В чем заключается экономичность двигателя - Автомобильный журнал
Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В чем заключается экономичность двигателя

Почему дизельные двигатели более экономичные, чем бензиновые?

Преимущество дизельных моторов.

Дизель. Для многих Российских автолюбителей остается по-прежнему загадкой обозначение моделей автомобилей латинской буквой «D». Да, многие из нас знают, что этой буковой обозначают дизельные автомашины. Но, к сожалению, большое количество людей связывают дизельные автотранспортные средства с тракторами, строительной или грузовой техникой, которые имеют грязный черный выхлоп. Но, на самом деле дизельные двигатели в современных транспортных средствах превосходят по своим характеристикам большинство бензиновых силовых агрегатов.

Все нынешние стереотипы в головах автолюбителей связанные с дизельными двигателями ничего не имеют общего с реальными технологиями, применяемые в современных дизельных агрегатах.

За последние годы новые автомобильные технологии позволили автопроизводителям существенно улучшить эффективность дизельных моторов, и сделать их значительно лучше своих главных конкурентов — бензиновых двигателей.

Так главное преимущество двигателей с воспламенением от сжатия (дизельные моторы) перед бензиновыми это значительно меньший расход топлива. Причем разница в потребление топлива может составлять до 30 процентов.

Посмотрите на 2015 Audi A8 L c 3.0 литровым турбированным шестицилиндровым бензиновым мотором. Средний расход топлива составляет 10,7л/100км. Неплохо для такого мощного силового агрегата? Но идентичная модель с дизельным 3.0 литровым турбодвигателем имеет расход 8,4л/100км.

Будущее за дизелем

Как считают многие эксперты сегодня дизельные моторы и дизельное топливо не достаточно оценено на современном авторынке. Во многом это связано со стереотипами потребителей и предвзятым отношением многих автокомпаний к технологиям дизельных двигателей (есть компании, которые не имеют своей технологии дизельных силовых агрегатов, что представляет риск для бренда в случае популизации в мире дизельных моторов).

Но многие автопроизводители на протяжение многих лет стараются продвигать в массы дизельные моторы. Так, к примеру, компания Ауди подталкивает своих покупателей делать выбор в сторону дизельных моделей. И надо признать, что за последние годы наблюдается рост популярности дизельных моделей Ауди среди покупателей этих автомобилей.

По некоторым данным в настоящий момент около 10 процентов продаж автомобилей Ауди во всем мире приходится на дизельные модели. Даже в США, где традиционно считалось, что на машине должен стоять только бензиновый двигатель, продажи дизельных автомашин выросли до 5 процентов от общего количества проданных новых автомобилей.

Для того, чтобы закрепить успех Ауди по увеличению продаж дизельных автомашин на всех ведущих мировых рынках, компания предполагает оснастить весь свой модельный ряд дизельными версиями.

На, что смотрят покупатели, выбирая дизельные автомобили? Конечно, в первую очередь, делая выбор в пользу дизельной машины, клиент смотрит на экономичность двигателя и на максимальный крутящий момент. Как правило, многие дизельные двигатели намного экономичнее своих бензиновых аналогов и имеют гораздо больше крутящий момент. Так что же такое дизельный двигатель? И в чем же секрет экономичности дизельных моторов?

Преимущество дизельного двигателя

Преимущество дизельного двигателя начинается с самого топлива. К примеру, благодаря плотности, дизельное топливо дает на 15 процентов больше энергии, чем бензин. На молекулярном уровне разница заключается в более длинной цепочке углеродов. Другими словами при сжигании 1 литра «солярки» получается на 15 процентов больше энергии, чем при сгорании 1 литра бензина АИ-92.

В дополнение дизельные двигатели имеют гораздо большую степень сжатия по сравнению с бензиновыми моторами. Традиционно степень сжатия многих бензиновых двигателей составляет от 8,0 до 12,0. В некоторых дизельных моторах степень сжатия может составлять от 12,0 до 16,0 и даже более.

Конечно, высокая степень сжатия необходима для воспламенения топлива в дизельном агрегате. Ведь топливо в нем воспламеняется за счет сжатия. Так воздух под большим давлением подается в камеру сгорания вместе с дизельным топливом. За счет сжатия кислород нагревается до большой температуры, в результате чего топливо самовоспламеняется. Именно поэтому эти двигатели могут работать без свечей зажигания.

