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.
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.
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.
Работа дизельного двигателя, подробнее
www.autoezda.com
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.
Первый такт – впуск (рис. 1, а). Поршень 5 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, перемешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08…0,09 МПа, температура воздуха 320…340 К.Второй такт – сжатие (рис. 1, б). Оба клапана закрыты. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14… 18) давление в конце этого такта достигает 3,5…4 МПа, а температура — 750…950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900…2400 К, а давление — 5,5…9 МПа.
Третий такт – расширение (рабочий ход) (рис. 1, в). Оба клапана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2…0,3 МПа, температура — до 900… 1200 К.
Четвертый такт – выпуск (рис. 1, г). Выпускной клапан 3 открывается. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11…0,12 МПа, температура 650…900 К.
Рис. 1. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г —такт выпуска; 1—впускной клапан; 2 — форсунка; 3— выпускной клапан; 4— цилиндр; 5—поршень; 6—топливный насос высокого давления
Далее рабочий цикл повторяется.
В течение рабочего цикла описанных двигателей только при рабочем ходе поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит во вращательное движение коленчатый вал. При выполнении остальных тактов (выпуска, впуска и сжатия) поршень нужно перемещать, вращая коленчатый вал. Это вспомогательные такты, которые осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком во время рабочего хода. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.
Система смазки. Назначение, устройство, принцип действия.
Назначение.
Система смазки (другое наименование — смазочная система) предназначена для снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Кроме выполнения основной функции система смазки обеспечивает охлаждение деталей двигателя, удаление продуктов нагара и износа, защиту деталей двигателя от коррозии.
Устройство.
Система смазки двигателя включает поддон картера двигателя с маслозаборником, масляный насос, масляный фильтр, масляный радиатор, которые соединены между собой магистралями и каналами.
Поддон картера двигателя предназначен для хранения масла. Уровень масла в поддоне контролируется с помощью щупа, а также с помощью датчика уровня и температуры масла.
Масляный насос предназначен для закачивания масла в систему. Масляный насос может приводиться в действие от коленчатого вала двигателя, распределительного вала или дополнительного приводного вала. Наибольшее применение на двигателях нашли масляные насосы шестеренного типа.
Масляный фильтр служит для очистки масла от продуктов износа и нагара. Очистка масла происходит с помощью фильтрующего элемента, который заменяется вместе с заменой масла.
Для охлаждения моторного масла используется масляный радиатор. Охлаждение масла в радиаторе осуществляется потоком жидкости из системы охлаждения.
Давление масла в системе контролируется специальным датчиком, установленным в масляной магистрали. Электрический сигнал от датчика поступает к контрольной лампе на приборной панели. На автомобилях также может устанавливаться указатель давления масла.
Датчик давления масла может быть включен в систему управления двигателем, которая при опасном снижении давления масла отключает двигатель.
На современных двигателях устанавливается датчик уровня масла и соответствующая ему сигнальная лампа на панели приборов. Наряду с этим, может устанавливаться датчик температуры масла.
Для поддержания постоянного рабочего давления в системе устанавливается один или несколько редукционных (перепускных) клапанов. Клапаны устанавливаются непосредственно в элементах системы: масляном насосе, масляном фильтре.
Принцип действия системы смазки.
В современных двигателях применяется комбинированная система смазки, в которой часть деталей смазывается под давлением, а другая часть – разбрызгиванием или самотеком (рис. 2).
Смазка двигателя осуществляется циклически. При работе двигателя масляный насос закачивает масло в систему. Под давлением масло подается в масляный фильтр, где очищается от механических примесей. Затем по каналам масло поступает к коренным и шатунным шейкам (подшипникам) коленчатого вала, опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца.
На рабочую поверхность цилиндра масло подается через отверстия в нижней опоре шатуна или с помощью специальных форсунок.
Остальные части двигателя смазываются разбрызгиванием. Масло, которое вытекает через зазоры в соединениях, разбрызгивается движущимися частями кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. При этом образуется масляный туман, который оседает на другие детали двигателя и смазывает их.
