Дизельні двигуни

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

29.11.2015

Дизельний двигун поршневий двигун внутрішнього згоряння, що працює від займання палива.

Зміст

3. Типи камер згоряння

Паливо в дизельних двигунах воспломеняется від зіткнення зі стисненим повітрям.

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 понад 50 % (наприклад, MAN S80ME-C7 витрачає лише 155 гр на кВт*год, досягаючи ефективності 54,4 %). Дизельний двигун з-за використання впорскування високого тиску не пред’являє вимог до летючості палива, що дозволяє використовувати в ньому низькосортні важкі масла.

Дизельний двигун не може розвивати високі обороти — суміш не встигає догоріти в циліндрах. Це призводить до зниження питомої потужності двигуна на 1 л об’єму, а значить, і до зниження питомої потужності на 1 кг маси двигуна. Це послужило причиною малого поширення дизелів в авіації (тільки деякі бомбардувальники Юнкерс, а також радянський важкий бомбардувальник Пе-8 і Ер-2, оснащавшиеся авіаційними дизелями АЧ-30 і АЧ-40 конструкції А. Д. Чаромского і Т. М. Мелькумова). На максимальної експлуатаційної потужності суміш в дизелі не догорає, приводячи до викиду хмар сажі («тепловоз дає ведмедя»).

Дизельний двигун не має дросельної заслінки, регулювання потужності здійснюється регулюванням кількості уприскуваного палива. Це призводить до відсутності зниження тиску в циліндрах на низьких обертах. Бо дизель видає високий обертаючий момент при низьких обертах, що робить автомобіль з дизельним двигуном понад «чуйним» в русі, ніж такий же автомобіль з бензиновим двигуном. З цієї причини в даний час більшість вантажних автомобілів оснащені дизельними двигунами. 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 (NOх) 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 (тобто легко не випаровується) і, таким чином, ймовірність загоряння в дизельних двигунів набагато менше, тим більше, що в них не використовується система запалювання. Разом з високою паливною економічністю це стало причиною широкого застосування дизелів на танках, оскільки в повсякденному беззбройний експлуатації зменшувався ризик виникнення пожежі в моторному відділенні з-за витоків палива. Менша пожежонебезпека дизельного двигуна в бойових умовах є міфом, оскільки під час пробиття броні снаряд або його осколки мають температуру, сильно перевищує температуру спалаху парів дизельного палива і так само здатні досить легко підпалити вытекшее пальне. Детонація суміші парів дизельного палива з повітрям в пробитому паливному баку за своїми наслідками можна порівняти з вибухом боєкомплекту, зокрема, у танків Т-34 вона призводила до розриву зварних швів і вибивання верхній лобовій деталі бронекорпуса. З іншого боку, дизельний двигун в танкобудуванні поступається карбюраторному в плані питомої потужності (потужності, що знімається з одиниці маси мотора), а тому в ряді випадків (висока потужність при малому обсязі моторного відділення) більш виграшним може бути використання саме карбюраторного силового агрегату.

Звичайно, існують і недоліки, серед яких — характерний стукіт дизельного двигуна при його роботі і маслянистість палива. 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 літнього 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. Такі 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 двигунів значно поступалися до останнього часу бензиновим двигунам. На класичних дизелях з механічно керованим уприскуванням можлива установка тільки окислювальних нейтралізаторів відпрацьованих газів («каталізатор» в просторіччі), що працюють при температурі відпрацьованих газів понад 300 °C, які окислюють тільки CO і CH до нешкідливих для людини вуглекислого газу (СО2) і води. Також раніше дані нейтралізатори виходили з ладу внаслідок отруєння їх сполуками сірки (кількість сполук сірки у відпрацьованих газах безпосередньо залежить від кількості сірки в дизельному паливі) і відкладенням на поверхні каталізатора частинок сажі. 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 системах «Common-rail» воно знаходиться в діапазоні від 1000 до 2500 бар, що тягне за собою чималі проблеми. Також каталітична система сучасних транспортних дизелів значно складніше бензинових моторів, так як каталізатор повинен «вміти» працювати в умовах нестабільного складу вихлопних газів, а в частині випадків необхідне введення так званого «сажового фільтра». «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» — тобто 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.

У своїй основі конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак, аналогічні деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до високого тиску стиснення, що мають місце у дизеля. Головки поршнів, проте, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) розраховані на підвищений ступінь стиснення. Крім того, головки поршнів в дизельному двигуні знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній крапці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.