Одно из преимуществ высокой степени сжатия дизельных моторов это экономия топлива, которая достигается за счет электроники и технологий, используемых в силовых агрегатах.

Еще одной технической новинкой в производстве дизельных двигателей является система впрыска топлива Common-Rail. Система основана на пьезоэлектрической технологии и дозированной подачи топлива под очень высоким давлением в 2000 бар. К примеру, данная технология применяется на дизельных моторах Ауди, которая позволяет не только экономить расход топлива, но и значительно уменьшить уровень вредных веществ в выхлопных газах автомобиля.

Кроме того стоит отметить, что в дизельных двигателях отсутствуют дроссельные заслонки, которые применяются в бензиновых силовых агрегатах. Так эти воздушные компоненты бензиновых двигателей вызывают лишний расход топлива, поскольку требуют лишней энергии для их функционирования. К примеру, при частично закрытой дроссельной заслонке системе подачи воздуха требуется больше сил для того, пропускать воздух. Дизельные моторы не имеют подобной системы. Но это еще не все.

В большинстве дизельных моторах в настоящий момент применяется турбина, что позволяет увеличить доставку максимального крутящего момента на привод колес. Причем турбокомпрессор позволяет обеспечивать предельный крутящий момент, как на низких оборотах двигателя, так и на больших. С учетом того, что у дизельных двигателей крутящий момент гораздо выше бензиновых применение турбины позволяет сделать дизельный мотор не досягаемым для бензиновых конкурентов.

Благодаря современным технологиям сегодня нет недостатка в дизельных двигателях по сравнению с бензиновыми. К примеру, компания Ауди на протяжении долгих лет вела работу над созданием идеального дизельного мотора, что позволило автомобилю Ауди недавно выиграть круглосуточные автогонки ЛеМан-24.

Звук дизельного двигателя

Чтобы обеспечить рост популярности дизельных моторов многие автопроизводители долгие годы вели разработку, чтобы сделать звук работы двигателя более гладкой. Ведь не секрет, что большому количеству автолюбителей не нравилось, как работали дизельные силовые агрегаты в прошлые годы. Но благодаря развитию современных технологий многие современные дизели имею приятный мягкий звук.

Один успех гоночной Ауди, которая выиграла 24-часовую гонку говорит о многом. Скорее всего, в ближайшие годы популярность этого вида моторов будет только расти и во многом благодаря тому, что автокомпании смогли изменить звук работы дизельных моторов.

Еще один фактор, который влияет на рост популярности дизелей это улучшение качества дизельного топлива. Так современная «солярка» имеет на 52 процентов меньше серы, чем 5-10 лет назад, что не только улучшает работу двигателя, но и делает его ресурс долговечным.

Миф о грязном выхлопе

Исторически сложилось так, что дизельные двигатели не были по выхлопу экологически чистыми. Особенно во времена, когда выхлоп дизельных моторов представлял собой черный клубок дыма. К счастью современные дизельные моторы не имеют подобного черного и грязного выхлопа. Это стало возможным благодаря применению расширенных систем очистки выхлопа. К примеру, многие современные дизельные модели имеют уровень загрязняющих веществ точно такой же, как и бензиновые силовые агрегаты. Так во многих дизельных машинах используется технология расщепления на химическом уровне газа оксида азота. Благодаря катализатору, где и происходит химическое преобразование, оксид азота расщепляется на азот и кислород.

К сожалению несмотря на кристально чистый выхлоп всех современных дизелей, пока эти силовые агрегаты не получили должного внимания публики и авто экспертов. Нынче в моде совершенно другие автомобили с инновационными технологиями, даже несмотря на свою дороговизну и отсутствие экономической выгоды в их приобретении. Речь идет об электрических и гибридных автомобилях.

В наши дни о них говорят все и по всему миру. Но мы считаем, что рано или поздно рынок осознает, неоспоримое преимущество дизельных моторов. Особенно если учесть, что электрические технологии находятся в настоящий момент только на самом начальном этапе своего развития. Конечно, в далеком будущем электрические машины смогут, скорее всего, составить конкуренцию другим автомобилям, но в ближайшей перспективе есть вероятность того, что дизельные автомобили станут популярным во всем мире, а спрос на гибридные транспортные средства пойдет на спад.

Правда стоит отметить, что, несмотря на многие преимущества дизельных моторов, дизельные версии стоят гораздо больше. Но в отличие от гибридных автомашин все-таки дизельные автомобили намного быстрее окупаются.

