Тест драйв дизель та бензин: типи
Напружене протистояння дизельного та бензинового двигунів досягає апогею. Нові турбо-технології, системи безпосереднього упорскування Common-Rail з електронним управлінням, високий ступінь стиснення – суперництво зближує два типи двигунів… І раптом, у розпал давньої дуелі, на сцені несподівано з'явився новий гравець. місце під сонцем.
Після багатьох років забуття конструктори заново відкрили величезний потенціал дизельного двигуна і прискорили його розробку за рахунок інтенсивного впровадження нових технологій. Дійшло до того, що його динамічні характеристики наблизилися до характеристик бензинового конкурента і дозволили створювати немислимі досі автомобілі, такі як Volkswagen Race Touareg і Audi R10 TDI з більш ніж серйозними гоночними амбіціями. Хронологія подій останніх п'ятнадцяти років добре відома ... Дизельні двигуни 1936-х років принципово не відрізнялися від своїх предків, створених Mercedes-Бенц в далекому 13 році. Не забарився процес повільної еволюції, який переріс в останні роки в потужний технологічний вибух. В кінці 1-х Mercedes відтворила перший автомобільний турбодизель, в кінці XNUMX-х в моделі Audi дебютував прямий впорскування, пізніше дизелі отримали чотирьохклапанні головки, а в кінці XNUMX-х років стали реальністю системи упорскування Common Rail з електронним управлінням. . Тим часом, прямий впорскування палива під високим тиском був впроваджений в бензинові двигуни, де ступінь стиснення сьогодні в деяких випадках досягає XNUMX: XNUMX. Останнім часом турбо-технології також переживають ренесанс, завдяки якому значення крутного моменту бензинових двигунів почали значно наближатися до значень крутного моменту відомих своїм гнучким турбодизелем. Однак паралельно з модернізацією зберігається стійка тенденція до серйозного подорожчання бензинового двигуна ... Отже, не дивлячись на яскраво виражені упередження і поляризацію думок щодо бензинових і дизельних двигунів в різних частинах світу, жоден з двох суперників придбання відчутного домінування.
Незважаючи на збіг якостей двох типів агрегатів, як і раніше існують величезні відмінності в характері, характері й поведінці двох теплових двигунів.
У разі бензинового агрегату суміш повітря і палива, що випарувалося, утворюється протягом значно більш тривалого періоду часу і починається задовго до початку процесу згоряння. Незалежно від того, чи використовується карбюратор або сучасні електронні системи прямого упорскування, метою змішування є отримання однорідної, гомогенної паливної суміші з чітко визначеним співвідношенням повітря-паливо. Це значення зазвичай близьке до так званої «стехіометричної суміші», в якій атомів кисню достатньо, щоб бути здатними (теоретично) зв'язуватися у стабільну структуру з кожним атомом водню та вуглецю в паливі, утворюючи лише H20 та CO2. Оскільки ступінь стиснення досить мала, щоб уникнути передчасного неконтрольованого самозаймання деяких речовин у паливі через високу температуру стиснення (фракція бензину складається з вуглеводнів зі значно нижчою температурою випаровування і значно вищою температурою згоряння). самозаймання від тих, хто знаходиться в дизельній фракції), займання суміші ініціюється свічкою запалювання, і горіння відбувається у вигляді фронту, що рухається з певним обмеженням швидкості. На жаль, у камері згоряння утворюються зони з незавершеними процесами, що ведуть до утворення монооксиду вуглецю та стабільних вуглеводнів, а при русі фронту полум'я тиск і температура на його периферії підвищуються, що призводить до утворення шкідливих оксидів азоту (між азот та кисень з повітря), пероксиди та гідропероксиди (між киснем та паливом). Накопичення останніх до критичних значень призводить до неконтрольованого детонаційного згоряння, тому в сучасних бензинах використовуються фракції молекул з відносно стабільною детонації, що важко піддається, хімічною «конструкцією» – саме для досягнення такої стійкості на нафтопереробних заводах проводиться ряд додаткових процесів. зокрема збільшення октанового числа палива. Через значною мірою фіксоване співвідношення суміші, з якою можуть працювати бензинові двигуни, важливу роль у них відіграє дросельна заслінка, за допомогою якої регулюється навантаження двигуна шляхом регулювання кількості свіжого повітря. Проте він, своєю чергою, стає джерелом значних втрат у режимі часткового навантаження, граючи роль своєрідної «горлової пробки» двигуна.
