试驾柴油和汽油：类型
柴油机与汽油机的紧张对峙达到高潮。 最新的涡轮增压技术、电控共轨直喷系统、高压缩比——两种发动机的较量拉近了距离……突然，在一场古老的对决中，一个新玩家突然登场。 阳光下的地方。
经过多年的忽视，设计师重新发现了柴油发动机的巨大潜力，并通过新技术的密集引进加速了其发展。 它的动态性能接近汽油竞争对手的特性，并允许创造迄今为止不可想象的汽车，例如大众赛车途锐和奥迪 R10 TDI，其不仅仅是严肃的赛车野心。 过去 1936 年的事件年表是众所周知的...... 13 的柴油发动机与它们的祖先没有根本区别，它们由梅赛德斯 - 奔驰于 1 年创建。 随之而来的是缓慢进化的过程，近年来已发展成为强大的技术爆炸。 XNUMX 年代后期，梅赛德斯重新打造了第一台汽车涡轮增压柴油机，XNUMX 年代后期，直接喷射在奥迪车型中首次亮相，后来的柴油机获得了四气门头，而在 XNUMX 年代后期，电控共轨喷射系统成为现实. ... 同时，高压直接燃油喷射已被引入汽油发动机，在某些情况下，今天的压缩比达到 XNUMX：XNUMX。 最近，涡轮增压技术也在经历复兴，汽油发动机的扭矩值开始显着接近著名的柔性涡轮增压柴油机的扭矩值。 然而，在现代化进程的同时，汽油发动机成本持续大幅上涨的趋势依然存在……因此，尽管世界不同地区对汽油和柴油发动机存在明显的偏见和两极分化，但两者都没有。这两个竞争对手获得了切实的支配地位。
尽管两种类型的单元在质量上是一致的，但两种热机的性质，特性和性能仍然存在巨大差异。
在汽油发动机的情况下，空气和蒸发燃料的混合物在更长的时间内形成，并且在燃烧过程开始之前很久就开始了。 无论是使用化油器还是现代电子直喷系统，混合的目的都是产生具有明确空燃比的均匀、同质的燃料混合物。 该值通常接近所谓的“化学计量混合物”，其中有足够的氧原子能够（理论上）以稳定的结构与燃料中的每个氢原子和碳原子结合，仅形成 H20O 和 CO2。 因为压缩比足够小，可以避免由于高压缩温度导致燃料中某些物质过早不受控制地自燃（汽油馏分由蒸发温度低得多且燃烧温度高得多的碳氢化合物组成）。 柴油馏分中的自燃），混合物的点火由火花塞引发，燃烧以一定速度限制的前端移动的形式发生。 不幸的是，燃烧室中形成了不完全过程的区域，导致一氧化碳和稳定的碳氢化合物的形成，当火焰前锋移动时，其周围的压力和温度增加，从而导致有害氮氧化物的形成（空气中的氮气和氧气之间）、过氧化物和氢过氧化物（氧气和燃料之间）。 后者积累到临界值会导致不受控制的爆轰燃烧，因此，在现代汽油中，使用了具有相对稳定、难以引爆的化学“结构”的分子部分——进行了许多额外的过程在炼油厂实现这种稳定性。 包括增加燃料的辛烷值。 由于汽油发动机能够运行的混合比基本上是固定的，节气门在其中起着重要的作用，它通过调节新鲜空气量来调节发动机负荷。 然而，它反过来又成为部分负荷模式下重大损失的来源，扮演着发动机“喉塞”的角色。
柴油发动机的创造者 Rudolf Diesel 的想法是显着提高压缩比，从而提高机器的热力学效率。 因此，燃料室的面积减小，燃烧能量不会通过气缸壁和冷却系统耗散，而是在颗粒本身之间“消耗”，在这种情况下，它们更接近每个其他。 如果预先制备的空气燃料混合物进入这种发动机的燃烧室，如汽油发动机，那么当在压缩过程中达到某个临界温度时（取决于压缩比和燃料类型)，自燃过程将在格林威治标准时间之前很久就开始了。 不受控制的体积燃烧。 正是出于这个原因，柴油燃料在格林威治标准时间之前不久的最后时刻以非常高的压力喷射，这造成了良好蒸发、扩散、混合、自燃和需要最高速度限制的时间严重不足很少超过限制。 从 4500 rpm 这种方法对燃料的质量提出了适当的要求，在这种情况下是柴油燃料的一小部分 - 主要是自燃温度明显较低的直馏分，因为更不稳定的结构和长分子是它们更容易产生的先决条件破裂并与氧气反应。
一方面，柴油机燃烧过程的一个特征是在喷孔周围具有富集混合物的区域，在该区域中，燃料从温度分解（开裂）而不会氧化，变成碳颗粒源（煤烟），另一方面。 其中根本没有燃料，并且在高温的影响下，空气中的氮和氧发生化学相互作用，形成氮氧化物。 因此，柴油发动机总是要调整为以中等稀薄的混合气（即，空气严重过量）运行，并且负载仅由喷射燃油量控制。 这避免了使用节气门，这是其汽油同类产品的巨大优势。 为了弥补汽油发动机的某些缺点，设计人员创建了一些发动机，其中的混合气形成过程就是所谓的“充气分层”。
