Test drive diesel e gasolina: tipos

O tenso confronto entre motores a diesel e gasolina atinge seu clímax. A mais recente tecnologia turbo, sistemas de injeção direta common-rail controlados eletronicamente, altas taxas de compressão – a rivalidade aproxima os dois tipos de motores… E de repente, no meio de um duelo antigo, um novo jogador apareceu de repente em cena. um lugar sob o sol.

Depois de muitos anos de abandono, os designers redescobriram o enorme potencial do motor diesel e aceleraram seu desenvolvimento por meio da introdução intensiva de novas tecnologias. Chegou ao ponto que seu desempenho dinâmico se aproximou das características de um concorrente a gasolina e permitiu a criação de carros até então impensáveis ​​como o Volkswagen Race Touareg e o Audi R10 TDI com ambições de corrida mais do que sérias. A cronologia dos eventos dos últimos quinze anos é bem conhecida ... Os motores a diesel dos 1936s não diferiam fundamentalmente de seus ancestrais, criados pela Mercedes-Benz em 13. Seguiu-se um processo de lenta evolução, que nos últimos anos se transformou em uma poderosa explosão tecnológica. No final dos anos 1, a Mercedes recriou o primeiro turbodiesel automotivo, no final dos anos XNUMX, a injeção direta estreou no modelo Audi, mais tarde os motores diesel receberam cabeçotes de quatro válvulas e, no final dos XNUMXs, os sistemas de injeção Common Rail controlados eletronicamente tornaram-se uma realidade. ... Enquanto isso, a injeção direta de combustível de alta pressão foi introduzida nos motores a gasolina, onde a taxa de compressão hoje atinge XNUMX: XNUMX em alguns casos. Recentemente, a tecnologia turbo também está passando por um renascimento, com os valores de torque dos motores a gasolina começando a se aproximar significativamente dos valores de torque do famoso turbo diesel flexível. No entanto, em paralelo com a modernização, mantém-se uma tendência constante para uma forte subida do preço do motor a gasolina ... Assim, apesar dos preconceitos pronunciados e da polarização de opiniões sobre os motores a gasolina e diesel em diferentes partes do mundo, nenhum dos os dois rivais ganham domínio tangível.

Apesar da coincidência das qualidades dos dois tipos de unidades, ainda existem grandes diferenças na natureza, caráter e comportamento dos dois motores térmicos.

No caso de um motor a gasolina, a mistura de ar e combustível evaporado é formada por um período de tempo muito maior e começa muito antes do início do processo de combustão. Seja usando um carburador ou modernos sistemas eletrônicos de injeção direta, o objetivo da mistura é produzir uma mistura de combustível homogênea e uniforme com uma relação ar-combustível bem definida. Esse valor costuma estar próximo da chamada "mistura estequiométrica", na qual há átomos de oxigênio suficientes para poder (teoricamente) se ligar em uma estrutura estável com cada átomo de hidrogênio e carbono do combustível, formando apenas H20 e CO2. Porque a taxa de compressão é pequena o suficiente para evitar a auto-ignição prematura e descontrolada de algumas substâncias no combustível devido à alta temperatura de compressão (a fração da gasolina consiste em hidrocarbonetos com uma temperatura de evaporação muito mais baixa e uma temperatura de combustão muito mais alta). auto-ignição daqueles na fração diesel), a ignição da mistura é iniciada por uma vela de ignição e a combustão ocorre na forma de uma frente que se move a um determinado limite de velocidade. Infelizmente, zonas com processos incompletos são formadas na câmara de combustão, levando à formação de monóxido de carbono e hidrocarbonetos estáveis, e quando a frente da chama se move, a pressão e a temperatura em sua periferia aumentam, o que leva à formação de óxidos de nitrogênio nocivos ( entre nitrogênio e oxigênio do ar), peróxidos e hidroperóxidos (entre oxigênio e combustível). O acúmulo deste último a valores críticos leva à combustão de detonação descontrolada, portanto, nas gasolinas modernas, são usadas frações de moléculas com uma "construção" química relativamente estável e difícil de detonar - vários processos adicionais são realizados nas refinarias para alcançar tal estabilidade. incluindo um aumento no número de octanas do combustível. Devido à proporção de mistura amplamente fixa que os motores a gasolina podem operar, a válvula do acelerador desempenha um papel importante neles, pela qual a carga do motor é regulada ajustando a quantidade de ar fresco. No entanto, por sua vez, torna-se uma fonte de perdas significativas no modo de carga parcial, desempenhando o papel de uma espécie de "tampão da garganta" do motor.