Ідея творця дизельного двигуна Рудольфа Дизеля полягає в тому, щоб значно підвищити ступінь стиснення, а отже, і термодинамічний ККД машини. Таким чином, площа паливної камери зменшується, і енергія згоряння не розсіюється через стінки циліндра та систему охолодження, а «витрачається» між самими частинками, які в цьому випадку знаходяться значно ближче один до одного. Якщо заздалегідь приготовлена паливно-повітряна суміш надходить у камеру згоряння цього типу двигуна, як у випадку бензинового, то при досягненні певної критичної температури в процесі стиснення (залежно від ступеня стиснення та виду палива) задовго до GMT буде ініційовано процес самозаймання. некероване об'ємне горіння. Саме з цієї причини паливо в дизельний двигун впорскується в останній момент, незадовго до GMT, під дуже високим тиском, що створює значний дефіцит часу для гарного випаровування, дифузії, змішування, самозаймання та необхідність обмеження максимальної швидкості, що рідко перевищує межу. від 4500 об/хв Цей підхід встановлює відповідні вимоги до якості палива, яке в даному випадку є фракцією дизельного палива – в основному це прямі дистиляти зі значно нижчою температурою самозаймання, оскільки нестабільніша структура та довгі молекули є передумовою для їх легшого розриву та реакція із киснем.
Особливістю процесів згоряння дизельного двигуна є, з одного боку, зони з збагаченої сумішшю навколо інжекційних отворів, де паливо розкладається (тріскається) від температури без окислення, перетворюючись в джерело вуглецевих частинок (сажі), а з іншого. в якому паливо повністю відсутня і під дією високої температури азот і кисень повітря вступають в хімічну взаємодію, утворюючи оксиди азоту. Тому дизельні двигуни завжди налаштовуються на роботу з середньо-бідними сумішами (тобто з серйозним надлишком повітря), а навантаження регулюється тільки дозуванням кількості палива, що впорскується. Це дозволяє уникнути використання дросельної заслінки, що є величезною перевагою перед їх бензиновими аналогами. Щоб компенсувати деякі недоліки бензинового двигуна, конструктори створили двигуни, в яких процес сумішоутворення є так зване «розшарування заряду».
У режимі часткового навантаження оптимальна стехіометрична суміш створюється тільки в зоні навколо електродів свічок запалювання за рахунок спеціального уприскування впорскується паливної струменя, спрямованого повітряного потоку, спеціального профілю фронтів поршнів та інших подібних методів, які забезпечують надійність запалювання. При цьому суміш в більшій частині обсягу камери залишається бідною, і оскільки навантаження в цьому режимі можна регулювати тільки кількістю палива, що подається, дросельна заслінка може залишатися повністю відкритою. Це, в свою чергу, призводить до одночасного зниження втрат і збільшення термодинамічної ефективності двигуна. В теорії все виглядає відмінно, але поки успіх цього типу двигунів виробництва Mitsubishi і VW не можна назвати гламурним. Загалом, поки ніхто не може похвалитися тим, що в повній мірі скористався перевагами цих технологічних рішень.
А якщо «чарівним» чином поєднати переваги двох типів двигунів? Яким буде ідеальне поєднання високої компресії дизеля, однорідного розподілу суміші по всьому об'єму камери згоряння та рівномірного самозаймання у тому ж обсязі? Інтенсивні лабораторні дослідження експериментальних агрегатів цього типу в останні роки показали значне зниження шкідливих викидів у вихлопних газах (наприклад, кількість оксидів азоту знижено до 99%!) зі збільшенням ККД порівняно з бензиновими двигунами. Здається, що майбутнє дійсно належить двигунам, які автомобільні компанії та незалежні конструкторські компанії нещодавно об'єднали під загальною назвою HCCI – «Двигуни з гомогенним зарядом та займанням від стиску» або «двигуни з однорідною сумішшю та самозайманням палива».
Як і багато інших, здавалося б, «революційні» розробки, ідея створення такої машини не нова, і поки спроби створити надійну серійну модель все ще безуспішні. У той же час зростаючі можливості електронного управління технологічним процесом і велика гнучкість газорозподільних систем створюють дуже реалістичну і оптимістичну перспективу для нового типу двигуна.
