נסיעת מבחן דיזל ובנזין: סוגים

העימות המתוח בין מנועי דיזל לבנזין מגיע לשיאו. טכנולוגיית הטורבו העדכנית ביותר, מערכות הזרקה ישירה של מסילה משותפת נשלטת אלקטרונית, יחסי דחיסה גבוהים - היריבות מקרבת את שני סוגי המנועים... ופתאום, בעיצומו של דו-קרב עתיק, הופיע לפתע שחקן חדש במקום. מקום תחת השמש.

לאחר שנים רבות של הזנחה, המעצבים גילו מחדש את הפוטנציאל העצום של מנוע הדיזל והאיצו את פיתוחו באמצעות החדרה אינטנסיבית של טכנולוגיות חדשות. זה הגיע למצב שהביצועים הדינאמיים שלה התקרבו למאפיינים של מתחרה בנזין ואפשרו יצירת מכוניות עד כה בלתי נתפסות כמו פולקסווגן מירוץ טאוארג ואאודי R10 TDI עם שאיפות מרוצי רצינות רבות יותר. הכרונולוגיה של אירועי חמש עשרה השנים האחרונות ידועה ... מנועי דיזל של 1936 לא היו שונים מהותית מאבותיהם, שיצרה מרצדס בנץ בשנת 13. תהליך של אבולוציה איטית הלך בעקבותיו, שבשנים האחרונות הפך לפיצוץ טכנולוגי רב עוצמה. בסוף המאה ה -1, יצרה מרצדס מחדש את טורבודיזל המכונית הראשונה, בסוף המאה ה -XNUMX, זריקה ישירה הופיעה לראשונה בדגם אאודי, מאוחר יותר דיזל קיבלה ראשי ארבעה שסתומים, ובסוף ה- XNUMX המאוחרות, מערכות הזרקת הרכבת הקומוניסטית הנשלטת על ידי אלקטרונית הפכו למציאות. ... בינתיים, הזרקת דלק ישיר בלחץ גבוה הוכנסה למנועי בנזין, שם יחס הדחיסה כיום מגיע ל- XNUMX: XNUMX במקרים מסוימים. לאחרונה גם טכנולוגיית הטורבו חווה רנסנס, כאשר ערכי המומנט של מנועי הבנזין מתחילים להתקרב באופן משמעותי לערכי המומנט של טורבו דיזל הגמיש המפורסם. עם זאת, במקביל למודרניזציה, נותרה נטייה מתמדת לעלייה רצינית במחיר מנוע הבנזין ... כך שלמרות הדעות הקדומות והקיטוב המובהקים בנוגע למנועי בנזין ודיזל במקומות שונים בעולם, אף לא אחת שתי היריבות זוכות לדומיננטיות מוחשית.

למרות צירוף המקרים של האיכויות של שני סוגי היחידות, עדיין ישנם הבדלים עצומים באופי, באופי ובהתנהגות של שני מנועי החום.

