Test drive diesel e benzina: tipi

Il teso confronto tra motori diesel e benzina raggiunge il suo apice. La più recente tecnologia turbo, sistemi di iniezione diretta common-rail a controllo elettronico, elevati rapporti di compressione: la rivalità avvicina i due tipi di motori... E all'improvviso, nel bel mezzo di un antico duello, è comparso sulla scena un nuovo protagonista. un posto al sole.

Dopo molti anni di abbandono, i progettisti hanno riscoperto l'enorme potenziale del motore diesel e ne hanno accelerato lo sviluppo attraverso l'introduzione intensiva di nuove tecnologie. Arrivò al punto che le sue prestazioni dinamiche si avvicinarono alle caratteristiche di un concorrente a benzina e permisero la creazione di auto fino ad allora impensabili come la Volkswagen Race Touareg e l'Audi R10 TDI con ambizioni da corsa più che serie. La cronologia degli eventi degli ultimi quindici anni è ben nota ... I motori diesel degli 1936 non differivano fondamentalmente dai loro antenati, creati da Mercedes-Benz nel 13. Seguì un processo di lenta evoluzione, che negli ultimi anni si è trasformato in una potente esplosione tecnologica. Alla fine degli anni 1, Mercedes ha ricreato la prima automobile turbodiesel, alla fine degli anni XNUMX, l'iniezione diretta ha debuttato nel modello Audi, in seguito i diesel hanno ricevuto teste a quattro valvole e alla fine degli XNUMX, i sistemi di iniezione Common Rail controllati elettronicamente sono diventati una realtà. ... Nel frattempo, l'iniezione diretta di carburante ad alta pressione è stata introdotta nei motori a benzina, dove il rapporto di compressione oggi raggiunge XNUMX: XNUMX in alcuni casi. Recentemente, anche la tecnologia turbo sta vivendo una rinascita, con i valori di coppia dei motori a benzina che iniziano ad avvicinarsi in modo significativo ai valori di coppia del famoso turbodiesel flessibile. Tuttavia, parallelamente alla modernizzazione, rimane una tendenza costante verso un serio aumento del prezzo del motore a benzina ... Quindi, nonostante i pregiudizi pronunciati e la polarizzazione delle opinioni sui motori a benzina e diesel in diverse parti del mondo, nessuno dei due i due rivali guadagnano un dominio tangibile.

Nonostante la coincidenza delle qualità dei due tipi di unità, ci sono ancora enormi differenze nella natura, nel carattere e nel comportamento dei due motori termici.

Nel caso di un motore a benzina, la miscela di aria e carburante evaporato si forma in un periodo di tempo molto più lungo e inizia molto prima dell'inizio del processo di combustione. Sia che si utilizzi un carburatore o moderni sistemi elettronici di iniezione diretta, l'obiettivo della miscelazione è quello di produrre una miscela di carburante uniforme e omogenea con un rapporto aria-carburante ben definito. Questo valore è solitamente vicino alla cosiddetta "miscela stechiometrica", in cui ci sono abbastanza atomi di ossigeno da potersi (teoricamente) legare in una struttura stabile con ogni atomo di idrogeno e carbonio nel carburante, formando solo H20 e CO2. Perché il rapporto di compressione è abbastanza piccolo da evitare l'autoaccensione incontrollata prematura di alcune sostanze nel carburante a causa dell'elevata temperatura di compressione (la frazione di benzina è costituita da idrocarburi con una temperatura di evaporazione molto più bassa e una temperatura di combustione molto più alta). autoaccensione da quelli della frazione diesel), l'accensione della miscela è avviata da una candela e la combustione avviene sotto forma di un fronte che si muove ad un certo limite di velocità. Sfortunatamente, nella camera di combustione si formano zone con processi incompleti, che portano alla formazione di monossido di carbonio e idrocarburi stabili, e quando il fronte di fiamma si muove, la pressione e la temperatura alla sua periferia aumentano, il che porta alla formazione di ossidi di azoto dannosi ( tra azoto e ossigeno dell'aria), perossidi e idroperossidi (tra ossigeno e carburante). L'accumulo di quest'ultimo a valori critici porta a una combustione di detonazione incontrollata, pertanto, nelle moderne benzine, vengono utilizzate frazioni di molecole con una "costruzione" chimica relativamente stabile, difficile da far esplodere - vengono eseguiti numerosi processi aggiuntivi nelle raffinerie per raggiungere tale stabilità. compreso un aumento del numero di ottani del carburante. A causa del rapporto di miscela in gran parte fisso che i motori a benzina possono funzionare, la valvola a farfalla svolge un ruolo importante in essi, mediante la quale il carico del motore viene regolato regolando la quantità di aria fresca. Tuttavia, a sua volta, diventa fonte di perdite significative nella modalità a carico parziale, svolgendo il ruolo di una sorta di "tappo alla gola" del motore.

