Dizel ve benzinli test sürüşü: tipler
Dizel ve benzinli motorlar arasındaki gergin çatışma doruk noktasına ulaşır. En yeni turbo teknolojisi, elektronik olarak kontrol edilen common-rail direkt enjeksiyon sistemleri, yüksek sıkıştırma oranları – rekabet iki motor tipini yakınlaştırıyor… Ve birdenbire, eski bir düellonun ortasında, sahneye yeni bir oyuncu çıktı. güneşin altında bir yer.
Uzun yıllar ihmal edildikten sonra, tasarımcılar dizel motorun muazzam potansiyelini yeniden keşfettiler ve yeni teknolojilerin yoğun tanıtımıyla gelişimini hızlandırdılar. Dinamik performansının bir benzinli rakibin özelliklerine yaklaştığı ve ciddi yarış tutkularından daha fazlasına sahip Volkswagen Race Touareg ve Audi R10 TDI gibi şimdiye kadar düşünülemez otomobillerin yaratılmasına izin verdiği noktaya geldi. Son on beş yılın olaylarının kronolojisi iyi bilinmektedir ... 1936'lerin dizel motorları, 13'da Mercedes-Benz tarafından yaratılan atalarından temel olarak farklı değildi. Bunu, son yıllarda güçlü bir teknolojik patlamaya dönüşen yavaş bir evrim süreci izledi. 1'lerin sonlarında Mercedes, ilk otomobil turbo dizelini yeniden yarattı, XNUMX'lerin sonlarında Audi modelinde doğrudan enjeksiyon piyasaya sürüldü, daha sonra dizeller dört valf kafası aldı ve XNUMX'lerin sonlarında elektronik olarak kontrol edilen Common Rail enjeksiyon sistemleri bir gerçek oldu. ... Bu arada, bugün sıkıştırma oranının bazı durumlarda XNUMX: XNUMX'e ulaştığı benzinli motorlara yüksek basınçlı doğrudan yakıt enjeksiyonu getirildi. Son zamanlarda turbo teknolojisinde de bir rönesans yaşanıyor, benzinli motorların tork değerleri ünlü esnek turbo dizelin tork değerlerine önemli ölçüde yaklaşmaya başlıyor. Ancak, modernizasyona paralel olarak, benzinli motor fiyatlarında ciddi bir artış yönünde istikrarlı bir eğilim devam ediyor... Yani, dünyanın farklı yerlerinde benzinli ve dizel motorlara ilişkin belirgin önyargılara ve görüş kutuplaşmasına rağmen, hiçbiri iki rakip somut hakimiyet kazanır.
İki tip ünitenin niteliklerinin çakışmasına rağmen, iki ısı motorunun doğası, karakteri ve davranışında hala büyük farklılıklar vardır.
Benzinli bir motor söz konusu olduğunda, hava ve buharlaşan yakıt karışımı çok daha uzun bir süre boyunca oluşur ve yanma işleminin başlamasından çok önce başlar. Karbüratör veya modern elektronik doğrudan enjeksiyon sistemleri kullanılarak, karıştırmanın amacı, iyi tanımlanmış bir hava-yakıt oranına sahip tekdüze, homojen bir yakıt karışımı üretmektir. Bu değer genellikle, yakıttaki her hidrojen ve karbon atomuyla kararlı bir yapı içinde bağlanarak yalnızca H20 ve CO2 oluşturmaya yetecek kadar (teorik olarak) oksijen atomunun bulunduğu "stokiyometrik karışım"a yakındır. Sıkıştırma oranı, yüksek sıkıştırma sıcaklığı nedeniyle yakıttaki bazı maddelerin erken kontrolsüz kendiliğinden tutuşmasını önleyecek kadar küçük olduğu için (benzin fraksiyonu çok daha düşük buharlaşma sıcaklığına ve çok daha yüksek yanma sıcaklığına sahip hidrokarbonlardan oluşur). dizel fraksiyonundakilerden kendi kendine tutuşma), karışımın tutuşması bir buji tarafından başlatılır ve yanma belli bir hız limitinde hareket eden bir cephe şeklinde gerçekleşir. Ne yazık ki, yanma odasında tamamlanmamış süreçlere sahip bölgeler oluşur, bu da karbon monoksit ve kararlı hidrokarbonların oluşumuna yol açar ve alev cephesi hareket ettiğinde, çevresindeki basınç ve sıcaklık artar, bu da zararlı nitrojen oksitlerin oluşumuna yol açar ( havadaki nitrojen ve oksijen arasında), peroksitler ve hidroperoksitler (oksijen ve yakıt arasında). İkincisinin kritik değerlere birikmesi, kontrolsüz patlama yanmasına yol açar, bu nedenle modern benzinlerde, nispeten kararlı, patlatması zor bir kimyasal "yapıya" sahip molekül fraksiyonları kullanılır - bir dizi ek işlem gerçekleştirilir rafinerilerde bu istikrarı elde etmek için. yakıtın oktan sayısındaki artış dahil. Benzinli motorların çalışabileceği büyük ölçüde sabit karışım oranı nedeniyle, motor yükünün temiz hava miktarını ayarlayarak düzenlendiği gaz kelebeği valfi bunlarda önemli bir rol oynar. Bununla birlikte, kısmi yük modunda motorun bir tür "boğaz tıkacı" rolünü oynayarak önemli bir kayıp kaynağı haline gelir.
