Δοκιμαστική κίνηση ντίζελ και βενζίνης: τύποι

Η τεταμένη αντιπαράθεση μεταξύ κινητήρων ντίζελ και βενζίνης φτάνει στο αποκορύφωμά της. Η τελευταία τεχνολογία turbo, ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα άμεσου ψεκασμού common-rail, υψηλές αναλογίες συμπίεσης – ο ανταγωνισμός φέρνει τους δύο τύπους κινητήρων πιο κοντά… Και ξαφνικά, στη μέση μιας αρχαίας μονομαχίας, ένας νέος παίκτης εμφανίστηκε ξαφνικά στη σκηνή. ένα μέρος κάτω από τον ήλιο.

Μετά από πολλά χρόνια παραμέλησης, οι σχεδιαστές ανακάλυψαν ξανά τις τεράστιες δυνατότητες του κινητήρα ντίζελ και επιτάχυναν την ανάπτυξή του μέσω της εντατικής εισαγωγής νέων τεχνολογιών. Έφτασε στο σημείο ότι η δυναμική του απόδοση προσέγγισε τα χαρακτηριστικά ενός ανταγωνιστή βενζίνης και επέτρεψε τη δημιουργία μέχρι τώρα αδιανόητων αυτοκινήτων όπως το Volkswagen Race Touareg και το Audi R10 TDI με περισσότερο από σοβαρές αγωνιστικές φιλοδοξίες. Η χρονολογία των γεγονότων των τελευταίων δεκαπέντε ετών είναι γνωστή ... Οι κινητήρες ντίζελ των 1936 δεν διέφεραν ουσιαστικά από τους προγόνους τους, που δημιουργήθηκαν από τη Mercedes-Benz το 13. Ακολούθησε μια διαδικασία αργής εξέλιξης, η οποία τα τελευταία χρόνια εξελίχθηκε σε μια ισχυρή τεχνολογική έκρηξη. Στα τέλη της δεκαετίας του 1, η Mercedes δημιούργησε το πρώτο τουρμποντίζελ αυτοκινήτου, στα τέλη του XNUMXου έτους, ο άμεσος ψεκασμός έκανε το ντεμπούτο του στο μοντέλο Audi, αργότερα οι ντίζελ έλαβαν κεφαλές τεσσάρων βαλβίδων και στα τέλη του XNUMX, τα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα έγχυσης Common Rail έγιναν πραγματικότητα. ... Εν τω μεταξύ, ο άμεσος ψεκασμός καυσίμου υψηλής πίεσης έχει εισαχθεί σε κινητήρες βενζίνης, όπου ο λόγος συμπίεσης σήμερα φτάνει το XNUMX: XNUMX σε ορισμένες περιπτώσεις. Πρόσφατα, η τεχνολογία turbo βιώνει επίσης μια αναγέννηση, με τις τιμές ροπής των βενζινοκινητήρων να αρχίζουν να πλησιάζουν σημαντικά τις τιμές ροπής του διάσημου εύκαμπτου τούρμπο ντίζελ. Ωστόσο, παράλληλα με τον εκσυγχρονισμό, παραμένει μια σταθερή τάση για σοβαρή αύξηση της τιμής του βενζινοκινητήρα ... Έτσι, παρά τις έντονες προκαταλήψεις και την πόλωση των απόψεων σχετικά με τους κινητήρες βενζίνης και ντίζελ σε διάφορα μέρη του κόσμου, κανένα από τα οι δύο αντίπαλοι κερδίζουν απτή κυριαρχία.

Παρά τη σύμπτωση των ιδιοτήτων των δύο τύπων μονάδων, εξακολουθούν να υπάρχουν τεράστιες διαφορές στη φύση, το χαρακτήρα και τη συμπεριφορά των δύο κινητήρων θερμότητας.

