Для сжигания 1 кг бензина или 1 кг керосина или 1 кг пропана или 1 кг бутана или 1кг многих прочих углеводородов требуется около 15 кг воздуха. Для сжигания 1 кг дизельного топлива требуется те же самые 15 кг воздуха. Теплотворная способность всех этих топлив тоже практически не отличается.
Почему же дизельному двигателю требуется в разы большее количество воздуха, чем бензину?
Потому что дизель работает не на смеси и это нужно чётко понимать. Хотя смесь в камере сгорания дизельного двигателя, конечно же, присутствует. Но, топливо подаётся в камеру сгорания в жидком виде через распылитель в виде тумана/ пыли/ аэрозоли/ суспензии/ мельчайших капелек.
В дизеле реальная смесь начинает образовываться вокруг каждой мельчайшей частицы топлива сразу же после распыления топлива форсункой. У поверхности капельки смеси будет очень богатой. Чем дальше от поверхности капельки — тем смесь будет беднее. Где-то посередине между этими двумя крайностями концентрация смеси будет около- и стехиометрической. В области этой довольно тоненькой сферы и находятся наиболее благоприятные условия и для самовоспламенения и для сгорания. И именно здесь и будет происходить сгорание смеси топлива и на первом этапе — воздуха. Но сразу после первого этапа смесь начинает представлять из себя иную субстанцию.
Давайте посмотрим подробнее как происходит сгорание солярки в дизельном двигателе:
Гореть не умеют ни жидкие, ни твёрдые вещества. Мало того — гореть не умеют даже отдельные молекулы топлива, которые находятся в таки обнаруженной нами смеси. В фактическом процессе сгорания участвуют только кирпичики(радикалы) знакомых нам элементов. Потому сразу после образования вокруг капельки топлива сферы стехиометрического состава смеси процесса горения не возникает. Сразу после испарения молекула углеводородного топлива начинает стремительно нагреваться и оттого разваливаться на части — на атомы водорода и углерода. Водород чрезвычайно активный элемент и он начинает взаимодействовать с кислородом воздуха первым. Даже это взаимодействие — чрезвычайно сложный и не быстрый процесс. Можете посмотреть на него поподробнее, если интересно:
Главное в другом. Каждое такое взаимодействие — это кроме молекулы воды ещё и хорошая порция энергии. По мере нагрева таких взаимодействий становится всё больше — выделяющаяся энергия перестаёт успевать рассеиваться в пространстве и начнёт ускорять рядом идущие взаимодействия и температура смеси вокруг капельки топлива начнёт нарастать лавинообразно. В этот момент и начнётся знакомое нам горение с выделением лучистой энергии и прочими другими сопутствующими эффектами. Кислорода много. Топлива много. Всё замечательно перемешано. Температура высокая и растёт. Давление высокое и растёт. Начинает гореть даже углерод. Вся зона околостехиометрического соотношения вокруг капельки топлива разом воспламеняется. Нечто типа взрыва сверхновой звезды:
В серьёзных трудах утверждается, что азот более-менее интенсивно начинает окисляться при температурах выше 2500 градусов. В дизеле окислов азота образуется страшное количество, как и сажи, но подавляющая часть окислов азота при понижении температуры опять восстанавливается до азота. Потому, скорее всего, температура в зонах богатой смеси взлетает намного выше 3000 градусов. Потому и сажевые частицы излучают так много лучистой энергии.
Но всё это происходит локально, в очень ограниченных, фактически изолированных зонах.
Температуру больше 2600К имеет всего около 0,2% массы рабочего тела в камере сгорания, больше 2400К – около 2%, больше 2200К – 22%, больше 2000К – 27%, больше 1700К — 28%, остальная часть рабочего тела (около 20%) — никогда не разогреется даже до 1700К. Из-за такой изолированности тепло относительно слабо передаётся стенкам камеры сгорания.
Вернёмся на мгновение из микромира в макромир. Пока первая капелька впрыснутого топлива готовилась к взрыву(самовоспламенению) форсунка продолжала впрыскивать в камеру сгорания тысячи других капелек, каждая из которых тоже тут же начинала готовится к взрыву — нагреваться, испаряться и образовывать смесь. Но как только самовоспламеняется смесь вокруг первой капельки — энергии её взрыва хватает на детонацию и воспламенение смесь вокруг других капелек. Фактически одномоментно воспламеняется ВСЯ образовавшаяся в камере сгорания смесь. Так или иначе — возникает та самая дизельная детонация(взрывное горение) из-за которого дизель и стукатит. Хорошо, что пригодной к сгоранию смесь к моменту самовоспламенения образуется не так уж и много. Дальнейшее смесеобразование будет происходить в условиях страшного дефицита кислорода. И сгорание соответственно происходит совсем не так, как это описывается в литературе.
Возвращаемся в микромир. За то время пока мы отлучались зона околостехиометрического соотношения топлива и воздуха уже вся выгорела. Ни топлива, ни кислорода в ней не осталось. Только продукты сгорания, разогретые до очень высоких температур — вода, углекислота, да щепотка окислов азота. С внешней поверхности этой раскаленной, но вызженной зоны начинают диффундировать молекулы воздуха с большим количеством свободного кислорода. Изнутри начинает подниматься та каша, что образовалась из углеводородов топлива в процессе сильного нагрева и сжатия — радикалы водорода и радикалы различных соединений углерода. Скорость дальнейшего смесеобразование и сгорания будет определяться скоростью поступления атомов кислорода извне и атомов топлива изнутри.
