Bandomasis važiavimas dyzelinu ir benzinu: tipai
Įtempta dyzelinių ir benzininių variklių akistata pasiekia kulminaciją. Naujausia turbo technologija, elektroniniu būdu valdomos bendrojo bėgio tiesioginio įpurškimo sistemos, aukšti suspaudimo laipsniai – konkurencija suartina dviejų tipų variklius... Ir staiga, senovinės dvikovos viduryje, netikėtai pasirodė naujas žaidėjas. vieta po saule.
Po daugelio metų aplaidumo dizaineriai iš naujo atrado didžiulį dyzelinio variklio potencialą ir paspartino jo vystymąsi intensyviai diegdami naujas technologijas. Ji pasiekė tašką, kad jo dinaminis veikimas priartėjo prie benzino konkurento charakteristikų ir leido sukurti iki šiol neįsivaizduojamus automobilius, tokius kaip „Volkswagen Race Touareg“ ir „Audi R10 TDI“, turinčius daugiau nei rimtų lenktynių ambicijų. Pastarųjų penkiolikos metų įvykių chronologija yra gerai žinoma ... „1936“ dyzeliniai varikliai iš esmės nesiskyrė nuo savo protėvių, sukurtų „Mercedes-Benz“ dar 13 m. Vėliau vyko lėta evoliucija, kuri pastaraisiais metais peraugo į galingą technologinį sprogimą. 1-ojo dešimtmečio pabaigoje „Mercedes“ atkūrė pirmąjį automobilinį turbodyzelinį variklį, XNUMX-ojo dešimtmečio pabaigoje „Audi“ modelyje debiutavo tiesioginis įpurškimas, vėliau dyzeliai gavo keturių vožtuvų galvutes, o XNUMX pabaigoje elektroniniu būdu valdomos „Common Rail“ įpurškimo sistemos tapo realybe. ... Tuo tarpu aukšto slėgio tiesioginis degalų įpurškimas buvo įvestas į benzininius variklius, kur suspaudimo laipsnis šiandien kai kuriais atvejais siekia XNUMX: XNUMX. Pastaruoju metu turbo technologija taip pat išgyvena renesansą - benzininių variklių sukimo momento reikšmės pradėjo gerokai artėti prie garsiojo lankstaus turbo dyzelino sukimo momento verčių. Tačiau kartu su modernizavimu išlieka nuolatinė tendencija rimtai kilti benzininio variklio kainai ... Taigi, nepaisant ryškių išankstinių nuostatų ir nuomonių dėl benzininių ir dyzelinių variklių poliarizacijos įvairiose pasaulio dalyse, nė viena du varžovai įgyja apčiuopiamą dominavimą.
Nepaisant abiejų tipų agregatų savybių sutapimo, vis dar egzistuoja didžiuliai abiejų šiluminių variklių pobūdžio, charakterio ir elgesio skirtumai.
Benzininio variklio atveju oro ir išgaravusio kuro mišinys susidaro per daug ilgesnį laiką ir prasideda dar gerokai iki degimo proceso pradžios. Nesvarbu, ar naudojamas karbiuratorius, ar modernios elektroninės tiesioginio įpurškimo sistemos, maišymo tikslas yra gauti vienodą, homogenišką kuro mišinį su tiksliai apibrėžtu oro ir degalų santykiu. Ši vertė paprastai yra artima vadinamajam „stechiometriniam mišiniui“, kuriame yra pakankamai deguonies atomų, kad būtų galima (teoriškai) susieti stabilią struktūrą su kiekvienu kuro vandenilio ir anglies atomu, sudarydami tik H20 ir CO2. Kadangi suspaudimo laipsnis yra pakankamai mažas, kad būtų išvengta priešlaikinio nekontroliuojamo kai kurių degalų medžiagų savaiminio užsidegimo dėl aukštos suspaudimo temperatūros (benzino frakcija susideda iš angliavandenilių, kurių garavimo temperatūra yra daug mažesnė ir degimo temperatūra yra daug aukštesnė). savaiminis užsidegimas nuo tų, kurie yra dyzelino frakcijoje), mišinio užsidegimą inicijuoja uždegimo žvakė, o