Dlaczego ciężkie pojazdy prawie zawsze korzystają z silników Diesla?

Zawsze zastanawiałem się, dlaczego ciężkie pojazdy, takie jak duże ciężarówki i autobusy, prawie zawsze używają silników Diesla, podczas gdy w lekkich samochodach istnieje wybór między silnikami Diesla a silnikami benzynowymi.

Wydajność silnika może tłumaczyć preferencje w stosunku do silników Diesla, ale czy nie jest to ważne również w lekkich samochodach? Powinieneś uzyskać lepszą wydajność dzięki silnikowi wysokoprężnemu, dlatego wszystkie samochody powinny używać silników wysokoprężnych.

Dlaczego więc duże pojazdy prawie zawsze korzystają z silników Diesla, a lekkie samochody mają wybór między benzyną a olejem napędowym?

Czy nowoczesna technologia, taka jak technologia hybrydowa z cyklem Atkinsona, może również przynieść silniki benzynowe do dużych pojazdów? Czytałem, że silnik rowerowy Atkinson w 2016 Toyota Prius ma 40% sprawności cieplnej. Moim zdaniem jest to bardzo podobne do oleju napędowego i jeśli technologia zostanie rozbudowana, może pomóc wprowadzić technologię benzyny do dużych pojazdów.

Torque to nazwa gry. Do przenoszenia ciężkich ładunków potrzebny jest wysoki moment obrotowy. Porównując silnik benzynowy z porównywalnym silnikiem Diesla, olej napędowy zawsze będzie miał wyższy moment obrotowy. Wyższy moment obrotowy wynika z potrzeby wyższego stopnia sprężania potrzebnego do zapłonu samoczynnego. Aby osiągnąć wyższy stopień kompresji, wymagany jest dłuższy skok. Dłuższy skok wynika z większego przesunięcia wału korbowego. To przesunięcie daje większy moment obrotowy.

Innym aspektem jest to, że silniki wysokoprężne mogą wytwarzać ogromny moment obrotowy przy bardzo niskich obrotach. Po prostu włożenie większej ilości paliwa równa się większemu momentowi obrotowemu, gdy wszystko inne pozostaje takie samo. Olej napędowy nie ma przepustnic i pobiera maksymalną ilość powietrza przy każdym suwie. W oleju napędowym ilość dodanego paliwa kontroluje moc. Przepustnica kontroluje ilość dodanego paliwa. Oznacza to, że olej napędowy zawsze pracuje ubogo. Na biegu jałowym silnik prawie nie zużywa paliwa. Ta uboga mieszanka pozwala na dodanie dużych ilości paliwa nawet przy niskich obrotach. Z drugiej strony silnik benzynowy zawsze musi utrzymywać optymalną stechiometrię mieszanki paliwowej. Konieczność utrzymania poprawnej mieszanki oznacza, że ​​aby uzyskać więcej paliwa, silnik musi powrócić do wyższych prędkości obrotowych. Oznacza to, że silnik benzynowy sprawia, że ​​jego moment obrotowy jest znacznie wyższy niż w przypadku silnika wysokoprężnego.

Jedyną prawdziwą wadą tej produkcji momentu obrotowego jest ograniczona liczba obrotów na minutę. Kompensuje to skrzynia biegów z dużą ilością biegów.

Gdyby zastosowano silnik benzynowy, musiałby być znacznie większy. Znacznie większy silnik zapewniłby większe zużycie paliwa.

Głównym, choć często pomijanym, powodem dominacji silników benzynowych w pojazdach osobowych jest zapotrzebowanie na silniki Diesla w pojazdach ciężkich. Dana ilość ropy naftowej, w zależności od jej składu, da określoną ilość oleju napędowego, określoną ilość benzyny, określoną ilość wosku świecowego i określone podane ilości innych produktów naftowych. Dlatego jeśli ustalimy ilość jednego z tych produktów, których potrzebujemy jako stałą, to również ustaliliśmy również ilość pozostałych produktów jako stałe.