A ideia do criador do motor diesel, Rudolf Diesel, é aumentar significativamente a taxa de compressão e, consequentemente, a eficiência termodinâmica da máquina. Assim, a área da câmara de combustível diminui, e a energia da combustão não é dissipada pelas paredes do cilindro e do sistema de refrigeração, mas é "gasta" entre as próprias partículas, que neste caso estão muito mais próximas umas das outras. outro. Se uma mistura ar-combustível pré-preparada entrar na câmara de combustão deste tipo de motor, como no caso de um motor a gasolina, quando uma certa temperatura crítica for atingida durante o processo de compressão (dependendo da taxa de compressão e do tipo de combustível ), o processo de auto-ignição será iniciado muito antes do GMT. combustão volumétrica descontrolada. É por esta razão que o óleo diesel é injetado no último momento, pouco antes do GMT, a altíssima pressão, o que gera uma significativa falta de tempo para uma boa evaporação, difusão, mistura, autoignição e a necessidade de um limite máximo de velocidade. que raramente ultrapassa o limite. a partir de 4500 rpm Esta abordagem estabelece requisitos adequados para a qualidade do combustível, que neste caso é uma fração do combustível diesel - principalmente destilados diretos com uma temperatura de autoignição significativamente mais baixa, uma vez que uma estrutura mais instável e moléculas longas são um pré-requisito para sua fácil ruptura e reação com o oxigênio.

Uma característica dos processos de combustão de um motor diesel são, por um lado, zonas com uma mistura enriquecida em torno dos orifícios de injeção, onde o combustível se decompõe (racha) a partir da temperatura sem oxidação, transformando-se em uma fonte de partículas de carbono (fuligem), e por outro. em que não há combustível algum e, sob a influência da alta temperatura, o nitrogênio e o oxigênio do ar entram em interação química, formando óxidos de nitrogênio. Portanto, os motores a diesel estão sempre ajustados para operar com misturas médio-pobres (ou seja, com grande excesso de ar), e a carga é controlada apenas pela dosagem da quantidade de combustível injetado. Isso evita o uso do acelerador, que é uma grande vantagem em relação aos seus homólogos a gasolina. Para compensar algumas das deficiências de um motor a gasolina, os projetistas criaram motores nos quais o processo de formação da mistura é a chamada "estratificação de carga".

No modo de carga parcial, a mistura estequiométrica ideal é criada apenas na área ao redor dos eletrodos da vela de ignição devido a uma injeção especial de um jato de combustível injetado, um fluxo de ar direcionado, um perfil especial das frentes do pistão e outros métodos semelhantes que garantem a ignição confiabilidade. Ao mesmo tempo, a mistura na maior parte do volume da câmara permanece pobre e, como a carga neste modo pode ser controlada apenas pela quantidade de combustível fornecido, a válvula borboleta pode permanecer totalmente aberta. Isso, por sua vez, leva a uma diminuição simultânea das perdas e ao aumento da eficiência termodinâmica do motor. Em teoria, tudo parece ótimo, mas até agora o sucesso desse tipo de motor da Mitsubishi e da VW não tem sido glamoroso. Em geral, até agora ninguém pode se gabar de ter aproveitado ao máximo as vantagens dessas soluções tecnológicas.

E se você "magicamente" combinar as vantagens dos dois tipos de motores? Qual seria a combinação ideal de alta compressão do diesel, distribuição homogênea da mistura por todo o volume da câmara de combustão e autoignição uniforme em um mesmo volume? Estudos de laboratório intensivos de unidades experimentais deste tipo nos últimos anos mostraram uma redução significativa nas emissões nocivas nos gases de escape (por exemplo, a quantidade de óxidos de nitrogênio é reduzida em até 99%!) Com um aumento na eficiência em comparação com os motores a gasolina . Parece que o futuro realmente pertence aos motores, que as empresas automotivas e empresas de design independentes recentemente agruparam sob o nome de HCCI - Motores de Ignição por Compressão de Carga Homogênea ou Motores de Auto-Ignição de Carga Homogênea.

Como muitos outros desenvolvimentos aparentemente “revolucionários”, a ideia de criar tal máquina não é nova e, embora as tentativas de criar um modelo de produção confiável ainda não tenham sucesso. Ao mesmo tempo, as crescentes possibilidades de controle eletrônico do processo tecnológico e a grande flexibilidade dos sistemas de distribuição de gás criam uma perspectiva muito realista e otimista para um novo tipo de motor.