Dizel motorun yaratıcısı Rudolf Diesel'in fikri, sıkıştırma oranını ve dolayısıyla makinenin termodinamik verimliliğini önemli ölçüde artırmaktır. Böylece yakıt odasının alanı azalır ve yanma enerjisi silindirin duvarları ve soğutma sistemi aracılığıyla dağılmaz, ancak bu durumda birbirine çok daha yakın olan parçacıkların kendileri arasında "harcanır". diğer. Benzinli motorda olduğu gibi, bu tip motorun yanma odasına önceden hazırlanmış bir hava-yakıt karışımı girerse, sıkıştırma işlemi sırasında belirli bir kritik sıcaklığa ulaşıldığında (sıkıştırma oranına ve yakıt türüne bağlı olarak) ), kendi kendine tutuşma süreci GMT'den çok önce başlatılacaktır. kontrolsüz hacimsel yanma. Bu nedenle dizel yakıt son anda, GMT'den kısa bir süre önce çok yüksek basınçta enjekte edilir, bu da iyi buharlaşma, difüzyon, karışım, kendi kendine tutuşma ve bir üst hız limiti ihtiyacı için önemli bir zaman eksikliği yaratır. nadiren sınırı aşar. 4500 rpm'den itibaren Bu yaklaşım, bu durumda dizel yakıtın bir kısmı olan yakıtın kalitesi için uygun gereksinimleri belirler - daha kararsız bir yapı ve uzun moleküller daha kolay tutuşabilmeleri için bir ön koşul olduğundan, esas olarak önemli ölçüde daha düşük kendiliğinden tutuşma sıcaklığına sahip düz damıtıklar yırtılma ve oksijenle reaksiyona girme.
Bir dizel motorun yanma işlemlerinin bir özelliği, bir yandan, yakıtın oksidasyon olmadan sıcaklıktan ayrıştığı (çatlaklar), bir karbon parçacığı (is) kaynağına dönüştüğü enjeksiyon deliklerinin çevresinde zenginleştirilmiş bir karışıma sahip bölgelerdir. İçinde hiç yakıt bulunmayan ve yüksek sıcaklığın etkisi altında havanın nitrojen ve oksijeni kimyasal etkileşime girerek nitrojen oksitler oluşturur. Bu nedenle, dizel motorlar her zaman orta-zayıf karışımlarla (yani ciddi bir hava fazlasıyla) çalışacak şekilde ayarlanmıştır ve yük yalnızca enjekte edilen yakıt miktarının dozajıyla kontrol edilir. Bu, benzinli emsallerine göre çok büyük bir avantaj olan gaz kelebeğini kullanmaktan kaçınır. Bir benzinli motorun bazı eksikliklerini telafi etmek için tasarımcılar, karışım oluşturma sürecinin "şarj tabakalandırması" olarak adlandırılan motorlar yarattılar.
