Testa brauciens dīzelis un benzīns: veidi
Saspringtā konfrontācija starp dīzeļa un benzīna dzinējiem sasniedz kulmināciju. Jaunākā turbo tehnoloģija, elektroniski kontrolētas Common-Rail tiešās iesmidzināšanas sistēmas, augstas kompresijas pakāpes – sāncensība tuvina abu veidu dzinējus... Un pēkšņi senā dueļa vidū uz skatuves pēkšņi parādījās jauns spēlētājs. vieta zem saules.
Pēc daudzu gadu nolaidības dizaineri ir no jauna atklājuši dīzeļdzinēja milzīgo potenciālu un paātrinājuši tā attīstību, intensīvi ieviešot jaunas tehnoloģijas. Tas sasniedza punktu, kad tā dinamiskā veiktspēja pietuvojās benzīna konkurenta īpašībām un ļāva radīt līdz šim neiedomājamas automašīnas, piemēram, Volkswagen Race Touareg un Audi R10 TDI ar vairāk nekā nopietnām sacīkšu ambīcijām. Pēdējo piecpadsmit gadu notikumu hronoloģija ir labi zināma ... 1936 dīzeļdzinēji būtiski neatšķīrās no senčiem, kurus Mercedes-Benz radīja tālajā 13. gadā. Sekoja lēnas evolūcijas process, kas pēdējos gados pārauga spēcīgā tehnoloģiskā sprādzienā. 1. gadu beigās Mercedes atjaunoja pirmo automobiļu turbodīzeļdzinēju, XNUMX. gadu beigās tiešā iesmidzināšana debitēja Audi modelī, vēlāk dīzeļi saņēma četru vārstu galviņas, bet XNUMX beigās elektroniski kontrolētās Common Rail iesmidzināšanas sistēmas kļuva par realitāti. . ... Tikmēr augstspiediena tiešā degvielas iesmidzināšana ir ieviesta benzīna dzinējos, kur kompresijas pakāpe mūsdienās dažos gadījumos sasniedz XNUMX: XNUMX. Pēdējā laikā arī turbo tehnoloģija piedzīvo renesansi, benzīna dzinēju griezes momenta vērtības sāk ievērojami tuvināties slavenā elastīgā turbo dīzeļa griezes momenta vērtībām. Tomēr paralēli modernizācijai saglabājas stabila tendence uz nopietnu benzīna dzinēja izmaksu pieaugumu ... Tātad, neskatoties uz izteiktajiem aizspriedumiem un viedokļu polarizāciju attiecībā uz benzīna un dīzeļdzinējiem dažādās pasaules daļās, neviena no tām abi konkurenti iegūst taustāmu pārsvaru.
Neskatoties uz divu veidu agregātu īpašību sakritību, joprojām pastāv milzīgas atšķirības abu siltuma dzinēju raksturā, raksturā un uzvedībā.
Benzīna dzinēja gadījumā gaisa un iztvaicētās degvielas maisījums veidojas daudz ilgākā laika periodā un sākas ilgi pirms degšanas procesa sākuma. Neatkarīgi no tā, vai tiek izmantots karburators vai modernas elektroniskās tiešās iesmidzināšanas sistēmas, sajaukšanas mērķis ir iegūt viendabīgu, viendabīgu degvielas maisījumu ar precīzi noteiktu gaisa un degvielas attiecību. Šī vērtība parasti ir tuvu tā sauktajam "stehiometriskajam maisījumam", kurā ir pietiekami daudz skābekļa atomu, lai varētu (teorētiski) izveidot savienojumu stabilā struktūrā ar katru degvielā esošo ūdeņraža un oglekļa atomu, veidojot tikai H20 un CO2. Tā kā kompresijas pakāpe ir pietiekami maza, lai izvairītos no dažu degvielā esošo vielu priekšlaicīgas nekontrolētas pašaizdegšanās augstās kompresijas temperatūras dēļ (benzīna frakcija sastāv no ogļūdeņražiem ar daudz zemāku iztvaikošanas temperatūru un daudz augstāku sadegšanas temperatūru). pašaizdegšanās no tiem, kas ir dīzeļdegvielas frakcijā), maisījuma aizdegšanos ierosina aizdedzes svece un degšana notiek frontes veidā, kas pārvietojas ar noteiktu ātruma ierobežojumu. Diemžēl