degimas vyksta priekio, judančio tam tikru greičio apribojimu, pavidalu. Deja, degimo kameroje susidaro zonos su neužbaigtais procesais, dėl kurių susidaro anglies monoksidas ir stabilūs angliavandeniliai, o judant liepsnos frontui jo periferijoje didėja slėgis ir temperatūra, todėl susidaro kenksmingi azoto oksidai ( tarp azoto ir deguonies iš oro), peroksidai ir hidroperoksidai (tarp deguonies ir kuro). Pastarųjų kaupimasis iki kritinių verčių lemia nekontroliuojamą detonacinį degimą, todėl šiuolaikiniuose benzinuose naudojamos gana stabilios, sunkiai detonuojamos cheminės „konstrukcijos“ molekulių frakcijos – atliekama nemažai papildomų procesų. naftos perdirbimo gamyklose, kad būtų pasiektas toks stabilumas. įskaitant kuro oktaninio skaičiaus padidėjimą. Dėl iš esmės fiksuoto mišinio santykio, kuriuo gali veikti benzininiai varikliai, svarbų vaidmenį juose atlieka droselio sklendė, kuria reguliuojama variklio apkrova reguliuojant gryno oro kiekį. Tačiau jis, savo ruožtu, tampa didelių nuostolių šaltiniu dalinės apkrovos režimu, atlikdamas savotiško variklio „gerklės kamščio“ vaidmenį.
Dyzelinio variklio kūrėjo Rudolfo Dieselio idėja yra žymiai padidinti suspaudimo laipsnį, taigi ir termodinaminį mašinos efektyvumą. Taigi kuro kameros plotas mažėja, o degimo energija neišsisklaido per cilindro sieneles ir aušinimo sistemą, o „išleidžiama“ tarp pačių dalelių, kurios šiuo atveju yra daug arčiau kiekvienos. kitas. Jei iš anksto paruoštas oro ir kuro mišinys patenka į tokio tipo variklio degimo kamerą, kaip ir benzininio variklio atveju, tada, kai suspaudimo proceso metu pasiekiama tam tikra kritinė temperatūra (priklausomai nuo suspaudimo laipsnio ir kuro rūšies). ), savaiminio užsidegimo procesas bus pradėtas gerokai prieš GMT. nekontroliuojamas tūrinis degimas. Būtent dėl šios priežasties dyzelinas įpurškiamas paskutinę akimirką, prieš pat GMT, esant labai aukštam slėgiui, todėl labai trūksta laiko geram garavimui, difuzijai, maišymuisi, savaiminiam užsidegimui ir didžiausio greičio ribojimo poreikiui. kuri retai peržengia ribą. nuo 4500 aps./min. Šis metodas nustato tinkamus reikalavimus degalų kokybei, kuri šiuo atveju yra dyzelinio kuro dalis - daugiausia tiesioginiai distiliatai su žymiai žemesne savaiminio užsidegimo temperatūra, nes nestabilesnė struktūra ir ilgos molekulės yra būtina sąlyga, kad jie būtų lengvesni. plyšimas ir reakcija su deguonimi.
Dyzelinio variklio degimo procesų bruožas, viena vertus, yra zonos su prisodrintu mišiniu aplink įpurškimo angas, kur degalai nuo oksidacijos suyra (įtrūksta) nuo temperatūros, virsta anglies dalelių (suodžių) šaltiniu. kuriame visiškai nėra kuro ir esant aukštai temperatūrai oro azotas ir deguonis patenka į cheminę sąveiką, susidaro azoto oksidai. Todėl dyzeliniai varikliai visada sureguliuojami veikti su vidutinio liesumo mišiniais (tai yra, esant dideliam oro pertekliui), o apkrova kontroliuojama tik dozuojant įpurškiamą kurą. Taip išvengiama droselio naudojimo, o tai yra didžiulis pranašumas prieš jų benzino analogus. Norėdami kompensuoti kai kuriuos benzininio variklio trūkumus, dizaineriai sukūrė variklius, kuriuose mišinio susidarymo procesas yra vadinamasis „krūvio stratifikavimas“.
