Почему у дизельных двигателей степень сжатия выше, чем у бензиновых?

Согласно школьным курсам физики и химии, при сжатии газа его температура повышается. Если сжимать газ достаточно быстро, температура повысится настолько, что некоторые газы воспламенятся. Теперь вы спрашиваете себя: «Но дизельное топливо — это жидкость, а не газ, так о чём же говорит этот парень?» Форсунки в дизельных двигателях мощные и впрыскивают дизельное топливо в цилиндр с такой силой, что оно испаряется и вместе с воздухом, в который оно впрыскивается, становится практически газом. На самом деле, если бы вы держали дизельную форсунку во время её работы, брызги топлива разорвали бы вашу кожу. В холодную погоду сгорание дизельного топлива затрудняется, поэтому в дизельных двигателях есть «свечи накаливания»: они прогревают цилиндры, чтобы компенсировать низкую температуру при запуске. Они включаются автоматически: на приборной панели загорается индикатор, указывающий на то, что они используются, а затем гаснет, когда двигатель можно запустить. В 70-х годах был рекламный ролик Volkswagen, в котором парень в лабораторном халате под капотом «Рэббита» выбрасывал крышку распределителя, ротор, свечи зажигания, провода свечей и т. д. В галлоне дизельного топлива больше потенциальной энергии, чем в галлоне бензина.

Дизельные двигатели устроены иначе, поэтому у них больший рабочий объём? (увеличенный ход поршня, меньшая камера сгорания и т. д.)
Это потому, что они сконструированы таким образом, чтобы иметь больший объём?

ДА.

Давайте сформулируем мой вопрос по-другому: какие детали двигателя нужно изменить, чтобы добиться определённой степени сжатия? Какие конструктивные факторы влияют на степень сжатия?

Как следует из названия, степень сжатия коэффициент — это отношение объёма камеры сгорания между нижней и верхней мёртвыми точками. Для увеличения коэффициента требуются довольно серьёзные изменения: увеличение хода поршня и/или уменьшение объёма камеры сгорания. Ещё одна оговорка: в дизельных двигателях на поршень, его шток, коленчатый вал и подшипники вала действуют более высокие силы, поэтому эти компоненты тяжелее и прочнее. По этим причинам дизельные и бензиновые двигатели разрабатываются отдельно, не имеют общих базовых компонентов, и их практически невозможно заменить друг на друга.

Самый распространённый способ повысить степень сжатия в существующем двигателе — это «опустить потолок» в камере сгорания. К сожалению, из-за этого всё, что установлено в головке блока цилиндров (свеча зажигания и, возможно, клапаны), оказывается ближе к поршню, когда он находится в верхнем положении, поэтому у вас очень мало места для «опускания потолка», прежде чем поршень начнёт задевать то, чего он не должен касаться.

Другая проблема заключается в том, что форма камер сгорания в современных двигателях тщательно продумана для обеспечения хорошего распространения пламени и даже сгорания топлива. Таким образом, хотя теоретически можно было бы спроектировать простую камеру сгорания, которая занимала бы определённый объём и, следовательно, увеличивала степень сжатия, это полностью нарушило бы процесс сгорания (не говоря уже о том, что она могла бы выпасть и повредить двигатель).

После всех этих «почему это невозможно» причин есть одна вещь, которую можно сделать, и она действительно делается: поскольку сжатие начинается только после закрытия всех клапанов, вы можете снизить степень сжатия, задержав закрытие впускного клапана. Таким образом, в первой части такта «сжатия» воздух выталкивается обратно во впускной коллектор (то есть сжатие фактически не происходит), затем клапан закрывается, и сжатие происходит только в оставшейся части такта. Этот трюк используется в так называемых двигателях с циклом Аткинсона, которые обеспечивают более высокую топливную экономичность за счёт меньшей мощности, например в Prius. (Дополнительная эффективность достигается за счёт того, что рабочий ход длиннее такта сжатия, а не за счёт снижения степени сжатия.)

Вывод: изменив время открытия впускного клапана, можно снизить степень сжатия почти до 1:1.

Здесь следует понимать, что дизельное топливо и бензин — это два разных вида топлива с разными физическими и химическими свойствами.

Бензин воспламеняется легче, чем дизельное топливо. Зажгите спичку и бросьте её в лужу бензина, и он будет спокойно гореть при комнатной температуре и давлении. С дизельным топливом такого не произойдёт: оно не воспламенится. Видеодоказательство здесь.

Поскольку дизельное топливо воспламеняется не так легко, как бензин, для его самовоспламенения требуется более высокое давление (при условии, что оба вида топлива имеют одинаковую температуру).

Типичная степень сжатия для дизельных двигателей составляет 18–22. У их бензиновых аналогов степень сжатия обычно находится в диапазоне 9–13.

Ты спросил

Почему у дизельных двигателей степень сжатия выше, чем у бензиновых?

Ответ

Потому что сжатие используется для воспламенения топливно-воздушной смеси и называется воспламенением от сжатия однородного заряда. В дизельных двигателях не используются свечи зажигания, и для запуска процесса сгорания необходимо сжатие.

Когда заряд воздуха и топлива сжимается поршнем при его движении вверх. Тепло внутри цилиндра сжимается на меньшую площадь, и температура повышается из-за того, что тепло сжимается на этой меньшей площади. Здесь хорошо описано выделение тепла при сжатии.

Как только температура сжатой топливно-воздушной смеси достигает точки воспламенения происходит самовоспламенение при сжатии заряда, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, и высвобождаемая энергия заставляет поршень двигаться вниз. Это уникальная особенность дизельного двигателя.

Очень высокая степень сжатия приводит к самовоспламенению топливно-воздушной смеси. В случае с дизельным двигателем такое самовоспламенение является желательным и заложено в его конструкцию. В случае с бензиновым двигателем самовоспламенение не предусмотрено конструкцией и поэтому вредно.

Некоторые способы повлиять на степень сжатия.

• изменение ширины прокладки головки блока цилиндров


• фрезерование полостей поршня


• выточка камеры сгорания в головке блока цилиндров

Ограничивающим фактором для соотношения длины и диаметра цилиндра является то, что при слишком большом ходе шатун касается стенки цилиндра. Этого можно избежать, если использовать крейцкопф.

Дизельное топливо воспламеняется за счёт высокой степени сжатия, поскольку в нём нет свечей зажигания.