Рис. 2. 1 – масляный поддон, 2 – датчик уровня и температуры масла, 3 – масляный насос, 4 – редукционный клапан, 5 – масляный радиатор, 6 – масляный фильтр, 7 – перепускной клапан, 8 – обратный клапан, 9 – датчик давления масла, 10 – коленчатый вал, 11 – форсунки, 12 – распределительный вал выпускных клапанов, 13 – распределительный вал впускных клапанов, 14 – вакуумный насос, 15 – турбонагнетатель, 16 – стекание масла, 17 – сетчатый фильтр, 18 – дроссель
Под действием сил тяжести масло стекает в поддон и цикл смазки повторяется.
На некоторых спортивных автомобилях применяется система смазки с сухим картером. В данной конструкции масло храниться в специальном масляном баке, куда закачивается из картера двигателя насосом. Картер двигателя всегда остается без масла – «сухой картер». Применение данной конструкции обеспечивает стабильную работу системы смазки во всех режимах, независимо от положения маслозаборника и уровня масла в картере.
studfile.net
Одноцилиндровый четырехтактный двигатель — устройство и принцип работы
В настоящее время, двигатели внутреннего сгорания применяются в большом количестве различных технических средств, причем, данными средствами являются не только автомобили. Такой род двигателей, как и двухтактный ДВС, применяется и в мототехнике и в специализированных устройствах, предназначенных для строительства, например, бензопила. Данные агрегаты представлены четырехтактными ДВС, имеющие по одному цилиндру, а не как в современном автомобиле – по четыре. В этой статье вы узнаете, как устроен одноцилиндровый четырехтактный двигатель, его принцип работы и ремонт.
Устройство и принцип работы одноцилиндрового двигателя
Устройство одноцилиндрового ДВС: 1 – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – поршневые кольца; 5 – поршневой палец; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал; 8 – маховик; 9 – кривошип; 10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг; 13 – впускной клапан; 14 – свеча зажигания
Данные двигатели получили широкое распространение даже в автомобилях. Несмотря на малое количество цилиндров, они имеют довольное малое отношение площади рабочей части цилиндра ко всему рабочему объему двигателя. Это преимущество говорит о том, что такой мотор имеет минимальные потери самое главной — тепловой энергии, а значит, обладает высоким коэффициентом полезного действия.
Устройство такого двигателя практически не представляет собой ничего сложного, в отличии от современных атмосферных и турбированных моторов. Он представлен всего одним цилиндром, во внутренней части которого перемещается такой же поршень, как и во многоцилиндровых автомобильных двигателях. В верхней части камеры сгорания располагаются два клапана, которые отвечают за подачу топливной смеси, а второй за выпуск отработавших газов.
Работа данного двигателя заключается в следующем. Всего такой мотор имеет четыре такта:
- Впуск. Поршень внутри цилиндра располагается в самой верхней мертвой точке и движется вниз в строгом соответствии с поворотом коленчатого вала на 180 градусов. Пока поршень движется вниз, открывается, клапан, отвечающий за подачу топливной смеси, и в камеру сгорания подается топливо, смешанное с воздухом. После достижения поршнем самой нижней мертвой точки начинается следующий такт.
- Сжатие. Во время этого такта задача поршня – вернуться в верхнюю мертвую точку. Коленчатый вал вращается дальше, еще на 180 градусов, при этом: впускной клапан полностью закрывается, а поршень движется наверх, сжимая уже готовую смесь.
- Рабочий ход. Как только поршень достигнет самой верхней мертвой точки, в камере сгорания смесь будет сжата до критической отметки. В этот самый момент на электродах свечи зажигания при помощи ряда устройств возникает искра, которая воспламеняет топливовоздушную смесь. С этого момент начинается такт расширения, или как его называют по-другому – рабочего хода. Поршень, под действием энергии, возникшей от воспламенения смеси, движется снова вниз, заставляя вращаться коленчатый вал. Клапана находятся в закрытом состоянии.
- Такт выпуска. После достижения нижней мертвой точки, поршень снова движется вверх под действием силы инерции, передаваемой от коленчатого вала. В этот момент открывается выпускной клапан и под давлением через него во впускной коллектор выходят отработавшие газы. Такт завершается после закрытия выпускного клапана и после того, как поршень окажется в верхней точке. Далее цикл тактов повторяется.
Основным тактом любого двигателя является рабочий ход. Именно в этот момент происходит самое главное – преобразование энергии тепла в механическую энергию.
