Kita semua tahu dengan baik bahawa enjin diesel lebih menjimatkan daripada enjin petrol. Tetapi tidak semua orang tahu mengapa. Hari ini kita akan mengkaji isu ini, dan kita akan mulakan dengan teori: apakah faktor kecekapan dan mengapa ia boleh berbeza.
Ideal dan sebenar
Pemikiran pertama yang terlintas di fikiran apabila ditanya tentang kecekapan biasanya jelas dan betul: kecekapan diesel lebih tinggi, yang bermaksud ia lebih menjimatkan. Sebab utama sebenarnya terletak pada pernyataan ini – ia adalah fakta. Tetapi kemudian kesukaran bermula, kerana tidak semua orang dapat menjelaskan kecekapan diesel yang lebih tinggi. Dan ini tidak menghairankan, kerana ini adalah isu yang agak rumit, yang sangat sukar difahami tanpa asas termodinamik dan teori enjin pembakaran dalaman. Kita akan cuba untuk tidak menyelidiki rimba teori mampatan isentropik, bekalan haba isokorik dan isobarik, tetapi kita perlu mengingati perkara-perkara utama.
Enjin pembakaran dalaman merupakan enjin haba, jadi kecekapannya biasanya difahami sebagai kecekapan terma, iaitu nisbah kerja kitaran kepada jumlah haba yang dibekalkan kepada bendalir kerja dalam kitaran. Walau bagaimanapun, untuk penilaian kecekapan enjin yang lebih lengkap, kecekapan lain juga digunakan: kecekapan dalaman relatif, kecekapan penunjuk, mekanikal dan berkesan. Secara keseluruhannya, kedua-duanya memberikan pemahaman yang lebih lengkap tentang perbezaan kecekapan enjin diesel dan petrol. Yang terakhir, berkesan, amat penting, tetapi kita akan mulakan dengan asasnya – dengan kecekapan terma.
Formula untuk mengira kecekapan terma adalah mudah: kerja kitaran dibahagikan dengan jumlah haba yang dibekalkan kepada bendalir kerja dalam kitaran. Iaitu, kecekapan akan lebih tinggi, semakin banyak kerja yang dilakukan bagi setiap unit haba yang dikeluarkan. Sudah tentu, haba diambil daripada bahan api yang terbakar, jadi keadaan yang paling penting ialah parameter proses pembakaran: adalah perlu bahawa lebih banyak haba dilepaskan dalam satu kitaran. Dan untuk ini, kelajuan dan kesempurnaan pembakaran bahan api adalah penting. Bahan api petrol dan diesel terbakar secara berbeza. Dalam enjin petrol, pembakaran berlaku dengan pencampuran awal dengan bahagian hadapan api. Iaitu, campuran bahan api-udara yang homogen mula terbakar dari palam pencucuh, kemudian melalui bahagian hadapan api di seluruh ruang pembakaran. Ia menjadi cepat, tetapi dalam enjin yang boleh digunakan, ia tidak mencapai letupan (atau lebih tepatnya, ia tidak sepatutnya). Satu lagi jenis pembakaran adalah tipikal untuk diesel – pembakaran resapan, di mana sementara satu bahagian bahan api sudah terbakar dan isipadu gas mengembang, pembakaran bahan api yang lain seterusnya bermula. Ciri-ciri bahan api diesel dan petrol adalah penting di sini: jika dalam kes pertama bahan api sepatutnya sukar dinyalakan dan mempunyai takat didih yang rendah (untuk mengurangkan risiko letupan), maka dalam kes kedua ia sepatutnya mendidih pada suhu yang lebih tinggi, tetapi lebih mudah terbakar. Dalam kehidupan seharian, ini benar: bahan api diesel mempunyai takat didih yang lebih tinggi daripada petrol, tetapi pada masa yang sama ia lebih mudah terbakar: suhu penyalaan automatik bahan api diesel adalah kira-kira 265 darjah, campuran petrol – kira-kira 280. Sudah tentu, semua ini hanya relevan apabila bekerja dalam enjin, dengan mengambil kira keadaan yang timbul semasa mampatan kuat dalam silinder dan pengayaan arus atau pengurangan campuran bahan api-udara petrol.
