Test drive dièsel i gasolina: tipus

La tensa confrontació entre motors dièsel i gasolina arriba al seu clímax. L'última tecnologia turbo, sistemes d'injecció directa common-rail controlats electrònicament, altes relacions de compressió: la rivalitat apropa els dos tipus de motors... I de sobte, enmig d'un antic duel, va aparèixer de sobte un nou jugador en escena. un lloc sota el sol.

Després de molts anys d’abandonament, els dissenyadors han redescobert l’enorme potencial del motor dièsel i han accelerat el seu desenvolupament mitjançant la introducció intensiva de noves tecnologies. Va arribar al punt que el seu rendiment dinàmic s’acostava a les característiques d’un competidor de gasolina i va permetre la creació de cotxes fins ara impensables com el Volkswagen Race Touareg i l’Audi R10 TDI amb ambicions de competició més que serioses. La cronologia dels esdeveniments dels darrers quinze anys és ben coneguda ... Els motors dièsel de les 1936 no difereixen fonamentalment dels seus avantpassats, creats per Mercedes-Benz el 13. Va seguir un procés d’evolució lenta, que en els darrers anys s’ha convertit en una potent explosió tecnològica. A finals de la dècada de 1, Mercedes va recrear el primer turbodièsel d’automòbils, a finals de la dècada de XNUMX, la injecció directa va debutar en el model Audi, més tard els dièsel van rebre capçals de quatre vàlvules i, a finals dels XNUMX, els sistemes d’injecció Common Rail controlats electrònicament es van fer realitat. . ... Mentrestant, la injecció directa de combustible d'alta pressió s'ha introduït als motors de gasolina, on la relació de compressió arriba avui a XNUMX: XNUMX en alguns casos. Recentment, la tecnologia turbo també experimenta un renaixement, amb els valors de parell dels motors de gasolina que comencen a apropar-se significativament als valors de parell del famós turbo dièsel flexible. Tanmateix, paral·lelament a la modernització, es manté una tendència constant cap a un greu augment del cost del motor de gasolina ... Per tant, malgrat els pronunciats prejudicis i polarització d’opinions sobre els motors de gasolina i dièsel a diferents parts del món, cap dels dos els dos rivals guanyen un domini tangible.

Tot i la coincidència de les qualitats dels dos tipus d’unitats, encara hi ha enormes diferències en la naturalesa, el caràcter i el comportament dels dos motors tèrmics.

En el cas d'un motor de gasolina, la barreja d'aire i combustible evaporat es forma durant un període de temps molt més llarg i comença molt abans de l'inici del procés de combustió. Tant si s'utilitza un carburador com els moderns sistemes electrònics d'injecció directa, l'objectiu de la barreja és produir una mescla de combustible uniforme i homogènia amb una relació aire-combustible ben definida. Aquest valor acostuma a ser proper a l'anomenada "mescla estequiomètrica", en la qual hi ha prou àtoms d'oxigen per poder (teòricament) unir-se en una estructura estable amb cada àtom d'hidrogen i carboni del combustible, formant només H20 i CO2. Com que la relació de compressió és prou petita per evitar l'autoignició prematura incontrolada d'algunes substàncies del combustible a causa de l'elevada temperatura de compressió (la fracció de la gasolina està formada per hidrocarburs amb una temperatura d'evaporació molt més baixa i una temperatura de combustió molt més alta). autoencesa dels de la fracció dièsel), l'encesa de la mescla s'inicia mitjançant una bugia i la combustió es produeix en forma d'un front que es mou a un determinat límit de velocitat. Malauradament, a la cambra de combustió es formen zones amb processos incomplets, que condueixen a la formació de monòxid de carboni i hidrocarburs estables, i quan el front de flama es mou, la pressió i la temperatura a la seva perifèria augmenten, la qual cosa condueix a la formació d'òxids de nitrogen nocius ( entre nitrogen i oxigen de l'aire), peròxids i hidroperòxids (entre oxigen i combustible). L'acumulació d'aquest últim a valors crítics condueix a una combustió de detonació incontrolada, per tant, a les gasolines modernes, s'utilitzen fraccions de molècules amb una "construcció" química relativament estable i difícil de detonar; es duen a terme una sèrie de processos addicionals. a les refineries per aconseguir aquesta estabilitat. inclòs un augment del número d'octans del combustible. A causa de la proporció de mescla en gran mesura fixa que poden funcionar els motors de gasolina, la vàlvula d'acceleració hi juga un paper important, mitjançant la qual es regula la càrrega del motor ajustant la quantitat d'aire fresc. Tanmateix, al seu torn, es converteix en una font de pèrdues significatives en el mode de càrrega parcial, jugant el paper d'una mena de "tap de gola" del motor.

