Test drive diésel e gasolina: tipos

O tenso enfrontamento entre os motores diésel e de gasolina chega ao seu clímax. A última tecnoloxía turbo, sistemas de inxección directa common-rail controlados electrónicamente, altas relacións de compresión: a rivalidade achega os dous tipos de motores... E de súpeto, no medio dun antigo duelo, apareceu de súpeto un novo xogador en escena. un lugar baixo o sol.

Despois de moitos anos de abandono, os deseñadores redescubriron o enorme potencial do motor diésel e aceleraron o seu desenvolvemento a través da introdución intensiva de novas tecnoloxías. Chegou ao punto de que o seu rendemento dinámico achegouse ás características dun competidor de gasolina e permitiu a creación de coches ata agora impensables como o Volkswagen Race Touareg e o Audi R10 TDI con ambicións de carreira máis que serias. A cronoloxía dos acontecementos dos últimos quince anos é ben coñecida ... Os motores diésel das 1936 non diferían fundamentalmente dos seus devanceiros, creados por Mercedes-Benz en 13. Seguiu un proceso de lenta evolución, que nos últimos anos converteuse nunha poderosa explosión tecnolóxica. A finais dos anos 1, Mercedes recreou o primeiro turbodiésel de automóbiles, a finais do XNUMX, a inxección directa debutou no modelo Audi, máis tarde os diésel recibiron cabezas de catro válvulas e, a finais dos XNUMX, os sistemas de inxección Common Rail controlados electrónicamente fixéronse realidade. ... Mentres tanto, introduciuse inxección directa de combustible a alta presión nos motores de gasolina, onde a relación de compresión chega hoxe a XNUMX: XNUMX nalgúns casos. Recentemente, a tecnoloxía turbo tamén experimenta un renacemento, cos valores de par dos motores de gasolina que comezan a achegarse significativamente aos valores de par do famoso turbo diésel flexible. Non obstante, paralelamente á modernización, mantense unha tendencia constante cara a un grave aumento do custo do motor de gasolina ... Así, a pesar dos pronunciados prexuízos e polarización de opinións sobre os motores de gasolina e diésel en diferentes partes do mundo, ningún dos dous os dous rivais gañan un dominio tanxible.

A pesar da coincidencia das calidades dos dous tipos de unidades, aínda hai enormes diferenzas na natureza, carácter e comportamento dos dous motores térmicos.

No caso dun motor de gasolina, a mestura de aire e combustible evaporado fórmase durante un período de tempo moito máis longo e comeza moito antes do inicio do proceso de combustión. Xa se utilice un carburador ou sistemas modernos de inxección electrónica directa, o obxectivo da mestura é producir unha mestura de combustible uniforme e homoxénea cunha relación aire-combustible ben definida. Este valor adoita estar próximo á chamada "mestura estequiométrica", na que hai suficientes átomos de osíxeno para poder (teoricamente) unirse nunha estrutura estable con cada átomo de hidróxeno e carbono do combustible, formando só H20 e CO2. Porque a relación de compresión é o suficientemente pequena como para evitar a autoignición prematura e incontrolada dalgunhas substancias do combustible debido á alta temperatura de compresión (a fracción da gasolina está formada por hidrocarburos cunha temperatura de evaporación moito máis baixa e unha temperatura de combustión moito maior). autoignición dos da fracción diésel), a ignición da mestura iníciase mediante unha bujía e a combustión prodúcese en forma de fronte que se move a un determinado límite de velocidade. Desafortunadamente, na cámara de combustión fórmanse zonas con procesos incompletos, o que leva á formación de monóxido de carbono e hidrocarburos estables, e cando a fronte de chama se move, a presión e a temperatura na súa periferia aumentan, o que leva á formación de óxidos de nitróxeno nocivos ( entre nitróxeno e osíxeno do aire), peróxidos e hidroperóxidos (entre osíxeno e combustible). A acumulación destes últimos a valores críticos leva a unha combustión de detonación incontrolada, polo tanto, nas gasolinas modernas utilízanse fraccións de moléculas cunha "construción" química relativamente estable e difícil de detonar - realízanse unha serie de procesos adicionais. nas refinerías para lograr esa estabilidade. incluíndo un aumento do índice de octano do combustible. Debido á proporción de mestura en gran parte fixa que poden funcionar os motores de gasolina, a válvula do acelerador xoga un papel importante neles, polo cal a carga do motor se regula axustando a cantidade de aire fresco. Non obstante, á súa vez, convértese nunha fonte de perdas significativas no modo de carga parcial, desempeñando o papel dunha especie de "tapón de garganta" do motor.