Дизельный двигатель сохраняет запасы топлива в мире

В случае массовой популярности дизельных двигателей наш мир может снизить потребление топлива в мировом масштабе. Благодаря своей экономичности, многие автовладельцы могут хотя бы ненадолго забыть об экономии топлива. Не секрет, что многие собственники транспортных средств уже забыли, что значит давить педаль газа в пол, опасаясь перерасхода топлива. Конечно машина это средство передвижения, но ведь иногда любому водителю необходимы ощущения драйва и мощности.

Читать еще:  Чери тигго т11 троит двигатель

Такие достижения как пьезоэлектрический впрыск топлива, с изменяемой геометрией турбонадува, современная система отработки выхлопа и многие другие технологии, применяемые в современных дизельных двигателях, дали шанс на рост популярности дизельных машин в современном мире.

В чем заключается экономичность двигателя

    Главная
  • Список секций
  • Физика
  • ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

ЭКОНОМИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ СОВРЕМЕННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

  • Авторы
  • Руководители
  • Файлы работы
  • Наградные документы

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

В последние десятилетия остро встала проблема защиты окружающей среды. Известно, что основным источником загрязнения воздуха является автотранспорт, выхлопные газы которого, попадая в атмосферу, делают её небезопасной для живых существ. С каждым годом количество автомобилей только растет, поэтому актуальность данной проблемы остаётся высокой, несмотря на то, что производители автомобилей делают всё возможное для того, чтобы их машины были максимально безопасными для окружающей среды.

В данной исследовательской работе я преследую следующие цели:

изучить от чего же зависит экологичность двигателей внутреннего сгорания (ДВС);

узнать современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов;

рассмотреть альтернативные пути решения проблемы;

попытаться предложить собственные идеи для снижения вредности автомобилей;

сделать выводы о том, что же нужно делать, чтобы обезопасить себя окружающую среду от вредных выбросов.

Более подробно изучив зависимость расхода топлива от стиля вождения, можно получить наиболее полную информацию о том, что же представляет собой эта проблема, и исходя из результатов исследований подвести итоги работы.

2. Экономичность и экологичность современных автомобилей

2.1 Виды двигателей

При полном сгорании углеводородов конечными продуктами являются углекислый газ и вода. Но в поршневых ДВС полное сгорание не происходит из-за конструктивных особенностей, и через выхлопную трубу в атмосферу выбрасывается более 200 различных химических веществ. Среди них:

-соединения неорганических веществ, которые входят в состав топлива

-продукты термических реакций азота с кислородом — оксиды азота

-продукты неполного сгорания в виде оксида углерода, альдегидов, кетонов, углеводородов, сажи и т.д

В данной работе мы рассмотрим три самых распространённых вида двигателей для автомобильного транспорта и выясним, какой же из них наиболее вреден для природы. Очевидно, что главным фактором экологичности двигателя является его расход топлива, ведь чем меньше сжигается топлива, тем меньше вредных веществ выбрасывается в атмосферу. В настоящий момент на автомобилях наиболее распространены три вида двигателей:

3)гибридные двигатели (электрическая тяга +ДВС)

Каждый из этих силовых установок имеет свои эксплуатационные характеристики, в которые, конечно же, входит и расход топлива. Если сравнивать бензиновый и дизельный ДВС, то наиболее экономичным по отношению к горючему окажется дизельный. Так, например, дизельный двигатель такого же объёма, как и бензиновый, потребляет примерно в 1,5 раза меньше топлива, чем двигатель, работающий на бензине. Однако ,это вовсе не означает, что дизельный двигатель менее вреден для человека. Для наглядности обратим внимание на таблицу:

Исходя из этой информации, видим, что содержание сажи в выхлопных газах дизельного ДВС намного выше, бензинового. Получается, что нельзя делать выводы о вреде двигателя только по его расходу топлива. Есть еще множество факторов влияющих на содержание вредных веществ в отработавших газах. К ним вернемся чуть позже, а теперь более детально рассмотрим, что же представляют собой гибридные автомобили.

2.2 Гибридные двигатели, их преимущества и недостатки

Гибридные автомобили — транспортные средства, использующие для движения более одного двигателя. Современные производители автомобилей часто прибегают к совместному использованию двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Основной причиной для начала производства таких автомобилей стало увеличение цен на нефть и ужесточение экологических норм. Гибриды в несколько раз меньше сжигают топливо и меньше выделяют вредных веществ при эксплуатации. Объясняется это тем, что ДВС в гибридном автомобиле, в общей сложности, работает меньшее количество времени и нагрузка на него меньше, чем в обычном автомобиле и вследствие этого меньше выхлопных газов. Так же некоторые гибриды в городских условиях могут двигаться исключительно на электротяге, что способствует уменьшению загазованности в мегаполисах во время дорожных пробок.

