Testrit diesel en benzine: soorten

De spannende confrontatie tussen diesel- en benzinemotoren bereikt zijn hoogtepunt. De nieuwste turbotechnologie, elektronisch gestuurde common-rail directe injectiesystemen, hoge compressieverhoudingen - de rivaliteit brengt de twee typen motoren dichterbij... En plotseling, midden in een eeuwenoud duel, verscheen er plotseling een nieuwe speler op het toneel. een plekje onder de zon.

Na vele jaren van verwaarlozing hebben de ontwerpers het enorme potentieel van de dieselmotor herontdekt en de ontwikkeling ervan versneld door de intensieve introductie van nieuwe technologieën. Het bereikte het punt waarop zijn dynamische prestaties de kenmerken van een benzineconcurrent benaderden en de creatie van tot nu toe ondenkbare auto's mogelijk maakte, zoals de Volkswagen Race Touareg en Audi R10 TDI met meer dan serieuze race-ambities. De chronologie van de gebeurtenissen van de afgelopen vijftien jaar is bekend ... De dieselmotoren van de 1936s verschilden niet fundamenteel van hun voorouders, gemaakt door Mercedes-Benz in 13. Er volgde een proces van langzame evolutie, dat de afgelopen jaren is uitgegroeid tot een krachtige technologische explosie. Aan het einde van de 1e eeuw maakte Mercedes de eerste turbodiesel voor auto's na, aan het einde van de XNUMXe eeuw debuteerde directe injectie in het Audi-model, later kregen diesels vierkleppen en aan het einde van de twintigste eeuw werden elektronisch gestuurde Common Rail-injectiesystemen een realiteit. ... Ondertussen is directe brandstofinjectie onder hoge druk geïntroduceerd in benzinemotoren, waar de compressieverhouding tegenwoordig in sommige gevallen XNUMX: XNUMX bereikt. Onlangs beleeft ook de turbotechnologie een renaissance, waarbij de koppelwaarden van benzinemotoren aanzienlijk de koppelwaarden van de beroemde flexibele turbodiesel beginnen te benaderen. Parallel aan de modernisering blijft er echter een gestage tendens naar een serieuze stijging van de kosten van de benzinemotor bestaan ​​... Dus ondanks de uitgesproken vooroordelen en polarisatie van meningen over benzine- en dieselmotoren in verschillende delen van de wereld, is geen van beide de twee rivalen krijgt tastbare dominantie.

Ondanks het samenvallen van de kwaliteiten van de twee typen units, zijn er toch grote verschillen in de aard, het karakter en het gedrag van de twee warmtemotoren.

In het geval van een benzinemotor wordt het mengsel van lucht en verdampte brandstof gedurende een veel langere periode gevormd en begint lang voordat het verbrandingsproces begint. Of er nu een carburateur of moderne elektronische directe injectiesystemen worden gebruikt, het doel van het mengen is om een ​​uniform, homogeen brandstofmengsel te produceren met een goed gedefinieerde lucht-brandstofverhouding. Deze waarde ligt meestal in de buurt van het zogenaamde "stoichiometrische mengsel", waarin voldoende zuurstofatomen aanwezig zijn om (theoretisch) in een stabiele structuur te kunnen binden met elk waterstof- en koolstofatoom in de brandstof, waarbij alleen H20 en CO2 worden gevormd. Omdat de compressieverhouding klein genoeg is om voortijdige ongecontroleerde zelfontbranding van sommige stoffen in de brandstof als gevolg van hoge compressietemperatuur te voorkomen (benzinefractie bestaat uit koolwaterstoffen met een veel lagere verdampingstemperatuur en een veel hogere verbrandingstemperatuur). zelfontbranding van die in de dieselfractie), ontsteking van het mengsel wordt geïnitieerd door een bougie en verbranding vindt plaats in de vorm van een front dat beweegt met een bepaalde snelheidslimiet. Helaas worden in de verbrandingskamer zones met onvolledige processen gevormd, wat leidt tot de vorming van koolmonoxide en stabiele koolwaterstoffen, en wanneer het vlamfront beweegt, nemen de druk en temperatuur aan de rand toe, wat leidt tot de vorming van schadelijke stikstofoxiden ( tussen stikstof en zuurstof uit de lucht), peroxiden en hydroperoxiden (tussen zuurstof en brandstof). De accumulatie van de laatste tot kritische waarden leidt tot ongecontroleerde ontploffing, daarom worden in moderne benzine fracties van moleculen met een relatief stabiele, moeilijk te ontploffen chemische "constructie" gebruikt - een aantal aanvullende processen wordt uitgevoerd bij raffinaderijen om een ​​dergelijke stabiliteit te bereiken. inclusief een verhoging van het octaangetal van de brandstof. Door de grotendeels vaste mengverhouding die benzinemotoren kunnen draaien, speelt de gasklep daarin een belangrijke rol, waarmee de motorbelasting wordt geregeld door de hoeveelheid verse lucht aan te passen. Het wordt op zijn beurt echter een bron van aanzienlijke verliezen in de deellastmodus en speelt de rol van een soort "keelplug" van de motor.

