Теплота, воздух и разные КПД: почему дизельный двигатель экономичнее бензинового

Мы все прекрасно знаем, что дизельный двигатель экономичнее бензинового. А вот почему – знают не все. Сегодня разберёмся в этом вопросе, а начнём с теории: что такое коэффициент полезного действия и почему он может быть разным.

Идеально и фактически

Первая мысль, которая приходит на ум при вопросе об экономичности, обычно очевидная и правильная: КПД дизеля выше, а значит, он экономичнее. Основная причина действительно заключается в этом утверждении – это факт. Но дальше начинаются трудности, потому что объяснить более высокий коэффициент полезного действия дизеля могут далеко не все. И это неудивительно, потому что это довольно сложный вопрос, разобраться в котором без основ термодинамики и теории ДВС очень трудно. Мы постараемся не углубляться в дебри теории изоэнтропийного сжатия, изохорического и изобарного подвода тепла, но основные вещи вспомнить придётся.

ДВС – тепловая машина, поэтому под его КПД принято понимать термический коэффициент полезного действия, то есть, отношение работы цикла к количеству теплоты, подведённой к рабочему телу в цикле. Однако для более полной оценки эффективности моторов используются и другие КПД: относительный внутренний коэффициент полезного действия, индикаторный, механический и эффективный коэффициент полезного действия. Все вместе они дают более полное понимание разницы в экономичности дизельных и бензиновых моторов. Особенно важен последний, эффективный, но начнём мы с базы – с термического КПД.

Формула расчёта термического КПД простая: работа цикла, поделённая на количество теплоты, подведенной к рабочему телу в цикле. То есть, КПД будет тем выше, чем больше будет совершено работы на единицу количества затраченной теплоты. Само собой, теплота берётся от сгорающего топлива, поэтому важнейшими условиями будут параметры процесса его сгорания: нужно, чтобы за один цикл выделялось больше теплоты. А для этого важна скорость и полнота горения топлива. Бензин и дизельное топливо горят по-разному. В бензиновых моторах сгорание происходит с предварительным смешиванием с фронтом пламени. То есть, однородная топливовоздушная смесь начинает гореть от искры свечи зажигания, затем – через фронт пламени по всей камере сгорания. Получается быстро, но до детонации в исправном моторе не доходит (точнее, не должно доходить). Для дизеля типичен другой тип сгорания – диффузионный, при котором пока одна часть топлива уже сгорает и происходит расширение объёма газа, начинается последующее сгорание остальной части топлива. Тут важны особенности дизельного топлива и бензина: если в первом случае топливо должно быть трудновоспламеняющимся и иметь низкую температуру кипения (для снижения риска детонации), то во втором оно должно кипеть при более высокой температуре, но быть более легковоспламеняющимся. В жизни так оно и есть: солярка обладает более высокой температурой кипения, чем бензин, но при этом она более легковоспламеняющаяся: температура самовоспламенения солярки составляет около 265 градусов, бензиновой смеси – около 280. Само собой, всё это актуально только при работе в моторе с учётом условий, возникающих в ходе сильного сжатия в цилиндре и текущего обогащения или обеднения бензиновой топливовоздушной смеси.

Теперь вспомним, что эффективность сгорания топлива напрямую зависит от двух параметров: полноты его сгорания и степени сжатия (больше сжатие – больше отдачи энергии расширения газов). Теоретически бензиновая топливовоздушная смесь сгорает полнее из-за её близости к стехиометрической, то есть, из-за достаточного количества окислителя для горения (кислорода), в то время как дизельный мотор работает на очень бедной смеси. Кроме того, бензиновая смесь поджигается искрой свечи после смешивания, а это очень важно для сгорания при постоянном объёме. У дизеля всё ровно наоборот: его диффузионное сгорание происходит медленнее по той причине, что солярка впрыскивается в сжимаемый в конце такта впрыска воздух, а не в виде готовой смеси. И так как горение происходит медленнее, его значительная доля приходится на тот период, когда поршень уже движется вниз. Вроде бы получается, что бензиновый мотор должен при этом иметь более высокий КПД, но нет: на выручку дизелю приходит почти двукратное превосходство в степени сжатия, которое сводит на нет все преимущества бензинового мотора в плане скорости сгорания более однородной смеси. И возможно это именно благодаря тому, о чём говорили выше: в цилиндре дизельного мотора сжимается воздух, а не смесь, а солярка подаётся в конце такта сжатия. В итоге термодинамический КПД дизеля получается заметно выше, чем бензинового двигателя. Но это только вершина айсберга, и увидеть её можно только в идеальном моторе, существующем в идеальном мире.

Ещё немного коэффициентов

Теперь немного поговорим про остальные КПД, которые используются при оценке эффективности моторов. Первый из них – относительный внутренний коэффициент полезного действия. Наверняка вы знаете, что для расчётов в термодинамике часто используются такие понятия, как идеальный газ или стехиометрическая смесь (то есть, тоже идеальная, содержащая ровно то количество кислорода, которое необходимо для полного сгорания топлива). Как правило, при этих расчётах не учитывают и некоторую негерметичность камеры сгорания (точнее, пренебрегают ею как незначительной), не учитывают изменение отвода тепла из-за, например, грязного мотора или несовершенства системы охлаждения. Абсолютно всё учесть просто невозможно, поэтому было принято понятие идеального термодинамического цикла, который проходит в идеальном ДВС.