Несмотря на все преимущества гибридных автомобилей, их количество на дорогах невелико. Это говорит о том, что они имеют ряд недостатков и автолюбители еще не готовы приобрести экологичные автомобили. Так какие же недостатки существуют у гибридных автомобилей?

Во-первых, гибриды имеют больший вес, относительно обычных автомобилей, что сказывается на маневренности и управляемости транспортного средства.

Во-вторых, гибридная установка является сложной конструкцией, и из-за этого увеличивается стоимость её ремонта и обслуживания.

В-третьих, если встает вопрос об утилизации аккумуляторов, то все экологические преимущества перечёркиваются, ведь в батареях для питания электродвигателя содержатся опасные химические вещества.

Ко всему этому добавляется ещё и более высокая рыночная стоимость гибридных автомобилей. Именно по этим причинам доля таких машин на дорогах мала.

2.3 Зависимость экологичности автомобилей от системы зажигания

Вернёмся к бензиновым и дизельным двигателям. Было сказано, что кроме топливной экономичности существуют множество факторов, влияющих на природу. Среди них первое место занимает приготовление качественной горючей смеси. Поясню, что это значит. Для того чтобы полностью сгорел 1 кг бензина, нужно 14,7 кг атмосферного воздуха. Это и называется нормальным качеством смеси. Если количество воздуха для 1 кг бензина будет больше 14,7 ,то смесь называется бедной. Если же воздуха будет меньше 14,7 кг, то смесь будет богатой. Для регулировки качества смеси на двигателях могут устанавливаться две различные системы питания: карбюраторная и инжекторная. Подробнее рассмотрим каждую из них и узнаем, какая из них более экономичная.

Карбюраторная система является более простой по конструкции и менее эффективной в отношении рационального использования топлива. Она состоит из топливного бака, фильтров, самого карбюратора, топливного насоса, топливных проводов. Качество смеси, приготовляемое карбюратором, регулируется один раз, и не может меняться без участия человека в зависимости от режимов работы двигателя. И зачастую происходит так, что двигатель расходует больше топлива, чем хотелось бы. Именно это является главным недостатком этой системы.

Почти все современные автомобили оборудованы инжекторной системой подачи топлива. Преимущества её в том, что на любых режимах работы двигателя она обеспечивает качественное смесеобразование. Происходит это за счёт более точной дозировки топлива, в зависимости от температуры окружающей среды, температуры двигателя и режима его работы, а также других факторов, которые влияют на процессы, происходящие в ДВС. Контролирует все это электронный блок управления (ЭБУ), который считывает и обрабатывает информацию с датчиков и корректирует качество смеси. В совокупности, инжекторная система делает двигатель экономичнее, мощнее, экологичнее карбюраторного. Благодаря всем этим преимуществам двигатели, оборудованные электронными системами, почти полностью вытеснили карбюраторные версии.

2.4 Современные методы борьбы с токсичностью выхлопных газов и альтернативные пути решения проблемы

С каждым годом конструкция современных двигателей все усложняется новыми системами ,которые снижают уровень выделяемых вредных веществ. Вот уже несколько лет существуют эффективные методы снижения токсичности выхлопа автомобилей, которые хорошо зарекомендовали себя на практике:

Каталитический нейтрализатор. Он состоит из носителя, заключенного в корпус. Носитель представляет собой керамический материал (сотовой конструкции или в виде шариков), покрытый тонким слоем катализатора из благородных металлов, например, платины, палладия, родия. При температуре поверхности катализатора свыше 250-300°С содержащиеся в отработавших газах окислы углерода СО эффективно окисляются, а их концентрация в выхлопных газах снижается во много раз. Окисление углеводородов СН происходит при более высокой температуре (400°C). Окисление СО и СН происходит в присутствии свободного кислорода воздуха, небольшое количество которого образуется в результате сгорания.

Рециркуляция отработавших газов. Эта система направляет небольшую часть выхлопных газов обратно в двигатель. Повторное сжигание снижает количество оксидов азота в выхлопе.