Jak wyjaśniono w innej odpowiedzi vini_i, silniki wysokoprężne wytwarzają większy moment obrotowy jako produkt uboczny decyzji inżynieryjnych przy tworzeniu silnika o wyższym stopniu sprężania. Ciężkie pojazdy otrzymują napędzane silnikiem wysokoprężnym silniki wytwarzające moment obrotowy. Pozwól nam ustalić ilość oleju napędowego potrzebną do przemieszczenia towarów danego kraju za pośrednictwem oleju napędowego. Teraz mamy stałą ilość benzyny, która została wyprodukowana jako produkt uboczny przy produkcji tego oleju napędowego. Znacznie bardziej sensowne jest umieszczenie silników benzynowych w pojazdach osobowych, które mogą spalać resztki benzyny, niż umieszczenie silników wysokoprężnych w pojazdach osobowych, które będą wówczas konkurować o wytwarzaną stałą ilość oleju napędowego.

Dlatego żaden typ silnika nie byłby ekonomicznie odpowiedni do stosowania we wszystkich pojazdach, niezależnie od względów technicznych. Ilekroć powstaje paliwo dla jednego typu silnika, paliwo dla drugiego typu silnika powstaje jako produkt uboczny i ktoś przyjdzie z silnikiem, który może spalić ten produkt uboczny.

Na główne pytanie OP: „Dlaczego ciężkie pojazdy prawie zawsze korzystają z silników Diesla?” Odpowiedź: Koszt i niezawodność. Silniki wysokoprężne są znacznie droższe, ale mają żywotność wielokrotnie większą niż silniki benzynowe. W przypadku pojazdu użytkowego, który jest w ruchu przez cały dzień każdego dnia, daje to duże oszczędności dzięki lepszemu zużyciu paliwa i krótszemu przestojowi w naprawach.

Na dodatkowe pytanie OP dotyczące lekkich pojazdów wykorzystujących olej napędowy: W Stanach Zjednoczonych olej napędowy ma bardzo negatywny wizerunek konsumentów, że jest brudny, głośny, wolny itp. Firmy samochodowe twierdzą, że nawet jeśli pojazdy użytkowe napędzane olejem napędowym są lepsze od benzyny, konsumenci w USA ich nie kupi. Nie warto tutaj omawiać zasadności tego twierdzenia, ale warto zauważyć, że w innych miejscach, takich jak Europa, duży odsetek pojazdów konsumpcyjnych to olej napędowy. Tak więc odpowiedź może być bardziej kulturowa niż naukowa (czy mam na myśli kulturę konsumencką w USA czy kulturę firmy Three Three Car można interpretować).

Biorąc pod uwagę dwa silniki o podobnej masie, oba działające z ich optymalną wydajnością (tj. Maksymalną pracą mechaniczną wykonaną na jednostkę entalpii chemicznej w spalonym paliwie), skończysz z podobnym zużyciem paliwa dla każdego typu silnika. Ale silnik Diesla generalnie oferuje nieco więcej mocy, dając większy moment obrotowy; tak to jest bardziej wydajne.

Jednak taką optymalną wydajność zawsze osiąga się przy dość niskich obrotach. Obecnie silniki tłokowe oferują największą moc przy wysokich obrotach, aczkolwiek kosztem obniżonej wydajności. To znaczy, zmniejszając i przyspieszając, uzyskujesz znacznie więcej mocy (i potrzebujesz znacznie więcej paliwa). Teraz, ponieważ silniki Otto można zwiększać o więcej niż silniki Diesla (a także reagują znacznie szybciej), są one bardziej odpowiednie do tego rodzaju „podkręcania”, a zatem są bardziej atrakcyjne dla samochodów sportowych. W przypadku ciężarówek nie jest to jednak ekonomiczne.