Dalinės apkrovos režimu optimalus stechiometrinis mišinys sukuriamas tik toje vietoje aplink uždegimo žvakės elektrodus dėl specialaus įpurškimo degalų purkštuko, nukreipto oro srauto, specialaus stūmoklio priekio profilio ir kitų panašių metodų, užtikrinančių uždegimą. patikimumas. Tuo pačiu metu mišinys didžiojoje kameros tūrio dalyje lieka liesas, o kadangi apkrova šiuo režimu gali būti kontroliuojama tik tiekiamo kuro kiekiu, droselio vožtuvas gali likti visiškai atidarytas. Tai, savo ruožtu, sumažina nuostolius ir padidina variklio termodinaminį efektyvumą. Teoriškai viskas atrodo puikiai, tačiau iki šiol šio tipo variklių, pagamintų „Mitsubishi“ ir „VW“, sėkmė nebuvo žavi. Apskritai kol kas niekas negali pasigirti visapusiškai pasinaudojęs šiais technologiniais sprendimais.
O kas, jei „stebuklingai“ sujungtume dviejų tipų variklių privalumus? Koks būtų idealus didelio dyzelino suspaudimo, homogeniško mišinio pasiskirstymo visame degimo kameros tūryje ir vienodo savaiminio užsidegimo tame pačiame tūryje derinys? Pastaraisiais metais intensyvūs šio tipo eksperimentinių agregatų laboratoriniai tyrimai parodė, kad išmetamosiose dujose gerokai sumažėjo kenksmingų emisijų kiekis (pavyzdžiui, azoto oksidų kiekis sumažėja iki 99 proc.!) Padidėjus efektyvumui, palyginti su benzininiais varikliais. . Atrodo, kad ateitis iš tiesų priklauso varikliams, kuriuos automobilių kompanijos ir nepriklausomos projektavimo įmonės pastaruoju metu sujungė po skėčiu pavadinimu HCCI – Homogenous Charge Compression Ignition Engines arba Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Kaip ir daugelis kitų, atrodytų, „revoliucinių“ įvykių, idėja sukurti tokią mašiną nėra nauja ir nors bandymai sukurti patikimą gamybos modelį vis tiek nesėkmingi. Tuo pačiu metu augančios technologinio proceso elektroninio valdymo galimybės ir didelis dujų paskirstymo sistemų lankstumas sukuria labai realistišką ir optimistišką naujo tipo variklių perspektyvą.
Tiesą sakant, šiuo atveju tai yra tam tikras benzininių ir dyzelinių variklių veikimo principų hibridas. Gerai homogenizuotas mišinys, kaip ir benzininiuose varikliuose, patenka į HCCI degimo kameras, tačiau jis savaime užsidega užspausdamas šilumą. Naujo tipo varikliui taip pat nereikia droselio, nes jis gali veikti liesais mišiniais. Tačiau reikia pažymėti, kad šiuo atveju „liesos“ apibrėžties reikšmė labai skiriasi nuo dyzelino apibrėžimo, nes HCCI neturi visiškai lieso ir labai prisodrinto mišinio, tačiau yra tam tikros rūšies vienodai liesas mišinys. Veikimo principas apima tuo pačiu metu mišinio uždegimą visame cilindro tolygiai be tolygiai judančios liepsnos priekio ir daug žemesnėje temperatūroje. Tai automatiškai lemia reikšmingą azoto oksidų ir suodžių kiekio sumažėjimą išmetamosiose dujose, o, remiantis daugeliu autoritetingų šaltinių, 2010–2015 m. Masiškai įvežama daug efektyvesnių HCCI. Išgelbės žmoniją apie pusę milijono statinių. aliejaus kasdien.
Tačiau prieš tai pasiekdami mokslininkai ir inžinieriai turi įveikti didžiausią šiuo metu sukluptą akmenį – patikimo būdo kontroliuoti savaiminio užsidegimo procesus, naudojant turinčias frakcijas, kurių cheminė sudėtis, savybės ir elgesys skiriasi nuo šiuolaikinio kuro. Nemažai klausimų kelia procesų sulaikymas esant įvairioms variklio apkrovoms, apsisukimams ir temperatūros sąlygoms. Kai kurių ekspertų nuomone, tai galima padaryti grąžinant tiksliai išmatuotą išmetamųjų dujų kiekį atgal į cilindrą, pakaitinant mišinį arba dinamiškai keičiant suspaudimo laipsnį, arba tiesiogiai keičiant suspaudimo laipsnį (pavyzdžiui, SVC Saab prototipas) arba vožtuvo uždarymo laiko keitimas naudojant kintamos sistemos dujų paskirstymą.
