Test drive diesel i benzyna: rodzaje

Napięta konfrontacja między silnikami wysokoprężnymi i benzynowymi osiąga punkt kulminacyjny. Najnowsza technologia turbosprężarek, sterowane elektronicznie układy wtrysku bezpośredniego Common Rail, wysokie stopnie sprężania – rywalizacja zbliża te dwa typy silników… I nagle, w samym środku odwiecznego pojedynku, na scenie pojawił się nagle nowy gracz. miejsce pod słońcem.

Po wielu latach zaniedbań projektanci na nowo odkryli ogromny potencjał silnika wysokoprężnego i przyspieszyli jego rozwój poprzez intensywne wprowadzanie nowych technologii. Doszło do tego, że jego dynamiczne osiągi zbliżyły się do charakterystyki benzynowego konkurenta i pozwoliły na stworzenie samochodów do tej pory nie do pomyślenia, takich jak Volkswagen Race Touareg i Audi R10 TDI, które mają więcej niż poważne ambicje wyścigowe. Chronologia wydarzeń ostatnich piętnastu lat jest dobrze znana ... Silniki Diesla 1936 nie różniły się zasadniczo od swoich przodków, stworzonych przez Mercedes-Benz w 13 roku. Nastąpił proces powolnej ewolucji, która w ostatnich latach przerodziła się w potężną eksplozję technologiczną. Pod koniec lat 1 Mercedes odtworzył pierwszy samochodowy turbodiesel, pod koniec lat XNUMX w modelu Audi zadebiutował bezpośredni wtrysk, później diesle otrzymały czterozaworowe głowice, a pod koniec XX wieku elektronicznie sterowane systemy wtrysku Common Rail stały się rzeczywistością. ... Tymczasem do silników benzynowych wprowadzono bezpośredni wtrysk paliwa pod wysokim ciśnieniem, gdzie stopień sprężania osiąga dziś XNUMX: XNUMX w niektórych przypadkach. Ostatnio renesans przeżywa również technologia turbodoładowania, a momenty obrotowe silników benzynowych zaczynają znacznie zbliżać się do wartości momentu obrotowego słynnego elastycznego turbodiesla. Jednak równolegle z modernizacją utrzymuje się stała tendencja do poważnego wzrostu ceny silnika benzynowego… Tak więc pomimo wyraźnych uprzedzeń i polaryzacji opinii na temat silników benzynowych i wysokoprężnych w różnych częściach świata, żaden obaj rywale zyskują namacalną dominację.

Pomimo zbieżności cech obu typów jednostek, nadal istnieją ogromne różnice w charakterze, charakterze i zachowaniu dwóch silników cieplnych.

W przypadku silnika benzynowego mieszanka powietrza i odparowanego paliwa powstaje w znacznie dłuższym okresie czasu i rozpoczyna się na długo przed rozpoczęciem procesu spalania. Niezależnie od tego, czy używany jest gaźnik, czy nowoczesne elektroniczne systemy bezpośredniego wtrysku, celem mieszania jest wytworzenie jednolitej, jednorodnej mieszanki paliwowej o dobrze zdefiniowanym stosunku powietrza do paliwa. Wartość ta jest zwykle zbliżona do tzw. „mieszaniny stechiometrycznej”, w której atomów tlenu jest wystarczająco dużo, aby móc (teoretycznie) związać się w stabilną strukturę z każdym atomem wodoru i węgla w paliwie, tworząc jedynie H20O i CO2. Ponieważ stopień sprężania jest na tyle mały, aby uniknąć przedwczesnego niekontrolowanego samozapłonu niektórych substancji w paliwie na skutek wysokiej temperatury sprężania (frakcja benzynowa składa się z węglowodorów o znacznie niższej temperaturze parowania i znacznie wyższej temperaturze spalania). samozapłon od tych we frakcji oleju napędowego), zapłon mieszanki jest inicjowany przez świecę zapłonową, a spalanie zachodzi w postaci czoła poruszającego się z określoną prędkością. Niestety w komorze spalania tworzą się strefy z niepełnymi procesami, co prowadzi do powstawania tlenku węgla i stabilnych węglowodorów, a przy przemieszczaniu się czoła płomienia wzrasta ciśnienie i temperatura na jego obrzeżach, co prowadzi do powstawania szkodliwych tlenków azotu ( między azotem a tlenem z powietrza), nadtlenkami i wodoronadtlenkami (między tlenem a paliwem). Nagromadzenie tego ostatniego do wartości krytycznych prowadzi do niekontrolowanego spalania detonacyjnego, dlatego we współczesnych benzynach stosuje się frakcje cząsteczek o stosunkowo stabilnej, trudnej do zdetonowania „konstrukcji” chemicznej – przeprowadza się szereg dodatkowych procesów w rafineriach, aby osiągnąć taką stabilność. w tym zwiększenie liczby oktanowej paliwa. Ze względu na w dużej mierze stały stosunek mieszanki, z jakim mogą pracować silniki benzynowe, ważną rolę odgrywa w nich przepustnica, za pomocą której reguluje się obciążenie silnika poprzez regulację ilości świeżego powietrza. Jednak to z kolei staje się źródłem znacznych strat w trybie częściowego obciążenia, pełniąc rolę swego rodzaju „zatyczki gardzieli” silnika.