Jeśli chcesz, silnik Otto stanowi kompromis między silnikiem Diesla (ciężki; dobra wydajność przy niskich obrotach; niewielka dodatkowa moc przy wysokich obrotach) i turbiną gazową (bardzo lekka; straszna wydajność przy niskich obrotach; duża moc przy wysokich obrotach ).

Inną kwestią, przynajmniej w Wielkiej Brytanii, jest to, że można kupić „czerwony olej napędowy” (olej napędowy, barwiony na czerwono) do użytku w rolnictwie, stacjonarnych generatorach itp. Z dużo niższym podatkiem. Obecnie olej napędowy kosztuje około 1,10 funta za litr (lokalny garaż, przejeżdżał wcześniej), podczas gdy ostatni raz kupowałem czerwony olej napędowy około 0,60 funta za litr.

Nie wiem, czy coś takiego występuje w innych krajach, ale biorąc pod uwagę podobieństwo wydajności oleju napędowego / benzyny (benzyny) ta znacząca redukcja kosztów paliwa oznacza, że ​​olej napędowy jest preferowanym paliwem w ciągnikach i maszynach rolniczych lub w każdym innym silniku, który tego nie robi. t napędzać koła pojazdu drogowego, takie jak układy chłodnicze i generatory itp. Jeśli podobne zjawisko występuje w innych krajach, nie ma wątpliwości, że silniki Diesla dominują w tych branżach. Nie byłbyś w stanie wyprodukować silnika benzynowego, który zużywałby wystarczająco mniej paliwa przez cały okres jego użytkowania, aby odzyskać taką różnicę kosztów paliwa.

Nie wiem, ale odważyłbym się zasugerować, że taka sytuacja pojawiła się wiele lat temu, kiedy silniki benzynowe po prostu nie były w stanie wytworzyć wymaganego momentu obrotowego lub niezawodności w wymaganych warunkach, więc diesel był preferowaną opcją. Ustawodawstwo dotyczące podatku paliwowego dla różnych zastosowań nie będzie nadążało za nowoczesnymi stopami rozwoju prywatnych firm.

To prawda, że ​​argument z czerwonym olejem napędowym nie ogranicza go w przypadku pojazdów drogowych, ale jeśli weźmie się pod uwagę, że ładunek ciągnięty w przyczepie 40-calowej jest porównywalny z ciągnikiem i przyczepą w polu, producentom silników łatwiej jest zrobić dwa podobne silniki dostosowane do rynku. Nie wiem wystarczająco blisko, kto jest kim, jeśli chodzi o producentów silników Diesla w ciągu ostatnich pięćdziesięciu lat, ale jest to co najmniej trochę wątpliwości.

Wreszcie, gdyby wszyscy używali oleju napędowego, policja musiałaby sprawdzić każdy pojazd pod kątem czerwonego oleju napędowego w zbiorniku paliwa, zamiast niewielkiego odsetka, który mógłby z niego dzisiaj korzystać. Kosztowałoby to rządy i firmy naftowe wiele milionów utraconych dochodów, co byłoby oczywiście nie do pomyślenia.

Tutaj kilka dobrych i prawie dobrych odpowiedzi.

Silniki Diesla (lub dowolnego tłoka) - w przeciwieństwie do powyższego twierdzenia - niekoniecznie potrzebują długiego skoku w celu uzyskania wysokiego sprężania; ale często mają kwadratowe otwory i / lub pociągnięcia, które nie są krótkie (według typowych standardów silników benzynowych).

Silniki Diesla - w przeciwieństwie do powyższego twierdzenia - są wyposażone w przepustnice; regulują one dopływ powietrza - co z kolei reguluje moment obrotowy, moc i obroty. . itp.

Wysokie ściskanie można osiągnąć przy zmianie skoku i bez niego, a można to zrobić, zmieniając długość korbowodu (nie taki sam jak skok), dzięki czemu tłok umieszcza się dalej w górę bloku cylindrów i ewentualnie wystaje do komory spalania, / lub zmieniając geometrię tłoka.