Ремонт одноцилиндрового двигателя
Чтобы изучать особенности ремонта двигателей такого типа, необходимо кое-что знать о его основных проблемах. А он имеет всего одну проблему – это высокая температура. Так как потери тепла стали минимальными, трущиеся детали стали уязвимее к механическим нагрузкам, а значит, нуждаются в качественном охлаждении. Дело в том, что основная жидкость, которая на максимальном уровне контактирует с этими деталями – масло, не может обеспечить должного отвода тепла. Поэтому для такого мотора разрабатываются две системы охлаждения: воздушная и жидкостная со специальной системой термостатов.
Ремонт такого двигателя можно выполнить своими силами. Для этого нужен минимум знаний и стандартный набор инструментов. Если в процессе эксплуатации наблюдаются различные стуки, которые доносятся из головки блока цилиндров, то клапанный механизм нуждается в регулировке. Все регулировки производятся при снятом двигателе и демонтированной клапанной крышке. Кроме того, необходимо снять специальную крышку на генераторе, под которой расположена гайка. Вращая эту гайку, мы вращаем коленчатый вал, для установки поршня в верхнюю мертвую точку. Чтобы определить этот момент, необходимо довести до совмещения специальные метки на роторе. После этого, под кулачки распределительного вала устанавливают измерительные щупы и замеряют тепловые зазоры клапанов. Выполнять данную процедуру нужно, естественно, на холодном двигателе, иначе результат регулировки будет не правильным.
После этого, мотор необходимо собрать и проверить. Его устанавливают на агрегат и запускают. Если он работает ровно без шумов, то регулировка клапанов прошла успешно.
Вот и все. Вот так легко можно произвести ремонт одноцилиндрового четырехтактного двигателя своими руками без помощи мастеров автосервиса. Это поможет вам хорошо сэкономить на их услугах и даст вам бесценный опыт.
vipwash.ru
Как устроен одноцилиндровый четырехтактный двигатель? + видео » АвтоНоватор
Довольно часто на машины устанавливают одноцилиндровый четырехтактный двигатель, купить который можно в специализированных магазинах или же заказать через интернет. Этот механизм является простейшим поршневым двигателем с камерой внутреннего сгорания и с одним рабочим цилиндром. В чем же его особенности?
Как работает одноцилиндровый четырехтактный двигатель?
Эти моторы распространены довольно широко как в автомобилях, так и в других транспортных средствах, таких как мотоциклы, тракторы, мопеды. Кроме того, в Китае выпускают одноцилиндровые движки объемом 1,03 литра, которые применяются для привода тяжелых мотоблоков. Главными достоинствами можно назвать наименьшее отношение площади цилиндра к рабочему объему, поэтому потери тепла минимальные, а индикаторный КПД достаточно высокий.
Устройство одноцилиндрового дизельного двигателя, впрочем, как и бензинового, заключается в следующем. Всего у таких двигателей четыре такта, первый такт отвечает за впуск. Изначально поршень занимает позицию в верхней предельной или мертвой точке (ВМТ), а коленчатый вал, поворачиваясь на 180 градусов, перемещает его в самую нижнюю точку, тоже называемую мертвой (НМТ). Кроме этого открывается и впускной клапан, а благодаря разряжению, образовавшемуся в цилиндре, в него буквально засасывается горючая смесь, которая, перемешавшись с оставшимися в нем продуктами сгорания, образует рабочую смесь.
Во время следующего такта – сжатия, поршень возвращается обратно в ВМТ, в данный промежуток оба клапана находятся в закрытом положении, что способствует сжатию рабочей смеси, а, следовательно, скачку вверх температуры и давления. Далее идет рабочий ход (третий такт) от искры, создаваемой свечами, происходит воспламенение и сгорание смеси, также приводящее к резкому повышению этих показателей.
Поршень опускается и толкает шатун, который, совершая вращательное движение, воздействует на коленчатый вал. В этот момент и происходит преобразование тепловой энергии в так нам необходимую механическую. Также открывается выпускной клапан, это приводит к снижению температуры и давления. Последний же такт отвечает за выпуск отработанных газов через выпускной клапан в глушитель и затем в атмосферу.
Какие капризы имеет одноцилиндровый дизельный двигатель?
