Статья об экономичности автомобилей вызвала большой интерес, и некоторые комментаторы справедливо отмечали, что добиться уменьшения расхода топлива можно за счёт установки дизельного двигателя. Это верно, но в тот раз я сознательно решил ограничиться только бензиновыми двигателями, чтобы не отклоняться от темы. Теперь же мы можем основательно разобраться в том, насколько дизельный двигатель экономичнее, и за счёт чего это достигается.
Экономика бензина и дизеля
Итак, мы привыкли считать, что дизельный двигатель экономичнее. Но так ли это? Топлива-то он расходует меньше, однако в конечном счёте перевозчиков интересуют не литры, а рубли. Во времена, когда дизельное топливо стоило копейки и пренебрежительно называлось соляркой, экономичность дизеля не вызывала вопросов. Однако сегодня дизельное топливо стоит существенно дороже, чем 95-й бензин и впору задуматься, почему коммерческий транспорт всё ещё на нём ездит?
На момент написания этих строк литр бензина АИ-95 стоит в среднем 68,41 рублей, а дизельное топливо продаётся по цене около 77,83 рублей за литр, то есть примерно в 1,14 раза дороже. Давайте посчитаем, компенсируется ли эта разница повышением экономичности.
Начнём с самого простого: 1 литр бензина весит около 750 грамм, в то время как литр дизельного топлива – в районе 850, значит, в пересчёте на килограммы 95-й бензин стоит 91,21 рубля, а дизельное топливо – 91,56 рубля, то есть разница практически не заметна.
Почему нужно смотреть на стоимость килограмма? Да потому что именно масса определяет количество вещества, которое не зависит ни от температуры, ни от давления. Вот и удельная теплота сгорания топлива указывается на единицу массы. Для бензина она составляет около 44 МДж/кг, а для дизельного топлива – ≈42 МДж/кг. Или 12,2 и 11,7 кВт·ч/кг соответственно. То есть, если пересчитать стоимость на потенциальную энергию топлива, то получим 7,46 руб/(кВт·ч) для бензина и 7,85 руб/(кВт·ч) для дизеля.
Но нам-то важна не потенциальная химическая энергия топлива, а только та её часть, которую можно превратить в полезную механическую работу, поэтому давайте обратимся к такому показателю как удельный расход топлива двигателя. Для сравнения возьмём бензиновый двигатель ВАЗ-2112 и дизельный двигатель КАМАЗ Р6 с удельными расходами топлива в оптимальных режимах ≈250 г/(кВт·ч) и ≈183 г/(кВт·ч) соответственно.
Получается, что стоимость энергии на выходном валу составляет примерно 22,89 руб/(кВт·ч) для бензина и 16,69 руб/(кВт·ч) для дизеля.
То есть, дизельный двигатель действительно экономичнее бензинового примерно в 1,37 раза. Неплохой результат! Но как ему это удаётся? Ведь на первый взгляд они не так уж сильно отличаются.
Чтобы разобраться в этом вопросе давайте поговорим о коэффициенте полезного действия (КПД) тепловых двигателей. Если мы поделим тепловую энергию сгоревшего топлива на полезную механическую работу, то найдём эффективный КПД. Для рассматриваемого бензинового двигателя он получается равным 32,8%, а для дизельного – 47,5 %, то есть в 1,45 раз больше. Его можно представить как произведение трёх составляющих:
- термодинамический КПД идеального теплового цикла;
- относительный индикаторный КПД, который показывает степень соответствия реального рабочего цикла идеальному;
- механический КПД, который показывает отношение работы вращения выходного вала двигателя к механической работе газов в цилиндре.
Так вот, корень различий между бензиновым и дизельным двигателями следует искать в теоретическом КПД идеального теплового цикла.
Идеальные теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания
Прежде чем рассуждать о тепловых циклах ДВС, следует отметить, что с точки зрения термодинамики смысл имеют только два такта: сжатие и рабочий ход. А выпуск и впуск выполняют чисто техническую функцию, которая эквивалентна отводу теплоты от рабочего тела.
Действительно, в конце рабочего хода мы имеем полный цилиндр горячих отработанных газов, а в начале такта сжатия – полный цилиндр холодного воздуха (или горючей смеси). Если для простоты принять, что отработанные газы, горючая смесь и воздух термодинамически эквивалентны и считать их одним и тем же рабочим телом, то мы можем считать, что в ходе выпуска и впуска рабочее тело просто остыло при неизменном объёме.
Давайте зафиксируем эти и другие важные допущения:
- Циклы выполняются несменяемым рабочим телом (газом) с постоянной теплоёмкостью;
- Процесс сгорания заменяется передачей рабочему телу теплоты Q₁;
- Процесс выпуска заменяется отводом от рабочего тела теплоты Q₂;
- Процессы сжатия и расширения являются адиабатными, то есть происходят без теплообмена с окружающей средой.
