ディーゼルとガソリンの試乗：タイプ
ディーゼルエンジンとガソリンエンジンの緊迫した対決は最高潮に達する。 最新のターボ技術、電子制御のコモンレール式直噴システム、高圧縮比。このライバル関係が XNUMX 種類のエンジンを近づけます。 太陽の下の場所。
長年の怠慢の後、設計者はディーゼルエンジンの巨大な可能性を再発見し、新しい技術の集中的な導入を通じてその開発を加速させました。 そのダイナミックなパフォーマンスがガソリンの競合他社の特性に近づき、フォルクスワーゲンレーストゥアレグやアウディR10TDIなどのこれまで考えられなかった車を真剣なレースの野心を持って作成できるようになりました。 過去1936年間の出来事の年表はよく知られています... 13のディーゼルエンジンは、1年にメルセデスベンツによって作成された祖先と根本的に違いはありませんでした。 ゆっくりとした進化のプロセスが続き、それは近年、強力な技術的爆発へと成長しました。 XNUMX年代後半に、メルセデスは最初の自動車用ターボディーゼルを再現しました。XNUMX年代後半には、アウディモデルで直接噴射がデビューし、その後、ディーゼルはXNUMXバルブヘッドを受け取り、XNUMXの後半には、電子制御のコモンレール噴射システムが実現しました。 ..。 一方、ガソリンエンジンには高圧直接燃料噴射が導入されており、今日の圧縮比はXNUMX：XNUMXに達する場合があります。 最近、ターボ技術もルネッサンスを経験しており、ガソリンエンジンのトルク値は有名なフレキシブルターボディーゼルのトルク値に大幅に近づき始めています。 しかし、近代化と並行して、ガソリンエンジンのコストが大幅に上昇する傾向が着実に残っています...したがって、世界のさまざまな地域でのガソリンエンジンとディーゼルエンジンに関する偏見と意見の二極化にもかかわらず、どちらもXNUMX人のライバルは具体的な優位性を獲得します。
XNUMXつのタイプのユニットの品質が一致しているにもかかわらず、XNUMXつの熱機関の性質、特性、および動作には依然として大きな違いがあります。
ガソリン エンジンの場合、空気と蒸発した燃料の混合気は、燃焼プロセスの開始よりもはるかに長い時間をかけて形成されます。 キャブレターまたは最新の電子直接噴射システムを使用するかどうかにかかわらず、混合の目標は、明確に定義された空燃比を持つ均一で均質な燃料混合物を生成することです。 この値は通常、いわゆる「化学量論的混合物」に近く、燃料中のすべての水素原子および炭素原子と (理論的に) 安定した構造で結合し、H20O と CO2 のみを形成できる十分な酸素原子が存在します。 圧縮比が十分に小さいため、圧縮温度が高いために燃料内の一部の物質が早期に制御されずに自己着火することを回避できます (ガソリン留分は、蒸発温度がはるかに低く、燃焼温度がはるかに高い炭化水素で構成されています)。 ディーゼル部分のものからの自己点火)、混合気の点火はスパークプラグによって開始され、燃焼は特定の制限速度で移動するフロントの形で発生します。 残念なことに、不完全なプロセスのゾーンが燃焼室内に形成され、一酸化炭素と安定した炭化水素の形成につながり、火炎前面が移動すると、その周囲の圧力と温度が上昇し、有害な窒素酸化物の形成につながります（窒素と空気中の酸素の間）、過酸化物とヒドロペルオキシド（酸素と燃料の間）。 後者が臨界値まで蓄積すると、制御されていないデトネーション燃焼が発生します。したがって、最新のガソリンでは、比較的安定した、爆発が困難な化学「構造」を持つ分子の画分が使用されます-多くの追加プロセスが実行されますそのような安定性を達成するために製油所で。 燃料のオクタン価の増加を含みます。 ガソリンエンジンは混合比がほぼ固定されているため、新鮮な空気の量を調整してエンジンの負荷を調整するスロットルバルブが重要な役割を果たします。 ただし、それは、部分負荷モードで重大な損失の原因となり、エンジンの一種の「スロートプラグ」の役割を果たします。