Так как одноцилиндровый дизельный двигатель во время работы создает высокие температуры, то его трущиеся детали, создающие пары, нуждаются в охлаждении и хорошей смазке. А зазоры между ними необходимо периодически промывать, дабы удалить ненужные продукты механического износа. Кроме того, масло еще и обеспечивает отвод тепла от нагруженных поверхностей. Отсюда следует, что поддерживать хороший уровень качественного масла в таком автомобиле необходимо.
Чтобы не допустить перегрев труженика и вовремя охладить элементы головок движка и гильзы цилиндров, применяют дополнительно систему охлаждения, она может быть как воздушной, так и жидкостной. В данных системах устанавливают термостаты, чтобы обеспечить стабильную рабочую температуру. Когда все эти узлы работают четко, ваша машина выдает максимально эффективную жизнедеятельность, пользоваться – одно удовольствие. Но отсюда можно сказать и о существенном дискомфорте при каких-либо поломках, это становится заметно резко.
Осуществляем ремонт одноцилиндрового четырехтактного двигателя
Ремонт такого двигателя иногда можно осуществить и самостоятельно, если речь идет о не очень серьезных повреждениях. Таким образом, если вы услышали характерные стуки, возникшие в головке цилиндра, вполне возможно, что необходима регулировка зазоров в газораспределительном механизме. Как раз эту операцию можно произвести своими руками, правда, если вы хоть приблизительно знакомы с устройством моторов.
Осуществлять регулировку лучше всего на снятом двигателе, естественно после его остывания.
Действовать необходимо следующим образом. Сначала снять свечу зажигания и крышку головки цилиндра, а с левой стороны головки цилиндра нужно снять круглую крышку, таким образом, можно увидеть установочные метки ГРМ. Отворачиваем пробку с левой крышки генератора и получаем доступ к гайке крепления ротора. Поворачивая данную гайку ключом, мы поворачиваем и коленчатый вал. Эту несложную операцию мы производим до того момента, как метки ГРМ наконец совпадут.
Затем, вставляя плоские щупы в зазоры между регулировочным винтом и клапаном, регулируем их величину. Достигнув нужного положения, сворачиваем нашу «кухню», и можно все собрать в обратной последовательности. Запустите мотор и послушайте, все ли посторонние звуки удалось устранить. Если да, то оставляем автомобиль в покое, если нет, возможно, причина не в этом. Скорее всего, поломки двигателя носят более серьезный характер, следует немедленно обратиться к специалистам.
carnovato.ru
Дизельный двигатель — это… Что такое Дизельный двигатель?
Ди́зельный дви́гатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.[1]
Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.
Компрессионные карбюраторные двигатели не относят к дизельным двигателям, так как в «дизелях» происходит сжатие чистого воздуха, а не топливо-воздушной смеси. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия.[2][3].
История
В 1824 году Сади Карно формулирует идею цикла Карно, утверждая, что в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо «изменением объема», то есть быстрым сжатием. В 1890 году Рудольф Дизель предложил свой способ практической реализации этого принципа. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1892 года (в США в 1895 году[2]), в 1893 году выпустил брошюру. Ещё несколько вариантов конструкции были им запатентованы позднее.[3] После нескольких неудач первый практически применимый образец, названый Дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной практическое применение такого двигателя было ограниченным: он уступал паровым машинам того времени по размерам и весу.
Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива — прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.
Инженер Экройд Стюарт (англ.)русск. ранее высказывал похожие идеи и в 1886 году построил действующий двигатель (см. полудизель). Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в ёмкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя ёмкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла снаружи. Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, он просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, то есть он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную эффективность.
Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении Дизель-мотора и Тринклер-мотора русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более удачной в плане практического использования. Именно Тринклер-мотор был первым двигателем с воспламенением от сжатия, работавшим на сырой нефти. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой.[4] Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.
В 1898 г. Эммануэль Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля. С 1899 г. Механический завод «Людвиг Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизелей. В Петербурге Тринклер приспособил двигатель для работы на сырой нефти вместо керосина. В 1900 г на Всемирной выставке в Париже двигатель Дизеля получил Гран-при, чему способствовало известие, что завод Нобеля в Петербурге наладил выпуск двигателей, работавших на сырой нефти. Этот двигатель получил в Европе название «русский дизель».[5] Выдающийся русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой (В. Т. Цветков, «Двигатели внутреннего сгорания», МАШГИЗ, 1954 г.).