Система старт-стоп. Эта функция автоматический выключает двигатель во время остановки на светофорах, пробках и включает его перед началом движения.

Читать еще:  Датчик температуры двигателя гранта 16 клапанов

Так же улучшается качество топлива в заправочных станциях, что тоже помогает развитию экологичности двигателей.

Существуют и альтернативные способы уменьшения вреда двигателей. Например, использование в качестве топлива водорода. Известно, что водород можно получить путём пропускания электрического тока через воду. По этому принципу построены автомобили ,оборудованные водородными генераторами. Но высокая взрывоопасность таких конструкций пока ещё не позволяет получить широкое распространение данной идеи.

Нельзя не упомянуть двигатели, работающие на метане. Относительно невысокая стоимость и экологичность данного вида топлива создают потенциал для развития данной отрасли.

2.5 Исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения

В этой работе было проведено исследование зависимости расхода топлива от стиля вождения.

Испытания проводились следующим образом: на одном и том же автомобиле замерялся расход топлива при различных условиях движения. Результаты снимались со штатного бортового компьютера автомобиля.

Опыт 1.Движение в городских условиях с интенсивными ускорениями и торможениями. Бортовой компьютер показал значение расхода топлива: 12,5 литра на 100 километров пути.

Опыт 2. Движение в городских условиях с плавным ускорением и торможением. Показания бортового компьютера: 11,2 литра на 100 километров пути.

Опыт 3.Движение по загородной трассе со скоростью 80 км/ч. Расход топлива составил: 10,2 литра на 100 километров пути.

Опыт 4.Движение по загородной трассе со скоростью 100 км/ч. Расход топлива равнялся: 10,5 литров на 100 километров пути.

3.Заключение, выводы

Таким образом, проделанная работа позволяет сделать выводы о том, что проблема загрязнения окружающей среды автомобильным транспортом может решаться силами не только учёных и инженеров, но и силами обычных водителей. Проведенные опыты показали, что даже манерой своего вождения можно снизить расход топлива, тем самым сэкономить деньги и уберечь природу от вредных веществ.

4.Использованная литература

В чем заключается экономичность двигателя

Одним из наиболее современных отечественных двигателей является двигатели ВАЗ. Эти в целом не плохие двигатели по удельной мощности уступают зарубежным конкурентам. При одинаковой мощности они имеют увеличенный рабочий объем и, следовательно, ухудшенную топливную экономичность и повышенные выбросы СО2.

В качестве возможного направления решения данной проблемы может быть рассмотрено форсирование двигателя с помощью наддува при сокращении числа работающих цилиндров. При этом среднее эффективное давление и, следовательно, механический КПД на характерных режимах эксплуатации автомобиля могут быть существенно повышены с сохранением исходной номинальной мощности двигателя[1].

В выключенных цилиндрах прекращается осуществление традиционного рабочего процесса ДВС, и они переводятся в режим продолженного расширения (эспандерный режим). Дополнительное расширение продуктов сгорания в цилиндрах способствует повышению эффективности утилизации энергии выпускных газов ДВС.

Реализация продолженного расширения

Рассмотрим реализацию рабочего цикла с разделенными тактами и продолженным расширением на примере двигателя ВАЗ 11194, хотя этот цикл может быть применен в любом четырехтактном четырехцилиндровом двигателе с порядком работы 1-3-4-2. При этом поставим задачу свести к минимуму конструктивные изменения деталей и узлов базового двигателя. Два внешних (рабочих) цилиндра четырехцилиндрового двигателя работают по обычному четырехтактному циклу. В двух внутренних (эспандерных) цилиндрах происходит продолженное расширение газов, которое может быть названо пятым тактом. Таким образом, в эспандерных цилиндрах осуществляются толь­ко такты расширения и выпуска отработавших газов.

Рабочий цикл двигателя состоит из четырех фаз (рис.1).

Фаза A. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется впуск свежего заряда, а во втором рабочем цилиндре – сгорание (предварительное расширение). В эспандерных цилиндрах осуществляется выпуск газов.

Фаза B. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется сжатие свежего заряда, а во втором рабочем цилиндре – вытеснение выпускных газов в эспандерные цилиндры. В эспандерных цилиндрах осуществляется процесс продолженного расширения выпускных газов из второго рабочего цилиндра.