在部分负载模式下，由于喷射燃料射流的特殊喷射、定向空气流、活塞前端的特殊轮廓和其他类似方法确保点火，最佳化学计量混合物仅在火花塞电极周围区域产生可靠性。 同时，大部分腔室容积中的混合气保持稀薄，由于这种模式下的负载只能通过供油量来控制，因此节气门可以保持全开。 这反过来又导致发动机的损失减少和热力学效率提高。 从理论上讲，一切看起来都很棒，但到目前为止，三菱和大众生产的这种发动机的成功并不光彩。 总的来说，到目前为止，没有人可以夸耀他们已经充分利用了这些技术解决方案。
如果您“神奇地”结合了两种引擎的优点呢？ 高柴油压缩、混合物在整个燃烧室容积内的均匀分布以及同一容积内的均匀自燃的理想组合是什么？ 近年来对这种类型的实验装置进行的深入实验室研究表明，废气中的有害排放物显着减少（例如，氮氧化物的含量减少高达 99%！）与汽油发动机相比，效率有所提高. 看来未来确实属于发动机，汽车公司和独立设计公司最近将其归为 HCCI（均质充量压缩点火发动机或均质充量自燃发动机）的总称。
像许多其他看似``革命性''的发展一样，创建这样一台机器的想法并不新鲜，到目前为止，创建可靠的生产模型的尝试仍然没有成功。 同时，对工艺过程进行电子控制的可能性不断增加，并且气体分配系统具有极大的灵活性，这为新型发动机创造了非常现实和乐观的前景。
实际上，在这种情况下，它是汽油和柴油发动机的工作原理的一种混合形式。 汽油发动机中，均匀混合的混合物进入HCCI的燃烧室，但在压缩产生的热量的影响下会自燃。 新型发动机也不需要节气门，因为它可以在稀薄混合气下运行。 但是，应注意，在这种情况下，“稀”的定义的含义与柴油的定义明显不同，因为HCCI没有完全稀和高浓的混合物，而是一种均匀稀的混合物。 工作原理涉及在气缸的整个容积中同时点燃混合物，而不会使火焰锋面均匀移动并且温度要低得多。 这自动导致废气中氮氧化物和烟灰量的显着减少，并且根据许多权威人士的资料，2010-2015年，在批量汽车生产中大量引入了效率更高的HCCI。 将为人类节省约XNUMX万桶。 每天加油。
然而，在实现这一目标之前，研究人员和工程师必须克服目前最大的绊脚石——缺乏一种可靠的方法来控制使用现代燃料不同化学成分、性质和行为的馏分的自燃过程。 许多问题是由发动机在各种负载、转速和温度条件下的过程控制引起的。 据一些专家介绍，这可以通过将精确测量的废气量返回气缸、预热混合气，或动态改变压缩比，或直接改变压缩比（例如 SVC Saab 原型机）或使用可变系统气体分配改变阀门关闭时间。
目前尚不清楚满载时大量新鲜混合气自燃对发动机设计造成的噪音和热力学影响问题将如何消除。 真正的问题是在气缸中的低温下启动发动机，因为在这种情况下很难启动自燃。 目前，许多研究人员正在努力通过使用带有传感器的原型观察结果来消除这些瓶颈，以实时对气缸中的工作过程进行连续电子控制和分析。
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 发动机中混合物的点火可以在燃料、空气和废气之间的各种比例下进行（足以达到自燃温度），并且燃烧时间短会导致发动机效率显着提高。 新型机组的一些问题可以与混合动力系统结合成功解决，例如丰田的 Hybrid Synergy Drive——在这种情况下，内燃机只能在速度和负载方面最佳的特定模式下使用。 在工作中，从而绕过引擎挣扎或变得低效的模式。
在通过火花塞简化点火的背景下，通过对温度，压力，混合物的质量和质量进行综合控制来实现HCCI发动机的燃烧，确实是一个大问题。 另一方面，由于自燃同时具有体积特性，因此HCCI无需创建湍流过程，这对于汽油发动机，尤其是柴油发动机来说非常重要。 同时，由于这个原因，即使很小的温度偏差也会导致动力学过程发生重大变化。
在实践中，这种发动机的未来最重要的因素是燃料类型，只有详细了解其在燃烧室中的行为才能找到正确的设计解决方案。 因此，目前许多汽车公司都在与石油公司（如丰田和埃克森美孚）合作，现阶段的大部分实验都是使用专门设计的合成燃料进行的，其成分和行为是预先计算好的。 在 HCCI 中使用汽油和柴油燃料的效率与经典发动机的逻辑相反。 由于汽油的自燃温度高，它们的压缩比可以在 12:1 到 21:1 之间变化，而在较低温度下点燃的柴油中，它应该相对较小——大约只有 8 ：1。
文字：Georgy Kolev
图片：公司
