устройство, принцип действия, достоинства и недостатки (фото и видео)

Французский ученый С. Карно в 1824 году создал основы термодинамики. В этой работе он, в числе многого другого, утверждал, что заставить тепловую машину работать наиболее экономично можно, доводя рабочее тело до температуры вспышки топлива сжатием. Фактически он сформулировал принцип, на котором работают дизельные двигатели. Оставалось только взять и сделать такой двигатель. Но этого пришлось ждать еще несколько десятков лет.

Рудольф Дизель

В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получает патент на первый двигатель, работающий на сжатии воздуха до температуры вспышки. В 1987 году первый «дизель-мотор» (так немцы называют двигатель с воспламенением от сжатия) заработал и доказал свою эффективность.

Патент, выданный Рудольфу Дизелю на его изобретение

По сравнению с «отто-мотором» (бензиновый двигатель со свечами зажигания) новый двигатель был более тяжелым и поначалу не внушал большого энтузиазма. Но только поначалу. Устройство дизельного двигателя первых образцов включало воздушный компрессор для впрыскивания топлива.

Сам Дизель вначале предполагал применить совсем уж экзотический вариант: угольная пыль. Смесь угольной пыли и воздуха, конечно, способна работать в двигателе, но за сколько часов абразивные частицы съедят кольца, поршни, седла и тарелки клапанов, об этом как-то не подумали. Да и саму угольную пыль получить не так просто.

Из-за тяжелого компрессора двигатель оказывалось невозможно применить на наземном транспорте. Но в работе он расходовал так мало горючего и работа его была настолько устойчивой, что отказаться от него было уже невозможно. Расчеты показывали, что от двигателя можно ожидать значительно большую мощность, если решить проблему с подачей топлива.

У инженеров возникла идея заменить компрессор плунжерным насосом. Качать топливо в жидком виде было чрезвычайно выгодно, на это уходит гораздо меньше энергии, а насос можно сделать совсем небольшим. Однако, изготовить плунжерную пару было не так просто. Дело в особой точности изготовления — расстояние между деталями составляет 2-3 микрона.

Все же дизелям нашлась работа. Впервые они были установлены на немецких подводных лодках еще при кайзере Вильгельме. (Возможно, с этим как раз связано темная история исчезновения самого изобретателя, утонувшего в Ла-Манше по дороге в Англию.)

В 1920 году Роберт Бош наконец, получает качественный плунжерный насос. В цилиндры двигателя научились подавать больше топлива. Теперь обороты дизельного двигателя и его удельная мощность, становятся достаточными для установки на автотранспорте. Вместе с насосом Бош разрабатывает и очень удачную форсунку для топлива.

Сгорание топлива в дизельном двигателе

Проще всего понять, как работает дизельный двигатель, если посмотреть на сгорание топлива в нем. В дизелях используется тяжелое топливо. Это означает, что двигатель внутреннего сгорания такого типа может работать на керосине (известном как солярка), мазуте, сырой нефти, и даже на некоторых растительных маслах.

Все эти виды топлива более калорийны, чем бензин. Так что, рабочая температура дизельного двигателя заметно выше, чем у бензинового. Но тяжелые виды топлива горят хуже, чем бензин, медленнее и трудно поджигаются. Для их воспламенения требуется большая степень сжатия, воздушно-топливная смесь должна нагреваться до 700-800°С.

Вязкость любого из дизельных видов топлива, даже в подогретом состоянии, выше бензиновой, а распылять его необходимо до мельчайшего состояния, особенно в быстроходных дизелях. Еще экспериментальный двигатель Дизеля работал при впрыске топлива под давлением не менее 50 бар (атм), а практический двигатель требует 100-200 бар.

Однако, у тяжелых калорийных топлив есть свое преимущество перед бензином. Давление в цилиндре дизеля практически постоянно на всем такте расширения, поэтому крутящий момент у них весьма значителен и стабилен. Благодаря постоянному давлению, угол опережения зажигания также остается постоянным и регулировки не требует. Ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензинового. Есть области, где дизель практически незаменим, например в сельскохозяйственном тракторе.

