Próbaút dízel és benzin: típusok
A dízel- és benzinmotorok közötti feszült összecsapás eléri a tetőpontját. A legújabb turbótechnológia, elektronikusan vezérelt, közös nyomócsöves közvetlen befecskendező rendszerek, magas sűrítési arányok – a rivalizálás közelebb hozza a kétféle motort… És egyszer csak egy ősi párbaj közepette egy új játékos jelent meg a színen. egy hely a nap alatt.
A hosszú évek elhanyagolása után a tervezők újra felfedezték a dízelmotor óriási lehetőségeit, és az új technológiák intenzív bevezetésével felgyorsították fejlesztését. Eljutott odáig, hogy dinamikus teljesítménye megközelítette a benzines versenytárs jellemzőit, és lehetővé tette olyan elképzelhetetlen autók létrehozását, mint a Volkswagen Race Touareg és az Audi R10 TDI, amelyek több mint komoly verseny ambíciókkal rendelkeznek. Az elmúlt tizenöt év eseményeinek kronológiája jól ismert ... Az 1936-ok dízelmotorjai alapvetően nem különböztek őseiktől, amelyeket a Mercedes-Benz még 13-ban készített. A lassú fejlődés folyamata következett, amely az elmúlt években erőteljes technológiai robbanássá nőtte ki magát. A 1-as évek végén a Mercedes újrateremtette az első autó turbódízel motorját, az XNUMX-es évek végén a közvetlen befecskendezés debütált az Audi modellben, később a dízelek négyszelepes fejeket kaptak, a XNUMX-ok végén pedig az elektronikus vezérlésű Common Rail befecskendező rendszerek váltak valósággá. ... Eközben nagynyomású közvetlen üzemanyag -befecskendezést vezettek be a benzinmotorokba, ahol a tömörítési arány ma egyes esetekben eléri az XNUMX: XNUMX értéket. Az utóbbi időben a turbótechnika is reneszánszát éli, a benzinmotorok nyomatékértékei jelentősen közeledni kezdenek a híres rugalmas turbódízel nyomatékértékeihez. A modernizációval párhuzamosan azonban továbbra is fennáll a tendencia a benzinmotorok komoly drágulására ... Tehát, a világ különböző részein a benzin- és dízelmotorokkal kapcsolatos hangsúlyos előítéletek és vélemények polarizációja ellenére, egyik sem a két rivális kézzelfogható erőfölényre tesz szert.
A két típusú egység tulajdonságainak egybeesése ellenére a két hőmotor jellege, jellege és viselkedése továbbra is óriási különbségeket mutat.
Benzinmotor esetén a levegő és az elpárolgott üzemanyag keveréke sokkal hosszabb idő alatt jön létre, és jóval az égési folyamat megkezdése előtt kezdődik. Akár karburátorról, akár modern elektronikus közvetlen befecskendező rendszerről van szó, a keverés célja egyenletes, homogén üzemanyagkeverék előállítása, jól meghatározott levegő-üzemanyag arány mellett. Ez az érték általában közel áll az úgynevezett "sztöchiometrikus keverékhez", amelyben elegendő oxigénatom van ahhoz, hogy (elméletileg) stabil szerkezetben tudjon kötődni az üzemanyagban lévő minden hidrogén- és szénatomhoz, és csak H20 és CO2 keletkezik. Mivel a sűrítési arány elég kicsi ahhoz, hogy elkerülhető legyen az üzemanyagban lévő egyes anyagok idő előtti ellenőrizetlen öngyulladása a magas kompressziós hőmérséklet miatt (a benzinfrakció jóval alacsonyabb párolgási hőmérsékletű és sokkal magasabb égési hőmérsékletű szénhidrogénekből áll). öngyulladás a dízelfrakcióban lévőktől), a keverék begyulladását egy gyújtógyertya indítja el, és az égés egy bizonyos sebességhatáron mozgó front formájában történik. Sajnos az égéstérben hiányos folyamatokkal járó zónák képződnek, amelyek szén-monoxid és stabil szénhidrogének képződéséhez vezetnek, és amikor a lángfront elmozdul, a perifériáján megnő a nyomás és a hőmérséklet, ami káros nitrogén-oxidok képződéséhez vezet ( nitrogén és a levegő oxigénje között), peroxidok és hidroperoxidok (az oxigén és az üzemanyag között). Ez utóbbinak a kritikus értékekre való felhalmozódása ellenőrizetlen detonációs égéshez vezet, ezért a modern benzinekben viszonylag stabil, nehezen robbantható kémiai "konstrukcióval" rendelkező molekulafrakciókat használnak - számos további folyamatot hajtanak végre. finomítókban az ilyen stabilitás elérése érdekében. beleértve az üzemanyag oktánszámának növekedését. A benzinmotorok nagyrészt rögzített keverékaránya miatt fontos szerepet játszik bennük a fojtószelep, amely a friss levegő mennyiségének beállításával szabályozza a motor terhelését. Ez viszont jelentős veszteségek forrásává válik részleges terhelési módban, és a motor egyfajta "torokdugója" szerepét tölti be.
