Почему в большегрузных автомобилях почти всегда используются дизельные двигатели?

Ещё один момент, по крайней мере в Соединённом Королевстве: вы можете купить «красное дизельное топливо» (дизельное топливо, окрашенное в красный цвет) для использования в сельском хозяйстве, стационарных генераторах и т. д. с гораздо меньшим налогом. В настоящее время дизельное топливо здесь стоит около 1,10 фунта стерлингов за литр (в местном гараже, мимо которого я проезжал), тогда как в последний раз, когда я покупал красное дизельное топливо, оно стоило около 0,60 фунта стерлингов за литр.

Я не знаю, происходит ли подобное в других странах, но, учитывая схожесть характеристик дизельного топлива и бензина (газона), такое значительное снижение стоимости топлива означает, что дизельное топливо является предпочтительным для тракторов и сельскохозяйственной техники, а также для любых двигателей, которые не приводят в движение колёса транспортных средств, например холодильных установок, генераторов и т. д. Если нечто подобное происходит и в других странах, то это, несомненно, одна из причин, по которой дизельные двигатели доминируют в этих отраслях. Вы не смогли бы создать бензиновый двигатель, который за весь срок службы потреблял бы настолько меньше топлива, чтобы окупить разницу в стоимости топлива.

Я не знаю, но рискну предположить, что такая ситуация возникла много лет назад, когда бензиновые двигатели просто не могли обеспечить необходимый крутящий момент или надёжность в требуемых условиях, поэтому предпочтение отдавалось дизельным двигателям. Законодательство о налоге на топливо для различных целей не поспевает за современными темпами развития частных компаний.

Конечно, аргумент о красном дизеле не работает в случае с дорожными транспортными средствами, но если учесть, что нагрузка на 40-футовый прицеп сопоставима с нагрузкой на трактор с прицепом в поле, то производителям двигателей проще создать два похожих двигателя, ориентированных на этот рынок. Я не знаю, кому какие производители дизельных двигателей принадлежали в течение последних пятидесяти лет, но это, по крайней мере, даёт повод для сомнений.

Наконец, если бы все ездили на дизельном топливе, полиции пришлось бы проверять каждый автомобиль на наличие красного дизельного топлива в баке, а не тот небольшой процент автомобилей, которые реально могут его использовать. Это стоило бы правительствам и нефтяным компаниям многих миллионов упущенной выгоды, что, конечно, немыслимо.

Здесь есть несколько хороших и почти хороших ответов.

Дизельным (или любым другим поршневым) двигателям, вопреки утверждениям выше, не обязательно иметь большой ход поршня для достижения высокой степени сжатия. Однако у них часто бывают неквадратные диаметры цилиндров и/или ходы поршня, которые не являются короткими (по меркам типичных бензиновых двигателей).

Дизельные двигатели, вопреки утверждениям выше, действительно имеют дроссельные заслонки. Они регулируют поток поступающего воздуха, что, в свою очередь, регулирует крутящий момент, мощность, обороты и т. д.

Высокая степень сжатия может быть достигнута как с изменением хода поршня, так и без него. Этого можно добиться, изменив длину шатуна (это не то же самое, что ход поршня), чтобы поршень располагался выше в блоке цилиндров и, возможно, выступал в камеру сгорания, а также/или изменив геометрию поршня.

Увеличенный ход поршня может привести и часто приводит к увеличению мгновенного и суммарного крутящего момента на коленчатом валу (подумайте о рычаге с большим гаечным ключом; ведь это [плюс большее трение] — именно то, что вы получаете от максимального эффективного давления в цилиндре и/или силы, действующей на поршень, создаваемой каждым продуктом сгорания, когда он соединён с коленчатым валом с помощью длинного хода/«рычага»); но, как уже упоминалось, это также увеличивает трение.

Дизельные двигатели, как правило, могут работать при чрезвычайно высокой степени сжатия (намного выше, чем в обычных бензиновых двигателях) из-за используемого в них топлива, которое, помимо прочего, не воспламеняется от сжатия при степени сжатия, характерной для обычного бензинового двигателя.