Στην περίπτωση ενός βενζινοκινητήρα, το μείγμα αέρα και εξατμισμένου καυσίμου σχηματίζεται σε πολύ μεγαλύτερο χρονικό διάστημα και ξεκινά πολύ πριν από την έναρξη της διαδικασίας καύσης. Είτε χρησιμοποιείτε καρμπυρατέρ είτε σύγχρονα ηλεκτρονικά συστήματα άμεσου ψεκασμού, ο στόχος της ανάμειξης είναι να παραχθεί ένα ομοιόμορφο, ομοιογενές μείγμα καυσίμου με μια καλά καθορισμένη αναλογία αέρα-καυσίμου. Αυτή η τιμή είναι συνήθως κοντά στο λεγόμενο «στοιχειομετρικό μείγμα», στο οποίο υπάρχουν αρκετά άτομα οξυγόνου για να μπορούν (θεωρητικά) να συνδεθούν σε μια σταθερή δομή με κάθε άτομο υδρογόνου και άνθρακα στο καύσιμο, σχηματίζοντας μόνο H20 και CO2. Επειδή η αναλογία συμπίεσης είναι αρκετά μικρή ώστε να αποφευχθεί η πρόωρη ανεξέλεγκτη αυτόματη ανάφλεξη ορισμένων ουσιών στο καύσιμο λόγω υψηλής θερμοκρασίας συμπίεσης (το κλάσμα βενζίνης αποτελείται από υδρογονάνθρακες με πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία εξάτμισης και πολύ υψηλότερη θερμοκρασία καύσης). αυτανάφλεξη από αυτές στο κλάσμα ντίζελ), η ανάφλεξη του μείγματος ξεκινά από ένα μπουζί και η καύση εμφανίζεται με τη μορφή ενός μπροστινού μέρους που κινείται με ένα ορισμένο όριο ταχύτητας. Δυστυχώς, στον θάλαμο καύσης σχηματίζονται ζώνες με ατελείς διεργασίες, που οδηγούν στο σχηματισμό μονοξειδίου του άνθρακα και σταθερών υδρογονανθράκων, και όταν κινείται το μέτωπο της φλόγας, αυξάνεται η πίεση και η θερμοκρασία στην περιφέρειά του, γεγονός που οδηγεί στο σχηματισμό επιβλαβών οξειδίων του αζώτου ( μεταξύ αζώτου και οξυγόνου από τον αέρα), υπεροξειδίων και υδροϋπεροξειδίων (μεταξύ οξυγόνου και καυσίμου). Η συσσώρευση του τελευταίου σε κρίσιμες τιμές οδηγεί σε ανεξέλεγκτη καύση έκρηξης, επομένως, στις σύγχρονες βενζίνες, χρησιμοποιούνται κλάσματα μορίων με σχετικά σταθερή, δύσκολα πυροδοτούμενη χημική "κατασκευή" - εκτελούνται ορισμένες πρόσθετες διεργασίες στα διυλιστήρια για να επιτευχθεί τέτοια σταθερότητα. συμπεριλαμβανομένης της αύξησης του αριθμού οκτανίων του καυσίμου. Λόγω της σε μεγάλο βαθμό σταθερής αναλογίας μίγματος που μπορούν να λειτουργήσουν οι βενζινοκινητήρες, η βαλβίδα γκαζιού παίζει σημαντικό ρόλο σε αυτές, μέσω της οποίας ρυθμίζεται το φορτίο του κινητήρα ρυθμίζοντας την ποσότητα καθαρού αέρα. Ωστόσο, με τη σειρά του, γίνεται πηγή σημαντικών απωλειών στη λειτουργία μερικού φορτίου, παίζοντας το ρόλο ενός είδους «βύσματος λαιμού» του κινητήρα.

Η ιδέα του δημιουργού του κινητήρα ντίζελ, Rudolf Diesel, είναι να αυξήσει σημαντικά τη σχέση συμπίεσης και ως εκ τούτου τη θερμοδυναμική απόδοση της μηχανής. Έτσι, η περιοχή του θαλάμου καυσίμου μειώνεται και η ενέργεια της καύσης δεν διαχέεται μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου και του συστήματος ψύξης, αλλά "ξοδεύεται" μεταξύ των ίδιων των σωματιδίων, τα οποία στην περίπτωση αυτή είναι πολύ πιο κοντά σε κάθε άλλα. Εάν ένα προπαρασκευασμένο μείγμα αέρα-καυσίμου εισέλθει στον θάλαμο καύσης αυτού του τύπου κινητήρα, όπως στην περίπτωση ενός βενζινοκινητήρα, τότε όταν επιτευχθεί μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία κατά τη διαδικασία συμπίεσης (ανάλογα με τον λόγο συμπίεσης και τον τύπο του καυσίμου ), η διαδικασία αυτανάφλεξης θα ξεκινήσει πολύ πριν από την GMT. ανεξέλεγκτη ογκομετρική καύση. Αυτός είναι ο λόγος που το καύσιμο ντίζελ ψεκάζεται την τελευταία στιγμή, λίγο πριν από την ώρα GMT, σε πολύ υψηλή πίεση, γεγονός που δημιουργεί σημαντική έλλειψη χρόνου για καλή εξάτμιση, διάχυση, ανάμειξη, αυτανάφλεξη και ανάγκη για ανώτατο όριο ταχύτητας που σπάνια υπερβαίνει το όριο. από τις 4500 σ.α.λ. Αυτή η προσέγγιση θέτει κατάλληλες απαιτήσεις για την ποιότητα του καυσίμου, το οποίο σε αυτή την περίπτωση είναι ένα κλάσμα του καυσίμου ντίζελ - κυρίως αποστάγματα με σημαντικά χαμηλότερη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης, καθώς η πιο ασταθής δομή και τα μακρά μόρια αποτελούν προϋπόθεση για την ευκολότερη ρήξη και αντίδραση με οξυγόνο.

