Узнаем какой КПД дизельного двигателя? Дизельный и бензиновый двигатель
КПД дизельного двигателя представляет собой отношение мощности, которая подается на коленчатый вал, к мощности, получаемой поршнем благодаря давлению газов, образующихся при воспламенении используемого топлива.
То есть эта величина является той энергией, которая преобразовывается из тепловой или термической энергии в механическую величину.
Бензиновые двигатели обладают принудительным зажиганием воздушно-топливной смеси искрой свечи.
Типы систем питания
Карбюраторный вариант предполагает смешивание воздуха и бензина во впускном трубопроводе карбюратора. В последнее время выпуск таких вариантов двигателей существенно снижается из-за несущественной экономичности подобных двигателей, их несоответствия экологическим нормам современности.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — определение в машине?
ДВС – это двигатель внутреннего сгорания, который есть практически в любой современной машине.
…
В вариантах впрысковых двигателей подача топлива происходит с помощью одного инжектора (форсунки) в центральный трубопровод.
В случае распределительного впрыска топливо попадает внутрь двигателя несколькими инжекторами. В таком случае увеличивается максимальная мощность, что существенно увеличивает КПД дизельного двигателя.
При этом снижаются расходы бензина и токсичность обработанных газов за счет фиксированной дозировки топлива электронными системами управления автомобильным двигателем.
Рассуждая над тем, каков КПД современного дизельного двигателя, необходимо знать о системе впрыска бензиновой смеси в камеру хранения. Если подача топлива осуществляется порциями, это гарантирует работу двигателя на обедненных смесях, что помогает снижать расход топлива, уменьшать выброс в атмосферу вредных газов.
Назначение и устройство двигателя внутреннего сгорания
Более сотни лет в качестве силовых установок большинства машин и механизмов используются двигатели.
..
Особенности дизельных двигателей
КПД бензинового и дизельного двигателя существенно отличаются между собой. Дизели являются теми двигателями, в которых после сжатия нагретая топливно-воздушная смесь воспламеняется. Они намного экономичнее бензиновых аналогов из-за большей степени сжатия, способствующей полному сгоранию воздушно-топливной смеси.
Достоинства дизелей
КПД дизельного двигателя можно увеличить при создании сопротивления движения воздуха из-за отсутствия дроссельной заслонки, но это приводит к повышению расхода топлива.
Наибольший крутящий момент развивают дизели на небольшой частоте вращения коленчатого вала.
Устаревшие конструкции дизельных двигателей от бензиновых аналогов отличаются определенными недостатками:
- большим весом и ценой при равной мощности;
- повышенным шумом, создаваемым при сгорании топлива в цилиндрах;
- меньшими оборотами коленчатого вала, повышенными инерциальными нагрузками.
Принцип деятельности
КПД современного дизельного двигателя определяется отношением полезной работы, совершаемой двигателем, к полной работе.
Почти у всех автомобильных двигателей предполагается четыре такта:
- впуск топливно-воздушной смеси;
- сжатие;
- рабочий ход;
- выпуск отработанных газов.
Эффективность дизельного двигателя
КПД дизельного двигателя в процентах составляет порядка 35-40 процентов. Учитывая, что для бензинового агрегата показатель составляет до 25 %, дизель явно лидирует.
Если воспользоваться турбонаддувом, вполне модно увеличить КПД дизельного двигателя до 53 процентов.
Несмотря на сходство типа работы, дизель справляется с поставленной перед ним задачей намного качественнее и результативнее. Так как у него меньшее сжатие, воспламенение топлива происходит по другому принципу. Он будет меньше нагреваться, в результате чего на охлаждении происходит неплохая экономия. В дизеле нет свечей и катушек зажигания, следовательно, нет необходимости тратить дополнительную энергию генератора.
Газораспределительный механизм двигателя: устройство ГРМ,.
..
ГРМ — это один из наиболее ответственных и сложных узлов в автомобиле. Газораспределительный…
Для повышения эффективности работы бензинового двигателя добавляют пару выпускных и впускных клапанов, а на каждую свечу устанавливают отдельную катушку зажигания. Для управления дроссельной заслонкой используется электрический привод.
Эффективность топлива
Расчет КПД дизельного двигателя позволяет определить целесообразность его применения.