Sekarang mari kita ingat bahawa kecekapan pembakaran bahan api bergantung secara langsung kepada dua parameter: kesempurnaan pembakarannya dan tahap mampatan (lebih banyak mampatan – lebih banyak pulangan tenaga pengembangan gas). Secara teorinya, campuran bahan api-udara petrol terbakar dengan lebih lengkap kerana jaraknya yang dekat dengan stoikiometri, iaitu, disebabkan oleh jumlah pengoksida yang mencukupi untuk pembakaran (oksigen), manakala enjin diesel berjalan pada campuran yang sangat nipis. Di samping itu, campuran petrol dinyalakan oleh palam pencucuh selepas pencampuran, dan ini sangat penting untuk pembakaran pada isipadu malar. Dengan enjin diesel, semuanya adalah sebaliknya: pembakaran resapannya lebih perlahan kerana bahan api diesel disuntik ke dalam udara yang dimampatkan pada akhir lejang suntikan, dan bukan sebagai campuran siap. Dan memandangkan pembakaran lebih perlahan, sebahagian besarnya berlaku semasa tempoh omboh sudah bergerak ke bawah. Nampaknya enjin petrol sepatutnya mempunyai kecekapan yang lebih tinggi, tetapi tidak: enjin diesel dibantu oleh kelebihan hampir dua kali ganda dalam nisbah mampatan, yang menafikan semua kelebihan enjin petrol dari segi kadar pembakaran campuran yang lebih homogen. Dan mungkin ini disebabkan oleh apa yang telah dinyatakan di atas: udara dimampatkan dalam silinder enjin diesel, bukan campurannya, dan bahan api diesel dibekalkan pada akhir lejang mampatan. Akibatnya, kecekapan termodinamik enjin diesel jauh lebih tinggi daripada enjin petrol. Tetapi ini hanyalah puncak gunung ais, dan ia hanya dapat dilihat dalam enjin ideal yang wujud di dunia ideal.
Beberapa pekali lagi
Sekarang mari kita bincangkan sedikit tentang kecekapan lain yang digunakan untuk menilai keberkesanan enjin. Yang pertama ialah kecekapan dalaman relatif. Anda mungkin tahu bahawa konsep seperti gas ideal atau campuran stoikiometri (iaitu, juga ideal, yang mengandungi jumlah oksigen yang diperlukan untuk pembakaran bahan api yang lengkap) sering digunakan untuk pengiraan dalam termodinamik. Sebagai peraturan, pengiraan ini tidak mengambil kira beberapa kebocoran dalam ruang pembakaran (atau lebih tepatnya, ia mengabaikannya sebagai tidak penting), tidak mengambil kira perubahan dalam penyingkiran haba disebabkan oleh, contohnya, enjin yang kotor atau ketidaksempurnaan dalam sistem penyejukan. Adalah mustahil untuk mengambil kira semuanya, jadi konsep kitaran termodinamik ideal telah diguna pakai, yang berlaku dalam enjin pembakaran dalaman yang ideal.
Sebenarnya, kecekapan haba yang sama yang telah kita bincangkan di atas juga dikira untuk enjin petrol dan diesel ideal, berdasarkan proses termodinamik idealnya. Jadi, kecekapan dalaman relatif menunjukkan betapa hampirnya enjin sebenar dengan ideal. Lebih tepat lagi, betapa hampirnya kitaran termodinamiknya dengan kitaran ideal. Adalah mustahil untuk menentukan kecekapan ini melalui pengiraan (pengujian enjin hidup diperlukan), tetapi telah ditetapkan secara eksperimen bahawa kecekapan dalaman relatif unit petrol adalah dari 0.4 hingga 0.7, dan unit diesel adalah dari 0.6 hingga 0.8 (atau masing-masing 40-70 dan 60-80%). Secara ringkasnya, enjin diesel lebih sempurna dalam prosesnya berbanding enjin petrol – ia kurang bergantung pada faktor yang sukar diambil kira, yang menjadikannya sedikit lebih “ideal”.