Ένα χαρακτηριστικό των διαδικασιών καύσης ενός κινητήρα ντίζελ είναι, αφενός, ζώνες με εμπλουτισμένο μείγμα γύρω από τις οπές έγχυσης, όπου το καύσιμο αποσυντίθεται (ρωγμές) από τη θερμοκρασία χωρίς οξείδωση, μετατρέπεται σε πηγή σωματιδίων άνθρακα (αιθάλη) και από την άλλη. στην οποία δεν υπάρχει καθόλου καύσιμο και, υπό την επίδραση υψηλής θερμοκρασίας, το άζωτο και το οξυγόνο του αέρα εισέρχονται σε χημική αλληλεπίδραση, σχηματίζοντας οξείδια του αζώτου. Επομένως, οι κινητήρες ντίζελ είναι πάντα συντονισμένοι ώστε να λειτουργούν με μείγματα μεσαίου βάρους (δηλαδή, με σοβαρή περίσσεια αέρα) και το φορτίο ελέγχεται μόνο με τη δόση της ποσότητας του εγχυόμενου καυσίμου. Αυτό αποφεύγει τη χρήση του γκαζιού, το οποίο είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα έναντι των αντίστοιχων βενζίνης. Για να αντισταθμίσουν ορισμένα από τα μειονεκτήματα ενός κινητήρα βενζίνης, οι σχεδιαστές δημιούργησαν κινητήρες στους οποίους η διαδικασία σχηματισμού μείγματος είναι η λεγόμενη "διαστρωμάτωση φορτίου".

Σε κατάσταση μερικής φόρτωσης, το βέλτιστο στοιχειομετρικό μείγμα δημιουργείται μόνο στην περιοχή γύρω από τα ηλεκτρόδια του μπουζί λόγω ειδικής έγχυσης ψεκασμού καυσίμου, κατευθυνόμενης ροής αέρα, ειδικού μπροστινού προφίλ εμβόλου και άλλων παρόμοιων μεθόδων που εξασφαλίζουν αξιοπιστία ανάφλεξης. Ταυτόχρονα, το μείγμα στο μεγαλύτερο μέρος του όγκου του θαλάμου παραμένει άπαχο και δεδομένου ότι το φορτίο σε αυτήν τη λειτουργία μπορεί να ελεγχθεί μόνο από την ποσότητα του καυσίμου που παρέχεται, η βαλβίδα γκαζιού μπορεί να παραμείνει πλήρως ανοιχτή. Αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί σε ταυτόχρονη μείωση των απωλειών και αύξηση της θερμοδυναμικής απόδοσης του κινητήρα. Θεωρητικά όλα φαίνονται υπέροχα, αλλά μέχρι στιγμής η επιτυχία αυτού του τύπου κινητήρα που παράγεται από τη Mitsubishi και τη VW δεν ήταν λαμπερή. Σε γενικές γραμμές, μέχρι στιγμής κανείς δεν μπορεί να καυχηθεί ότι αξιοποιεί πλήρως αυτές τις τεχνολογικές λύσεις.

Και αν συνδυάσεις «μαγικά» τα πλεονεκτήματα των δύο τύπων κινητήρων; Ποιος θα ήταν ο ιδανικός συνδυασμός υψηλής συμπίεσης ντίζελ, ομοιογενούς κατανομής του μείγματος σε όλο τον όγκο του θαλάμου καύσης και ομοιόμορφης αυτανάφλεξης στον ίδιο όγκο; Οι εντατικές εργαστηριακές μελέτες πειραματικών μονάδων αυτού του τύπου τα τελευταία χρόνια έχουν δείξει σημαντική μείωση των επιβλαβών εκπομπών στα καυσαέρια (για παράδειγμα, η ποσότητα των οξειδίων του αζώτου μειώνεται έως και 99%!) Με αύξηση της απόδοσης σε σύγκριση με τους βενζινοκινητήρες . Φαίνεται ότι το μέλλον ανήκει πράγματι στους κινητήρες, τους οποίους οι αυτοκινητοβιομηχανίες και οι ανεξάρτητες εταιρείες σχεδιασμού συγκέντρωσαν πρόσφατα με την ομπρέλα HCCI - Κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση ομογενούς φόρτισης ή κινητήρες αυτοανάφλεξης ομογενούς φόρτισης.