La idea del creador del motor dièsel, Rudolf Diesel, és augmentar significativament la relació de compressió i, per tant, l'eficiència termodinàmica de la màquina. Així, l'àrea de la cambra de combustible disminueix i l'energia de combustió no es dissipa a través de les parets del cilindre i del sistema de refrigeració, sinó que es "gasta" entre les pròpies partícules, que en aquest cas estan molt més a prop de cadascuna. altres. Si una barreja d'aire-combustible prèviament preparada entra a la cambra de combustió d'aquest tipus de motor, com en el cas d'un motor de gasolina, quan s'assoleix una determinada temperatura crítica durant el procés de compressió (depenent de la relació de compressió i el tipus de combustible). ), el procés d'autoencesa s'iniciarà molt abans del GMT. combustió volumètrica descontrolada. És per aquest motiu que s'injecta gasoil en l'últim moment, poc abans de GMT, a molt alta pressió, la qual cosa crea una important manca de temps per a una bona evaporació, difusió, mescla, autoencesa i la necessitat d'un límit de velocitat màxima. que rarament supera el límit. a partir de 4500 rpm Aquest enfocament estableix els requisits adequats per a la qualitat del combustible, que en aquest cas és una fracció del combustible dièsel, principalment destil·lats directes amb una temperatura d'autoignició significativament més baixa, ja que una estructura més inestable i molècules llargues són un requisit previ per a la seva facilitat. ruptura i reacció amb l'oxigen.

Una característica dels processos de combustió d’un motor dièsel són, d’una banda, les zones amb una barreja enriquida al voltant dels forats d’injecció, on el combustible es descompon (esquerdes) a partir de la temperatura sense oxidació, convertint-se en una font de partícules de carboni (sutge) i, de l’altra. en què no hi ha combustible i, sota la influència de les altes temperatures, el nitrogen i l’oxigen de l’aire entren en una interacció química, formant òxids de nitrogen. Per tant, els motors dièsel sempre estan sintonitzats per funcionar amb mescles mitjanes magres (és a dir, amb un excés d’aire greu), i la càrrega només es controla amb la dosificació de la quantitat de combustible injectat. D’aquesta manera s’evita l’ús de l’accelerador, cosa que suposa un enorme avantatge respecte als seus homòlegs de gasolina. Per compensar algunes de les deficiències del motor de gasolina, els dissenyadors han creat motors en què el procés de formació de mescles és l’anomenada “estratificació de càrrega”.

En mode de càrrega parcial, la barreja estequiomètrica òptima només es crea a la zona al voltant dels elèctrodes de les bugies a causa d’una injecció especial d’un raig de combustible injectat, un flux d’aire dirigit, un perfil frontal de pistó especial i altres mètodes similars que garanteixen la fiabilitat de l’encesa. Al mateix temps, la barreja a la major part del volum de la cambra es manté feble i, atès que la càrrega en aquest mode només es pot controlar mitjançant la quantitat de combustible subministrat, la vàlvula d’accelerador pot romandre completament oberta. Això, al seu torn, comporta una disminució simultània de les pèrdues i un augment de l’eficiència termodinàmica del motor. En teoria, tot sembla fantàstic, però fins ara l’èxit d’aquest tipus de motors de Mitsubishi i VW no ha estat glamurós. En general, fins ara ningú no pot presumir d’haver aprofitat al màxim aquestes solucions tecnològiques.

I si combines "per màgia" els avantatges dels dos tipus de motors? Quina seria la combinació ideal d'alta compressió dièsel, distribució homogènia de la mescla per tot el volum de la cambra de combustió i autoencesa uniforme en el mateix volum? Estudis intensius de laboratori d'unitats experimentals d'aquest tipus en els últims anys han demostrat una reducció significativa de les emissions nocives dels gasos d'escapament (per exemple, la quantitat d'òxids de nitrogen es redueix fins a un 99%!) Amb un augment de l'eficiència en comparació amb els motors de gasolina. . Sembla que el futur sí que pertany als motors, que recentment empreses d'automoció i empreses de disseny independents han agrupat sota el nom de paraigua HCCI - Motors d'encesa per compressió de càrrega homogènia o motors d'encesa automàtica de càrrega homogènia.

Com molts altres desenvolupaments aparentment "revolucionaris", la idea de crear aquesta màquina no és nova i, tot i que els intents de crear un model de producció fiable continuen sense èxit. Al mateix temps, les creixents possibilitats de control electrònic del procés tecnològic i la gran flexibilitat dels sistemes de distribució de gas creen una perspectiva molt realista i optimista per a un nou tipus de motor.