Фаза C. Поршни в рабочих цилиндрах движутся от ВМТ к НМТ. Поршни в эспандерных цилиндрах движутся от НМТ к ВМТ. В первом рабочем цилиндре осуществляется сгорание (предварительное расширение), а во втором рабочем цилиндре – впуск свежего заряда. В эспандерных цилиндрах осуществляется выпуск газов.

Фаза D аналогична Фазе В, в которой первый и второй цилиндры ВД меняются местами.

Таким образом, рабочий цикл двигателя с продолженным расширением осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из двух групп процессов. Первая группа включает процессы впуска и предварительного расширения в первом или втором рабочих цилиндрах и выпуск газов из эспандерных цилиндров. Вторая группа включает процессы сжатия и вытеснения выпускных газов в первом или втором рабочих цилиндрах и дополнительное расширение выпускных газов в эспандерных цилиндрах.

Расчетные исследования

Для оценки влияния на топливную экономичность уменьшения рабочего объема двигателя и продолженного расширения были проведены расчетные исследования его рабочего процесса. Рассмотрены следующие варианты двигателя:

  • стандартный вариант, при котором 4 цилиндра работают без наддува;
  • одна пара цилиндров работает с наддувом, а в другой паре цилиндров удаляются клапаны с целью ликвидации насосных потерь;
  • двигатель-эспандер (ДЭ), в котором одна пара цилиндров является рабочей, а в другой паре цилиндров – эспандерной- осуществляется продолженное расширение.

Во всех вариантах обеспечивается приблизительно одинаковая мощность двигателя. В качестве ограничивающих факторов при форсировании 2 цилиндров с помощью наддува были приняты: отсутствие детонации, максимальное давление сгорания не выше 5,5 МПа и максимальная температура газов на входе в турбину турбокомпрессора 1050 °С. Работоспособность двигателя ВАЗ 11194 с таким уровнем параметров была подтверждена в цикле испытаний в ГНЦ «НАМИ» [2]. В двух работающих цилиндрах, использующих наддув, степень сжатия стандартного двигателя 10,8 была уменьшена до 9,0. При этом был сохранен приемлемый уровень нагрузок на детали двигателя [3].

На рисунке 2 даны нагрузочные характеристики вариантов двигателя ВАЗ при частоте вращения коленчатого вала n=4000 мин-1.

Из сравнения вариантов на графике ge=f(pe) следует, что при одинаковой величине среднего эффективного давления стандартный вариант имеет меньший уровень удельного эффективного расхода топлива по сравнению с другими вариантами. Указанное объясняется пониженной степенью сжатия двигателя в вариантах с двумя рабочими цилиндрами, что вызывает уменьшение индикаторного КПД, а также увеличенными механическими потерями за счет двух выключенных цилиндров.

Картина меняется при сравнении вариантов на графике ge=f(Ne) при одинаковой мощности. Варианты с двумя рабочими цилиндрами по величине удельного эффективного расхода топлива выигрывают у стандартного варианта 4-цилиндрового двигателя без наддува, причем этот выигрыш существенно увеличивается при снижении мощности. На характерном режиме городского движения автомобиля Лада Калина (Ne=15 кВт; n=4000мин-1) вариант ДЭ с продолженным расширением по топливной экономичности более чем на 20% превосходит стандартный вариант двигателя.

Схема воздействия различных факторов на повышение топливной экономичности варианта «двигатель-эспандер» иллюстрируется рисунком 3.

Форсирование двух рабочих цилиндров с помощью наддува позволяет обеспечить необходимую мощность двигателя на режимах частичных нагрузок при более высоком уровне среднего эффективного давления по сравнению со стандартным вариантом 4-цилиндрового двигателя без наддува. При этом ощутимо увеличивается механический КПД. Необходимость снижения степени сжатия для предотвращения детонации и уменьшения нагрузок на детали двигателя приводит к некоторому снижению индикаторного КПД, которое компенсируется за счет продолженного расширения газов в эспандерных цилиндрах.

Параметры вариантов двигателя ВАЗ 11194 даны в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры вариантов двигателя ВАЗ 11194

Устройство автомобиля –
«Разговор о дизеле»

Почему дизельные двигатели экономичны? За счет чего у них такой большой крутящий момент и низкие максимальные обороты? Попробуем разобраться

История моторов с воспламенением от сжатия началась в конце XIX века. Именно тогда Рудольф Дизель загорелся идеей создания эффективного двигателя, коэффициент полезного действия которого смог бы превысить 10–12%, то есть показатель паровых машин. С конструкцией и принципом работы будущего мотора Дизель определился достаточно быстро – это двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива от высокой температуры сжимаемого газа. Однако в процессе создания рабочего экземпляра возникли трудности: высокое давление и температура в камере сгорания мотора приводили к прогоранию поршней, поломкам газораспределительного механизма, а иногда и к взрывам. В итоге на доработку и придание агрегату достаточной надежности ушло несколько лет. Но в 1897 году цель наконец была достигнута, огромный 5-тонный двигатель развивал 20 л.с. при 173об/мин и обладал КПД в 26%. Даже перспективный двигатель Отто с принудительным зажиганием обеспечивал всего 20%!

