Toetsry diesel en petrol: tipes
Die gespanne konfrontasie tussen diesel- en petrolenjins bereik sy hoogtepunt. Die nuutste turbo-tegnologie, elektronies beheerde gemenespoor-direkte-inspuitingstelsels, hoë kompressieverhoudings – die wedywering bring die twee tipes enjins nader... En skielik, te midde van 'n ou tweestryd, het 'n nuwe speler skielik op die toneel verskyn. 'n plek onder die son.
Na baie jare se verwaarlosing het die ontwerpers die enorme potensiaal van die dieselenjin herontdek en die ontwikkeling daarvan versnel deur die intensiewe bekendstelling van nuwe tegnologie. Dit het tot die punt gekom dat sy dinamiese prestasie die eienskappe van 'n petrolkompetisie benader en die moontlikheid bied om tot dusver ondenkbare motors soos die Volkswagen Race Touareg en Audi R10 TDI te skep met meer as ernstige wedrenne. Die chronologie van die gebeure van die afgelope vyftien jaar is welbekend ... Diesel-enjins van die 1936's het nie fundamenteel verskil van hul voorouers wat Mercedes-Benz in 13 geskep het nie. 'N Proses van stadige evolusie het gevolg, wat die afgelope jare gegroei het tot 'n kragtige tegnologiese ontploffing. In die laat 1's herskep Mercedes die eerste motor-turbodiesel, in die laat XNUMX's, met direkte inspuiting in die Audi-model, later kry diesels vierklepkoppe, en in die laat XNUMX's word elektronies bestuurde Common Rail-inspuitingstelsels 'n werklikheid. ... Intussen is hoë druk direkte brandstofinspuiting in petrolenjins ingebring, waar die kompressieverhouding vandag in sommige gevalle XNUMX: XNUMX bereik. Onlangs beleef turbo -tegnologie ook 'n herlewing, met die wringkragwaardes van petrolenjins wat die wringkragwaardes van die beroemde buigsame turbodiesel aansienlik begin benader. Parallel met die modernisering bly daar egter 'n bestendige neiging tot 'n ernstige styging in die prys van die petrolenjin ... Dus, ondanks die uitgesproke vooroordele en polarisasie van menings oor petrol- en dieselenjins in verskillende dele van die wêreld, het geen die twee mededingers kry tasbare oorheersing.
Ondanks die toeval van die twee soorte eenhede, is daar steeds groot verskille in die aard, karakter en gedrag van die twee hitte-enjins.
In die geval van ’n petrolenjin word die mengsel van lug en verdampte brandstof oor ’n baie langer tydperk gevorm en begin lank voor die aanvang van die verbrandingsproses. Of dit nou 'n vergasser of moderne elektroniese direkte inspuitingstelsels gebruik word, die doel van vermenging is om 'n eenvormige, homogene brandstofmengsel met 'n goed gedefinieerde lug-brandstofverhouding te produseer. Hierdie waarde is gewoonlik naby aan die sogenaamde "stoïgiometriese mengsel", waarin daar genoeg suurstofatome is om (teoreties) in 'n stabiele struktuur met elke waterstof- en koolstofatoom in die brandstof te kan bind, wat slegs H20 en CO2 vorm. Omdat die kompressieverhouding klein genoeg is om voortydige onbeheerde outo-ontbranding van sommige stowwe in die brandstof as gevolg van hoë kompressietemperatuur te vermy (petrolfraksie bestaan uit koolwaterstowwe met 'n baie laer verdampingstemperatuur en 'n baie hoër verbrandingstemperatuur). selfontbranding van dié in die dieselfraksie), word die ontsteking van die mengsel deur 'n vonkprop geïnisieer en vind ontbranding plaas in die vorm van 'n front wat teen 'n sekere spoedgrens beweeg. Ongelukkig word sones met onvolledige prosesse in die verbrandingskamer gevorm, wat lei tot die vorming van koolstofmonoksied en stabiele koolwaterstowwe, en wanneer die vlamfront beweeg, verhoog die druk en temperatuur by sy omtrek, wat lei tot die vorming van skadelike stikstofoksiede ( tussen stikstof en suurstof uit die lug), peroksiede en hidroperoksiede (tussen suurstof en brandstof). Die opeenhoping van laasgenoemde tot kritieke waardes lei tot onbeheerde ontploffingsverbranding, daarom word in moderne petrole fraksies van molekules gebruik met 'n relatief stabiele, moeilik-ontplofbare chemiese "konstruksie" - 'n aantal bykomende prosesse word uitgevoer by raffinaderye om sulke stabiliteit te bereik. insluitend 'n toename in die oktaangetal van die brandstof. As gevolg van die grootliks vaste mengselverhouding wat petrolenjins kan laat loop, speel die smoorklep 'n belangrike rol daarin, waardeur die enjinlading gereguleer word deur die hoeveelheid vars lug aan te pas. Dit word egter op sy beurt 'n bron van aansienlike verliese in die gedeeltelike vragmodus, wat die rol speel van 'n soort "keelprop" van die enjin.