В настоящее время для обозначения ДВС с воспламенением от сжатия используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», так как теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей этого типа. В дальнейшем около 20—30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива с воздушными компрессорами не позволяли применять дизели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.
В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, устройство, которое широко применяется и в наше время. Он же создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Востребованный в таком виде высокооборотный дизель стал пользоваться всё большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, однако доводы в пользу карбюраторных двигателей (традиционный принцип работы, лёгкость и небольшая цена производства) позволяли им пользоваться большим спросом для установки на пассажирских и небольших грузовых автомобилях: с 50-х — 60-х годов XX века дизель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы после резкого роста цен на топливо на него обращают серьёзное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.
В дальнейшие годы происходит рост популярности дизельных двигателей для легковых и грузовых автомобилей, не только из-за экономичности и долговечности дизеля, но также из-за меньшей токсичности выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские производители автомобилей в настоящее время имеют модели с дизельным двигателем.
Дизельные двигатели применяются также на железной дороге. Локомотивы, использующие дизельный двигатель — тепловозы — являются основным видом локомотивов на неэлектрифицированных участках, дополняя электровозы за счёт автономности. Тепловозы перевозят до 40 % грузов и пассажиров в России, они выполняют 98 % маневровой работы[источник не указан 995 дней]. Существуют также одиночные автомотрисы, дрезины и мотовозы, которые повсеместно используются на электрифицированных и неэлектрифицированных участках для обслуживания и ремонта пути и объектов инфраструктуры. Иногда автомотрисы и небольшие дизель-поезда называют рельсовыми автобусами.
Принцип работы
Четырёхтактный цикл
Работа четырёхтактного дизельного двигателя.- 1-й такт. Впуск. Соответствует 0° — 180° поворота коленвала. Через открытый ~от 345—355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр, на 190—210° клапан закрывается. По крайней мере до 10-15° поворота коленвала одновременно открыт выхлопной клапан, время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов.
- 2-й такт. Сжатие. Соответствует 180° — 360° поворота коленвала. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке), сжимает воздух в 16(в тихоходных)-25(в быстроходных) раз.
- 3-й такт. Рабочий ход, расширение. Соответствует 360° — 540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива, то есть частичное его испарение, образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в парáх, наконец, оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки, продукты горения, расширяясь, двигают поршень вниз. Впрыск и, соответственно, воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том, что задержка необходима только из-за наличия времени инициации, которое в каждом конкретном дизеле — величина постоянная и изменению в процессе работы не подлежит. Сгорание топлива в дизеле происходит, таким образом, длительно, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки. Вследствие этого рабочий процесс протекает при относительно постоянном давлении газов, из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Из этого следуют два важнейшие вывода.
- 1. Процесс горения в дизеле длится ровно столько времени, сколько требуется для впрыска данной порции топлива, но не дольше времени рабочего хода.
- 2. Соотношение топливо/воздух в цилиндре дизеля может существенно отличаться от стехиометрического, причем очень важно обеспечить избыток воздуха, так как пламя факела занимает небольшую часть объема камеры сгорания и атмосфера в камере должна до последнего обеспечить нужное содержание кислорода. Если этого не происходит, возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей — «тепловоз „даёт“ медведя».).
- 4-й такт. Выпуск. Соответствует 540° — 720° поворота коленвала. Поршень идёт вверх, через открытый на 520—530° выхлопной клапан поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра.
Далее цикл повторяется.
В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:
- Дизель с неразделённой камерой: камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Главное достоинство — минимальный расход топлива. Недостаток — повышенный шум («жесткая работа»), особенно на холостом ходу. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка. Например, в системе Common Rail для снижения жёсткости работы используется (зачастую многостадийный) предвпрыск.
- Дизель с разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой либо предкамерой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в оную камеру, интенсивно завихрялся. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемого топлива с воздухом и более полному сгоранию топлива. Такая схема долго считалась оптимальной для легких дизелей и широко использовалась на легковых автомобилях. Однако, вследствие худшей экономичности, последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких дизелей двигателями с нераздельной камерой и с системами подачи топлива Common Rail.