L'idea del creatore del motore diesel, Rudolf Diesel, è quella di aumentare notevolmente il rapporto di compressione, e quindi l'efficienza termodinamica della macchina. Pertanto, l'area della camera del carburante diminuisce e l'energia della combustione non viene dissipata attraverso le pareti del cilindro e del sistema di raffreddamento, ma viene "spensa" tra le particelle stesse, che in questo caso sono molto più vicine l'una all'altra altro. Se una miscela aria-carburante pre-preparata entra nella camera di combustione di questo tipo di motore, come nel caso di un motore a benzina, quando viene raggiunta una certa temperatura critica durante il processo di compressione (a seconda del rapporto di compressione e del tipo di carburante ), il processo di autoaccensione verrà avviato molto prima del GMT. combustione volumetrica incontrollata. È per questo motivo che il gasolio viene iniettato all'ultimo momento, poco prima dell'ora GMT, ad altissima pressione, il che crea una notevole mancanza di tempo per una buona evaporazione, diffusione, miscelazione, autoaccensione e la necessità di un limite di velocità massima che raramente supera il limite. da 4500 giri/min Questo approccio stabilisce requisiti adeguati per la qualità del carburante, che in questo caso è una frazione del gasolio - principalmente distillati semplici con una temperatura di autoaccensione significativamente inferiore, poiché una struttura più instabile e lunghe molecole sono un prerequisito per la loro più facile rottura e reazione con l'ossigeno.

Una caratteristica dei processi di combustione di un motore diesel sono, da un lato, le zone con una miscela ricca attorno ai fori di iniezione, dove il carburante si decompone (crepe) dalla temperatura senza ossidazione, trasformandosi in una fonte di particelle di carbonio (fuliggine) e dall'altro. in cui non c'è affatto carburante e, sotto l'influenza dell'alta temperatura, l'azoto e l'ossigeno dell'aria entrano in interazione chimica, formando ossidi di azoto. Pertanto, i motori diesel sono sempre sintonizzati per funzionare con miscele medio-magre (cioè con un forte eccesso di aria) e il carico viene controllato solo dosando la quantità di carburante iniettato. Questo evita di usare l'acceleratore, che è un enorme vantaggio rispetto alle loro controparti a benzina. Per compensare alcune delle carenze del motore a benzina, i progettisti hanno creato motori in cui il processo di formazione della miscela è la cosiddetta "stratificazione della carica".

In modalità di carico parziale, la miscela stechiometrica ottimale viene creata solo nell'area intorno agli elettrodi delle candele a causa di una speciale iniezione di un getto di carburante iniettato, un flusso d'aria diretto, un profilo speciale dei fronti del pistone e altri metodi simili che garantiscono l'accensione affidabilità. Allo stesso tempo, la miscela nella maggior parte del volume della camera rimane magra e poiché il carico in questa modalità può essere controllato solo dalla quantità di carburante fornito, la valvola a farfalla può rimanere completamente aperta. Questo, a sua volta, porta ad una contemporanea diminuzione delle perdite e ad un aumento dell'efficienza termodinamica del motore. In teoria tutto sembra fantastico, ma finora il successo di questo tipo di motore prodotto da Mitsubishi e VW non è stato glamour. In generale, finora nessuno può vantarsi di aver sfruttato appieno i vantaggi di queste soluzioni tecnologiche.

E se unisci "magicamente" i vantaggi dei due tipi di motori? Quale sarebbe la combinazione ideale di elevata compressione diesel, distribuzione omogenea della miscela in tutto il volume della camera di combustione e autoaccensione uniforme nello stesso volume? Intensi studi di laboratorio su unità sperimentali di questo tipo negli ultimi anni hanno mostrato una significativa riduzione delle emissioni nocive nei gas di scarico (ad esempio, la quantità di ossidi di azoto è ridotta fino al 99%!) Con un aumento dell'efficienza rispetto ai motori a benzina . Sembra che il futuro appartenga davvero ai motori, che le case automobilistiche e le società di design indipendenti hanno recentemente raggruppato sotto il nome ombrello HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines o Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

Come molti altri sviluppi apparentemente "rivoluzionari", l'idea di creare una macchina del genere non è nuova, e finora i tentativi di creare un modello di produzione affidabile non hanno ancora avuto successo. Allo stesso tempo, le crescenti capacità del controllo elettronico dei processi e la grande flessibilità dei sistemi di distribuzione del gas creano una prospettiva molto realistica e ottimistica per un nuovo tipo di motore.