A idea do creador do motor diésel, Rudolf Diesel, é aumentar significativamente a relación de compresión e, polo tanto, a eficiencia termodinámica da máquina. Así, a área da cámara de combustible diminúe e a enerxía de combustión non se disipa a través das paredes do cilindro e do sistema de refrixeración, senón que se "gasta" entre as propias partículas, que neste caso están moito máis próximas a cada unha. outra. Se unha mestura de aire-combustible previamente preparada entra na cámara de combustión deste tipo de motor, como no caso dun motor de gasolina, cando se alcanza unha determinada temperatura crítica durante o proceso de compresión (dependendo da relación de compresión e do tipo de combustible). ), o proceso de autoencendido iniciarase moito antes do GMT. combustión volumétrica descontrolada. É por iso que o gasóleo se inxecta no último momento, pouco antes do GMT, a moi alta presión, o que crea unha importante falta de tempo para unha boa evaporación, difusión, mestura, autoignición e a necesidade dun límite de velocidade máxima. que raramente supera o límite. a partir de 4500 rpm Este enfoque establece os requisitos axeitados para a calidade do combustible, que neste caso é unha fracción do combustible diésel, principalmente destilados directos cunha temperatura de autoignición significativamente máis baixa, xa que unha estrutura máis inestable e moléculas longas son un requisito previo para que sexan máis fáciles. ruptura e reacción co osíxeno.

Unha característica dos procesos de combustión dun motor diésel son, por un lado, as zonas cunha rica mestura ao redor dos orificios de inxección, onde o combustible se descompón (racha) a partir da temperatura sen oxidación, converténdose nunha fonte de partículas de carbono (hollín) e, por outro. no que non hai combustible en absoluto e, baixo a influencia de altas temperaturas, o nitróxeno e o osíxeno do aire entran en interacción química, formando óxidos de nitróxeno. Polo tanto, os motores diésel sempre están axustados para funcionar con mesturas medias (é dicir, cun exceso de aire grave) e a carga só se controla dosificando a cantidade de combustible inxectado. Isto evita usar o acelerador, o que supón unha enorme vantaxe sobre os seus homólogos de gasolina. Para compensar algunhas das deficiencias do motor de gasolina, os deseñadores crearon motores nos que o proceso de formación de mesturas é a chamada "estratificación de carga".

No modo de carga parcial, a mestura estequiométrica óptima créase só na zona ao redor dos electrodos da bujía debido a unha inxección especial dun chorro de combustible inxectado, un fluxo de aire dirixido, un perfil especial das frontes do pistón e outros métodos similares que garanten a ignición. fiabilidade. Ao mesmo tempo, a mestura na maior parte do volume da cámara permanece escasa e dado que a carga neste modo só pode controlarse pola cantidade de combustible subministrado, a válvula de aceleración pode permanecer completamente aberta. Isto, á súa vez, leva a unha diminución simultánea das perdas e un aumento da eficiencia termodinámica do motor. En teoría todo parece xenial, pero ata agora o éxito deste tipo de motores producidos por Mitsubishi e VW non foi glamoroso. En xeral, ata agora ninguén pode presumir de aproveitar ao máximo as vantaxes destas solucións tecnolóxicas.

E se combinas "máxicamente" as vantaxes dos dous tipos de motores? Cal sería a combinación ideal de alta compresión do gasóleo, distribución homoxénea da mestura por todo o volume da cámara de combustión e autoignición uniforme no mesmo volume? Estudos de laboratorio intensivos de unidades experimentais deste tipo nos últimos anos demostraron unha redución significativa das emisións nocivas dos gases de escape (por exemplo, a cantidade de óxidos de nitróxeno redúcese ata un 99%!) Cun aumento da eficiencia en comparación cos motores de gasolina. . Parece que o futuro si pertence aos motores, que as empresas de automóbiles e as empresas de deseño independentes uniron recentemente baixo o nome xeral HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines ou Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

Como moitos outros desenvolvementos aparentemente "revolucionarios", a idea de crear unha máquina deste tipo non é nova e ata agora os intentos de crear un modelo de produción fiable seguen sen éxito. Ao mesmo tempo, as crecentes posibilidades de control electrónico do proceso tecnolóxico e a gran flexibilidade dos sistemas de distribución de gas crean unha perspectiva moi realista e optimista dun novo tipo de motor.

