Pandu uji diesel dan petrol: jenis
Konfrontasi tegang antara enjin diesel dan petrol mencapai kemuncaknya. Teknologi turbo terkini, sistem suntikan terus common-rail yang dikawal secara elektronik, nisbah mampatan yang tinggi – persaingan membawa kedua-dua jenis enjin lebih dekat... Dan tiba-tiba, di tengah-tengah pertarungan purba, seorang pemain baharu tiba-tiba muncul di tempat kejadian. tempat di bawah matahari.
Setelah bertahun-tahun diabaikan, para pereka telah menemukan kembali potensi besar mesin diesel dan mempercepat pengembangannya melalui pengenalan teknologi baru yang intensif. Ia sampai ke tahap bahawa prestasi dinamiknya mendekati ciri-ciri pesaing petrol dan memungkinkan penciptaan kereta yang belum pernah difikirkan seperti Volkswagen Race Touareg dan Audi R10 TDI dengan cita-cita perlumbaan yang lebih serius. Kronologi peristiwa lima belas tahun yang lalu terkenal ... Enjin diesel 1936s pada dasarnya tidak berbeza dengan nenek moyang mereka, yang diciptakan oleh Mercedes-Benz pada tahun 13. Proses evolusi perlahan diikuti, yang dalam beberapa tahun kebelakangan telah berkembang menjadi ledakan teknologi yang kuat. Pada akhir 1-an, Mercedes mencipta turbodiesel automobil pertama, pada akhir XNUMX-an, suntikan langsung membuat debutnya pada model Audi, diesel kemudian menerima kepala empat-injap, dan pada akhir XNUMXs, sistem suntikan Common Rail yang dikendalikan secara elektronik menjadi kenyataan . ... Sementara itu, suntikan bahan bakar langsung tekanan tinggi telah diperkenalkan ke dalam mesin petrol, di mana nisbah mampatan hari ini mencapai XNUMX: XNUMX dalam beberapa kes. Baru-baru ini, teknologi turbo juga mengalami kebangkitan semula, dengan nilai tork enjin petrol mula menghampiri nilai tork diesel turbo fleksibel yang terkenal dengan ketara. Namun, selari dengan pemodenan, kecenderungan berterusan untuk kenaikan serius dalam kos enjin petrol tetap ... Jadi, walaupun terdapat prasangka dan polarisasi pendapat yang jelas mengenai enjin petrol dan diesel di berbagai belahan dunia, kedua-dua pesaing tersebut memperoleh dominasi ketara.
Walaupun kebetulan kualiti kedua-dua jenis unit, masih terdapat perbezaan besar dalam sifat, watak dan tingkah laku kedua-dua mesin haba tersebut.
Dalam kes enjin petrol, campuran udara dan bahan api tersejat terbentuk dalam tempoh masa yang lebih lama dan bermula jauh sebelum permulaan proses pembakaran. Sama ada menggunakan karburetor atau sistem suntikan langsung elektronik moden, matlamat pencampuran adalah untuk menghasilkan campuran bahan api yang seragam dan homogen dengan nisbah bahan api udara yang jelas. Nilai ini biasanya hampir dengan apa yang dipanggil "campuran stoikiometri", di mana terdapat atom oksigen yang mencukupi untuk dapat (secara teori) untuk mengikat dalam struktur yang stabil dengan setiap atom hidrogen dan karbon dalam bahan api, membentuk hanya H20 dan CO2. Kerana nisbah mampatan adalah cukup kecil untuk mengelakkan pencucuhan automatik pramatang yang tidak terkawal beberapa bahan dalam bahan api disebabkan oleh suhu mampatan yang tinggi (pecahan petrol terdiri daripada hidrokarbon dengan suhu penyejatan yang jauh lebih rendah dan suhu pembakaran yang jauh lebih tinggi). pencucuhan sendiri daripada pecahan diesel), pencucuhan campuran dimulakan oleh palam pencucuh dan pembakaran berlaku dalam bentuk hadapan yang bergerak pada had laju tertentu. Malangnya, zon dengan proses yang tidak lengkap terbentuk di dalam kebuk pembakaran, yang membawa kepada pembentukan karbon monoksida dan hidrokarbon yang stabil, dan apabila bahagian depan nyalaan bergerak, tekanan dan suhu di pinggirnya meningkat, yang membawa kepada pembentukan nitrogen oksida yang berbahaya ( antara nitrogen dan oksigen dari udara), peroksida dan hidroperoksida (antara oksigen dan bahan api). Pengumpulan yang terakhir kepada nilai kritikal membawa kepada pembakaran letupan yang tidak terkawal, oleh itu, dalam petrol moden, pecahan molekul dengan "pembinaan" kimia yang agak stabil dan sukar diletupkan digunakan - beberapa proses tambahan dijalankan. di kilang penapisan untuk mencapai kestabilan tersebut. termasuk peningkatan dalam nombor oktana bahan api. Disebabkan nisbah campuran yang sebahagian besarnya tetap yang boleh dijalankan oleh enjin petrol, injap pendikit memainkan peranan penting di dalamnya, yang mana beban enjin dikawal dengan melaraskan jumlah udara segar. Walau bagaimanapun, ia, seterusnya, menjadi punca kerugian yang ketara dalam mod beban separa, memainkan peranan sejenis "palam tekak" enjin.