Όπως πολλές άλλες φαινομενικά «επαναστατικές» εξελίξεις, η ιδέα της δημιουργίας ενός τέτοιου μηχανήματος δεν είναι καινούργια, και μέχρι στιγμής οι προσπάθειες δημιουργίας ενός αξιόπιστου μοντέλου παραγωγής εξακολουθούν να μην έχουν επιτυχία. Ταυτόχρονα, οι αυξανόμενες δυνατότητες ηλεκτρονικού ελέγχου της τεχνολογικής διαδικασίας και η μεγάλη ευελιξία των συστημάτων διανομής αερίου δημιουργούν μια πολύ ρεαλιστική και αισιόδοξη προοπτική για έναν νέο τύπο κινητήρα.

Στην πραγματικότητα, σε αυτή την περίπτωση είναι ένα είδος υβριδίου των αρχών λειτουργίας κινητήρων βενζίνης και ντίζελ. Ένα καλά ομογενοποιημένο μείγμα, όπως σε βενζινοκινητήρες, μπαίνει στους θαλάμους καύσης του HCCI, αλλά αυτοαναφλέγεται από τη θερμότητα από τη συμπίεση. Ο νέος τύπος κινητήρα επίσης δεν απαιτεί βαλβίδα πεταλούδας καθώς μπορεί να λειτουργήσει με άπαχο μείγμα. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι σε αυτήν την περίπτωση η έννοια του ορισμού του "άπαχου" είναι σημαντικά διαφορετική από τον ορισμό του ντίζελ, δεδομένου ότι το HCCI δεν έχει εντελώς άπαχο και πολύ εμπλουτισμένο μείγμα, αλλά είναι ένα είδος ομοιόμορφα άπαχου μείγματος. Η αρχή της λειτουργίας περιλαμβάνει την ταυτόχρονη ανάφλεξη του μείγματος σε ολόκληρο τον όγκο του κυλίνδρου χωρίς ομοιόμορφα κινούμενη φλόγα μπροστά και σε πολύ χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτό οδηγεί αυτόματα σε σημαντική μείωση της ποσότητας οξειδίων του αζώτου και αιθάλης στα καυσαέρια, και, σύμφωνα με μια σειρά από έγκυρες πηγές, η μαζική εισαγωγή πολύ πιο αποτελεσματικών HCCI στη σειριακή παραγωγή αυτοκινήτων το 2010-2015. Θα σώσει την ανθρωπότητα περίπου μισό εκατομμύριο βαρέλια. λάδι καθημερινά.

Ωστόσο, πριν το επιτύχουν αυτό, οι ερευνητές και οι μηχανικοί πρέπει να ξεπεράσουν το μεγαλύτερο εμπόδιο αυτή τη στιγμή - την έλλειψη αξιόπιστου τρόπου ελέγχου των διεργασιών αυτοανάφλεξης χρησιμοποιώντας κλάσματα που περιέχουν διαφορετική χημική σύνθεση, ιδιότητες και συμπεριφορά σύγχρονων καυσίμων. Ορισμένα ερωτήματα προκαλούνται από τον περιορισμό των διεργασιών σε διάφορα φορτία, στροφές και συνθήκες θερμοκρασίας του κινητήρα. Σύμφωνα με ορισμένους ειδικούς, αυτό μπορεί να γίνει επιστρέφοντας μια επακριβώς μετρημένη ποσότητα καυσαερίων πίσω στον κύλινδρο, προθέρμανση του μείγματος ή δυναμική αλλαγή του λόγου συμπίεσης ή απευθείας αλλαγή του λόγου συμπίεσης (για παράδειγμα, το πρωτότυπο SVC Saab) ή αλλαγή του χρονισμού κλεισίματος της βαλβίδας χρησιμοποιώντας μεταβλητή κατανομή αερίου συστημάτων.

Δεν είναι ακόμη σαφές πώς θα εξαλειφθεί το πρόβλημα του θορύβου και των θερμοδυναμικών επιδράσεων στη σχεδίαση του κινητήρα λόγω της αυτανάφλεξης μεγάλης ποσότητας φρέσκου μείγματος σε πλήρες φορτίο. Το πραγματικό πρόβλημα είναι η εκκίνηση του κινητήρα σε χαμηλή θερμοκρασία στους κυλίνδρους, καθώς είναι αρκετά δύσκολο να ξεκινήσει η αυτανάφλεξη σε τέτοιες συνθήκες. Επί του παρόντος, πολλοί ερευνητές εργάζονται για την εξάλειψη αυτών των σημείων συμφόρησης χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα των παρατηρήσεων πρωτοτύπων με αισθητήρες για συνεχή ηλεκτρονικό έλεγχο και ανάλυση των διαδικασιών εργασίας σε κυλίνδρους σε πραγματικό χρόνο.