במקרה של מנוע בנזין, תערובת האוויר והדלק המאוד נוצרת על פני תקופה ארוכה בהרבה ומתחילה הרבה לפני תחילת תהליך הבעירה. בין אם משתמשים בקרבורטור או במערכות הזרקה ישירה אלקטרוניות מודרניות, המטרה של הערבוב היא לייצר תערובת דלק אחידה והומוגנית עם יחס אוויר-דלק מוגדר היטב. ערך זה קרוב בדרך כלל למה שמכונה "תערובת סטוכיומטרית", שבה יש מספיק אטומי חמצן כדי להיות מסוגלים (תיאורטית) להתקשר במבנה יציב עם כל אטום מימן ופחמן בדלק, וליצור רק H20 ו-CO2. מכיוון שיחס הדחיסה קטן מספיק כדי למנוע הצתה עצמית בלתי מבוקרת מוקדמת של חלק מהחומרים בדלק עקב טמפרטורת דחיסה גבוהה (שבר הבנזין מורכב מפחמימנים עם טמפרטורת אידוי נמוכה בהרבה וטמפרטורת בעירה גבוהה בהרבה). הצתה עצמית מאלו שבחלק הסולר), הצתה של התערובת יזומה על ידי מצת והבעירה מתרחשת בצורה של חזית הנעה במהירות מוגבלת מסוימת. למרבה הצער, אזורים עם תהליכים לא שלמים נוצרים בתא הבעירה, המובילים להיווצרות פחמן חד חמצני ופחמימנים יציבים, וכאשר חזית הלהבה נעה, הלחץ והטמפרטורה בהיקפי שלה עולים, מה שמוביל להיווצרות תחמוצות חנקן מזיקות ( בין חנקן וחמצן מהאוויר), פרוקסידים והידרופרוקסידים (בין חמצן לדלק). הצטברות האחרונים לערכים קריטיים מובילה לשריפת פיצוץ בלתי מבוקרת, לכן, בבנזין מודרני משתמשים בשברי מולקולות בעלות "בנייה" כימית יציבה יחסית וקשה לפיצוץ - מבוצעים מספר תהליכים נוספים בבתי זיקוק כדי להשיג יציבות כזו. כולל עלייה במספר האוקטן של הדלק. בשל יחס התערובת הקבוע ברובו שמנועי בנזין יכולים להפעיל, שסתום המצערת ממלא בהם תפקיד חשוב, שבאמצעותו מווסת עומס המנוע על ידי התאמת כמות האוויר הצח. עם זאת, זה, בתורו, הופך למקור להפסדים משמעותיים במצב עומס חלקי, משחק תפקיד של סוג של "תקע גרון" של המנוע.

הרעיון של יוצר מנוע הדיזל, רודולף דיזל, הוא להגדיל משמעותית את יחס הדחיסה, ומכאן את היעילות התרמודינמית של המכונה. לפיכך, שטח תא הדלק פוחת, ואנרגיית הבעירה אינה מתפזרת דרך קירות הצילינדר ומערכת הקירור, אלא "מבזבזת" בין החלקיקים עצמם, שבמקרה זה קרובים הרבה יותר לכל אחד. אַחֵר. אם תערובת אוויר-דלק שהוכנה מראש נכנסת לתא הבעירה של מנוע מסוג זה, כמו במקרה של מנוע בנזין, אזי כאשר מגיעים לטמפרטורה קריטית מסוימת במהלך תהליך הדחיסה (בהתאם ליחס הדחיסה וסוג הדלק). ), תהליך ההצתה העצמית יתחיל הרבה לפני GMT. בעירה נפח בלתי מבוקרת. מסיבה זו מוזרק סולר ברגע האחרון, מעט לפני GMT, בלחץ גבוה מאוד, מה שיוצר חוסר זמן משמעותי לאידוי, דיפוזיה, ערבוב, הצתה עצמית וצורך בהגבלת מהירות מרבית. שלעתים רחוקות עובר את הגבול. מ-4500 סל"ד גישה זו מציבה דרישות מתאימות לאיכות הדלק, שבמקרה זה הוא חלקיק של סולר - בעיקר תזקיקים ישרים עם טמפרטורת הצתה עצמית נמוכה משמעותית, שכן מבנה לא יציב יותר ומולקולות ארוכות הם תנאי הכרחי לקל יותר. קרע ותגובה עם חמצן.

מאפיין של תהליכי הבעירה של מנוע דיזל הוא, מצד אחד, אזורים עם תערובת עשירה סביב חורי ההזרקה, שבהם הדלק מתפרק (סדקים) מהטמפרטורה ללא חמצון, והופך למקור של חלקיקי פחמן (פיח), ומצד שני. שאין בהם דלק כלל, ובהשפעת טמפרטורה גבוהה חנקן וחמצן באוויר נכנסים לאינטראקציה כימית ויוצרים תחמוצות חנקן. לכן מנועי דיזל מכוונים תמיד לעבודה עם תערובות בינוניות-רזות (כלומר עם עודף אוויר רציני), והעומס נשלט רק על ידי מינון כמות הדלק המוזרק. זה נמנע משימוש במצערת, וזה יתרון עצום על פני עמיתיהם לבנזין. כדי לפצות על חלק מחסרונותיו של מנוע הבנזין, יצרו המעצבים מנועים בהם תהליך היווצרות התערובת הוא מה שמכונה "ריבוד מטענים".

