Как работает дизельный двигатель?
Автомобили с дизельными двигателями составляют почти половину от всего количества транспортных средств, ежегодно продаваемых как на официальных дилерских площадках, так и на вторичном рынке.
Силовые установки этого типа характеризуются экономичностью, значительной мощностью и динамикой. Такие агрегаты демонстрируют высокий крутящий момент и принципиально недоступный для бензиновых двигателей КПД (35%-35% у дизельных систем против 25%-35% у их аналогов). Эти преимущества, а также понизившийся уровень шума при эксплуатации и полное соответствие перманентно усложняющимся стандартам безопасности окружающей среды и обеспечили популярность дизелей как в легковом, так и в коммерческих классах транспортных средств.
Как происходит запуск дизельного двигателя?
Принцип работы дизельного двигателя следующий: в цилиндры поступает чистый воздух, который вследствие высокого сжатия нагревается до 700°С и более. После этого, при приближении поршня к верхней точке его траектории в камеру сгорания под давлением подается горючее, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Момент воспламенения сопровождается резким повышением давления в цилиндре. Такой принцип работы позволяет мотору работать на максимально обедненных смесях, что обеспечивает экономичность его эксплуатации.
Для холодного старта дизеля используется система предпускового нагрева, основным элементом которой являются свечи накаливания –нагревательные элементы, размещенные в камерах сгорания. Они позволяют за несколько секунд поднять температуру воздуха до требуемого значения. При включении системы в салоне загорается лампочка. Ее обесточивание свидетельствует о готовности двигателя к запуску. Подача электроэнергии к свечам прерывается автоматически, спустя 15сек – 25 сек после старта. Это условие позволяет обеспечить стабильную работу непрогретого агрегата. Современные системы данного типа делают возможным легкий запуск дизеля при температурах до -30°С при условии исправности мотора и использования масла и топлива соответствующей сезонности и качества.
Конструктивные особенности
Схема дизельного двигателя в целом повторяет механизм бензинового силового агрегата с той разницей, что аналогичные детали значительно усиливаются с учетом более высоких нагрузок. Поскольку воспламенение происходит в результате сжатия, из схемы исключаются компоненты системы зажигания, а свечи заменяются на элементы накаливания, не дающие искры и предназначенные для предварительного прогревания воздуха в камерах сгорания.
Характерной особенностью конструкции дизельного двигателя, связанной с самим принципом его работы, является геометрия днища поршней. Их форма определяется спецификой камеры сгорания. В верхней точке хода поршня, его днище оказывается выше самой крайней точки блока цилиндров. В некоторых случаях, в донышке поршня и располагается сама камера сгорания. От ее типа и реализованного способа подачи смеси и зависят технические и экологические характеристики конкретной модели дизельного двигателя.
Типы камер сгорания
В зависимости от их геометрии различают следующие виды камер сгорания.
Разделенные. В этом случае первичный впрыск горючего производится в отдельную полость, расположенную в головке блока. Такая технология позволяет снизить нагрузку на поршневую группу, а также значительно уменьшить шум от работы двигателя.
При этом процесс образования смеси может быть:
- Форкамерным (предкамерным). Топливо под давлением поступает в предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими каналами, где ударяется о ее стенки и таким образом смешивается с воздухом. После воспламенения смесь передается в основную камеру, где и дожигается полностью. Необходимый для максимально быстрого истечения газов через каналы перепад давления между цилиндром и форкамерой возникает в момент хода поршня на сжатие и на расширение.
- Вихрекамерным. В этом случае первичное возгорание смеси также производится в отдельной камере, имеющей сферическую геометрию. В момент хода поршня на сжатие порция воздуха поступает в нее по соединительному каналу и интенсивно закручивается, образуя вихревой поток, за счет чего хорошо смешивается с горючим, поданным в определенный момент.
Характерными недостатками агрегатов с разнесенными камерами сгорания является усложненный запуск и повышенный расход топлива в связи с потерями при переходе порции воздуха в дополнительную камеру и обратного хода воспламененной смеси – в цилиндр.
Неразделенные. В этом случае горючее под давлением подается в цилиндр, а камерой служит полость, выбранная в донце поршня. В силу того, что такие агрегаты характеризуются повышенным уровнем шума и вибраций в процессе работы, особенно – при разгоне, до недавнего времени неразделенные агрегаты использовались на низкооборотистых моторах большого объема, предназначенных для коммерческого транспорта. Появление электронных систем впрыска позволило оптимизировать сгорание смеси в таких двигателях и значительно снизить уровень шума от их работы, что в свою очередь сделало неразделенные конструкции наиболее перспективным технологическим решением при проектировании новых типов силовых агрегатов.