Het idee van de maker van de dieselmotor, Rudolf Diesel, is om de compressieverhouding, en daarmee de thermodynamische efficiëntie van de machine, aanzienlijk te verhogen. Het gebied van de brandstofkamer neemt dus af en de verbrandingsenergie wordt niet verspreid door de wanden van de cilinder en het koelsysteem, maar wordt "besteed" tussen de deeltjes zelf, die in dit geval veel dichter bij elkaar liggen ander. Als een vooraf bereid lucht-brandstofmengsel de verbrandingskamer van dit type motor binnenkomt, zoals in het geval van een benzinemotor, dan wanneer tijdens het compressieproces een bepaalde kritische temperatuur wordt bereikt (afhankelijk van de compressieverhouding en het type brandstof ), zal het zelfontbrandingsproces lang voor GMT worden gestart. ongecontroleerde volumetrische verbranding. Het is om deze reden dat dieselbrandstof op het laatste moment, kort voor GMT, onder zeer hoge druk wordt ingespoten, waardoor er een aanzienlijk tijdsgebrek ontstaat voor een goede verdamping, diffusie, vermenging, zelfontbranding en de noodzaak van een topsnelheidslimiet die zelden de limiet overschrijdt. vanaf 4500 tpm Deze aanpak stelt passende eisen aan de kwaliteit van de brandstof, die in dit geval een fractie is van dieselbrandstof - voornamelijk zuivere destillaten met een aanzienlijk lagere zelfontbrandingstemperatuur, aangezien een onstabielere structuur en lange moleculen een voorwaarde zijn voor hun gemakkelijker breuk en reactie met zuurstof.

Een kenmerk van de verbrandingsprocessen van een dieselmotor zijn enerzijds zones met een rijk mengsel rond de injectiegaten, waar de brandstof uiteenvalt (scheurt) van temperatuur zonder oxidatie, en verandert in een bron van koolstofdeeltjes (roet), en anderzijds. waarin er helemaal geen brandstof is en, onder invloed van hoge temperatuur, stikstof en zuurstof van de lucht een chemische interactie aangaan, waarbij stikstofoxiden worden gevormd. Daarom zijn dieselmotoren altijd afgesteld om te werken met middelzware mengsels (dat wil zeggen met een ernstige overmaat aan lucht) en wordt de belasting alleen geregeld door de dosering van de hoeveelheid ingespoten brandstof. Dit vermijdt het gebruik van de gashendel, wat een enorm voordeel is ten opzichte van hun benzine-tegenhangers. Om enkele van de tekortkomingen van een benzinemotor te compenseren, hebben ontwerpers motoren ontwikkeld waarin het mengselvormingsproces de zogenaamde "ladingsstratificatie" is.