Σύμφωνα με ειδικούς από αυτοκινητοβιομηχανίες που εργάζονται προς αυτή την κατεύθυνση, συμπεριλαμβανομένων των Honda, Nissan, Toyota και GM, είναι πιθανό να δημιουργηθούν πρώτα συνδυαστικά αυτοκίνητα που μπορούν να αλλάξουν τρόπους λειτουργίας και το μπουζί θα χρησιμοποιηθεί ως ένα είδος βοηθού σε περιπτώσεις όπου το HCCI αντιμετωπίζει δυσκολίες. Η Volkswagen εφαρμόζει ήδη ένα παρόμοιο σχέδιο στον κινητήρα της CCS (Combined Combustion System), ο οποίος επί του παρόντος λειτουργεί μόνο με συνθετικό καύσιμο που έχει αναπτυχθεί ειδικά για αυτήν.

Η ανάφλεξη του μείγματος σε κινητήρες HCCI μπορεί να πραγματοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα αναλογιών μεταξύ καυσίμου, αέρα και καυσαερίων (αρκεί να φτάσει στη θερμοκρασία αυτοανάφλεξης) και ένας σύντομος χρόνος καύσης οδηγεί σε σημαντική αύξηση της απόδοσης του κινητήρα. Ορισμένα προβλήματα νέων τύπων μονάδων μπορούν να επιλυθούν επιτυχώς σε συνδυασμό με υβριδικά συστήματα, όπως το Hybrid Synergy Drive της Toyota - σε αυτήν την περίπτωση, ο κινητήρας εσωτερικής καύσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε μια συγκεκριμένη λειτουργία που είναι βέλτιστη όσον αφορά την ταχύτητα και το φορτίο. στην εργασία, παρακάμπτοντας έτσι τις λειτουργίες στις οποίες ο κινητήρας δυσκολεύεται ή γίνεται αναποτελεσματικός.

Η καύση σε κινητήρες HCCI, που επιτυγχάνεται μέσω του ολοκληρωμένου ελέγχου της θερμοκρασίας, της πίεσης, της ποσότητας και της ποιότητας του μείγματος σε μια θέση κοντά στο GMT, είναι πράγματι ένα μεγάλο πρόβλημα στο πλαίσιο πολύ απλούστερης ανάφλεξης με ένα μπουζί. Από την άλλη πλευρά, το HCCI δεν χρειάζεται να δημιουργήσει ταραχώδεις διεργασίες, οι οποίες είναι σημαντικές για βενζίνη και ειδικά για κινητήρες ντίζελ, λόγω της ταυτόχρονης ογκομετρικής φύσης του αυτοανάφλεξης. Ταυτόχρονα, για αυτόν τον λόγο ακόμη και μικρές αποκλίσεις θερμοκρασίας μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντικές αλλαγές στις κινητικές διεργασίες.

Στην πράξη, ο πιο σημαντικός παράγοντας για το μέλλον αυτού του τύπου κινητήρα είναι ο τύπος του καυσίμου και η σωστή σχεδιαστική λύση μπορεί να βρεθεί μόνο με λεπτομερή γνώση της συμπεριφοράς του στον θάλαμο καύσης. Ως εκ τούτου, πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες συνεργάζονται επί του παρόντος με εταιρείες πετρελαίου (όπως η Toyota και η ExxonMobil) και τα περισσότερα από τα πειράματα σε αυτό το στάδιο πραγματοποιούνται με ειδικά σχεδιασμένα συνθετικά καύσιμα, η σύνθεση και η συμπεριφορά των οποίων υπολογίζονται εκ των προτέρων. Η απόδοση της χρήσης βενζίνης και καυσίμου ντίζελ στο HCCI είναι αντίθετη με τη λογική των κλασικών κινητήρων. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας αυτόματης ανάφλεξης των βενζινών, η αναλογία συμπίεσης σε αυτές μπορεί να κυμαίνεται από 12:1 έως 21:1 και στο καύσιμο ντίζελ, το οποίο αναφλέγεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, θα πρέπει να είναι σχετικά μικρό - της τάξης μόνο του 8 :1.

Κείμενο: Georgy Kolev

Φωτογραφία: εταιρεία