Ideą twórcy silnika wysokoprężnego Rudolfa Diesela jest znaczne zwiększenie stopnia sprężania, a co za tym idzie sprawności termodynamicznej maszyny. W ten sposób zmniejsza się powierzchnia komory paliwowej, a energia spalania nie jest rozpraszana przez ścianki cylindra i układ chłodzenia, ale jest „wydawana” między samymi cząstkami, które w tym przypadku są znacznie bliżej siebie Inny. Jeśli do komory spalania tego typu silnika, tak jak w przypadku silnika benzynowego, dostanie się wstępnie przygotowana mieszanka paliwowo-powietrzna, to po osiągnięciu w procesie sprężania określonej temperatury krytycznej (zależnej od stopnia sprężania i rodzaju paliwa ), proces samozapłonu rozpocznie się na długo przed GMT. niekontrolowane spalanie objętościowe. Z tego powodu olej napędowy jest wtryskiwany w ostatniej chwili, tuż przed GMT, pod bardzo wysokim ciśnieniem, co powoduje znaczny brak czasu na dobre odparowanie, dyfuzję, wymieszanie, samozapłon i konieczność ograniczenia prędkości maksymalnej który rzadko przekracza limit. od 4500 obr./min Takie podejście stawia odpowiednie wymagania jakości paliwa, którym w tym przypadku jest frakcja oleju napędowego – głównie destylaty proste o znacznie niższej temperaturze samozapłonu, gdyż bardziej niestabilna struktura i długie cząsteczki warunkują ich łatwiejsze pęknięcie i reakcja z tlenem.

Cechą procesów spalania silnika wysokoprężnego są z jednej strony strefy o bogatej mieszance wokół otworów wtryskowych, w których paliwo rozkłada się (pęka) pod wpływem temperatury bez utleniania, zamieniając się w źródło cząstek węgla (sadzy), az drugiej strony. w którym w ogóle nie ma paliwa i pod wpływem wysokiej temperatury azot i tlen z powietrza wchodzą w interakcje chemiczne, tworząc tlenki azotu. Dlatego silniki wysokoprężne są zawsze dostrojone do pracy z mieszankami średnio ubogimi (czyli z dużym nadmiarem powietrza), a obciążenie jest kontrolowane tylko poprzez dozowanie ilości wtryskiwanego paliwa. Pozwala to uniknąć używania przepustnicy, co jest ogromną zaletą w stosunku do ich benzynowych odpowiedników. Aby zrekompensować niektóre wady silnika benzynowego, konstruktorzy stworzyli silniki, w których proces tworzenia mieszanki to tak zwane „rozwarstwienie ładunku”.