Особливості двигуна

Як уже зазначалося, конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак аналогічні деталі у дизеля істотно посилені, щоб сприймати більш високі навантаження — адже ступінь стиснення у нього набагато вище (16-24 одиниць проти 9-11 у бензинового). Характерна деталь в конструкції дизелів — це поршень. Форма днища поршнів у дизелів визначається типом камери згоряння, тому за формою легко визначити, якому двигуну належить даний поршень. У багатьох випадках днище поршня містить у собі камеру згоряння. Днища поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній крапці свого ходу. Так як запалення робочої суміші здійснюється від стиснення, в дизелях відсутня система запалювання, хоча свічки можуть застосовуватися і на дизелі. Але це не свічки запалювання, а свічки розжарювання, які призначені для підігріву повітря в камері згоряння при холодному пуску двигуна.

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи
Типи камер згоряння

Форма камери згоряння значно впливає на якість процесу сумішоутворення, а значить і на потужність і шумність роботи двигуна. Камери згоряння дизельних двигунів поділяються на два основних типи: нерозділені або розділені.

Кілька років тому на ринку легкового машинобудування домінували дизелі з розділеними камерами згоряння. Впорскування палива в цьому випадку здійснюється не в надпоршневое простір, а в спеціальну камеру згоряння, виконану в голівці блоку циліндрів. При цьому розрізняють два процеси сумішоутворення: предкамерный (його ще називають форкамерным) і вихрекамерный.

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

форкамерном процесі паливо впорскується в спеціальну попередню камеру, пов’язану з циліндром кількома невеликими каналами або отворами, вдаряється про її стінки і перемішується з повітрям. Зайнялися, суміш надходить в основну камеру згоряння, де і згоряє повністю. Переріз каналів підбирається так, щоб при ході поршня вгору (стиск) і вниз (розширення) між циліндром і форкамерой виникало великий перепад тиску, що викликає протягом газів через отвори з великою швидкістю.

Під час вихорокамерного процесу згоряння також починається в спеціальній окремій камері, тільки виконаною у вигляді пустотілої кулі. У період такту стиснення повітря по сполучного каналу надходить в передкамеру і інтенсивно закручується (утворює вихор) в ній. Впрыснутое в певний момент паливо добре перемішується з повітрям.

Таким чином, при розділеної камері згоряння відбувається як би двоступеневе спалювання палива. Це знижує навантаження на поршневу групу, а також робить звук роботи двигуна більш м’яким. Недоліком дизельних двигунів з розділеною камерою згорання є: збільшення витрати палива внаслідок втрат із-за збільшеної поверхні камери згоряння, великих втрат на перетікання повітряного заряду в додаткову камеру і палаючої суміші назад у циліндр. Крім того, погіршуються пускові якості.

Дизельні двигуни з неподіленою камерою називають також дизелями з безпосереднім уприскуванням. Паливо впорскується безпосередньо в циліндр, камера згоряння виконана в днищі поршня. До недавнього часу безпосередній впорскування використовувався на низькообертові дизелях великого обсягу (простіше кажучи, на вантажівках). Хоча такі двигуни економічніше моторів з розділеними камерами згорання, їх застосування на невеликих дизелях стримувалося труднощами організації процесу згоряння, а також підвищеними шумом і вібрацією, особливо в режимі розгону.

Система живлення дизеля

Найважливішою ланкою дизельного двигуна є система паливоподачі, що забезпечує надходження необхідної кількості палива в потрібний момент часу і з заданим тиском в камеру згоряння.

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

Паливний насос високого тиску (ТНВД), беручи пальне з бака від підкачуючого насоса (низького тиску), в необхідній послідовності по черзі нагнітає потрібні порції солярки в індивідуальну магістраль гідромеханічної форсунки кожного циліндра. Такі форсунки відкриваються виключно під впливом високого тиску в паливній магістралі і закриваються при його зниженні.

Існує два типи ТНВД: рядні многоплунжерные і розподільного типу. Рядний ТНВД складається з окремих секцій по числу циліндрів дизеля, кожна з яких має гільзу і входить в неї плунжер, який приводиться в рух кулачковим валом, отримують обертання від двигуна. Секції таких механізмів розташовані, як правило, ряд, звідси і назва — рядні ТНВД. Рядні насоси в даний час практично не застосовуються через те, що вони не можуть забезпечити виконання сучасних вимог по екології і гучності. Крім того, тиск упорскування таких насосів залежить від оборотів коленвала.

