Zkušební jízda nafta a benzín: typy
Napjatá konfrontace mezi naftovými a benzinovými motory vrcholí. Nejnovější turbotechnika, elektronicky řízené systémy přímého vstřikování common-rail, vysoké kompresní poměry – rivalita oba typy motorů sbližuje... A najednou, uprostřed dávného souboje, se na scéně náhle objevil nový hráč. místo pod sluncem.
Po mnoha letech zanedbávání konstruktéři znovu objevili obrovský potenciál vznětového motoru a urychlili jeho vývoj intenzivním zaváděním nových technologií. Dostalo se to do bodu, kdy se jeho dynamický výkon přiblížil charakteristikám benzínového konkurenta a umožnil vznik dosud nemyslitelných vozů, jako jsou Volkswagen Race Touareg a Audi R10 TDI s více než vážnými závodními ambicemi. Chronologie událostí posledních patnácti let je dobře známá ... Dieselové motory 1936ů se zásadně nelišily od jejich předků, které vytvořil Mercedes-Benz v roce 13. Následoval proces pomalé evoluce, který v posledních letech přerostl v silný technologický výbuch. Na konci 1. let Mercedes obnovil první automobilový turbodiesel, na konci XNUMX s debutovalo přímé vstřikování v modelu Audi, později dostaly diesely čtyřventilové hlavy a na konci XNUMX se staly realitou elektronicky řízené vstřikovací systémy Common Rail. ... Mezitím bylo do benzínových motorů zavedeno vysokotlaké přímé vstřikování paliva, kde dnes kompresní poměr v některých případech dosahuje XNUMX: XNUMX. V poslední době zažívá renesanci také turbo technologie, kdy se hodnoty točivého momentu benzínových motorů začínají výrazně přibližovat hodnotám točivého momentu slavného flexibilního turbo dieselu. Souběžně s modernizací však zůstává stálá tendence k vážnému růstu cen benzínových motorů ... Takže navzdory výrazným předsudkům a polarizaci názorů na benzínové a naftové motory v různých částech světa ani jeden z nich oba soupeři získávají hmatatelnou nadvládu.
Navzdory shodě vlastností těchto dvou typů jednotek stále existují obrovské rozdíly v povaze, povaze a chování obou tepelných motorů.
U benzinového motoru se směs vzduchu a odpařeného paliva tvoří mnohem delší dobu a začíná dlouho před začátkem spalovacího procesu. Ať už používáte karburátor nebo moderní elektronické systémy přímého vstřikování, cílem míchání je vytvořit stejnoměrnou, homogenní palivovou směs s dobře definovaným poměrem vzduch-palivo. Tato hodnota se obvykle blíží tzv. „stechiometrické směsi“, ve které je dostatek atomů kyslíku na to, aby se mohly (teoreticky) vázat ve stabilní struktuře s každým atomem vodíku a uhlíku v palivu a tvořit pouze H20 a CO2. Protože kompresní poměr je dostatečně malý, aby nedocházelo k předčasnému nekontrolovanému samovznícení některých látek v palivu v důsledku vysoké kompresní teploty (benzínová frakce se skládá z uhlovodíků s mnohem nižší teplotou vypařování a mnohem vyšší teplotou spalování). samovznícení od těch v naftové frakci), zapálení směsi je iniciováno zapalovací svíčkou a ke spalování dochází v podobě předku pohybujícího se při určité hranici rychlosti. Bohužel se ve spalovací komoře tvoří zóny s nedokončenými procesy, které vedou k tvorbě oxidu uhelnatého a stabilních uhlovodíků a při pohybu čela plamene se zvyšuje tlak a teplota na jeho obvodu, což vede ke vzniku škodlivých oxidů dusíku ( mezi dusíkem a kyslíkem ze vzduchu), peroxidy a hydroperoxidy (mezi kyslíkem a palivem). Akumulace posledně jmenovaných na kritické hodnoty vede k nekontrolovanému detonačnímu spalování, proto se v moderních benzínech používají frakce molekul s relativně stabilní, obtížně detonovatelnou chemickou „konstrukcí“ - provádí se řada dalších procesů v rafineriích k dosažení takové stability. včetně zvýšení oktanového čísla paliva. Vzhledem k do značné míry fixnímu poměru směsi, který mohou benzinové motory provozovat, hraje v nich důležitou roli škrticí klapka, kterou se reguluje zatížení motoru úpravou množství čerstvého vzduchu. Ta se však zase stává zdrojem značných ztrát v režimu částečného zatížení, hrajícího roli jakési „krční zátky“ motoru.