Читать еще:  Чем грозит гидроудар для двигателя

Больше – меньше

Итак, отчего же дизельные моторы получились настолько экономичнее? Тому есть две фундаментальные причины.

Первая заключается в более высокой степени сжатия дизелей – от 13 до 25 против 12 у лучших бензиновых представителей. Эти цифры не стоит недооценивать, ведь от них зависит КПД мотора: чем они выше, тем в большей степени расширяются раскаленные отработавшие газы и, соответственно, тем полнее их тепловая энергия преобразуется в механическую. Если сравнить современные дизельные и бензиновые моторы, то первые способны усвоить 38–50% процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, а вторые – лишь 25–38%.

Возникает вопрос: что мешает поднять степень сжатия бензиновых агрегатов? Мешает детонация, то есть самопроизвольное воспламенение топливно-воздушной смеси от сильного нагрева при излишне большом сжатии. При этом мало того что сгорание происходит не в тот момент, когда нужно, так оно еще и сопровождается чрезвычайно резким нарастанием давления в цилиндре, что приводит к стукам, перегреву и высокой токсичности выхлопа.

В дизеле же поднятие степени сжатия лишь увеличивает надежность воспламенения впрыскиваемого топлива: чем горячее будет воздух в цилиндре, тем быстрее оно испарится и начнется процесс сгорания. Но кроме степени сжатия есть и второе, не менее важное обстоятельство – низкое сопротивление впускной системы дизеля. Ведь в отличие от бензинового мотора ему не требуется «перекрывать кислород» дроссельной заслонкой, управление мощностью осуществляется простым дозированием впрыскиваемого горючего: нужна большая отдача – подаем больше топлива. А уж насколько избыточно количество воздуха в цилиндре, дело десятое, главное, чтобы его хватало для окисления.

С бензиновым мотором такой трюк не пройдет. Если воздуха окажется слишком много (то есть концентрация паров бензина в нем будет очень низкой), то от искры смесь просто не вспыхнет. Вот и приходится ставить на впуске заслонку, регулирующую расход воздуха и, опосредованно, количество подаваемого топлива. Поэтому при небольших нагрузках (например, в пробках), бензиновые автомобили тратят силы на всасывание воздуха сквозь чуть приоткрытую дроссельную заслонку, создавая огромное разряжение во впускном коллекторе. «Дыхание» же дизеля всегда свободно!

Мощность? Момент!

Часто можно слышать, как в оправдание небольшой мощности дизеля приводят впечатляющие цифры его крутящего момента. Цифры эти, конечно, свидетельствуют о совершенстве мотора, но отнюдь не означают, что крутящий момент на колесах бензинового автомобиля окажется меньше! Ведь дизельные двигатели низкооборотные, из-за чего приходится применять более растянутые передаточные отношения в узлах трансмиссии, что и ведет к снижению конечного крутящего момента. Сравним, например, Mercedes E280 и E280CDI. Мотор первого выдает 300Нм, второго – 440Нм, при этом автоматические коробки у них одинаковые, а редукторы разные, с передаточными отношениями 3,27 и 2,47 соответственно. В итоге на первой передаче на колеса бензиновой модели передается 4300 Нм, а дизельной – 4760. То есть вместо изначальной разницы в 1,5 раза остается превосходство всего в 1,1 раза.

Влияние этого фактора на общую экономичность оценить легко, достаточно сравнить расход бензиновых и дизельных моторов в различных режимах движения. Окажется, что наибольшее превосходство дизеля (почти двукратное) проявляется в городском цикле, когда на его стороне и высокая степень сжатия, и низкие потери во впускной системе. В загородном же режиме, на скорости, когда нагрузка на мотор больше, дроссельная заслонка открыта сильнее и бензиновому двигателю становится легче «дышать», у дизеля остается только один козырь – степень сжатия. В результате тает и его преимущество в расходе топлива.