Kecekapan yang ditunjukkan diperoleh dengan menambah kecekapan terma dan kecekapan relatif. Secara amnya, parameter ini menerangkan berapa banyak kuasa yang dihasilkan oleh enjin sebenar bagi setiap unit haba pembakaran tentu bahan apinya. Oleh kerana kita telah menetapkan bahawa kedua-dua kecekapan ini lebih tinggi untuk enjin diesel, jumlahnya akan lebih besar daripada enjin petrol.
Tetapi kecekapan mekanikal, yang mengambil kira kehilangan kuasa untuk mengatasi daya geseran dalam enjin dan kos memandu lampiran, adalah lebih kurang sama untuk enjin diesel dan petrol – kira-kira 0.8 (atau 80%).
Akhirnya, kita sampai ke kecekapan berkesan (atau kecekapan ekonomi). Ini adalah parameter yang mengambil kira semua kecekapan sebelumnya dan mencerminkan nisbah kuasa berkesan kepada kuasa haba bahan api. Dalam bentuk yang agak mudah, ia boleh diwakili sebagai hasil darab penunjuk dan kecekapan mekanikal, dan nilai inilah yang biasanya disebut sebagai penunjuk kecekapan klasik enjin pembakaran dalaman. Sudah tentu, ia berbeza untuk enjin yang berbeza, tetapi secara purata, untuk enjin petrol, kecekapan ini ialah 0.30 (atau 30%), untuk enjin diesel – dalam lingkungan 0.45 (45%). Hasilnya, kita boleh mengatakan bahawa enjin diesel akan sentiasa 10-15 peratus lebih menjimatkan daripada enjin petrol: dengan jumlah ini, ia menghasilkan lebih banyak kuasa setiap unit bahan api terbakar baik secara teori mahupun dalam praktik. Tetapi anda boleh mengatakan ini, tetapi ia bukanlah kebenaran mutlak.
Bukan sahaja Otto
Teknologi tidak berhenti, dan anehnya, fizik enjin juga berubah. Semua yang telah kita bincangkan di atas, dari segi enjin petrol, hanya terpakai kepada enjin yang beroperasi pada kitaran Otto. Tetapi banyak enjin moden dalam mod melahu atau beban minimum beroperasi pada kitaran Miller, dan dalam beberapa mod lain – pada kitaran Atkinson. Mengapa?
Sebabnya ialah dalam usaha mereka untuk menjadikan enjin secekap dan mesra alam yang mungkin, jurutera telah menemui hakikat bahawa dalam mod tanpa muatan, kecekapan enjin volumetrik petrol telah mula kelihatan sangat rendah. Kehilangan pendikit mereka, iaitu kehilangan yang berlaku apabila udara masuk pada bukaan pendikit minimum, meningkat dengan cepat. Di sini, pergolakan menjadi sangat tinggi, dan geseran udara terlalu besar. Enjin diesel tidak mempunyai masalah ini kerana ketiadaan injap pendikit itu sendiri, tetapi sesuatu perlu dilakukan dengan enjin petrol. Selain itu, semakin besar isipadu enjin, semakin besar kehilangan pendikit, jadi langkah yang betul adalah dengan mengurangkan isipadu enjin tanpa mengurangkan kuasanya. Bagaimana? Dengan menggunakan supercharger, yang bukan sahaja mampu meningkatkan nisbah mampatan berkesan, tetapi juga meminimumkan kehilangan pendikit dengan mengurangkan isipadu enjin. Hasilnya, kecekapan menjadi lebih tinggi sebanyak 15-20% (dan kuasa – sehingga 30%) dengan isipadu enjin yang lebih kecil dan julat pusingan dan beban yang lebih luas. Walau bagaimanapun, anda boleh pergi lebih jauh.