Myšlenkou tvůrce vznětového motoru Rudolfa Diesela je výrazně zvýšit kompresní poměr, a tím i termodynamickou účinnost stroje. Plocha palivové komory se tak zmenšuje a energie spalování se nerozptyluje stěnami válce a chladicího systému, ale je „spotřebována“ mezi samotnými částicemi, které jsou v tomto případě mnohem blíže ke každému jiný. Pokud se do spalovacího prostoru tohoto typu motoru dostane předem připravená směs vzduchu a paliva, jako je tomu u benzínového motoru, pak při dosažení určité kritické teploty během procesu komprese (v závislosti na kompresním poměru a druhu paliva ), proces samovznícení bude zahájen dlouho před GMT. nekontrolované objemové spalování. Z tohoto důvodu je motorová nafta vstřikována na poslední chvíli, krátce před GMT, pod velmi vysokým tlakem, což vytváří značný nedostatek času pro dobré odpařování, difúzi, míchání, samovznícení a nutnost omezení maximální rychlosti. která málokdy překročí limit. od 4500 ot./min. Tento přístup klade odpovídající požadavky na kvalitu paliva, kterým je v tomto případě zlomek motorové nafty - jde především o přímé destiláty s výrazně nižší teplotou samovznícení, neboť nestabilnější struktura a dlouhé molekuly jsou předpokladem pro jejich snadnější prasknutí a reakce s kyslíkem.
Charakteristickým rysem spalovacích procesů vznětového motoru jsou na jedné straně zóny s obohacenou směsí kolem vstřikovacích otvorů, kde se palivo rozkládá (praská) z teploty bez oxidace a mění se na zdroj uhlíkových částic (saze) a na straně druhé. ve kterém není vůbec žádné palivo a pod vlivem vysoké teploty vstupují dusík a kyslík ze vzduchu do chemické interakce a tvoří oxidy dusíku. Dieselové motory jsou proto vždy naladěny tak, aby pracovaly se středně chudými směsmi (tj. Se značným přebytkem vzduchu), a zatížení je řízeno pouze dávkováním množství vstřikovaného paliva. Tím se zabrání použití plynu, což je obrovská výhoda oproti jejich benzínovým protějškům. Aby se vykompenzovali některé nedostatky benzínového motoru, konstruktéři vytvořili motory, u nichž je proces tvorby směsi tzv. „Stratifikace náboje“.
V režimu částečného zatížení se optimální stechiometrická směs vytváří pouze v oblasti kolem elektrod zapalovací svíčky díky speciálnímu vstřikování vstřikovaného proudu paliva, usměrněnému proudění vzduchu, speciálnímu profilu čel pístu a dalším podobným metodám, které zajišťují zapálení spolehlivost. Současně zůstává směs ve většině objemu komory libová, a protože zatížení v tomto režimu lze ovládat pouze množstvím dodávaného paliva, může škrticí ventil zůstat zcela otevřený. To zase vede k současnému snížení ztrát a zvýšení termodynamické účinnosti motoru. Teoreticky vše vypadá skvěle, ale zatím úspěch tohoto typu motoru vyráběného společností Mitsubishi a VW nebyl nijak okouzlující. Obecně se zatím nikdo nemůže pochlubit plně využíváním těchto technologických řešení.
A když „kouzelně“ spojíte výhody obou typů motorů? Jaká by byla ideální kombinace vysoké komprese nafty, homogenního rozložení směsi po celém objemu spalovacího prostoru a rovnoměrného samovznícení ve stejném objemu? Intenzivní laboratorní studie experimentálních jednotek tohoto typu v posledních letech prokázaly výrazné snížení škodlivých emisí ve výfukových plynech (např. množství oxidů dusíku je sníženo až o 99 %!) Při zvýšení účinnosti oproti benzínovým motorům . Zdá se, že budoucnost skutečně patří motorům, které automobilové společnosti a nezávislé designérské společnosti nedávno spojily pod zastřešující název HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines nebo Homogeneous Charge Self Ignition Engines.
Stejně jako mnoho jiných zdánlivě „revolučních“ vývojů není myšlenka na vytvoření takového stroje nová a pokusy o vytvoření spolehlivého produkčního modelu jsou stále neúspěšné. Současně rostoucí možnosti elektronického řízení technologického procesu a velká flexibilita systémů distribuce plynu vytvářejí velmi realistickou a optimistickou perspektivu pro nový typ motoru.
