Сравнение дизельных и карбюраторных двигателей

Устройство автомобилей

Что лучше – дизельный или бензиновый?

Часто можно услышать вопрос, – какой двигатель выгоднее и лучше – карбюраторный или дизельный? Давайте попробуем разобраться в этом непростом вопросе, и начнем со сравнения конструкций этих тепловых машин и анализа их принципиальных различий.

Основные отличия карбюраторных двигателей от дизельных заключаются в способе приготовления горючей смеси (смеси топлива с кислородом воздуха) и способе ее воспламенения. В карбюраторном двигателе горючая смесь, которая обычно представляет собой смесь бензина и воздуха, готовится вне цилиндров двигателя – во внешнем смесительном устройстве – карбюраторе (внешнее смесеобразование).
При открытом впускном клапане и ходе поршня к нижней мертвой токе (такт впуска) в цилиндре создается разрежение, при этом воздух засасывается через воздушный патрубок карбюратора. Перемещаясь по диффузорам карбюратора, воздух смешивается бензином, который подсасывается и распыляется из жиклеров, соединяющих поплавковую камеру с диффузорами (по принципу вакуумного пульверизатора). В таком виде готовая к воспламенению смесь поступает в цилиндр, где в процессе сжатия происходит ее окончательное перемешивание и разогрев.
Далее смесь воспламеняется от свечной искры и совершается такт рабочего хода.

В дизеле горючая смесь готовится непосредственно в цилиндрах двигателя (внутреннее смесеобразование) – сначала через впускной клапан в цилиндр поступает воздух, а затем, когда воздух сильно сжимается и раскаляется от сжатия, в цилиндр с помощью форсунки впрыскивается порция топлива. Воспламенение происходит без постороннего источника пламени (искры) и двигатель выполняет рабочий ход, т. е. совершает полезную механическую работу, используя тепловую энергию сгорающего топлива.
Степень сжатия в дизельных двигателях значительно выше степени сжатия в карбюраторных двигателях, благодаря чему и становится возможным самовоспламенение рабочей смеси.

Не следует путать два понятия – «рабочая смесь» и «горючая смесь». Горючая смесь – это смесь чистого воздуха и топлива, а в рабочей смеси, кроме того, присутствуют отработавшие газы, оставшиеся в цилиндре после его продувки через выпускной клапан. Т. е. в цилиндре воспламеняется не горючая, а рабочая смесь, так как отработавшие газы полностью удалить практически не возможно.

Исходя из анализа принципиальных различий между дизельным и карбюраторным двигателями, попробуем оценить их достоинства и недостатки, для объективного сравнения.

Преимущества и недостатки карбюраторного двигателя

К преимуществам карбюраторного двигателя по сравнению с дизелями можно отнести их следующие свойства:

• меньшие габаритные размеры и массу (меньшие степени сжатия не требуют тяжелых элементов цилиндропоршневой группы);
• более легкий пуск, особенно при низких температурах окружающей среды (сказывается лучшая испаряемость бензина и принудительное воспламенение, а также относительно невысокая степень сжатия, что облегчает работу системе пуска);
• низкий уровень шума;
• простота и низкая стоимость топливной аппаратуры (стоимость дизельной топливной аппаратуры сравнима со стоимостью основных деталей двигателя);
• простота технического обслуживания и регулировок системы питания.

Очевидным плюсом карбюраторных двигателей является более качественное смесеобразование, что благотворно сказывается на процессе сгорания топлива.

К недостаткам карбюраторных двигателей можно отнести следующие их свойства:

• низкая экономичность;
• более высокая концентрация вредных веществ в выхлопных газах;
• высокие требования к качеству топлива;
• низкие динамические качества двигателя при переменных режимах работы;
• зависимость работы системы питания от положения двигателя и автомобиля;
• более высокая пожароопасность (дизельное топливо сложнее поджечь при нормальных условиях).

