시승 디젤 및 가솔린: 유형

디젤과 가솔린 엔진의 팽팽한 대결이 절정에 이른다. 최신 터보 기술, 전자 제어식 커먼레일 직분사 시스템, 높은 압축비 – 경쟁은 두 가지 유형의 엔진을 더 가깝게 만듭니다… 태양 아래 있는 곳.

오랜 세월 방치된 후 설계자들은 디젤 엔진의 엄청난 잠재력을 재발견하고 신기술의 집약적인 도입을 통해 개발에 박차를 가했습니다. 그 다이내믹한 성능이 가솔린 경쟁자의 특성에 가까워지고 진지한 레이싱 야망 이상으로 폭스바겐 레이스 투아렉 및 아우디 R10 TDI와 같은 지금까지 생각할 수 없는 자동차를 만들 수 있었습니다. 지난 1936년간의 사건 연대기는 잘 알려져 있습니다. 13의 디젤 엔진은 1년에 Mercedes-Benz가 만든 조상과 근본적으로 다르지 않았습니다. 느린 진화의 과정이 뒤따랐고 최근 몇 년 동안 강력한 기술 폭발로 성장했습니다. XNUMX년대 후반에 Mercedes는 최초의 자동차 터보디젤을 재창조했으며, XNUMX년대 후반에는 직접 분사가 Audi 모델에 데뷔했으며, 이후 디젤에는 XNUMX밸브 헤드가 적용되었으며, 후기 XNUMX에서는 전자 제어 커먼 레일 분사 시스템이 현실이 되었습니다. . ... 한편, 고압 직접 연료 분사가 가솔린 엔진에 도입되어 오늘날 압축비가 XNUMX: XNUMX에 도달하는 경우도 있습니다. 최근에는 가솔린 엔진의 토크 값이 유명한 플렉서블 터보 디젤의 토크 값에 크게 접근하기 시작하면서 터보 기술도 르네상스를 경험하고 있습니다. 그러나 현대화와 함께 휘발유 엔진 가격의 심각한 상승을 향한 꾸준한 경향이 남아 있습니다 ... 따라서 세계 각지에서 휘발유와 디젤 엔진에 대한 명백한 편견과 의견의 양극화에도 불구하고 어느 쪽도 두 라이벌이 실질적인 우위를 점하게 됩니다.

두 유형의 장치의 품질이 일치 함에도 불구하고 두 열 엔진의 특성, 특성 및 동작에는 여전히 큰 차이가 있습니다.

가솔린 엔진의 경우, 공기와 증발 연료의 혼합물은 훨씬 더 긴 시간에 걸쳐 형성되며 연소 과정이 시작되기 오래 전에 시작됩니다. 기화기를 사용하든 최신 전자식 직접 분사 시스템을 사용하든 혼합의 목표는 잘 정의된 공연비로 균일하고 균일한 연료 혼합물을 생성하는 것입니다. 이 값은 일반적으로 소위 "화학양론적 혼합물"에 가깝습니다. 이 혼합물에는 (이론적으로) 연료의 모든 수소 및 탄소 원자와 안정한 구조로 결합하여 H20 및 CO2만 형성할 수 있는 충분한 산소 원자가 있습니다. 압축비는 높은 압축 온도로 인해 연료 내 일부 물질의 제어되지 않은 조기 자동 점화를 방지할 수 있을 만큼 충분히 작기 때문입니다(가솔린 분획은 증발 온도가 훨씬 낮고 연소 온도가 훨씬 높은 탄화수소로 구성됨). 혼합물의 점화는 스파크 플러그에 의해 시작되고 특정 속도 제한으로 전방이 움직이는 형태로 연소가 발생합니다. 불행하게도 연소실에 공정이 불완전한 구역이 형성되어 일산화탄소와 안정적인 탄화수소가 형성되고 화염면이 움직일 때 주변의 압력과 온도가 상승하여 유해한 질소 산화물이 형성됩니다. 공기 중 질소와 산소 사이), 과산화물 및 하이드로퍼옥사이드(산소와 연료 사이). 후자의 임계 값 축적은 제어되지 않은 폭발 연소로 이어 지므로 현대 가솔린에서는 상대적으로 안정적이고 폭발하기 어려운 화학적 "구성"을 가진 분자 분획이 사용됩니다. 여러 추가 프로세스가 수행됩니다. 이러한 안정성을 달성하기 위해 정제소에서. 연료의 옥탄가 증가를 포함합니다. 가솔린 엔진은 대체로 고정된 혼합비로 인해 스로틀 밸브가 중요한 역할을 하며, 스로틀 밸브는 신선한 공기의 양을 조절하여 엔진 부하를 조절합니다. 그러나 이것은 엔진의 일종의 "목구멍 플러그"역할을하는 부분 부하 모드에서 상당한 손실의 원인이됩니다.