sadegšanas kamerā veidojas zonas ar nepilnīgiem procesiem, kas izraisa oglekļa monoksīda un stabilu ogļūdeņražu veidošanos, un, liesmas frontei pārvietojoties, tās perifērijā palielinās spiediens un temperatūra, kas izraisa kaitīgu slāpekļa oksīdu veidošanos ( starp slāpekli un skābekli no gaisa), peroksīdiem un hidroperoksīdiem (starp skābekli un degvielu). Pēdējo uzkrāšanās līdz kritiskajām vērtībām noved pie nekontrolētas detonācijas sadegšanas, tāpēc mūsdienu benzīnos tiek izmantotas molekulu frakcijas ar relatīvi stabilu, grūti detonējamu ķīmisko "konstrukciju" - tiek veikti vairāki papildu procesi. naftas pārstrādes rūpnīcās, lai panāktu šādu stabilitāti. tostarp degvielas oktānskaitļa palielināšanās. Sakarā ar lielā mērā fiksēto maisījuma attiecību, ar kādu var darboties benzīna dzinēji, tajos liela nozīme ir droseļvārstam, ar kuru tiek regulēta dzinēja slodze, regulējot svaigā gaisa daudzumu. Taču tas, savukārt, kļūst par būtisku zaudējumu avotu daļējas slodzes režīmā, spēlējot sava veida dzinēja "rīkles aizbāžņa" lomu.
Dīzeļdzinēja radītāja Rūdolfa Dīzeļa ideja ir ievērojami palielināt kompresijas pakāpi un līdz ar to arī iekārtas termodinamisko efektivitāti. Tādējādi degvielas kameras laukums samazinās, un sadegšanas enerģija netiek izkliedēta caur cilindra sienām un dzesēšanas sistēmu, bet tiek "iztērēta" starp pašām daļiņām, kuras šajā gadījumā ir daudz tuvāk katrai. cits. Ja šāda tipa dzinēja sadegšanas kamerā nonāk iepriekš sagatavots gaisa un degvielas maisījums, kā tas ir benzīna dzinēja gadījumā, tad, kad kompresijas procesā tiek sasniegta noteikta kritiskā temperatūra (atkarībā no kompresijas pakāpes un degvielas veida ), pašaizdegšanās process tiks uzsākts ilgi pirms GMT. nekontrolēta tilpuma sadegšana. Tieši šī iemesla dēļ dīzeļdegviela tiek iesmidzināta pēdējā brīdī, īsi pirms GMT, ļoti augstā spiedienā, kas rada ievērojamu laika trūkumu labai iztvaikošana, difūzija, sajaukšanās, pašaizdegšanās un nepieciešamība pēc maksimālā ātruma ierobežojuma. kas reti pārsniedz limitu. no 4500 apgr./min Šī pieeja izvirza atbilstošas prasības degvielas kvalitātei, kas šajā gadījumā ir dīzeļdegvielas frakcija - galvenokārt taisnie destilāti ar ievērojami zemāku pašaizdegšanās temperatūru, jo nestabilāka struktūra un garākas molekulas ir priekšnoteikums to vieglākai iegūšanai. plīsums un reakcija ar skābekli.
Dīzeļdzinēja degšanas procesu iezīme, no vienas puses, ir zonas ar bagātīgu maisījumu ap iesmidzināšanas atverēm, kur degviela no oksidēšanās sadalās (plaisas) no temperatūras, pārvēršoties par oglekļa daļiņu (kvēpu) avotu. kurā vispār nav degvielas un augstas temperatūras ietekmē gaisa slāpeklis un skābeklis nonāk ķīmiskā mijiedarbībā, veidojot slāpekļa oksīdus. Tāpēc dīzeļdzinēji vienmēr tiek noregulēti darbam ar vidēji liesiem maisījumiem (tas ir, ar nopietnu gaisa pārpalikumu), un slodzi kontrolē tikai dozējot iesmidzinātās degvielas daudzumu. Tas ļauj izvairīties no droseļvārsta izmantošanas, kas ir milzīga priekšrocība salīdzinājumā ar viņu benzīna kolēģiem. Lai kompensētu dažus benzīna dzinēja trūkumus, dizaineri ir izveidojuši dzinējus, kuros maisījuma veidošanās process ir tā sauktā "lādiņa stratifikācija".
