Дизельні двигуни

Дизельні двигуни внутрішнього згоряння

04.01.2016

Ді’зельный дви’гатель — поршневий двигун внутрішнього згоряння, що працює на дизельному паливі. Основна відмінність дизельного двигуна від бензинового полягає в способі подачі паливо-повітряної суміші в циліндр і способі її займання. У бензиновому двигуні паливо змішується з всмоктуваним повітрям до потрапляння в Дизельні двигуни внутрішнього згоряння
циліндр, одержувана суміш підпалюється в необхідний момент свічкою запалення. На всіх режимах, за винятком режиму повністю відкритої дросельної заслінки, дросельна заслінка обмежує повітряний потік, і наповнення циліндрів відбувається неповністю.

В дизельному двигуні повітря подається в циліндр окремо від палива і потім стискається. З-за високого ступеня стиснення (від 14:1 до 24:1), коли повітря нагрівається до температури самозаймання дизельного палива (700-800°С), воно впорскується в камери згорання форсунками під великим тиском (від 10 до 220 МПа). Свічки у дизеля теж можуть бути, але вони є свічками розжарювання і розігрівають повітря в камері згорання, щоб полегшити запуск.

Дизельний двигун використовує в своїй роботі термодинамічний цикл з изохорно- изобарным підведенням теплоти(цикл Трінклера- Дизельні двигуни внутрішнього згоряння
Сабатэ), завдяки дуже високій ступеня стиснення вони відрізняються великим ККД в порівнянні з бензиновими двигунами.

В 1890 році Рудольф Дизель розвинув теорію «економічного термічного двигуна», який завдяки сильному стиску в циліндрах значно покращує свою ефективність. Він отримав патент на свій двигун 23 лютого 1893.Дизельні двигуни внутрішнього згоряння

Цікаво, що в написаній ним книзі в якості ідеального палива пропонувалася кам’яновугільна пил. Експерименти ж показали неможливість використання вугільного пилу в якості палива — перш за все із-за високих абразивних властивостей як самої пилу, так і золи, отримуваної при згорянні; а також великі проблеми з подачею пилу в циліндри. Зате була відкрита дорога до використання в якості палива важких нафтових фракцій. Хоча Дизель і був першим, який запатентував такий двигун із займанням від стиснення, інженер по імені Екройд Стюарт висловлював раніше схожі ідеї. Він запропонував двигун, в якому повітря втягувався в циліндр, стискалося, а потім нагнітався (в кінці такту стиснення) в ємність, у яку впрыскивалось паливо. Для запуску двигуна ємність нагрівалася лампою зовні, і після запуску самостійна робота підтримувалася без підведення тепла ззовні. Дизельні двигуни внутрішнього згоряння

Екройд Стюарт не розглядав переваги роботи від високого ступеня стиснення, він просто експериментував з можливостями виключення з двигуна свічок запалювання, тобто він не звернув уваги на найбільшу перевагу — паливну ефективність. Може, це і було причиною того, що використовується термін «двигун Дизеля», «дизельний двигун» або просто «дизель», т. к. теорія Рудольфа Дизеля стала основою для створення сучасних двигунів із запалюванням від стиснення. Надалі близько 20-30 років такі двигуни широко застосовувалися в стаціонарних механізми і силових установках морських суден, проте існували тоді системи вприскування палива не дозволяли застосовувати дизелі у високо-спритних агрегатах. Невелика швидкість обертання, значний вага повітряного компресора, необхідного для роботи системи вприскування палива зробили неможливим застосування перших дизелів на автотранспорті.