Как следует из ответов и комментариев выше, игра называется Torque.

Именно поэтому, а также благодаря способности создавать высокий крутящий момент как с надёжностью, так и (с учётом выполняемой работы) экономично, были созданы дизельные двигатели.

Лошадиная сила (сила, связанная с объектами [грузовиком], которые движутся по прямой линии и/или в линейной плоскости) — это просто произведение крутящего момента (силы, связанной с объектами [коленчатым валом], которые вращаются и/или совершают колебательные движения); величины крутящего момента, создаваемого за определённый промежуток времени и/или за определённое количество оборотов.

Поскольку существует несколько способов, с помощью которых инженер-механик может повысить мощность любого (дизельного/бензинового) поршневого двигателя (помимо увеличения количества сжигаемого топлива и/или рабочего объёма, увеличения статического объёма двигателя, повышения степени сжатия, снижения трения/удельного веса . . и т. д.), обратите внимание, что повышение степени сжатия напрямую связано как с повышением эффективности, так и с увеличением мощности.

В отличие, скажем, от увеличения рабочего объёма двигателя, 454 кубических дюйма (менее 7 литров) не обязательно будут более эффективными, чем, скажем, современный 3-литровый двигатель V6, несмотря на то, что 454-кубовый двигатель, вероятно, будет более мощным, при условии, что 3-литровый двигатель V6 не будет оснащён турбонаддувом.

Даже в этом случае, если вы надстроите 454-кубовый двигатель турбонаддувом, вы получите невероятный крутящий момент и мощность более 1500 л. с., а возможно, и около 2000 л. с., при условии, что все настройки и заправка выполнены правильно.

Таким образом, дизельные двигатели сконструированы таким образом, чтобы создавать значительный крутящий момент за счёт вышеупомянутых конструктивных особенностей и очень высокой степени сжатия/сгорания.

Длина хода поршня в дизельном двигателе в большей степени связана с максимальным крутящим моментом (от продуктов сгорания) и/или конструкцией, чем с чистотой сжатия. Но, как уже говорилось выше, она также может способствовать сжатию.

Процесс сгорания топлива сложен, и именно здесь можно добиться максимальной эффективности, экономичности и крутящего момента/мощности.

Вот почему мы видим, что современные бензиновые автомобили, особенно европейские, оснащаются системой непосредственного впрыска, как и большинство дизельных автомобилей на протяжении многих лет.

Таким образом, процесс сгорания можно лучше контролировать при любых условиях и «режимах» вождения.

Дизельные двигатели, в отличие от большинства типичных бензиновых двигателей, особенно тех, что выпускались десять лет назад, почти всегда обеспечивают воспламенение точно в верхней мёртвой точке (ВМТ) из-за того, что в них используется воспламенение от сжатия.

Многим типичным бензиновым двигателям - некоторые из них даже сегодня - не хватает точности для запуска каждого цикла сгорания прямо при ВМТ из-за сложности двигателя и скорости движения внутренних элементов; и когда этого не происходит, эффективность и крутящий момент вскоре падают.

Чем выше частота вращения двигателя, тем сложнее обеспечить, чтобы каждый цикл сгорания происходил точно в верхней мёртвой точке. Это одна из причин, по которой в современных двигателях, кроме дизельных, используются индивидуальные катушки зажигания (для каждой свечи) и система зажигания с электронным/компьютерным управлением.

Для сравнения: дизельным двигателям вообще не нужны электронные системы зажигания, и у них не такие высокие обороты коленчатого вала (у дизельного двигателя океанского лайнера они редко превышают 250–300 об/мин, если вообще превышают).

Дизельные двигатели также сконструированы таким образом, чтобы создавать значительный крутящий момент при очень низких оборотах автомобиля/двигателя. Кроме того, в них используется топливо, которое было разработано (в те времена, когда единственным доступным бензином был этилированный) для обеспечения очень высокой степени сжатия.

