Lái thử động cơ diesel và xăng: các loại

Cuộc đối đầu căng thẳng giữa động cơ diesel và xăng lên đến đỉnh điểm. Công nghệ turbo mới nhất, hệ thống phun xăng trực tiếp common-rail điều khiển điện tử, tỷ số nén cao – sự cạnh tranh đưa hai loại động cơ xích lại gần nhau hơn… Và đột nhiên, giữa cuộc đọ sức cổ xưa, một đấu thủ mới bất ngờ xuất hiện trên sân khấu. một nơi dưới ánh mặt trời.

Sau nhiều năm bị lãng quên, các nhà thiết kế đã khám phá lại tiềm năng to lớn của động cơ diesel và đẩy nhanh sự phát triển của nó thông qua việc giới thiệu chuyên sâu các công nghệ mới. Nó đạt đến điểm mà hiệu suất năng động của nó tiếp cận với các đặc điểm của một đối thủ cạnh tranh xăng và cho phép tạo ra những chiếc xe không thể tưởng tượng được cho đến nay như Volkswagen Race Touareg và Audi R10 TDI với nhiều tham vọng đua xe nghiêm túc hơn. Trình tự thời gian của các sự kiện trong mười lăm năm qua đã được nhiều người biết đến ... Động cơ diesel của những chiếc 1936 về cơ bản không khác với tổ tiên của chúng, được tạo ra bởi Mercedes-Benz vào năm 13. Sau đó là một quá trình tiến hóa chậm, trong những năm gần đây đã phát triển thành một cuộc bùng nổ công nghệ mạnh mẽ. Vào cuối những năm 1, Mercedes đã tái tạo động cơ diesel tuabin ô tô đầu tiên, vào cuối những năm XNUMX, hệ thống phun xăng trực tiếp xuất hiện lần đầu trên mẫu Audi, các động cơ diesel sau đó nhận được đầu bốn van và vào cuối XNUMX, hệ thống phun Common Rail điều khiển điện tử đã trở thành hiện thực . ... Trong khi đó, phun nhiên liệu trực tiếp áp suất cao đã được đưa vào động cơ xăng, nơi mà tỷ số nén ngày nay đạt đến XNUMX: XNUMX trong một số trường hợp. Gần đây, công nghệ turbo cũng đang trải qua một thời kỳ phục hưng, với giá trị mô-men xoắn của động cơ xăng bắt đầu tiếp cận đáng kể với giá trị mô-men xoắn của động cơ turbo diesel linh hoạt nổi tiếng. Tuy nhiên, song song với việc hiện đại hóa, xu hướng ổn định về giá động cơ xăng tăng nghiêm trọng vẫn ... Vì vậy, bất chấp những định kiến ​​và phân cực rõ rệt về động cơ xăng và động cơ diesel ở các khu vực khác nhau trên thế giới, cả hai đều không hai đối thủ giành được sự thống trị hữu hình.

Mặc dù có sự trùng hợp về chất lượng của hai loại đơn vị, vẫn có sự khác biệt rất lớn về bản chất, đặc điểm và hoạt động của hai động cơ nhiệt.

