4,5-литровый V-8 Duramax повышает эффективность на 25 процентов по сравнению с бензиновыми двигателями, снижая при этом загрязняющие вещества и выбросы.
Одна из самых популярных статей - «Как работают автомобильные двигатели», в которой объясняются основные принципы внутреннего сгорания, обсуждается четырехтактный цикл и рассказывается обо всех подсистемах, которые помогают двигателю вашего автомобиля выполнять свою работу. В течение долгого времени после того, как мы опубликовали эту статью, одним из наиболее частых вопросов (и одним из наиболее частых предложений, внесенных в ящик для предложений) был: «В чем разница между бензиновым и дизельным двигателями?».
История Дизеля фактически начинается с изобретения бензинового двигателя. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель к 1876 году. В этом изобретении использовался принцип четырехтактного сгорания, также известный как «цикл Отто», и это основная предпосылка для большинства автомобильных двигателей сегодня. На начальном этапе бензиновый двигатель был не очень эффективным, и другие основные способы транспортировки, такие как паровой двигатель, также работали плохо. Только около 10 процентов топлива, используемого в этих типах двигателей, действительно приводило в движение транспортное средство. Остальное топливо просто произвело бесполезное тепло.
В 1878 году Рудольф Дизель посещал среднюю политехническую школу Германии (эквивалент инженерного колледжа), когда узнал о низкой эффективности бензиновых и паровых двигателей. Эта тревожная информация вдохновила его на создание двигателя с более высоким КПД , и он посвятил большую часть своего времени разработке « двигателя внутреннего сгорания». К 1892 году Дизель получил патент на то, что мы теперь называем дизельным двигателем.
Если дизельные двигатели настолько эффективны, почему бы нам не использовать их чаще? Вы можете увидеть слова «дизельный двигатель» и подумать о больших, здоровенных грузовых автомобилях, извергающих черный, сажистый дым и создающих громкий грохочущий звук. Этот негативный образ дизельных грузовиков и двигателей сделал дизельное топливо менее привлекательным для случайных водителей в Соединенных Штатах - хотя дизельное топливо отлично подходит для перевозки крупных грузов на большие расстояния, оно не было лучшим выбором для повседневных пассажиров. Однако это начинает меняться, поскольку люди улучшают дизельный двигатель, чтобы сделать его чище и менее шумным.
Если вы еще этого не сделали, вы, вероятно, сначала захотите прочитать «Как работают автомобильные двигатели», чтобы получить представление об основах внутреннего сгорания. Но поспешите назад - в этой статье мы раскрываем секреты дизельного двигателя и узнаем о некоторых новых достижениях.
Дизельные двигатели против бензиновых двигателей
Теоретически дизельные двигатели и бензиновые двигатели очень похожи. Оба они представляют собой двигатели внутреннего сгорания, предназначенные для преобразования химической энергии топлива в механическую. Эта механическая энергия перемещает поршни вверх и вниз внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом, и движение поршней вверх и вниз, известное как линейное движение, создает вращательное движение, необходимое для поворота колес автомобиля вперед.И дизельные, и бензиновые двигатели преобразуют топливо в энергию посредством серии небольших взрывов или возгораний. Основное различие между дизельным топливом и бензином заключается в том, как происходят эти взрывы. В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и воспламеняется от искры свечей зажигания. Однако в дизельном двигателе сначала сжимается воздух, а затем впрыскивается топливо. Поскольку воздух нагревается при сжатии, топливо воспламеняется.
Следующая анимация показывает дизельный цикл в действии. Вы можете сравнить это с анимацией бензинового двигателя, чтобы увидеть различия.
Дизель.
Дизельный двигатель использует четырехтактный цикл сгорания, как и бензиновый двигатель. Четыре штриха:
- Такт впуска - впускной клапан открывается, впуская воздух и перемещая поршень вниз.
- Ход сжатия - поршень движется обратно вверх и сжимает воздух.
- Такт сгорания - когда поршень достигает вершины, топливо впрыскивается в нужный момент и воспламеняется, заставляя поршень снова опускаться.
- Такт выпуска - Поршень движется обратно вверх, выталкивая выхлопные газы, образовавшиеся в результате сгорания, из выпускного клапана.
Сжатие
Работая над своими расчетами, Рудольф Дизель предположил, что более высокое сжатие приводит к более высокой эффективности и большей мощности. Это происходит потому, что когда поршень сжимает воздух цилиндром, воздух становится концентрированным. Дизельное топливо имеет высокое содержание энергии, поэтому вероятность реакции дизельного топлива с концентрированным воздухом выше. Другой способ думать об этом: когда молекулы воздуха упакованы так близко друг к другу, у топлива появляется больше шансов вступить в реакцию с максимально возможным количеством молекул кислорода. Рудольф оказался прав: бензиновый двигатель сжимает в соотношении от 8: 1 до 12: 1, а дизельный двигатель сжимает в соотношении от 14: 1 до 25: 1.