ディーゼルエンジンの作成者であるルドルフ・ディーゼルのアイデアは、圧縮比を大幅に高め、それによって機械の熱力学的効率を高めることです。 したがって、燃料室の面積が減少し、燃焼エネルギーはシリンダーの壁と冷却システムを通して放散されませんが、粒子自体の間で「消費」されます。この場合、粒子はそれぞれにはるかに近くなります。他の。 ガソリンエンジンの場合のように、事前に準備された混合気がこのタイプのエンジンの燃焼室に入ると、圧縮プロセス中に特定の臨界温度に達すると（圧縮比と燃料の種類に応じて） )、自己着火プロセスは GMT よりずっと前に開始されます。 制御されていない体積燃焼。 ディーゼル燃料が GMT 直前の最後の瞬間に非常に高い圧力で噴射されるのはこのためです。これにより、良好な蒸発、拡散、混合、自己点火のための時間が大幅に不足し、最高速度制限が必要になります。限界を超えることはめったにありません。 4500 rpm から このアプローチは、燃料の品質に関する適切な要件を設定します。この場合、ディーゼル燃料の一部です。破裂し、酸素と反応します。
ディーゼルエンジンの燃焼プロセスの特徴は、一方では、燃料が酸化せずに温度から分解（クラック）し、炭素粒子の源（すす）に変わる燃料噴射口の周りの混合気が豊富なゾーンです。 燃料がまったくなく、高温の影響下で、空気の窒素と酸素が化学的相互作用に入り、窒素酸化物を形成します。 したがって、ディーゼルエンジンは常に中程度の希薄混合気（つまり、空気が大幅に過剰）で動作するように調整されており、負荷は噴射された燃料の量によってのみ制御されます。 これにより、スロットルの使用が回避されます。これは、ガソリンに比べて大きな利点です。 ガソリンエンジンのいくつかの欠点を補うために、設計者は混合気形成プロセスがいわゆる「チャージ層別化」であるエンジンを作成しました。
部分負荷モードでは、噴射された燃料ジェットの特別な噴射、方向付けられた空気の流れ、ピストンフロントの特別なプロファイル、および点火を確実にする他の同様の方法により、最適な化学量論的混合気がスパークプラグ電極の周囲の領域でのみ作成されます信頼性。 同時に、チャンバー容積の大部分の混合気は希薄なままであり、このモードの負荷は供給された燃料の量によってのみ制御できるため、スロットルバルブは完全に開いたままにすることができます。 これにより、損失が同時に減少し、エンジンの熱力学的効率が向上します。 理論的にはすべてが素晴らしく見えますが、これまでのところ、三菱とVWのこのタイプのエンジンの成功は魅力的ではありませんでした。 一般に、これまでのところ、これらの技術ソリューションの利点を最大限に活用したことを自慢することはできません。
そして、99 種類のエンジンの利点を「魔法のように」組み合わせるとしたら? ディーゼルの高圧縮、燃焼室全体への混合気の均一な分布、および同じ容積内での均一な自己着火の理想的な組み合わせは何でしょうか? 近年のこのタイプの実験ユニットの集中的な実験室研究は、排気ガス中の有害な排出物の大幅な削減を示しています（たとえば、窒素酸化物の量は最大XNUMX％削減されています！）ガソリンエンジンと比較して効率が向上しています. 未来は確かにエンジンに属しているように思われます.自動車会社と独立した設計会社は最近、HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition EnginesまたはHomogeneous Charge Self Ignition Enginesという名前でまとめました.