Kısmi yük modunda, optimum stokiyometrik karışım, enjekte edilen bir yakıt jetinin özel enjeksiyonu, yönlendirilmiş hava akışı, piston cephelerinin özel bir profili ve ateşlemeyi sağlayan diğer benzer yöntemler nedeniyle yalnızca buji elektrotlarının etrafındaki alanda oluşturulur. güvenilirlik. Aynı zamanda, hazne hacminin çoğunda karışım zayıf kalır ve bu moddaki yük sadece sağlanan yakıt miktarı ile kontrol edilebildiğinden, gaz kelebeği tamamen açık kalabilir. Bu da, kayıplarda eşzamanlı bir azalmaya ve motorun termodinamik verimliliğinde bir artışa yol açar. Teoride her şey harika görünüyor, ancak Mitsubishi ve VW tarafından üretilen bu tip motorun başarısı şu ana kadar göz alıcı olmadı. Genel olarak, şimdiye kadar hiç kimse bu teknolojik çözümlerden tam olarak yararlanmakla övünemez.
Ve iki tür motorun avantajlarını "sihirli bir şekilde" birleştirirseniz? Yüksek dizel sıkıştırma, karışımın yanma odası hacmi boyunca homojen dağılımı ve aynı hacimde üniform kendi kendine tutuşmanın ideal kombinasyonu ne olurdu? Son yıllarda bu tür deneysel ünitelerin yoğun laboratuvar çalışmaları, egzoz gazlarındaki zararlı emisyonlarda önemli bir azalma olduğunu göstermiştir (örneğin, nitrojen oksit miktarı% 99'a kadar azalır!) Benzinli motorlara kıyasla verimlilik artışı ile . Görünüşe göre gelecek gerçekten de otomotiv şirketlerinin ve bağımsız tasarım şirketlerinin yakın zamanda HCCI - Homojen Şarjlı Sıkıştırma Ateşlemeli Motorlar veya Homojen Şarjlı Kendiliğinden Ateşlemeli Motorlar - şemsiye adı altında bir araya topladıkları motorlara ait.
Görünüşte "devrim niteliğindeki" diğer birçok gelişme gibi, böyle bir makine yaratma fikri yeni değildir ve güvenilir bir üretim modeli yaratma girişimleri hala başarısızdır. Aynı zamanda, teknolojik sürecin elektronik kontrolünün artan olanakları ve gaz dağıtım sistemlerinin büyük esnekliği, yeni bir motor türü için çok gerçekçi ve iyimser bir olasılık yaratmaktadır.
Aslında, bu durumda, benzinli ve dizel motorların çalışma prensiplerinin bir tür melezidir. Benzinli motorlarda olduğu gibi iyi homojenize edilmiş bir karışım, HCCI'nin yanma odalarına girer, ancak sıkıştırmadan gelen ısı ile kendi kendine tutuşur. Yeni motor türü, zayıf karışımlarda çalışabildiğinden, bir gaz kelebeği valfi gerektirmez. Bununla birlikte, bu durumda "fakir" tanımının anlamının dizel yakıt tanımından önemli ölçüde farklı olduğuna dikkat edilmelidir, çünkü HCCI tamamen zayıf ve oldukça zengin bir karışıma sahip değildir, ancak bir tür homojen zayıf karışımdır. Çalışma prensibi, karışımın, üniform bir şekilde hareket eden bir alev cephesi olmadan ve çok daha düşük bir sıcaklıkta silindirin tüm hacmi içinde aynı anda ateşlenmesini içerir. Bu, otomatik olarak egzoz gazlarındaki nitrojen oksit ve kurum miktarında önemli bir azalmaya ve bir dizi yetkili kaynağa göre, 2010-2015 yıllarında seri otomotiv üretimine çok daha verimli HCCI'lerin büyük ölçüde eklenmesine yol açar. İnsanlığı yaklaşık yarım milyon varil kurtaracak. günlük yağ.
Bununla birlikte, bunu başarmadan önce, araştırmacılar ve mühendisler şu anda en büyük engelin üstesinden gelmeliler - farklı kimyasal bileşime, özelliklere ve modern yakıtların davranışına sahip fraksiyonları içeren kendi kendine tutuşma süreçlerini kontrol etmenin güvenilir bir yolunun olmaması. Motorun çeşitli yüklerde, devirlerde ve sıcaklık koşullarında işlemlerin tutulması bir takım sorulara neden olur. Bazı uzmanlara göre bu, tam olarak ölçülen miktarda egzoz gazını silindire geri döndürerek, karışımı önceden ısıtarak veya sıkıştırma oranını dinamik olarak değiştirerek veya doğrudan sıkıştırma oranını değiştirerek (örneğin, SVC Saab prototipi) veya değişken sistem gaz dağıtımını kullanarak valf kapatma zamanlamasının değiştirilmesi.