Устройство топливной системы дизельного двигателя
Принцип работы дизельного двигателя обуславливает важность подачи в камеру сгорания строго дозированной порции смеси в определенный момент времени и под четко рассчитанным давлением. Система впрыска включает в себя следующие основные компоненты.
Топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот элемент предназначается для забора порции горючего от расположенного в баке насоса подкачки и поочередной раздачи дозированных порций в индивидуальные трубопроводы форсунок на каждый цилиндр. Конструкция таких распылителей подразумевает их открытие при повышении давления в топливных магистралях. В зависимости от технологических решений различают следующие типы ТНВД:
- Многоплунжерные рядные. Этот вариант насоса состоит из отдельных секций, по одной на цилиндр. Как правило, блоки имеют рядную сборку. Каждая секция снабжена гильзой и плунжером, который приводится в движение мотором через кулачковый вал. Давление в подаваемом горючем зависит от частоты оборотов коленвала. Специфика конструкции такого насоса обуславливает высокий уровень шума при его работе и сложность в соблюдении актуальных экологических норм.
- Распределительные. Этот тип насосов поддерживает необходимое давление в соответствии с режимом эксплуатации двигателя и отличаются равномерностью подачи горючего по цилиндрам, а также – стабильной работой на высоких оборотах. Конструкции данного типа имеют один плунжер, который перемещается в двух плоскостях. Поступательные движения обеспечивают нагнетание порции горючего, а вращательные – распределяют его по форсункам. Специфика распределительных насосов обуславливает требовательность к качеству топлива, так как оно служит для смазки трущихся деталей, а прецизионные элементы имеют минимально допустимые зазоры.
Топливные фильтры. Эта деталь дизельного двигателя предназначается для отделения и последующего отвода воды из заправленного в бак горючего, для чего используется сливная пробка в нижней части. Удаление воздуха из системы производится с помощью ручного насоса, расположенного на верхней стороне корпуса. Несмотря на относительную простоту конструкции, фильтр требует внимательного подбора по таким параметрам, как пропускная способность, тонкость очистки и т.д. Для предотвращения забивания кристаллизующимися парафинами и облегчения запуска в холодное время года система может снабжаться электроподогревом.
Турбонаддув. Этот элемент предназначен для нагнетания в цилиндры дополнительного объема воздуха, что позволяет увеличить подачу горючего и повысить мощность силового агрегата. Принцип работы дизельного двигателя подразумевает высокое давление выхлопных газов, которое дает возможность обеспечить эффективность наддува с низких оборотов и при этом избежать эффекта «турбо-ямы». Отсутствие дроссельной заслонки в силовых агрегатах этого типа упрощает схему управления компрессором и позволяет поддерживать эффективность наполнения цилиндров во всем диапазоне оборотов. В первую очередь, наддув позволяет оптимизировать процессы сгорания смеси в ситуациях, в которых атмосферный силовой агрегат будет испытывать нехватку воздуха. Наличие турбины обеспечивает повышение мощности при меньшем рабочем объеме и меньшей массе мотора. При этом снижается жесткость его работы. Установка дополнительного интеркулера – промежуточного охладителя воздуха, позволяет дополнительно повысить мощность силового агрегата на 15% и более за счет увеличения массового наполнения цилиндров.
Специфика работы турбины обуславливает срок ее эксплуатации, значительно меньший, чем ресурс самого дизельного двигателя. При этом, в связи с форсированием, снижается и срок работы силового агрегата, в камерах сгорания которого постоянно поддерживается повышенная температура, требующая охлаждения подаваемым через дополнительные форсунки маслом. Эта конструктивная особенность влечет за собой критическую требовательность мотора к качеству смазочных материалов.
Форсунки. Этот элемент топливной системы предназначен для подачи строго отмеренной дозы горючего в точно рассчитанный момент времени. Появление электронного управления подачей топлива позволило организовать его двухступенчатую подачу неравномерными порциями. При воспламенении первичной дозы повышается температура в камере, после чего в нее поступает основной «заряд» на этот цикл. Такая схема дала возможность исключить скачкообразное нарастание давления и снизить шум работы двигателя. В зависимости от конструкции различают два типа распылителей.