A dízelmotor megalkotójának, Rudolf Dieselnek az az ötlete, hogy jelentősen növelje a kompressziós arányt, és ezáltal a gép termodinamikai hatásfokát. Így az üzemanyagkamra területe csökken, és az égési energia nem oszlik el a henger falán és a hűtőrendszeren keresztül, hanem maguk a részecskék között "elköltik", amelyek ebben az esetben sokkal közelebb vannak egymáshoz. Egyéb. Ha az ilyen típusú motorok égésterébe előre elkészített levegő-üzemanyag keverék lép be, mint a benzinmotorok esetében, akkor a kompressziós folyamat során egy bizonyos kritikus hőmérséklet elérésekor (a sűrítési aránytól és az üzemanyag típusától függően) ), az öngyulladási folyamat jóval a GMT előtt megindul. szabályozatlan térfogati égés. Ez az oka annak, hogy a gázolaj befecskendezése az utolsó pillanatban, röviddel a GMT előtt, nagyon magas nyomáson történik, ami jelentős időhiányt okoz a jó párolgáshoz, diffúzióhoz, keveréshez, öngyulladáshoz és szükség van a maximális sebességkorlátozásra. ami ritkán lépi túl a határt. 4500 ford./perctől Ez a megközelítés megfelelő követelményeket támaszt az üzemanyag minőségére vonatkozóan, ami jelen esetben a dízel üzemanyag töredéke - elsősorban az egyenes desztillátumok lényegesen alacsonyabb öngyulladási hőmérséklettel, mivel az instabilabb szerkezet és a hosszú molekulák előfeltétele a könnyebbé tételüknek. szakadás és reakció oxigénnel.
A dízelmotor égési folyamatainak egyik jellemzője egyrészt a keverékben gazdag keverékkel rendelkező zónák a befecskendező furatok körül, ahol az üzemanyag oxidáció nélkül bomlik (repedezik) be a hőmérséklettől, szénrészecskék (korom) forrásává válik. amelyben egyáltalán nincs üzemanyag, és magas hőmérséklet hatására a levegő nitrogénje és oxigénje kémiai kölcsönhatásba lép, nitrogén-oxidokat képezve. Ezért a dízelmotorokat mindig úgy állítják be, hogy közepesen sovány keverékekkel működjenek (vagyis komoly levegőfelesleggel), és a terhelést csak a befecskendezett üzemanyag adagolásával lehet szabályozni. Ezzel elkerülhető a gázkar használata, ami óriási előnyt jelent benzin társaikkal szemben. A benzinmotor néhány hiányosságának pótlására a tervezők olyan motorokat hoztak létre, amelyekben a keverékképződés az úgynevezett "töltésrétegzés".
