Что лучше, что выгоднее — бензиновый двигатель или дизель?
В среде автомобилистов немало расхожих заблуждений, некоторые из них касаются особенностей бензиновых и дизельных двигателей. Почему-то принято считать, к примеру, что у дизеля больше ресурс, и что у него «лучше» момент на низких оборотах. Попробуем разобраться.
Для начала пройдем короткий ликбез, вспомним особенности моторов обоих типов. Основное и решающее отличие дизельного двигателя от бензинового — в организации рабочего процесса. Именно из-за него конструкции моторов — разные.
1. Бензин
Начнем с бензинового двигателя. Топливовоздушная смесь у него формируется вне цилиндра, во впускном коллекторе (пока непосредственный впрыск оставим за кадром). Пары топлива окончательно перемешиваются с воздухом в конце такта сжатия. В камере сгорания образуется топливная смесь, которая называется гомогенной, с равномерным распределением топлива по объему. От сжатия температура смеси поднимается до 400–500 0С (ниже температуры самовоспламенения бензина). Далее смесь воспламеняется искрой свечи зажигания.
Такая организация рабочего процесса ощутимо сужает возможности двигателей. Во первых, топливо должно иметь высокую испаряемость при температуре окружающей среды, иначе гомогенную смесь к моменту зажигания не получить, И, значит не будет быстрого и полного ее сгорания. Это резко сужает возможный перечень альтернативных топлив. Во вторых, в двигателе с внешним смесеобразованием есть цикл сжатия топливной смеси. Это сильно ограничивает возможную степень сжатия (ε), а она, между прочим, сильно влияет на КПД двигателя. Повысить степень сжатия не дает детонация. Поднять детонационный порог помогает высокое октановое число бензина, сокращение времени распространения фронта пламени и снижение температуры топливного заряда. В современных моторах удается достичь степени сжатия примерно около 11 единиц и, скорее всего, эта величина — предельная. В третьих, способность к воспламенению и сгоранию гомогенной смеси находится в узком диапазоне соотношения воздуха к бензину, с коэффициентом избытка воздуха 0,8< λ<1,2. То есть смесь не может быть ни слишком богатой, ни слишком бедной. Это значит, что регулировать мощность можно только меняя количество поступающей в двигатель смеси, одновременно меняя подачу бензина и воздуха. Поэтому в двигаете и имеется дроссельная заслонка, ограничивающая подачу воздуха в двигатель. Ну а система управления дозирует топливо так, чтобы λ.всегда оставалась в заданном диапазоне.
Бытует заблуждение, что гомогенная смесь вредна мотору. На самом деле, равномерное перемешивание паров бензина с воздухом помогает смеси сгорать более полно.
2. Солярка
У дизеля рабочий процесс организован по-другому, и эта организация нивелировала недостатки бензиновых ДВС. В цилиндре дизеля сжимается только воздух, причем с высоким, до 30-50 бар, давлением. От сжатия температура воздуха подскакивает до 700–900 оС. Солярка распыляется прямо в камере сгорания, перед ВМТ поршня. Мельчайшие капли топлива мгновенно испаряются, образуется топливовоздушная смесь. Смесь должна образоваться очень быстро, на порядок быстрее, чем в бензиновом двигателе. Поэтому в камере сгорания образуется неоднородная (гетерогенная) топливовоздушная смесь. Что не мешает ей самовоспламеняться и нормально сгорать.
Получается, что дизельный процесс обходится без предварительного приготовления топливной смеси. Это снижает требования к испаряемости, и, стало быть, спектр применяемых видов топлив расширяется. В принципе, теоретически сгодятся дешевые нефтепродукты, вплоть до мазута, и даже биотопливо. Многотопливность — серьезное преимущество дизеля. На первый взгляд кажется удивительным, но дизель может работать и на бензине. Правда, для этого приходится снижать степень сжатия. По крайней мере, некоторые армейские многотопливные двигатели могут работать и на солярке, и на бензине (с особыми присадками), правда, в ущерб ресурсу.