Kol kas neaišku, kaip bus pašalinta triukšmo ir termodinaminio poveikio variklio konstrukcijai problema dėl savaime užsiliepsnojančio didelio kiekio šviežio mišinio esant pilnai apkrovai. Tikroji problema yra užvesti variklį esant žemai temperatūrai cilindruose, nes tokiomis sąlygomis gana sunku pradėti savaiminį užsidegimą. Šiuo metu daugelis mokslininkų stengiasi pašalinti šias kliūtis, naudodamiesi prototipų su jutikliais stebėjimų rezultatais nuolatiniam elektroniniam cilindrų valdymui ir darbo procesų analizei realiu laiku.
Anot šia kryptimi dirbančių automobilių kompanijų ekspertų, tarp kurių yra „Honda“, „Nissan“, „Toyota“ ir „GM“, tikėtina, kad pirmiausia bus sukurti kombinuoti automobiliai, galintys perjungti darbo režimus, o uždegimo žvakė tam tikrais atvejais bus naudojama kaip savotiškas pagalbininkas. kur HCCI patiria sunkumų. Panašią schemą „Volkswagen“ jau diegia savo CCS (Combined Combustion System) variklyje, kuris šiuo metu dirba tik specialiai jam sukurtu sintetiniu kuru.
Mišinio uždegimas HCCI varikliuose gali būti atliekamas įvairiais degalų, oro ir išmetamųjų dujų santykio diapazonais (pakanka pasiekti savaiminio užsidegimo temperatūrą), o trumpas degimo laikas žymiai padidina variklio efektyvumą. Kai kurios naujo tipo agregatų problemos gali būti sėkmingai išspręstos kartu su hibridinėmis sistemomis, tokiomis kaip Toyota Hybrid Synergy Drive – tokiu atveju vidaus degimo variklis gali būti naudojamas tik tam tikru režimu, kuris yra optimalus greičio ir apkrovos požiūriu. darbe, taip apeinant režimus, kuriuose variklis sunkiai dirba arba tampa neefektyvus.
Degimas HCCI varikliuose, pasiektas integruotai kontroliuojant mišinio temperatūrą, slėgį, kiekį ir kokybę artimoje GMT padėtyje, iš tiesų yra didelė problema daug paprastesnio uždegimo žvakės fone. Kita vertus, HCCI nereikia kurti turbulencinių procesų, kurie yra svarbūs benzininiams ir ypač dyzeliniams varikliams, nes tuo pačiu savaiminis užsidegimas yra tūrinis. Tuo pačiu metu dėl šios priežasties net ir nedideli temperatūros nukrypimai gali lemti reikšmingus kinetinių procesų pokyčius.
Praktiškai svarbiausias šio tipo variklių ateities veiksnys yra degalų rūšis, o teisingą konstrukcinį sprendimą galima rasti tik išsamiai žinant jo elgesį degimo kameroje. Todėl daugelis automobilių pramonės įmonių šiuo metu dirba su naftos kompanijomis (tokiomis kaip Toyota ir ExxonMobil), o dauguma eksperimentų šiame etape atliekami su specialiai sukurtais sintetiniais degalais, kurių sudėtis ir elgsena apskaičiuojama iš anksto. Benzino ir dyzelino naudojimo efektyvumas HCCI prieštarauja klasikinių variklių logikai. Dėl aukštos benzinų savaiminio užsidegimo temperatūros suspaudimo laipsnis juose gali svyruoti nuo 12:1 iki 21:1, o dyzeliniame kure, kuris užsidega žemesnėje temperatūroje, jis turėtų būti palyginti mažas - tik 8. :1.
Tekstas: Georgijus Kolevas
Nuotrauka: įmonė
