Prueba de conducción diésel y gasolina: tipos
El tenso enfrentamiento entre motores diésel y gasolina llega a su clímax. La última tecnología turbo, sistemas de inyección directa common-rail controlados electrónicamente, altas relaciones de compresión: la rivalidad acerca los dos tipos de motores... Y de repente, en medio de un duelo ancestral, un nuevo jugador apareció en escena. un lugar bajo el sol.
Después de muchos años de negligencia, los diseñadores han redescubierto el enorme potencial del motor diesel y han acelerado su desarrollo mediante la introducción intensiva de nuevas tecnologías. Llegó al punto que su desempeño dinámico se acercó a las características de un competidor de gasolina y permitió la creación de autos hasta ahora impensables como el Volkswagen Race Touareg y el Audi R10 TDI con ambiciones de carreras más que serias. La cronología de los acontecimientos de los últimos quince años es bien conocida ... Los motores diésel de los 1936 no se diferenciaron fundamentalmente de sus antepasados, creados por Mercedes-Benz en 13. Siguió un proceso de evolución lenta, que en los últimos años se ha convertido en una poderosa explosión tecnológica. A finales de la década de 1, Mercedes recreó el primer turbodiésel de automóvil, a finales de la década de XNUMX, la inyección directa debutó en el modelo Audi, los diésel posteriores recibieron cabezales de cuatro válvulas y, a finales de los XNUMX, los sistemas de inyección Common Rail controlados electrónicamente se hicieron realidad. ... Mientras tanto, la inyección directa de combustible a alta presión se ha introducido en los motores de gasolina, donde la relación de compresión actual alcanza XNUMX: XNUMX en algunos casos. Recientemente, la tecnología turbo también está experimentando un renacimiento, con los valores de par de los motores de gasolina comenzando a acercarse significativamente a los valores de par del famoso turbo diesel flexible. Sin embargo, paralelamente a la modernización, se mantiene una tendencia constante hacia una fuerte subida del precio del motor de gasolina ... Entonces, a pesar de los pronunciados prejuicios y la polarización de opiniones sobre los motores de gasolina y diésel en diferentes partes del mundo, ninguno de los dos los dos rivales ganan un dominio tangible.
A pesar de la coincidencia de las cualidades de los dos tipos de unidades, todavía existen grandes diferencias en la naturaleza, el carácter y el comportamiento de los dos motores térmicos.
En el caso de un motor de gasolina, la mezcla de aire y combustible evaporado se forma durante un período de tiempo mucho más largo y comienza mucho antes del inicio del proceso de combustión. Ya sea que se utilice un carburador o modernos sistemas electrónicos de inyección directa, el objetivo de la mezcla es producir una mezcla de combustible uniforme y homogénea con una relación aire-combustible bien definida. Este valor suele estar cerca de la llamada "mezcla estequiométrica", en la que hay suficientes átomos de oxígeno para poder (teóricamente) unirse en una estructura estable con cada átomo de hidrógeno y carbono del combustible, formando sólo H20 y CO2. Porque la relación de compresión es lo suficientemente pequeña para evitar la autoignición prematura e incontrolada de algunas sustancias en el combustible debido a la alta temperatura de compresión (la fracción de gasolina consiste en hidrocarburos con una temperatura de evaporación mucho más baja y una temperatura de combustión mucho más alta). autoencendido de los de la fracción diesel), el encendido de la mezcla se inicia mediante una bujía y la combustión se produce en forma de un frente que se mueve a un cierto límite de velocidad. Desafortunadamente, en la cámara de combustión se forman zonas con procesos incompletos, lo que conduce a la formación de monóxido de carbono e hidrocarburos estables, y cuando el frente de llama se mueve, la presión y la temperatura en su periferia aumentan, lo que conduce a la formación de óxidos de nitrógeno nocivos ( entre el nitrógeno y el oxígeno del aire), peróxidos e hidroperóxidos (entre el oxígeno y el combustible). La acumulación de este último a valores críticos conduce a una combustión de detonación incontrolada, por lo tanto, en las gasolinas modernas, se utilizan fracciones de moléculas con una "construcción" química relativamente estable y difícil de detonar; se llevan a cabo una serie de procesos adicionales en las refinerías para lograr tal estabilidad. incluyendo un aumento en el octanaje del combustible. Debido a la relación de mezcla en gran parte fija que pueden funcionar los motores de gasolina, la válvula de mariposa juega un papel importante en ellos, mediante la cual se regula la carga del motor ajustando la cantidad de aire fresco. Sin embargo, a su vez, se convierte en una fuente de pérdidas significativas en el modo de carga parcial, desempeñando el papel de una especie de "tapón de garganta" del motor.