Существенным недостатком карбюраторных двигателей является относительно высокое сопротивление в диффузоре карбюратора, которое препятствует быстрому заполнению цилиндра горючей смесью. Избавиться от этого недостатка в значительной степени позволяют системы питания с впрыском бензина (инжекторные).
Токсичность продуктов сгорания бензина требует установки различных нейтрализаторов, которые увеличивают сопротивление выпускного тракта системы питания. Эти два фактора значительно снижают эффективность и экономичность работы карюбюраторного двигателя.
Дизельные двигатели менее подвержены влиянию сопротивления трактов впуска и выпуска, а использование турбонаддува позволяет значительно улучшить наполняемость цилиндров воздухом.

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

К основным преимуществам дизеля по сравнению с карбюраторным двигателем можно отнести следующие свойства:

• более высокая экономичность;
• возможность работать (кратковременно) на нестандартном топливе (иногда дизели называют многотопливными двигателями);
• хорошие динамические качества;
• допускают значительное форсирование (увеличение) мощности путем наддува;
• возможность автоматизации процессов смесеобразования и дозирования количества топлива, подаваемого в цилиндры.

Недостатки дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями:

• большие габариты и масса (удельная металлоемкость конструкции);
• сложная и дорогая топливная аппаратура;
• более жесткая работа с повышенным уровнем шума.

Слабым местом дизелей является качество смесеобразования. В отличие от карбюраторного двигателя, где бензин перемешивается с воздухом относительно большой промежуток времени (карбюратор – впускной трубопровод – такт всасывания – такт сжатия), в дизельном двигателе смесеобразование осуществляется лишь краткий миг между впрыском топлива и его сгоранием. Плохо перемешанное с кислородом воздуха топливо сгорает медленно, и некоторая его часть может даже “улететь в трубу” в буквальном смысле этого слова, поскольку сгореть не успевает.
Для повышения качества смесеобразования конструкторам приходится применять различные технические приемы и решения, связанные с формой камеры сгорания, рационализацией впрыска и т. п.

Особое положение занимают бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси. Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструкции могут сочетать в себе положительные свойства, как карбюраторных двигателей, так и дизелей.

Поскольку газовые двигатели тоже имеют на автомобилях достаточно широкое применение, рассмотрим свойства и этих тепловых машин внутреннего сгорания.

Преимущества и недостатки газовых двигателей

Двигатели, использующие для работы горючие газы (жидкие или газообразные) имеют ряд существенных достоинств:

• низкая себестоимость топлива (газ дешевле бензина и дизельного топлива в 1,5-2 раза);
• высокая детонационная стойкость газа по сравнению с бензином позволяет повысить степень сжатия, а, следовательно, и КПД;
• более высокий ресурс (примерно в 1,5 раза);
• меньшая токсичность отработавших газов.

Недостатки двигателей, работающих на газовом топливе:

• при одинаковой степени сжатия мощность на 7…12% ниже, чем в бензиновом двигателе;
• большая металлоемкость топливной аппаратуры (особенно для сжатых газов);
• высокие требования к технике безопасности при работе с горючими газами (высокая пожароопасность);
• меньший пробег автомобиля на одну заправку (по объему).

Так что же, все-таки, лучше – дизель или бензиновый?

Спор между автолюбителями о том, какой же двигатель лучше, ведется давно. Приверженцы дизелей утверждают, что при прочих равных условиях дизель несравненно лучше, чем карбюраторный двигатель, но не меньше поклонников и у карбюраторного двигателя, считающих, что такая конструкция, особенно для легкового автомобиля, более удобна в эксплуатации. Очевидно, в пределах определенных свойств сравниваемых двигателей могут быть правы и те и другие. Поэтому однозначный ответ на вопрос – что лучше – дать сложно, поскольку обе конструкции имеют и слабые места, и сильные стороны. Тем не менее, можно уверенно утверждать, что для грузовых автомобилей, предназначенных для перевозки тяжелых грузов, а также для многоместных автобусов, дизель явно превосходит бензинового конкурента

Преимущества и недостатки дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями

Так, экономический коэффициент полезного действия современных дизелей достигает 37-38%. При этом из-за недостаточной освоенности теплового процесса дизеля эти значения не являются предельными. Для карбюраторного двигателя экономический коэффициент полезного действия достигает 27-28%, и эти значения для существующих конструкций являются почти предельными.