Дизель считается одним из вариантов двигателя внутреннего сгорания, для которого характерно после сжатия воспламенение рабочей смеси.
Для того чтобы выявить суть функционирования бензинового двигателя, и то, какой КПД дизельного двигателя, проводят математические расчеты.
Потери КПД
Сгорает не все топливо, некоторая его часть теряется вместе с выхлопными газами (теряется до 25 процентов КПД). В процессе функционирования двигатель тратит часть энергии на корпус, радиаторы, жидкость. Это приводит к дополнительной потере КПД.
На все места, где существует трение: кольца, шатуны, поршни, потребляется дополнительная энергия, что негативно отражается на коэффициенте полезного действия.
Вариант определения
В технической документации можно найти информацию о мощности двигателя внутреннего сгорания. После заливки в него топлива и работы на максимальных оборотах в течение нескольких минут остатки топлива сливают. Вычтя из начального объема конечный результат, вооружившись плотностью, можно посчитать массу топливной смеси.
В настоящее время максимальной эффективностью обладает электрический силовой агрегат. Его КПД может достигать 95%, что является превосходным результатом. Если первые моторы при объеме двигателя 1,6 литра развивали не больше 70 лошадиных сил, то в наши дни этот показатель доходит до 150 лошадиных сил.
КПД – величина отношения мощности, подаваемой на коленчатый вал двигателя, к величине, получаемой от сгорания газовой смеси поршнем. В зависимости от того, какое топливо используется для работы автомобильного двигателя, КПД может варьироваться в диапазоне от 20 до 85 процентов.
Безусловно, производители топливных систем ищут способы их улучшения, позволяющие существенно увеличить итоговую величину двигателя внутреннего сгорания.
Для снижения механических потерь от нагрузки генератора, трения в настоящее время в промышленности используют смазки. Но, несмотря на подобные достижения, полностью справиться с силой трения пока еще не удалось никому.
Даже после усовершенствований бензинового двигателя удалось добиться изменения у него коэффициента полезного действия до 20 процентов, только в некоторых случаях удается повышать КПД до 25 %.
Более высокий показатель коэффициента полезного действия свидетельствует о топливной эффективности. К примеру, при объеме дизельного двигателя 1,6 литра в городском цикле расход топлива составляет не более 5 литров. У бензинового аналога эта величина достигает 12 л. Сам дизельный агрегат гораздо легче и компактнее, к тому же считается более экологичным вариантом, чем бензиновый двигатель.
Эти положительные технические характеристики гарантируют дизелям более продолжительный эксплуатационный срок службы.
Заключение
Помимо многочисленных плюсов, есть у него и несколько недостатков, о которых также следует упомянуть. КПД двигателя внутреннего сгорания гораздо меньше 100 процентов, к тому же агрегат не выдерживает резкого понижения температуры воздуха.
Коэффициент полезного действия представляет собой величину, которая в процентном соотношении демонстрирует результативность функционирования механизма относительно преобразования тепловой энергии в полезную работу. ДВС осуществляет подобную деятельность, осуществляя преобразование тепловой энергии. Высвобождается она в результате сгорания в цилиндрах топливной смеси. КПД дизельного мотора является фактически совершенной механической работой, состоящей из отношения энергии, полученной от сгорания топлива, и мощности, отдаваемой установкой на коленчатом валу двигателя.
Эффективность работы современного дизельного агрегата определяется множеством различных факторов. В первую очередь, необходимо отметить тепловые и механические потери, возникающие в ходе работы двигателя такого типа.
Кроме того, свою долю вносит в разнообразные потери и сила трения, которая появляется при тесном соприкосновении этих многочисленных деталей.
Основная часть расходуемой полезной энергии приходится на приведение в движение поршня, вращение внутри мотора различных деталей. Более 60 процентов сгорающего топлива требуется для обеспечения работы всех узлов автомобильного двигателя. При дополнительных потерях появляются существенные проблемы с дееспособностью навесного оборудования, разнообразных систем, механизмов.
Благодаря модернизации системы впрыска удалось внести позитивные изменения в значение коэффициента полезного действия, минимизировать потери.
Чем отличается дизельный двигатель от бензинового? 1, поставка нефтепродуктов по России от компании ООО «Поставком»
ПОСТАВКОМ / Информация / Статьи / Чем отличается дизельный двигатель от бензинового?