La idea del creador del motor diésel, Rudolf Diesel, es aumentar significativamente la relación de compresión y, por tanto, la eficiencia termodinámica de la máquina. Así, el área de la cámara de combustible disminuye, y la energía de la combustión no se disipa a través de las paredes del cilindro y del sistema de refrigeración, sino que se “gasta” entre las propias partículas, que en este caso están mucho más cerca unas de otras. otro. Si una mezcla de aire y combustible previamente preparada ingresa a la cámara de combustión de este tipo de motor, como en el caso de un motor de gasolina, cuando se alcanza cierta temperatura crítica durante el proceso de compresión (dependiendo de la relación de compresión y el tipo de combustible ), el proceso de autoencendido se iniciará mucho antes de GMT. Combustión volumétrica incontrolada. Es por ello que el gasóleo se inyecta en el último momento, poco antes de las GMT, a muy alta presión, lo que genera una importante falta de tiempo para una buena evaporación, difusión, mezcla, autoencendido y la necesidad de un límite máximo de velocidad. que rara vez excede el límite. desde 4500 rpm Este enfoque establece requisitos apropiados para la calidad del combustible, que en este caso es una fracción del combustible diesel, principalmente destilados puros con una temperatura de autoignición significativamente más baja, ya que una estructura más inestable y moléculas largas son un requisito previo para su fácil ruptura y reacción con el oxígeno.
Una característica de los procesos de combustión de un motor diésel son, por un lado, las zonas con una mezcla enriquecida alrededor de los orificios de inyección, donde el combustible se descompone (agrieta) por temperatura sin oxidación, convirtiéndose en una fuente de partículas de carbono (hollín), y por otro. en el que no hay combustible y, bajo la influencia de altas temperaturas, el nitrógeno y el oxígeno del aire entran en interacción química, formando óxidos de nitrógeno. Por lo tanto, los motores diésel siempre están sintonizados para operar con mezclas de poca grasa (es decir, con un exceso de aire importante), y la carga se controla solo mediante la dosificación de la cantidad de combustible inyectado. Esto evita el uso del acelerador, que es una gran ventaja sobre sus homólogos de gasolina. Para compensar algunas de las deficiencias de un motor de gasolina, los diseñadores han creado motores en los que el proceso de formación de la mezcla es la denominada "estratificación de carga".
En el modo de carga parcial, la mezcla estequiométrica óptima se crea solo en el área alrededor de los electrodos de la bujía debido a una inyección especial de un chorro de combustible inyectado, un flujo de aire dirigido, un perfil especial de los frentes de los pistones y otros métodos similares que aseguran el encendido. fiabilidad. Al mismo tiempo, la mezcla en la mayor parte del volumen de la cámara permanece pobre y, dado que la carga en este modo solo puede controlarse con la cantidad de combustible suministrado, la válvula de mariposa puede permanecer completamente abierta. Esto, a su vez, conduce a una disminución simultánea de las pérdidas y un aumento de la eficiencia termodinámica del motor. En teoría todo pinta muy bien, pero hasta ahora el éxito de este tipo de motor producido por Mitsubishi y VW no ha sido glamoroso. En general, hasta ahora nadie puede presumir de haber aprovechado al máximo estas soluciones tecnológicas.
¿Y si combinamos “mágicamente” las ventajas de dos tipos de motores? ¿Cuál sería la combinación ideal de alta compresión diesel, distribución homogénea de la mezcla en todo el volumen de la cámara de combustión y autoencendido uniforme en el mismo volumen? Los estudios intensivos de laboratorio de unidades experimentales de este tipo en los últimos años han demostrado una reducción significativa de las emisiones nocivas en los gases de escape (¡por ejemplo, la cantidad de óxidos de nitrógeno se reduce hasta en un 99 %!) Con un aumento de la eficiencia en comparación con los motores de gasolina . Parece que el futuro pertenece de hecho a los motores, que las empresas automotrices y las empresas de diseño independientes han agrupado recientemente bajo el nombre general HCCI - Motores de encendido por compresión de carga homogénea o Motores de encendido automático de carga homogénea.
Como muchos otros desarrollos aparentemente “revolucionarios”, la idea de crear una máquina de este tipo no es nueva y, aunque los intentos de crear un modelo de producción confiable aún no tienen éxito. Al mismo tiempo, las crecientes posibilidades de control electrónico del proceso tecnológico y la gran flexibilidad de los sistemas de distribución de gas crean una perspectiva muy realista y optimista para un nuevo tipo de motor.