Trong trường hợp động cơ xăng, hỗn hợp không khí và nhiên liệu bay hơi được hình thành trong một khoảng thời gian dài hơn nhiều và bắt đầu từ rất lâu trước khi bắt đầu quá trình đốt cháy. Cho dù sử dụng bộ chế hòa khí hay hệ thống phun trực tiếp điện tử hiện đại, mục tiêu của quá trình trộn là tạo ra hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất, đồng nhất với tỷ lệ không khí-nhiên liệu được xác định rõ. Giá trị này thường gần với cái gọi là "hỗn hợp cân bằng hóa học", trong đó có đủ nguyên tử oxy để có thể (về mặt lý thuyết) liên kết trong một cấu trúc ổn định với mọi nguyên tử hydro và carbon trong nhiên liệu, chỉ tạo thành H20 và CO2. Do tỷ số nén đủ nhỏ để tránh hiện tượng tự bốc cháy sớm không kiểm soát được của một số chất trong nhiên liệu do nhiệt độ nén cao (phần xăng gồm các hydrocacbon có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiều và nhiệt độ cháy cao hơn nhiều). tự đánh lửa từ những thứ trong phần động cơ diesel), sự đánh lửa của hỗn hợp được bắt đầu bằng một bugi và quá trình đốt cháy xảy ra ở dạng chuyển động phía trước ở một giới hạn tốc độ nhất định. Thật không may, các vùng có quá trình không hoàn chỉnh được hình thành trong buồng đốt, dẫn đến sự hình thành carbon monoxide và hydrocacbon ổn định, và khi ngọn lửa di chuyển, áp suất và nhiệt độ ở ngoại vi của nó tăng lên, dẫn đến sự hình thành các oxit nitơ có hại ( giữa nitơ và oxy từ không khí), peroxit và hydroperoxit (giữa oxy và nhiên liệu). Sự tích lũy sau này đến các giá trị tới hạn dẫn đến quá trình đốt cháy nổ không kiểm soát được, do đó, trong các loại xăng hiện đại, các phần phân tử có "cấu trúc" hóa học tương đối ổn định, khó kích nổ được sử dụng - một số quy trình bổ sung được thực hiện tại các nhà máy lọc dầu để đạt được sự ổn định như vậy. bao gồm cả việc tăng chỉ số octan của nhiên liệu. Do tỷ lệ hỗn hợp phần lớn cố định mà động cơ xăng có thể chạy, van tiết lưu đóng một vai trò quan trọng trong đó, theo đó tải của động cơ được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh lượng không khí trong lành. Tuy nhiên, đến lượt nó, nó lại trở thành nguồn gây tổn thất đáng kể ở chế độ tải từng phần, đóng vai trò như một loại "cổ họng" của động cơ.

Ý tưởng của người tạo ra động cơ diesel, Rudolf Diesel, là tăng đáng kể tỷ số nén, và do đó là hiệu suất nhiệt động của máy. Do đó, diện tích buồng nhiên liệu giảm và năng lượng đốt cháy không bị tiêu tán qua thành xi lanh và hệ thống làm mát mà được "tiêu hao" giữa chính các hạt, trong trường hợp này gần nhau hơn nhiều. khác. Nếu hỗn hợp nhiên liệu không khí được chuẩn bị trước đi vào buồng đốt của loại động cơ này, như trong trường hợp động cơ xăng, thì khi đạt đến nhiệt độ tới hạn nhất định trong quá trình nén (tùy thuộc vào tỷ số nén và loại nhiên liệu ), quá trình tự đánh lửa sẽ bắt đầu từ rất lâu trước GMT. quá trình đốt cháy thể tích không kiểm soát được. Chính vì lý do này mà nhiên liệu diesel được phun vào thời điểm cuối cùng, ngay trước GMT, ở áp suất rất cao, điều này tạo ra sự thiếu hụt đáng kể về thời gian để bay hơi, khuếch tán, trộn, tự bốc cháy tốt và cần giới hạn tốc độ tối đa mà hiếm khi vượt quá giới hạn. từ 4500 vòng / phút Cách tiếp cận này đặt ra các yêu cầu phù hợp đối với chất lượng của nhiên liệu, trong trường hợp này là một phần nhiên liệu diesel - chủ yếu là các sản phẩm chưng cất thẳng với nhiệt độ tự bốc cháy thấp hơn đáng kể, do cấu trúc không ổn định hơn và các phân tử dài là điều kiện tiên quyết để chúng dễ dàng hơn vỡ và phản ứng với oxy.

Một đặc điểm của quá trình đốt cháy của động cơ diesel một mặt là các vùng có hỗn hợp được làm giàu xung quanh các lỗ phun, nơi nhiên liệu bị phân hủy (vết nứt) do nhiệt độ mà không bị ôxy hóa, biến thành nguồn hạt cacbon (bồ hóng), và mặt khác. trong đó hoàn toàn không có nhiên liệu và dưới tác động của nhiệt độ cao, nitơ và oxy của không khí tương tác hóa học tạo thành nitơ oxit. Do đó, động cơ diesel luôn được điều chỉnh để hoạt động với hỗn hợp vừa nhẹ (tức là có lượng không khí dư thừa nghiêm trọng), và tải trọng chỉ được kiểm soát bởi liều lượng của lượng nhiên liệu được bơm vào. Điều này giúp tránh sử dụng ga, đây là một lợi thế rất lớn so với các đối tác xăng của họ. Để bù đắp cho một số thiếu sót của động cơ xăng, các nhà thiết kế đã tạo ra động cơ trong đó quá trình hình thành hỗn hợp được gọi là "sự phân tầng điện tích".

