Provkör diesel och bensin: typer

Den spända konfrontationen mellan diesel- och bensinmotorer når sin kulmen. Den senaste turbotekniken, elektroniskt styrda common-rail direktinsprutningssystem, höga kompressionsförhållanden – rivaliteten för de två typerna av motorer närmare... Och plötsligt, mitt i en uråldrig duell, dök plötsligt en ny spelare upp på scenen. en plats under solen.

Efter många års försummelse har designers återupptäckt dieselmotorns enorma potential och påskyndat utvecklingen genom intensiv introduktion av ny teknik. Det kom till den grad att dess dynamiska prestanda närmade sig egenskaperna hos en bensinkonkurrent och möjliggjorde skapandet av hittills otänkbara bilar som Volkswagen Race Touareg och Audi R10 TDI med mer än allvarliga racingambitioner. Händelserna under de senaste femton åren är välkända ... 1936-dieselmotorer skilde sig inte fundamentalt från deras förfäder, skapade av Mercedes-Benz 13. En process av långsam utveckling följde, som under de senaste åren har vuxit till en kraftfull teknisk explosion. I slutet av 1-talet återskapade Mercedes den första bil-turbodieseln, i slutet av XNUMX-talet, direktinsprutning debuterade i Audi-modellen, senare fick dieslar fyra-ventilhuvuden och i de sena XNUMX blev elektroniskt styrda Common Rail-injektionssystem verklighet. ... Under tiden har högtrycks direkt bränsleinsprutning införts i bensinmotorer, där kompressionsförhållandet idag når XNUMX: XNUMX i vissa fall. Nyligen upplever turbotekniken också en renässans, där bensinmotorns vridmoment börjar närma sig betydligt vridmomentvärdena för den berömda flexibla turbodieseln. Men parallellt med moderniseringen kvarstår en stadig tendens till en allvarlig prisstigning på bensinmotorn ... Så trots de uttalade fördomarna och polarisering av åsikter om bensin- och dieselmotorer i olika delar av världen, ingen av de två rivalerna får påtaglig dominans.

Trots sammanfallet av egenskaperna hos de två typerna av enheter finns det fortfarande stora skillnader i de två värmemotorernas natur, karaktär och beteende.

När det gäller en bensinmotor bildas blandningen av luft och avdunstat bränsle under en mycket längre tid och börjar långt innan förbränningsprocessen börjar. Oavsett om man använder en förgasare eller moderna elektroniska direktinsprutningssystem, är målet med blandningen att producera en enhetlig, homogen bränsleblandning med ett väldefinierat luft-bränsleförhållande. Detta värde ligger vanligtvis nära den så kallade "stökiometriska blandningen", i vilken det finns tillräckligt med syreatomer för att (teoretiskt) kunna binda i en stabil struktur med varje väte- och kolatom i bränslet, och bilda endast H20 och CO2. Eftersom kompressionsförhållandet är tillräckligt litet för att undvika för tidig okontrollerad självantändning av vissa ämnen i bränslet på grund av hög kompressionstemperatur (bensinfraktionen består av kolväten med mycket lägre förångningstemperatur och mycket högre förbränningstemperatur). självantändning från de i dieselfraktionen), initieras antändning av blandningen av ett tändstift och förbränning sker i form av en front som rör sig med en viss hastighetsgräns. Tyvärr bildas zoner med ofullständiga processer i förbränningskammaren, vilket leder till bildning av kolmonoxid och stabila kolväten, och när flamfronten rör sig ökar trycket och temperaturen vid dess periferi, vilket leder till bildandet av skadliga kväveoxider ( mellan kväve och syre från luften), peroxider och hydroperoxider (mellan syre och bränsle). Ackumuleringen av de senare till kritiska värden leder till okontrollerad detonationsförbränning, därför används i moderna bensin fraktioner av molekyler med en relativt stabil, svårdetonerad kemisk "konstruktion" - ett antal ytterligare processer utförs vid raffinaderier för att uppnå sådan stabilitet. inklusive en ökning av bränslets oktantal. På grund av det i stort sett fasta blandningsförhållandet som bensinmotorer kan köra, spelar gasspjällsventilen en viktig roll i dem, genom vilken motorbelastningen regleras genom att justera mängden frisk luft. Men det blir i sin tur en källa till betydande förluster i dellastläget, och spelar rollen som en slags "halsplugg" av motorn.