Мнение о том, что дизельные двигатели намного эффективнее обычных современных бензиновых двигателей, ошибочно.

Обычно — лет десять назад или около того — считалось, что дизельный двигатель обеспечивает значительный крутящий момент на низких оборотах автомобиля/двигателя, а также поддерживает высокую степень сжатия. Кроме того, дизельные двигатели оснащались турбонаддувом, что часто обеспечивало им эффективность и другие преимущества по сравнению с обычным бензиновым двигателем.

В наши дни — особенно с появлением неэтилированного бензина, поддерживающего высокую степень сжатия, — типичные бензиновые двигатели не только оснащаются турбонаддувом, непосредственным впрыском и работают с высокой степенью сжатия, но и способны развивать более высокую частоту вращения коленчатого вала, чем дизельные двигатели, а также создавать высокий крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала.

Это бьёт точно в цель, как и некоторые уникальные торговые предложения, которые ранее предлагались для дизельных двигателей.

Тем не менее дизельный двигатель ещё какое-то время будет пользоваться популярностью, поскольку дизельное топливо немного дешевле обычного бензина.

Кроме того, дизельные двигатели: (а) надёжны, (б) относительно просты, (в) обычно работают на низких оборотах [и, следовательно, являются двигателями с высоким крутящим моментом и «достаточно» экономичны/выгодны с точки зрения затрат], (г) не требуют сложной системы клапанов и/или системы зажигания, и (д) если они рассчитаны на работу в двухтактном режиме, то могут быть сконструированы таким образом, чтобы выдавать больший крутящий момент при равной или меньшей сложности, особенно в том, что касается системы клапанов.

Тем не менее, я думаю, что сочетание таких факторов, как постепенный упадок индустрии ископаемого топлива, политика большинства стран первого мира в отношении выбросов углерода и загрязнения окружающей среды, а также распространение гибридных/автономных электродвигателей в легковых автомобилях, вероятно, приведёт к исчезновению дизельных двигателей в течение следующих 10 лет, если только ситуация существенно не изменится.

Ответ на главный вопрос OP: «Почему в большегрузных автомобилях почти всегда используются дизельные двигатели?»
Ответ: Стоимость и надёжность. Дизельные двигатели значительно дороже, но срок их службы во много раз больше, чем у бензиновых двигателей. Для коммерческого транспорта, который ежедневно находится в пути, это означает значительную экономию за счёт более высокой топливной эффективности и меньшего времени простоя из-за ремонта.

Ответ на дополнительный вопрос автора о легковых автомобилях, работающих на дизельном топливе:
В Соединённых Штатах у дизельного топлива очень негативная репутация: считается, что оно грязное, шумное, медленное и т. д. Автомобильные компании утверждают, что даже если дизельные автомобили превосходят бензиновые, потребители в США их не купят. Здесь не стоит обсуждать обоснованность этого утверждения, но стоит отметить, что в других странах, например в Европе, большой процент автомобилей работает на дизельном топливе. Таким образом, ответ может быть скорее культурным, чем научным (независимо от того, имею ли я в виду потребительскую культуру США или культуру «Большой тройки» автомобильных компаний).

Основной, но часто упускаемой из виду причиной преобладания бензиновых двигателей в легковых автомобилях является потребность в дизельных двигателях в большегрузных транспортных средствах. Из заданного количества сырой нефти, в зависимости от её состава, можно получить заданное количество дизельного топлива, заданное количество бензина, заданное количество парафина и определённые заданные количества других нефтепродуктов. Следовательно, если мы зафиксируем необходимое нам количество любого из этих продуктов как постоянное, то мы также зафиксируем постоянное количество всех остальных продуктов.