Просмотров: 304
22.12.2021 15:17
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) получили широкое распространение в силу автономности работы.
Чаще всего применяются бензиновые и дизельные ДВС. Принцип их работы схож. Но есть некоторые нюансы:
- бензиновый двигатель — в камеру сгорания впрыскивается топливовоздушная смесь. Там она сжимается, а потом поджигается с помощью искры от свечи зажигания. Сгорающая топливовоздушная смесь толкает поршень, тем самым заставляя крутиться коленчатый вал;
- дизельный двигатель — на первом такте в камеру сгорания подается воздух, температура которого резко повышается за счет сжатия. Потом впрыскивается топливо. Распыленные капли в атмосфере горячего воздуха воспламеняются и сгорают. Тем самым обеспечивается рабочий ход поршня и вращение коленвала.
Таким образом, главное отличие в системе поджига топливовоздушной смеси. В бензиновом воспламенение осуществляется с помощью искры, а в дизельном – за счет высокой температуры сжатого воздуха.
Плюсы дизельных двигателей
- Аккумулятор требуется только для запуска. Поэтому автомобили с дизельным двигателем не боятся воды и их чаще ставят на внедорожники.
- Не страшна детонация, так как сам процесс воспламенения топлива схож по физическим процессам с тем, что принято называть детонацией. Поэтому может применяться топливо с более низким октановым числом, в том числе и соляровое масло.
- Топливо обладает гораздо меньшей летучестью и, соответственно, более высокой температурой воспламенения. Поэтому дизельные двигатели устанавливают на танки и другую военную технику.
Однако топливо не может развивать высокие обороты – для сгорания ему нужно некоторое время. Поэтому выдается более высокая мощность на валу при низких оборотах. Это послужило причиной того, что их чаще всего устанавливают на грузовые автомобили и автобусы. По той же причине ими снабжают и судовые силовые установки.
Преимущества бензиновых двигателей
- Меньшая степень сжатия приводит к менее строгим требованиям к прочности конструкции, что влечет за собой уменьшение веса двигателей. Поэтому их широко применяют в авиации и на легковых автомобилях.
- Уменьшение веса конструкции и отсутствие такого прецизионного агрегата, как топливный насос высокого давления (ТНВД), уменьшает стоимость.
КПД и расход
Коэффициент полезного действия (КПД) бензинового двигателя обычно находится в пределах 20 %, достигая у лучших образцов не более 25 %. КПД дизеля в среднем составляет 40 %, а при применении турбонаддува может незначительно превышать 50 %. Соответственно и расход топлива у него ниже. Так, например, автомобиль «УАЗ Хантер» с дизельным двигателем потребляет в смешанном цикле 10,6 л/100 км, а с бензиновым – 13,2 л/100 км.
Отдельно стоит сказать о разработке фирмы Toyota – бензиновом двигателе ESTEC с КПД 38 %. В нем использован цикл Аткинсона – удлиненный рабочий ход поршня в третьем такте. Использование такого агрегата возможно только в автомобилях с гибридной силовой установкой, так как повышение степени сжатия приводит к снижению крутящего момента на малых оборотах, который в гибридах компенсируется электромотором.
Расходы на обслуживание
На первый взгляд обслуживание в процессе эксплуатации ничем особо не отличается. Но на самом деле жесткие требования по настройке и обслуживанию ТНВД значительно увеличивают расходы на обслуживание дизеля. Регулировка ТНВД может достигать половины стоимости обслуживания двигателя. Да и обслуживать дизель надо чаще.
Качество топлива и температура
Применение низкооктанового топлива в дизелях приводит к зависимости текучести топлива от температуры. При низких температурах происходит кристаллизация парафинов, входящих в состав топлива. Поэтому приходится прибегать к сезонной замене топлива в зависимости от температуры. Особые неудобства это приносит в южных горах, где жара в долине может смениться низкими температурами в горах.
Шум и выхлопы
Дизель более шумный, чем бензиновый. Связано это с особенностями силового агрегата и системы воспламенения.
Дизель потребляет меньше топлива, чем бензиновый такой же мощности. Поэтому в его выхлопах двуокиси углерода меньше.
Но из-за наличия в составе топлива более тяжелых углеводородов наблюдаются мелкие частицы сажи. В выхлопе дизельного двигателя больше и двуокиси азота. Но современные способы фильтрации выхлопных газов постепенно нивелируют эту разницу.