Daļējas slodzes režīmā optimāls stehiometriskais maisījums tiek radīts tikai apgabalā ap aizdedzes sveces elektrodiem, pateicoties speciālai iesmidzinātas degvielas strūklas iesmidzināšanai, virzītai gaisa plūsmai, īpašam virzuļa priekšējam profilam un citām līdzīgām metodēm, kas nodrošina aizdedzes uzticamību. Tajā pašā laikā maisījums lielākajā daļā kameras tilpuma paliek liess, un, tā kā slodzi šajā režīmā var kontrolēt tikai ar piegādātās degvielas daudzumu, droseļvārsts var palikt pilnībā atvērts. Tas, savukārt, vienlaikus samazina zudumus un palielina dzinēja termodinamisko efektivitāti. Teorētiski viss izskatās lieliski, taču līdz šim šāda veida Mitsubishi un VW ražotā dzinēja panākumi nav bijuši krāšņi. Kopumā līdz šim neviens nevar lepoties, ka ir pilnībā izmantojis šos tehnoloģiskos risinājumus.
Un ja jūs "maģiski" apvienojat divu veidu dzinēju priekšrocības? Kāda būtu ideāla kombinācija starp augstu dīzeļdegvielas kompresiju, viendabīgu maisījuma sadalījumu pa visu sadegšanas kameras tilpumu un vienmērīgu pašaizdegšanos tajā pašā tilpumā? Šāda veida eksperimentālo vienību intensīvie laboratoriskie pētījumi pēdējos gados ir parādījuši būtisku kaitīgo izmešu samazinājumu izplūdes gāzēs (piemēram, slāpekļa oksīdu daudzums tiek samazināts līdz pat 99%!) Līdz ar efektivitātes pieaugumu salīdzinājumā ar benzīna dzinējiem. . Šķiet, ka nākotne patiešām pieder dzinējiem, kurus autobūves kompānijas un neatkarīgas dizaina kompānijas pēdējā laikā apvienojušas zem jumta nosaukuma HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition Engines vai Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Tāpat kā daudzas citas šķietami “revolucionāras” norises, ideja par šādas mašīnas izveidi nav jauna, un mēģinājumi izveidot uzticamu ražošanas modeli joprojām ir neveiksmīgi. Tajā pašā laikā pieaugošās tehnoloģiskā procesa elektroniskās vadības iespējas un gāzes sadales sistēmu lielā elastība rada ļoti reālistiskas un optimistiskas izredzes jauna tipa dzinējiem.
Faktiski šajā gadījumā tas ir sava veida benzīna un dīzeļdzinēju darbības principu hibrīds. Labi homogenizēts maisījums, tāpat kā benzīna dzinējos, nonāk HCCI sadegšanas kamerās, bet tas pats aizdegas no saspiešanas siltuma. Jaunajam dzinēja tipam arī nav nepieciešams droseļvārsts, jo tas var darboties ar liesiem maisījumiem. Tomēr jāatzīmē, ka šajā gadījumā "liesās" definīcijas nozīme ievērojami atšķiras no dīzeļdegvielas definīcijas, jo HCCI nav pilnīgi liesa un ļoti bagātināta maisījuma, bet tas ir sava veida vienmērīgi liesais maisījums. Darbības princips paredz, ka maisījums vienlaikus tiek aizdedzināts visā cilindra tilpumā bez vienmērīgi kustīgas liesmas priekšpuses un ievērojami zemākā temperatūrā. Tas automātiski noved pie ievērojama slāpekļa oksīdu un kvēpu daudzuma samazināšanās izplūdes gāzēs, un, pēc vairāku autoritatīvu avotu domām, daudz efektīvāku HCCI masveida ieviešana automobiļu sērijveida ražošanā 2010.-2015. Ietaupīs cilvēcei apmēram pusmiljonu mucu. eļļa katru dienu.