В 20-ті роки XX століття німецький інженер Роберт Бош удосконалив вбудований паливний насос високого тиску, пристрій, який широко застосовується і в наш час. Використання гідравлічної системи подачі і впорскування палива дозволило відмовитися від окремого повітряного компресора і зробило можливим подальше збільшення швидкості обертання. Затребуваний в такому вигляді високообертовий дизель став користуватися все більшою популярністю як силовий агрегат для допоміжного і громадського транспорту, однак доводи на користь двигунів з електричним запалюванням (традиційний принцип роботи, легкість і невелика ціна виробництва) дозволяли їм користуватися великим попитом для встановлення на пасажирських і невеликих вантажних автомобілях, В 50 — 60-ті роки дизель встановлюється у великих кількостях на вантажні автомобілі та автофургони, а в 70-ті роки після різкого зростання цін на паливо, на нього звертають серйозну увагу світові виробники недорогих маленьких пасажирських автомобілів.

В подальші роки відбувається зростання популярності дизеля на легкових і вантажних автомобілях, не лише через економічності і довговічності дизеля, але також з-за меншої токсичності викидів в атмосферу. Всі провідні європейські виробники автомобілів в даний час пропонують як мінімум по одній моделі з дизельним двигуном.

При першому такті (такт впуску, поршень йде вниз) свіжа порція повітря втягується в циліндр через відкритий впускний клапан.

При другому такті (такт стиснення, поршень йде вгору) впускний і випускний клапани закриті, і повітря стискується в об’ємі приблизно в 17 разів (від 14:1 до 24:1), тобто обсяг стає менше в 17 разів порівняно із загальним об’ємом циліндра, і повітря стає дуже гарячим.

Безпосередньо перед початком третього такту (такт робочого ходу, поршень йде вниз) паливо впорскується в камеру згоряння через розпилювач форсунки. При впорскуванні паливо розпилюється на дрібні частинки, які рівномірно Дизельні двигуни внутрішнього згоряння
перемішуються зі стисненим повітрям для створення самовоспламеняемой суміші. Енергія вивільняється при згорянні, коли поршень починає свій рух в такті робочого ходу. Впорскування триває, що викликає підтримання постійного тиску спаленного палива на поршень.

Випускний клапан відкривається, коли починається четвертий такт (такт випуску, поршень йде вгору), і вихлопні гази проходять через випускний клапан.

В залежності від конструкції камери згоряння, існує кілька типів дизельних двигунів:

Дизель з неподіленою камерою («дизель з безпосереднім уприскуванням»): камера згоряння виконана в поршні, а паливо впорскується в надпоршневое простір. Головне достоїнство мінімальний витрата палива. Недолік — підвищений шум. В даний час ведуться інтенсивні роботи з усунення зазначеного недоліку.

Дизель з разделенно ї камерою: паливо подає Дизельні двигуни внутрішнього згоряння
ся в додаткову камеру. У більшості дизелів така камера (вона називається вихровий) пов’язана з циліндром спеціальним каналом так, щоб при стисненні повітря, потрапляючи у вихрову камеру, інтенсивно закручувався. Це сприяє хорошому перемішуванню упорскують палива і повітря і самозаймання суміші. Така схема вважалася оптимальною і широко використовувалася. Однак внаслідок гіршої економічності в останні два десятиліття йде активне витіснення таких дизелів двигунами з безпосереднім уприскуванням палива.

Крім вищеописаного циклу чотиритактного, використовується двотактний цикл.

Нехай поршень знаходиться в нижній мертвій точці і циліндр, наповнений повітрям. Під час ходу поршня вгору повітря стискується; поблизу верхньої мертвої точки відбувається впорскування палива, яке самозаймається. Потім відбувається робочий хід — продукти згоряння розширюються і передають енергію поршня, який рухається вниз. Поблизу нижньої мертвої точки відбувається продування — продукти згоряння заміщуються свіжим повітрям. Цикл завершується.

Для здійснення продувки в нижній частині циліндра влаштовуються продувні вікна. Коли поршень знаходиться внизу, вікна відкриті. Коли поршень піднімається, він перекриває вікна.

Вікна можуть використовуватися і для випуску відпрацьованих газів, і для впуску свіжого повітря; така продувка називається щілинний. Існує також клапанно-щілинна продування, коли відпрацьовані гази випускаються через клапан в головці циліндра, а вікна використовуються тільки для впуску свіжого повітря. Є ще двигуни, де в кожному циліндрі знаходяться два зустрічно рухаються поршня (оппозитний схема); кожний поршень управляє своїми вікнами — один впускними, інший випускними (така система використовувалася на тепловозах ТЕ3 і ТЭ10, танкових двигунах 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80), 6ТД-2 (Т-84), в авіації — на бомбардувальниках Юнкерс).