Részterheléses üzemmódban az optimális sztöchiometrikus keverék csak a gyújtógyertya -elektródák környékén jön létre a befecskendezett üzemanyag -sugár speciális befecskendezése, az irányított légáramlás, a speciális dugattyús homlokprofil és más hasonló módszerek miatt, amelyek biztosítják a gyújtás megbízhatóságát. Ugyanakkor a keverék a kamra térfogatának nagy részében sovány marad, és mivel ebben az üzemmódban a terhelést csak a szállított üzemanyag mennyiségével lehet szabályozni, a fojtószelep teljesen nyitva maradhat. Ez viszont a veszteségek egyidejű csökkenéséhez és a motor termodinamikai hatékonyságának növekedéséhez vezet. Elméletileg minden jól néz ki, de eddig a Mitsubishi és a VW által gyártott ilyen típusú motor sikere nem volt elbűvölő. Általánosságban elmondható, hogy eddig senki sem dicsekedhet azzal, hogy teljes mértékben kihasználja ezeket a technológiai megoldásokat.
És ha "varázsütésre" kombinálja a két motortípus előnyeit? Mi lenne az ideális kombináció a nagy dízelkompressziónak, a keverék homogén eloszlásának az égéstér teljes térfogatában és az azonos térfogatú egyenletes öngyulladásnak? Az utóbbi években az ilyen típusú kísérleti egységek intenzív laboratóriumi vizsgálatai a kipufogógázok káros kibocsátásának jelentős csökkenését mutatták ki (például a nitrogén-oxidok mennyisége akár 99%-kal is csökken!) A benzinmotorokhoz képest a hatékonyság növekedésével. . Úgy tűnik, a jövő valóban a motoroké, amelyeket az autóipari cégek és a független tervezőcégek a közelmúltban a HCCI – Homogén Charge Compression Ignition Engines vagy Homogén Charge Self Ignition Engines – ernyőnév alá vontak össze.
Sok más látszólag "forradalmi" fejlesztéshez hasonlóan az ilyen gép létrehozásának gondolata sem új keletű, és egyelőre a megbízható gyártási modell létrehozására tett kísérletek még mindig sikertelenek. Ugyanakkor az elektronikus folyamatszabályozás növekvő képességei és a gázelosztó rendszerek nagy rugalmassága nagyon reális és optimista kilátást teremt egy új típusú motor számára.
Valójában ebben az esetben egyfajta hibrid a benzin- és dízelmotorok működésének elveiről. Egy jól homogenizált keverék, hasonlóan a benzinmotorokhoz, bejut a HCCI égéstérébe, de a kompresszióból származó hő hatására öngyullad. Az új motortípushoz nincs szükség fojtószelepre sem, mivel sovány keverékekkel működhet. Meg kell azonban jegyezni, hogy ebben az esetben a "sovány" meghatározásának jelentése jelentősen eltér a gázolaj definíciójától, mivel a HCCI-nak nincs teljesen sovány és erősen dúsított keveréke, hanem egyfajta egyenletesen sovány keverék. A működési elv magában foglalja a keverék egyidejű meggyújtását a henger teljes térfogatában, egyenletesen mozgó lángfront nélkül és sokkal alacsonyabb hőmérsékleten. Ez automatikusan a nitrogén-oxidok és a korom mennyiségének jelentős csökkenéséhez vezet a kipufogógázokban, és számos mérvadó forrás szerint sokkal hatékonyabb HCCI-k tömeges bevezetését eredményezi a soros autóipari gyártásban 2010-2015-ben. Körülbelül félmillió hordót fog megmenteni az emberiségnek. olaj naponta.
Ennek elérése előtt azonban a kutatóknak és mérnököknek le kell küzdeniük a jelen pillanatban a legnagyobb akadályt - a modern üzemanyagok eltérő kémiai összetételű, tulajdonságú és viselkedésű frakcióinak felhasználásával az öngyulladási folyamatok megbízható szabályozásának hiányát. Számos kérdést vet fel a folyamatok visszatartása a motor különböző terheléseinél, fordulatszámainál és hőmérsékleti viszonyainál. Egyes szakértők szerint ez történhet úgy, hogy pontosan mért mennyiségű kipufogógázt visszavezetünk a hengerbe, előmelegítjük a keveréket, vagy dinamikusan változtatjuk a sűrítési arányt, vagy közvetlenül a sűrítési arányt módosítjuk (például SVC Saab prototípus) ill. a szelep zárási időzítésének megváltoztatása változó rendszerű gázelosztással.