У каждого вида имеются свои плюсы и минусы. Поэтому сферы их применения различаются. То есть в зависимости от поставленной задачи предпочтение может быть отдано тому или иному двигателю.
Но совершенствование электронного управления режимами работы, использование системы датчиков, фильтров и прочих технических усовершенствований ведет к тому, что сферы их применения начинают пересекаться.
предыдущая статьяследующая статья
Остались вопросы?
Заполните форму обратной связи, наши менеджеры свяжутся с вами!
Бензиновые и дизельные двигатели: сравнение топливной экономичности
Бензиновые и дизельные двигатели — с точки зрения топливной экономичности — даже не обсуждается.
В отличие от Европы и подавляющего большинства остального развитого мира, люди в Соединенных Штатах нередко не знают, что дизель является лучшим топливом, чем бензин, с точки зрения экономии топлива. Хотя это не является общеизвестным среди потребителей автомобилей в США, это правда. Дизельные двигатели лучше по расходу топлива, чем бензиновые двигатели.
Дизельные двигатели намного экономичнее бензиновых двигателей сопоставимого размера.
Дизельные двигатели намного расходуют больше бензина, чем бензиновые двигатели.
Сравнение топливной экономичности дизеля и бензина даже близко не подходит. Дизельные двигатели обычно на 25-35% экономичнее бензиновых двигателей. Дизельные двигатели расходуют на четверть или треть меньше «газового» пробега, чем бензиновые двигатели.
Если автомобиль с бензиновым двигателем расходует 30 миль на галлон, то аналогичный автомобиль с дизельным двигателем расходует от 37,5 до 40,5 миль на галлон. В худшем случае дизельный двигатель проезжает 40 миль на каждые 30 миль, которые проезжает бензиновый двигатель на том же объеме топлива.
В лучшем случае на каждые 65 миль, пройденных бензиновым двигателем, дизельный двигатель проедет 100 миль на том же объеме топлива.
Таким образом, сравнение суммы выбросов галлона дизельного топлива на галлон с количеством выбросов от галлона газа не имеет значения.
Причина в том, что даже несмотря на то, что дизельные двигатели производят на 13% больше углекислого газа на галлон, чем сопоставимые бензиновые двигатели, этот факт имеет очень мало общего с тем, сколько каждый из двигателей вырабатывает во время практического использования. В то время как, по данным Европейской ассоциации производителей автомобилей, «1 кг дизельного топлива, сгоревшего в идеальных условиях, производит 2,65 кг CO2. 1 кг бензина, сожженного в идеальных условиях, производит 2,3 кг CO2», сравнение объемов дает очень мало полезной информации.
Таким образом, на милю бензиновый двигатель производит на 12-22% больше углекислого газа, чем сопоставимый дизельный двигатель. Другими словами, топливная экономичность дизельного двигателя определяет реальное соотношение выбросов дизельного топлива и бензина в гораздо большей степени, чем сравнение по объему.
Почему дизельные двигатели имеют больший пробег на «газе», чем бензиновые двигатели
Чтобы понять, почему дизельные двигатели намного эффективнее бензиновых, не требуется тест-драйв двух двигателей сопоставимого размера — одного с дизельным двигателем и другого с бензиновым двигателем — и сравнение пробега на галлон. Вместо этого, чтобы понять, почему дизельные двигатели намного более экономичны, чем бензиновые двигатели, нужно понять три вещи, касающиеся бензина и дизеля, бензиновых двигателей и дизельных двигателей: плотность энергии, термический КПД и степень сжатия.
Плотность энергии, тепловой КПД и степень сжатия дизельного топлива по сравнению с газом
Первое существенное различие между дизельным топливом и бензином заключается в плотности энергии. В галлоне дизельного топлива содержится больше энергии, чем в галлоне бензина. Плотность энергии дизельного топлива как минимум на 13% больше, чем у бензина. Часто плотность энергии дизельного топлива более чем на 13% выше, чем у бензина.
По совпадению существует прямая зависимость между плотностью энергии и загрязнением. Чем более энергоемкое топливо, тем больше загрязнения оно производит в объемном масштабе. Дизель производит на 13% или более энергии и на 13% больше выбросов. Но опять же, сравнение выбросов, произведенных по единице измерения объема, не дает полезной информации. Если поездка из одного места в другое составляет 50 миль и для преодоления этого расстояния в бензиновом автомобиле требуется галлон бензина, то для дизельного двигателя обязательно требуется только 6,5 галлона.