De feito, neste caso trátase dunha especie de híbrido dos principios de funcionamento dos motores de gasolina e diésel. Unha mestura ben homoxeneizada, como nos motores de gasolina, entra nas cámaras de combustión do HCCI, pero autoincéndese baixo a influencia do calor da compresión. O novo tipo de motor tampouco require unha válvula de aceleración xa que pode funcionar con mesturas delgadas. Non obstante, cómpre ter en conta que neste caso o significado da definición de "delgado" é significativamente diferente da definición de diésel, xa que HCCI non ten unha mestura completamente delgada e moi enriquecida, senón que é unha especie de mestura uniformemente delgada. O principio de funcionamento implica a ignición simultánea da mestura en todo o volume do cilindro sen unha fronte de chama en movemento uniforme e a unha temperatura moito máis baixa. Isto leva automaticamente a unha redución significativa na cantidade de óxidos de nitróxeno e hollín nos gases de escape e, segundo varias fontes autorizadas, a introdución masiva de HCCIs moito máis eficientes na produción automotriz en serie en 2010-2015. Aforrará á humanidade aproximadamente medio millón de barrís. aceite diariamente.

Non obstante, antes de logralo, os investigadores e enxeñeiros deben superar o maior obstáculo do momento: a falta dun xeito fiable de controlar os procesos de autoignición utilizando fraccións que conteñan diferentes composicións químicas, propiedades e comportamento dos combustibles modernos. Unha serie de preguntas son causadas pola contención dos procesos en varias cargas, revolucións e condicións de temperatura do motor. Segundo algúns expertos, isto pódese facer devolvendo ao cilindro unha cantidade medida con precisión de gases de escape, prequentando a mestura ou cambiando dinámicamente a relación de compresión ou cambiando directamente a relación de compresión (por exemplo, o prototipo SVC Saab) ou modificando o tempo de peche da válvula mediante sistemas de distribución de gas variables.

Aínda non está claro como se eliminará o problema do ruído e os efectos termodinámicos no deseño do motor debido á autoignición dunha gran cantidade de mestura fresca a plena carga. O verdadeiro problema é arrancar o motor a baixa temperatura nos cilindros, xa que é bastante difícil iniciar o autoencendido en tales condicións. Actualmente, moitos investigadores traballan para eliminar estes embotellamentos mediante o uso dos resultados das observacións de prototipos con sensores para o control electrónico continuo e a análise dos procesos de traballo en cilindros en tempo real.

Segundo expertos de empresas de automóbiles que traballan nesta dirección, incluíndo Honda, Nissan, Toyota e GM, é probable que primeiro se creen coches combinados que poidan cambiar os modos de funcionamento e que a bujía se use como unha especie de asistente nos casos. onde HCCI experimenta dificultades. Volkswagen xa implementa un esquema similar no seu motor CCS (Combined Combustion System), que actualmente só funciona con combustible sintético desenvolvido especialmente para el.

A ignición da mestura nos motores HCCI pódese realizar nunha ampla gama de relacións entre combustible, aire e gases de escape (é suficiente para alcanzar a temperatura de autoignición), e un curto tempo de combustión leva a un aumento significativo da eficiencia do motor. Algúns problemas de novos tipos de unidades pódense resolver con éxito en combinación con sistemas híbridos, como Hybrid Synergy Drive de Toyota; neste caso, o motor de combustión interna só se pode usar nun determinado modo óptimo en termos de velocidade e carga. no traballo, evitando así modos nos que o motor loita ou se fai ineficiente.

A combustión nos motores HCCI, lograda a través do control integrado de temperatura, presión, cantidade e calidade da mestura nunha posición próxima ao GMT, é realmente un gran problema no contexto dunha ignición moito máis sinxela cunha bujía. Por outra banda, HCCI non precisa crear procesos turbulentos, que son importantes para os motores de gasolina e especialmente diésel, debido á natureza volumétrica simultánea da autoignición. Ao mesmo tempo, é por esta razón que incluso pequenas desviacións de temperatura poden levar a cambios significativos nos procesos cinéticos.

Na práctica, o factor máis importante para o futuro deste tipo de motores é o tipo de combustible, e só se pode atopar a solución de deseño correcta cun coñecemento detallado do seu comportamento na cámara de combustión. Polo tanto, moitas empresas de automoción traballan actualmente con compañías petrolíferas (como Toyota e ExxonMobil), e a maioría dos experimentos nesta fase realízanse con combustibles sintéticos especialmente deseñados, cuxa composición e comportamento se calculan con antelación. A eficiencia do uso de gasolina e gasóleo en HCCI é contraria á lóxica dos motores clásicos. Debido á alta temperatura de autoignición das gasolinas, a relación de compresión nelas pode variar de 12:1 a 21:1, e no gasóleo, que se acende a temperaturas máis baixas, debería ser relativamente pequena, da orde de só 8. :1.

Texto: Georgy Kolev

Foto: compañía