In deellastmodus wordt het optimale stoichiometrische mengsel alleen gecreëerd in het gebied rond de bougie-elektroden dankzij een speciale injectie van een ingespoten brandstofstraal, een gerichte luchtstroom, een speciaal profiel van de zuigerfronten en andere soortgelijke methoden die voor ontsteking zorgen betrouwbaarheid. Tegelijkertijd blijft het mengsel in het grootste deel van het kamervolume arm en aangezien de belasting in deze modus alleen kan worden geregeld door de hoeveelheid toegevoerde brandstof, kan de gasklep volledig open blijven. Dit leidt op zijn beurt tot een gelijktijdige afname van verliezen en een toename van de thermodynamische efficiëntie van de motor. In theorie ziet alles er geweldig uit, maar tot nu toe is het succes van dit type motor geproduceerd door Mitsubishi en VW niet glamoureus. Over het algemeen kan tot nu toe niemand opscheppen over het volledig benutten van deze technologische oplossingen.

En als je "magisch" de voordelen van de twee soorten motoren combineert? Wat zou de ideale combinatie zijn van hoge dieselcompressie, homogene verdeling van het mengsel over het volume van de verbrandingskamer en gelijkmatige zelfontbranding in hetzelfde volume? Intensieve laboratoriumstudies van experimentele eenheden van dit type in de afgelopen jaren hebben een aanzienlijke vermindering van schadelijke emissies in uitlaatgassen aangetoond (de hoeveelheid stikstofoxiden wordt bijvoorbeeld tot 99% verminderd!) Met een toename van het rendement in vergelijking met benzinemotoren . Het lijkt erop dat de toekomst inderdaad aan motoren ligt, die autofabrikanten en onafhankelijke ontwerpbedrijven onlangs op één hoop hebben gegooid onder de overkoepelende naam HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines of Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

Net als veel andere schijnbaar "revolutionaire" ontwikkelingen, is het idee om zo'n machine te maken niet nieuw, en hoewel pogingen om een ​​betrouwbaar productiemodel te creëren nog steeds geen succes hebben. Tegelijkertijd creëren de groeiende mogelijkheden van elektronische besturing van het technologische proces en de grote flexibiliteit van gasdistributiesystemen een zeer realistisch en optimistisch perspectief voor een nieuw type motor.

In feite is het in dit geval een soort hybride van de werkingsprincipes van benzine- en dieselmotoren. Een goed gehomogeniseerd mengsel, zoals in benzinemotoren, komt de verbrandingskamers van de HCCI binnen, maar ontbrandt zelf door de warmte van de compressie. Het nieuwe type motor heeft ook geen gasklep nodig, omdat deze op magere mengsels kan draaien. Er moet echter worden opgemerkt dat in dit geval de betekenis van de definitie van "mager" aanzienlijk verschilt van de definitie van diesel, aangezien HCCI geen volledig mager en sterk verrijkt mengsel heeft, maar een soort uniform arm mengsel is. Het werkingsprincipe omvat de gelijktijdige ontsteking van het mengsel in het gehele volume van de cilinder zonder gelijkmatig bewegend vlamfront en bij een veel lagere temperatuur. Dit leidt automatisch tot een aanzienlijke vermindering van de hoeveelheid stikstofoxiden en roet in de uitlaatgassen en, volgens een aantal gezaghebbende bronnen, tot de massale introductie van veel efficiëntere HCCI's in de seriële autoproductie in 2010-2015. Zal de mensheid ongeveer een half miljoen vaten redden. olie dagelijks.

Voordat dit echter kan worden bereikt, moeten onderzoekers en ingenieurs het grootste struikelblok op dit moment overwinnen: het ontbreken van een betrouwbare manier om zelfontbrandingsprocessen te beheersen met behulp van bevattende fracties met verschillende chemische samenstelling, eigenschappen en gedrag van moderne brandstoffen. Een aantal vragen wordt veroorzaakt door de inperking van processen bij verschillende belastingen, omwentelingen en temperatuuromstandigheden van de motor. Volgens sommige experts kan dit worden gedaan door een nauwkeurig afgemeten hoeveelheid uitlaatgassen terug te voeren naar de cilinder, het mengsel voor te verwarmen of de compressieverhouding dynamisch te wijzigen of de compressieverhouding direct te wijzigen (bijvoorbeeld het SVC Saab-prototype) of het wijzigen van de sluitingstijdstip van de klep met behulp van variabele gasdistributiesystemen.