Egyelőre nem világos, hogy a nagy mennyiségű friss keverék teljes terhelés melletti öngyulladásából adódó zaj és termodinamikai hatások problémája a motor kialakításában hogyan szűnik meg. Az igazi probléma az, hogy a motort alacsony hőmérsékleten kell beindítani a hengerekben, mivel ilyen körülmények között elég nehéz öngyulladást kezdeményezni. Jelenleg sok kutató dolgozik ezen szűk keresztmetszetek kiküszöbölésén azáltal, hogy az érzékelőkkel ellátott prototípusok megfigyelésének eredményeit felhasználja a hengerekben zajló munkafolyamatok folyamatos elektronikus vezérlésére és valós időben történő elemzésére.
Az ebben az irányban dolgozó autóipari cégek – így a Honda, a Nissan, a Toyota és a GM – szakértői szerint valószínűleg először olyan kombinált autókat hoznak létre, amelyek képesek üzemmódot váltani, a gyújtógyertyát pedig egyfajta asszisztensként használják majd ahol a HCCI nehézségekkel küzd. A Volkswagen már hasonló sémát valósít meg CCS (Combined Combustion System) motorjában, amely jelenleg csak speciálisan erre kifejlesztett szintetikus üzemanyaggal működik.
A keverék begyújtása a HCCI motorokban az üzemanyag, a levegő és a kipufogógázok közötti arányok széles tartományában hajtható végre (elég az öngyulladási hőmérséklet elérése), és a rövid égési idő a motor hatásfokának jelentős növekedéséhez vezet. Az új típusú egységek egyes problémái sikeresen megoldhatók hibrid rendszerekkel kombinálva, mint például a Toyota Hybrid Synergy Drive - ebben az esetben a belső égésű motor csak meghatározott, sebesség és terhelés szempontjából optimális üzemmódban használható. munka közben, így megkerülve azokat az üzemmódokat, amelyekben a motor küszködik vagy hatástalanná válik.
A HCCI motorokban az égés, amelyet a keverék hőmérsékletének, nyomásának, mennyiségének és minőségének integrált vezérlésével érnek el GMT közeli helyzetben, valóban nagy problémát jelent a sokkal egyszerűbb gyújtógyertyával történő gyújtás hátterében. Másrészt a HCCI-nak nem kell turbulens folyamatokat létrehoznia, amelyek az öngyújtás egyidejű volumetrikus jellege miatt fontosak a benzin és főleg a dízelmotorok számára. Ugyanakkor éppen ezért kis hőmérséklet-eltérések is jelentős változásokhoz vezethetnek a kinetikus folyamatokban.
A gyakorlatban az ilyen típusú motorok jövője szempontjából a legfontosabb tényező az üzemanyag típusa, a megfelelő tervezési megoldást csak az égéstérben való viselkedésének részletes ismeretében lehet megtalálni. Ezért jelenleg sok autóipari cég dolgozik együtt olajtársaságokkal (például a Toyota és az ExxonMobil), és ebben a szakaszban a legtöbb kísérletet speciálisan tervezett szintetikus üzemanyagokkal végzik, amelyek összetételét és viselkedését előre kiszámítják. A HCCI-ben használt benzin és dízel üzemanyag hatékonysága ellentétes a klasszikus motorok logikájával. A benzinek magas öngyulladási hőmérséklete miatt bennük a kompressziós arány 12:1 és 21:1 között változhat, az alacsonyabb hőmérsékleten meggyulladó gázolajban pedig viszonylag kicsinek kell lennie - mindössze 8 nagyságrendűnek. :1.
Szöveg: Georgy Kolev
Fotó: cég