Idén med skaparen av dieselmotorn, Rudolf Diesel, är att avsevärt öka kompressionsförhållandet och därmed maskinens termodynamiska effektivitet. Således minskar bränslekammarens yta, och förbränningsenergin försvinner inte genom cylinderns väggar och kylsystemet, utan "förbrukas" mellan partiklarna själva, som i detta fall är mycket närmare varje Övrig. Om en förberedd luft-bränsleblandning kommer in i förbränningskammaren i denna typ av motor, som i fallet med en bensinmotor, då när en viss kritisk temperatur uppnås under kompressionsprocessen (beroende på kompressionsförhållandet och typen av bränsle ), kommer självantändningsprocessen att initieras långt före GMT. okontrollerad volymetrisk förbränning. Det är av denna anledning som dieselbränsle sprutas in i sista stund, strax före GMT, vid mycket högt tryck, vilket skapar en betydande tidsbrist för god avdunstning, diffusion, blandning, självantändning och behov av en högsta hastighetsgräns som sällan överskrider gränsen. från 4500 rpm Detta tillvägagångssätt ställer lämpliga krav på bränslets kvalitet, vilket i detta fall är en bråkdel av dieselbränsle - huvudsakligen raka destillat med en betydligt lägre självantändningstemperatur, eftersom en mer instabil struktur och långa molekyler är en förutsättning för att de ska bli lättare bristning och reaktion med syre.

Ett särdrag hos förbränningsprocesserna hos en dieselmotor är å ena sidan zoner med en anrikad blandning runt injektionshålen, där bränsle sönderdelas (sprickor) från temperatur utan oxidation, förvandlas till en källa av kolpartiklar (sot) och å andra sidan. där det inte finns något bränsle alls och under påverkan av högtemperatur kväve och syre i luften kommer in i en kemisk interaktion och bildar kväveoxider. Därför är dieselmotorer alltid inställda på att fungera med medelstora blandningar (det vill säga med ett allvarligt överskott av luft) och belastningen styrs endast av doseringen av mängden injicerat bränsle. Detta undviker att använda gasen, vilket är en stor fördel jämfört med deras bensinmotsvarigheter. För att kompensera för några av bristerna i en bensinmotor har konstruktörer skapat motorer där blandningsbildningen är den så kallade "laddningsstratifiering".

I delbelastningsläge skapas den optimala stökiometriska blandningen endast i området runt tändstiftselektroderna på grund av en speciell injektion av en insprutad bränslejustering, ett riktat luftflöde, en speciell kolvfrontprofil och andra liknande metoder som säkerställer tändningssäkerhet. Samtidigt förblir blandningen i det mesta av kammarvolymen mager, och eftersom belastningen i detta läge endast kan styras av mängden tillfört bränsle, kan gasventilen förbli helt öppen. Detta leder i sin tur till en samtidig minskning av förluster och en ökning av motorns termodynamiska effektivitet. I teorin ser allt bra ut, men hittills har framgångarna för denna typ av motor från Mitsubishi och VW inte varit glamorösa. Generellt sett kan ingen skryta med att de har utnyttjat fördelarna med dessa tekniska lösningar fullt ut.

Och om man "magiskt" kombinerar fördelarna med de två motortyperna? Vilken skulle vara den ideala kombinationen av hög dieselkompression, homogen fördelning av blandningen genom hela förbränningskammarens volym och enhetlig självantändning i samma volym? Intensiva laboratoriestudier av experimentella enheter av denna typ de senaste åren har visat en betydande minskning av skadliga utsläpp i avgaser (till exempel minskar mängden kväveoxider med upp till 99%!) Med en ökad effektivitet jämfört med bensinmotorer . Det verkar som att framtiden verkligen tillhör motorer, som bilföretag och oberoende designföretag nyligen har slagit ihop under paraplynamnet HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines eller Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

Liksom många andra till synes "revolutionära" utvecklingar är tanken på att skapa en sådan maskin inte ny, och medan försök att skapa en pålitlig produktionsmodell fortfarande inte lyckas. Samtidigt skapar de växande möjligheterna för elektronisk kontroll av den tekniska processen och den stora flexibiliteten hos gasdistributionssystem ett mycket realistiskt och optimistiskt perspektiv för en ny typ av motor.