Двухтактный цикл
Принцип работы двухтактного дизельного двигателя Продувка двухтактного дизельного двигателя: внизу — продувочные окна, выпускной клапан верху открытКроме вышеописанного четырёхтактного цикла, в дизеле возможно использование двухтактного цикла.
При рабочем ходе поршень идёт вниз, открывая выпускные окна в стенке цилиндра, через них выходят выхлопные газы, одновременно или несколько позднее открываются и впускные окна, цилиндр продувается свежим воздухом из воздуходувки — осуществляется продувка, совмещающая такты впуска и выпуска. Когда поршень поднимается, все окна закрываются. С момента закрытия впускных окон начинается сжатие. Чуть не достигая ВМТ, из форсунки распыляется и загорается топливо. Происходит расширение — поршень идёт вниз и снова открывает все окна и т. д.
Продувка является врожденным слабым звеном двухтактного цикла. Время продувки, в сравнением с другими тактами, невелико и увеличить его невозможно, иначе будет падать эффективность рабочего хода за счет его укорочения. В четырёхтактном цикле на те же процессы отводится половина цикла. Полностью разделить выхлоп и свежий воздушный заряд тоже невозможно, поэтому часть воздуха теряется, выходя прямо в выхлопную трубу. Если же смену тактов обеспечивает один и тот же поршень, возникает проблема, связанная с симметрией открывания и закрывания окон. Для лучшего газообмена выгоднее иметь опережение открытия и закрытия выхлопных окон. Тогда выхлоп, начинаясь ранее, обеспечит снижение давления остаточных газов в цилиндре к началу продувки. При закрытых ранее выхлопных окнах и открытых — еще — впускных осуществляется дозарядка цилиндра воздухом, и, если воздуходувка обеспечивает избыточное давление, становится возможным осуществление наддува.
Окна могут использоваться и для выпуска отработавших газов, и для впуска свежего воздуха; такая продувка называется щелевой или оконной. Если отработавшие газы выпускаются через клапан в головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха, продувка называется клапанно-щелевой. Существуют двигатели, где в каждом цилиндре находятся два встречно двигающихся поршня; каждый поршень управляет своими окнами — один впускными, другой выпускными (система Фербенкс-Морзе — Юнкерса — Корейво: дизели этой системы семейства Д100 использовались на тепловозах ТЭ3, ТЭ10, танковых двигателях 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авиации — на бомбардировщиках Junkers (Jumo 204, Jumo 205).
В двухтактном двигателе рабочие ходы происходят вдвое чаще, чем в четырёхтактном, но из-за наличия продувки двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного максимум в 1,6—1,7 раз.
В настоящее время тихоходные двухтактные дизели весьма широко применяются на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. Ввиду удвоения количества рабочих ходов на одних и тех же оборотах двухтактный цикл оказывается выгодным при невозможности повысить частоту вращения, кроме того, двухтактный дизель технически проще реверсировать; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100 000 л.с.
В связи с тем, что организовать продувку вихревой камеры (или предкамеры) при двухтактном цикле сложно, двухтактные дизели строят только с неразделёнными камерами сгорания.
Варианты конструкции
Крейцкопфный (слева) и тронковый (справа) двигатели. Номером 10 обозначен крейцкопф.Для средних и тяжелых двухтактных дизельных двигателей характерно применение составных поршней, в которых используется стальная головка и дюралевая юбка. Основной целью данного усложнения конструкции является снижение общей массы поршня при сохранении максимально возможной жаростойкости донышка. Очень часто используются конструкции с масляным жидкостным охлаждением.
В отдельную группу выделяются четырехтактные двигатели, содержащие в конструкции крейцкопф. В крейцкопфных двигателях шатун присоединяется к крейцкопфу — ползуну, соединенному с поршнем штоком (скалкой). Крейцкопф работает по своей направляющей — крейцу, без воздействия повышенных температур, полностью ликвидируя воздействие боковых сил на поршень. Данная конструкция характерна для крупных длинноходных судовых двигателей, часто — двойного действия, ход поршня в них может достигать 3 метров; тронковые поршни таких размеров были бы перетяжеленными, тронки с такой площадью трения существенно снизили бы механический КПД дизеля.