Jika dalam kitaran Otto, keempat-empat lejang berlangsung dalam masa yang sama, maka apabila bekerja mengikut kitaran Miller pada saat pemampatan, injap pengambilan kekal terbuka untuk beberapa ketika. Dalam kes ini, pengisian silinder lebih teruk, kuasa berkurangan, tetapi apabila bekerja tanpa beban, ini tidak kritikal, dan kecekapan haba meningkat serta-merta sebanyak 5-7%. Kitaran Atkinson mempunyai makna fizikal yang hampir sama, walaupun ia dilaksanakan dengan cara yang berbeza dan lebih kompleks. Walau bagaimanapun, ia juga boleh memberikan peningkatan kecekapan dalam lingkungan 10%. Berdasarkan latar belakang ini, penggunaan dua palam pencucuh dalam satu silinder, seperti yang dilakukan oleh Mercedes, atau palam pencucuh berbilang sentuhan untuk penyalaan campuran bahan api-udara yang optimum nampaknya seperti permainan kanak-kanak. Akibatnya, kini mereka kadangkala bercakap tentang kecekapan enjin petrol dalam lingkungan 45% atau 50% yang hebat.
Walau bagaimanapun, ini menyerupai helah pemasaran: dalam beberapa mod, kecekapan benar-benar boleh menjadi jauh lebih tinggi, tetapi dalam mod kuasa, enjin petrol sentiasa beroperasi pada kitaran Otto, dan kecekapannya pada saat paling sensitif untuk pemandu tidak meningkat dalam apa jua cara dan tidak melebihi 35% paling baik. Dan hari ini, enjin petrol menggunakan sistem suntikan berstrata langsung yang sangat canggih, di mana penyuntik mengagihkan bahan api dengan sangat tepat ke seluruh ruang pembakaran, yang membantu menyediakan campuran bahan api-udara yang paling homogen. Terdapat juga suntikan langsung berasingan, yang menyediakan satu atau lebih suntikan dengan campuran tanpa lemak pada lejang pengambilan dan suntikan dengan pengayaan pada lejang mampatan, dan sistem pemasaan injap boleh ubah, dan sistem angkat injap boleh ubah, dan beberapa penambahbaikan teknikal lain. Dan semua ini adalah dalam usaha untuk meningkatkan kecekapan, yang, walaupun semua perkara di atas, jauh daripada kecekapan enjin diesel.
Walau bagaimanapun, enjin diesel juga tidak berhenti: kini mustahil untuk membayangkannya tanpa pengecasan lampau, dan peralatan bahan api yang membolehkan anda menetapkan suntikan hampir sempurna menjadi lebih tepat dan kompleks. Namun, kemungkinan besar mustahil bagi enjin Otto untuk mengejar enjin Diesel dari segi kecekapan. Tetapi dengan penglibatan Atkinson dan Miller, sesuatu mungkin akan berjaya. Jika bukan kerana “agenda hijau”, yang mana kita perlu lebih kerap memikirkan tentang bateri dan motor elektrik, dan bukan tentang enjin pembakaran dalaman biasa. Walau bagaimanapun, terdapat sebab untuk mempercayai bahawa era enjin pembakaran dalaman belum berakhir dan pertempuran untuk kecekapan akan berterusan dalam masa terdekat dan jauh. Kami akan terus memerhati, dan dengan senang hati.
Mari kita ringkaskannya
Jawapan kepada soalan yang diajukan dalam tajuk telah diberikan dalam teks, tetapi kami akan merumuskannya sekali lagi, secara ringkas dan mudah. Disebabkan oleh nisbah mampatan yang lebih tinggi dan keanehan pembakaran bahan api, enjin diesel memerlukan kurang bahan api untuk menghasilkan jumlah kerja yang sama disebabkan oleh kecekapannya yang lebih tinggi. Ini bermakna ia akan sentiasa lebih menjimatkan daripada enjin petrol dengan isipadu kerja yang sama.