試駕柴油和汽油：類型
柴油機與汽油機的緊張對峙達到高潮。 最新的渦輪增壓技術、電控共軌直噴系統、高壓縮比——兩種發動機的較量拉近了距離……突然，在一場古老的對決中，一個新玩家突然登場。 陽光下的地方。
經過多年的忽視，設計人員重新發現了柴油機的巨大潛力，並通過新技術的密集引進加速了其發展。 它的動態性能接近汽油競爭對手的特性，並允許創造迄今為止不可想像的汽車，例如大眾賽車途銳和奧迪 R10 TDI，其不僅僅是嚴肅的賽車野心。 過去 1936 年的事件年表是眾所周知的...... 13 的柴油發動機與它們的祖先沒有根本區別，它們由梅賽德斯 - 奔馳於 1 年創建。 隨之而來的是緩慢進化的過程，近年來已發展成為強大的技術爆炸。 在 XNUMX 年代後期，梅賽德斯重新打造了第一款汽車渦輪增壓柴油機，在 XNUMX 年代後期，直接噴射在奧迪車型中首次亮相，後來的柴油機獲得了四氣門頭，而在 XNUMX 後期，電子控制的共軌噴射系統成為現實。 ... 同時，高壓直接燃油噴射已被引入汽油發動機，在某些情況下，今天的壓縮比達到 XNUMX：XNUMX。 最近，渦輪增壓技術也在經歷復興，汽油發動機的扭矩值開始顯著接近著名的柔性渦輪增壓柴油機的扭矩值。 然而，在現代化進程的同時，汽油機價格仍呈穩步上升趨勢……因此，儘管世界不同地區對汽油和柴油機存在明顯的偏見和兩極分化，但這兩個競爭對手獲得了切實的支配地位。
儘管兩種類型的單元在質量上是一致的，但兩種熱機的性質，特性和性能仍然存在巨大差異。
在汽油發動機的情況下，空氣和蒸發燃料的混合物在更長的時間內形成，並且在燃燒過程開始之前很久就開始了。 無論是使用化油器還是現代電子直噴系統，混合的目的都是產生具有明確空燃比的均勻、同質的燃料混合物。 該值通常接近所謂的“化學計量混合物”，其中有足夠的氧原子能夠（理論上）以穩定的結構與燃料中的每個氫原子和碳原子結合，僅形成 H20O 和 CO2。 因為壓縮比足夠小，可以避免由於高壓縮溫度導致燃料中某些物質過早不受控制地自燃（汽油餾分由蒸發溫度低得多且燃燒溫度高得多的碳氫化合物組成）。 柴油餾分中的自燃），混合物的點火由火花塞引發，燃燒以一定速度限制的前端移動的形式發生。 不幸的是，燃燒室中形成了不完全過程的區域，導致一氧化碳和穩定的碳氫化合物的形成，當火焰前鋒移動時，其周圍的壓力和溫度增加，從而導致有害氮氧化物的形成（空氣中的氮氣和氧氣之間）、過氧化物和氫過氧化物（氧氣和燃料之間）。 後者積累到臨界值會導致不受控制的爆轟燃燒，因此，在現代汽油中，使用了具有相對穩定、難以引爆的化學“結構”的分子部分——進行了許多額外的過程在煉油廠實現這種穩定性。 包括增加燃料的辛烷值。 由於汽油發動機能夠運行的混合比基本上是固定的，節氣門在其中起著重要的作用，它通過調節新鮮空氣量來調節發動機負荷。 然而，它反過來又成為部分負荷模式下重大損失的來源，扮演著發動機“喉塞”的角色。
柴油發動機的創造者 Rudolf Diesel 的想法是顯著提高壓縮比，從而提高機器的熱力學效率。 因此，燃料室的面積減小，燃燒能量不會通過氣缸壁和冷卻系統耗散，而是在顆粒本身之間“消耗”，在這種情況下，它們更接近每個其他。 如果預先製備的空氣燃料混合物進入這種發動機的燃燒室，如汽油發動機，那麼當在壓縮過程中達到某個臨界溫度時（取決於壓縮比和燃料類型)，自燃過程將在格林威治標準時間之前很久就開始了。 不受控制的體積燃燒。 正是出於這個原因，柴油燃料在格林威治標準時間之前不久的最後時刻以非常高的壓力噴射，這造成了良好蒸發、擴散、混合、自燃和需要最高速度限制的時間嚴重不足很少超過限制。 從 4500 rpm 這種方法對燃料的質量提出了適當的要求，在這種情況下是柴油燃料的一小部分 - 主要是自燃溫度明顯較低的直餾分，因為更不穩定的結構和長分子是它們更容易產生的先決條件破裂並與氧氣反應。
柴油機燃燒過程的一個特點是，一方面是在噴孔周圍有濃混合氣的區域，在此區域燃料在不氧化的情況下從溫度分解（開裂），變成碳顆粒（煙灰）的來源，另一方面。 其中根本沒有燃料，並且在高溫的影響下，空氣中的氮和氧發生化學相互作用，形成氮氧化物。 因此，柴油機始終需要調整以在中等稀薄的混合氣（即嚴重過量的空氣）下運行，並且僅通過定量注入的燃油來控制負載。 這避免了節氣門的使用，這是其汽油同類產品的巨大優勢。 為了彌補汽油發動機的某些缺點，設計人員創建了一些發動機，其中的混合氣形成過程就是所謂的“充氣分層”。
在部分負載模式下，由於噴射燃料射流的特殊噴射、定向空氣流、活塞前端的特殊輪廓和其他類似方法確保點火，最佳化學計量混合物僅在火花塞電極周圍區域產生可靠性。 同時，大部分腔室容積中的混合氣保持稀薄，由於這種模式下的負載只能由供油量來控制，因此節氣門可以保持全開。 這反過來又導致發動機的損失減少和熱力學效率提高。 從理論上講，一切看起來都很棒，但到目前為止，三菱和大眾生產的這種發動機的成功並不光彩。 總的來說，到目前為止，沒有人可以吹噓充分利用這些技術解決方案。