Idea pencipta enjin diesel, Rudolf Diesel, adalah untuk meningkatkan nisbah mampatan dengan ketara, dan oleh itu kecekapan termodinamik mesin. Oleh itu, kawasan ruang bahan api berkurangan, dan tenaga pembakaran tidak dilesapkan melalui dinding silinder dan sistem penyejukan, tetapi "dibelanjakan" antara zarah itu sendiri, yang dalam kes ini lebih dekat dengan masing-masing. lain. Jika campuran udara-bahan api yang telah disediakan terlebih dahulu memasuki kebuk pembakaran enjin jenis ini, seperti dalam kes enjin petrol, maka apabila suhu kritikal tertentu dicapai semasa proses mampatan (bergantung kepada nisbah mampatan dan jenis bahan api ), proses penyalaan diri akan dimulakan jauh sebelum GMT. pembakaran isipadu yang tidak terkawal. Atas sebab inilah bahan api diesel disuntik pada saat terakhir, sejurus sebelum GMT, pada tekanan yang sangat tinggi, yang mewujudkan kekurangan masa yang ketara untuk penyejatan, resapan, pencampuran, penyalaan sendiri dan keperluan untuk had kelajuan tinggi yang baik. yang jarang melebihi had. dari 4500 rpm Pendekatan ini menetapkan keperluan yang sesuai untuk kualiti bahan api, yang dalam kes ini adalah sebahagian kecil daripada bahan api diesel - terutamanya penyulingan lurus dengan suhu auto pencucuhan yang jauh lebih rendah, kerana struktur yang lebih tidak stabil dan molekul yang panjang adalah prasyarat untuk mereka lebih mudah. pecah dan tindak balas dengan oksigen.
Satu ciri proses pembakaran mesin diesel adalah, di satu pihak, zon dengan campuran yang diperkaya di sekitar lubang suntikan, di mana bahan bakar terurai (retak) dari suhu tanpa pengoksidaan, berubah menjadi sumber zarah karbon (jelaga), dan di sisi lain. di mana tidak ada bahan bakar sama sekali dan, di bawah pengaruh suhu tinggi, nitrogen dan oksigen udara memasuki interaksi kimia, membentuk nitrogen oksida. Oleh itu, enjin diesel sentiasa diselaraskan untuk beroperasi dengan campuran sederhana tanpa lemak (iaitu, dengan kelebihan udara yang serius), dan beban dikendalikan hanya dengan memberi dos jumlah bahan bakar yang disuntik. Ini mengelakkan penggunaan pendikit, yang merupakan kelebihan besar berbanding rakan petrol mereka. Untuk mengimbangi beberapa kekurangan mesin petrol, para pereka telah membuat mesin di mana proses pembentukan campuran adalah apa yang disebut "stratifikasi cas".