Впрыск дизельного топлива
Фотография предоставлена шестицилиндровым дизельным двигателем DaimlerChrysler Atego.
Одно большое различие между дизельным двигателем и газовым двигателем заключается в процессе впрыска. В большинстве автомобильных двигателей используется впрыск через порт или карбюратор. Система впрыска через порт впрыскивает топливо непосредственно перед тактом впуска (вне цилиндра). Карбюратор смешивает воздух и топливо задолго до того, как воздух попадает в цилиндр. Следовательно, в двигателе автомобиля все топливо загружается в цилиндр во время такта впуска, а затем сжимается. Сжатие топливно-воздушной смеси ограничивает степень сжатия двигателя - если он слишком сильно сжимает воздух, топливно-воздушная смесь самовоспламеняется и вызывает детонацию. Детонация может привести к повреждению двигателя из-за чрезмерного нагрева.
В дизельных двигателях используется непосредственный впрыск топлива - дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр.
Форсунка дизельного двигателя является его наиболее сложным компонентом и является предметом множества экспериментов - в любом конкретном двигателе он может располагаться в различных местах. Форсунка должна выдерживать температуру и давление внутри цилиндра и при этом подавать топливо в виде мелкого тумана. Обеспечение циркуляции тумана в цилиндре для его равномерного распределения также является проблемой, поэтому в некоторых дизельных двигателях используются специальные впускные клапаны, камеры предварительного сгорания или другие устройства для завихрения воздуха в камере сгорания или иного улучшения процесса зажигания и сгорания.
В некоторых дизельных двигателях есть свеча накаливания . Когда дизельный двигатель холодный, в процессе сжатия воздух может не подняться до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Свеча накаливания представляет собой электрически нагреваемый провод (представьте себе горячие провода, которые вы видите в тостере), который нагревает камеры сгорания и повышает температуру воздуха, когда двигатель холодный, чтобы двигатель мог запуститься. По словам Кли Браттона, техника-подмастерья по тяжелому оборудованию:
Все функции в современном двигателе контролируются контроллером ЭСУД, который взаимодействует со сложным набором датчиков, измеряющих все, от числа оборотов до температуры охлаждающей жидкости и масла двигателя и даже положения двигателя (т.е. ВМТ). Свечи накаливания сегодня редко используются в более крупных двигателях. Контроллер ЭСУД определяет температуру окружающего воздуха и замедляет синхронизацию двигателя в холодную погоду, поэтому форсунка распыляет топливо позже. Воздух в цилиндре сжимается сильнее, выделяя больше тепла, что способствует запуску.
В меньших по размеру двигателях и двигателях, не имеющих такого продвинутого компьютерного управления, для решения проблемы холодного запуска используются свечи накаливания.
Конечно, механика - не единственное отличие дизельных двигателей от бензиновых. Еще есть проблема с топливом.
Дизельное топливо
Образец дизельного топлива.
Нефтяное топливо начинается с сырой нефти, которая естественным образом находится на Земле. Когда сырая нефть перерабатывается на нефтеперерабатывающих заводах, ее можно разделить на несколько различных видов топлива, включая бензин, авиакеросин, керосин и, конечно же, дизельное топливо.
Если вы когда-нибудь сравнивали дизельное топливо и бензин, то знаете, что они разные. Они конечно по-разному пахнут. Дизельное топливо тяжелее и жирнее. Он испаряется намного медленнее, чем бензин - его температура кипения на самом деле выше, чем температура кипения воды. Вы часто слышите, как дизельное топливо называют «дизельным топливом», потому что оно очень маслянистое.
Дизельное топливо испаряется медленнее, потому что оно тяжелее. Он содержит больше атомов углерода в более длинных цепочках, чем бензин (бензин обычно представляет собой C9H20, а дизельное топливо - C14H30). Для создания дизельного топлива требуется меньше переработки, поэтому раньше оно было дешевле бензина. Однако с 2004 года спрос на дизельное топливо вырос по нескольким причинам, включая рост индустриализации и строительства в Китае и США.
Дизельное топливо имеет более высокую удельную энергию, чем бензин. В среднем 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит приблизительно 155x10 6 джоулей (147 000 БТЕ), а 1 галлон бензина содержит 132x10 6 джоулей (125 000 БТЕ). Это, в сочетании с повышенной эффективностью дизельных двигателей, объясняет, почему дизельные двигатели имеют больший пробег, чем эквивалентные бензиновые двигатели.