如果您“神奇地”結合了兩種引擎的優點呢？ 高柴油壓縮、混合物在整個燃燒室容積內的均勻分佈以及同一容積內的均勻自燃的理想組合是什麼？ 近年來對這種類型的實驗裝置進行的深入實驗室研究表明，廢氣中的有害排放物顯著減少（例如，氮氧化物的含量減少高達 99%！）與汽油發動機相比，效率有所提高. 看來未來確實屬於發動機，汽車公司和獨立設計公司最近將其歸為 HCCI（均質充量壓縮點火發動機或均質充量自燃發動機）的總稱。
像許多其他看似``革命性''的發展一樣，創建這樣一台機器的想法並不是什麼新鮮事，儘管嘗試創建可靠的生產模型仍然沒有成功。 同時，電子過程控制能力的增強和氣體分配系統的高度靈活性為新型發動機創造了非常現實和樂觀的前景。
實際上，在這種情況下，它是汽油和柴油發動機的工作原理的一種混合形式。 均勻混合的混合物（如汽油發動機中的混合物）進入HCCI的燃燒室，但由於壓縮產生的熱量而自燃。 新型發動機也不需要節氣門，因為它可以在稀薄混合氣下運行。 但是，應注意的是，在這種情況下，“稀”的定義的含義與柴油的定義明顯不同，因為HCCI沒有完全稀且高濃的混合物，而是一種均勻稀的混合物。 工作原理涉及在氣缸的整個容積中同時點燃混合物，而不會使火焰前移均勻且溫度要低得多。 這自動導致廢氣中氮氧化物和煙灰量的顯著減少，並且根據許多權威人士的資料，2010-2015年，在批量汽車生產中大量引入了效率更高的HCCI。 將為人類節省約XNUMX萬桶。 每天加油。
然而，在實現這一目標之前，研究人員和工程師必須克服目前最大的絆腳石——缺乏一種可靠的方法來控制使用現代燃料不同化學成分、性質和行為的餾分的自燃過程。 許多問題是由發動機在各種負載、轉速和溫度條件下的過程控制引起的。 據一些專家介紹，這可以通過將精確測量的廢氣量返回氣缸、預熱混合氣，或動態改變壓縮比，或直接改變壓縮比（例如 SVC Saab 原型機）或使用可變系統氣體分配改變閥門關閉時間。
目前尚不清楚滿載時大量新鮮混合氣自燃對發動機設計造成的噪音和熱力學影響問題將如何消除。 真正的問題是在氣缸中的低溫下啟動發動機，因為在這種情況下很難啟動自燃。 目前，許多研究人員正在努力通過使用帶有傳感器的原型觀察結果來消除這些瓶頸，以實時對氣缸中的工作過程進行連續電子控制和分析。
По мнению специалистов автомобильных компаний, работающих в этом направлении, среди которых Honda, Nissan, Toyota и GM, вероятно, сначала будут созданы комбинированные машины, которые могут переключать режимы работы, а свеча зажигания будет использоваться как своего рода помощник в тех случаях, когда HCCI испытывает трудности. Volkswagen уже реализует аналогичную схему в своем двигателе CCS (Combined Combustion System), который в настоящее время работает только на специально разработанном для него синтетическом топливе.
HCCI 發動機中混合物的點火可以在燃料、空氣和廢氣之間的各種比例下進行（足以達到自燃溫度），並且燃燒時間短會導致發動機效率顯著提高。 新型機組的一些問題可以與混合動力系統結合成功解決，例如豐田的 Hybrid Synergy Drive——在這種情況下，內燃機只能在速度和負載方面最佳的特定模式下使用。 在工作中，從而繞過引擎掙扎或變得低效的模式。
在火花塞更簡單地點火的背景下，通過對溫度，壓力，混合物的質量和質量進行綜合控制來實現HCCI發動機的燃燒，這確實是一個大問題。 另一方面，由於自燃同時具有體積特性，因此HCCI無需創建湍流過程，這對於汽油發動機，尤其是柴油發動機來說非常重要。 同時，由於這個原因，即使很小的溫度偏差也會導致動力學過程發生重大變化。
在實踐中，這種發動機的未來最重要的因素是燃料類型，只有詳細了解其在燃燒室中的行為才能找到正確的設計解決方案。 因此，目前許多汽車公司都在與石油公司（如豐田和埃克森美孚）合作，現階段的大部分實驗都是使用專門設計的合成燃料進行的，其成分和行為是預先計算好的。 在 HCCI 中使用汽油和柴油燃料的效率與經典發動機的邏輯相反。 由於汽油的自燃溫度高，它們的壓縮比可以在 12:1 到 21:1 之間變化，而在較低溫度下點燃的柴油中，它應該相對較小——大約只有 8 ：1。
文字：Georgy Kolev
圖片：公司