Оскільки в двухтакном циклі робочі ходи відбуваються вдвічі частіше, то можна очікувати суттєвого підвищення потужності в порівнянні з чотиритактним циклом. На практиці ж це не вдається реалізувати. В даний час двотактні дизелі широко застосовуються тільки на великих морських судах з безпосереднім (безредукторним) приводом гребного гвинта. При неможливості підвищення частоти обертання двотактний цикл виявляється вигідним; такі тихохідні дизелі мають потужність до 100 000 л. с.

Двигуни можуть бути тронковыми (коли шатун безпосередньо приєднується до поршня) і крейцкопфными (коли верхня частина шатуна приєднується до крейцкопфу — спеціальної ковзної конструкції, яка з’єднується з поршнем штоком. Крейцкопфні двигуни дозволяють знизити знос циліндра і поршня, оскільки вони звільнені від бічних зусиль; зате тронковые двигуни набагато менше за розміром і вагою. В даний час крейцкопфні двигуни використовуються тільки на великих морських судах.

Крейцкопфні двигуни можуть бути подвійної дії, коли робочі порожнини влаштовуються з обох боків поршня. Із-за складності конструкції двигуни подвійної дії майже не використовують.

Більшість ДВС розраховані на обертання тільки в одну сторону; якщо потрібно отримати на виході обертання в різні сторони, то використовують передачу заднього ходу коробки зміни передач або окремий реверс-редуктор. Електрична передача також дозволяє змінювати напрямок обертання на виході.

Однак на суднах з жорстким з’єднанням двигуна з гребним гвинтом фіксованого кроку доводиться застосовувати реверсивні двигуни, щоб мати можливість рухатися заднім ходом. Для цього потрібно змінювати фази відкриття клапанів і уприскування палива. Зазвичай розподільні вали забезпечуються подвійною кількістю кулачків; при зупиненому двигуні спеціальний пристрій піднімає штовхачі клапанів, що дає можливість пересунути распредвали в нове положення.

Реверсивні двигуни також застосовувалися на ранніх тепловозах з жорстким з’єднанням вала двигуна з колесами.

Переваги та недоліки

Бензиновий двигун є досить неефективним і здатний перетворювати всього лише близько 20-30% енергії палива в корисну роботу. Стандартний дизельний двигун, однак, зазвичай має коефіцієнт корисної дії в 30-40%, дизелі з турбонаддувом і проміжним охолодженням до 50%. Дизельне паливо, як правило, дешевше.

Дизельний двигун видає високий крутний момент у широкому діапазоні оборотів, що робить автомобіль з дизельним двигуном більш «гнучким» у русі, ніж такий же автомобіль з бензиновим двигуном. Це є перевагою також і в двигунах морських суден, так як високий крутний момент при низьких обертах робить більш легким ефективне використання потужності двигуна.

в порівнянні з бензиновими двигунами, у вихлопних газах дизельного двигуна, як правило, менше окису вуглецю (СО), але тепер, у зв’язку з застосуванням каталітичних конвертерів на бензинових двигунах, ця перевага не так помітно. Основні токсичні гази, які присутні у вихлопі в помітних кількостях —це вуглеводні (НС або СН). оксиди(оксиди) азоту (NОх) і сажа (або її похідні) у формі чорного диму. Вони можуть призвести до астми та раку легенів. Найбільше забруднюють атмосферу дизелі вантажівок і автобусів, які часто є старими і неотрегулированными.

Іншим важливим аспектом, що стосуються безпеки, є те, що дизельне паливо нелетучее (т.е. легко не випаровується) і, таким чином, ймовірність загоряння в дизельних двигунів набагато менше, тим більше що в них не використовується система запалювання. Це стало причиною широкого застосування дизелів на танках, оскільки при попаданні снаряда пари бензину, завжди знаходяться в погано вентильованому з-за броньовий захисту моторному відсіку, легко воспламенялись.

