Почему в бензиновом двигателе нужно поддерживать соотношение воздуха и топлива, а в дизельном — нет?

Нет, дизельный двигатель регулируется иначе, но не без учёта пропорций. Современные автомобили работают по тому же принципу: соотношение воздуха и топлива рассчитывается исходя из потребностей цилиндра в сгорании. Из-за более высокой температуры и горючести бензина для смешивания с воздухом требуется меньше топлива, чтобы добиться почти идеального сгорания и эффективности. Однако в дизельных двигателях для воспламенения цилиндра требуется только более высокая степень сжатия, так как в них нет свечей зажигания. Тем не менее в дизельном двигателе используется та же базовая концепция, что и в бензиновом: впуск, сжатие, мощность и выхлоп! Поршни поднимаются выше в цилиндре и сильнее сжимают воздух и топливо, что приводит к взрыву, известному как сгорание. Количество поступающего топлива дозируется с помощью форсунок. Они дозируют определённое количество топлива при каждом впрыске, подобно тому, как водяной пистолет может выстрелить только тем количеством воды, которое находится в барабане, и человек, стреляющий из водяного пистолета, фактически действует как форсунка. Дизельный двигатель не может принять в цилиндр больше топлива, чем предусмотрено соотношением, так как это может привести к затоплению и серьёзным повреждениям.

Воздух

В дизельном двигателе для управления подачей воздуха не используется дроссельная заслонка, она всегда открыта.

Это означает, что дизельный двигатель всегда всасывает максимальное количество воздуха, а мощность регулируется количеством подаваемого топлива. В бензиновом двигателе дроссельная заслонка регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель. Это количество меняется в зависимости от нагрузки и, следовательно, от необходимости регулировать соотношение воздух-топливо.

Надеюсь, это поможет.

В других ответах не было указано, что соотношение воздуха и топлива зависит от того, в каком месте вы его измеряете. Таким образом, несмотря на то, что соотношение воздуха и топлива, усреднённое по всему цилиндру, является бедным (настолько бедным, что сгорание было бы невозможно, если бы смесь была однородной), очень близко к точке впрыска оно является чрезвычайно богатым (настолько богатым, что сгорание невозможно), а немного дальше от точки впрыска оно является стехиометрическим, и поэтому топливо сгорает.

На самом деле бензиновому двигателю не нужно поддерживать стехиометрическое соотношение воздуха и топлива. Существуют бензиновые двигатели с непосредственным впрыском, как и дизельные. В бензиновом двигателе с непосредственным впрыском соотношение воздуха и топлива очень близко к точке впрыска, но чуть дальше оно становится стехиометрическим, и топливо сгорает, хотя в целом соотношение воздуха и топлива может быть бедным.

Однако проблема обедненного соотношения воздуха и топлива заключается в том, что в воздухе содержится слишком много кислорода, из-за чего азот в воздухе может сгорать до различных оксидов азота. Образующийся NOx является загрязняющим веществом, и в будущем все двигатели, использующие низкое соотношение воздуха и топлива, не будут соответствовать нормативам, если только не будет использоваться какая-либо система SCR. Таким образом, если вам не нравится добавлять жидкость SCR вручную, единственным вариантом в будущем будет стехиометрический двигатель.

Бензиновые двигатели работают максимально близко к стехиометрическому соотношению, потому что в этом диапазоне катализатор наиболее эффективен.

Следует избегать обогащения топливной смеси, так как это может привести к повреждению нейтрализатора.

Потому что в двигателе с искровым зажиганием ограничение потока воздуха — единственный способ контролировать обороты двигателя. Было бы сложно контролировать обороты двигателя, регулируя только подачу топлива, без ограничения потока воздуха. Это связано с тем, что в двигателях с искровым зажиганием воспламенение начинается в месте расположения свечи зажигания и распространяется от этой точки. В двигателях с воспламенением от сжатия воспламенение начинается в том месте, куда было впрыснуто топливо. Кроме того, в двигателях с воспламенением от сжатия с непосредственным впрыском топлива смесь не является однородной, поскольку топливо не успевает перемешаться в камере сгорания до воспламенения. Вы можете увидеть это на видео с камеры, установленной внутри дизельного двигателя, на YouTube. На видео буквально видны следы воспламенения топлива, вылетающего из форсунки. Кроме того, когда я был ребёнком, у меня была старая газонокосилка, и я любил экспериментировать с винтом регулировки смеси. Увеличивая подачу воздуха в двигатель, я мог добиться более высоких оборотов без фактического перемещения дроссельной заслонки. Я не совсем понимаю, почему обедненная топливная смесь дает более высокую температуру, но, возможно, это связано с тем, что из-за большего расстояния между каплями топлива, которых становится меньше, у каждой капли больше времени на сгорание, а значит, выделяется больше тепла. Но я не уверен, что это не просто теория.

