Дизели не просто выдают крутящий момент; они работают по принципиально иной логике, чем бензиновые двигатели, установленные под капотами большинства автомобилей. Хотя обе системы опираются на внутреннее сгорание для превращения топлива в движение, механика этого процесса расходится в таких аспектах, которые объясняют, почему 2,0-литровый дизель может превосходить по производительности гораздо более крупный V6. Чтобы понять почему, нужно смотреть не только на поршни, но и на тайминг сгорания.
Корни этой технологии старше, чем вы можете подумать. Николаус Август Отто запатентовал четырехтактный бензиновый двигатель в 1876 году, создав то, что мы по-прежнему называем циклом Отто. Это стало основой раннего автомобильного движения, но было неэффективным. Паровые двигатели были не лучше. В те ранние дни лишь около 10 процентов топлива фактически приводили автомобиль в движение. А остальные 90 процентов? Теплоотвод. Это было огромное количество энергии, просто утекавшее через выхлоп.
Рудольф Дизель увидел эту потерю и захотел ее исправить. К 1878 году он работал над «двигателем силы сгорания», который извлекал больше работы из каждой капли топлива. Он получил патент в 1892 году. Результатом стал двигатель, который не полагался на искры. Он полагался на физику.
Как воспламенение от сжатия меняет всё
В бензиновом двигателе процесс прост. Вы смешиваете воздух и топливо, сжимаете смесь, и свеча зажигания дает искру. Просто.
В дизельном двигателе порядок меняется. Поршни сжимают только воздух. По мере сжатия температура этого воздуха резко возрастает. Затем топливо впрыскивается непосредственно в этот горячий воздух. Теплота от сжатия достаточна для воспламенения топлива без свечи зажигания. Не требуется электрический тайминг. Только термодинамика.
Именно поэтому у дизельных двигателей более высокие степени сжатия. Они могут выдерживать такие нагрузки, потому что не подвержены опасности преждевременного воспламенения или детонации, как высококомпрессионные бензиновые двигатели.
Дизельные и бензиновые двигатели: ключевые различия
На бумаге оба двигателя преобразуют химическую энергию в механическую. Оба используют поршни, коленчатые валы и цилиндры. Линейное движение поршней превращает коленчатый вал во вращательное движение, которое раскручивает ваши колеса. Но именно в том, «как» это происходит, они расходятся.
- Способ воспламенения: Бензиновые двигатели используют свечи зажигания. Дизели используют тепло от сжатия.
- Подача топлива: Бензиновые двигатели часто смешивают топливо с воздухом до сжатия (в карбюраторных системах или при впускном впрыске). Дизели впрыскивают топливо в цилиндр после начала сжатия.
- Эффективность: Поскольку дизельное топливо имеет высокую энергетическую плотность, а процесс сгорания более полный благодаря характеристикам бедного сгорания, дизельные двигатели исторически обеспечивают более высокую экономичность (миль на галлон) по сравнению с аналогичными бензиновыми двигателями.
Проблема репутации
Десятилетиями, если вы ездили на дизеле, вы ожидали сажи, стука и облака черного дыма. В Европе этот компромисс стоил того ради топливной экономичности. В Соединенных Штатах публика в целом отвергла эту технологию. Она казалась промышленной. Грязной. Громкой.
Затем настал 2014 год. Дизельный скандал Volkswagen ударил не только по одному бренду; он отравил колодец для всего сегмента. Когда стало известно, что маркетинг «чистого дизеля» маскировал программное обеспечение, обманывающее тесты на выбросы, доверие испарилось.
Но сама технология эволюционировала. Современные дизельные двигатели тише, чище и эффективнее, чем что-либо из 90-х годов. Прямой впрыск, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией и продвинутые системы контроля выбросов изменили опыт вождения. Рынок медленно восстанавливается, движимый простой математикой стоимости топлива.
Что это значит для вас
Если вы рассматриваете дизель, вы покупаете определенный набор компромиссов. Вы получаете лучшую топливную экономичность. Вы получаете высокий крутящий момент на низких оборотах, что помогает при буксировке и движении по шоссе. Вы жертвуете некоторой плавностью хода по сравнению с современным бензиновым двигателем и сталкиваетесь с более строгими требованиями к обслуживанию систем контроля выбросов.
