- og dísilvéla. Vel einsleit blanda, eins og í bensínvélum, fer í brunahólf HCCI, en hún kviknar sjálf með hitanum frá samþjöppuninni. Nýja gerð vélarinnar þarf heldur ekki inngjafarloku þar sem hún getur keyrt á grannar blöndur. Hins vegar skal tekið fram að í þessu tilfelli er skilgreiningin á „halla“ frábrugðin verulega frá skilgreiningunni á dísel, þar sem HCCI er ekki með alveg granna og mjög auðgaða blöndu, heldur er eins konar jafna grann blanda. Meginreglan um notkun felur í sér samtímis íkveikju á blöndunni í öllu rúmmáli hólksins án þess að loga að framan og við mun lægra hitastig. Þetta leiðir sjálfkrafa til verulegrar lækkunar á magni köfnunarefnisoxíðs og sót í útblástursloftunum, og samkvæmt fjölda heimildarmanna, stórfelldri innleiðingu mun skilvirkari HCCI í raðframleiðslu bíla 2010-2015. Mun bjarga mannkyninu um hálfa milljón tunna. olíu daglega.
Hins vegar, áður en þessu er náð, verða vísindamenn og verkfræðingar að sigrast á stærsta ásteytingarsteininum í augnablikinu - skortur á áreiðanlegri leið til að stjórna sjálfkveikjuferlum með því að nota innihaldsefni með mismunandi efnasamsetningu, eiginleika og hegðun nútíma eldsneytis. Fjöldi spurninga stafar af því að inniloka ferla við mismunandi álag, snúninga og hitastig hreyfilsins. Samkvæmt sumum sérfræðingum er þetta hægt að gera með því að skila nákvæmlega mældu magni af útblásturslofti aftur í strokkinn, forhita blönduna eða breyta þjöppunarhlutfallinu á kraftmikinn hátt eða breyta þjöppunarhlutfallinu beint (til dæmis SVC Saab frumgerð) eða að breyta tímasetningu lokunar með því að nota breytilegt gasdreifingu kerfisins.
Ekki er enn ljóst hvernig vandamálið með hávaða og hitaaflfræðilegum áhrifum á hönnun vélarinnar vegna sjálfkveikju á miklu magni af ferskum blöndu við fulla álag verður eytt. Raunverulega vandamálið er að ræsa vélina við lágan hita í strokkunum, þar sem það er frekar erfitt að koma sjálfkveikju af stað við slíkar aðstæður. Eins og er, eru margir vísindamenn að vinna að því að útrýma þessum flöskuhálsum með því að nota niðurstöður athugana á frumgerðum með skynjurum fyrir stöðuga rafræna stjórn og greiningu á vinnuferlum í strokkum í rauntíma.
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.
Kveikja á blöndunni í HCCI vélum er hægt að framkvæma í margvíslegum hlutföllum milli eldsneytis, lofts og útblásturslofts (það er nóg til að ná sjálfkveikjuhitastigi), og stuttur brunatími leiðir til verulegrar aukningar á skilvirkni vélarinnar. Sum vandamál nýrra tegunda eininga er hægt að leysa með góðum árangri í samsetningu með tvinnkerfum, eins og Hybrid Synergy Drive frá Toyota - í þessu tilviki er aðeins hægt að nota brunavélina í ákveðinni stillingu sem er ákjósanlegur hvað varðar hraða og álag. í vinnunni og sniðganga þannig stillingar þar sem vélin er í erfiðleikum eða verður óhagkvæm.
Brennsla í HCCI vélum, sem náðst er með samþættri stjórnun á hitastigi, þrýstingi, magni og gæðum blöndunnar í stöðu nálægt GMT, er örugglega stórt vandamál gegn bakgrunn miklu einfaldari íkveikju með neista. Aftur á móti þarf HCCI ekki að búa til ókyrrðar ferli, sem eru mikilvægir fyrir bensín og sérstaklega dísilvélar, vegna samtímis rúmmáls sjálfs sjálfkveikju. Á sama tíma er það af þessari ástæðu að jafnvel lítil hiti frávik geta leitt til verulegra breytinga á hreyfiorku.
Í reynd er mikilvægasti þátturinn fyrir framtíð þessarar tegundar véla gerð eldsneytis og rétta hönnunarlausn er aðeins hægt að finna með nákvæmri þekkingu á hegðun hennar í brunahólfinu. Þess vegna eru mörg bílafyrirtæki í samstarfi við olíufyrirtæki um þessar mundir (eins og Toyota og ExxonMobil) og flestar tilraunir á þessu stigi eru gerðar með sérhönnuðu tilbúnu eldsneyti, samsetning og hegðun þess er fyrirfram reiknuð út. Skilvirkni þess að nota bensín og dísileldsneyti í HCCI er þvert á rökfræði klassískra véla. Vegna hás sjálfkveikjuhita bensíns getur þjöppunarhlutfallið í þeim verið breytilegt frá 12:1 til 21:1, og í dísileldsneyti, sem kviknar við lægra hitastig, ætti það að vera tiltölulega lítið - af stærðargráðunni aðeins 8 :1.
Texti: Georgy Kolev
Ljósmynd: fyrirtæki