Het is nog niet duidelijk hoe het probleem van geluid en thermodynamische effecten op het motorontwerp als gevolg van zelfontbranding van een grote hoeveelheid vers mengsel bij vollast zal worden geëlimineerd. Het echte probleem is om de motor bij een lage temperatuur in de cilinders te starten, aangezien het in dergelijke omstandigheden vrij moeilijk is om zelfontbranding te initiëren. Momenteel werken veel onderzoekers aan het elimineren van deze knelpunten door de resultaten van observaties van prototypen met sensoren te gebruiken voor continue elektronische controle en analyse van werkprocessen in cilinders in realtime.

Volgens experts van autobedrijven die in deze richting werken, waaronder Honda, Nissan, Toyota en GM, is het waarschijnlijk dat er eerst combinatieauto's zullen worden gemaakt die van bedrijfsmodus kunnen wisselen, en dat de bougie zal worden gebruikt als een soort assistent in gevallen waar HCCI moeilijkheden ondervindt. Volkswagen implementeert een soortgelijk systeem al in zijn CCS-motor (Combined Combustion System), die momenteel uitsluitend op speciaal voor hem ontwikkelde synthetische brandstof loopt.

Ontsteking van het mengsel in HCCI-motoren kan worden uitgevoerd in een breed scala aan verhoudingen tussen brandstof, lucht en uitlaatgassen (het is voldoende om de zelfontbrandingstemperatuur te bereiken), en een korte verbrandingstijd leidt tot een aanzienlijke toename van het motorrendement. Sommige problemen van nieuwe typen units kunnen met succes worden opgelost in combinatie met hybride systemen, zoals Toyota's Hybrid Synergy Drive - in dit geval kan de verbrandingsmotor alleen worden gebruikt in een bepaalde modus die optimaal is qua snelheid en belasting. op het werk, waardoor modi worden omzeild waarin de motor worstelt of inefficiënt wordt.

Verbranding in HCCI-motoren, bereikt door een geïntegreerde regeling van temperatuur, druk, hoeveelheid en kwaliteit van het mengsel in een positie dicht bij GMT, is inderdaad een groot probleem tegen de achtergrond van een veel eenvoudigere ontsteking met een bougie. Aan de andere kant hoeft HCCI geen turbulente processen te creëren, die belangrijk zijn voor benzine- en vooral dieselmotoren, vanwege de gelijktijdige volumetrische aard van zelfontbranding. Tegelijkertijd is het om deze reden dat zelfs kleine temperatuurafwijkingen kunnen leiden tot aanzienlijke veranderingen in kinetische processen.

In de praktijk is de belangrijkste factor voor de toekomst van dit type motor het type brandstof, en de juiste ontwerpoplossing kan alleen worden gevonden met een gedetailleerde kennis van zijn gedrag in de verbrandingskamer. Daarom werken veel autobedrijven momenteel samen met oliemaatschappijen (zoals Toyota en ExxonMobil) en worden de meeste experimenten in dit stadium uitgevoerd met speciaal ontworpen synthetische brandstoffen, waarvan de samenstelling en het gedrag van tevoren zijn berekend. De efficiëntie van het gebruik van benzine en diesel in HCCI is in strijd met de logica van klassieke motoren. Vanwege de hoge zelfontbrandingstemperatuur van benzines kan de compressieverhouding daarin variëren van 12:1 tot 21:1, en in dieselbrandstof, die ontbrandt bij lagere temperaturen, zou deze relatief klein moeten zijn - in de orde van grootte van slechts 8 :1.

Tekst: Georgy Kolev

Foto: bedrijf