Die idee van die skepper van die dieselenjin, Rudolf Diesel, is om die kompressieverhouding aansienlik te verhoog, en dus die termodinamiese doeltreffendheid van die masjien. Dus, die oppervlakte van die brandstofkamer verminder, en die verbrandingsenergie word nie deur die mure van die silinder en die verkoelingstelsel versprei nie, maar word "bestee" tussen die deeltjies self, wat in hierdie geval baie nader aan elkeen is. ander. As 'n voorafbereide lug-brandstofmengsel die verbrandingskamer van hierdie tipe enjin binnegaan, soos in die geval van 'n petrolenjin, dan wanneer 'n sekere kritieke temperatuur tydens die kompressieproses bereik word (afhangende van die kompressieverhouding en tipe brandstof ), sal die selfontstekingsproses lank voor GMT begin word. onbeheerde volumetriese verbranding. Dit is om hierdie rede dat dieselbrandstof op die laaste oomblik, kort voor GMT, teen baie hoë druk ingespuit word, wat 'n aansienlike gebrek aan tyd skep vir goeie verdamping, diffusie, vermenging, selfontbranding en die behoefte aan 'n topspoedgrens wat selde die limiet oorskry. vanaf 4500 rpm Hierdie benadering stel toepaslike vereistes vir die kwaliteit van die brandstof, wat in hierdie geval 'n fraksie van dieselbrandstof is - hoofsaaklik reguit distillate met 'n aansienlik laer selfontbrandingstemperatuur, aangesien 'n meer onstabiele struktuur en lang molekules 'n voorvereiste is vir hul makliker breuk en reaksie met suurstof.
'N Kenmerk van die verbrandingsprosesse van 'n dieselenjin is enersyds sones met 'n verrykte mengsel rondom die inspuitgate, waar brandstof ontbind (krake) van temperatuur sonder oksidasie, wat in 'n bron van koolstofdeeltjies (roet) verander, en andersyds. waarin daar glad nie brandstof is nie en onder die invloed van hoë temperatuur stikstof en suurstof in die lug chemiese wisselwerking ondervind en stikstofoksiede vorm. Daarom is dieselenjins altyd ingestel om te werk met medium-maer mengsels (dit wil sê met 'n ernstige oormaat lug), en word die vrag slegs beheer deur die dosis van die hoeveelheid ingespuite brandstof. Dit vermy die gebruik van die gashendel, wat 'n groot voordeel is bo hul eweknieë vir petrol. Om te kompenseer vir die tekortkominge van 'n petrolenjin, het ontwerpers enjins geskep waarin die mengselvormingsproses die sogenaamde "ladingstratifikasie" is.