Собственно, тот самый термический КПД, о котором мы говорили выше, рассчитывается тоже для идеальных бензиновых и дизельных моторов, исходя из их идеальных термодинамических процессов. Так вот, относительный внутренний КПД показывает, насколько реальный двигатель близок к идеальному. Если точнее, то насколько его термодинамический цикл близок к идеальному циклу. Путём расчётов этот КПД установить невозможно (требуются испытания живых моторов), но экспериментальным путём установлено, что относительный внутренний КПД бензинового агрегата составляет от 0,4 до 0,7, а дизельного – от 0,6 до 0,8 (или 40-70 и 60-80% соответственно). Если совсем упростить, то дизельный мотор по своим процессам более совершенен, чем бензиновый – он меньше зависит от трудно учитываемых факторов, отчего чуть более «идеален».

Индикаторный КПД получают путём сложения термического КПД и относительного КПД. По большому счёту, этот параметр описывает то, сколько мощности получается у реального двигателя на единицу удельной теплоты сгорания его топлива. Ну а так как мы уже установили, что оба этих КПД у дизеля выше, то и их сумма будет больше, чем у бензинового мотора.

А вот механический КПД, который учитывает потери мощности на преодоление сил трения в моторе и затраты на привод навесного оборудования, у дизельного и бензинового моторов приблизительно одинаковый – около 0,8 (или 80%). 

Не только Отто

Техника не стоит на месте, и, как ни странно, физика моторов тоже меняется. Всё, о чём мы говорили выше, в плане бензиновых моторов относится только к тем, которые работают по циклу Отто. Но многие современные двигатели в режиме холостого хода или минимальных нагрузок работают по циклу Миллера, а в некоторых других режимах – по циклу Аткинсона. Зачем?

Причина в том, что в стремлении сделать мотор как можно эффективнее и экологичнее инженеры столкнулись с тем, что в ненагруженных режимах КПД бензиновых объёмных моторов стал казаться недопустимо низким. У них стремительно возрастают дроссельные потери, то есть потери, возникающие при поступлении воздуха при минимальном открытии дроссельной заслонки. Тут и турбулентность становится ненормально высокой, и трение воздуха слишком велико. У дизелей такой проблемы нет в силу отсутствия самой дроссельной заслонки, а с бензиновыми двигателями надо было что-то делать. Причём чем больше объём мотора, тем больше и дроссельные потери, поэтому правильным шагом было бы сократить объём мотора, не снижая его мощности. Каким образом? Использованием нагнетателя, который способен не только повысить эффективную степень сжатия, но и минимизировать потери при дросселировании за счёт снижения объёма двигателя. В результате КПД становится выше процентов на 15-20% (а мощность – до 30%) при меньшем объёме мотора и в более широком диапазоне оборотов и нагрузки. Однако можно пойти ещё дальше. 

Если в цикле Отто все четыре такта длятся одинаковое время, то при работе по циклу Миллера в момент сжатия впускной клапан некоторое время остаётся открытым. При этом наполнение цилиндров получается хуже, мощность снижается, но при работе без нагрузки это некритично, а термический КПД вырастает сразу на 5-7%. Цикл Аткинсона имеет приблизительно такой же физический смысл, хотя и реализован другим, более сложным путём. Однако он тоже может дать прирост КПД в пределах 10%. На этом фоне использование двух свечей в одном цилиндре, как это делал, например, Mercedes, или многоконтактных свечей для оптимального поджига ТВС кажется просто детским лепетом. В результате сейчас иногда говорят о КПД бензинового мотора в пределах фантастических 45% или даже 50%. 

Однако это напоминает маркетинговую уловку: в некоторых режимах КПД действительно может стать значительно выше, но в мощностных режимах бензиновый мотор всегда работает по циклу Отто, и его КПД в самый чувствительный для водителя момент никак не возрастает и не превышает в лучшем случае 35%. А ещё в бензиновых моторах сегодня используются невероятно продвинутые системы прямого послойного впрыска, при котором форсунки очень точно распределяют топливо по камере сгорания, что помогает приготовить максимально однородную топливовоздушную смесь. Есть и раздельный прямой впрыск, который предусматривает один или несколько впрысков с обеднением смеси на такте впуска и впрыск с обогащением на такте сжатия, и системы изменения фаз газораспределения, и системы изменения высоты поднятия клапанов, и некоторые прочие технические изыски. И всё это – в попытках повысить КПД, которому, несмотря на всё вышеперечисленное, далеко до КПД дизелей.

Впрочем, дизели тоже не стоят на месте: их сейчас невозможно представить без наддува, а топливная аппаратура, позволяющая настроить впрыск практически идеально, становится всё более точной и сложной. И всё же моторам Отто догнать по показателям КПД моторы Дизеля, скорее всего, невозможно. А вот с привлечением Аткинсона и Миллера, вероятно, что-то и получилось бы. Если бы не «зелёная повестка», благодаря которой приходится чаще думать о батарейках и электромоторах, а не о нормальных ДВС. Впрочем, есть основания полагать, что век ДВС ещё не завершён и битва за КПД будет продолжаться и в ближайшем, и в отдалённом будущем. Будем наблюдать дальше, причём с огромным удовольствием.

Резюмируем

Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, уже звучал в тексте, но сформулируем его еще раз, коротко и просто. Из-за более высокой степени сжатия и особенности сгорания топлива для произведения одинаковой работы дизелю нужно меньше топлива из-за более высокого КПД. А это означает, что он всегда будет экономичнее бензинового мотора равного рабочего объёма.

Источник