Всем привет! Когда речь заходит о дизельных двигателях, практически сразу всплывает аргумент о том, что у дизеля ниже расход. Это верно, но почему? В каждой первой статье или видео сразу же говорят фразу про отсутствие дросселя и речь уходит в какие-то непонятные дебри. Действительно ли это помогает? Давайте разбираться по пунктам, из чего складывается легендарная экономичность дизелей.
Тяжелое топливо
Удельная теплота сгорания - количество энергии, которое выделяется при сжигании вещества, у дизеля и бензина практически равно, разница в 2% в пользу бензина - он более энергоемкий. Но почему же тогда расход на дизеле ниже?
Нам потребуется немного вычислений. Чтобы провезти один и тот же автомобиль в одних и тех же условиях на одно и то же расстояние, например наши привычные 100 км, необходимо затратить одно и то же количество энергии. Если бензин и дизель выделяют одинаковое количество энергии на килограмм, значит и топлива нам нужно будет одинаково (пока пренебрегаем теми 2% разницы). Так почему же есть разница, если топлива надо одинаково?
Слышали, что дизель называют тяжелым топливом? Дело именно в этом. Средняя плотность дизеля находится в районе 0.83 кг/л. У бензина этот показатель 0.71кг/л. Значит что 1 кг дизеля это 1.2 литра. А 1 кг бензина это 1.4 литра. Топливные баки, расход топлива и заправляемое топливо мы считаем объемом, литрами. На каждый литр топлива в дизеле будет на 16% больше энергии. Можем сразу вычесть те 2% чтобы меня не ругали за округления и допущения. Получается что разница в 14%.
Значит что для перемещения на одно и то же расстояние дизеля нужно на 14% меньше, чем бензина. И ровно так же, на одном и том же баке, если он заправлен дизелем, вы получите запас хода на 14% больше только из-за типа топлива. Переложим на более привычные цифры. Если бензин расходует 10 л/100км, то при всех остальных равных на дизеле расход в 1.14 раз меньше, чем у бензина. Делим, получаем 8.77 л/100км. Разница есть, но не такая, как мы видим в итоге на бортовом компьютере, давайте копать дальше.
Коэффициент полезного действия
Еще одно словосочетание, которое всегда на слуху, когда речь заходит о сравнении дизелей и бензинов. Яндекс в поиске говорит что КПД бензиновых двигателей находится в районе 25-35%, а дизельных 35-50%. В последнюю цифру, если честно, не очень верю, но помимо веры или не веры, нужно попробовать разобраться, чем же обусловлена такая разница.
Помните, в статье про работу дизельного двигателя мы простыми словами объясняли термодинамические циклы? Перечитайте, если запамятовали. Кратко напомню, что мы сжимаем воздух, подаем в него топливо, оно сгорает, а газы расширяются. До тех пор, пока они расширяются, они толкают поршень и соответственно делают полезную работу. Если у поршня будет огромный ход и он будет расширяться до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равно давлению в выхлопной системе, то мы сможем забрать из сгоревших газов всю энергию, которая не успеет улететь теплом через цилиндр, ГБЦ и поршень. Чем больше степень расширения, тем больше энергии мы забираем с пользой, значит тем выше КПД.
Поскольку длина рычага на коленвале у нас не может меняться и ход поршня вниз и вверх у нас одинаковый, степень расширения и степень сжатия у нас получаются равными. А степень сжатия это один из важнейших параметров дизельного двигателя. Чтобы воздух, который мы сжимаем в цилиндре нагрелся от этого сжатия, нужно существенно уменьшить его объем. То, насколько мы уменьшаем объем всосанного воздуха при сжатии, и называется степенью сжатия. Типичные значения для дизеля это 15-20:1 - мы сжимаем воздух в 20 раз. И в те же 20 раз расширяются газы, двигая поршень. Для нашего сравнения не будем делать поправки на фазы открытия выпускных клапанов.
Чтобы добиться высокой степени сжатия нужен большой ход поршня - это особенность дизельных двигателей, которая увеличивает их экономичность, но снижает возможно достижимую мощность. Об этом поговорим в следующих статьях.
Кстати, не забудьте подписаться, чтобы не пропустить их выход и помочь мне с развитием канала
Бензиновые двигатели работают со степенью сжатия в районе 9:1. Значит что при расширении сгоревших газов они могут забрать из них меньше энергии. При условии, что при сгорании выделилось одинаковое количество энергии, которая разогрела газы. Разница в два раза и обуславливает разницу в КПД, но отличается она не в два раза, т.к. степень расширения влияет на границы термодинамического цикла, а КПД зависит от площади этого цикла. Конкретные цифры надо считать, поэтому вернемся к найденному в интернете и представим что у бензина КПД 30%, а у дизеля 40%. Отличие в 1.33 раза.