Розподільні ТНВД створюють значно більш високий тиск упорскування палива, ніж насоси рядні, і забезпечують виконання чинних нормативів, що регламентують токсичність вихлопу. Цей механізм підтримує необхідний тиск в системі в залежності від режиму роботи двигуна. У розподільних ТНВД система нагнітання має один плунжер-розподільник, який здійснює поступальний рух для нагнітання палива і обертальний для розподілу палива з форсунок. Ці насоси компактні, відрізняються високою рівномірністю подачі палива по циліндрах і відмінною роботою на високих оборотах. В той же час вони пред’являють дуже високі вимоги до чистоти і якості дизпалива: адже всі їх деталі змащуються паливом, а зазори в прецизійних елементах дуже малі.

Посилення на початку 90-х законодавчих екологічних вимог, що пред’являються до дизелів, змусило моторостроителей інтенсивно удосконалювати паливоподачу. Відразу ж стало ясно, що з застарілою механічною системою живлення цю задачу не вирішити. Традиційні механічні системи вприскування палива мають істотний недолік: тиск упорскування залежить від частоти обертання двигуна і навантажувального режиму. Це означає, що при низькому навантаженні тиск упорскування падає, в результаті паливо при впорскуванні погано розпилюється, потрапляючи в камеру згоряння занадто великими краплями, які осідають на її внутрішніх поверхнях. З-за цього зменшується ККД згоряння палива і підвищується рівень токсичності відпрацьованих газів.

Кардинально змінити ситуацію могла тільки оптимізація процесу горіння паливо — повітряної суміші. Для чого треба змусити весь її обсяг зайнятися в максимально короткий час. А тут необхідна висока точність дози і точність моменту впорскування. Зробити це можна, лише піднявши тиск уприскування палива і застосувавши електронне управління процесом паливоподачі. Справа в тому, що чим вище тиск уприскування, тим краще якість його розпилення, а відповідно — і змішування з повітрям. В кінцевому підсумку це сприяє більш повного згоряння паливо-повітряної суміші, а значить і зменшення шкідливих речовин у вихлопі. Добре, запитаєте ви, а чому б не зробити таке ж підвищений тиск у звичайному ТНВД і всій цій системі? На жаль, не вийде. Тому що є таке поняття, як «хвильовий гідравлічний тиск». При будь-якій зміні витрати палива в трубопроводах від ПНВТ до форсунок виникають хвилі тиску, «бігаючі» по паливопроводу. І чим сильніше тиск, тим сильніше ці хвилі. І якщо далі підвищувати тиск, то в якийсь момент може статися звичайне руйнування трубопроводів.

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

У результаті були розроблені два нових типи систем харчування — у першому форсунку і плунжерний насос об’єднали в один вузол (насос-форсунка), а в іншому ТНВД почав працювати на загальну паливну магістраль (Common Rail), з якої паливо надходить на електромагнітні (або п’єзоелектричні) форсунки і впорскується по команді електронного блоку управління. Але з прийняттям Євро 3 і 4 і цього виявилося мало, і вихлопні системи дизелів впровадили сажеві фільтри і каталізатори.

Насос-форсунка встановлюється в головку блоку двигуна для кожного циліндра. Вона приводиться в дію від кулачка розподільного вала за допомогою штовхача. Магістралі подачі і зливу палива виконані у вигляді каналів в головці блоку. За рахунок цього насос-форсунка може розвинути тиск до 2200 бар. Дозуванням палива, стисненого до такої міри та управлінням кута випередження упорскування займається електронний блок управління, видаючи сигнали на запірні електромагнітні або п’єзоелектричні клапани насос-форсунок. Насос-форсунки можуть працювати в многоимпульсном режимі (2-4 упорскування за цикл). Це дозволяє зробити попередній впорскування перед основним, подаючи в циліндр спочатку невелику порцію палива, що пом’якшує роботу двигуна і знижує токсичність вихлопу. Недолік насос-форсунок — залежність тиску упорскування від оборотів двигуна і висока вартість даної технології.

Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

Система живлення Common Rail використовується в дизелях серійних моделей з 1997 року. Common Rail — це метод вприскування палива в камеру згорання під високим тиском, що не залежать від частоти обертання двигуна або навантаження. Головна відмінність системи Common Rail від класичної дизельної системи полягає в тому, що ПНВТ призначений для створення високого тиску в паливній магістралі. Він не виконує функцій дозування циклової подачі палива і регулювання моменту уприскування. Система Common Rail складається з резервуара — акумулятора високого тиску (іноді його називають рампою), паливного насоса, електронного блоку управління (ЕБУ) і комплекту форсунок, сполучених з рампою. В рампі блок управління підтримує, змінюючи продуктивність насоса, постійний тиск на рівні 1600-2000 бар при різних режимах роботи двигуна і при будь-якій послідовності уприскування по циліндрах. Відкриттям-закриттям форсунок управляє ЕБУ, який розраховує оптимальний момент і тривалість впорскування, на підставі даних цілого ряду датчиків — положення педалі акселератора, тиску в паливній рампі, температурного режиму двигуна, його навантаження і т. п. Форсунки можуть бути електромагнітними, або більш сучасні — п’єзоелектричними. Головні переваги п’єзоелектричних форсунок — висока швидкість спрацьовування і точність дозування. Форсунки в дизелях c Common rail можуть працювати в многоимпульсном режимі: в ході одного циклу паливо впорскується кілька разів — від двох до семи. Спочатку надходить крихітна, всього близько милиграмма, доза, яка при згорянні підвищує температуру в камері, а слідом йде головний «заряд». Для дизеля — двигуна з займанням палива від стискання — це дуже важливо, так як при цьому тиск у камері згоряння наростає більш плавно, без «ривка». Внаслідок цього двигун працює м’якше і менш шумно, знижується кількість шкідливих компонентів у вихлопі. Багаторазова подача палива за один такт попутно забезпечує зниження температури в камері згоряння, що призводить до зменшення утворення окису азоту — одного з найбільш токсичних складових вихлопних газів дизеля. Характеристики двигуна з Common Rail багато в чому залежать від тиску уприскування. В системах третього покоління воно становить 2000 бар. Найближчим часом буде запущено в серію четверте покоління Common Rail з тиском уприскування 2500 бар.

А тепер подивіться навчальні і дуже цікаве відео про дизельному двигуні.

Турбодизель. Система турбонаддува.

Ефективним засобом підвищення потужності і гнучкості роботи дизеля є турбонаддув. Він дозволяє подати в циліндри додаткову кількість повітря і відповідно збільшити подачу палива на робочому циклі, в результаті чого збільшується потужність двигуна. Тиск вихлопних газів дизеля в 1,5-2 рази вище, ніж у бензинового мотора, що турбокомпресора дозволяє забезпечити ефективний наддув з найнижчих оборотів, уникнувши властивого бензиновим турбомдвигунам провалу — «турбоями». Відсутність дросельної заслінки в дизелі дозволяє забезпечити ефективне наповнення циліндрів на всіх обертах без застосування складної схеми управління турбокомпресором. На багатьох автомобілях встановлюється проміжний охолоджувач наддуваемого повітря — інтеркулер, що дозволяє підняти масове наповнення циліндрів і на 15-20 % збільшити потужність. Наддув дозволяє добитися однакової потужності з атмосферним мотором при меншому робочому обсязі, а значить, знизити масу двигуна. Турбонаддув, крім усього іншого, служить для автомобіля засобом підвищення «висотності» двигуна — у високогірних районах, де атмосферного дизелю не вистачає повітря, наддув оптимізує згорання і дозволяє зменшити жорсткість роботи і втрату потужності. У той же час турбодизель має і деякі недоліки, пов’язані в основному з надійністю роботи турбокомпресора. Так, ресурс турбокомпресора істотно менше ресурсу двигуна. Турбокомпресор пред’являє жорсткі вимоги до якості моторного масла. Несправний агрегат може повністю вивести з ладу сам двигун. Крім того, власний ресурс турбодизеля трохи нижче такого ж атмосферного дизеля з-за великої ступені форсування. Такі двигуни мають підвищену температуру газів в камері згоряння, і щоб домогтися надійної роботи поршня, його доводиться охолоджувати маслом, що подається знизу через спеціальні форсунки.

Короткий опис статті: дизельні двигуни

Джерело: Дизельний двигун, типи дизельного двигуна, принцип роботи

Також ви можете прочитати