De fet, en aquest cas, es tracta d’una mena d’híbrid dels principis dels motors de gasolina i dièsel. Una barreja ben homogeneïtzada, com en els motors de gasolina, entra a les cambres de combustió de l’HCCI, però s’encén per la calor de la compressió. El nou tipus de motor tampoc no requereix una vàlvula d’accelerador, ja que pot funcionar amb mescles primes. Tot i això, cal assenyalar que en aquest cas el significat de la definició de "magre" és significativament diferent de la definició de gasoil, ja que HCCI no té una barreja completament magra i altament enriquida, sinó que és una mena de barreja uniformement magra. El principi de funcionament implica la ignició simultània de la barreja en tot el volum del cilindre sense un front de flama en moviment uniforme i a una temperatura molt inferior. Això condueix automàticament a una disminució significativa de la quantitat d’òxids de nitrogen i sutge dels gasos d’escapament i, segons diverses fonts autoritzades, a la introducció massiva d’HCCIs molt més eficients a la producció automotriu en sèrie el 2010-2015. Estalviarà a la humanitat aproximadament mig milió de barrils. oli diàriament.

No obstant això, abans d'aconseguir-ho, els investigadors i els enginyers han de superar el major obstacle del moment: la manca d'una manera fiable de controlar els processos d'autoignició utilitzant fraccions que contenen diferents composició química, propietats i comportament dels combustibles moderns. La contenció dels processos a diferents càrregues, revolucions i condicions de temperatura del motor provoca una sèrie de preguntes. Segons alguns experts, això es pot fer tornant al cilindre una quantitat mesurada amb precisió de gasos d'escapament, preescalfant la mescla o canviant dinàmicament la relació de compressió, o canviant directament la relació de compressió (per exemple, el prototip SVC Saab) o modificació del temps de tancament de la vàlvula mitjançant sistemes variables de distribució de gas.

Encara no està clar com s'eliminarà el problema del soroll i els efectes termodinàmics en el disseny del motor a causa de l'autoencesa d'una gran quantitat de mescla fresca a plena càrrega. El problema real és engegar el motor a baixa temperatura als cilindres, ja que és bastant difícil iniciar l'autoencesa en aquestes condicions. Actualment, molts investigadors estan treballant per eliminar aquests colls d'ampolla utilitzant els resultats de les observacions de prototips amb sensors per al control electrònic continu i l'anàlisi dels processos de treball en cilindres en temps real.

Segons els experts de les empreses d'automòbils que treballen en aquesta direcció, incloses Honda, Nissan, Toyota i GM, és probable que primer es creïn cotxes combinats que puguin canviar els modes de funcionament i la bugia s'utilitzarà com una mena d'assistent en els casos. on HCCI experimenta dificultats. Volkswagen ja implementa un esquema similar al seu motor CCS (Combined Combustion System), que actualment només funciona amb combustible sintètic desenvolupat especialment per a ell.

L'encesa de la mescla en motors HCCI es pot dur a terme en una àmplia gamma de proporcions entre combustible, aire i gasos d'escapament (n'hi ha prou per assolir la temperatura d'autoignició), i un temps de combustió curt condueix a un augment significatiu de l'eficiència del motor. Alguns problemes de nous tipus d'unitats es poden resoldre amb èxit en combinació amb sistemes híbrids, com ara Hybrid Synergy Drive de Toyota; en aquest cas, el motor de combustió interna només es pot utilitzar en un determinat mode òptim en termes de velocitat i càrrega. a la feina, evitant així els modes en què el motor lluita o es torna ineficient.

La combustió en motors HCCI, aconseguida mitjançant el control integrat de temperatura, pressió, quantitat i qualitat de la mescla en una posició propera a GMT, és de fet un gran problema en el context d'una ignició molt més senzilla amb una bugia. D’altra banda, HCCI no necessita crear processos turbulents, que són importants per als motors de gasolina i especialment dièsel, a causa de la naturalesa volumètrica simultània de l’auto-ignició. Al mateix temps, és per aquest motiu que fins i tot petites desviacions de temperatura poden provocar canvis significatius en els processos cinètics.

A la pràctica, el factor més important per al futur d'aquest tipus de motor és el tipus de combustible, i la solució de disseny correcta només es pot trobar amb un coneixement detallat del seu comportament a la cambra de combustió. Per tant, actualment moltes empreses d'automoció treballen amb companyies petrolieres (com Toyota i ExxonMobil), i la majoria dels experiments en aquesta etapa es duen a terme amb combustibles sintètics especialment dissenyats, la composició i el comportament dels quals es calculen per endavant. L'eficiència de l'ús de gasolina i gasoil en HCCI és contrària a la lògica dels motors clàssics. A causa de l'alta temperatura d'autoignició de les gasolines, la relació de compressió en elles pot variar de 12:1 a 21:1, i en el combustible dièsel, que s'encén a temperatures més baixes, hauria de ser relativament petit, de l'ordre de només 8. :1.

Text: Georgy Kolev

Foto: empresa