במצב עומס חלקי, התערובת הסטוכיומטרית האופטימלית נוצרת רק באזור שמסביב לאלקטרודות המצת עקב הזרקה מיוחדת של סילון דלק מוזרק, זרימת אוויר מכוונת, פרופיל מיוחד של חזיתות הבוכנה ושיטות דומות אחרות המבטיחות הצתה מהימנות. יחד עם זאת, התערובת ברוב נפח החדר נשארת רזה, ומאחר והעומס במצב זה יכול להיות נשלט רק על ידי כמות הדלק המסופק, שסתום המצערת יכול להישאר פתוח לחלוטין. זה, בתורו, מוביל לירידה בו זמנית בהפסדים ולעלייה ביעילות התרמודינמית של המנוע. בתיאוריה הכל נראה נהדר, אך עד כה ההצלחה של מנוע מסוג זה המיוצרות על ידי מיצובישי ו- VW לא הייתה זוהרת. באופן כללי, עד כה איש אינו יכול להתפאר בכך שניצל את מלוא היתרונות של פתרונות טכנולוגיים אלה.

ואם "באופן קסם" משלבים את היתרונות של שני סוגי המנועים? מה יהיה השילוב האידיאלי של דחיסת דיזל גבוהה, חלוקה הומוגנית של התערובת בכל נפח תא הבעירה והצתה עצמית אחידה באותו נפח? מחקרי מעבדה אינטנסיביים של יחידות ניסוי מסוג זה בשנים האחרונות הראו הפחתה משמעותית בפליטות המזיקות בגזי הפליטה (למשל, כמות תחמוצות החנקן מצטמצמת עד 99%!) תוך עלייה ביעילות בהשוואה למנועי בנזין. . נראה שהעתיד אכן שייך למנועים, שחברות רכב וחברות עיצוב עצמאיות חיברו לאחרונה יחד בשם המטריה HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Engines או Homogeneous Charge Self Ignition Engines.

כמו הרבה פיתוחים לכאורה "מהפכניים", הרעיון ליצור מכונה כזו אינו חדש, ועד כה ניסיונות ליצור מודל ייצור אמין עדיין אינם מצליחים. יחד עם זאת, האפשרויות ההולכות וגדלות של שליטה אלקטרונית בתהליך הטכנולוגי והגמישות הרבה של מערכות חלוקת הגז יוצרים סיכוי מציאותי ואופטימי ביותר לסוג חדש של מנוע.

למעשה, במקרה זה מדובר במעין הכלאה של עקרונות הפעולה של מנועי בנזין ודיזל. תערובת הומוגנית היטב, כמו במנועי בנזין, נכנסת לתאי הבעירה של ה- HCCI, אך היא נדלקת בעצמה בהשפעת החום מהדחיסה. סוג המנוע החדש גם אינו דורש שסתום מצערת מכיוון שהוא יכול לפעול על תערובות רזות. עם זאת, יש לציין כי במקרה זה משמעות ההגדרה של "רזה" שונה משמעותית מהגדרת הסולר, מכיוון של- HCCI אין תערובת רזה ומועשרת מאוד, אלא היא מעין תערובת רזה אחידה. עקרון הפעולה מניח את ההצתה בו זמנית של התערובת לאורך כל נפח הצילינדר ללא חזית להבה זזה אחידה ובטמפרטורה נמוכה משמעותית. זה מוביל אוטומטית להפחתה משמעותית בכמות תחמוצות החנקן והפיח בגזי הפליטה, ועל פי מספר מקורות מוסמכים, הכנסה מסיבית של HCCI יעילים הרבה יותר לייצור רכב סדרתי בשנים 2010-2015. יחסוך לאנושות כחצי מיליון חביות. שמן מדי יום.

