Устройство на превозното средство Говорете за дизел
Защо дизеловите двигатели са икономични? Поради какво имат толкова голям въртящ момент и ниска максимална скорост? Нека се опитаме да го разберем
Историята на двигателите с компресионно запалване започва в края на 19 век. Тогава Рудолф Дизел се зае да създаде ефективен двигател, чиято ефективност може да надхвърли 10–12%, т.е. скоростта на парните машини. Дизел бързо взе решение за дизайна и принципа на работа на бъдещия двигател - това е двигател с вътрешно горене със запалване на гориво от високата температура на сгъстения газ. Въпреки това, в процеса на създаване на работно копие възникнаха трудности: високото налягане и температура в горивната камера на двигателя доведоха до изгаряне на буталата, повреди на газоразпределителния механизъм и понякога до експлозии. В резултат на това бяха необходими няколко години за усъвършенстване и осигуряване на достатъчна надеждност на устройството. Но през 1897 г. целта най-накрая е постигната, огромен 5-тонен двигател развива 20 к.с. при 173 оборота в минута и имаше ефективност от 26%. Дори обещаващият двигател на Otto с принудително запалване осигури само 20%!
Още по-малко
Така че защо дизеловите двигатели са толкова икономични? Има две основни причини за това.
Първият е по-високо съотношение на компресия на дизеловите двигатели - от 13 до 25 срещу 12 за най-добрите бензинови представители. Тези цифри не трябва да се подценяват, тъй като ефективността на двигателя зависи от тях: колкото по-високи са те, толкова повече се разширяват горещите изгорели газове и съответно толкова по-пълно тяхната топлинна енергия се преобразува в механична. Ако сравним съвременните дизелови и бензинови двигатели, тогава първите са в състояние да усвоят 38-50% от топлината, отделена по време на изгарянето на горивото, а вторите– само 25-38%.
Възниква въпросът: какво пречи да се повиши степента на компресия на бензиновите агрегати? Детонацията пречи, тоест спонтанното запалване на сместа гориво-въздух от силно нагряване с прекалено висока компресия. В същото време изгарянето не само възниква в неподходящ момент, но и е придружено от изключително рязко повишаване на налягането в цилиндъра, което води до чукане, прегряване и висока токсичност на отработените газове.
При дизелов двигател повишаването на степента на сгъстяване само повишава надеждността на запалването на впръсканото гориво: колкото по-горещ е въздухът в цилиндъра, толкова по-бързо ще се изпари и ще започне процесът на горене. Но в допълнение към степента на компресия има второ, не по-малко важно обстоятелство - ниското съпротивление на всмукателната система на дизеловото гориво. Всъщност, за разлика от бензиновия двигател, той не трябва да „блокира кислорода“ с дроселна клапа, контролът на мощността се извършва чрез просто дозиране на впръсканото гориво: имаме нужда от повече връщане - доставяме повече гориво. И колко излишен въздух има в цилиндъра, десетото нещо, основното е, че е достатъчно за окисляване.
С бензинов двигател този трик няма да работи. Ако има твърде много въздух (т.е. концентрацията на бензинови пари в него ще бъде много ниска), тогава сместа просто няма да пламне от искра. Така че трябва да поставите клапа на всмукателния отвор, която регулира въздушния поток и косвено количеството подавано гориво. Следователно, при леки натоварвания (например в задръствания), бензиновите автомобили изразходват енергия, засмуквайки въздух през леко открехната дроселова клапа, създавайки огромен вакуум във всмукателния колектор. "Дъхът" на дизелов двигател винаги е безплатен!
мощност? Момент!
Често можете да чуете колко впечатляващи цифри се дават, за да се оправдае ниската мощност на дизелов двигател.въртящ момент. Тези цифри, разбира се, свидетелстват за съвършенството на двигателя, но изобщо не означават, че въртящият момент върху колелата на бензинов автомобил ще бъде по-малък! В края на краищата дизеловите двигатели са с ниска скорост, поради което е необходимо да се използват по-разширени предавателни числа в трансмисионните агрегати, което води до намаляване на крайния въртящ момент. Сравнете например Mercedes E280 и E280CDI. Моторът на първия произвежда 300Nm, на втория - 440Nm, докато автоматичните им кутии са еднакви, а скоростните кутии са различни, с предавателни числа съответно 3,27 и 2,47. В резултат на това на първа предавка към колелата на бензиновия модел се предават 4300 Нм, а на дизеловия – 4760 Нм, тоест вместо първоначалната разлика от 1,5 пъти, остава само 1,1 пъти превъзходство.
Влиянието на този фактор върху общата ефективност е лесно да се оцени, достатъчно е да се сравни консумацията на бензинови и дизелови двигатели в различни режими на шофиране. Оказва се, че най-голямото превъзходство на дизеловия двигател (почти двойно) се проявява в градския цикъл, когато има високо съотношение на компресия и ниски загуби във всмукателната система от неговата страна. В извънградски режим, при скорост, когато натоварването на двигателя е по-голямо, дроселът е отворен повече и за бензиновия двигател става по-лесно да "диша", дизеловият двигател има само един коз - степента на компресия. В резултат на това се топи и предимството му в разхода на гориво.
