Тест драйв дизел и бензин: видове

Напрегнатата конфронтация между дизелови и бензинови двигатели достига своята връхна точка. Най-новата турбо технология, електронно контролирани системи за директно впръскване Common Rail, високи степени на компресия – съперничеството сближава двата типа двигатели… И изведнъж, в разгара на древен двубой, на сцената изведнъж се появи нов играч. място под слънцето.

След много години на пренебрегване, дизайнерите преоткриха огромния потенциал на дизеловия двигател и ускориха неговото развитие чрез интензивното въвеждане на нови технологии. Стигна се дотам, че динамичните му характеристики се доближават до характеристиките на бензинов конкурент и позволяват създаването на немислими досега автомобили като Volkswagen Race Touareg и Audi R10 TDI с повече от сериозни състезателни амбиции. Хронологията на събитията през последните петнадесет години е добре известна ... Дизеловите двигатели на 1936 не се различават коренно от своите предци, създадени от Mercedes-Benz през 13 г. Последва процес на бавна еволюция, който през последните години прерасна във мощна технологична експлозия. В края на 1-те години Mercedes пресъздава първия автомобилен турбодизел, в края на XNUMX-те години директното впръскване дебютира в модела на Audi, по-късно дизелите получават глави с четири клапана, а в края на XNUMX електронно управляемите системи за инжектиране Common Rail се превръщат в реалност . ... Междувременно директното впръскване на гориво с високо налягане е въведено в бензиновите двигатели, където коефициентът на компресия днес достига XNUMX: XNUMX в някои случаи. Напоследък турбо технологията също преживява ренесанс, като стойностите на въртящия момент на бензиновите двигатели започват да се доближават значително до стойностите на въртящия момент на известния гъвкав турбодизел. Успоредно с модернизацията остава устойчива тенденция към сериозно покачване на цената на бензиновия двигател ... Така че, въпреки изразените предразсъдъци и поляризация на мненията относно бензиновите и дизеловите двигатели в различни части на света, нито един от двамата съперници придобиват осезаемо господство.

Въпреки съвпадението на качествата на двата вида агрегати, все още има огромни разлики в естеството, характера и поведението на двата топлинни двигателя.

При бензиновия двигател сместа от въздух и изпарено гориво се образува за много по-дълъг период от време и започва много преди началото на горивния процес. Независимо дали се използва карбуратор или модерни електронни системи за директно впръскване, целта на смесването е да се произведе еднородна, хомогенна горивна смес с точно определено съотношение въздух-гориво. Тази стойност обикновено е близка до така наречената "стехиометрична смес", в която има достатъчно кислородни атоми, за да могат (теоретично) да се свържат в стабилна структура с всеки водороден и въглероден атом в горивото, образувайки само H20 и CO2. Тъй като степента на сгъстяване е достатъчно малка, за да се избегне преждевременно неконтролирано самозапалване на някои вещества в горивото поради висока температура на сгъстяване (бензиновата фракция се състои от въглеводороди с много по-ниска температура на изпарение и много по-висока температура на горене). самозапалване от тези в дизеловата фракция), запалването на сместа се инициира от свещ и горенето се осъществява под формата на фронт, движещ се с определена скорост. За съжаление в горивната камера се образуват зони с незавършени процеси, което води до образуване на въглероден окис и стабилни въглеводороди, а при движение на фронта на пламъка налягането и температурата в периферията му се повишават, което води до образуването на вредни азотни оксиди ( между азот и кислород от въздуха), пероксиди и хидропероксиди (между кислород и гориво). Натрупването на последното до критични стойности води до неконтролирано детонационно изгаряне, поради което в съвременните бензини се използват фракции от молекули с относително стабилна, трудна за детониране химическа "конструкция" - извършват се редица допълнителни процеси в рафинериите за постигане на такава стабилност. включително повишаване на октановото число на горивото. Поради до голяма степен фиксираното съотношение на сместа, с което могат да работят бензиновите двигатели, важна роля при тях играе дроселната клапа, чрез която се регулира натоварването на двигателя чрез регулиране на количеството пресен въздух. Той обаче от своя страна се превръща в източник на значителни загуби в режим на частично натоварване, играейки ролята на своеобразна „запушалка” на двигателя.