По суті, в даному випадку це якийсь гібрид принципів роботи бензинового і дизельного двигунів. Добре гомогенізує суміш, як і в бензинових двигунах, надходить в камери згоряння HCCI, але її самозаймання відбувається під дією тепла від стиснення. Новий тип двигуна також не вимагає дросельної заслінки, так як він може працювати на бідних сумішах. Однак слід зазначити, що в даному випадку значення визначення «бідна суміш» значно відрізняється від визначення дизельного палива, оскільки HCCI не має повністю збіднених і високозбагачених сумішей, а являє собою різновид рівномірно збідненого суміші. Принцип дії передбачає одночасне запалення суміші у всьому обсязі циліндра без рівномірно рухається фронту полум'я і при значно нижчій температурі. Це автоматично призводить до значного зниження кількості оксидів азоту і сажі у вихлопних газах, а, за даними ряду авторитетних джерел, масове впровадження значно ефективніших HCCI в серійне автомобільне виробництво в 2010-2015 рр. Чи врятує людству близько півмільйона барелів. масло щодня.
Однак, перш ніж досягти цього, дослідники та інженери повинні подолати найбільший камінь спотикання на даний момент – відсутність надійного способу управління процесами самозаймання з використанням фракцій з різним хімічним складом, властивостями і поведінкою сучасних видів палива. Ряд питань викликає стримування процесів при різних навантаженнях, оборотах та температурних режимах роботи двигуна. На думку деяких експертів, це можна зробити, повертаючи точно відміряну кількість вихлопних газів назад у циліндр, попередньо нагріваючи суміш, або динамічно змінюючи ступінь стиснення, або безпосередньо змінюючи ступінь стиснення (наприклад, прототип SVC Saab) або зміною моменту закриття клапанів за допомогою регульованих систем газорозподілу.
Поки не ясно, як буде усунуто проблему шуму та термодинамічного впливу на конструкцію двигуна за рахунок самозаймання великої кількості свіжої суміші в режимі повного навантаження. Справжня проблема - запустити двигун при низькій температурі в циліндрах, тому що ініціювати самозаймання в таких умовах досить складно. В даний час багато дослідників працюють над усуненням цих «вузьких місць», використовуючи результати спостережень за прототипами з датчиками для безперервного електронного контролю та аналізу робочих процесів у циліндрах у реальному часі.
На думку фахівців автомобільних компаній, що працюють у цьому напрямі, серед яких Honda, Nissan, Toyota та GM, ймовірно, спочатку будуть створені комбіновані машини, які можуть перемикати режими роботи, а свічка запалювання використовуватиметься як свого роду помічник у тих випадках, коли HCCI відчуває труднощі. Volkswagen вже реалізує аналогічну схему у своєму двигуні CCS (Combined Combustion System), який зараз працює тільки на спеціально розробленому для нього синтетичному паливі.
Займання суміші в двигунах HCCI може здійснюватися в широкому діапазоні співвідношень між паливом, повітрям та вихлопними газами (достатньо досягнення температури самозаймання), а невелика тривалість згоряння призводить до значного збільшення ККД двигуна. Деякі проблеми агрегатів нового типу можуть бути успішно вирішені у поєднанні з гібридними системами, такими як Hybrid Synergy Drive від Toyota – у цьому випадку двигун внутрішнього згоряння може використовуватися лише у певному, оптимальному з точки зору швидкості та навантаження режимі. на роботі, таким чином обминаючи режими, в яких двигун зазнає труднощів або стає неефективним.
Згоряння в двигунах HCCI, що досягається за рахунок комплексного контролю температури, тиску, кількісного і якісного складу суміші в положенні, близькому до GMT, дійсно є великою проблемою на тлі набагато більш простого запалювання за допомогою свічки запалювання. З іншого боку, HCCI не потрібно створювати турбулентні процеси, які важливі для бензинових і особливо дизельних двигунів, через одночасне об'ємного характеру самозаймання. У той же час саме з цієї причини навіть невеликі відхилення температури можуть призвести до значних змін кінетичних процесів.
На практиці найбільш важливим фактором для майбутнього цього типу двигуна є тип палива, і правильне конструктивне рішення можна знайти тільки при детальному знанні поведінки в камері згоряння. Тому багато автомобільних компаній зараз працюють з нафтовими компаніями (такими як Toyota і ExxonMobil), і більшість експериментів на цьому етапі проводиться зі спеціально розробленим синтетичним паливом, склад і поведінка якого розраховані заздалегідь. Ефективність використання бензину та дизельного палива у HCCI суперечить логіці класичних двигунів. Через високу температуру самозаймання бензинів ступінь стиснення в них може змінюватись від 12: 1 до 21: 1, а в дизельному паливі, що займається при нижчих температурах, має бути порівняно невеликий – близько 8: 1.
Текст: Георгій Колев
Фото: компанія