Вторым фактором, отличающим дизельные двигатели от бензиновых, также называемых «тепловыми двигателями», является тепловой КПД. Тепловой КПД дизельного двигателя может быть в два раза выше, чем у бензинового двигателя. Термическая эффективность увеличивает эффективность использования топлива.
Третьим фактором, влияющим на эффективность использования топлива и выбросы двигателей внутреннего сгорания, является степень сжатия.
Степень сжатия двигателя определяется сопротивлением сжатию топлива. Сопротивление сжатию — это то, какое давление сжатия топливо может выдержать без возгорания. Чем выше степень сжатия двигателя, тем лучше. Чем выше степень сжатия, тем больше эффективность сгорания, сколько топлива сгорает при сгорании.
В сочетании плотность дизельного топлива, тепловой КПД дизельных двигателей и степень сжатия дизельных двигателей делают транспортные средства и механизмы с дизельным двигателем значительно более экономичными, чем бензиновые двигатели. И эти три фактора также являются причиной того, что дизельные двигатели загрязняют окружающую среду меньше, чем бензиновые двигатели.
Плотность энергии бензина по сравнению с дизельным топливом
Плотность энергии дизельного топлива на 15-25% выше, чем у бензина. Плотность энергии — это мощность топлива, количество энергии на единицу измерения — галлон, литр, кубический фут или метр и т. д. Как объясняет Исаак Рамос из Стэнфордского университета в статье под названием «Сравнение дизельного и бензинового топлива в потребительских автомобилях,
«Что касается энергии, следует помнить еще об одном важном показателе — плотности энергии дизельного топлива и бензина.
Дизельное топливо тяжелее и маслянистее бензина, и для его получения требуется меньше очистки, его химический состав C14h40. Бензин, с другой стороны, C9h30. [4] При сгорании эти химические соединения соответствуют плотности энергии примерно 155 миллионов Дж на галлон для дизельного топлива и 132 миллиона Дж на галлон для бензина. Таким образом, с точки зрения удельной энергии дизель явно лидирует в химическом отношении».
Причина, по которой дизельное топливо имеет более высокую плотность энергии, чем бензин, заключается в структуре содержащихся в нем углеводородов. Углеводороды являются ценным компонентом ископаемого топлива. Углеводороды — это молекулы ископаемого топлива, которые воспламеняются, горят, сгорают и взрываются — окисляются. Именно окисление углеводородов заставляет вращаться современный мир.
Не все углеводороды одинаковы. Чем выше отношение водорода к углероду в углеводородах, тем легче ископаемое топливо. Кроме того, чем выше отношение атомов водорода к атомам углерода в молекулах углеводородов ископаемого топлива, тем меньше энергии ископаемого топлива на единицу объема, например, на галлон.
Именно из-за того, что метан — он же «природный газ» — имеет очень маленькие молекулы углеводорода с очень высоким соотношением водорода к углероду, он является ископаемым топливом в газообразном состоянии.
С другой стороны, высокое соотношение атомов углерода к атомам водорода приводит к образованию тяжелых молекул с высокой плотностью энергии. Дизельные углеводороды имеют высокое отношение углерода к водороду. Бензин, с другой стороны, имеет среднее соотношение углерода к водороду по сравнению с другими видами ископаемого топлива. Таким образом, бензиновые углеводороды имеют очень низкое отношение углерода к водороду по сравнению с дизельными углеводородами. Из-за высокого отношения углерода к водороду дизельное топливо более энергоемкое, чем бензин.
Поскольку дизель производит больше энергии на галлон, литр, кубический фут или метр, это означает, что бензиновым двигателям требуется больше галлонов бензина, чтобы проехать то же расстояние, что и дизельному двигателю на меньшем количестве топлива.
Но плотность топлива — не единственная причина, по которой автомобили с дизельным двигателем более экономичны, чем их бензиновые собратья. Эффективность сгорания дизельных двигателей также делает их более экономичными.
Эффективность сгорания определяется двумя факторами: отношением кислорода к топливу и степенью сжатия.