Сжатие воздуха без топлива дает еще один плюс: устраняется опасность детонации и, стало быть, снимается ограничение по степени сжатия. Степень сжатия дизеля обычно находится в пределах 13<ε<25. Малые значения встречаются у дизелей с наддувом, большие — для атмосферных дизелей с разделенными камерами сгорания. Нижний предел ограничения степени сжатия дизеля задается трудностями с пуском мотора зимой, а верхний ограничивается прочностью деталей: с увеличением степени сжатия растет и предельное давление в камере сгорания.
Высокое давление в камере сгорания сказывается на конструкции дизеля — детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов приходится делать более прочными, тяжелыми, и, значит, растет их инерционность. Как следствие, дизельные моторы по этой причине проигрывают в быстроходности и приемистости (способности быстро набирать обороты). К преимуществам дизеля отнесем большой крутящий момент в весьма широком диапазоне оборотов, который обусловлен этим же высоким давлением в камере сгорания. Поэтому дизель тяговит и эластичен.
Повышение степени сжатия — один из ключевых способов увеличения КПД мотора, а это значит, что дизель — экономичнее. Из-за степени сжатия КПД дизеля на 10–12% выше, чем у бензинового мотора (0,27–0,42 против 0,22–0,3). При этом по топливной экономичности дизель дает фору бензиновому моторы процентов на 30-40! В чем причина этого несоответствия? А всё дело — в способе регулирования.Вспомните, в бензиновом двигателе смесь всегда гомогенная, отношение топлива к воздуху — постоянное, и для изменения мощности приходится менять количество всей смеси. Это — количественное регулирование мощности. В дизеле количество поступающего в двигатель воздуха практически не меняется, а мощность регулируется изменением подачи количества топлива, то есть меняется качество смеси. Это — качественное регулирование. Напомним, что с коэффициент избытка воздуха λ у бензинового двигателя не выходит за пределы 0,8< λ<1,2. А вот в дизеле оно может меняться от 1,1–1,2 в режиме максимальной нагрузки до 15–20 на холостом ходу! Потому-то в режиме холостого хода дизель потребляет до смешного мало солярки, или, как говорят водители, «работает на одном воздухе». Смесь же остается бедной во всех режимах!
Далее. Эффективный КПД замеряют в режиме максимальной нагрузки. Здесь лидерство дизелей невелико. Однако в реальности двигатель автомобиля до 90% времени работает в режиме частичной нагрузки, выдавая четверть максимальной мощности, а то и меньше. Тут-то и проявляются преимущества качественного регулирования, то есть — способность работать на сверхбедных смесях.
Однако гетерогенность смеси отрицательно сказывается на содержании вредных компонентов в выхлопных газах. Бытует заблуждение, что дизель менее токсичен. Не исключено, что оно сложилось в те времена, когда проверяли только угарный газ (СО) и несгоревшие углеводороды (СН). Их в выхлопе у дизеля действительно мало (все по той же причине — процесс протекает в условиях избытка воздуха, окисление получается более полное). Но работа на бедных смесях и более высокая температура в камере сгорания приводят к тому, в выхлопе дизеля почти вдвое больше оксидов азота (NOx), их массовая доля в суммарном выбросе токсичных компонентов — 30-80%! А ведь они чрезвычайно вредны. Но и это не все. При сгорании гетерогенных смесей всегда образуются твердые частицы, в основном это свободный углерод (обычная сажа). Опасность в том, что на частицы сажи адсорбируются канцерогенные соединения — полициклические ароматические углеводороды. Кроме сажи, в рядах твердых частиц имеются несгоревшие частицы топлива и масла, соединения серы и оксиды металлов, добавляемых в топливо и масло в качестве присадок. Всё это и проявляется в виде дымности, вплоть до копоти. Твердые частицы легко переносятся в воздухе и поэтому могут легко подпортить здоровье людей. Самое же неприятное, что от них очень трудно избавиться. Выхлоп бензинового двигателя, в принципе, можно сделать сколь угодно чистым — оптимизацией рабочего процесса и использованием каталитических нейтрализаторов. Для борьбы с дымностью ограничивают нжний предел качества смеси λ на уровне 1,1–1,2. А с катализаторами у дизелей проблемы, как раз из-за сажи. Она моментально, за сотню километров пробега, выведет его из строя. А эффективный и экономичный сажевый фильтр до сих пор остается мечтой конструкторов.