- Насос-форсунки. Эта конструкция объединяет в себе распылитель и плунжерный насос. Данный элемент устанавливается по одному на каждый цилиндр и приводится в действие толкателем, соединенным с кулачком распредвала. Линии подачи и слива горючего представляют собой технологические каналы в головке блока, благодаря чему может быть достигнуто давление до 2200 бар. Электронный блок управления отвечает за дозирование порции топлива и контроль угла опережения впрыска путем отправки сигналов на запорные пьезоэлектрические или электромагнитные клапаны. Конструкция насос-форсунок позволяет эксплуатировать их в многоимпульсном режиме, совершая от 2 до 4 впрысков за один цикл. Такая технология позволяет смягчить работу силового агрегата и снизить токсичность выхлопа.
- Common Rail. Эта конструкция представляет собой общую топливную магистраль (рампу), в которой накапливается горючее, после чего по команде электронного управляющего блока впрыскивается через пьезоэлектрические или электромагнитные форсунки. Конструкция данного типа подразумевает применение ТНВД только для нагнетания давления в аккумуляторе, не используя его для регулировки момента впрыска и дозирования порций топлива. Такое конструктивное решение позволило сократить расход горючего до 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах до 25%. Электронный блок управления распылителями контролирует длительность фазы впрыска и оптимальный момент ее проведения по показателям ряда датчиков – температурного режима мотора, текущей нагрузки на него, давления в рампе, положение педали акселератора и т.д.
Сочетания турбины и системы Common Rail на сегодняшний день считается наиболее эффективным способом увеличения мощности дизельного двигателя при одновременном уменьшении токсичности его выхлопа.
Как работает дизельный двигатель? — автошкола Реал в Люберцах
Достоинство дизельных двигателей — низкие затраты на топливо. В данной статье рассмотрим теорию работы дизельного двигателя — как работает дизель.
Как работает дизель?
В дизелях, в отличие от бензиновых моторов, приготовление горючей смеси топлива с воздухом происходит внутри цилиндров.
Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, необходимо, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы и чтобы каждая частица имела вокруг себя достаточное для полного сгорания количество воздуха. С этой целью топливо в цилиндр впрыскивается форсункой под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха при такте сжатия в камере сгорания.
В дизелях применяют неразделенные камеры сгорания. Они представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня 3 и поверхностями головки и стенок цилиндров. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Углубление 1, выполненное в днище поршня, способствует созданию вихревого движения воздуха.
Мелко распыленное топливо впрыскивается из форсунки 2 через несколько отверстий, направленных в определенные места углубления. Чтобы топливо полностью сгорало и дизель обладал наилучшими мощностями и экономическими показателями, топливо нужно впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ.
Для питания дизельного двигателя применяют дизельное топливо, являющееся продуктом перегонки нефти и представляющее собой маслянистую жидкость светло-коричневого цвета.
Для обеспечения экономичности и долговечности работы двигателя дизельное топливо должно отвечать определенным требованиям. Главные показатели качества топлива — чистота, малая вязкость, низкая температура самовоспламенения, высокое цетановое число (не ниже 40). Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения после момента впрыска его в цилиндр и двигатель работает мягче (без стуков).
Камеры сгорания дизельного двигателя
Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные. Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.
Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом.
Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно — высокий уровень шума.
дизель — Студенты | Britannica Kids
Введение
Encyclopædia Britannica, Inc.Из всех двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель является наиболее эффективным, то есть он может извлекать наибольшее количество механической энергии из заданного количества топлива. Он достигает такого высокого уровня производительности за счет сжатия воздуха до высокого давления перед впрыском очень мелких капель топлива в камеру сгорания. Высокие температуры, возникающие при сильном сжатии воздуха в дизельном двигателе, заставляют топливо сгорать без свечи зажигания, необходимой в бензиновом двигателе. Очень большие дизельные двигатели, которые используются для стационарного производства электроэнергии, а также для приведения в движение лодок и кораблей, могут быть в два раза эффективнее обычного автомобильного бензинового двигателя. Однако высокое давление, создаваемое внутри дизельных двигателей, делает необходимыми тяжелые двигатели с толстыми стенками цилиндров. Большой вес и необходимость тщательного обслуживания системы впрыска топлива сделали дизель наиболее пригодным для грузовых автомобилей, автобусов, малых и средних судов и буксиров, передвижных промышленных энергетических установок и дизель-электрических железнодорожных локомотивов. Его вес делает дизельный двигатель непригодным для использования в самолетах, и он нашел лишь ограниченное применение в легковых автомобилях.