Ve skutečnosti jde v tomto případě o jakýsi hybrid principů fungování benzínových a naftových motorů. Dobře homogenizovaná směs, stejně jako v benzínových motorech, vstupuje do spalovacích komor HCCI, ale sama se vznítí teplem z komprese. Nový typ motoru také nevyžaduje škrticí ventil, protože může běžet na chudé směsi. Je však třeba poznamenat, že v tomto případě se význam definice „chudé“ významně liší od definice nafty, protože HCCI nemá úplně chudou a vysoce obohacenou směs, ale je druh rovnoměrně chudé směsi. Princip činnosti spočívá v současném zapálení směsi v celém objemu válce bez rovnoměrně se pohybujícího čela plamene a při mnohem nižší teplotě. To automaticky vede k významnému snížení množství oxidů dusíku a sazí ve výfukových plynech a podle řady autoritativních zdrojů k masivnímu zavedení mnohem efektivnějších HCCI do sériové výroby automobilů v letech 2010-2015. Zachrání lidstvo asi půl milionu barelů. olej denně.
Než toho však dosáhnou, musí výzkumníci a inženýři překonat v současnosti největší kámen úrazu – nedostatek spolehlivého způsobu řízení procesů samovznícení pomocí frakcí obsahujících různé chemické složení, vlastnosti a chování moderních paliv. Řadu otázek vyvolává zadržování procesů při různém zatížení, otáčkách a teplotních podmínkách motoru. Podle některých odborníků to lze provést vracením přesně odměřeného množství výfukových plynů zpět do válce, předehřátím směsi, nebo dynamickou změnou kompresního poměru, nebo přímou změnou kompresního poměru (například prototyp SVC Saab) popř. změna časování zavírání ventilů pomocí variabilních systémů distribuce plynu.
Jak se podaří odstranit problém hluku a termodynamických vlivů na konstrukci motoru v důsledku samovznícení velkého množství čerstvé směsi při plné zátěži, zatím není jasné. Skutečným problémem je nastartovat motor při nízké teplotě ve válcích, protože v takových podmínkách je poměrně obtížné spustit samovznícení. V současné době mnoho výzkumníků pracuje na odstranění těchto úzkých míst pomocí výsledků pozorování prototypů se senzory pro nepřetržité elektronické řízení a analýzu pracovních procesů ve válcích v reálném čase.
Podle odborníků z automobilových společností působících v tomto směru, včetně Hondy, Nissanu, Toyoty a GM, je pravděpodobné, že nejprve vzniknou kombinované vozy, které dokážou přepínat provozní režimy, a zapalovací svíčka poslouží jako jakýsi pomocník v případech kde HCCI má potíže. Volkswagen již podobné schéma implementuje u svého motoru CCS (Combined Combustion System), který zatím běží pouze na syntetické palivo speciálně vyvinuté pro něj.
Zapalování směsi u motorů HCCI lze provádět v širokém rozsahu poměrů mezi palivem, vzduchem a výfukovými plyny (stačí dosáhnout teploty samovznícení) a krátká doba spalování vede k výraznému zvýšení účinnosti motoru. Některé problémy nových typů agregátů lze úspěšně řešit v kombinaci s hybridními systémy, např. Hybrid Synergy Drive od Toyoty – v tomto případě lze spalovací motor používat pouze v určitém režimu, který je optimální z hlediska rychlosti a zatížení. při práci, čímž obchází režimy, ve kterých motor zápasí nebo se stává neúčinným.
Spalování v motorech HCCI, dosažené integrovaným řízením teploty, tlaku, množství a kvality směsi v poloze blízké GMT, je skutečně velkým problémem na pozadí mnohem jednoduššího zapalování se zapalovací svíčkou. Na druhou stranu, HCCI nemusí vytvářet turbulentní procesy, které jsou důležité pro benzínové a zejména naftové motory, kvůli současné objemové povaze samovznícení. Z tohoto důvodu zároveň mohou i malé odchylky teploty vést k významným změnám v kinetických procesech.
V praxi je nejdůležitějším faktorem pro budoucnost tohoto typu motoru druh paliva a správné konstrukční řešení lze nalézt pouze s detailní znalostí jeho chování ve spalovacím prostoru. Mnoho automobilových společností proto v současné době spolupracuje s ropnými společnostmi (například Toyota a ExxonMobil) a většina experimentů v této fázi se provádí se speciálně navrženými syntetickými palivy, jejichž složení a chování jsou předem propočítány. Efektivita použití benzínu a nafty v HCCI je v rozporu s logikou klasických motorů. Vzhledem k vysoké teplotě samovznícení benzínů se kompresní poměr v nich může pohybovat od 12:1 do 21:1 a u motorové nafty, která se vznítí při nižších teplotách, by měl být relativně malý - řádově pouze 8 :1.
Text: Georgy Kolev
Foto: společnost