Есть еще одно заблуждение — о том, что у дизеля больше ресурс. Вроде бы более прочная конструкция и невысокие обороты действительно способствуют меньшему износу. Да и солярка не так активно смывает масляную пленку со стенок цилиндров, как бензин. С другой стороны, у дизеля высокая теплонапряженность камеры сгорания и большие нагрузки, особенно у КШМ. Большой ресурс дизелей — миф, и сформировался он оттого, что дизель устанавливают на коммерческие автомобили, вся конструкция которых заточена под большой пробег, и в том числе — двигатель. Для увеличения ресурса применяются типовые конструкторские решения, и не суть важно, дизельный мотор, или бензиновый. Примером низкоресурсного дизеля может, кстати, служить танковый.
3. Резюме
Итак, как известно, у дизеля нет системы зажигания, равно как дросселя*. Но отсутствие системы вовсе не говорит о том, что дизель проще. Все как раз наоборот. Дизель пришлось комплектовать предпусковым подогревом со свечами накаливания, кроме того, у дизеля сложная и дорогая система топливоподачи, в которую входит топливный насос высокого давления (ТНВД).
Сложность и высокая точность ТНВД вносит свои недостатки. Это и высокие требования к качеству и чистоте топлива, дорогим обслуживанием и ремонтом. Все эти траты могут свести на нет экономию на расходе топлива. Кстати, из-за того что в режиме максимальных нагрузок дизель вынужден работать на обедненной смеси, да еще и с меньшей частотой вращения, его удельная мощность обычно ниже, чем у бензиновых моторов.
Так какой будет ответ — что выгоднее, дизель или бензиновый мотор? Простого ответа нет. Дизель экономичнее, но реальная выгода видна лишь при больших ежедневных пробегах, особенно по пробкам. .
Дизель тяговит и эластичен, но страдает шумностью и повышенной вибрацией.
Вывод банален: дизель хорошо для интенсивной эксплуатации, то есть — для коммерческих автомобилей. Почему дизель так популярен на Западе, спросите вы. По всей видимости, причина кроется в том, что еще до недавнего времени солярка там стоила существенно дешевле бензина, это во первых. Все же дизель экономичнее, а топливо в Европе — дорогое, это во вторых. Сервисное обслуживание и ремонт дизелей там налажены давно, недостатка в специалистах нет, это в третьих. Солярка, которая продается в Европе, весьма хорошего качества и очень редко бывает причиной поломки двигателя, это в четвертых. Моду на дизели и воздействие рекламы — в пятых. Возможно, есть и другие причины.
Но мы — не Европа, у нас свой путь, даже в выборе моторов.
* В некоторых дизелях заслонка есть, она нужна для того, чтобы в задроссельном пространстве создавалось разрежение, нужное для организации вакуумного привода различных устройств автомобиля. Но чаще встречается вакуумный насос с приводом от распредвала.
** Любопытно, что степень сжатия 11–13 — граница, разделяющая бензиновые и дизельные моторы.
Почему дизельный двигатель экономичнее бензинового
Автомобили с дизельным двигателем чаще всего покупают прагматики. То есть люди, которые хотят сэкономить не столько на покупке автомобиля, сколько на его эксплуатации, в частности на топливе и стоит отметить, что смысл в этом есть, поскольку при одинаковом рабочем объёме и количестве цилиндров дизельный двигатель расходует в среднем на 30% меньше топлива, чем бензиновый. Чтобы понять, почему это так, необходимо разобраться в конструктивных особенностях каждого двигателя.