Dalam mod beban separa, campuran stoikiometri yang optimum dibuat hanya di kawasan di sekitar elektrod palam pencucuh kerana suntikan khas jet bahan bakar yang disuntik, aliran udara yang diarahkan, profil depan piston khas dan kaedah lain yang serupa yang memastikan kebolehpercayaan pencucuhan. Pada masa yang sama, campuran dalam sebahagian besar isi ruang tetap ramping, dan kerana beban dalam mod ini hanya dapat dikendalikan oleh jumlah bahan bakar yang dibekalkan, injap pendikit dapat tetap terbuka sepenuhnya. Ini, seterusnya, menyebabkan penurunan kerugian secara serentak dan peningkatan kecekapan termodinamik mesin. Secara teori semuanya kelihatan hebat, tetapi setakat ini kejayaan mesin jenis ini yang dihasilkan oleh Mitsubishi dan VW belum glamor. Secara amnya, setakat ini tidak ada yang dapat membanggakan sepenuhnya memanfaatkan penyelesaian teknologi ini.
Dan jika anda "secara ajaib" menggabungkan kelebihan kedua-dua jenis enjin? Apakah kombinasi ideal bagi pemampatan diesel tinggi, pengedaran homogen campuran di seluruh isipadu kebuk pembakaran dan penyalaan sendiri seragam dalam isipadu yang sama? Kajian makmal intensif unit eksperimen jenis ini dalam beberapa tahun kebelakangan ini telah menunjukkan pengurangan ketara dalam pelepasan berbahaya dalam gas ekzos (contohnya, jumlah nitrogen oksida dikurangkan sehingga 99%!) Dengan peningkatan kecekapan berbanding dengan enjin petrol . Nampaknya masa depan memang milik enjin, yang baru-baru ini disatukan oleh syarikat automotif dan syarikat reka bentuk bebas di bawah nama payung HCCI - Enjin Pencucuhan Mampatan Caj Homogen atau Enjin Pencucuhan Sendiri Caj Homogen.
Seperti banyak perkembangan lain yang nampaknya "revolusioner", idea untuk membuat mesin seperti itu bukanlah sesuatu yang baru, dan walaupun percubaan untuk membuat model pengeluaran yang boleh dipercayai masih tidak berjaya. Pada masa yang sama, kemungkinan peningkatan kawalan elektronik proses teknologi dan fleksibiliti sistem pengedaran gas yang besar mewujudkan prospek yang sangat realistik dan optimis untuk jenis mesin baru.
Sebenarnya, dalam kes ini, ini adalah jenis prinsip prinsip operasi mesin petrol dan diesel. Campuran yang dihomogenkan dengan baik, seperti pada mesin petrol, memasuki ruang pembakaran HCCI, tetapi ia menyala sendiri oleh panas dari pemampatan. Jenis mesin baru juga tidak memerlukan injap pendikit kerana boleh berjalan pada campuran tanpa lemak. Walau bagaimanapun, harus diingat bahawa dalam hal ini makna definisi "kurus" berbeza secara signifikan dari definisi diesel, kerana HCCI tidak mempunyai campuran sepenuhnya ramping dan sangat diperkaya, tetapi merupakan sejenis campuran tanpa lemak yang seragam. Prinsip operasi melibatkan pencucuhan serentak campuran di seluruh isipadu silinder tanpa api depan bergerak seragam dan pada suhu yang jauh lebih rendah. Ini secara automatik membawa kepada penurunan yang signifikan dalam jumlah nitrogen oksida dan jelaga dalam gas ekzos, dan, menurut sejumlah sumber yang berwibawa, pengenalan besar HCCI yang jauh lebih efisien ke dalam pengeluaran automotif bersiri pada tahun 2010-2015. Akan menyelamatkan manusia sekitar setengah juta tong. minyak setiap hari.