Büyük miktarda taze karışımın tam yükte kendi kendine tutuşmasından kaynaklanan gürültü ve termodinamik etkilerin motor tasarımı üzerindeki probleminin nasıl ortadan kaldırılacağı henüz belli değil. Asıl sorun, motoru silindirlerde düşük bir sıcaklıkta çalıştırmaktır, çünkü bu tür koşullarda kendi kendine tutuşmayı başlatmak oldukça zordur. Şu anda birçok araştırmacı, silindirlerdeki çalışma süreçlerinin gerçek zamanlı olarak sürekli elektronik kontrolü ve analizi için sensörlü prototiplerin gözlem sonuçlarını kullanarak bu darboğazları ortadan kaldırmak için çalışıyor.
Aralarında Honda, Nissan, Toyota ve GM'nin de bulunduğu otomobil şirketlerinin uzmanlarına göre, ilk önce çalışma modlarını değiştirebilen kombine otomobiller oluşturulacak ve buji, bazı durumlarda bir nevi yardımcı olarak kullanılacak. HCCI'nin zorluklar yaşadığı yer. Volkswagen, halihazırda yalnızca kendisi için özel olarak geliştirilmiş sentetik yakıtla çalışan CCS (Kombine Yanma Sistemi) motorunda da benzer bir şemayı zaten uyguluyor.
HCCI motorlarda karışımın tutuşması, yakıt, hava ve egzoz gazları arasında geniş bir oran aralığında gerçekleştirilebilir (kendiliğinden tutuşma sıcaklığına ulaşmak yeterlidir) ve kısa yanma süresi, motor veriminde önemli bir artışa yol açar. Yeni ünite türlerinin bazı sorunları, Toyota'nın Hibrit Sinerji Sürüşü gibi hibrit sistemlerle birlikte başarıyla çözülebilir - bu durumda, içten yanmalı motor yalnızca hız ve yük açısından en uygun olan belirli bir modda kullanılabilir. çalışırken, böylece motorun zorlandığı veya verimsiz hale geldiği modları atlar.
GMT'ye yakın bir konumda karışımın sıcaklık, basınç, miktar ve kalitesinin entegre kontrolü ile elde edilen HCCI motorlarda yanma, bir bujiyle çok daha basit ateşlemenin arka planında gerçekten büyük bir sorundur. Öte yandan, HCCI'nin kendiliğinden tutuşmanın eşzamanlı hacimsel yapısı nedeniyle benzinli ve özellikle dizel motorlar için önemli olan türbülanslı süreçler oluşturmasına gerek yoktur. Aynı zamanda, bu nedenle küçük sıcaklık sapmaları bile kinetik süreçlerde önemli değişikliklere yol açabilir.
Pratikte bu motor tipinin geleceği için en önemli faktör yakıt tipidir ve doğru tasarım çözümü ancak yanma odasındaki davranışının detaylı olarak bilinmesi ile bulunabilir. Bu nedenle, birçok otomotiv şirketi şu anda petrol şirketleriyle (Toyota ve ExxonMobil gibi) çalışmakta ve bu aşamadaki deneylerin çoğu, bileşimi ve davranışı önceden hesaplanmış, özel olarak tasarlanmış sentetik yakıtlarla gerçekleştirilmektedir. HCCI'de benzin ve dizel yakıt kullanmanın verimliliği klasik motorların mantığına aykırıdır. Benzinlerin yüksek kendiliğinden tutuşma sıcaklığı nedeniyle, içlerindeki sıkıştırma oranı 12:1 ila 21:1 arasında değişebilir ve daha düşük sıcaklıklarda tutuşan dizel yakıtta nispeten küçük olmalıdır - yalnızca 8 mertebesinde :1.
Metin: Georgy Kolev
Fotoğraf: şirket