Отличия дизельного двигателя от бензинового
Итак, основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе воспламенения топлива.
Бензиновое топливо хорошо испаряется, в силу чего хорошо смешивается с воздухом и для его воспламенения достаточно искры. Поэтому в цилиндрах бензинового двигателя смешивание топлива с воздухом происходит во время такта впуска, после чего готовая воздушно топливная смесь сжимается и воспламеняется с помощью искры, которую вырабатывает свеча зажигания.
В свою очередь дизельное топливо плохо испаряется, поэтому его смешивание с воздухом в цилиндрах дизельного двигателя происходит во время такта сжатия, во время которого воздушно топливная смесь нагревается и в итоге самовоспламеняется.
Немало важным отличием является и то, что в дизельном двигателе при нажатии на педаль акселератора вы увеличиваете подачу топлива, а в бензиновом наоборот, подачу воздуха.
Это связано с тем, что для нормальной работы бензинового двигателя воздушно топливная или стехиометрическая горючая смесь должна состоять в среднем из пятнадцати массовых частей воздуха на одну массовую часть бензина и чтобы на низких оборотах бензиновый двигатель не засасывал больше воздуха, чем ему необходимо, его система впуска оснащена дроссельной заслонкой.
На низких оборотах дроссельная заслонка в бензиновом двигателе практически закрыта, по причине чего в системе впуска и цилиндрах возникает дополнительное сопротивление, на преодоление которого бензиновый двигатель тратит немало энергии и соответственно топлива.
Что касается дизельного двигателя, то поскольку дизельное топливо хорошо воспламеняется и горит не зависимо от стехиометрического соотношения, дизельный двигатель в дроссельной заслонке не нуждается и это значит, что на низких оборотах дизельный двигатель не тратит энергию и соответственно топливо на преодоление дополнительного сопротивления, которое возникает в бензиновом двигателе.
Именно поэтому в городском цикле расход топлива бензинового двигателя существенно выше, чем дизельного, а если к этому добавить тот факт, что дизельный двигатель работает на более низких оборотах, чем бензиновый, то разница в расходе топлива этих типов двигателей становится ещё более существенной.
В заключение не лишним будет отметить и то, что эффективность или коэффициент полезного действия (КПД) у дизельного двигателя в среднем на 15% выше, чем бензинового. Это связано с тем, что степень сжатия у дизельного двигателя составляет от 12 до 16, а у бензинового от 8 до 12 и поэтому для выработки одинакового количества энергии дизельного топлива требуется меньше, чем бензинового. Однако, технологии не стоят на месте и бензиновые двигатели с каждым годом становятся всё более эффективными и менее прожорливыми.
В чём кроется секрет экономичности дизельных моторов
Автомобили с дизельными моторами во все времена покупали прагматичные автовладельцы, желающие сэкономить не столько в процессе приобретения машины, сколько в ходе длительной её эксплуатации – за счёт уменьшения трат на горючку. При прочих равных дизеля расходуется всегда меньше, чем бензина. Рассказываем, почему.
В последние годы дизельное топливо фактически сравнялось по цене с бензином марки АИ-95, однако, если взять один и тот же автомобиль с бензиновым и дизельным моторами схожих характеристик, последний всегда будет потреблять на условные 100 км на 2-3, а то и все на 5 (в зависимости от литража и мощности) литров меньше горючего. Сомневаться в этом вряд ли кто-то станет (стоимость самой машины и её обслуживания в данном контексте мы не рассматриваем). Речь идёт о закономерности, которая работает всегда, везде и с моторами абсолютно всех представленных на рынке марок.
В чём кроется секрет дизелей? Они другие – абсолютно. Чтобы разобраться в нюансах, нужно обратиться к устройству дизельных моторов и законам термодинамики. Здесь есть ряд нюансов и аспектов.