W trybie obciążenia częściowego optymalna mieszanina stechiometryczna powstaje tylko w obszarze wokół elektrod świecy zapłonowej dzięki specjalnemu wtryskowi wtryskiwanego strumienia paliwa, ukierunkowanemu przepływowi powietrza, specjalnemu profilowi ​​czół tłoka i innym podobnym metodom zapewniającym zapłon niezawodność. Jednocześnie mieszanka w większości objętości komory pozostaje uboga, a ponieważ obciążenie w tym trybie może być kontrolowane tylko ilością dostarczanego paliwa, przepustnica może pozostać całkowicie otwarta. To z kolei prowadzi do jednoczesnego zmniejszenia strat i wzrostu sprawności termodynamicznej silnika. W teorii wszystko wygląda świetnie, ale do tej pory sukces tego typu silnika produkowanego przez Mitsubishi i VW nie był olśniewający. Generalnie na razie nikt nie może pochwalić się pełnym wykorzystaniem tych rozwiązań technologicznych.

A gdyby tak „magicznie” połączyć zalety obu typów silników? Jakie byłoby idealne połączenie wysokiego sprężania oleju napędowego, jednorodnego rozprowadzenia mieszanki w całej objętości komory spalania i równomiernego samozapłonu w tej samej objętości? Intensywne badania laboratoryjne jednostek doświadczalnych tego typu w ostatnich latach wykazały znaczną redukcję szkodliwych emisji w spalinach (przykładowo ilość tlenków azotu jest zmniejszona nawet o 99%!) przy wzroście sprawności w porównaniu do silników benzynowych . Wygląda na to, że przyszłość rzeczywiście należy do silników, które firmy motoryzacyjne i niezależne firmy projektowe połączyły ostatnio pod wspólną nazwą HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition Engines lub Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

Jak wiele innych pozornie „rewolucyjnych” rozwiązań, pomysł stworzenia takiej maszyny nie jest nowy, a próby stworzenia niezawodnego modelu produkcji wciąż kończą się niepowodzeniem. Jednocześnie rosnące możliwości elektronicznego sterowania procesem technologicznym oraz duża elastyczność systemów dystrybucji gazu stwarza bardzo realistyczną i optymistyczną perspektywę dla nowego typu silnika.

W rzeczywistości w tym przypadku jest to rodzaj hybrydy zasad działania silników benzynowych i wysokoprężnych. Dobrze zhomogenizowana mieszanka, podobnie jak w silnikach benzynowych, wchodzi do komór spalania HCCI, ale samozapala się pod wpływem ciepła ze sprężania. Nowy typ silnika nie wymaga również przepustnicy, ponieważ może pracować na ubogich mieszankach. Należy jednak zauważyć, że w tym przypadku znaczenie definicji „ubogi” różni się znacznie od definicji oleju napędowego, ponieważ HCCI nie ma całkowicie ubogiej i wysoko wzbogaconej mieszanki, ale jest rodzajem jednorodnie ubogiej mieszanki. Zasada działania polega na jednoczesnym zapłonie mieszanki w całej objętości cylindra bez równomiernie poruszającego się czoła płomienia i przy znacznie niższej temperaturze. To automatycznie prowadzi do znacznego zmniejszenia ilości tlenków azotu i sadzy w spalinach, a także, według wielu autorytatywnych źródeł, do masowego wprowadzania znacznie wydajniejszych HCCI do seryjnej produkcji samochodów w latach 2010-2015. Uratuje ludzkość około pół miliona baryłek. olej codziennie.

Jednak zanim to się stanie, naukowcy i inżynierowie muszą pokonać największą obecnie przeszkodę - brak niezawodnego sposobu kontrolowania procesów samozapłonu za pomocą zawierających frakcje o różnym składzie chemicznym, właściwościach i zachowaniu nowoczesnych paliw. Szereg pytań budzi powstrzymywanie procesów przy różnych obciążeniach, obrotach i warunkach temperaturowych silnika. Zdaniem niektórych ekspertów można tego dokonać zawracając dokładnie odmierzoną ilość spalin z powrotem do cylindra, podgrzewając mieszankę, dynamicznie zmieniając stopień sprężania lub bezpośrednio zmieniając stopień sprężania (np. prototyp SVC Saab) lub zmiana czasu zamykania zaworów za pomocą zmiennych układów dystrybucji gazu.