Ở chế độ tải từng phần, hỗn hợp đo phân vị tối ưu chỉ được tạo ra ở khu vực xung quanh các điện cực của bugi do sự phun đặc biệt của một tia nhiên liệu phun vào, luồng không khí có hướng, cấu trúc đặc biệt của mặt trước pít-tông và các phương pháp tương tự khác để đảm bảo đánh lửa độ tin cậy. Đồng thời, hỗn hợp trong phần lớn thể tích buồng vẫn nhỏ, và vì tải ở chế độ này chỉ có thể được kiểm soát bởi lượng nhiên liệu cung cấp, van tiết lưu có thể vẫn mở hoàn toàn. Điều này dẫn đến đồng thời giảm tổn thất và tăng hiệu suất nhiệt động của động cơ. Về lý thuyết, mọi thứ đều tuyệt vời, nhưng cho đến nay sự thành công của loại động cơ do Mitsubishi và VW sản xuất vẫn chưa được hào nhoáng. Nhìn chung, cho đến nay không ai có thể tự hào rằng họ đã tận dụng hết các giải pháp công nghệ này.

Và nếu bạn "phù phép" kết hợp những lợi thế của hai loại động cơ? Điều gì sẽ là sự kết hợp lý tưởng giữa động cơ diesel có độ nén cao, sự phân bố đồng nhất của hỗn hợp trong toàn bộ thể tích của buồng đốt và khả năng tự đánh lửa đồng đều trong cùng một thể tích? Các nghiên cứu chuyên sâu trong phòng thí nghiệm về các đơn vị thử nghiệm loại này trong những năm gần đây đã cho thấy lượng khí thải độc hại trong khí thải giảm đáng kể (ví dụ: lượng oxit nitơ giảm tới 99%!) Với sự gia tăng hiệu suất so với động cơ xăng . Có vẻ như tương lai thực sự thuộc về động cơ, thứ mà các công ty ô tô và các công ty thiết kế độc lập gần đây đã kết hợp với nhau dưới cái tên chung HCCI - Động cơ đánh lửa nén điện tích đồng nhất hoặc Động cơ tự đánh lửa điện tích đồng nhất.

Giống như nhiều sự phát triển có vẻ “cách mạng” khác, ý tưởng tạo ra một chiếc máy như vậy không phải là mới, và trong khi những nỗ lực tạo ra một mô hình sản xuất đáng tin cậy vẫn không thành công. Đồng thời, khả năng điều khiển điện tử ngày càng tăng của quá trình công nghệ và tính linh hoạt tuyệt vời của hệ thống phân phối khí tạo ra một triển vọng rất thực tế và lạc quan cho một loại động cơ mới.

Trên thực tế, trong trường hợp này, nó là một loại lai giữa nguyên lý hoạt động của động cơ xăng và động cơ diesel. Một hỗn hợp được đồng nhất tốt, giống như trong động cơ xăng, đi vào buồng đốt của HCCI, nhưng nó tự bốc cháy do nhiệt từ quá trình nén. Loại động cơ mới cũng không yêu cầu van tiết lưu vì nó có thể chạy trên hỗn hợp nạc. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong trường hợp này, ý nghĩa của định nghĩa "nạc" khác hẳn với định nghĩa của dầu diesel, vì HCCI không có hỗn hợp hoàn toàn nạc và được làm giàu cao, mà là một loại hỗn hợp nạc đồng nhất. Nguyên tắc hoạt động liên quan đến việc đốt cháy đồng thời hỗn hợp trong toàn bộ thể tích của xi lanh mà không có ngọn lửa chuyển động đồng đều phía trước và ở nhiệt độ thấp hơn nhiều. Điều này tự động dẫn đến việc giảm đáng kể lượng oxit nitơ và muội than trong khí thải, và theo một số nguồn có thẩm quyền, sự ra đời ồ ạt của các HCCI hiệu quả hơn nhiều vào sản xuất ô tô nối tiếp trong giai đoạn 2010-2015. Sẽ cứu nhân loại khoảng nửa triệu thùng. dầu hàng ngày.

Tuy nhiên, trước khi đạt được điều này, các nhà nghiên cứu và kỹ sư phải vượt qua trở ngại lớn nhất hiện nay - thiếu cách đáng tin cậy để kiểm soát quá trình tự bốc cháy bằng cách sử dụng các phân đoạn có thành phần hóa học, tính chất và hành vi khác nhau của nhiên liệu hiện đại. Một số câu hỏi được đặt ra do việc ngăn chặn các quá trình ở các mức tải, số vòng quay và điều kiện nhiệt độ khác nhau của động cơ. Theo một số chuyên gia, điều này có thể được thực hiện bằng cách đưa một lượng khí thải được đo chính xác trở lại xi lanh, làm nóng trước hỗn hợp hoặc thay đổi động tỷ số nén hoặc thay đổi trực tiếp tỷ số nén (ví dụ: nguyên mẫu SVC Saab) hoặc thay đổi thời điểm đóng van bằng cách sử dụng hệ thống phân phối khí thay đổi.