Na verdade, neste caso, é uma espécie de híbrido dos princípios de funcionamento dos motores a gasolina e diesel. Uma mistura bem homogeneizada, como nos motores a gasolina, entra nas câmaras de combustão do HCCI, mas se auto-inflama com o calor da compressão. O novo tipo de motor também não requer uma válvula de aceleração, pois pode funcionar com misturas pobres. No entanto, deve-se notar que, neste caso, o significado da definição de "pobre" difere significativamente da definição de diesel, uma vez que o HCCI não possui uma mistura totalmente pobre e altamente enriquecida, mas é um tipo de mistura uniformemente pobre. O princípio de operação envolve a ignição simultânea da mistura em todo o volume do cilindro, sem uma frente de chama em movimento uniforme e a uma temperatura muito mais baixa. Isso leva automaticamente a uma diminuição significativa na quantidade de óxidos de nitrogênio e fuligem nos gases de escapamento e, de acordo com várias fontes confiáveis, à introdução massiva de HCCIs muito mais eficientes na produção automotiva em série em 2010-2015. Vai salvar a humanidade cerca de meio milhão de barris. óleo diariamente.

No entanto, antes de conseguir isso, pesquisadores e engenheiros devem superar o maior obstáculo do momento - a falta de uma maneira confiável de controlar os processos de autoignição usando frações de contenção com composição química, propriedades e comportamento diferentes dos combustíveis modernos. Uma série de questões são causadas pela contenção de processos em várias cargas, revoluções e condições de temperatura do motor. De acordo com alguns especialistas, isso pode ser feito retornando uma quantidade medida com precisão de gases de escape de volta ao cilindro, pré-aquecendo a mistura ou alterando dinamicamente a taxa de compressão ou alterando diretamente a taxa de compressão (por exemplo, o protótipo SVC Saab) ou alterando o tempo de fechamento da válvula usando sistemas variáveis ​​de distribuição de gás.

Ainda não está claro como o problema de ruído e efeitos termodinâmicos no projeto do motor devido à auto-ignição de uma grande quantidade de mistura fresca a plena carga será eliminado. O verdadeiro problema é ligar o motor com baixa temperatura nos cilindros, pois é bastante difícil iniciar a autoignição nessas condições. Atualmente, muitos pesquisadores estão trabalhando para eliminar esses gargalos usando os resultados das observações de protótipos com sensores para controle eletrônico contínuo e análise de processos de trabalho em cilindros em tempo real.

De acordo com especialistas de empresas automobilísticas que trabalham nessa direção, incluindo Honda, Nissan, Toyota e GM, é provável que sejam criados primeiro carros combinados que possam alternar os modos de operação, e a vela de ignição será usada como uma espécie de assistente em casos onde HCCI está enfrentando dificuldades. A Volkswagen já implementa um esquema semelhante em seu motor CCS (Combined Combustion System), que atualmente funciona apenas com combustível sintético especialmente desenvolvido para ela.

A ignição da mistura nos motores HCCI pode ser realizada em uma ampla gama de proporções entre combustível, ar e gases de escape (basta atingir a temperatura de autoignição), e um curto tempo de combustão leva a um aumento significativo na eficiência do motor. Alguns problemas de novos tipos de unidades podem ser resolvidos com sucesso em combinação com sistemas híbridos, como o Hybrid Synergy Drive da Toyota - neste caso, o motor de combustão interna só pode ser usado em um determinado modo ideal em termos de velocidade e carga. no trabalho, ignorando assim os modos em que o motor se esforça ou se torna ineficiente.

A combustão em motores HCCI, alcançada através do controle integrado de temperatura, pressão, quantidade e qualidade da mistura em uma posição próxima ao GMT, é de fato um grande problema no contexto de uma ignição muito mais simples com uma vela de ignição. Por outro lado, o HCCI não precisa criar processos turbulentos, que são importantes para os motores a gasolina e principalmente a diesel, devido à natureza volumétrica simultânea da autoignição. Ao mesmo tempo, é por esta razão que mesmo pequenos desvios de temperatura podem levar a mudanças significativas nos processos cinéticos.

Na prática, o fator mais importante para o futuro desse tipo de motor é o tipo de combustível, e a solução correta de projeto só pode ser encontrada com um conhecimento detalhado de seu comportamento na câmara de combustão. Portanto, muitas empresas automotivas estão trabalhando atualmente com empresas de petróleo (como Toyota e ExxonMobil), e a maioria dos experimentos nesta fase é realizada com combustíveis sintéticos especialmente projetados, cuja composição e comportamento são calculados com antecedência. A eficiência do uso de gasolina e óleo diesel no HCCI é contrária à lógica dos motores clássicos. Devido à alta temperatura de autoignição das gasolinas, a taxa de compressão nelas pode variar de 12:1 a 21:1, e no óleo diesel, que inflama em temperaturas mais baixas, deve ser relativamente pequena - da ordem de apenas 8 :1.

Texto: Georgy Kolev

Foto: empresa