디젤 엔진 제작자인 Rudolf Diesel의 아이디어는 압축비를 크게 높여 기계의 열역학적 효율을 높이는 것입니다. 따라서 연료 챔버의 면적이 감소하고 연소 에너지가 실린더 벽과 냉각 시스템을 통해 소산되지 않고 입자 자체 사이에서 "소비"됩니다. 다른. 미리 준비된 공기-연료 혼합물이 가솔린 엔진의 경우와 같이 이러한 유형의 엔진의 연소실에 들어가면 압축 과정에서 특정 임계 온도에 도달하면 (압축비 및 연료 유형에 따라 다름) ), 자체 점화 프로세스는 GMT 훨씬 전에 시작됩니다. 제어되지 않은 체적 연소. 디젤 연료가 GMT 직전의 마지막 순간에 매우 높은 압력으로 분사되는 이유가 바로 이 때문입니다. 이로 인해 좋은 증발, 확산, 혼합, 자체 점화 및 최고 속도 제한이 필요한 시간이 크게 부족합니다. 거의 한도를 초과하지 않습니다. 4500rpm부터 이 접근 방식은 연료의 품질에 대한 적절한 요구 사항을 설정합니다. 이 경우 디젤 연료의 일부입니다. 주로 자가 점화 온도가 상당히 낮은 직선 증류액입니다. 파열 및 산소와의 반응.

디젤 엔진의 연소 과정의 특징은 연료가 산화없이 온도에서 분해 (균열)되어 탄소 입자 (그을음)의 공급원으로 변하는 등 분사구 주변에 농축 혼합물이있는 구역입니다. 연료가 전혀 없으며 고온의 영향으로 공기의 질소와 산소가 화학적 상호 작용으로 들어가 질소 산화물을 형성합니다. 따라서 디젤 엔진은 항상 중간 희박 혼합물 (즉, 심각한 과잉 공기)과 함께 작동하도록 조정되며, 부하는 분사되는 연료의 양만 투여하여 제어됩니다. 이것은 스로틀을 사용하지 않는데, 이는 가솔린에 비해 큰 장점입니다. 가솔린 엔진의 일부 단점을 보완하기 위해 설계자들은 혼합물 형성 과정이 소위 "전하 층화"인 엔진을 만들었습니다.

부분 부하 모드에서 최적의 화학양론적 혼합물은 분사된 연료 제트의 특수 분사, 방향성 공기 흐름, 특수 피스톤 전면 프로파일 및 점화 신뢰성을 보장하는 기타 유사한 방법으로 인해 점화 플러그 전극 주변 영역에서만 생성됩니다. 동시에 대부분의 챔버 체적의 혼합물은 희박한 상태로 유지되며 이 모드의 부하가 공급된 연료의 양에 의해서만 제어될 수 있기 때문에 스로틀 밸브는 완전히 열린 상태를 유지할 수 있습니다. 이것은 차례로 손실을 동시에 감소시키고 엔진의 열역학적 효율을 증가시킵니다. 이론상으로는 모든 것이 훌륭해 보이지만 지금까지 Mitsubishi와 VW에서 생산한 이러한 유형의 엔진의 성공은 화려하지 않았습니다. 일반적으로 지금까지 아무도 이러한 기술 솔루션의 이점을 최대한 활용했다고 자랑할 수 없습니다.

그리고 두 가지 유형의 엔진의 장점을 "마술처럼" 결합한다면? 높은 디젤 압축, 연소실 체적 전체에 걸쳐 혼합물의 균질한 분포 및 동일한 체적에서 균일한 자체 점화의 이상적인 조합은 무엇입니까? 최근 몇 년 동안 이러한 유형의 실험 장치에 대한 집중적 인 실험실 연구에서 배기 가스의 유해한 배출이 크게 감소한 것으로 나타났습니다 (예 : 질소 산화물의 양이 최대 99 %까지 감소했습니다!) 가솔린 엔진에 비해 효율성이 향상되었습니다 . 미래는 실제로 자동차 회사와 독립 설계 회사가 HCCI(균질 충전 압축 점화 엔진 또는 균일 충전 자체 점화 엔진)라는 우산 이름으로 함께 묶은 엔진에 실제로 속해 있는 것 같습니다.

다른 많은 "혁명적 인"개발과 마찬가지로 그러한 기계를 만드는 아이디어는 새로운 것이 아니며 지금까지 신뢰할 수있는 생산 모델을 만들려는 시도는 여전히 실패했습니다. 동시에, 기술 프로세스의 전자 제어 가능성의 증가와 가스 분배 시스템의 뛰어난 유연성은 새로운 유형의 엔진에 대한 매우 현실적이고 낙관적 인 전망을 만듭니다.