В началото на 20-ти век обаче всички тези тънкости не притесняваха особено автомобилните производители. Маслото беше евтино и двигателят трябваше да бъде прост като дизайн и производство, а не икономичен. И дизеловите двигатели с техните сложни механизми за подаване на гориво не бяха в двора. Вярно е, че поради големия ресурс и непретенциозността към качеството на горивото, тези двигатели все още намират приложение в селските машини и товарния транспорт. Те бяха полезни ивоенни - резервоарите с дизелово гориво не са толкова запалими, колкото пръскащият се зад гърба ви бензин. Първият пътнически автомобил с тежко гориво, Mercedes-Benz 260D, се появява едва през 1936 г., а до 1970 г. общият брой на произведените дизелови автомобили едва надхвърля 100 000.
Търси изход
Дизелът щеше да събира прах в задните дворове на индустрията, ако не бяха цените на петрола, които скочиха през 70-те години. И тогава само една пречка остана по пътя на масовата дизелизация - ниската мощност на такива двигатели. И от това, както знаете, има две средства: разширяване на диапазона на допустимата скорост на коляновия вал и увеличаване на въртящия момент.
Но първият вариант се оказва неефективен, високите скорости само задълбочават проблема с липсата на време за смесване, което вече е спешно за дизелов двигател. В крайна сметка, за да може горивото да се изпари активно, то трябва да се впръска при температура на въздуха в цилиндъра най-малко 500 ° C, тоест почти в края на такта на компресия. При 5000 оборота в минута това означава, че не повече от една хилядна от секундата се дава за изпаряване на атомизирани частици гориво и по-нататъшна химическа подготовка за запалване!
Не понася суетенето и процеса на горене. Рязкото първоначално вълнение е последвано от продължителен период на доизгаряне, който продължава още при такта на разширение. И бързането на двигателя в такива условия е буквално изхвърляне на гориво в тръбата.
Следователно е възможно да се направи дизелов двигател по-мощен само чрез увеличаване на въртящия момент. И за това трябва да развиете възможно най-голямо налягане в цилиндрите, тоест да изгорите повече гориво. Но отново, лош късмет, набързо приготвената дизелова горима смес се отличава със значително неравномерно разпределение на горивото по обем. Следователно, по време на горенето може да възникне локална липса на въздух в сместа, поради което част от горивото не изгаря, аразлага се при висока температура.
Виждали ли сте дизелови коли да пушат под товар? Саждите, които изхвърлят, са продукт на крекинг, тоест разлагане на неизгоряло гориво. Но това е само визуален ефект, но има и чисто практически под формата на намаляване на мощността, увеличаване на разхода на гориво и вредни емисии.
Как да се справим с него? Възможно е цилиндрите да се напълнят с въздух толкова плътно, че е гарантирано достатъчно за изгаряне дори в зони с максимална концентрация на гориво. Процесът на разпръскване на горивото обаче се оказа толкова несъвършен, че повишените изисквания за обем на въздуха не можаха да бъдат задоволени от компресор с междинен охладител, в резултат на което турбодизелите загубиха въртящия момент дори на атмосферните бензинови двигатели!
Така че задачата за увеличаване на мощността на дизеловия двигател естествено се свежда до процеса на оптимизиране на смесообразуването, при което налягането на впръскване е от решаващо значение. Разбира се, в началото горивните помпи не можеха да се похвалят с тях, трябваше да прибягват до различни трикове, които подобряват разпръскването на горивото. Например, използвайте завихрянето на сгъстен въздух, както беше направено в дизеловите двигатели с вихрова камера. Или разделете горивната камера на две части и използвайте за образуване на смес енергията на газа, преминаващ от едната половина на камерата към другата поради предварителното изгаряне на част от горивото.
Всички тези решения позволиха леко да се намалят изискванията за налягане на впръскване, но се отличаваха с повишени топлинни и хидравлични загуби поради сложната и голяма повърхност на горивната камера. Това, разбира се, доведе до влошаване на горивната ефективност на двигателите. И едва в началото на 90-те се появяват системи, които позволяват повишаване на налягането до 1500 бара, което слага край на масовото производство на вихрова камера ипредкамерни дизелови двигатели, заменяйки ги с по-икономични двигатели с директно впръскване.
От този момент нататък започва вълнуващото преследване на дизелов двигател за бензинов състезател. Захранващи системи Common Rail, рекордно високо налягане на впръскване, ултра-бързи пиезоелектрически инжектори, които пръскат гориво до пет пъти на цикъл. Благодарение на всички тези изобретения дизеловите двигатели вече се конкурират с бензиновите двигатели с турбокомпресор. Впечатляващ напредък!