Идеята на създателя на дизеловия двигател Рудолф Дизел е да увеличи значително степента на компресия, а оттам и термодинамичната ефективност на машината. По този начин площта на горивната камера намалява и енергията на изгаряне не се разсейва през стените на цилиндъра и охладителната система, а се "разходва" между самите частици, които в този случай са много по-близо до всяка друго. Ако в горивната камера на този тип двигател попадне предварително приготвена въздушно-горивна смес, както в случая на бензинов двигател, тогава при достигане на определена критична температура по време на процеса на компресия (в зависимост от степента на компресия и вида на горивото) ), процесът на самозапалване ще започне много преди GMT. неконтролирано обемно изгаряне. Поради тази причина дизеловото гориво се впръсква в последния момент, малко преди GMT, при много високо налягане, което създава значителна липса на време за добро изпаряване, дифузия, смесване, самозапалване и необходимост от ограничение на максималната скорост който рядко надвишава лимита. от 4500 об./мин. Този подход поставя подходящи изисквания към качеството на горивото, което в случая е фракция на дизеловото гориво - основно директни дестилати със значително по-ниска температура на самозапалване, тъй като по-нестабилната структура и дългите молекули са предпоставка за по-лесното им разкъсване и реакция с кислород.

Характеристика на горивните процеси на дизеловия двигател са, от една страна, зони с богата смес около инжекционните отвори, където горивото се разлага (пукнатини) от температура без окисляване, превръщайки се в източник на въглеродни частици (сажди), и от друга. в които изобщо няма гориво и под въздействието на висока температура азотът и кислородът на въздуха влизат в химическо взаимодействие, образувайки азотни оксиди. Следователно дизеловите двигатели винаги са настроени да работят със средно слаби смеси (т.е. със сериозен излишък на въздух), а натоварването се контролира само чрез дозиране на количеството впръскано гориво. Това избягва използването на дроселната клапа, което е огромно предимство пред бензиновите им колеги. За да компенсират някои от недостатъците на бензинов двигател, дизайнерите са създали двигатели, при които процесът на образуване на сместа е така наречената „стратификация на заряда“.

В режим на частично натоварване оптималната стехиометрична смес се създава само в зоната около електродите на свещите поради специално впръскване на инжектирана струя гориво, насочен въздушен поток, специален профил на челата на буталото и други подобни методи, които осигуряват запалване надеждност. В същото време сместа в по -голямата част от обема на камерата остава постна и тъй като натоварването в този режим може да се контролира само от количеството подадено гориво, дроселната клапа може да остане напълно отворена. Това от своя страна води до едновременно намаляване на загубите и увеличаване на термодинамичната ефективност на двигателя. На теория всичко изглежда страхотно, но досега успехът на този тип двигатели, произвеждани от Mitsubishi и VW, не е бил бляскав. Като цяло досега никой не може да се похвали, че се е възползвал напълно от тези технологични решения.

А ако "магически" комбинирате предимствата на двата вида двигатели? Каква би била идеалната комбинация от висока компресия на дизела, хомогенно разпределение на сместа в целия обем на горивната камера и равномерно самозапалване в същия обем? Интензивните лабораторни изследвания на експериментални агрегати от този тип през последните години показаха значително намаляване на вредните емисии в отработените газове (например количеството на азотните оксиди е намалено с до 99%!) с повишаване на ефективността в сравнение с бензиновите двигатели . Изглежда, че бъдещето наистина принадлежи на двигателите, които автомобилните компании и независимите дизайнерски компании наскоро обединиха под общото наименование HCCI - Двигатели с хомогенно зареждане с компресионно запалване или Двигатели със самозапалване с хомогенен заряд.

Подобно на много други привидно „революционни“ разработки, идеята за създаването на такава машина не е нова и досега опитите за създаване на надежден производствен модел все още са неуспешни. В същото време нарастващите възможности за електронно управление на технологичния процес и голямата гъвкавост на газоразпределителните системи създават много реалистична и оптимистична перспектива за нов тип двигател.