Для дизелей с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания удельный расход топлива составляет в среднем 170- 180 г/э. л. с. ч. (для отдельных двигателей до 165 г/э. л. с. ч.), в то время как у карбюраторных двигателей 240-290 г/э. л. с. ч.

Эти данные относятся к максимальным мощностям; при работе на эксплуатационных мощностях разница в удельном расходе топлива еще больше. Удельные расходы топлива для дизельного и карбюраторного двигателей в зависимости от нагрузки при рассмотрении эксплуатационного расхода топлива транспортных двигателей на единицу пути преимущества дизеля еще более заметны.

Например, при конкурсных испытаниях дизельных двигателей, были получены следующие данные по расходу топлива на 100 км пути. Из них следует, что по сравнению с карбюраторными двигателями расход топлива у автомобильных дизелей на единицу пути ниже в среднем на 40%.

Более высокая эксплуатационная экономичность дизельных двигателей имеет большое значение для всех типов транспортных машин, так как в результате снижения расхода топлива возрастает радиус действия машины при той же ёмкости топливных баков и снижается стоимость эксплуатации.

– работа с воспламенением от сжатия. Для работы дизелей не требуется постороннего источника тепла для воспламенения топлива в цилиндре, так как топливо самовоспламеняется, попадая в среду сжатого и нагревшегося воздуха.

В отличие от карбюраторных двигателей в дизелях не имеется электрической системы зажигания. В карбюраторных двигателях эта система является одним из главных источников неполадок в работе. Ввиду устранения ее в дизелях повышается надёжность их работы, упрощаются уход и эксплуатация двигателя.

• – уменьшенный отвод тепла в систему охлаждения. Эффективность цикла Дизеля, большое теплоиспользование и большая степень расширения уменьшают отдачу тепла в охлаждающую систему. Поэтому систему охлаждения для дизеля легче осуществить более надёжной, что уменьшает возможность перегрева двигателя в эксплуатации.
• – надежность и независимость работы отдельных цилиндров. В карбюраторных двигателях карбюратор не обеспечивает удовлетворительной работы двигателя на всех режимах и равномерное питание всех цилиндров горючей смесью вследствие различных законов движения воздуха и жидкости (топлива). Установка нескольких карбюраторов усложняет конструкцию двигателя, а также его эксплуатацию и регулировку.

Засорение жиклеров карбюратора вызывает перебои в работе двигателя. Низкая температура окружающего воздуха затрудняет в карбюраторных двигателях подачу рабочей смеси и приводит к плохому смесеобразованию; в результате требуется подогрев рабочей смеси.

В дизеле каждый цилиндр фактически имеет отдельную топливоподающую систему.

Эта система обеспечивает равномерное распределение топлива по цилиндрам с точностью от 1 до 3% и допускает изменение подачи топлива только в зависимости от режима работы дизеля.

Распыл топлива под большим давлением обеспечивает надёжное смесеобразование и уменьшает возможность засорения элементов топливной аппаратуры (форсунок). В итоге топливная система дизеля работает более надёжно, что чрезвычайно важно для эксплуатации.

– высокая приемистость и тяговые качества. Двигатель дизеля имеет более высокую приёмистость, чем карбюраторные двигатели, что повышает эксплуатационные качества автомобилей. Это объясняется тем, что дизель обладает свойством более быстро набирать обороты от минимальных до максимальных и что у него быстрее по сравнению с карбюраторным двигателем нарастает эффективное давление в цилиндре.

Эти выводы подтверждаются многочисленными опытами, которые устанавливают зависимость нарастания числа оборотов и среднего эффективного давления по времени.

Кроме того, у карбюраторного двигателя при разгоне наблюдается временное падение эффективного давления, что объясняется ‘захлебыванием’ карбюратора, т. е. неустановившимся процессом смесеобразования, в результате чего удлиняется время разгона машины.