Дизельное топливо используется в различных транспортных средствах и на различных предприятиях. Он, конечно, питает дизельные грузовики, которые вы видите на шоссе, но он также помогает перемещать лодки, школьные автобусы, городские автобусы, поезда, краны, сельскохозяйственное оборудование и различные аварийные машины и генераторы. Подумайте о том, насколько важно дизельное топливо для экономики - без его высокой эффективности и строительная промышленность, и сельское хозяйство сильно пострадали бы от инвестиций в топливо с низкой мощностью и эффективностью. Около 94 процентов грузов - будь то грузовики, поезда или лодки - используют дизельное топливо.
С точки зрения экологии у дизеля есть свои плюсы и минусы. Плюсы - дизельное топливо выделяет очень небольшое количество окиси углерода, углеводородов и углекислого газа, выбросы которых приводят к глобальному потеплению. Минусы - при сжигании дизельного топлива выделяется большое количество соединений азота и твердых частиц (сажи), что приводит к кислотным дождям, смогу и ухудшению здоровья. На следующей странице мы рассмотрим некоторые недавние улучшения, сделанные в этих областях.
Улучшения дизельного топлива и биодизель
Более чистое топливо и более строгие уровни выбросов должны снизить количество преждевременных смертей из-за загрязнения дизельного двигателя.
Во время большого нефтяного кризиса 1970-х годов европейские автомобильные компании начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого использования в качестве альтернативы бензину. Те, кто попробовал это, были немного разочарованы - двигатели были очень громкими, и они, возвращаясь домой, обнаруживали, что их автомобили от корки до корки покрыты черной сажей - той же сажей, которая является причиной смога в больших городах.
Однако за последние 30-40 лет значительно улучшились характеристики двигателя и чистота топлива. Устройства прямого впрыска теперь управляются современными компьютерами, которые контролируют сгорание топлива, повышая эффективность и сокращая выбросы. Лучше очищенное дизельное топливо, такое как дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы (ULSD), снизит количество вредных выбросов, а модернизация двигателей, чтобы сделать их совместимыми с более чистым топливом, становится более простым процессом. Другие технологии, такие как фильтры твердых частиц с ЭЛТ и каталитические нейтрализаторы, сжигают сажу и снижают содержание твердых частиц, оксида углерода и углеводородов на целых 90 процентов. Постоянное улучшение стандартов для более чистого топлива в Европейском союзе также подтолкнет автомобильную промышленность к более активной работе по снижению выбросов - к сентябрю 2009 года ЕС надеется снизить выбросы твердых частиц с 25 мг / км до 5 мг / км.
Возможно, вы также слышали о биодизеле. Это то же самое, что и дизель? Биодизель - это альтернатива или присадка к дизельному топливу, которая может использоваться в дизельных двигателях с небольшими изменениями самих двигателей или без них. Он сделан не из нефти, а из растительных масел или животных жиров, которые были химически изменены. (Интересный факт: Рудольф Дизель изначально рассматривал растительное масло в качестве топлива для своего изобретения.) Биодизель можно комбинировать с обычным дизельным топливом или использовать полностью отдельно. Вы можете узнать больше о биодизеле в теме «Как работает биодизель».
Для получения дополнительной информации о дизельных двигателях и связанных темах перейдите по ссылкам ниже.
Часто задаваемые вопросы о дизельном двигателе
Кто изобрел дизельный двигатель и когда?
В 1878 году Рудольф Дизель посещал среднюю политехническую школу Германии, когда узнал о низкой эффективности бензиновых и паровых двигателей. Он был вдохновлен на создание двигателя с более высоким КПД, и большую часть своего времени посвятил разработке «двигателя внутреннего сгорания». К 1892 году Дизель получил патент на то, что мы теперь называем дизельным двигателем.
Как работает дизельный двигатель?
Дизельный двигатель использует четырехтактный цикл сгорания, как и бензиновый двигатель. Четыре хода - это такт впуска, такт сжатия, такт сгорания и такт выпуска.
Что случилось с изобретателем дизельного двигателя?
Рудольф Дизель путешествовал из Бельгии в Англию на пароходе в 1913 году. Он исчез, а его тело было найдено плавающим в воде. Смерть Дизеля была признана самоубийством, но многие люди считают, что его действительно убили.
Дизельный двигатель лучше?
Работая над своими расчетами, Рудольф Дизель предположил, что более высокое сжатие приводит к более высокой эффективности и большей мощности. Он оказался прав: бензиновый двигатель сжимает в соотношении от 8: 1 до 12: 1, а дизельный двигатель сжимает в соотношении от 14: 1 до 25: 1.
Какой тип двигателя у дизельного двигателя?
Как и бензиновый двигатель, дизельный двигатель - это двигатель внутреннего сгорания.