사실,이 경우 가솔린과 디젤 엔진 작동 원리의 일종의 하이브리드입니다. 가솔린 엔진에서와 같이 잘 균질화 된 혼합물은 HCCI의 연소실로 들어가지만 압축으로 인한 열에 의해 자체 발화됩니다. 새로운 유형의 엔진은 또한 희박한 혼합물에서 작동 할 수 있으므로 스로틀 밸브가 필요하지 않습니다. 그러나,이 경우 HCCI는 완전히 희박하고 고농축 혼합물을 가지지 않고 균일하게 희박한 혼합물의 일종이기 때문에 "희박함"의 정의의 의미는 디젤의 정의와 크게 다르다는 점에 유의해야합니다. 작동 원리는 균일하게 움직이는 화염 전면없이 훨씬 낮은 온도에서 실린더의 전체 부피에서 혼합물의 동시 점화를 포함합니다. 이로 인해 배기 가스의 질소 산화물과 그을음의 양이 자동으로 크게 감소하고 많은 권위있는 출처에 따르면 2010-2015 년에 훨씬 더 효율적인 HCCI를 연속 자동차 생산에 대폭 도입했습니다. 인류를 약 XNUMX 만 배럴 구할 것입니다. 매일 기름.

그러나 이를 달성하기 전에 연구원과 엔지니어는 현재 가장 큰 걸림돌을 극복해야 합니다. 즉, 최신 연료의 화학 조성, 특성 및 거동이 다른 함유 분획을 사용하여 자동 점화 프로세스를 제어할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법이 없다는 것입니다. 엔진의 다양한 부하, 회전수 및 온도 조건에서 프로세스의 억제로 인해 많은 질문이 발생합니다. 일부 전문가에 따르면 이것은 정확히 측정된 양의 배기 가스를 실린더로 되돌리거나 혼합물을 예열하거나 압축비를 동적으로 변경하거나 압축비를 직접 변경(예: SVC Saab 프로토타입)하거나 가변 시스템 가스 분배를 사용하여 밸브 폐쇄 타이밍 변경.

최대 부하에서 많은 양의 새로운 혼합물의 자체 점화로 인해 엔진 설계에 대한 소음 및 열역학적 영향 문제가 어떻게 제거되는지는 아직 명확하지 않습니다. 실제 문제는 실린더의 낮은 온도에서 엔진을 시동하는 것입니다. 이러한 조건에서 자체 점화를 시작하는 것은 매우 어렵기 때문입니다. 현재 많은 연구자들이 지속적인 전자 제어를 위한 센서가 있는 프로토타입의 관찰 결과와 실린더의 작업 프로세스를 실시간으로 분석하여 이러한 병목 현상을 제거하기 위해 노력하고 있습니다.

혼다, 닛산, 토요타, GM 등 이 방향으로 활동하는 자동차 회사의 전문가들에 따르면, 먼저 작동 모드를 전환할 수 있는 콤비네이션 자동차가 만들어지고 스파크 플러그가 경우에 따라 일종의 보조 장치로 사용될 가능성이 높다. HCCI가 어려움을 겪고 있는 곳. 폭스바겐은 이미 CCS(Combined Combustion System) 엔진에 유사한 계획을 구현하고 있으며, 현재는 특별히 개발된 합성 연료로만 작동합니다.

HCCI 엔진에서 혼합물의 점화는 연료, 공기 및 배기 가스 사이의 광범위한 비율로 수행될 수 있으며(자동 점화 온도에 도달하기에 충분함) 짧은 연소 시간으로 인해 엔진 효율이 크게 증가합니다. 새로운 유형의 장치의 일부 문제는 Toyota의 Hybrid Synergy Drive와 같은 하이브리드 시스템과 함께 성공적으로 해결할 수 있습니다. 이 경우 내연 기관은 속도와 부하 측면에서 최적인 특정 모드에서만 사용할 수 있습니다. 따라서 엔진이 고군분투하거나 비효율적이 되는 모드를 우회합니다.

GMT에 가까운 위치에서 혼합물의 온도, 압력, 양 및 품질을 통합 제어하여 달성 된 HCCI 엔진의 연소는 스파크 플러그를 사용한 훨씬 단순한 점화의 배경에 비해 실제로 큰 문제입니다. 반면에 HCCI는 자체 점화의 동시 체적 특성으로 인해 가솔린 및 특히 디젤 엔진에 중요한 난류 프로세스를 생성 할 필요가 없습니다. 동시에 작은 온도 편차라도 운동 과정에서 상당한 변화를 일으킬 수있는 이유입니다.

실제로 이러한 유형의 엔진의 미래에 가장 중요한 요소는 연료 유형이며 올바른 설계 솔루션은 연소실에서의 거동에 대한 자세한 지식이 있어야만 찾을 수 있습니다. 따라서 많은 자동차 회사가 현재 석유 회사(예: Toyota 및 ExxonMobil)와 협력하고 있으며 이 단계의 대부분의 실험은 구성과 거동이 미리 계산된 특수 설계된 합성 연료로 수행됩니다. HCCI에서 휘발유와 디젤 연료를 사용하는 효율성은 고전적인 엔진의 논리에 위배됩니다. 가솔린의 높은 자동 발화 온도로 인해 압축비는 12:1에서 21:1까지 다양할 수 있으며, 낮은 온도에서 발화하는 디젤 연료의 경우 상대적으로 작아야 합니다(약 8). :1.

텍스트 : Georgy Kolev

사진 : 회사