In die gedeeltelike laaimodus word die optimale stoïgiometriese mengsel slegs in die omgewing van die vonkprop -elektrodes geskep as gevolg van 'n spesiale inspuiting van 'n ingespuitte brandstofstraal, 'n gerigte lugvloei, 'n spesiale profiel van die suierfronte en ander soortgelyke metodes wat ontsteking verseker betroubaarheid. Terselfdertyd bly die mengsel in die grootste deel van die kamervolume maer, en aangesien die lading in hierdie modus slegs deur die hoeveelheid brandstof beheer kan word, kan die smoorklep heeltemal oop bly. Dit lei weer tot 'n gelyktydige afname in verliese en 'n toename in die termodinamiese doeltreffendheid van die enjin. In teorie lyk alles wonderlik, maar tot dusver was die sukses van hierdie tipe enjin wat deur Mitsubishi en VW vervaardig is, nie glansryk nie. Oor die algemeen kan niemand tot dusver daarop roem om hierdie tegnologiese oplossings ten volle te benut nie.
En as jy "magies" die voordele van die twee tipes enjins kombineer? Wat sou die ideale kombinasie wees van hoë dieselkompressie, homogene verspreiding van die mengsel deur die volume van die verbrandingskamer en eenvormige selfontbranding in dieselfde volume? Intensiewe laboratoriumstudies van eksperimentele eenhede van hierdie tipe in onlangse jare het 'n aansienlike vermindering in skadelike emissies in uitlaatgasse getoon (byvoorbeeld, die hoeveelheid stikstofoksiede word met tot 99% verminder!) Met 'n toename in doeltreffendheid in vergelyking met petrolenjins . Dit blyk dat die toekoms inderdaad aan enjins behoort, wat motormaatskappye en onafhanklike ontwerpmaatskappye onlangs saamgevoeg het onder die sambreelnaam HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines of Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Soos baie ander skynbaar 'revolusionêre' ontwikkelinge, is die idee om so 'n masjien te skep nie nuut nie, en hoewel pogings om 'n betroubare produksiemodel te skep, steeds slaag. Terselfdertyd skep die groeiende vermoëns van elektroniese prosesbeheer en die groot buigsaamheid van gasverspreidingstelsels 'n baie realistiese en optimistiese vooruitsig vir 'n nuwe soort enjin.
In hierdie geval is dit 'n soort baster van die werking van petrol- en dieselenjins. 'N Goed gehomogeniseerde mengsel, soos in petrolenjins, kom in die verbrandingskamers van die HCCI in, maar dit ontsteek self deur die hitte van die kompressie. Die nuwe enjinsoort benodig ook geen smoorklep nie, want dit kan op maer mengsels werk. Daar moet egter op gelet word dat die betekenis van die definisie van "maer" in hierdie geval aansienlik verskil van die definisie van diesel, aangesien HCCI nie 'n heeltemal maer en hoogs verrykte mengsel het nie, maar 'n soort eenvormige maer mengsel is. Die werksbeginsel behels die gelyktydige ontbranding van die mengsel in die hele volume van die silinder sonder 'n eenvormige bewegende vlamfront en teen 'n baie laer temperatuur. Dit lei outomaties tot 'n beduidende afname in die hoeveelheid stikstofoksiede en roet in die uitlaatgasse, en volgens 'n aantal gesaghebbende bronne is die massiewe bekendstelling van baie meer doeltreffende HCCI's in seriële motorproduksie in 2010-2015. Sal die mensdom ongeveer 'n halfmiljoen vate bespaar. olie daagliks.
Voordat dit egter bereik word, moet navorsers en ingenieurs die grootste struikelblok op die oomblik oorkom - die gebrek aan 'n betroubare manier om selfontbrandingsprosesse te beheer deur gebruik te maak van fraksies met verskillende chemiese samestelling, eienskappe en gedrag van moderne brandstowwe. 'n Aantal vrae word veroorsaak deur die inperking van prosesse by verskillende vragte, omwentelings en temperatuurtoestande van die enjin. Volgens sommige kenners kan dit gedoen word deur 'n presies gemete hoeveelheid uitlaatgasse terug te keer na die silinder, die mengsel voorverhit of die kompressieverhouding dinamies te verander, of die drukverhouding direk te verander (byvoorbeeld die SVC Saab-prototipe) of die sluiting van die klep tydsberekening verander met behulp van veranderlike stelsels gasverspreiding.