Nie jest jeszcze jasne, w jaki sposób zostanie wyeliminowany problem hałasu i wpływu termodynamicznego na konstrukcję silnika w wyniku samozapłonu dużej ilości świeżej mieszanki przy pełnym obciążeniu. Prawdziwym problemem jest uruchomienie silnika przy niskiej temperaturze w cylindrach, ponieważ w takich warunkach dość trudno jest zainicjować samozapłon. Obecnie wielu badaczy pracuje nad wyeliminowaniem tych wąskich gardeł, wykorzystując wyniki obserwacji prototypów z czujnikami do ciągłej elektronicznej kontroli i analizy procesów pracy w cylindrach w czasie rzeczywistym.

Według ekspertów z firm motoryzacyjnych pracujących w tym kierunku, w tym Hondy, Nissana, Toyoty i GM, prawdopodobne jest, że najpierw powstaną samochody kombinowane, które będą mogły przełączać tryby pracy, a świeca zapłonowa będzie służyć jako swego rodzaju pomocnik w przypadkach gdzie HCCI doświadcza trudności. Volkswagen wdraża już podobny schemat w swoim silniku CCS (Combined Combustion System), który obecnie pracuje wyłącznie na specjalnie opracowanym dla niego paliwie syntetycznym.

Zapłon mieszanki w silnikach HCCI może odbywać się w szerokim zakresie proporcji paliwa, powietrza i spalin (wystarczy osiągnąć temperaturę samozapłonu), a krótki czas spalania prowadzi do znacznego wzrostu sprawności silnika. Niektóre problemy nowych typów jednostek można z powodzeniem rozwiązać w połączeniu z systemami hybrydowymi, takimi jak Hybrydowy napęd synergiczny Toyoty – w tym przypadku silnik spalinowy może pracować tylko w określonym trybie, który jest optymalny pod względem prędkości i obciążenia. w pracy, omijając w ten sposób tryby, w których silnik ma trudności lub staje się nieefektywny.

Spalanie w silnikach HCCI, osiągane poprzez zintegrowaną kontrolę temperatury, ciśnienia, ilości i jakości mieszanki w pozycji zbliżonej do GMT, jest rzeczywiście dużym problemem na tle znacznie prostszego zapłonu za pomocą świecy zapłonowej. Z drugiej strony HCCI nie musi tworzyć burzliwych procesów, które są ważne dla silników benzynowych, a zwłaszcza silników Diesla, ze względu na jednoczesny wolumetryczny charakter samozapłonu. Jednocześnie z tego powodu nawet niewielkie odchylenia temperatury mogą prowadzić do znacznych zmian w procesach kinetycznych.

W praktyce najważniejszym czynnikiem dla przyszłości tego typu silnika jest rodzaj paliwa, a prawidłowe rozwiązanie konstrukcyjne można znaleźć jedynie przy szczegółowej znajomości jego zachowania w komorze spalania. Dlatego wiele firm motoryzacyjnych współpracuje obecnie z koncernami naftowymi (takimi jak Toyota czy ExxonMobil), a większość eksperymentów na tym etapie przeprowadza się ze specjalnie zaprojektowanymi paliwami syntetycznymi, których skład i zachowanie są z góry obliczone. Efektywność wykorzystania benzyny i oleju napędowego w HCCI jest sprzeczna z logiką klasycznych silników. Ze względu na wysoką temperaturę samozapłonu benzyn, stopień sprężania w nich może wahać się od 12:1 do 21:1, a w oleju napędowym, który zapala się w niższych temperaturach, powinien być stosunkowo niewielki - rzędu zaledwie 8 :1.

Tekst: Georgy Kolev

Zdjęcie: firma