Эффективность сгорания дизельных и бензиновых двигателей
Эффективность сгорания — скорость окисления углеводородов — частично является продуктом соотношения между углеводородами и кислородом. Чем больше количество кислорода, добавляемого в топливно-кислородную смесь, тем выше процент топлива, которое сгорает. Без кислорода углеводороды не будут гореть независимо от того, сколько тепла или пламени-искры-воздействия.
Однако это не означает, что воздействие тепла и пламени не изменяет неоксигенированные углеводороды. Углеводороды, которые не смешаны с кислородом, но которые подвергаются воздействию тепла и/или пламени, вступят в химическую реакцию.
Но они не окислятся — воспламенятся, сгорят, сгорят, взорвутся. Химическая реакция, в которую вступают неоксигенированные углеводороды при воздействии тепла или пламени, обычно представляет собой химическую связь.
Полностью сгоревшее ископаемое топливо производит только два выброса: воду и углекислый газ.
В двигателе неоксигенированные углеводороды, подвергающиеся воздействию тепла и/или пламени, связываются друг с другом, образуя самые разнообразные выбросы. Продукты связанных несгоревших углеводородов в двигателе внутреннего сгорания включают монооксид углерода, оксиды натрия, оксиды азота, озон, ацетальдегид, ацетон, бензол, метилбензол, этилбензол и ксилолы.
Возникает очевидный вопрос: почему бы просто не спроектировать все транспортные средства для работы на чрезвычайно обедненной топливной смеси с высоким содержанием кислорода? Дизельные двигатели могут работать на очень обедненной топливной смеси.
Но бензиновые двигатели не могут работать на обедненных топливно-воздушных смесях.
Почему бензиновые двигатели не могут сжигать сверхкислородное топливо
Бензиновые двигатели не могут работать на обедненной топливно-воздушной смеси. Бензиновые двигатели всегда должны работать на богатой смеси. Идеальная смесь воздуха и топлива называется стехиометрическим отношением . Стехиометрическое соотношение — это точка, при которой количество кислорода точно соответствует необходимому для сжигания суммы топлива. Если кислорода меньше, чем требуется для достижения стехиометрического соотношения, автомобиль работает на обогащенной смеси. Если есть избыток кислорода — больше кислорода, чем требуется для достижения стехиометрического соотношения — двигатель работает на обедненной смеси.
Бензиновые двигатели не могут работать ни при стехиометрическом соотношении, ни при обеднении смеси. Причина в том, что когда автомобиль работает при стехиометрическом соотношении, двигатель не может справиться с выделяемым теплом.
«Нагрузка на большинство двигателей внутреннего сгорания максимальна, когда они работают при стехиометрическом соотношении.
Фронт пламени быстро распространяется, максимизируя пиковое давление и температуру и генерируя максимальную мощность для данного воздушного потока. [Бензиновые] двигатели, генерирующие высокую мощность, рассчитаны на работу со значительным обогащением при пиковых температурах и внутреннем давлении. [Они предназначены для работы] при соотношении примерно 12:1, [а не] при стехиометрическом соотношении 14,7:1».
Работа бензинового двигателя на стехиометрическом уровне приведет к перегреву двигателя, разрушению поршней и расплавлению прокладок. Работа на обедненной смеси — избыток воздуха, выталкивающий смесь за пределы стехиометрического соотношения, — также вызывает проблемы, в том числе обратный выброс, неустойчивый холостой ход, резкий холодный пуск и т. д.
При работе бензинового двигателя с равным стехиометрическое соотношение означает, что эффективность сгорания самая высокая, а выбросы самые низкие, это невозможно сделать, не разрушив двигатель.
Дизель, с другой стороны, может работать на обедненной смеси.
Почему дизельные двигатели могут работать на очень обедненной топливной смеси
С другой стороны, дизель настолько энергоемок, что в смесь можно добавить гораздо большее количество воздуха. Стехиометрическое соотношение дизельного топлива намного выше, чем у бензина, потому что, опять же, дизельное топливо значительно более плотное по энергии. «Типичные рабочие диапазоны дизельных двигателей распределяются между соотношением воздух/топливо от 18 до 70, в зависимости от рабочей точки».