Vẫn chưa rõ vấn đề về tiếng ồn và ảnh hưởng nhiệt động đến thiết kế động cơ do tự bốc cháy với một lượng lớn hỗn hợp tươi ở mức đầy tải sẽ được loại bỏ như thế nào. Vấn đề thực sự là khởi động động cơ ở nhiệt độ thấp trong xi lanh, vì rất khó để bắt đầu tự đánh lửa trong điều kiện như vậy. Hiện tại, nhiều nhà nghiên cứu đang làm việc để loại bỏ những nút thắt cổ chai này bằng cách sử dụng kết quả quan sát nguyên mẫu bằng cảm biến để điều khiển điện tử liên tục và phân tích các quy trình làm việc trong xi lanh theo thời gian thực.

Theo các chuyên gia từ các hãng ô tô hoạt động theo hướng này, trong đó có Honda, Nissan, Toyota và GM, rất có thể những chiếc xe kết hợp trước tiên sẽ được tạo ra có thể chuyển đổi các chế độ vận hành và bugi sẽ được sử dụng như một loại trợ thủ trong các trường hợp. nơi HCCI gặp khó khăn. Volkswagen đã triển khai một kế hoạch tương tự trong động cơ CCS (Hệ thống đốt kết hợp), hiện chỉ chạy bằng nhiên liệu tổng hợp được phát triển đặc biệt cho nó.

Quá trình đánh lửa hỗn hợp trong động cơ HCCI có thể được thực hiện ở nhiều tỷ lệ giữa nhiên liệu, không khí và khí thải (đủ để đạt đến nhiệt độ tự bốc cháy) và thời gian đốt cháy ngắn dẫn đến hiệu suất động cơ tăng đáng kể. Một số vấn đề của các loại đơn vị mới có thể được giải quyết thành công khi kết hợp với các hệ thống hybrid, chẳng hạn như Toyota's Hybrid Synergy Drive - trong trường hợp này, động cơ đốt trong chỉ có thể được sử dụng ở một chế độ nhất định tối ưu về tốc độ và tải trọng. tại nơi làm việc, do đó bỏ qua các chế độ mà động cơ gặp khó khăn hoặc trở nên kém hiệu quả.

Quá trình đốt cháy trong động cơ HCCI, đạt được thông qua điều khiển tích hợp nhiệt độ, áp suất, số lượng và chất lượng của hỗn hợp ở vị trí gần với GMT, thực sự là một vấn đề lớn so với nền tảng của việc đánh lửa đơn giản hơn nhiều bằng bugi. Mặt khác, HCCI không cần tạo ra các quá trình hỗn loạn, điều này rất quan trọng đối với động cơ xăng và đặc biệt là động cơ diesel, do tính chất thể tích đồng thời của quá trình tự bốc cháy. Đồng thời, chính vì lý do này mà những sai lệch nhiệt độ dù nhỏ cũng có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể trong các quá trình động học.

Trên thực tế, yếu tố quan trọng nhất đối với tương lai của loại động cơ này là loại nhiên liệu và chỉ có thể tìm ra giải pháp thiết kế chính xác khi có kiến ​​​​thức chi tiết về hoạt động của nó trong buồng đốt. Do đó, nhiều công ty ô tô hiện đang làm việc với các công ty dầu mỏ (chẳng hạn như Toyota và ExxonMobil), và hầu hết các thử nghiệm ở giai đoạn này được thực hiện với nhiên liệu tổng hợp được thiết kế đặc biệt, thành phần và hành vi của chúng đã được tính toán trước. Hiệu quả sử dụng nhiên liệu xăng và dầu diesel trong HCCI trái ngược với logic của động cơ cổ điển. Do nhiệt độ tự bốc cháy cao của xăng, tỷ số nén trong chúng có thể thay đổi từ 12:1 đến 21:1, và trong nhiên liệu diesel, bắt lửa ở nhiệt độ thấp hơn, nên tương đối nhỏ - chỉ khoảng 8 :1.

Văn bản: Georgy Kolev

Ảnh: công ty