Впрочем, в начале XX века все эти тонкости не особо волновали автопроизводителей. Нефть стоила дешево, и от двигателя требовалась простота конструкции и изготовления, а не экономичность. И дизели с их сложными механизмами подачи топлива пришлись не ко двору. Правда, благодаря большому ресурсу и неприхотливости к качеству горючего эти моторы все же нашли применение в сельской технике и грузовом транспорте. Пригодились они и военным – баки с соляркой не так пожароопасны, как плещущийся за спиной бензин. Первый же легковой автомобиль на тяжелом топливе – Mercedes-Benz 260D – появился лишь в 1936 году, а к 1970-му общее число выпущенных дизельных легковушек едва превысило 100 тыс.

В поисках выхода

Так бы и пылился дизель на задворках отрасли, если бы не подскочившие в 70-х годах цены на нефть. И тогда на пути массовой дизелизации осталась только одна преграда – низкая мощность таких моторов. А от этого, как известно, существуют два средства: расширение диапазона допустимых оборотов коленвала и увеличение крутящего момента.

Но первый вариант оказывается неэффективным, высокие обороты лишь углубляют и без того насущную для дизеля проблему нехватки времени на смесеобразование. Ведь чтобы топливо активно испарялось, оно должно впрыскиваться при температуре воздуха в цилиндре не менее 500 °C, то есть почти в конце такта сжатия. При 5000 об/мин это означает, что на испарение распыленных частиц топлива и дальнейшую химическую подготовку к воспламенению отводится не более одной тысячной секунды!

Не терпит суеты и процесс сгорания. За резким первоначальным всплеском следует растянутый период догорания, продолжающийся уже на такте расширения. А торопить мотор в таких условиях – это в буквальном смысле слова выбрасывать горючее в трубу.

Поэтому сделать дизель мощнее можно лишь за счет увеличения крутящего момента. А для этого нужно развить как можно большее давление в цилиндрах, то есть сжечь больше топлива. Но опять незадача, приготовленная наспех горючая смесь дизеля отличается значительной неравномерностью распределения топлива по объему. Поэтому во время сгорания в смеси может возникать локальная нехватка воздуха, из-за чего часть топлива не сгорает, а разлагается под воздействием высокой температуры.

Вам приходилось видеть, как дизельные автомобили дымят под нагрузкой? Та сажа, что они выбрасывают, и есть продукт крекинга, то есть разложения несгоревшего топлива. Но это лишь визуальный эффект, а есть еще и сугубо практический в виде снижения мощности, увеличения расхода топлива и вредных выбросов.

Как с этим бороться? Можно так плотно заполнять цилиндры воздухом, чтобы его гарантированно хватало для сгорания даже в зонах максимальной концентрации топлива. Однако процесс распыления горючего оказался столь несовершенен, что возросшие требования к объему воздуха не смог удовлетворить и наддув с интеркулером, в результате чего турбодизели проигрывали в крутящем моменте даже атмосферным бензиновым моторам!

Так что задача увеличения мощности дизеля естественно свелась к процессу оптимизации смесеобразования, в котором решающее значение имеет давление впрыска. Разумеется, поначалу топливные насосы не могли им похвастать, приходилось прибегать к различным ухищрениям, улучшающим распыление горючего. Например, воспользоваться завихрением сжимаемого воздуха, как было сделано в вихрекамерных дизелях. Или поделить камеру сгорания на две части и использовать для смесеобразования энергию газа, перетекающего из одной половины камеры в другую вследствие предварительного сгорания части топлива.

Все эти решения позволяли немного снизить требования к давлению впрыска, но отличались увеличенными тепловыми и гидравлическими потерями вследствие сложной и большой поверхности камеры сгорания. Это, конечно, вело и к ухудшению топливной экономичности моторов. И лишь в начале 90-х годов появились системы, позволившие поднять давление до 1500 бар, что положило конец массовому производству вихрекамерных и предкамерных дизелей, заменив их более экономичными моторами с непосредственным впрыском.

С этого момента и началась увлекательная погоня дизеля за бензиновым конкурентом. Системы питания Сommon Rail, рекордно высокие давления впрыска, сверхбыстрые пьезоэлектрические форсунки, распыляющие топливо до пяти раз за такт. Благодаря всем этим изобретениям ныне дизельные двигатели уже конкурируют с турбированными бензиновыми моторами. Впечатляющий прогресс!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector