Дизелі не просто видають крутний момент; вони працюють за іншою логікою, ніж бензинові двигуни, встановлені під капотами більшості автомобілів. Хоча обидві системи спираються на внутрішнє згоряння для перетворення палива на рух, механіка цього процесу розходиться в таких аспектах, які пояснюють, чому 2,0-літровий дизель може перевершувати за продуктивністю набагато більший V6. Щоб зрозуміти чому, потрібно дивитися не лише на поршні, а й на таймінг згоряння.
Коріння цієї технології старше, ніж ви можете подумати. Ніколаус Август Отто запатентував чотиритактний бензиновий двигун у 1876 році, створивши те, що ми, як і раніше, називаємо циклом Отто. Це стало основою раннього автомобільного руху, але неефективним. Парові двигуни були не кращими. У ті ранні дні лише близько 10 відсотків палива фактично рухали автомобіль. А решта 90 відсотків? Тепловідведення. Це була величезна кількість енергії, яка просто витікала через вихлоп.
Рудольф Дизель побачив цю втрату і схотів її виправити. До 1878 він працював над «двигуном сили згоряння», який витягував більше роботи з кожної краплі палива. Він отримав патент у 1892 році. Результатом став двигун, який не покладався на іскри. Він покладався на фізику.
Як запалення від стиску змінює все
У бензиновому двигуні процес простий. Ви змішуєте повітря та паливо, стискаєте суміш, і свічка запалювання дає іскру. Просто.
У дизельному двигуні порядок змінюється. Поршні стискають лише повітря. У міру стиснення температура повітря різко зростає. Потім паливо впорскується безпосередньо в це гаряче повітря. Теплота від стиску достатня для займання палива без свічки запалювання. Не потрібний електричний таймінг. Тільки термодинаміка.
Саме тому у дизельних двигунів вищі ступеня стиснення. Вони можуть витримувати такі навантаження, тому що не схильні до небезпеки передчасного займання або детонації, як висококомпресійні бензинові двигуни.
Дизельні та бензинові двигуни: ключові відмінності
На папері обидва двигуни перетворять хімічну енергію на механічну. Обидва використовують поршні, колінчасті вали та циліндри. Лінійний рух поршнів перетворює колінчастий вал на обертальний рух, який розкручує ваші колеса. Але саме в тому, як це відбувається, вони розходяться.
- Спосіб займання: Бензинові двигуни використовують свічки запалювання. Дизелі використовують тепло від стискування.
- Подача палива: Бензинові двигуни часто змішують паливо з повітрям до стиснення (у карбюраторних системах або при впорскуванні). Дизелі впорскують паливо в циліндр після початку стиснення.
- Ефективність: Оскільки дизельне паливо має високу енергетичну щільність, а процес згоряння більш повний завдяки характеристикам бідного згоряння, дизельні двигуни історично забезпечують більш високу економічність (миль на галон) порівняно з аналогічними бензиновими двигунами.
Проблема репутації
Десятиліттями, якщо ви їздили на дизелі, ви чекали сажі, стукоту та хмари чорного диму. У Європі цей компроміс коштував того заради паливної економічності. У Сполучених Штатах публіка загалом відкинула цю технологію. Вона здавалася промисловою. Брудний. Гучною.
Потім настав 2014 рік. Дизельний скандал Volkswagen вдарив не лише по одному бренду; він отруїв колодязь для всього сегмента. Коли стало відомо, що маркетинг «чистого дизеля» маскував програмне забезпечення, яке обманює тести на викиди, довіра випарувалася.
Але сама технологія еволюціонувала. Сучасні дизельні двигуни тихіше, чистіше та ефективніше, ніж будь-що з 90-х років. Пряме впорскування, турбокомпресори зі змінною геометрією та просунуті системи контролю викидів змінили досвід водіння. Ринок повільно відновлюється, рухомий простою математикою вартості палива.
Що це означає для вас
Якщо ви розглядаєте дизель, ви купуєте певний набір компромісів. Ви отримуєте найкращу паливну економічність. Ви отримуєте високий момент, що крутить, на низьких обертах, що допомагає при буксируванні і русі по шосе. Ви жертвуєте деякою плавністю ходу в порівнянні з сучасним бензиновим двигуном і стикаєтеся з суворішими вимогами до обслуговування систем контролю викидів.
Чотирьохтактний цикл зберігає ту ж структуру: впуск, стиск, робочий хід, випуск. Але всередині цих тактів дизельний двигун робить свою магію інакше. Це машина, створена насамперед для ефективності, а по-друге — для продуктивності. І в поточних умовах із цінами на паливо ця ефективність знову стає головним аргументом на користь покупки.
Як насправді працює дизельне стиск
Рудольф Дизель не діяв навмання. Він розрахував, що сильніший стиск повітря забезпечить більшу потужність і кращу ефективність. Фізика проста, але глибока. Коли поршень стискає повітря у циліндрі, він концентрує молекули. Дизельне паливо має величезний енергетичний потенціал, тому щільно упаковані молекули повітря створюють середовище з високою ймовірністю реакції.
Уявіть це так: коли молекули повітря змушені перебувати в тісній близькості, у палива значно вищі шанси на реакцію з киснем. Дизель мав рацію. Бензинові двигуни зазвичай працюють з коефіцієнтом стискування від 8:1 до 12:1. Дизельні двигуни підвищують цей показник до 14:1, деякі досягають 25:1. Саме цей вищий коефіцієнт означає, що дизельним двигунам не потрібні свічки запалювання. Тепло від стиснення безпосередньо спалахує паливо.
Це призводить до серця системи: процесу впорскування.
Як методи упорскування палива різняться в дизельних та бензинових двигунах
Бензинові двигуни використовують гібридну схему. Вони перемикаються між упорскуванням у впускний колектор і безпосереднім упорскуванням палива залежно від режиму роботи двигуна. При упорскуванні у впускний колектор паливо розпорошується безпосередньо поза циліндра, відразу перед тактом впускання. Це стабільний режим. Він добре підходить для холостого ходу та низьких обертів. Безпосереднє упорскування направляє паливо прямо в циліндр. Він агресивніший, забезпечуючи велику потужність на високих оборотах і знижуючи ризик детонації – того дратівливого стуку, який виникає, коли суміш запалюється занадто рано через надмірне стискування.
Дизельні двигуни не грають у цю гру. Вони використовують виключно безпосереднє упорскування. Паливо надходить прямо в циліндр, без будь-яких обхідних шляхів.
Чому форсунка дизеля – найскладніша у виготовленні деталь
Форсунка є «перлиною» дизельного двигуна. І найскладнішою. Інженери десятиліттями доопрацьовували її розташування, характер розпилення та стійкість до умов усередині камери згоряння. Вона повинна витримувати екстремальний тиск та температуру, одночасно розпорошуючи паливо у дрібний туман.
Рівномірне змішування туману з повітрям — це фізична головоломка. Якщо паливо не обертається належним чином, процес згоряння стає неефективним. Саме тому на дизельних головках блоку циліндрів ви бачите предкамери згоряння, спеціальні впускні клапани або інші пристрої керування потоком. Вони змушують повітря обертатися, забезпечуючи зустріч туману палива та повітря точно там і тоді, коли це необхідно для ефективного згоряння.
Чи потрібна вашому дизелю свічка розжарювання?
Можливо. А можливо, ні.
Коли дизельний двигун холодний, тепла від стиснення може бути недостатньо для займання палива. На допомогу приходить свічка розжарювання. По суті, це товста дріт, що електрично нагрівається, схожа на нагрівальні елементи в тостері. Вона нагріває камеру згоряння, щоб повітря стало достатньо гарячим для займання розпорошеного палива.
Сучасні технології безпосереднього упорскування настільки точні, що для запуску двигуна свічка розжарювання часто не потрібна. Проте виробники продовжують встановлювати їх. Чому? Тому що це додаткове тепло допомагає паливу горіти чистіше. Йдеться не так про запуск, як про ефективність та викиди.
Само паливо: дизельне проти бензину
Апаратна частина – не єдина відмінність. Паливо — це окрема проблема.
Чому дизельне паливо поводиться по-іншому у двигуні
Сира нафта на нафтопереробних заводах розбивається (крекується) на конкретні фракції. Бензин, авіапаливо, гас, дизельне паливо. У каністрі вони виглядають схоже, але молекули не переймаються зовнішнім виглядом. Дизель важчий. Маслянистіший. Він не хоче випаровуватися.