Всъщност в случая това е един вид хибрид на принципите на работа на бензиновите и дизеловите двигатели. Добре хомогенизирана смес, подобно на бензиновите двигатели, навлиза в горивните камери на HCCI, но тя се самозапалва от топлината от компресията. Новият тип двигател също не изисква дроселна клапа, тъй като може да работи на бедни смеси. Трябва обаче да се отбележи, че в този случай смисълът на определението за „постно“ се различава значително от определението за дизелово гориво, тъй като HCCI не разполага с напълно постна и силно обогатена смес, а е един вид равномерно постна смес. Принципът на действие включва едновременно запалване на сместа в целия обем на цилиндъра без равномерно движещ се пламък отпред и при много по-ниска температура. Това автоматично води до значително намаляване на количеството азотни оксиди и сажди в отработените газове и, според редица авторитетни източници, масовото въвеждане на много по-ефективни HCCI в серийното автомобилно производство през 2010-2015. Ще спести на човечеството около половин милион барела. масло ежедневно.

Преди обаче да постигнат това, изследователите и инженерите трябва да преодолеят най-голямата спънка в момента – липсата на надежден начин за контрол на процесите на самозапалване с помощта на съдържащи фракции с различен химичен състав, свойства и поведение на съвременните горива. Редица въпроси са породени от задържането на процеси при различни натоварвания, обороти и температурни условия на двигателя. Според някои експерти това може да стане чрез връщане на точно измерено количество отработени газове обратно в цилиндъра, предварително загряване на сместа или динамична промяна на степента на компресия, или директна промяна на степента на компресия (например прототипа SVC Saab) или промяна на времето за затваряне на клапана с помощта на променливи системи за разпределение на газ.

Все още не е ясно как ще се елиминира проблемът с шума и термодинамичните ефекти върху конструкцията на двигателя поради самозапалване на голямо количество прясна смес при пълно натоварване. Истинският проблем е да стартирате двигателя при ниска температура в цилиндрите, тъй като е доста трудно да се инициира самозапалване при такива условия. В момента много изследователи работят за премахване на тези тесни места, като използват резултатите от наблюденията на прототипи със сензори за непрекъснат електронен контрол и анализ на работните процеси в цилиндрите в реално време.

Според експерти от автомобилни компании, работещи в тази посока, включително Honda, Nissan, Toyota и GM, вероятно първо ще бъдат създадени комбинирани автомобили, които могат да превключват режимите на работа, а запалителната свещ ще се използва като вид помощник в случаите. където HCCI изпитва затруднения. Volkswagen вече прилага подобна схема в своя CCS (Combined Combustion System) двигател, който засега работи само със специално разработено за него синтетично гориво.

Запалването на сместа в HCCI двигателите може да се извърши в широк диапазон от съотношения между гориво, въздух и отработени газове (достатъчно е да се достигне температурата на самозапалване), а краткото време на горене води до значително повишаване на ефективността на двигателя. Някои проблеми на новите типове агрегати могат да бъдат успешно решени в комбинация с хибридни системи, като Hybrid Synergy Drive на Toyota - в този случай двигателят с вътрешно горене може да се използва само в определен режим, който е оптимален по отношение на скорост и натоварване. на работа, като по този начин заобикаля режимите, в които двигателят се бори или става неефективен.

Изгарянето в HCCI двигателите, постигнато чрез интегриран контрол на температурата, налягането, количеството и качеството на сместа в положение, близко до GMT, наистина е голям проблем на фона на много по-просто запалване със запалителна свещ. От друга страна, HCCI няма нужда да създава бурни процеси, които са важни за бензиновите и особено дизеловите двигатели, поради едновременния обемен характер на самозапалването. В същото време именно поради тази причина дори малките температурни отклонения могат да доведат до значителни промени в кинетичните процеси.

На практика най-важният фактор за бъдещето на този тип двигатели е видът гориво, а правилното конструктивно решение може да се намери само с подробно познаване на поведението му в горивната камера. Ето защо в момента много автомобилни компании работят с петролни компании (като Toyota и ExxonMobil) и повечето от експериментите на този етап се извършват със специално проектирани синтетични горива, чийто състав и поведение се изчисляват предварително. Ефективността на използването на бензин и дизелово гориво в HCCI противоречи на логиката на класическите двигатели. Поради високата температура на самозапалване на бензините степента на сгъстяване при тях може да варира от 12:1 до 21:1, а при дизеловото гориво, което се възпламенява при по-ниски температури, тя трябва да бъде относително малка - от порядъка на само 8 :1.

Текст: Георги Колев

Снимка: компания