他の多くの見かけ上「革新的な」開発と同様に、そのようなマシンを作成するという考えは新しいものではなく、信頼性の高い生産モデルを作成する試みは依然として失敗しています。 同時に、技術プロセスの電子制御の可能性の増大とガス分配システムの大きな柔軟性により、新しいタイプのエンジンの非常に現実的で楽観的な見通しが生まれています。
実際、この場合、それはガソリンエンジンとディーゼルエンジンの動作原理の一種のハイブリッドです。 ガソリンエンジンのように均質化された混合気は、HCCIの燃焼室に入りますが、圧縮による熱によって自己発火します。 新しいタイプのエンジンは、希薄混合気でも作動できるため、スロットルバルブを必要としません。 ただし、この場合、「希薄」の定義の意味はディーゼルの定義とは大きく異なります。HCCIは完全に希薄で高濃度の混合物ではなく、一種の均一に希薄な混合物であるためです。 動作原理は、均一に動く火炎面がなく、はるかに低い温度で、シリンダーの全容積で混合物を同時に点火することです。 これにより、排気ガス中の窒素酸化物とすすの量が大幅に減少し、多くの信頼できる情報筋によると、2010-2015年に自動車の連続生産にはるかに効率的なHCCIが大量に導入されます。 人類を約XNUMX万バレル節約します。 毎日オイル。
ただし、これを達成する前に、研究者とエンジニアは、現時点で最大の障害を克服する必要があります。それは、最新の燃料の化学組成、特性、および挙動が異なる含有画分を使用して自己着火プロセスを制御する信頼できる方法がないことです。 エンジンのさまざまな負荷、回転数、および温度条件でのプロセスの封じ込めによって、多くの疑問が生じます。 一部の専門家によると、これは、正確に測定された量の排気ガスをシリンダーに戻す、混合気を予熱する、圧縮比を動的に変更する、または圧縮比を直接変更する (たとえば、SVC Saab プロトタイプ) または可変システムのガス分配を使用してバルブの閉じるタイミングを変更します。
全負荷での大量の新鮮な混合気の自己着火によるエンジン設計への騒音と熱力学的影響の問題がどのように解消されるかはまだ明らかではありません。 本当の問題は、シリンダー内の温度が低い状態でエンジンを始動することです。このような状況では自己着火を開始するのが非常に難しいためです。 現在、多くの研究者がこれらのボトルネックを解消するために、センサーを備えたプロトタイプの観察結果を使用して、連続的な電子制御とシリンダー内の作業プロセスのリアルタイムでの分析に取り組んでいます。
ホンダ、日産、トヨタ、GMなど、この方向に取り組んでいる自動車会社の専門家によると、まず動作モードを切り替えられるコンビカーが作られ、場合によっては点火プラグが一種の補助として使用される可能性が高いという。 HCCI が困難に直面している場所。フォルクスワーゲンは、CCS（複合燃焼システム）エンジンに同様のスキームをすでに実装しており、現在、このエンジンは専用に開発された合成燃料のみで動作します。
HCCIエンジンでの混合気の点火は、燃料、空気、排気ガスの幅広い比率で実行でき（自己点火温度に達するのに十分です）、燃焼時間が短いとエンジン効率が大幅に向上します。 新しいタイプのユニットのいくつかの問題は、トヨタのハイブリッド シナジー ドライブなどのハイブリッド システムと組み合わせてうまく解決できます。この場合、内燃エンジンは、速度と負荷の点で最適な特定のモードでのみ使用できます。 これにより、エンジンが苦労したり非効率になったりするモードをバイパスします。
GMTに近い位置での混合気の温度、圧力、量、および品質の統合制御によって達成されるHCCIエンジンでの燃焼は、実際には、スパークプラグによる非常に単純な点火の背景に対して大きな問題です。 一方、HCCIは、自己点火の同時体積特性により、ガソリンおよび特にディーゼルエンジンにとって重要な乱流プロセスを作成する必要がありません。 同時に、この理由により、小さな温度偏差でも速度論的プロセスに大きな変化が生じる可能性があります。
実際には、このタイプのエンジンの将来にとって最も重要な要素は燃料の種類であり、正しい設計ソリューションは、燃焼室内での挙動に関する詳細な知識によってのみ見つけることができます。 したがって、多くの自動車会社は現在、石油会社（トヨタやエクソンモービルなど）と協力しており、この段階での実験のほとんどは、事前に組成と挙動が計算された特別に設計された合成燃料を使用して行われています。 HCCIでガソリンとディーゼル燃料を使用する効率は、従来のエンジンの論理に反しています。 ガソリンの自己発火温度が高いため、それらの圧縮比は12：1から21：1まで変化する可能性があり、低温で発火するディーゼル燃料では、比較的小さくする必要があります-わずか8程度：1。
テキスト：Georgy Kolev
写真：会社