Разновидности дизельных двигателей

Принцип действия дизельного двигателя для всех из них одинаков: сначала производится сжатие свежего заряда рабочего тела (воздуха), затем впрыскивается топливо. От высокой температуры смесь воспламеняется и сгорает, поднимая давление. Под его действием поршень двигается обратно и в нижней точке выпускной клапан цилиндра открывается, выпуская отработанный газ. В основном, это углекислый газ, дизельные двигатели экологически чище бензиновых.

Камеры сгорания дизелей могут выполняться непосредственно в днище поршня — там делается выемка особой формы — или в ряде случаев используют предкамеры (или форкамеры, как это говорят на родине двигателя). Первый вариант — самый экономичный, второй считался оптимальным в прежние годы. Сейчас, когда экономичность, во многих случаях, считается решающей, от предкамерных вариантов снова отказываются.

Рабочий процесс в дизеле может протекать, как и в бензиновом двигателе, в два или четыре такта. Подавляющее большинство дизелей — четырехтактные. Двухтактные проще реверсировать, поэтому они распространены на морских судах, где применяется жесткая связь с гребным валом. Камеры сгорания в двухтактных дизелях не разделяются из-за очевидных проблем с продувкой форкамеры.

Конструкция дизельного двигателя зависит от его мощности и назначения. Наиболее мощные двигатели, применяемые на судах и некоторых электростанциях, имеют крейцкопф — устройство для снижения боковых сил на поршень. Все мощные дизели имеют сложно устроенное дно, потому, что подвергаются высокой температуре.

Часть, обращенная в цилиндр, делается стальной, а остальная часть поршня (юбка) — алюминиевой. Кроме того, в поршне сделаны канавки для системы масляного охлаждения.

Типы дизельных двигателей различаются и по расположению цилиндров. Бывает рядовое, V-образное и даже такое, при котором цилиндры располагаются с разворотом на 180 градусов. Это зависит от тех условий, которые имеются на месте установки двигателя. Например, на современном грузовике или автобусе, скорее всего, будет применен двухрядный дизель, установленный под полом кабины водителя. Как устроен дизельный двигатель, будет зависеть и от наличия наддува.

Турбонаддув дизелей

Мощность дизельного двигателя, без увеличения расхода топлива, можно повысить при помощи турбокомпрессора. Тогда можно использовать еще неплохой кусочек диаграммы цикла Карно. Эксплуатация дизельного двигателя с турбокомпрессором имеет то преимущество, что используя энергию выхлопных газов можно раскрутить турбину, и на том же валу установить другую турбину — компрессор.

Этот компрессор будет нагнетать воздух, поступающий через впускной коллектор, увеличится заряд воздуха в цилиндрах, и, таким образом, мощность двигателя заметно возрастет. (Работу таких двигателей легко узнать по характерному свисту в момент раскручивания турбины.)

Плюсы и минусы дизельных двигателей

Преимущества дизельного двигателя — это высокий и постоянный крутящий момент в сочетании с высокой экологичностью выхлопных газов (это относится, правда, только к современным двигателям). Также вне конкуренции их высокий КПД, самый высокий среди ДВС. Известны дизели (MAN) дающие свыше 50%, (что считалось «теоретическим» максимумом). Там использован максимум всех современных достижений. Экономичность достигает до 40%, если провести сравнение с бензиновыми.

Проблемы дизельных двигателей, а без них техники не бывает, заключаются в тяжелом пуске, из-за высокой степени сжатия (до 25 в современных двигателях), на автомобилях приходится ставить мощный стартер и аккумулятор. Большая точность изготовления деталей насосов высокого давления и форсунок затрудняет обслуживание.

Дизели крайне чувствительны к механическим загрязнениям топлива, для очистки которого приходится применять даже центрифугу в составе топливной аппаратуры. При равном объеме в литрах, дизельный двигатель уступает бензиновому по мощности, при равной мощности дизель тяжелее. Дизельный двигатель требует более качественных сплавов для своего изготовления и заметно дороже бензинового.