Dit is nog nie duidelik hoe die probleem van geraas en termodinamiese effekte op die enjinontwerp as gevolg van selfontbranding van 'n groot hoeveelheid vars mengsel by vollading uitgeskakel sal word nie. Die werklike probleem is om die enjin teen 'n lae temperatuur in die silinders te begin, aangesien dit redelik moeilik is om selfontsteking in sulke toestande te begin. Tans werk baie navorsers daaraan om hierdie knelpunte uit te skakel deur die resultate van waarnemings van prototipes met sensors te gebruik vir deurlopende elektroniese beheer en ontleding van werkprosesse in silinders intyds.
Volgens kenners van motormaatskappye wat in hierdie rigting werk, insluitend Honda, Nissan, Toyota en GM, is dit waarskynlik dat kombinasiemotors eers geskep sal word wat bedryfsmodusse kan verander, en die vonkprop sal in gevalle as 'n soort assistent gebruik word waar HCCI probleme ondervind. Volkswagen implementeer reeds 'n soortgelyke skema in sy CCS (Combined Combustion System)-enjin, wat tans net op sintetiese brandstof werk wat spesiaal daarvoor ontwikkel is.
Ontsteking van die mengsel in HCCI-enjins kan uitgevoer word in 'n wye reeks verhoudings tussen brandstof, lug en uitlaatgasse (dit is genoeg om die selfontstekingstemperatuur te bereik), en 'n kort verbrandingstyd lei tot 'n aansienlike toename in enjindoeltreffendheid. Sommige probleme van nuwe soorte eenhede kan suksesvol opgelos word in kombinasie met hibriede stelsels, soos Toyota se Hybrid Synergy Drive – in dié geval kan die binnebrandenjin slegs in ’n sekere modus gebruik word wat optimaal is wat spoed en vrag betref. by die werk, en omseil dus modusse waarin die enjin sukkel of ondoeltreffend raak.
Verbranding in HCCI-enjins, verkry deur geïntegreerde beheer van temperatuur, druk, hoeveelheid en kwaliteit van die mengsel in 'n posisie naby aan GMT, is inderdaad 'n groot probleem teen die agtergrond van baie eenvoudiger ontsteking met 'n vonkprop. Aan die ander kant hoef HCCI nie onstuimige prosesse te skep nie, wat belangrik is vir petrol en veral dieselenjins, as gevolg van die gelyktydige volumetriese aard van selfontsteking. Terselfdertyd is dit om hierdie rede dat selfs klein temperatuurafwykings kan lei tot beduidende veranderinge in kinetiese prosesse.
In die praktyk is die belangrikste faktor vir die toekoms van hierdie tipe enjin die tipe brandstof, en die korrekte ontwerpoplossing kan slegs gevind word met 'n gedetailleerde kennis van sy gedrag in die verbrandingskamer. Daarom werk baie motormaatskappye tans saam met oliemaatskappye (soos Toyota en ExxonMobil), en die meeste van die eksperimente op hierdie stadium word uitgevoer met spesiaal ontwerpte sintetiese brandstowwe, waarvan die samestelling en gedrag vooraf bereken word. Die doeltreffendheid van die gebruik van petrol en diesel in HCCI is in stryd met die logika van klassieke enjins. As gevolg van die hoë selfontstekingstemperatuur van petrole, kan die kompressieverhouding daarin wissel van 12:1 tot 21:1, en in dieselbrandstof, wat by laer temperature ontbrand, moet dit relatief klein wees - in die orde van slegs 8 :1.
Teks: Georgy Kolev
Foto: geselskap