De hecho, en este caso se trata de una especie de híbrido de los principios de funcionamiento de los motores de gasolina y diésel. Una mezcla bien homogeneizada, como en los motores de gasolina, ingresa a las cámaras de combustión del HCCI, pero se autoinflama por el calor de la compresión. El nuevo tipo de motor tampoco requiere una válvula de mariposa, ya que puede funcionar con mezclas pobres. Sin embargo, cabe señalar que en este caso el significado de la definición de "pobre" difiere significativamente de la definición de diesel, ya que el HCCI no tiene una mezcla completamente pobre y muy enriquecida, sino que es una especie de mezcla uniformemente pobre. El principio de funcionamiento implica el encendido simultáneo de la mezcla en todo el volumen del cilindro sin un frente de llama en movimiento uniforme y a una temperatura mucho más baja. Esto conduce automáticamente a una disminución significativa en la cantidad de óxidos de nitrógeno y hollín en los gases de escape y, según varias fuentes autorizadas, a la introducción masiva de HCCI mucho más eficientes en la producción automotriz en serie en 2010-2015. Ahorrará a la humanidad alrededor de medio millón de barriles. Aceite diario.
Sin embargo, antes de lograr esto, los investigadores e ingenieros deben superar el mayor obstáculo en este momento: la falta de una forma confiable de controlar los procesos de autoignición utilizando fracciones que contienen diferentes composiciones químicas, propiedades y comportamiento de los combustibles modernos. Una serie de preguntas son causadas por la contención de procesos en varias cargas, revoluciones y condiciones de temperatura del motor. Según algunos expertos, esto se puede hacer devolviendo al cilindro una cantidad de gases de escape medida con precisión, precalentando la mezcla, cambiando dinámicamente la relación de compresión, o cambiando directamente la relación de compresión (por ejemplo, el prototipo SVC Saab) o cambiando el tiempo de cierre de la válvula utilizando sistemas de distribución de gas variables.
Todavía no está claro cómo se eliminará el problema del ruido y los efectos termodinámicos en el diseño del motor debido al autoencendido de una gran cantidad de mezcla fresca a plena carga. El verdadero problema es arrancar el motor a baja temperatura en los cilindros, ya que es bastante difícil iniciar el autoencendido en tales condiciones. Actualmente, muchos investigadores están trabajando para eliminar estos cuellos de botella utilizando los resultados de las observaciones de prototipos con sensores para el control electrónico continuo y el análisis de procesos de trabajo en cilindros en tiempo real.
Según los expertos de las compañías automotrices que trabajan en esta dirección, entre ellas Honda, Nissan, Toyota y GM, es probable que primero se creen autos combinados que puedan cambiar los modos de funcionamiento, y la bujía se utilizará como una especie de asistente en los casos. donde HCCI experimenta dificultades. Volkswagen ya implementa un esquema similar en su motor CCS (Combined Combustion System), que actualmente funciona únicamente con combustible sintético desarrollado especialmente para él.
El encendido de la mezcla en los motores HCCI puede realizarse en una amplia gama de relaciones entre combustible, aire y gases de escape (es suficiente para alcanzar la temperatura de autoencendido), y un tiempo de combustión corto conduce a un aumento significativo de la eficiencia del motor. Algunos problemas de los nuevos tipos de unidades se pueden resolver con éxito en combinación con sistemas híbridos, como el Hybrid Synergy Drive de Toyota; en este caso, el motor de combustión interna solo se puede usar en un modo determinado que sea óptimo en términos de velocidad y carga. en el trabajo, evitando así los modos en los que el motor tiene problemas o se vuelve ineficiente.
La combustión en los motores HCCI, lograda mediante el control integrado de temperatura, presión, cantidad y calidad de la mezcla en una posición cercana a GMT, es de hecho un gran problema en el contexto de un encendido mucho más simple con una bujía. Por otro lado, el HCCI no necesita crear procesos turbulentos, que son importantes para los motores de gasolina y especialmente diésel, debido a la naturaleza volumétrica simultánea del autoencendido. Al mismo tiempo, es por esta razón que incluso pequeñas desviaciones de temperatura pueden provocar cambios significativos en los procesos cinéticos.
En la práctica, el factor más importante para el futuro de este tipo de motores es el tipo de combustible, y la solución de diseño correcta solo se puede encontrar con un conocimiento detallado de su comportamiento en la cámara de combustión. Por lo tanto, muchas empresas automotrices están trabajando actualmente con compañías petroleras (como Toyota y ExxonMobil), y la mayoría de los experimentos en esta etapa se llevan a cabo con combustibles sintéticos especialmente diseñados, cuya composición y comportamiento se calculan de antemano. La eficiencia del uso de gasolina y diesel en HCCI es contraria a la lógica de los motores clásicos. Debido a la alta temperatura de autoignición de las gasolinas, la relación de compresión en ellas puede variar de 12:1 a 21:1, y en el combustible diésel, que se enciende a temperaturas más bajas, debería ser relativamente pequeña, del orden de solo 8 :1.
Texto: Georgy Kolev
Foto: empresa