Walau bagaimanapun, sebelum mencapai matlamat ini, penyelidik dan jurutera mesti mengatasi batu penghalang terbesar pada masa ini - kekurangan cara yang boleh dipercayai untuk mengawal proses autopencucuhan menggunakan pecahan yang mengandungi komposisi kimia, sifat dan tingkah laku bahan api moden yang berbeza. Beberapa soalan disebabkan oleh pembendungan proses pada pelbagai beban, putaran dan keadaan suhu enjin. Menurut sesetengah pakar, ini boleh dilakukan dengan mengembalikan jumlah gas ekzos yang diukur dengan tepat ke dalam silinder, memanaskan campuran terlebih dahulu, atau menukar nisbah mampatan secara dinamik, atau menukar terus nisbah mampatan (contohnya, prototaip SVC Saab) atau menukar masa tutup injap menggunakan sistem pembolehubah pengedaran gas.
Masih belum jelas bagaimana masalah bunyi bising dan kesan termodinamik pada reka bentuk enjin akibat penyalaan sendiri sejumlah besar campuran segar pada beban penuh akan dihapuskan. Masalah sebenar ialah menghidupkan enjin pada suhu rendah dalam silinder, kerana agak sukar untuk memulakan penyalaan sendiri dalam keadaan sedemikian. Pada masa ini, ramai penyelidik sedang berusaha untuk menghapuskan kesesakan ini dengan menggunakan hasil pemerhatian prototaip dengan sensor untuk kawalan elektronik berterusan dan analisis proses kerja dalam silinder dalam masa nyata.
Menurut pakar dari syarikat kereta yang bekerja ke arah ini, termasuk Honda, Nissan, Toyota dan GM, kemungkinan kereta gabungan akan mula dicipta yang boleh menukar mod operasi, dan palam pencucuh akan digunakan sebagai sejenis pembantu dalam kes. di mana HCCI mengalami kesukaran. Volkswagen telah pun melaksanakan skim serupa dalam enjin CCS (Combined Combustion System), yang pada masa ini hanya berjalan pada bahan api sintetik yang dibangunkan khas untuknya.
Pencucuhan campuran dalam enjin HCCI boleh dilakukan dalam pelbagai nisbah antara bahan api, udara dan gas ekzos (cukup untuk mencapai suhu auto pencucuhan), dan masa pembakaran yang singkat membawa kepada peningkatan ketara dalam kecekapan enjin. Sesetengah masalah jenis unit baharu boleh berjaya diselesaikan dalam kombinasi dengan sistem hibrid, seperti Toyota Hybrid Synergy Drive - dalam kes ini, enjin pembakaran dalaman hanya boleh digunakan dalam mod tertentu yang optimum dari segi kelajuan dan beban. di tempat kerja, dengan itu memintas mod di mana enjin bergelut atau menjadi tidak cekap.
Pembakaran dalam enjin HCCI, dicapai melalui pengawalan suhu, tekanan, kuantiti dan kualiti campuran dalam kedudukan dekat dengan GMT, memang menjadi masalah besar dengan latar penyalaan yang lebih sederhana dengan busi. Sebaliknya, HCCI tidak perlu membuat proses bergelora, yang penting untuk petrol dan terutamanya mesin diesel, kerana sifat volumetrik serentak penyalaan diri. Pada masa yang sama, oleh sebab inilah penyimpangan suhu yang kecil dapat menyebabkan perubahan yang signifikan dalam proses kinetik.
Dalam amalan, faktor paling penting untuk masa depan enjin jenis ini ialah jenis bahan api, dan penyelesaian reka bentuk yang betul hanya boleh didapati dengan pengetahuan terperinci tentang kelakuannya dalam kebuk pembakaran. Oleh itu, banyak syarikat automotif kini bekerja dengan syarikat minyak (seperti Toyota dan ExxonMobil), dan kebanyakan eksperimen pada peringkat ini dijalankan dengan bahan api sintetik yang direka khas, komposisi dan tingkah lakunya dikira terlebih dahulu. Kecekapan penggunaan bahan api petrol dan diesel dalam HCCI adalah bertentangan dengan logik enjin klasik. Oleh kerana suhu petrol auto-pencucuhan yang tinggi, nisbah mampatan di dalamnya boleh berbeza-beza dari 12:1 hingga 21:1, dan dalam bahan api diesel, yang menyala pada suhu yang lebih rendah, ia sepatutnya agak kecil - mengikut urutan hanya 8 :1.
Teks: Georgy Kolev
Foto: syarikat