I det här fallet är det faktiskt en slags hybrid av principerna för drift av bensin- och dieselmotorer. En väl homogeniserad blandning, som i bensinmotorer, kommer in i HCCI: s förbränningskammare, men den självantänds av värmen från kompressionen. Den nya motortypen kräver inte heller en gasventil eftersom den kan köras på magra blandningar. Det bör emellertid noteras att i detta fall skiljer sig betydelsen av definitionen av "mager" signifikant från definitionen av diesel, eftersom HCCI inte har en helt mager och höganrikad blandning utan är en slags jämn mager blandning. Funktionsprincipen innefattar samtidig antändning av blandningen i hela volymen av cylindern utan en jämnt rörlig flamfront och vid en mycket lägre temperatur. Detta leder automatiskt till en betydande minskning av mängden kväveoxider och sot i avgaserna, och enligt ett antal auktoritativa källor, den massiva införandet av mycket mer effektiva HCCI i seriell bilproduktion under 2010-2015. Sparar mänskligheten ungefär en halv miljon fat. olja dagligen.

Men innan de uppnår detta måste forskare och ingenjörer övervinna den största stötestenen för tillfället - avsaknaden av ett tillförlitligt sätt att kontrollera självantändningsprocesser med hjälp av innehållande fraktioner med olika kemisk sammansättning, egenskaper och beteende hos moderna bränslen. Ett antal frågor orsakas av inneslutningen av processer vid olika belastningar, varv och temperaturförhållanden för motorn. Enligt vissa experter kan detta göras genom att återföra en exakt uppmätt mängd avgaser tillbaka till cylindern, förvärma blandningen eller dynamiskt ändra kompressionsförhållandet, eller direkt ändra kompressionsförhållandet (till exempel SVC Saab-prototypen) eller ändring av ventilens stängningstid med hjälp av variabel gasdistribution.

Det är ännu inte klart hur problemet med buller och termodynamiska effekter på motorkonstruktionen på grund av självantändning av en stor mängd färsk blandning vid full belastning kommer att elimineras. Det verkliga problemet är att starta motorn vid en låg temperatur i cylindrarna, eftersom det är ganska svårt att initiera självantändning under sådana förhållanden. För närvarande arbetar många forskare med att eliminera dessa flaskhalsar genom att använda resultaten av observationer av prototyper med sensorer för kontinuerlig elektronisk styrning och analys av arbetsprocesser i cylindrar i realtid.

Enligt experter från bilföretag som arbetar i denna riktning, inklusive Honda, Nissan, Toyota och GM, är det troligt att kombinationsbilar först kommer att skapas som kan byta driftläge, och tändstiftet kommer att användas som en slags assistent i fall där HCCI upplever svårigheter. Volkswagen implementerar redan ett liknande system i sin CCS-motor (Combined Combustion System), som för närvarande endast drivs med syntetiskt bränsle speciellt utvecklat för den.

Tändning av blandningen i HCCI-motorer kan utföras i ett brett spektrum av förhållanden mellan bränsle, luft och avgaser (det räcker för att nå självantändningstemperaturen), och en kort förbränningstid leder till en betydande ökning av motoreffektiviteten. Vissa problem med nya typer av enheter kan framgångsrikt lösas i kombination med hybridsystem, som Toyotas Hybrid Synergy Drive – i det här fallet kan förbränningsmotorn endast användas i ett visst läge som är optimalt vad gäller hastighet och belastning. på jobbet och därmed kringgå lägen där motorn kämpar på eller blir ineffektiv.

Förbränning i HCCI-motorer, uppnådd genom integrerad kontroll av temperatur, tryck, kvantitet och kvalitet av blandningen i en position nära GMT, är verkligen ett stort problem mot bakgrund av mycket enklare tändning med tändstift. Å andra sidan behöver HCCI inte skapa turbulenta processer, som är viktiga för bensin- och speciellt dieselmotorer, på grund av att självantändningen samtidigt är volymetrisk. Samtidigt är det av denna anledning att även små temperaturavvikelser kan leda till betydande förändringar i kinetiska processer.

I praktiken är den viktigaste faktorn för framtiden för denna typ av motor typen av bränsle, och den korrekta designlösningen kan endast hittas med en detaljerad kunskap om dess beteende i förbränningskammaren. Därför arbetar många bilföretag för närvarande med oljebolag (som Toyota och ExxonMobil), och de flesta av experimenten i detta skede utförs med specialdesignade syntetiska bränslen, vars sammansättning och beteende beräknas i förväg. Effektiviteten av att använda bensin och diesel i HCCI strider mot logiken hos klassiska motorer. På grund av bensinens höga självantändningstemperatur kan kompressionsförhållandet i dem variera från 12:1 till 21:1, och i dieselbränsle, som antänds vid lägre temperaturer, bör det vara relativt litet - i storleksordningen endast 8 :1.

Text: Georgy Kolev

Foto: företag