Większy skok może i często prowadzi do większego chwilowego i złożonego momentu obrotowego na wale korbowym (pomyśl dźwignię za pomocą dużego klucza; ponieważ to [plus większe tarcie] jest dokładnie tym, co dajesz BMEP i / lub siłę wywieraną na tłok wytwarzany przez każdy produkt spalania, gdy jest połączony z wałem korbowym długim skokiem / „dźwignią”); ale - jak wspomniano - zwiększa również tarcie.

Silniki wysokoprężne zazwyczaj mogą pracować z bardzo wysokim sprężaniem (znacznie wyższym niż typowe silniki benzynowe) ze względu na stosowane paliwo, które - między innymi - nie ulega zapłonowi przy stosunkach sprężania, które byłyby w typowym silniku benzynowym.

Jak mówią odpowiedzi i uwagi z góry; nazwa tej gry to zawsze Torque.

I to - oraz zdolność do generowania wysokich momentów obrotowych zarówno niezawodnie, jak i (dla wykonanej pracy) ekonomicznie - właśnie dlatego powstają silniki Diesla.

HorsePower (siła związana z obiektami [ciężarówką] poruszającymi się w linii prostej i / lub płaszczyźnie liniowej) jest po prostu iloczynem momentu obrotowego (siła związana z przedmiotami [wałem korbowym], które wirują i / lub obracają się); ilość momentu obrotowego wytworzonego w danym czasie i / lub obrotach.

Ponieważ tak naprawdę jest kilka rzeczy, które inżynier zespołu napędowego może zrobić, aby zwiększyć moc wyjściową dowolnego silnika tłokowego (diesel / benzyna) (oprócz zwiększania wydajności spalania i / lub zamiatania, zwiększania pojemności silnika statycznego, zwiększania sprężania, zmniejszania tarcia / odwrotna waga .etc), należy pamiętać, że zwiększenie kompresji jest bezpośrednio związane zarówno ze wzrostem wydajności, jak i wydajności.

W przeciwieństwie do, powiedzmy, zwiększenia statycznej pojemności silnika; ponieważ chevrolet 454 cala sześciennego (<7 litrów) niekoniecznie jest bardziej wydajny niż, powiedzmy, współczesny 3-litrowy silnik V6 - pomimo tego, że 454 prawdopodobnie ma większą moc - pod warunkiem, że 3-litrowy silnik V6 nie był turbodoładowany.

Nawet wtedy, doładuj 454, a będziesz miał niesamowity moment obrotowy i moc przekraczającą 1500 KM, a być może zbliży się do 2000 KM, pod warunkiem, że wszystkie strojenie / tankowanie zostanie wykonane prawidłowo.

Tak więc silniki Diesla są zaprojektowane tak, aby wytwarzały znaczny moment obrotowy dzięki wyżej wspomnianym podejściom konstrukcyjnym i bardzo wysokiemu sprężaniu / spalaniu.

Długość suwu w silniku wysokoprężnym ma więcej wspólnego z generowaniem maksymalnego momentu obrotowego (z produktu spalania) i / lub z konstrukcją - niż czystym sprężaniem; ale - jak wspomniano powyżej - może również pomóc w kompresji.

Proces spalania jest złożony i jest to miejsce, w którym można zmaksymalizować wydajność, oszczędność oraz moment obrotowy / moc.

Dlatego widzimy współczesne samochody benzynowe - zwłaszcza europejskie - wszystkie z bezpośrednim wtryskiem; jak większość diesli ma od lat.

W ten sposób proces spalania może być lepiej kontrolowany we wszystkich warunkach i „trybach” jazdy.

Silniki Diesla - w przeciwieństwie do większości typowych silników benzynowych, zwłaszcza tych sprzed dekady - prawie zawsze zapewniają, że strzelają dokładnie w górnym martwym punkcie (TDC), ponieważ polegają na zapłonie samoczynnym.