In effetti, in questo caso è una sorta di ibrido dei principi di funzionamento dei motori a benzina e diesel. Una miscela ben omogeneizzata, come nei motori a benzina, entra nelle camere di combustione dell'HCCI, ma si autoinfiamma sotto l'influenza del calore della compressione. Il nuovo tipo di motore inoltre non richiede una valvola a farfalla in quanto può funzionare su miscele magre. Tuttavia, va notato che in questo caso il significato della definizione di "magra" è significativamente diverso dalla definizione di diesel, poiché HCCI non ha una miscela completamente magra e altamente arricchita, ma è una sorta di miscela uniformemente magra. Il principio di funzionamento prevede l'accensione simultanea della miscela in tutto il volume del cilindro senza un fronte di fiamma in movimento uniforme e ad una temperatura molto più bassa. Ciò porta automaticamente a una riduzione significativa della quantità di ossidi di azoto e fuliggine nei gas di scarico e, secondo una serie di fonti autorevoli, alla massiccia introduzione di HCCI molto più efficienti nella produzione automobilistica in serie nel 2010-2015. Salverà l'umanità circa mezzo milione di barili. olio ogni giorno.

Tuttavia, prima di raggiungere questo obiettivo, i ricercatori e gli ingegneri devono superare il più grande ostacolo al momento: la mancanza di un modo affidabile per controllare i processi di autoaccensione utilizzando frazioni contenenti con composizione chimica, proprietà e comportamento diversi dei combustibili moderni. Numerose domande sono causate dal contenimento dei processi a vari carichi, giri e condizioni di temperatura del motore. Secondo alcuni esperti, ciò può essere fatto restituendo al cilindro una quantità misurata con precisione di gas di scarico, preriscaldando la miscela o modificando dinamicamente il rapporto di compressione o modificando direttamente il rapporto di compressione (ad esempio, il prototipo SVC Saab) o modificare la temporizzazione di chiusura della valvola utilizzando sistemi di distribuzione del gas variabili.

Non è ancora chiaro come verrà eliminato il problema del rumore e degli effetti termodinamici sulla progettazione del motore dovuti all'autoaccensione di una grande quantità di miscela fresca a pieno carico. Il vero problema è avviare il motore a bassa temperatura nei cilindri, poiché è abbastanza difficile avviare l'autoaccensione in tali condizioni. Attualmente, molti ricercatori stanno lavorando per eliminare questi colli di bottiglia utilizzando i risultati delle osservazioni di prototipi con sensori per il controllo elettronico continuo e l'analisi dei processi di lavoro nei cilindri in tempo reale.

Secondo gli esperti delle case automobilistiche che lavorano in questa direzione, tra cui Honda, Nissan, Toyota e GM, è probabile che verranno prima create auto combinate in grado di cambiare modalità operativa e la candela verrà utilizzata come una sorta di assistente nei casi dove HCCI incontra difficoltà. La Volkswagen implementa già uno schema simile nel suo motore CCS (Combined Combustion System), che attualmente funziona solo con carburante sintetico appositamente sviluppato per questo.

L'accensione della miscela nei motori HCCI può essere effettuata in un'ampia gamma di rapporti tra carburante, aria e gas di scarico (è sufficiente raggiungere la temperatura di autoaccensione), e un breve tempo di combustione porta ad un notevole aumento del rendimento del motore. Alcuni problemi di nuovi tipi di unità possono essere risolti con successo in combinazione con sistemi ibridi, come l'Hybrid Synergy Drive di Toyota: in questo caso, il motore a combustione interna può essere utilizzato solo in una determinata modalità ottimale in termini di velocità e carico. al lavoro, aggirando così le modalità in cui il motore fatica o diventa inefficiente.

La combustione nei motori HCCI, ottenuta attraverso il controllo integrato di temperatura, pressione, quantità e qualità della miscela in una posizione prossima al GMT, è infatti un grosso problema sullo sfondo di un'accensione molto più semplice con una candela. D'altra parte, HCCI non ha bisogno di creare processi turbolenti, che sono importanti per i motori a benzina e soprattutto diesel, a causa della natura volumetrica simultanea dell'autoignizione. Allo stesso tempo, è per questo motivo che anche piccole deviazioni di temperatura possono portare a cambiamenti significativi nei processi cinetici.

In pratica, il fattore più importante per il futuro di questo tipo di motore è il tipo di carburante, e la corretta soluzione progettuale si trova solo con una conoscenza dettagliata del suo comportamento in camera di combustione. Pertanto, molte case automobilistiche stanno attualmente lavorando con compagnie petrolifere (come Toyota ed ExxonMobil) e la maggior parte degli esperimenti in questa fase vengono condotti con carburanti sintetici appositamente progettati, la cui composizione e comportamento sono calcolati in anticipo. L'efficienza dell'utilizzo di benzina e gasolio nell'HCCI è contraria alla logica dei motori classici. A causa dell'elevata temperatura di autoaccensione delle benzine, il rapporto di compressione in esse può variare da 12:1 a 21:1, e nel gasolio, che si accende a temperature più basse, dovrebbe essere relativamente piccolo - dell'ordine di soli 8 :1.

Testo: Georgy Kolev

Foto: azienda