Результаты конкурсных испытаний дизелей, показали, что автомашины с двигателями Дизеля развивают большую скорость при движении на подъём и имеют неизменное по величине ускорение на всём протяжении разгона. У автомобилей с бензиновым двигателем при увеличении скорости ускорение уменьшается.

Пределы изменения скоростей, при которых автомобилю сообщаются максимальные ускорения, и величина ускорений для автомашин с дизелями значительно больше, чем для автомашин с карбюраторными двигателями.

– топливо для дизелей имеет высокую температуру воспламенения и малую летучесть, вследствие этого его значительно легче транспортировать и хранить.

Недостатки дизельного двигателя

• – экологические показатели дизельных моторов значительно уступали до последнего времени моторам бензиновым
• – высокая стоимость
• – хуже динамика разгона
• – больший шум и вибрация;
• – чувствительная топливная система, особенно к нашему топливу
• – затрудненный пуск при низких температурах
• – не терпит высоких оборотов, и как следствие высоких скоростей
• – большая масса, меньшая литровая мощность
• – чаще замена масла и фильтров, масло необходимо более высокого качества
• – для запуска дизельного двигателя необходим аккумулятор большей емкости, следовательно, больше и стоимость
• – сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью

Преимущества карбюраторного двигателя :

• – по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания работают при более высоких числах оборотов
• – простота конструкции
• – низкий уровень шума и вибраций
• – большая литровая мощность
• – при одинаковой мощности вес в 2 раза меньше облегченного дизеля
• – дешевле в приобретении
• – всегда обеспечен запчастями из-за повсеместного применения
• – возможность диагностики и ремонта без привлечения дорогостоящего оборудования и специалистов

Недостатки карбюраторного двигателя

• – больший чем у дизеля расход топлива
• – наличие системы зажигания
• – наибольшая мощность достигается в небольшом диапазоне оборотов, например с 3500 до 4000, правда у новых бензиновых двигателей диапазон более широкий и ровный, за счет изменения фаз газораспределения, применения непосредственного впрыска и т.п.

Применение классических дизелей целесообразно в следующих областях:

• – грузовой автотранспорт;
• – тяжелые коммерческие микроавтобусы;
• – разгонный и коммерческий автотранспорт с большими пробегами;
• – тяжелые джипы при внедорожной эксплуатации;
• – северный транспорт;
• – трактора.

В настоящее время инжекторные системы подачи топлива в большинстве случаев заменили карбюраторы. Это связано с преимуществом инжектора, который может без обслуживания и регулировок длительное время (сотни тысяч километров пробега) сохранять выхлоп автомобиля в рамках современных экологических требований и обеспечивать более качественное, по сравнению с карбюратором, приготовление требуемой горючей смеси на всех режимах двигателя. Карбюратор применяется на старых автомобилях ВАЗ-2106, ВАЗ-2103, ВАЗ-2130, Москвич-2140, ГАЗ-66.

Преимущество и недостатки карбюраторных двигателей по сравнению с дизелями

Преимущества карбюраторных двигателей по сравнению с дизелями:

• • меньшие габаритные размеры и масса;
• • более легкий пуск, особенно при низких температурах окружающей среды;
• • низкий уровень шума;
• • простота и низкая стоимость топливной аппаратуры;
• • более простые регулировки и техническое обслуживание.

К недостаткам карбюраторных двигателей можно отнести:

• • низкую экономичность;
• • загрязнение окружающей среды вредными веществами;
• • высокие требования к топливу;
• • низкие динамические качества при переменных режимах работы;
• • зависимость работы системы питания от положения двигателя и автомобиля;
• • более высокая пожароопасность.

Преимущества дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями:

• • более высокая экономичность;
• • могут работать (кратковременно) на нестандартных топливах;
• • хорошие динамические качества;
• • допускают значительное форсирование мощности путем наддува. Основные недостатки дизелей:
• • большие габаритные размеры и масса;
• • сложная и дорогая топливная аппаратура;
• • более жесткая работа с повышенным уровнем шума.

Особое положение занимают бензиновые двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси. Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструкции могут сочетать в себе положительные свойства как карбюраторных двигателей, так и дизелей.