Сам по себе дизельный двигатель имеет иной термодинамический цикл, нежели бензиновый агрегат. Этот цикл максимально приближен к идеальному циклу Карно. КПД у дизеля изначально ощутимо выше.
Воспламенение топлива в цилиндрах дизельных двигателей происходит не благодаря поджигу от свечей, а от сжатия. Если в большинстве бензиновых моторов степень сжатия находится на уровне от 8,0 до 12,0, то в дизелях – от 12,0 до 16,0 и даже выше. Из термодинамики следует, что чем выше степень сжатия, тем выше КПД. Сжимается в цилиндрах не топливовоздушная смесь, а один лишь воздух. Впрыск топлива осуществляется практически в момент прохождения поршнем верхней мёртвой точки – одновременно с воспламенением.
На дизельных моторах отсутствует дроссельная заслонка. Это позволяет существенно уменьшать так называемые насосные потери на всасывание воздуха в цилиндры. На большинстве бензиновых моторов заслонка необходима, и она в любом случае потребляет энергию во время работы. При частичном закрытии заслонки в системе подачи воздуха возникает дополнительное сопротивление. У дизелей такой проблемы нет в принципе. Более того, любой современный дизель немыслим без турбины, которая обеспечивает максимальный крутящий момент почти с холостых оборотов.
Наконец, экономичность дизелей во-многом объясняется свойствами самого дизельного топлива. У него изначально выше полнота сгорания. Дизельное горючее плотнее бензина – в среднем при сгорании оно даёт на 15% больше энергии. Дизтопливо, в отличие от бензина (которому требуется соотношение с воздухом от 11:1 до18:1), горит в почти любых соотношениях с воздухом. Дизельному мотору не приходится подливать горючего для создания идеальной смеси, как это происходит в бензиновых ДВС. Дизель впрыскивает топлива ровно столько, сколько требуется на преодоление сил трения ЦПГ, коленвала, маслонасоса и сопротивления навесных агрегатов. На практике это даёт уменьшение расхода топлива на холостом ходу до 2-3 раз по отношению к бензину. Этим же объясняется слабый нагрев дизельных моторов во время работы. Дизель всегда менее термонагружен, а значит, имеет заведомо больший ресурс и больший крутящий момент.
Что получает обладатель дизельного автомобиля на практике? В среднем – на 30% более экономичную машину по сравнению с бензиновым аналогом (по топливу). В сочетании с изменяемой геометрией турбонаддува и системой Common-Rail это даёт поистине впечатляющие результаты. Дизельный автомобиль прекрасно тянет с низов, потребляя минимальное количество горючки. Именно его эксперты рекомендуется брать прагматичным людям, любящим внедорожные вылазки. В полноприводных кроссоверах и серьёзных внедорожниках этот тип двигателя наиболее предпочтителен.
Преимущества и недостатки дизельных и бензиновых двигателей
Дизельные двигатели считаются более экономичными, а бензиновые — мощными. Во многом это стереотип, который сформировался в 90-е годы. В разработку тогдашних дизелей вкладывали меньше денег, а топливо для них стоило дёшево. Но технологии продолжают развиваться, и ситуация меняется. Рассказываем о плюсах и минусах бензиновых и дизельных двигателей в 2021 году.
Экономичность
Начнём с характеристики, интересной всем автолюбителям без исключения. Здесь раскрываются преимущества дизельного двигателя, который расходует на 10–20% меньше топлива по сравнению с бензиновым агрегатом того же объёма и мощности. Но такая экономия представлена в абсолютном выражении, а нам нужно учитывать ещё и цены. У дизельного топлива (ДТ) и бензина А-95 они приблизительно одинаковы. А вот горючее марки А-92 стоит на 5% дешевле, поэтому и разница в стоимости заправки будет не такой существенной.