עם זאת, לפני השגת זאת, חוקרים ומהנדסים חייבים להתגבר על אבן הנגף הגדולה ביותר כרגע - היעדר דרך אמינה לשלוט בתהליכי הצתה עצמית באמצעות שברים מכילים עם הרכב כימי, תכונות והתנהגות שונה של דלקים מודרניים. מספר שאלות נגרמות בשל בלימת תהליכים בעומסים, סיבובים ותנאי טמפרטורה שונים של המנוע. לדברי כמה מומחים, ניתן לעשות זאת על ידי החזרת כמות מדודה מדויקת של גזי פליטה בחזרה לצילינדר, חימום מראש של התערובת, או שינוי דינמי של יחס הדחיסה, או שינוי ישיר של יחס הדחיסה (לדוגמה, אב הטיפוס של SVC Saab) או שינוי תזמון סגירת השסתומים באמצעות חלוקת גז משתנה של מערכת.

עדיין לא ברור כיצד תבוטל בעיית הרעש וההשפעות התרמודינמיות על עיצוב המנוע עקב הצתה עצמית של כמות גדולה של תערובת טרייה בעומס מלא. הבעיה האמיתית היא להפעיל את המנוע בטמפרטורה נמוכה בצילינדרים, מכיוון שדי קשה להתחיל בהצתה עצמית בתנאים כאלה. נכון לעכשיו, חוקרים רבים פועלים לביטול צווארי בקבוק אלו באמצעות תוצאות של תצפיות על אבות טיפוס עם חיישנים לשליטה אלקטרונית רציפה וניתוח של תהליכי עבודה בגלילים בזמן אמת.

לפי מומחים מחברות רכב הפועלות בכיוון זה, לרבות הונדה, ניסאן, טויוטה ו-GM, סביר להניח שתחילה ייווצרו מכוניות משולבות שיכולות להחליף מצבי הפעלה, והמצת ישמש כמעין עוזר במקרים שבו HCCI חווה קשיים. פולקסווגן כבר מיישמת תוכנית דומה במנוע ה-CCS (Combined Combustion System) שלה, שפועל כיום רק על דלק סינטטי שפותח במיוחד עבורה.

הצתת התערובת במנועי HCCI יכולה להתבצע בטווח רחב של יחסים בין דלק, אוויר וגזי פליטה (מספיק להגיע לטמפרטורת הצתה עצמית), וזמן בעירה קצר מביא לעלייה משמעותית ביעילות המנוע. כמה בעיות של יחידות מסוגים חדשים ניתנות לפתרון בהצלחה בשילוב עם מערכות היברידיות, כמו ה-Hybrid Synergy Drive של טויוטה – במקרה זה, ניתן להשתמש במנוע הבעירה הפנימית רק במצב מסוים שהוא אופטימלי מבחינת מהירות ועומס. בעבודה, ובכך עוקף מצבים שבהם המנוע מתקשה או הופך לא יעיל.

בעירה במנועי HCCI, המושגת באמצעות בקרה משולבת של טמפרטורה, לחץ, כמות ואיכות התערובת במצב קרוב ל- GMT, היא אכן בעיה גדולה על רקע הצתה פשוטה בהרבה עם מצת. מצד שני, HCCI לא צריך ליצור תהליכים סוערים, החשובים למנועי בנזין ובעיקר למנועי דיזל, בשל האופי הנפחי בו זמנית של הצתה עצמית. יחד עם זאת, מסיבה זו אפילו סטיות טמפרטורה קטנות עלולות להוביל לשינויים משמעותיים בתהליכים קינטיים.

בפועל, הגורם החשוב ביותר לעתיד של סוג זה של מנוע הוא סוג הדלק, ואת הפתרון התכנון הנכון ניתן למצוא רק עם ידע מפורט על התנהגותו בתא הבעירה. לכן, חברות רכב רבות עובדות כיום עם חברות נפט (כמו טויוטה ואקסון מוביל), ורוב הניסויים בשלב זה מתבצעים בדלקים סינתטיים שתוכננו במיוחד, שהרכבם והתנהגותם מחושבים מראש. יעילות השימוש בבנזין ודיזל ב-HCCI מנוגדת להיגיון של מנועים קלאסיים. בשל טמפרטורת ההצתה האוטומטית הגבוהה של דלקים, יחס הדחיסה בהם יכול לנוע בין 12:1 ל-21:1, ובסולר, שמתלקח בטמפרטורות נמוכות יותר, הוא אמור להיות קטן יחסית - בסדר גודל של 8 בלבד. :1.

טקסט: ג'ורג'י קולב

צילום: חברה