Звичайно, існують і недоліки, серед яких характерний стукіт дизельного двигуна при його роботі і масляниста паливо. Однак вони помічаються в основному власниками автомобілів з дизельними двигунами, а для стороннього людини практично непомітні.

Явними недоліками дизельних двигунів є необхідність використання стартера великої потужності, помутніння і застигання дизельного палива при низьких температурах, складність в ремонті паливної апаратури, так як насоси високого тиску є пристроями, виготовленими з високою точністю. Також дизель-мотори вкрай чутливі до забруднення палива механічними частинками і водою. Дані забруднення дуже швидко виводять паливну апаратуру з ладу. Ремонт дизель-моторів, як правило, значно дорожче ремонту бензинових моторів аналогічного класу. Літрова потужність дизельних моторів також, як правило, поступається аналогічним показникам бензинових моторів, хоча дизель-мотори володіють більш рівним обертовим моментом в своєму робочому діапазоні. Екологічні показники дизельних моторів значно поступалися до останнього часу бензиновим моторам. На класичний дизель-мотор з механічно керованим уприскуванням практично неможливо встановити сучасний нейтралізатор відпрацьованих газів («каталізатор» в просторіччі) з-за нестабільного складу цих самих відпрацьованих газів. Ситуація почала змінюватися лише в останні роки в зв’язку з впровадженням дизелів так званої «Common-rail» системи. В даному типі дизелів впорскування палива здійснюється електрично керованими форсунками. Подачу керуючого електричного імпульсу здійснює електронний блок управління, який отримує сигнали від набору датчиків. Датчики ж відстежують різні параметри двигуна, які впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу. Так що по складності сучасний і екологічно такий же чистий, як і бензиновий — дизель-мотор нічим не поступається своєму бензинового побратима, а по ряду параметрів складності і значно його перевершує. Так, наприклад, якщо тиск палива у форсунках звичайного дизеля з механічним обладнанням складає від 100 до 400 бар, то в новітніх «Common-rail» воно знаходиться в діапазоні від 1000 до 2500 бар, що тягне за собою не маленькі проблеми. Також каталітична система сучасних транспортних дизелів значно складніше бензинових моторів, так як каталізатор повинен «вміти» працювати в умовах не стабільної складу вихлопних газів, а в частині випадків необхідне введення так званого «фільтр сажі». «Сажовий фільтр» являє собою подібну звичайному каталітичному нейтрализатору структуру, що встановлюється між вихлопним колектором дизеля і каталізатором в потоці вихлопних газів. У сажевом фільтрі розвивається висока температура, при якій частинки сажі здатні окислюватися залишковим киснем, що містяться у вихлопних газах. Однак частина сажі не завжди окислюється, і залишається в «сажевом фільтрі», тому програма блоку управління періодично переводити двигун у режим очищення «сажового фільтра» шляхом так званої «постинжекции», тобто вприскування додаткової кількості палива в циліндри в кінці фази згоряння з метою підняти температуру газів, і, відповідно, очистити фільтр шляхом спалювання накопиченої сажі. Стандартом де-факто в конструкціях транспортних дизель-моторів стала наявність турбонагнітача, а в останні роки — і так званого «інтеркулера» — то є пристрої, що охолоджує стислий турбонагнітачем повітря. Нагнітач дозволив підняти питомі потужності характеристики масових дизель-моторів, так як дозволяє пропустити за робочий цикл більшу кількість повітря через циліндри, і, відповідно, впорснути більше палива.

Основна конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак однакові деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до більш високих тисків стиснення, що мають місце у дизеля. Головки поршнів, проте, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) під підвищену ступінь стиснення і головки поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній крапці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.

Сайт створено у системі uCoz

Короткий опис статті: дизельні двигуни

Джерело: Дизельні двигуни внутрішнього згоряння

Також ви можете прочитати