Дизель начинает свое сгорание в локально богатой среде (прямо рядом с форсункой), но топливо в целом находится в достаточно бедной смеси, поэтому, как только пламя начинается в богатой области, оно горит в бедной среде с медленным и устойчивым фронт пламени, но высокие температуры пламени связаны с образованием NOx в процессе пикового сжигания обедненной смеси. Именно высокое давление и внезапный выброс энергии при работе на пике вызывают перегрев двигателей, а не температура пламени, поэтому дизель не перегревается.
Стук, также известный как предварительное сгорание. Причина в том, что бедные топливные смеси будут предварительно сгорать в бензиновом двигателе из-за слабого сопротивления сжатию бензина. Поскольку бензин представляет собой легкое топливо с низким энергопотреблением и высокой летучестью, бензин сгорает при меньшем давлении, чем тяжелое стабильное топливо, такое как дизельное топливо. Это означает, что бензиновые двигатели имеют гораздо более низкую степень сжатия, чем дизельные двигатели.
Чем выше давление углеводородов перед сгоранием, тем эффективнее сгорание. Эффективность сгорания и, следовательно, экономия топлива в бензиновых двигателях плохая, потому что сопротивление сжатию бензина низкое, когда бензин сильно насыщен кислородом.
Двигатели с высокой степенью сжатия, работающие на обедненной смеси, отличаются максимальной топливной экономичностью. Но в бензиновых двигателях эти две переменные взаимоисключающие. Таким образом, чтобы повысить эффективность сгорания за счет увеличения степени сжатия бензинового двигателя, бензиновые двигатели должны работать на богатых топливных смесях, смеси, предотвращающей преждевременное сгорание.
В то время как лабораторное исследование, за которым последовало полевое исследование — два исследования, в которых сравнивается топливная экономичность дизельных и бензиновых двигателей, — дает наилучшие доказательства того, что дизельные двигатели превосходят их в отношении пробега «газа», плотности энергии, теплового КПД и степени сжатия. отношение объяснить почему . Дизельные двигатели более экономичны как на практике, так и в принципе. И именно теория, лежащая в основе этих сравнений, объясняет, почему дизельные двигатели, вероятно, всегда будут превосходить бензиновые двигатели в отношении эффективности использования топлива.
Расход топлива — насколько низко вы можете снизиться?
Несмотря на то, что в течение прошлого века дизельный двигатель постоянно развивался, чтобы стать высокоэффективным силовым агрегатом, сейчас он находится под угрозой, как никогда раньше. Итак, «Каково будущее дизельного двигателя?» — таков был вопрос, заданный доктору Стаффану Лундгрену, старшему технологическому консультанту по силовым агрегатам в Volvo Group.
Почему дизель остается таким популярным источником энергии?
Диффузионное горение, при котором горение концентрируется вокруг воспламенителя, а кислород рассеивается вокруг зоны горения, очень эффективно. У него минимальные потери энергии стенками двигателя за счет излучения или конвекции — намного ниже, чем у бензинового двигателя. Базовый дизельный двигатель очень мощный и может выдерживать очень высокое давление.
Насколько это эффективно?
Произошли большие улучшения — эффективность увеличилась с 35% в 1980-х до сегодняшнего КПД 50%. Это означает, что теперь половина топлива расходуется на полезную механическую работу. Для справки: бензиновый двигатель имеет КПД около 35%. Эти преимущества были достигнуты благодаря системам впрыска топлива Common Rail под высоким давлением, турбонаддуву и внедрению вычислительной мощности для точного управления сгоранием и системами управления последующей обработкой.
Является ли повышение эффективности использования топлива требованием номер один для клиентов?
Да, эффективность использования топлива является наиболее важным элементом, но клиенты также требуют хороших характеристик и долговечности двигателя.
Кроме того, он должен быть долговечным и соответствовать требованиям по выбросам — а они иногда конкурируют друг с другом.
Двигатели тоже становятся мощнее?
Наблюдается положительная тенденция – клиенты перевозят большие грузы, а это требует большей мощности. Сейчас максимальная мощность Volvo Group составляет 1000 л.с. Но по сравнению с легковыми автомобилями все тяжелые машины по-прежнему (относительно) маломощны.
Дизельный двигатель обвиняют в неэкологичности. Может ли он очистить свой поступок?
Сделать дизельные двигатели очень чистыми возможно, и в этом индустрия тяжелой техники добилась большего прогресса, чем сектор легкой техники. Одной из причин этого является то, что эффективность, требуемая клиентами в секторе тяжелых условий эксплуатации, намного выше.