Wiele typowych silników benzynowych - niektóre nawet dzisiaj - nie mają precyzji odpalania każdego cyklu spalania bezpośrednio w TDC ze względu na złożoność silnika i szybkość poruszania się wewnątrz; a kiedy tak się nie stanie, wydajność i moment obrotowy wkrótce spadną.

Im szybciej silnik się obraca, tym trudniej jest zapewnić, aby każdy cykl spalania odpalił dokładnie w TDC; jest to jeden z powodów, dla których obecnie silniki inne niż silniki wysokoprężne mają indywidualne zestawy cewek (dla każdej wtyczki) i jakąś formę zapłonu sterowanego elektronicznie / komputerowo.

Porównywalnie, silniki Diesla wcale nie potrzebują elektronicznych układów zapłonowych i nie mają również wysokich prędkości obrotowych wału korbowego (jeśli tak, diesel z liniowca oceanicznego rzadko osiąga więcej niż 250 - 300 obr / min).

Silniki wysokoprężne są również zasadniczo zbudowane w celu generowania znacznego momentu obrotowego z bardzo niskich prędkości pojazdu / silnika, a także wykorzystują paliwo, które zostało zaprojektowane (w przeszłości, gdy wprowadzono jedyne dostępne paliwo benzynowe) w celu zapewnienia bardzo wysokiego stopnia sprężania.

Błędem jest to, że silniki Diesla są znacznie wydajniejsze niż typowe współczesne silniki benzynowe.

Zwykle - jakieś dziesięć lat temu - była to zdolność silnika wysokoprężnego do zapewnienia znacznego momentu obrotowego przy niskich prędkościach pojazdu / silnika, w połączeniu z jego zdolnością do obsługi wysokich współczynników sprężania, a także faktem, że silniki wysokoprężne były turbodoładowane; co często zapewniało postrzeganą wydajność i inne zalety w porównaniu z typowym silnikiem benzynowym.

Obecnie - szczególnie w przypadku benzyny bezołowiowej, która obsługuje wysokie sprężanie - typowe silniki benzynowe są nie tylko z turbodoładowaniem, wtryskiem bezpośrednim i pracują w wysokich proporcjach sprężania - ale są również zdolne do uzyskania zarówno wyższych przepustowości prędkości obrotowych wału korbowego niż silniki wysokoprężne, a także produkują duże wartości momentu obrotowego przy niskich prędkościach obrotowych wału korbowego.

To trafia w ten sam cel, co kilka wyjątkowych propozycji sprzedaży, które wcześniej oferowały silniki wysokoprężne.

Mimo to silnik Diesla będzie cieszył się jeszcze większą popularnością, ponieważ olej napędowy jest nieco tańszy niż typowa benzyna.

Ponadto silniki diesla; (a) są solidne, (b) są względnie proste, (c) zwykle pracują przy niskich prędkościach [i dlatego są produktami momentu obrotowego i są „rozsądnie” ekonomiczne / opłacalne], (d) nie wymagają skomplikowanego mechanizmu rozrządu i / lub względy układu zapłonowego, oraz (e) gdy są zaprojektowane do pracy w trybie 2-suwowym, można je wdrożyć w celu uzyskania większych momentów obrotowych przy czasami takiej samej lub mniejszej złożoności, szczególnie w odniesieniu do rozważań dotyczących mechanizmu rozrządu.

To powiedziawszy, myślę, że połączenie powolnego upadku przemysłu paliw kopalnych, polityki w zakresie emisji dwutlenku węgla i zanieczyszczeń w większości krajów pierwszego świata, a także rozwoju hybrydowych / samodzielnych silników elektrycznych w pojazdach pasażerskich, prawdopodobnie - chyba że znacznie ewoluuje - zabij silnik Diesla w ciągu następnych 10 lat.