Как работает дизельный двигатель
В дизельных двигателях используется обычное расположение цилиндра и поршня. Цилиндры могут быть расположены вертикально в линию, в два ряда, образующих букву V, или с цилиндрами, расходящимися от центра, как спицы в колесе. (См. также Двигатель внутреннего сгорания; Автомобиль, «Электростанция».)
В широко используемом четырехтактном двигателе поршень втягивает воздух в цилиндр во время первого такта. Во время второго такта воздух в цилиндре сжимается примерно до одной пятнадцатой части своего первоначального объема. Инженеры называют это степенью сжатия 15:1 или 15:1. В конце сжатия давление воздуха более чем в 40 раз превышает атмосферное, а температура воздуха превышает 1000°F (540°C). В этот момент через топливный насос в цилиндр впрыскивается заданное количество мелкодисперсного топлива или топлива в виде очень мелких капель. Очень высокая температура воздуха в цилиндре вызывает очень быстрое сгорание топлива без использования свечи зажигания. Высокотемпературный сгоревший газ толкает поршень к нижней части цилиндра, передавая мощность на коленчатый вал во время третьего такта. Во время четвертого такта газы сгорания под низким давлением выталкиваются через выпускное отверстие. Таким образом, только один удар из четырех обеспечивает мощность.
В двухтактных двигателях, которые, как правило, меньше, чем четырехтактные дизельные двигатели, воздух поступает непосредственно перед началом сжатия, а сгоревшие газы выпускаются ближе к концу рабочего такта. Таким образом, двухтактный двигатель развивает мощность один раз за каждый второй такт. Двухтактный двигатель, как правило, менее эффективен, чем четырехтактный, но может развивать большую мощность при заданном размере двигателя и скорости. Двухтактные двигатели используются там, где необходимы небольшие одно- или двухцилиндровые двигатели и где для прерывистой работы четырехтактного двигателя потребуется слишком большой маховик, чтобы двигатель работал с почти постоянной скоростью.
Сердцем дизельного двигателя является его система впрыска топлива. Каждый цилиндр имеет отдельный топливный насос, который может развивать давление свыше тысячи фунтов на квадратный дюйм (70 килограммов на квадратный сантиметр), чтобы нагнетать отмеренное количество масла через очень маленькие отверстия форсунки в цилиндр. Высокие давления в сочетании с маленькими отверстиями вызывают распыление топлива. Количество топлива, впрыскиваемого при каждом такте, должно варьироваться в соответствии с требованиями к мощности, предъявляемыми к двигателю. Для дизельных двигателей могут использоваться различные типы масел. Наиболее часто используемое масло, обычно называемое дизельным топливом, аналогично тому, которое используется в домашних системах отопления.
Высокие давления, возникающие при сжатии, требуют больших пусковых двигателей для автомобильных дизелей. Большие неавтомобильные дизельные двигатели обычно запускаются с подачей сжатого воздуха от вспомогательного компрессора и резервуара для хранения воздуха. Для холодного небольшого дизельного двигателя во время запуска требуется источник тепла в цилиндре, называемый свечой накаливания, чтобы способствовать начальному сгоранию. В очень холодную погоду требуются более длительные периоды прогрева, а также следует позаботиться о том, чтобы топливо могло свободно течь из бака в двигатель. Поэтому дизельные двигатели не рекомендуются для использования в автомобилях в очень холодном климате, если топливо не может быть предварительно подогрето. Производительность больших дизельных двигателей можно улучшить за счет добавления нагнетателя, который предварительно сжимает воздух перед его подачей в цилиндр, тем самым увеличивая количество воздуха и топлива, доступных для сгорания во время каждого рабочего такта.
История и применение
Дизельный двигатель был впервые разработан немецким инженером Рудольфом Дизелем, который пытался улучшить эффективность парового двигателя и бензинового двигателя, который был изобретен незадолго до этого (см. Дизель, Рудольф). Современный дизельный двигатель все еще очень похож на двигатель, описанный Дизелем в его первоначальном патенте 1892 года и его описании 1893 года. Первый дизельный двигатель для коммерческого использования был построен в Соединенных Штатах и установлен в Сент-Луисе, штат Миссури, пивоваренной компанией в 189 году.8. Конструкция двигателя была основана на двигателе, выставленном в Германии. В течение нескольких лет в эксплуатации находились тысячи дизельных двигателей.