Плюс бензинового двигателя — в том, что его можно оснастить газобаллонным оборудованием (ГБО). Расход пропан-бутана чуть выше, но стоимость горючего ниже на 25–30%. Экономия в стоимости заправки — около 15–20%, что уравнивает стоимость эксплуатации моторов. Но этот вариант подходит скорее для подержанных машин — новые автомобили обычно лишаются гарантии после такой доработки. Кроме того, мощность двигателя с ГБО ниже, а ресурс меньше.
Надёжность
Средний ресурс легкового дизеля превышает 300–350 тысяч километров. Отдельные экземпляры проезжают и более 500 тыс. км. без нареканий от владельцев. У бензиновых эта цифра меньше — около 250–300 тысяч километров до капремонта. Но недостатки дизельного двигателя заметны во время обслуживания. Стоимость запчастей, расходных материалов и технических жидкостей выше. А ещё дизели более чувствительны к качеству топлива. Если бензин, способный вывести мотор из строя, стал исключением из правил, то низкое качество ДТ пока остаётся распространённой проблемой в России.
Тягово-мощностные характеристики
Прошли те времена, когда разница в отдаче моторов была двух-, а то и трёхкратной. Современные технологии уравняли их мощность. Преимущества дизельных и бензиновых двигателей теперь выражаются в других характеристиках.
При одинаковой мощности дизели развивают больший крутящий момент, который также называют тяговым усилием. Причём максимальной тяги удаётся достичь с низких оборотов. Такие автомобили быстрее стартуют с места, увереннее «выстреливают» при обгоне, легче выбираются из глубоких ям и почти не теряют своих ходовых качеств при максимальной нагрузке.
Крутящий момент бензинового двигателя ниже и достигается он на высоких оборотах — такой недостаток становится причиной медленного разгона и слабой тяги при полной загрузке. Но есть и преимущества — мотор быстрее набирает обороты, поэтому им удобнее управлять при скоростной езде. Турбированные бензиновые двигатели сочетают высокий крутящий момент с удобством управления тягой, но их минусы выражены в дорогостоящем обслуживании и повышенном расходе топлива.
Комфорт
Дизельный двигатель всегда работает громче, и этот недостаток заметен даже у премиальных автомобилей. В его звуке слышны характерные стуки и рокот. Даже при идеальной шумоизоляции они слышны в салоне. А на малых оборотах появляются вибрации, которые редко удаётся погасить балансирными валами, подушками и другими хитрыми приспособлениями. Кроме того, владельцы дизелей жалуются на характерный запах топлива и едкий выхлоп.
А ещё плюсы дизельного двигателя иногда превращаются в минусы. Коэффициент полезного действия у них выше, чем у бензиновых агрегатов. Из-за этого температура охлаждающей жидкости повышается намного медленнее. При коротких поездках зимой они не всегда успевают прогреть салон. Поэтому производителям приходится устанавливать автономные отопители, что отражается как на цене, так и на безопасности автомобиля.
Преимущество бензинового двигателя — в тихой и стабильной работе. У машин бизнес- и премиум-класса звук работающего мотора слышен в салоне только на предельных оборотах. Вибрации исправного агрегата минимальны, а пролитое топливо быстро испаряется, не оставляя запаха.
Стоимость
Минус бензинового двигателя в виде повышенного расхода топлива легко перекрывается плюсом — доступной ценой. Даже с одинаковым оснащением такой автомобиль обойдётся на 5–10% дешевле дизельного. Некоторые производители предлагают дизели только в богатых комплектациях, что увеличивает разницу в стоимости. Сэкономить на покупке дизельной машины можно только в том случае, если вы планируете использовать её дольше гарантийного пробега — до 150–200 тысяч километров.
Вывод
Рыночная экономика сделала своё дело — стоимость эксплуатации моторов уравнялась. В 2021 году можно говорить о других преимуществах и недостатках бензиновых и дизельных двигателей. Автомобили с дизелями быстрее стартуют и лучше переносят нагрузку. А машины с бензиновыми агрегатами более комфортны благодаря меньшему уровню шума и вибраций. Какой вариант лучше — решать только вам.