Весь свободный водород, образующийся в результате температурного разложения продолжающих испаряться углеводородов, даже в условиях сильного дефицита кислорода, но начинает не обратимо сгорать по мере взаимодействия с кислородом. Водород очень уж активное вещество. Сгорание его идёт в очень широких стехиометрических и температурных пределах. Скорость его диффузии чрезвычайно высока и сопоставима со скоростью теплопереноса. Для сгорания двум атомам водорода достаточно одного атома кислорода. Потому на время все реакции окисления углерода фактически останавливаются. С углеродом начинается очень длинная история с образованием и преобразованием всяких формальдегидов, гидроксилов и всяческой других веществ. По мере того как атомы водорода потихоньку сваливают из молекулы углеводорода в условиях дефицита кислорода она, эта самая молекула топлива потихоньку вырождается в молекулу - графита. Выделяющиеся в результате пиролиза атомы углерода имеют четыре свободные связи, отдельно не существуют и в зонах недостатка кислорода соединяются между собой, образуя твёрдые кристаллы графита – мельчайшие частицы сажи размером 0,3-0,4 мкм. Сравнительно недавно было обнаружено, что в хорошо нам известной копоти присутствует и большое количество шарообразных молекул, состоящих из 60 и более(до 400) атомов углерода и, иногда, и из 24 и более атомов воды — их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии. Таких частиц образуется в дизеле неимоверное количество. Но страшный чёрный дым, который извергает дизель при перегрузке, содержит всего около 1% сажевых частиц, образовавшихся в процессе сгорания дизельного топлива — подавляющая часть образовавшихся частиц сажи сгорает в процессе догорания топлива, когда весь свободный водород уже иссякает и перестаёт перехватывать кислород под носом у углерода, которому для полного счастия сгорания необходимо сразу два атома кислорода. К этому времени почти весь углерод находится в состоянии раскалённой "алмазной" пыли.
Пока тянется этот химический процесс начинает опускаться поршень двигателя и давление(а следовательно и температура) начинают падать. Расстояние между атомами увеличивается, энергия рассеивается в пространстве, скорость атомов падает — реакции начинают стремительно замедляться. За счёт того, что частички сажи чрезвычайно раскалены — они умудряются ещё долго реагировать с кислородом, если тот встретится им на пути, но по мере опускания поршня вниз толку от этого догорания становится всё меньше, а вреда всё больше. Температура в камере сгорания — не самоцель, она нужна только для двух задач — вначале максимально спалить все топливо(использовать всю энергию) и максимально разогреть рабочее тело (всё содержимое камеры сгорания) чтобы получить максимальное давление (крутящий момент) газов.
Высокая степень расширения дизельного двигателя позволяет полнее преобразовать энергию расширяющихся от нагрева газов в механическую работу. Именно поэтому температура выхлопных газов дизеля заметно ниже температуры выхлопа бензинки, притом что максимальная температура сгорания топлива выше у дизеля.
Углерод выгодно сжигать полностью не только с точки зрения экологических норм — при сгорании 1 атома углерода образуется в 3 раза больше энергии, чем при сгорании 1 атома водорода. Недожиг углерода очень заметно влияет на энергетический баланс в камере сгорания, а соответственно и на мощность и на расход двигателя любой конструкции и косвенно указывает на проблемы с организацией процессов сгорания. К тому же сажа — это очень компактные кристаллы, а углекислота — это газ, который уже и сам по себе создаёт дополнительное давление на поршень.
Вот для того, чтобы сжечь максимальное количество углерода и применяют в дизеле избыток воздуха. По сути в данном случае такова — и в дизеле и в бензинке равного литража на режиме номинальной (максимальной) мощности количество воздуха в камере сгорания практически одинаково. В дизеле невозможно эффективно сжечь столько топлива, столько можно сжечь в бензинке равного литража — не успевает дизельное топливо связать весь кислород воздуха за время сгорания — потому в дизеле до четверти кислорода воздуха вылетает в трубу даже на максимальной мощности. Потому дизельным выхлопом можно спокойно дышать длительное время, в отличие от выхлопа бензинок, где свободного кислорода практически нет. Потому максимальная литровая мощность атмосферного дизеля меньше максимальной литровой мощности атмосферной же бензинки на одинаковых оборотах на те самые 25%. Прямовпрысковый дизель имеет эффективные обороты до 3000-3500 оборотов, вихрекамерник — до 4000 с небольшим, а бензинка легко крутится до 6000. Только за счёт этой разницы в максимальных оборотах бензинка уже на треть мощнее дизеля. Потому максимальная паспортная мощность бензинки в разы превышает максимальную паспортную мощность дизеля равного литража.
Поскольку с конца 80-ых годов дизелестроители сферы легкового транспорта активно боролись с окислами азота, то почти все дизеля 80-ых, 90-ых и начала 2000-ых имеют затянутый впрыск топлива, поздний УОПТ, гипертрофированный ЕГР и несоразмерно высокий расход топлива на мощностных режимах. Сколько-нибудь продолжительно работать с максимальной паспортной мощностью эти дизеля не в состоянии уже прямо с завода из-за перегрева камеры сгорания и поршневой.