Применяем этот коэффициент к предыдущему значению - делим. И наши 8.77 л превращаются уже в 6.6 л/100км. Вот это уже очень похоже на реальный результат. Например, если ехать в районе 130 км/ч, то бензин покажет расход в районе 10 литров, а дизель 6.5.
На всякий случай повторю - расчеты ориентировочные, реальные КПД двигателей мы не знаем, но увидели, от чего они зависят и на что влияют. Основные части вроде разобрали, давайте посмотрим, что еще может влиять.
Обороты двигателя
Типичный рабочий диапазон для дизельного двигателя 1500-4500 оборотов. Для бензина это 2000-5500 оборотов. Разница небольшая, но давайте вспомним, что дизельный двигатель может выдать свой полный крутящий момент как раз с 1500 оборотов, благодаря турбине с изменяемой геометрией. В бензине использование таких турбин без дополнительных систем невозможно, поэтому бензиновые турбины обычно раздуваются с 2500 оборотов.
Получается, что дизель за счет турбины может спокойно ехать на низких оборотах, даже если, например, изменится рельеф и нужно будет ехать в горку, дизелю не придется включать пониженную передачу - достаточно будет просто дать больше топлива и воздуха в цилиндры. Значит дизель будет чаще ездить на повышенной передаче на низких оборотах.
Как это влияет на расход? Все просто - меньше обороты, значит меньше раз поршню нужно будет сходить вверх-вниз, преодолевая силу трения. А если меньше трения, то меньше и потери на него и ниже расход топлива. На сколько конкретно ниже? - тут уже без сложной математики, а может быть и просто экспериментов не обойтись, настолько глубоко мы нырять не будем. Запомним только что на низких оборотах расход меньше.
А что же на высоких, спросите вы? А на высоких, увы все становится не так однозначно. Большой ход поршня означает что ему придется преодолевать большее расстояние, да еще и двигаться с большой скоростью, чтобы успеть его преодолеть. Поэтому на высоких оборотах потери на трение в дизеле могут быть выше, чем в бензиновых двигателях.
Большой ход поршня позволяет заметно повысить КПД двигателя, поэтому в современных турбированных двигателях все чаще применяют большой ход поршня - это дает увеличить крутящий момент и эффективность без сильной потери мощности, поскольку турбина позволяет не увеличивать размер клапанов и соответственно диаметр цилиндра.
Эффективное сгорание топлива
Небольшой, но важный момент. Помним, что дизель всегда засасывает в цилиндр столько воздуха, сколько в него поместилось, а потом впрыскивает столько топлива, сколько нужно. Так вот, это топливо горит в избытке воздуха, а значит что максимальное количество топлива находит нужный ему кислород и сгорает, выделяя нужную нам энергию. В отличие от бензина, где ровно отмеренное количество воздуха и топлива перемешиваются, но в потайных уголках камеры сгорания может что-нибудь недомешаться и часть топлива улетит в выхлоп, разогревая катализатор. Это небольшие потери, в районе пары процентов, но они все равно есть. Причем на бензине они происходят во всех режимах работы двигателя, а на дизеле только при больших цикловых подачах - под большой нагрузкой.
И последнее и самое неважное - это те самые насосные потери из-за дроссельной заслонки и вакуума в бензине, которые меньше в дизелях. На малых нагрузках, когда мы едем экономично, бензину приходится засасывать внутрь себя воздух, который сильно ограничен дроссельной заслонкой. В дизеле всегда или давление выше атмосферного или равно ему. Насколько сильно они влияют на расход? Конкретных цифр я не нашел и примерно представляю как их посчитать, но для этого надо будет заметно заморочиться, чего я делать пока не хочу.
Вот и все, получается что основные виновники торжества - само топливо, термодинамический КПД за счет хода поршня и меньшие потери на трение на низких оборотах. Суммарно они дают разницу в расходе примерно в полтора раза. Остальное уже мелочи.
P.S.Аткинсон и Миллер
Владельцы двигателей на цикле Миллера обязательно расскажут о том, что у них расход сравним с дизельным и будут правы. Работа по этому циклу осуществляется за счет того, что смесью заполняется только часть цилиндра, а при сгорании расширяется она на весь ход поршня, тем самым увеличивая степень расширения. Это приближает КПД этих двигателей к показателям дизельного двигателя.
Напишите в комментариях, если интересно будет узнать про двигатели, работающие по циклу Аткинсона или Миллера или если интересно обсудить влияние на расход других компонентов двигателя. Всем успехов и до встречи в новых статьях!