Если бы вы смешали дизельное топливо с воздухом перед его подачей в цилиндр, а затем сжали его в ходе обычного такта сжатия (в дизельном двигателе), оно наверняка сдетонировало бы до того, как вы достигли бы верхней мёртвой точки. Однако при нормальной работе дизельное топливо впрыскивается в цилиндр и сгорает, выходя из форсунки и вступая в контакт с нагретым воздухом. Воспламеняется только дизельное топливо, поступающее в камеру сгорания. Поскольку другого топлива нет, детонировать нечему. В двигателях с искровым зажиганием вся топливно-воздушная смесь в камере сгорания готова к воспламенению и ждёт искры. Затем фронт пламени распространяется от свечи зажигания. Если давление слишком высокое, температура слишком высокая или в цилиндре есть горячая точка, вся топливно-воздушная смесь может детонировать сразу.
Примечание: на самом деле дизельное топливо можно использовать в двигателях с искровым зажиганием. Когда-то у нас был трактор с маленьким баком для бензина и большим баком для дизельного топлива или керосина. Вы заводили трактор на бензине, переключались на дизельное топливо, когда двигатель прогревался, и снова переключались на бензин перед выключением, чтобы в карбюраторе был бензин для следующего запуска. На холодном дизеле трактор не заводился, а на горячем плохо работал на бензине. Я полагаю, что степень сжатия была выше, чем у обычного бензина, но ниже, чем у обычного дизельного топлива, и бензин вызывал детонацию при высоких температурах до того, как вы переключались на дизельное топливо.

Я крайне удивлён, что никто не упомянул об этом конкретно, но ответ — детонация. Пуассон Фиш был близок к истине, но основной проблемой является не дополнительный износ из-за повышенной температуры в цилиндре. Основная проблема заключается в том, что из-за дополнительного нагрева бензин самовоспламеняется до появления искры и разрушает двигатель.

Дизельный двигатель не страдает от этой проблемы, поскольку работает по другому принципу: дизельное топливо воспламеняется, как только попадает в цилиндр.

Я предполагаю, что если бы у бензина был гораздо более высокий октановый число, то технически мы могли бы использовать его как дизельное топливо.

Похоже, вы уже знаете, почему в бензиновом двигателе соотношение топлива и воздуха максимально приближено к стехиометрическому, но на всякий случай сообщаем:
Стехиометрическое соотношение топлива и воздуха — это количество кислорода, необходимое для полного сгорания бензина. При «бедном» сгорании остаётся некоторое количество кислорода, а при «богатом» сгорании бензин сгорает не полностью.

Дизельные двигатели работают на обедненной смеси, потому что, согласно этому сайту:

В дизельном двигателе топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия и воспламеняется самопроизвольно. Именно поэтому дизельный двигатель издает звук, который ласкает слух каждого, кто читает этот журнал. По мере смешивания топлива с воздухом горение продолжается. Этот процесс очень неоднороден (поскольку топливо и воздух смешиваются в камере сгорания, смесь получается не такой однородной, как в газовом двигателе, где смесь создается до попадания в головку блока цилиндров). Сажа образуется при сгорании топлива, так как часть топлива сгорает при недостатке кислорода и сгорание топлива не завершается. При впрыске дополнительного топлива образуется всё больше и больше сажи. Поэтому соотношение воздуха и топлива в дизельном двигателе всегда должно быть меньше стехиометрического, чтобы предотвратить чрезмерное образование дыма. По этой причине модифицированный высокопроизводительный дизельный двигатель будет выбрасывать чёрный дым, так как он работает только на мощность и не заботится о том, чтобы не образовывалась сажа. В бездымном дизельном топливе в цилиндре содержится меньше топлива, чем в бензиновом двигателе, поэтому мощность дизельного двигателя по сравнению с бензиновым ниже.

Бензин впрыскивается до воспламенения, поэтому у него есть время на более равномерное смешивание. Дизельное топливо впрыскивается ближе к концу такта сжатия, поэтому оно сгорает под давлением почти сразу, не успев распространиться по всему доступному объёму воздуха. Как сказано в приведённой выше цитате, обеднение топливной смеси в дизельном двигателе — это попытка уменьшить количество образующейся сажи, что снижает уровень выбросов.

Редактировать

Отвечаю на ваш вопрос о том, что происходит с бензиновым двигателем при обедненной смеси.

Подача бензина в двигатель оказывает охлаждающее действие. Двигатель, работающий на обедненной смеси, в которой содержится меньше бензина, чем необходимо для достижения стехиометрического соотношения, будет нагреваться сильнее, чем двигатель, работающий на стехиометрической смеси, или двигатель, работающий на обогащенной смеси. Если смесь слишком бедная, вы рискуете перегреться и столкнуться с повышенным износом компонентов двигателя, таких как уплотнения. При более высокой степени сжатия двигатели, работающие на обедненной смеси, могут быть более экономичными и производить меньше выбросов углекислого газа. Недостатком является то, что при этом выделяется больше NOx, что требует установки более сложного каталитического нейтрализатора, чем в большинстве современных автомобилей.

Я также должен прояснить для вас последнее предложение. Ваш акселератор соединён с дроссельной заслонкой (напрямую или с помощью «проволочного привода») и регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель. Он не регулирует напрямую количество впрыскиваемого бензина. Датчик массового расхода воздуха определяет, сколько воздуха поступает в двигатель, передаёт эту информацию в ЭБУ, а ЭБУ регулирует количество впрыскиваемого топлива. Бедная или богатая топливная смесь в вашем автомобиле определяется ЭБУ на основе данных, поступающих от датчика массового расхода воздуха, O2 датчика и/или настроек производителя или пользователя. Во времена карбюраторов было легко настроить двигатель на богатую или бедную топливную смесь, но для регулировки настроек в ЭБУ требуется специальное оборудование.

Кстати, существуют различные причины, по которым производитель или владелец транспортного средства может захотеть обеднить или обогатить топливную смесь в двигателе, что связано с производительностью, охлаждением или экономией топлива.