Четырехтактный цикл сохраняет ту же структуру: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Но внутри этих тактов дизельный двигатель совершает свою магию иначе. Это машина, созданная в первую очередь для эффективности, а во вторую — для производительности. И в текущих условиях с ценами на топливо эта эффективность снова становится главным аргументом в пользу покупки.
Как на самом деле работает дизельное сжатие
Рудольф Дизель не действовал наугад. Он рассчитал, что более сильное сжатие воздуха обеспечит большую мощность и лучшую эффективность. Физика проста, но глубока. Когда поршень сжимает воздух в цилиндре, он концентрирует молекулы. Дизельное топливо обладает огромным энергетическим потенциалом, поэтому плотно упакованные молекулы воздуха создают среду с высокой вероятностью реакции.
Представьте это так: когда молекулы воздуха вынуждены находиться в тесной близости, у топлива значительно выше шансы на реакцию с кислородом. Дизель был прав. Бензиновые двигатели обычно работают с коэффициентом сжатия от 8:1 до 12:1. Дизельные двигатели повышают этот показатель до 14:1, а некоторые достигают 25:1. Именно этот более высокий коэффициент означает, что дизельным двигателям не нужны свечи зажигания. Тепло от сжатия напрямую воспламеняет топливо.
Это приводит нас к сердцу системы: процессу впрыска.
Как методы впрыска топлива различаются в дизельных и бензиновых двигателях
Бензиновые двигатели используют гибридную схему. Они переключаются между впрыском во впускной коллектор и непосредственным впрыском топлива в зависимости от режима работы двигателя. При впрыске во впускной коллектор топливо распыляется непосредственно за пределами цилиндра, сразу перед тактом впуска. Это стабильный режим. Он хорошо подходит для холостого хода и низких оборотов. Непосредственный впрыск направляет топливо прямо в цилиндр. Он более агрессивен, обеспечивая большую мощность на высоких оборотах и снижая риск детонации — того раздражающего стука, который возникает, когда смесь воспламеняется слишком рано из-за чрезмерного сжатия.
Дизельные двигатели не играют в эту игру. Они используют исключительно непосредственный впрыск. Топливо поступает прямо в цилиндр, без каких-либо обходных путей.
Почему форсунка дизеля — самая сложная в изготовлении деталь
Форсунка является «жемчужиной» дизельного двигателя. И самой сложной. Инженеры десятилетиями дорабатывали её расположение, характер распыления и устойчивость к условиям внутри камеры сгорания. Она должна выдерживать экстремальное давление и температуру, одновременно распыляя топливо в мелкий туман.
Равномерное смешение этого тумана с воздухом — это физическая головоломка. Если топливо не вращается должным образом, процесс сгорания становится неэффективным. Именно поэтому на дизельных головках блока цилиндров вы видите предкамеры сгорания, специальные впускные клапаны или другие устройства управления потоком. Они заставляют воздух вращаться, обеспечивая встречу тумана топлива и воздуха точно там и тогда, когда это необходимо для эффективного сгорания.
Нужна ли вашему дизелю свеча накаливания?
Возможно. А возможно, и нет.
Когда дизельный двигатель холодный, тепла от сжатия может быть недостаточно для воспламенения топлива. На помощь приходит свеча накаливания. По сути, это толстая электрически нагреваемая проволока, похожая на нагревательные элементы в тостере. Она нагревает камеру сгорания, чтобы воздух стал достаточно горячим для воспламенения распылённого топлива.
Современные технологии непосредственного впрыска настолько точны, что для запуска двигателя свеча накаливания часто не требуется. Однако производители продолжают их устанавливать. Почему? Потому что это дополнительное тепло помогает топливу гореть чище. Речь идёт не столько о запуске, сколько об эффективности и выбросах.
Само топливо: дизельное против бензина
Аппаратная часть — не единственное различие. Топливо — это совершенно отдельная проблема.
Почему дизельное топливо ведёт себя по-другому в двигателе
Сырая нефть на нефтеперерабатывающих заводах разбивается (крекируется) на конкретные фракции. Бензин, авиатопливо, керосин, дизельное топливо. В канистре они выглядят похоже, но молекулы не заботятся о внешнем виде. Дизель тяжелее. Маслянистее. Он не хочет испаряться.
Эта медленная скорость испарения обусловлена длиной углеродной цепи. Молекулы дизеля длиннее и содержат больше атомов углерода, чем молекулы бензина. Температура кипения находится выше, чем у воды. Эта структурная «тяжесть» означает, что дизель обладает более высокой энергетической плотностью. В одном галлоне (3,8 литра) дизеля содержится примерно 139 000 БТЕ. Бензин в том же объёме обеспечивает 124 000 БТЕ.
Эта дополнительная энергия, в сочетании с термодинамической эффективностью двигателя с воспламенением от сжатия, объясняет, почему грузовик тянет сильнее и проезжает дальше на галлон, чем его бензиновый аналог. Именно поэтому дизельное топливо раньше стоило дешевле. Для него требовалась менее глубокая переработка. Согласно Управлению энергетической информации США, дизельное топливо составляет около 24 процентов нефтепродуктов в США, тогда как бензин преобладает с долей 56 процентов.
Как дизель питает современную промышленную машину
Вы видите это на шоссе. Грузовики класса 8. Но дизель встречается повсюду.
- Школьные автобусы
- Городские транспортные парки
- Морские суда
- Железнодорожные локомотивы
- Строительные краны
- Сельскохозяйственная техника
- Аварийные генераторы
Экологический профиль неоднозначен. Хорошая новость: более высокая эффективность означает сжигание меньшего количества топлива на единицу выполненной работы, что приводит к снижению выбросов углекислого газа на милю. Плохая новость: сжигание дизеля выделяет высокие уровни соединений азота. Это способствует образованию смога, кислотных дождей и вызывает респираторные проблемы.
Почему дизельная эра 1970-х годов провалилась (и что изменилось)
Европейские производители продвигали дизель в легковые автомобили во время нефтяного кризиса 1970-х годов. Для повседневного использования это оказалось провалом. Двигатели были шумными. Автомобили возвращались домой, покрытые чёрным сажей. Эти частицы — то же самое вещество, которое душит городской воздух.
Современная инженерия в основном устранила шум и сажу. Прямофорсунное впрыскивание теперь управляется компьютерными системами, которые контролируют горение в реальном времени. Эффективность выросла. Выбросы снизились.
Затем наступил 2014 год. Volkswagen. Маркетинговая машина «чистого дизеля» оказалась программным мошенничеством. Компания использовала ту же сложную компьютерную систему управления, чтобы детектировать условия тестирования и подавлять выбросы только во время лабораторных циклов. Последствия были масштабными. Миллиарды долларов штрафов. Выкуп автомобилей. Руководители в тюрьме.
Само топливо тоже изменилось. С 2010 года всё дизельное топливо, продаваемое в Соединённых Штатах, является сверхнизкосернистым дизелем (ULSD). Сера была проблемой, потому что она отравляла каталитические нейтрализаторы и фильтры частиц, предназначенные для улавливания загрязнений. Убрав серу, эти устройства начинают работать так, как задумано. Современные дизельные каталитические нейтрализаторы имеют эффективность около 90 процентов. Больше нет облаков чёрного дыма. Больше нет сернистого запаха.
Заменяет ли биодизель нефтяной дизель?
Не совсем. Биодизель является альтернативой или добавкой. Химически он производится из растительных масел или животных жиров, а не из нефти. Рудольф Дизель действительно рассматривал растительное семенное масло для своего оригинального проекта двигателя.
Его можно смешивать с обычным дизелем. В некоторых случаях двигатели работают на 100-процентном биодизеле с минимальными или отсутствующими модификациями. Он сгорает чище в отношении частиц и выбросов углерода. Но он отличается от нефтяного топлива, которое питает большинство тяжёлых транспортных парков сегодня.
Куда движутся ограничения на дизель
Несмотря на 90-процентную эффективность современных систем постобработки, дизель по-прежнему выделяет частицы. В плотно населённых городских районах это остаётся проблемой общественного здоровья.
Несколько городов, штатов и стран обязали запретить дизельные транспортные средства в течение следующего десятилетия. Технологии стали чище, но политическая среда стала строже. Вопрос в том, сможет ли следующее поколение силовых установок с нулевыми выбросами соответствовать крутящему моменту и запасу хода, которые дизель по-прежнему обеспечивает в тяжёлых приложениях.