Насколько сложно было повысить эффективность при одновременном снижении выбросов?
Было непросто усовершенствовать термодинамический процесс, чтобы компенсировать нагрузку, связанную с добавлением системы дополнительной обработки SCR.
Но теперь мы вернулись на путь повышения эффективности шаг за шагом.
Как далеко вы можете зайти – нулевые выбросы?
Это зависит от того, что вы подразумеваете под выбросами. Если вы приводите двигатель в движение на топливе, не содержащем углерода, и сочетаете его с эффективным процессом сгорания, не образующим сажи, то нулевые выбросы возможны. Мы работаем над использованием метана и ДМЭ (диметилового эфира) в качестве чистых альтернатив дизельному топливу. Это не новая идея, в 1900 дизельный двигатель успешно работал на арахисовом масле. Проблема не в технологии производства чистого топлива, а в его доступности. Но если проблема поставок возобновляемого топлива может быть решена, тогда дизельные двигатели могут работать на 100% без выбросов CO2.
Разве чистое топливо не создает экологических проблем?
Производство биотоплива не должно конкурировать с производством продуктов питания, но есть и другие виды топлива, где это не проблема. Электротопливо (E-топливо) использует солнечную или ветровую энергию для «расщепления» воды и объединения ее с CO2 из метана — и эти виды топлива обладают довольно высокой эффективностью — до 80 %.
Это может быть интересным дополнением к электрификации.
Как различные виды топлива влияют на сгорание?
С точки зрения эффективности двигателю все равно, поступает ли молекула топлива из ископаемого или возобновляемого источника. Таким образом, при инвестициях в правильный тип возобновляемого топлива переход на возобновляемые источники энергии должен быть простым.
Так как же еще снизить расход топлива?
Следующим важным шагом в повышении эффективности двигателя/снижении расхода топлива является его сочетание с электромобильностью. Спрос на двигатели в будущем не будет таким разнообразным, как сегодня. Существует разница между тем, насколько эффективен двигатель в своей «наилучшей точке» и насколько эффективен во всем реальном рабочем диапазоне. Объединение двигателей с электродвигателями, как в параллельных гибридах, позволяет двигателю работать на максимально эффективном уровне. Без сомнения, электрификация станет частью будущего решения для привода внутреннего сгорания.
Могут ли другие технологии помочь снизить расходы на топливо?
Примерами являются технология «стоп/старт» и электрические системы на 48 В, которые питают вспомогательные устройства электрически, а не механически. Все они могут быть использованы в будущем в тяжелых условиях эксплуатации, как только будет доказана их надежность. Но еще одним важным источником большей эффективности является рекуперация тепла. Это непростая задача для двигателей большой мощности, так как у них относительно холодные выхлопы, но все же есть надежда уловить эту проблему и сделать ее коммерчески жизнеспособной.
Какова максимальная эффективность двигателя?
Теоретический КПД системы дизельного двигателя составляет 55-60%. Для справки, лучшие электростанции работают с КПД 50-55%, а топливные элементы также имеют КПД около 50%+, поэтому дизельные двигатели могут быть невероятно эффективными. Это, в дополнение к тому факту, что двигатели, работающие с электрификацией, часто будут иметь меньшую потребляемую мощность, будет означать, что потребление топлива в будущем снизится.
Как долго может работать дизельный двигатель?
Дизельный двигатель внутреннего сгорания остается очень экономичным решением для создания механической энергии. Тем не менее, законодательство, особенно в Европе, довольно сильно подталкивает к электрификации, и это может напрямую повлиять на долговечность двигателя внутреннего сгорания. Мы считаем, что его использование будет основано на приложениях и что оно будет продолжаться в течение значительного времени при использовании на больших расстояниях, таких как океанские корабли и грузовики дальнего следования. Но даже здесь, вероятно, будет использоваться смесь технологий.
Будущее за дизелем?
Дизельный двигатель в модифицированном виде может быть очень чистым и эффективным. Он также хорошо сочетается с электрификацией. Как производитель, мы должны найти лучшее решение, основанное на решениях, которые принимает общество. Какими бы они ни были, мы должны быть готовы.
Примечание редактора: Доктор Стаффан Лундгрен — ведущий стратег Volvo Group, специализирующийся на оценке новых технологий для будущего двигателей.