И все же, сравнивая преимущества и недостатки дизельного двигателя, можно сделать выбор в пользу дизеля. Особенно этому способствует технический прогресс в области электроники и блоков управления двигателями. Система «общая магистраль» (common rail) и электромагнитные форсунки позволяет сильно упростить ТВНД, а блок управления доводит экономию топлива до максимума, поскольку работает на любых переходных режимах и успевает все отследить.

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Ключевые теги: двигатель, двс, устройство автомобиля

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный  воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.

Первый такт — впуск.

Устройство современного двигателя Устройство двигателя современного автомобиля, устройство систем и механизмов двигателя автомобиля

Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление  0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.

Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного  двигателя:

а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан

Второй такт — сжатие.

Как работает двигатель? Как устроен простейший двигатель? Устройство двигателя для детей

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов.

В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Четвертый такт — выпуск.

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200.  После этого рабочий цикл дизеля повторяется.

В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).

При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.

Работа дизельного двигателя, подробнее

Системы безопасности дизельных двигателей | АМОТ

Хотя дизельные двигатели более безопасны, чем бензиновые, при работе в средах, богатых углеводородами, в определенных ситуациях они могут стать источником воспламенения. Скорость дизельного двигателя контролируется внутренним регулятором скорости, который измеряет количество топлива, подаваемого в двигатель. Если в атмосфере присутствуют легковоспламеняющиеся пары, они втягиваются во впускную систему вместе с чистым воздухом, а дополнительное топливо заставляет двигатель разгоняться.

При быстром увеличении оборотов двигателя он всасывает больше воздуха и паров. Цикл продолжается до тех пор, пока двигатель не перейдет на использование неизмеренных паров в качестве источника топлива. Если этот цикл не остановлен, это может привести к превышению скорости двигателя или его разгону, что сделает его потенциальным источником воспламенения взрывоопасных паров и приведет к:

• Подпрыгивание клапана

• Пламя, выходящее из впускной и выпускной труб

• Температура поверхности (автоматическое зажигание)

• Искры

• Катастрофические травмы или смерть

На протяжении более 45 лет AMOT способствует повышению безопасности на опасных производствах, повышая осведомленность о рисках эксплуатации дизельных двигателей в этих условиях и обучая специалистов отрасли способам защиты своего оборудования и людей.

Мы продолжаем инвестировать в исследования и технологии производства, поскольку дизельные двигатели развиваются, чтобы соответствовать современным стандартам производительности.

Мы работаем с производителями двигателей, нефтегазовыми сервисными компаниями, компаниями, предоставляющими услуги поддержки, и операторами для разработки комплексных систем, защищающих от разгона дизельного двигателя и рисков, связанных с тем, что дизельный двигатель может стать источником воспламенения на рабочих площадках.

 

ИНЖЕНЕРНЫЕ ЕДИНИЦЫ

ИМПЕРИАЛ МЕТРИЧЕСКАЯ

Запорные клапаны воздухозаборника

В то время как некоторые компании внедряют протоколы безопасности для предотвращения разгона дизельного двигателя, автоматические запорные клапаны принудительного впуска воздуха являются единственным надежным методом остановки двигателя, когда он начал работать с превышением скорости.

Эти устройства работают, полностью блокируя систему впуска воздуха двигателя, отключая внешний источник топлива и воздух, необходимый для поддержания работы двигателя.

Узнать больше

Переключатели и датчики скорости вращения

Реле скорости используются для контроля оборотов двигателя в автоматических системах защиты от превышения скорости дизельного двигателя. В случае превышения скорости двигателя переключатель скорости немедленно отключит дизельный двигатель. Имеются электрические, электрические и гидромеханические выключатели для опасных зон.

Магазин

Искрогаситель

Искрогасители

предназначены для предотвращения риска возгорания из-за искр, выбрасываемых из выхлопных систем дизельных двигателей. Они обычно используются в морской, нефтегазовой, горнодобывающей, лесной и других опасных зонах.

Магазин

Аксессуары

Комплекты для установки клапана

содержат все компоненты, необходимые для установки клапана в воздухозаборную линию двигателя большинства дизельных двигателей.