В зависимости от способа подвода теплоты можно выделить три теоретических тепловых цикла двигателей внутреннего сгорания.
Теоретический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объёме (цикл Отто)
Начнём с цикла Отто, который описывает работу идеального бензинового двигателя, а точнее – двигателя с искровым зажиганием.
Цикл Отто основан на предположении, что всё топливо сгорает мгновенно при подаче искры в тот момент, когда поршень находится в верхней мёртвой точке.
Его можно описать следующим образом (см. рисунок ниже):
- Сжатие (a-c): поршень совершает механическую работу, которая без потерь идёт на повышение давления и температуры рабочего тела.
- Подвод теплоты (c-z): при достижении минимального объёма рабочему телу мгновенно передаётся теплота Q₁, которая приводит к резкому повышению давления и температуры.
- Расширение (z-b): рабочее тело совершает механическую работу по перемещению поршня, расходуя на это температуру и давление.
- Отвод теплоты (b-a): при достижении максимального объёма рабочее тело теряет теплоту Q₂, в результате чего его температура и давление снижаются до исходных значений.
Полезная механическая работа, которую совершает рабочее тело равна разнице работы расширения и работы сжатия. Поскольку расширение происходит при большем давлении, полезная работа получается положительной. Графически её можно представить как площадь фигуры, образованной линиями цикла в координатах "объём – давление".
С другой стороны, полезная механическая работа равна разнице подведённой теплоты Q₁ и отведённой теплоты Q₂. Таким образом, КПД цикла можно выразить как отношение (Q₁-Q₂)/Q₁.
Если механическую работу можно наглядно показать в координатах "объём – давление", то для теплоты лучше подходят координаты "энтропия – температура", поэтому мы будем всегда изображать циклы в обеих системах координат.
Для цикла Отто несложно вычислить КПД, задавшись степенью сжатия ε и показателем адиабаты k (который для для двухатомных газов и воздуха в том числе равен 1,4):
Построим зависимость КПД цикла Отто от степени сжатия:
Таким образом, КПД цикла увеличивается с увеличением степени сжатия.
Теоретический цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении
Дизельный двигатель отличается от бензинового тем, что сгорание в нём никак нельзя считать мгновенным, ведь топливо должно сперва поступить в цилиндр, а затем перемешаться с воздухом. Таким образом, выделение теплоты будет происходить одновременно с движением поршня, а снижение давления от расширения будет компенсироваться повышением давления от горения. В первом приближении можно считать, что выделение теплоты будет происходить при постоянном давлении.
В некоторых источниках такой цикл с подводом теплоты при постоянном давлении называют циклом Дизеля, но это очень сильное упрощение.
Теоретический цикл ДВС с подводом теплоты как при постоянном объёме, так и при постоянном давлении (цикл дизельного двигателя)
Гораздо лучше работу настоящего дизельного двигателя описывает смешанный цикл с подводом теплоты как при постоянном объёме, так и при постоянном давлении. Это объясняется, с одной стороны, тем, что поршень замедляется в районе верхней мёртвой точки, а с другой – тем, что топливо начинает впрыскиваться в цилиндр ещё в конце такта сжатия, и впрыскивается достаточно быстро. В результате к началу рабочего хода давление в цилиндре всё-таки успевает заметно вырасти. Для простоты можно представить, что часть топлива успевает сгореть при постоянном объёме, пока поршень находится в районе верхней мёртвой точки, а оставшаяся горит уже при постоянном давлении, когда поршень движется вниз.
Вычислить коэффициенты полезного действия циклов с подводом теплоты при постоянном давлении уже не так просто, поскольку они зависят не только от степени сжатия, но и от подведённой теплоты. Однако, как и в случае с циклом Отто, их эффективность повышается с увеличением степени сжатия.
Сравнение эффективности теоретических циклов
Давайте, наконец, выясним, какой же из перечисленных циклов эффективнее. Для начала договоримся, что все три цикла мы будем сравнивать при:
- одинаковых начальных условиях (объём, давление и температура рабочего тела в начале такта сжатия);
- одинаковой степени сжатия ε;
- одинаковой подводимой теплоте Q₁
- одинаковом показателе адиабаты k.
Я задался рабочим объёмом двигателя 1 л, начальными температурой и давлением 300 К и 100 бар соответственно и показателем адиабаты k=1,4. Кроме того, я принял, что в смешанном цикле половина теплоты будет подводиться при постоянном объёме и ещё столько же – при постоянном давлении.
Вот что у меня получилось при Q₁=1500 Дж и ε=10:
Оказывается, что наибольший КПД получается у цикла с подводом теплоты при постоянном объёме, а наименьший – при постоянном давлении. Смешанный цикл предсказуемо даёт промежуточное значение.
С увеличением подводимой теплоты Q₁ разница в КПД проявляется всё сильнее, и наоборот, если Q₁ стремится к нулю, эффективность циклов с подводом теплоты при постоянном давлении приближается к эффективности цикла с подводом теплоты при постоянном объёме.