Tomēr pirms tā sasniegšanas pētniekiem un inženieriem ir jāpārvar šī brīža lielākais klupšanas akmens - uzticama veida trūkums pašaizdegšanās procesu kontrolei, izmantojot saturošās frakcijas ar atšķirīgu mūsdienu degvielu ķīmisko sastāvu, īpašībām un uzvedību. Vairākus jautājumus rada procesu ierobežošana pie dažādām dzinēja slodzēm, apgriezieniem un temperatūras apstākļiem. Pēc dažu ekspertu domām, to var izdarīt, atgriežot cilindrā precīzi izmērītu izplūdes gāzu daudzumu, iepriekš uzsildot maisījumu vai dinamiski mainot kompresijas pakāpi, vai tieši mainot kompresijas pakāpi (piemēram, SVC Saab prototips) vai vārsta aizvēršanās laika maiņa, izmantojot mainīgas gāzes sadales sistēmas.
Pagaidām nav skaidrs, kā tiks novērsta trokšņa un termodinamiskās ietekmes problēma uz dzinēja konstrukciju, ko izraisa liela daudzuma svaiga maisījuma pašaizdegšanās ar pilnu slodzi. Patiesā problēma ir iedarbināt dzinēju zemā temperatūrā cilindros, jo šādos apstākļos ir diezgan grūti uzsākt pašaizdegšanos. Šobrīd daudzi pētnieki strādā, lai novērstu šīs vājās vietas, izmantojot prototipu novērojumu rezultātus ar sensoriem nepārtrauktai elektroniskai kontrolei un cilindru darba procesu analīzei reāllaikā.
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.
Maisījuma aizdedzi HCCI dzinējos var veikt plašā attiecību diapazonā starp degvielu, gaisu un izplūdes gāzēm (pietiek, lai sasniegtu pašaizdegšanās temperatūru), un īss sadegšanas laiks ievērojami palielina dzinēja efektivitāti. Dažas jauna tipa agregātu problēmas var veiksmīgi atrisināt kombinācijā ar hibrīdsistēmām, piemēram, Toyota Hybrid Synergy Drive – šajā gadījumā iekšdedzes dzinēju var izmantot tikai noteiktā režīmā, kas ir optimāls ātruma un slodzes ziņā. darbā, tādējādi apejot režīmus, kuros dzinējs cīnās vai kļūst neefektīvs.
Degšana HCCI dzinējos, kas panākta ar maisījuma temperatūras, spiediena, daudzuma un kvalitātes integrētu kontroli GMT tuvumā, patiešām ir liela problēma, ņemot vērā daudz vienkāršāku aizdedzi ar aizdedzes sveci. No otras puses, HCCI nav nepieciešams radīt turbulentus procesus, kas ir svarīgi benzīna un it īpaši dīzeļdzinējiem, jo vienlaicīgi notiek pašaizdegšanās tilpuma raksturs. Tajā pašā laikā tieši šī iemesla dēļ pat nelielas temperatūras novirzes var izraisīt būtiskas izmaiņas kinētiskajos procesos.
Praksē svarīgākais šāda veida dzinēja nākotnes faktors ir degvielas veids, un pareizo konstrukcijas risinājumu var atrast tikai ar detalizētām zināšanām par tā uzvedību sadegšanas kamerā. Tāpēc šobrīd daudzas autobūves kompānijas sadarbojas ar naftas kompānijām (piemēram, Toyota un ExxonMobil), un lielākā daļa eksperimentu šajā posmā tiek veikti ar īpaši izstrādātām sintētiskajām degvielām, kuru sastāvs un uzvedība tiek aprēķināta iepriekš. Benzīna un dīzeļdegvielas izmantošanas efektivitāte HCCI ir pretrunā ar klasisko dzinēju loģiku. Benzīnu augstās pašaizdegšanās temperatūras dēļ kompresijas pakāpe tajos var svārstīties no 12:1 līdz 21:1, savukārt dīzeļdegvielā, kas aizdegas pie zemākas temperatūras, tai jābūt salīdzinoši nelielai - tikai 8. :1.
Teksts: Georgijs Koļevs
Foto: uzņēmums