Как объяснил vini_i в другом ответе, дизельные двигатели производят больше крутящего момента за счёт инженерных решений, направленных на создание двигателя с более высокой степенью сжатия. Тяжёлые транспортные средства оснащаются дизельными двигателями, производящими крутящий момент. Давайте зафиксируем количество дизельного топлива, необходимое для перевозки товаров из одной страны в другую. Теперь у нас есть фиксированное количество бензина, которое было произведено как побочный продукт при изготовлении дизельного топлива. Гораздо разумнее устанавливать на легковые автомобили бензиновые двигатели, которые могут сжигать остатки бензина, чем устанавливать на легковые автомобили дизельные двигатели, которые будут конкурировать за ограниченное количество производимого дизельного топлива.

Таким образом, ни один из типов двигателей не будет экономически выгодным для использования во всех транспортных средствах, независимо от технических соображений. Всякий раз, когда создаётся топливо для одного типа двигателя, в качестве побочного продукта создаётся топливо для другого типа двигателя, и кто-то создаст двигатель, который сможет сжигать этот побочный продукт.

Если взять два двигателя одинакового веса, работающих с оптимальной эффективностью (т. е. с максимальной механической работой, совершаемой на единицу химической энтальпии сгоревшего топлива), то расход топлива у обоих типов двигателей будет одинаковым. Но дизельный двигатель, как правило, будет выдавать немного больше мощности за счёт большего крутящего момента. Именно в этом заключается его эффективность.

Однако такая оптимальная эффективность всегда достигается при довольно низких оборотах. На самом деле поршневые двигатели выдают наибольшую мощность при высоких оборотах, хотя и за счёт снижения эффективности. То есть, переключаясь на пониженную передачу и увеличивая обороты, вы получаете значительно больше мощности (и вам требуется намного больше топлива). Поскольку двигатели Отто могут работать на более высоких оборотах, чем дизельные двигатели (а также реагируют на нагрузку гораздо быстрее), они больше подходят для такого «разгона» и поэтому более привлекательны для спортивных автомобилей. Однако для грузовиков это нерентабельно.

Если хотите, двигатель Отто — это компромисс между дизельным двигателем (тяжёлый; хороший КПД на низких оборотах; небольшая дополнительная мощность на высоких оборотах) и газовой турбиной (очень лёгкий; ужасный КПД на низких оборотах; большая мощность на высоких оборотах).

Крутящий момент — это главное. Для перемещения тяжёлых грузов необходим высокий крутящий момент. Если сравнивать бензиновый двигатель с аналогичным дизельным двигателем, то у дизельного двигателя крутящий момент всегда будет выше. Более высокий крутящий момент обусловлен необходимостью более высокой степени сжатия для воспламенения от сжатия. Для достижения более высокой степени сжатия требуется больший ход поршня. Больший ход поршня достигается за счёт большего смещения коленчатого вала. Это смещение обеспечивает более высокий крутящий момент.

Другой аспект заключается в том, что дизельные двигатели могут развивать огромный крутящий момент при очень низких оборотах. Проще говоря, чем больше топлива, тем больше крутящий момент при прочих равных условиях. В дизельном двигателе нет дроссельной заслонки, и он всасывает максимальное количество воздуха при каждом такте. В дизельном двигателе мощность регулируется количеством подаваемого топлива. Дроссельная заслонка регулирует количество подаваемого топлива. Это означает, что дизельный двигатель всегда работает на обедненной смеси. На холостом ходу двигатель почти не расходует топливо. Эта бедная смесь позволяет добавлять большое количество топлива даже на низких оборотах. С другой стороны, в бензиновом двигателе топливная смесь всегда должна быть оптимальной, стехиометрической. Необходимость поддерживать правильную смесь означает, что для получения большего количества топлива двигатель должен работать на более высоких оборотах. Это значит, что бензиновый двигатель развивает крутящий момент на гораздо более высоких оборотах, чем дизельный. Из-за высоких оборотов бензиновым двигателем сложно управлять, поэтому необходимо постоянно поддерживать высокие обороты.

Единственным реальным недостатком такого крутящего момента является ограничение по частоте вращения. Это компенсируется коробкой передач с большим количеством передач.

Если бы использовался бензиновый двигатель, он был бы намного больше. Двигатель большего размера потреблял бы больше топлива.