Получается парадокс: КПД бензинового двигателя в теории должен быть выше, чем у дизельного, хотя на практике всё наоборот. Как же так получается?
Думаю, многие уже догадались, что всё дело в степени сжатия.
У бензиновых двигателей она ограничивается детонационной стойкостью топлива и для среднего двигателя как раз примерно равна 10.
Дизельным двигателям детонация не страшна, ведь в них сжимается не горючая смесь, а обычный воздух, поэтому их степень сжатия может достигать 18-23.
Давайте сравним теоретический цикл Отто с типичной для бензинового двигателя степенью сжатия 10 с "дизельными" циклами со степенью сжатия 20 при той же самой подводимой теплоте 1500 Дж.
Ну вот, совсем другое дело! Даже самый неэффективный цикл с подводом теплоты при постоянном давлении оказывается экономичнее цикла Отто с более низкой степенью сжатия. А реалистичный дизельный цикл со смешанным подводом теплоты и вовсе вырывается далеко вперёд.
Другие факторы, влияющие на экономичность
Внимательный читатель заметит: теоретический КПД дизельного двигателя превосходит КПД бензинового примерно в 1,14 раза, а для реальных двигателей это отношение достигало ≈1,45. Как объяснить эту разницу?
Дело в том, что двигателю недостаточно иметь хороший КПД в теории, нужно ещё и соответствовать ему на практике. И здесь проявляются следующие факторы:
- Во-первых, цикл с подводом теплоты при постоянном объёме невозможно реализовать на практике, ведь топливная смесь горит хоть и быстро, но не мгновенно, поэтому реальный цикл бензинового двигателя оказывается ближе к смешанному;
- Во-вторых, в бензиновых двигателях рабочее тело содержит больше многоатомных газов (паров бензина и продуктов сгорания), поэтому увеличивается показатель адиабаты k и снижается КПД;
- В-третьих, в цикле с подводом теплоты при постоянном объёме температура рабочего тела достигает больших значений, а значит, увеличиваются и теплопотери.
- В-четвёртых, в бензиновых двигателях топливо сгорает по всему объёму цилиндра, в том числе вблизи стенок и поршня, из-за чего потери тепла становятся ещё заметнее.
Наконец, следует помнить, что наш дизель – мощный грузовой двигатель с турбонаддувом, в то время как бензиновый – легковой атмосферник. Эффективность первого выше как за счёт эффекта масштаба, так и за счёт более полного использования энергии отработанных газов в турбине.
Кстати, эффект масштаба не стоит недооценивать: у огромного судового дизеля MAN B&W S80ME-C7 заявленный удельный расход топлива составляет всего 151 г/кВт·ч, а у маленького дизелька Kubota Z482 – целых 260 г/кВт·ч, то есть существенно больше, чем у современных турбированных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива.
Если же сравнивать двигатели похожего размера, то современные легковые дизели имеют удельный расход топлива около 200 г/(кВт·ч), в то время как лучшие образцы бензиновых двигателей – 225 г/(кВт·ч), правда работают они по циклу Миллера, но об этом мы поговорим как-нибудь в другой раз.
А пока отмечу ещё один важный нюанс. До сих пор мы говорили только об эффективности в оптимальном режиме, который достигается при нагрузке, близкой к 100%. При снижении нагрузки эффективность уменьшается у всех двигателей, однако у бензиновых она падает заметно быстрее, поскольку снижение мощности достигается прикрытием дроссельной заслонки и, как следствие, сопровождается увеличением насосных потерь. Это означает, что разница между средними эксплуатационными расходами топлива бензинового и дизельного двигателей будет ещё заметнее.
Заключение
Что ж, мы в очередной раз убедились, что дизельный двигатель экономичнее бензинового с точки зрения расхода топлива как в литрах, так и в рублях, а заодно познакомились с тепловыми циклами двигателей и разобрались, почему цикл дизельного двигателя эффективнее.
Если коротко, то КПД идеального цикла дизельного двигателя выше за счёт повышенной степени сжатия, и к тому же реальный цикл дизельного двигателя ближе к своему идеалу, чем реальный цикл бензинового двигателя.
На частичных нагрузках бензиновый двигатель ещё сильнее уступает дизельному из-за того, что в нём появляются потери на перекачивание воздуха через прикрытую дроссельную заслонку.
Наконец, разница в экономичности кажется ещё значительнее, если мы сравниваем крупные турбированные дизельные двигатели грузовиков (и тем более кораблей) с атмосферными бензиновыми двигателями легковых автомобилей, хотя, строго говоря, такое сравнение некорректно.
Думаю, на этом можно и закончить. Спасибо за внимание!
P.S. Раз уж Вы дочитали до сюда, наверняка Вам будут интересны и другие статьи по теории автомобиля, так что приглашаю Вас ознакомиться с соответствующей подборкой:
Ну и подписаться на канал, конечно :)