Узнать больше

Главное защитное устройство отключения

Главное устройство защитного отключения контролирует давление или температуру вращающихся механизмов в опасных и промышленных условиях. При потере или падении давления ниже заданного значения устройство немедленно отключится.

Магазин

Взрывозащищенный генератор

Стандартные автомобильные генераторы переменного тока являются постоянным потенциальным источником воспламенения при эксплуатации в опасных атмосферах, где могут существовать горючие концентрации газа, паров или пыли.

Магазин

Отключение дизельного топлива

Клапаны отсечки подачи топлива для дизельных двигателей

предназначены для применения в тех случаях, когда требуется отключение подачи топлива в составе систем автоматического отключения двигателя. Клапаны отсечки топлива гидромеханических двигателей предназначены для использования в качестве предохранительных клапанов в гидромеханических системах, работающих под давлением масла. Запорный клапан подачи топлива в двигатель разрежения предназначен для работы совместно с запорным клапаном подачи воздуха в дизельный двигатель.

Магазин

Семь типов дизельного оборудования Экономика

Если вы подумываете о карьере дизельного механика, вам нужно убедиться, что вы знакомы с различными видами оборудования, в котором используются дизельные двигатели.

Национальный совет по биодизелю сообщает, что дизельная технология является ключом к будущему транспортной отрасли, особенно применительно к транспортным средствам средней и большой грузоподъемности (как дорожным, так и внедорожным), а также оборудованию для железнодорожного, морского, промышленного, сегменты сельского хозяйства и строительства. Совет также отмечает, что более 90% всех большегрузных автомобилей в США работают на дизельном топливе, и дизельные пикапы и внедорожники остаются одними из самых продаваемых потребительских автомобилей.

Правление указывает на 37 новых моделей автомобилей, грузовиков и внедорожников с чистым дизельным двигателем, выпущенных только в 2016 году, и еще 40 находятся в разработке для будущих рынков.

Удивительное разнообразие техники приводится в действие дизельными двигателями. Подготовка к карьере дизельного механика в Lincoln Tech может помочь вам познакомиться со многими из них, в том числе с этими примерами, приведенными на Dieselforum. org:

Строительная техника 

Дизель приводит в действие более трех четвертей всей тяжелой строительной техники. Механики в этой области работают вне фирменных или муниципальных мастерских или путешествуют со строительными бригадами. В эту категорию попадают многие типы дизельного оборудования.

Сельскохозяйственное оборудование

Дизельные двигатели приводят в действие более двух третей всего сельскохозяйственного оборудования, ежегодно перемещают 90 процентов сельскохозяйственной продукции и перекачивают пятую часть воды, используемой на фермах США. «Дизельные автомобили используются для посадки продукта, ухода за продуктом (путем полива и внесения удобрений и пестицидов), сбора продукта и даже доставки продукта на рынок для переработки», — сообщает Dieselforum.org.

Большие грузовики

На дизельном топливе перевозится около 90 процентов национального грузового тоннажа; почти все грузовые автомобили для шоссейных дорог оснащены дизельными двигателями. Крупные буровые установки являются одними из наиболее часто встречающихся типов дизельного оборудования, когда речь идет о ремонтных мастерских и тренировочных площадках.

Железнодорожные и морские двигатели

Механикам в обеих этих областях часто требуется обучение работе с определенными системами. Железнодорожные механики сосредоточены на двигателях поездов, которые перевозят около трети всех грузов в США. Морские механики могут сосредоточиться на коммерческих судах, погрузочно-разгрузочном оборудовании, баржах и / или морских рабочих катерах. В обеих областях механики могут путешествовать с транспортными средствами для решения повседневных проблем или работать в магазинах, занимаясь более рутинными обновлениями и настройками.

Автобусы

Количество пассажиров общественного транспорта растет с 1995 года, что повышает спрос на механиков, способных решать проблемы, связанные с дизельным двигателем. При измерении в 2013 году 77 процентов транзитных автобусов были оснащены дизельными двигателями и топливными или дизельными гибридными двигателями.