Чому дизелі димлять?

Дизельні двигуни, як відомо, дуже димлять, виробляючи набагато більше синього, білого і чорного диму, ніж їхні бензинові аналоги. Основна причина цього полягає в тому, що дизелі працюють при більш високому тиску, з паливом нижчої чистоти і зі змінним співвідношенням паливо-повітря. У цій статті розглядаються різні типи диму та їхні (складні) причини.

Синій дим і ступінь стиснення

Синій дим зазвичай є ознакою того, що двигун спалює мастило; але чому дизель спалює мастило? Коротка відповідь полягає в тому, що дизельні двигуни дуже сильно нагріваються, і вони залишаються гарячими довше, ніж бензинові двигуни, через те, як вони працюють. Бензинові двигуни працюють в набагато “безпечнішому” для оливи діапазоні, тому, коли щось йде не так з дизелем, набагато ймовірніше, що він спалить оливу. Але чому дизель гарячий, і що відбувається не так?

Чому дизелі димлять?

Дизелі використовують “запалювання від стиснення”, коли стиснення повітря підвищує температуру, достатню для початку горіння. Це дуже відрізняється від бензинового двигуна, який використовує “іскрове запалювання”, де електрична дуга ініціює вибух. А як щодо свічок розжарювання? Ну, не всі дизелі їх мають, а в тих, що мають, свічки розжарювання (тільки) для того, щоб допомогти з запуском.

Стиснення будь-якого газу підвищує його температуру пропорційно збільшенню тиску; якщо дозволити стисненому газу розширитися, він охолоне. Цей ефект пояснює, чому повітряні компресори нагріваються, і чому повітря під тиском і вуглекислий газ завжди відчуваються холодними, коли ви даєте їм розширюватися. У випадку з циклом роботи двигуна таке стиснення відоме як адіабатичне стиснення, що означає стиснення в ізольованому середовищі (циліндрі).

Отже, дизельні двигуни створюють середовище, яке може спалити оливу, оскільки вони сильно нагріваються і залишаються такими, але що змушує оливу горіти? Є кілька ймовірних причин:

Погане ущільнення між поршнем і циліндром (через зношені або пошкоджені поршневі кільця), що робить масляну плівку на стінках циліндра “занадто товстою”. Ця “занадто товста” плівка більше не охолоджується стінками циліндра (оскільки олія не є хорошим провідником тепла), тому найтовстіші частини починають горіти.

Двигун з якоїсь причини перегрівається. Відсутність потоку охолоджувальної рідини, зазвичай через несправність насоса або проблеми з проходженням охолоджувальної рідини, призводить до сильного нагрівання однієї або декількох стінок циліндрів, що призводить до перегріву оливи та її згоряння.

Дуже “бідна” паливо-повітряна суміш може горіти занадто гаряче і спалити оливу, але це трапляється дуже рідко. Причинами виникнення бідної суміші є засмічення паливних форсунок або використання недовантаженого двигуна на високих обертах.

Білий дим

Білий дим – це ознака “багатої суміші” або води в паливі. Бензинові двигуни можуть виробляти білий дим так само, як і дизельні, але вони роблять це набагато рідше. Зачекайте, а що не так з дизелями?

Тиск парів і забруднене водою паливо

Ви могли помітити, що бензинові баки зазвичай герметичні (з клапаном скидання тиску), а от баки для дизельного пального зазвичай вентилюються. Бензинові баки герметичні, щоб запобігти потраплянню забруднень, то чому б не зробити те ж саме з дизельним паливом?

Відповідь полягає в тому, що коли ви викачуєте бензин із закритого бака, частина палива, що залишилася, випаровується, і тиск в ємності наближається до атмосферного. Якщо ви викачуєте дизельне паливо з цистерни, воно не випаровується (майже), тому створюється вакуум, і або насос виходить з ладу, або цистерна вибухає. Тиск парів бензину набагато вищий, ніж у дизельного палива, а це означає, що він утворює хмару пари при низькому тиску (в закритому паливному баку, який спорожняється).

Вентиляційний отвір на дизельному баку може бути необхідним з міркувань безпеки, але він також дозволяє повітрю входити і виходити. Повітря, що надходить і виходить з паливного бака, несе в собі вологу (воду), яка може конденсуватися в баку і забруднювати паливо. Забруднене водою паливо при нагріванні в двигуні утворює пару, що призводить до появи білої хмари (пари), яка виходить з вихлопної труби.