Преимущества газовых двигателей перед карбюраторными:

• • более низкая себестоимость топлива (в 1,5—2 раза);
• • детонационная стойкость газа выше, чем у бензина, что позволяет увеличить степень сжатия;
• • ресурс в 1,5 раза больше;
• • токсичность отработанных газов меньше.

Недостатки газового двигателя:

• • при одинаковой степени сжатия мощность на 7—12 % меньше;
• • большая металлоемкость топливной аппаратуры (особенно для сжатого газа);
• • высокие требования к технике безопасности при работе с газом;
• • меньший пробег автомобиля на одну заправку (по объему).

Сравнение дизельных и карбюраторных двигателей внутреннего сгорания

С точки зрения экономических показателей дизельные двига­тели значительно экономичнее карбюраторных благодаря следу­ющим факторам.

• На единицу произведенной работы расходуется в среднем на 20. 25 % (по массе) меньше топлива, что объясняется более качественным смесеобразованием и полным сгоранием рабочей смеси.

2. Дизельные двигатели работают на более дешевом топливе, которое менее опасно в пожарном отношении.

Дизельные двигатели имеют недостатки.

• Вследствие более высокого давления газов в цилиндре не­ которые детали должны иметь повышенную прочность, что при­ водит к увеличению размеров и массы двигателя.
• Из-за плохой испаряемости дизельного топлива пуск двига­ теля затруднен, особенно в зимнее время.

Хорошие экономические показатели дизельных двигателей обеспечили им широкое применение в тракторах и автомобилях большой грузоподъемности.

Большинство используемых в сельском хозяйстве двигате­лей четырехтактные, потому что двухтактные двигатели менее экономичны из-за того, что цилиндр хуже очищается от продуктов сгорания. Особенно неэкономичны двухтактные карбюраторные двигатели, в которых цилиндры продувают горючей смесью.

Работа многоцилиндровых двигателей

Коленчатый вал одноцилиндрового двигателя вращается не­равномерно: ускоренно — во время такта расширения и замед­ленно — в других тактах. При сгорании заряда горючей смеси, необходимого для получения нужной мощности, на детали кри-вошипно-шатунного механизма действует ударная нагрузка, что увеличивает их износ и вызывает колебания всего двигателя.

При движении поршня, шатуна и коленчатого вала возникают значительные силы инерции, которые достаточно сложно урав­новесить. Кроме того, для такого двигателя характерна плохая приемистость, т. е. способность быстро увеличивать частоту вра­щения коленчатого вала при увеличении количества сгораемого топлива.

Чтобы устранить недостатки одноцилиндровых двигателей, на тракторах и автомобилях устанавливают многоцилиндровые дви­гатели, т. е. такие, у которых несколько одноцилиндровых двига­телей объединены в один. Коленчатый вал этих двигателей вра­щается более равномерно.

Расположение цилиндров таких двигателей может быть одно-или двухрядным. Цилиндры большинства однорядных двигате­лей размещают вертикально, двухрядных — под углом друг к дру­гу. Двухрядные двигатели (рис. 2.5) могут быть У-образные (угол между цилиндрами меньше 180°) и оппозитные (угол между ци­линдрами равен 180°).

Отечественные двигатели имеют различное число цилинд­ров—от 2 до 12. В многоцилиндровых двигателях такты расши­рения осуществляются в определенной последовательности, в соответствии с порядком работы, который зависит от расположе­ния цилиндров, взаимного положения кривошипов коленчатого вала и последовательности открытия и закрытия клапанов меха­низма газораспределения.

Рассмотрим работу многоцилиндровых двигателей на примере четырехцилиндрового однорядного двигателя (рис. 2.6).

Этот двигатель можно представить как соединенные вместе четыре одноцилиндровых двигателя с одним общим коленчатым валом, кривошипы (колена) которого расположены в одной плоскости. Два крайних колена направлены в одну сторону, а два средних —в противоположную (под углом 180°). В этом случае

а — однорядное; б — двухрядное