Почему мотор стучит на дешевом бензине, а дизель на морозе не заводится на летней солярке? Сжимай смесь в цилиндре, меняй топливо и воздух и смотри на график давления.
В бензиновом двигателе смесь бензина с воздухом сжимают поршнем и поджигают свечой. Пламя спокойно бежит от свечи к стенкам за тысячные доли секунды. Но при сжатии смесь нагревается, и если топливо нестойкое, ее остаток у стенок взрывается сам, не дождавшись пламени. Это детонация: звонкий металлический стук, удары по поршню и прогар. Стойкость бензина к детонации и показывает октановое число.
В дизеле свечи нет. Воздух сжимают в 15–20 раз, он нагревается до 600–900 °C, и в него впрыскивают топливо. Оно загорается само, но не сразу, а после короткой задержки. Чем легче топливо воспламеняется, тем короче задержка и мягче работа. Эту способность показывает цетановое число. Хорошему бензину нужно высокое октановое число, хорошему дизельному топливу высокое цетановое.
ⓘ Цилиндр показан замедленно: один оборот коленвала за 3 секунды вместо 0,03 секунды. На рисунке только сжатие и рабочий ход, от −180° до +180°. Числа считаются по модели горения, описанной в допущениях, и показывают тенденции, а не паспорт конкретного мотора.
Три формулы объясняют весь опыт: насколько горячей становится смесь при сжатии, хватает ли ей воздуха и сколько времени проходит до воспламенения. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас решает исход, подсвечена.
Сжатие нагревает смесь
Поршень быстро сжимает газ, тепло не успевает уйти, и температура растет. Чем больше степень сжатия, тем горячее смесь перед воспламенением.
Сколько воздуха на 1 кг топлива
Делим воздух, который реально попал в цилиндр, на воздух, нужный точно по уравнению горения. Для бензина L₀ = 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива.
Градусы поворота в миллисекунды
Коленвал при n оборотах в минуту поворачивается на 6 · n градусов в секунду. Делим угол на эту скорость и получаем время.
Октановое и цетановое числа это две стороны одного свойства: насколько легко молекула самовоспламеняется в горячем сжатом воздухе. Длинная прямая цепочка, как н-гептан C₇H₁₈ или цетан C₁₆H₃₄, легко рвется: при нагреве от нее отрываются атомы водорода, начинается цепная реакция, и топливо вспыхивает само. Для дизеля это хорошо, для бензинового мотора это детонация. Компактная разветвленная молекула, как изооктан, или кольцевая, как у ароматических углеводородов, держится дольше и ждет пламени от свечи.
Поэтому у прямогонного бензина октановое число всего 60–70, и его повышают: крекингом и риформингом превращают прямые цепочки в разветвленные и кольцевые, добавляют высокооктановые присадки. А дизельное топливо, наоборот, должно состоять из прямых цепочек, и у него октановое число низкое, около 25. Примерное правило: ЦЧ ≈ 60 − ОЧ/2, высокое одно означает низкое другое.
Зимой у дизельного топлива другая беда: длинные прямые цепочки парафинов на морозе выпадают кристаллами, как сахар из остывшего сиропа. Сначала топливо мутнеет (температура помутнения), затем кристаллы забивают фильтр (предельная температура фильтруемости), а потом топливо застывает. Зимнее и арктическое топливо делают из более легкой части фракции и добавляют депрессорные присадки.
Производитель указывает минимальное октановое или цетановое число. Мотор с высокой степенью сжатия на дешевом бензине детонирует; электроника отодвигает зажигание, мощность и экономичность падают, а при сильной детонации прогорают поршни.
На высокогорном руднике мороз до −30 °C и ниже. Летнее дизтопливо при этом застывает, фильтр забивается парафином, и техника встает. Переход на зимнее или арктическое топливо планируют заранее, а баки и фильтры подогревают.
Черный дым из трубы означает нехватку воздуха: λ слишком мала из-за забитого воздушного фильтра, неисправного турбокомпрессора или перелива форсунок. Сажа оседает в масле и ускоряет износ, поэтому дымность проверяют при техосмотре.
На высоте 3500–4000 м воздух на треть реже. В цилиндр попадает меньше кислорода, λ падает, растут дым и температура выхлопа. Поэтому дизели для высокогорья настраивают на меньшую подачу топлива или ставят турбонаддув с запасом.
Трехкомпонентный нейтрализатор очищает выхлоп только при λ очень близкой к 1. Датчик кислорода в выпускной трубе следит за составом смеси, и блок управления подправляет подачу бензина сотни раз в минуту.
Под землей выхлоп не уходит в небо. Для подземной техники нормируют CO, сажу и оксиды азота, ставят сажевые фильтры и следят за составом смеси, а воздух в выработках контролируют датчиками.
Давление считается по первому закону термодинамики для газа в цилиндре с переменным объемом; теплоотдача в стенки учтена грубо, через долю тепла топлива. Скорость выгорания задается законом Вибе. Детонация определяется по интегралу задержки самовоспламенения несгоревшей смеси (модель Дугласа, Ливенгуда и Ву), где задержка зависит от октанового числа, давления и температуры; при детонации остаток смеси сгорает мгновенно, а колебания давления нарисованы условно. Задержка воспламенения в дизеле считается по формуле Харди и Райца с поправкой на цетановое число. Бензиновый мотор: диаметр и ход 86 мм, 2000 об/мин, полный дроссель. Дизель: диаметр 130 мм, ход 150 мм, 1500 об/мин, впрыск за 8° до ВМТ. Выбросы CO, дымность и полнота сгорания посчитаны по типичным зависимостям от λ и показывают тенденцию. Низкотемпературные свойства дизельного топлива взяты типичными для марок летнее, межсезонное, зимнее и арктическое по ГОСТ 32511 и ГОСТ Р 55475.