Дизельные двигатели обычно имеют мощность от 10 до 1500 лошадиных сил. Они широко используются в автобусах и грузовиках, где важна топливная экономичность. Они управляют тракторами, экскаваторами, воздушными компрессорами, насосами, подъемниками и лебедками, оборудованием для кондиционирования и охлаждения воздуха и многими другими промышленными машинами. Тихоходные дизельные двигатели очень надежны и используются как для производства электроэнергии, так и для морских судов. До появления атомной энергетики все подводные лодки были дизельными. Почти все железнодорожные локомотивы в настоящее время используют дизель-электрический привод, в котором двигатель соединен с электрогенератором, который подает электроэнергию на двигатели, приводящие в движение колеса.
В последние годы сельское хозяйство Китая произвело революцию, заменив сельскохозяйственных тягловых животных 12-сильными одноцилиндровыми дизельными тракторами местного производства на опоре, похожей на тачку.
Фред Лэндис
Как работает дизельный двигатель
Чем дизельные двигатели отличаются от газовых и почему вам следует задуматься о покупке автомобиля с дизельным двигателем? Сравниваются эффективность и чистота.
Соммай Дамронгпанич/Shutterstock
Менее 5% автомобилей и легких грузовиков, эксплуатирующихся сегодня на американских дорогах, оснащены дизельными двигателями. Сравните это с остальным миром, особенно с Европой, где половина или более легковых автомобилей работают на дизельном топливе. Несоответствие вызывает много вопросов.
Как работает дизельный двигатель:
Дизельные двигатели существуют с конца 19 го века. Изобретенные Рудольфом Дизелем, который родился во Франции, но начал свою карьеру в Германии, дизельные двигатели отличаются от газовых двигателей в основном тем, как происходит сгорание топлива. В остальном механика неотличима. В то время как бензиновые двигатели полагаются на свечи зажигания для воспламенения смеси бензина и воздуха в камере сгорания, дизельные двигатели перегревают воздух, сжимая его до такой степени, что горячий воздух вызывает воспламенение топлива при контакте. Этот тип сгорания на 25-35% более эффективен, что приводит к лучшему расходу бензина. Четырехдверный седан с дизельным двигателем обычно может проехать более 50 или даже 60 миль на галлоне топлива, легко затмевая своих бензиновых собратьев.
Каковы преимущества дизельных двигателей?
Помимо увеличения пробега, дизельные двигатели служат в среднем примерно в два раза дольше, чем бензиновые двигатели. Такая долговечность во многом обусловлена тем, что дизельное топливо содержит больше натуральных смазочных материалов, чем бензин, что снижает износ двигателя. По этой причине большинство коммерческих грузовиков и многие домашние резервные генераторы работают на дизельном топливе.
Дизельные двигатели также меньше загрязняют окружающую среду на милю, чем бензиновые двигатели, особенно в последние годы, поскольку новые дизельные технологии позволили значительно сократить выбросы. По существу устранены характерные клубы черного дыма из выхлопных газов дизельных двигателей. Однако дизель производит больше твердых частиц в выхлопных газах, а также больше двуокиси азота, поэтому вопрос о том, какое топливо лучше для окружающей среды, все еще обсуждается. Если вы совершаете в основном короткие поездки на своем автомобиле, кажется очевидным, что бензин является более экологичным вариантом. Но если вы едете на большие расстояния, дизель — лучший вариант.
Технический прогресс также устранил и другую основную проблему дизельных двигателей, заключающуюся в том, что они медленнее разгоняются. Современные дизельные двигатели разгоняются от 0 до 60 миль в час, что сравнимо с бензиновыми автомобилями.
Почему дизельные автомобили не прижились в США?
Есть много причин, по которым дизельные двигатели до сих пор не играют существенной роли на американском рынке легковых автомобилей, и большинство из них экономические. Поскольку дизельные двигатели дороже в производстве, цены на наклейки выше — вы можете рассчитывать на надбавку не менее 2000 долларов. Дизельные двигатели также обходятся дороже в ремонте, а страховка дизельных автомобилей обычно дороже. Кроме того, несмотря на то, что процесс очистки, используемый для создания дизельного топлива, проще, чем для бензина, дизельное топливо дороже, что компенсирует выгоды от увеличения пробега. Федеральные налоги на дизельное топливо примерно на 25% выше, чем на бензин: в настоящее время 24,4 цента за галлон для дизельного топлива по сравнению с 18,4 цента для бензина.