Звідси видно, що дизельні двигуни частіше страждають від забруднення водою, ніж їхні бензинові аналоги. Тим не менш, бензинові двигуни будуть виробляти таку ж пару, якщо в них потрапить вода. Найпоширеніший спосіб потрапляння води в бензиновий двигун – через впуск; будь-який автомобіль з низько розташованим впуском може всмоктати досить багато води і створити вражаючу хмару пари!

Дроселі та багаті суміші

Бензинові (а також газові та пропанові) двигуни використовують дросельні заслінки для регулювання швидкості та потужності. Дроселі – це прості пристрої, як правило, дросельні заслінки, які обмежують кількість повітря, що надходить у циліндри (через впускний колектор). Потім це повітря змішується з паливом у певному заздалегідь визначеному співвідношенні (яке може динамічно регулюватися), щоб створити оптимальне співвідношення повітря-паливо для раптового вибуху (викликаного свічкою запалювання). Все це означає, що бензинові двигуни працюють при досить постійному співвідношенні повітря-паливо, але дизелі працюють зовсім інакше!

Дизелі не використовують дросельну заслінку для керування швидкістю або потужністю, хоча деякі новіші двигуни використовують клапан для регулювання співвідношення паливо-повітря для контролю викидів. Це пов’язано з тим, що дизельному двигуну потрібно багато повітря в циліндрі, щоб створити дуже високий тиск і температуру для процесу стиснення-запалювання. Дизельний цикл також наголошує на повільному, рівномірному згорянні, а не на швидкому вибуху, тому немає необхідності в ідеально вибухонебезпечному співвідношенні паливо-повітря.

Дизелі мають регулятор, який контролює їхню швидкість, (зазвичай) незалежно від їхньої потужності. Регулятори – це системи керування, які контролюють частоту обертання двигуна, регулюючи впорскування палива. Вхід регулятора (механічно або електронно) з’єднаний з розподільчим валом двигуна, вихід регулятора з’єднаний з паливними форсунками або насосами і регулює кількість палива, що впорскується за цикл, що називається “дозуванням палива”.

Коли ви натискаєте на важіль управління дизельного двигуна вперед, ви встановлюєте регулятор на інший рівень, що призводить до впорскування більшої кількості палива під час кожного циклу роботи двигуна. Якщо регулятор збільшується занадто швидко, це призводить до впорскування занадто великої кількості палива, в результаті чого утворюється “багата суміш”, що спричиняє неповне згоряння палива і появу білого диму.

Цей білий дим складається з крихітних частинок частково згорілого палива і дуже схожий на білий дим погано налаштованого бензинового двигуна.

Чорний дим (сажа) і температура

Чорний дим, також відомий як “сажа”, спричинений неповним, низькотемпературним згорянням палива. Коли дизельний двигун не може досягти заданого тиску, температура також буде відповідно низькою.  Існують певні суперечки щодо того, як саме утворюється сажа, але більшість експертів сходяться на думці, що низькі температури спричиняють повільне і неповне згоряння, коли деякі важчі молекули палива злипаються, утворюючи більші, темні частинки.

Дизелі більш схильні до утворення сажі, ніж бензинові двигуни, оскільки вони залежать від стиснення для досягнення і підтримки необхідного тиску і температури. Коли дизельний двигун має (дуже) низький ступінь стиснення, паливно-повітряна суміш не нагрівається достатньо, щоб повністю згоріти, що призводить до утворення великої кількості чорного диму. Бензинові двигуни працюють при набагато нижчому тиску, і вони не залежать від нього для запалювання, тому низький ступінь стиснення не призведе до такого ж неповного згоряння.

Дизельне паливо містить більше “важких” молекул, що утворюють сажу, ніж бензин. Дизельне паливо є набагато щільнішим за бензин, оскільки складається з широкого спектру молекул, які є більшими і містять більше вуглецю, ніж ті, що містяться в бензині. Дизельне паливо також має набагато вищу температуру кипіння, ніж бензин (370С проти 78С), тому воно не може повністю “випаруватися”. Це означає, що при “холодному” спалюванні дизельного палива утворюється густий чорний дим, тоді як при спалюванні бензину зазвичай утворюється біла хмара.

Нарешті, деяким людям подобається виробляти велику кількість чорного диму, відомого як “коксівне вугілля”. Це досягається шляхом використання дуже багатої суміші, яка має два ефекти: вона охолоджує паливно-повітряну суміш у циліндрі (оскільки паливо холодніше і щільніше за повітря), і вона горить холодніше (оскільки багаті суміші завжди горять холодніше, ніж бідні). “Вугільні ролики”, по суті, імітують несправний двигун!