Ця повільна швидкість випаровування обумовлена довжиною вуглецевого ланцюга. Молекули дизеля довші та містять більше атомів вуглецю, ніж молекули бензину. Температура кипіння знаходиться вище, ніж у води. Ця структурна «тяжкість» означає, що дизель має більш високу енергетичну щільність. В одному галоні (3,8 літра) дизеля міститься приблизно 139000 БТЕ. Бензин у тому обсязі забезпечує 124 000 БТЕ.
Ця додаткова енергія, у поєднанні з термодинамічною ефективністю двигуна із запаленням від стиску, пояснює, чому вантажівка тягне сильніше і проїжджає далі на галон, ніж його бензиновий аналог. Саме тому дизельне паливо раніше коштувало дешевше. Для нього була потрібна менш глибока переробка. Згідно з Управлінням енергетичної інформації США, дизельне паливо становить близько 24 відсотків нафтопродуктів у США, тоді як бензин переважає з часткою 56 відсотків.
Як дизель живить сучасну промислову машину
Ви бачите це на шосе. Вантажівки класу 8. Але дизель трапляється всюди.
- Шкільні автобуси
- Міські транспортні парки
- морські судна
- Залізничні локомотиви
- Будівельні крани
- Сільськогосподарська техніка
- Аварійні генератори
Екологічний профіль неоднозначний. Хороша новина: більш висока ефективність означає спалювання меншої кількості палива на одиницю виконаної роботи, що призводить до зниження викидів вуглекислого газу милю. Погана новина: спалювання дизеля виділяє високі рівні сполук азоту. Це сприяє утворенню смогу, кислотних дощів та викликає респіраторні проблеми.
Чому дизельна ера 1970-х років провалилася (і що змінилося)
Європейські виробники просували дизель у легкові автомобілі під час нафтової кризи 1970-х років. Для повсякденного використання це виявилося провалом. Двигуни були галасливими. Автомобілі поверталися додому, вкриті чорним сажею. Ці частинки — та сама речовина, яка душить міське повітря.
Сучасна інженерія в основному усунула шум та сажу. Прямофорсунне впорскування тепер управляється комп’ютерними системами, які контролюють горіння реального часу. Ефективність зросла. Викиди знизилися.
Потім настав 2014 рік. Volkswagen. Маркетингова машина “чистого дизеля” виявилася програмним шахрайством. Компанія використовувала ту ж складну комп’ютерну систему управління, щоб детектувати умови тестування та придушувати викиди лише під час лабораторних циклів. Наслідки були масштабними. Мільярди доларів штрафів. Викуп автомобілів. Керівники у в’язниці.
Саме паливо також змінилося. З 2010 року все дизельне паливо, що продається в Сполучених Штатах, є наднизькосірчистим дизелем (ULSD). Сірка була проблемою, тому що вона отруювала каталітичні нейтралізатори та фільтри частинок, призначені для уловлювання забруднень. Забравши сірку, ці пристрої починають працювати так, як задумано. Сучасні дизельні каталітичні нейтралізатори мають ефективність близько 90 відсотків. Більше нема хмар чорного диму. Більше немає сірчистого запаху.
Чи замінює біодизель нафтовий дизель?
Не зовсім. Біодизель є альтернативою чи добавкою. Хімічно він виробляється з рослинних олій чи тваринних жирів, а чи не з нафти. Рудольф Дизель дійсно розглядав рослинну олію для свого оригінального проекту двигуна.
Його можна змішувати із звичайним дизелем. У деяких випадках двигуни працюють на 100% біодизелі з мінімальними або відсутніми модифікаціями. Він згоряє чистіше щодо частинок та викидів вуглецю. Але воно відрізняється від нафтового палива, яке живить більшість важких транспортних парків сьогодні.
Куди рухаються обмеження на дизель
Незважаючи на 90-відсоткову ефективність сучасних систем постобробки, дизель, як і раніше, виділяє частки. У густо населених міських районах це залишається проблемою громадського здоров’я.
Декілька міст, штатів і країн зобов’язали заборонити дизельні транспортні засоби протягом наступного десятиліття. Технології стали чистішими, але політичне середовище стало суворішим. Питання в тому, чи зможе наступне покоління силових установок з нульовими викидами відповідати крутному моменту та запасу ходу, які дизель, як і раніше, забезпечує у важких додатках.