Реверсивные двигатели
Большинство ДВС рассчитаны на вращение только в одну сторону; если требуется получить на выходе вращение в разные стороны, то используют передачу заднего хода в коробке перемены передач или отдельный реверс-редуктор. Электрическая передача также позволяет менять направление вращения на выходе.
Однако на судах с жёстким соединением двигателя с гребным винтом фиксированного шага приходится применять реверсивные двигатели, чтобы иметь возможность двигаться задним ходом. Для этого нужно изменять фазы открытия клапанов и впрыска топлива. Обычно распределительные валы снабжаются двойным количеством кулачков; при остановленном двигателе специальное устройство приподнимает толкатели клапанов, что даёт возможность передвинуть распредвалы в новое положение. Встречаются также конструкции с реверсивным приводом распределительного вала — здесь при изменении направления вращения коленчатого вала сохраняется направление вращения распределительного вала. Двухтактные двигатели с контурной продувкой, когда газораспределение осуществляется поршнем, не нуждаются в специальных реверсивных устройствах (однако в них всё же требуется корректировка момента впрыска топлива).
Реверсивные двигатели также применялись на ранних тепловозах с жёстким соединением вала двигателя с колёсами.
Преимущества и недостатки
 | Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. |
| | Возможно, эта статья содержит оригинальное исследование. Добавьте ссылки на источники, в противном случае она может быть выставлена на удаление. |
Современные дизельные двигатели обычно имеют коэффициент полезного действия до 40-45 %, некоторые малооборотные крупные дизели — свыше 50 % (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт*ч, достигая эффективности 54,4 %).[6] Дизельный двигатель из-за особенностей рабочего процесса не предъявляет жестких требований к испаряемости топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.
Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — топливо не успевает догореть в цилиндрах, для возгорания требуется время инициации. Высокая механическая напряженость дизеля вынуждает использовать более массивные и более дорогие детали, что утяжеляет двигатель. Это снижает удельную мощность двигателя, что послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Junkers, а также советский тяжёлый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А. Д. Чаромского и Т. М. Мелькумова). На максимальных эксплуатационных режимах топливо в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи.
Сгорание впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива происходит по мере впрыска. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине и ввиду более высокой экономичности в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями[источник не указан 196 дней]. Например, в России в 2007 году почти все грузовики и автобусы были оснащены дизельными двигателями (окончательный переход этого сегмента автотранспорта с бензиновых двигателей на дизели планировалось завершить к 2009 году)[7]. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя, а более высокий теоретический КПД (см. Цикл Карно) даёт более высокую топливную эффективность.
По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах — это углеводороды (НС или СН) , оксиды (окислы) азота (NOх) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Больше всего загрязняют атмосферу в России дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и неотрегулированными.
Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более, что в них не используется система зажигания. Вместе с высокой топливной экономичностью это стало причиной широкого применения дизелей на танках, поскольку в повседневной небоевой эксплуатации уменьшался риск возникновения пожара в моторном отделении из-за утечек топлива. Меньшая пожароопасность дизельного двигателя в боевых условиях является мифом, поскольку при пробитии брони снаряд или его осколки имеют температуру, сильно превышающую температуру вспышки паров дизельного топлива и так же способны достаточно легко поджечь вытекшее горючее. Детонация смеси паров дизельного топлива с воздухом в пробитом топливном баке по своим последствиям сравнима со взрывом боекомплекта[источник не указан 400 дней], в частности, у танков Т-34 она приводила к разрыву сварных швов и выбиванию верхней лобовой детали бронекорпуса[источник не указан 400 дней]. С другой стороны, дизельный двигатель в танкостроении уступает карбюраторному в плане удельной мощности, а потому в ряде случаев (высокая мощность при малом объёме моторного отделения) более выигрышным может быть использование именно карбюраторного силового агрегата (хотя это характерно для слишком уж лёгких боевых единиц).
Конечно, существуют и недостатки, среди которых — характерный стук дизельного двигателя при его работе. Однако, они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.
Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартёра большой мощности, помутнение и застывание (запарафинивание) летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность и более высокая цена в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются прецизиоными устройствами. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным и высоким крутящим моментом в своём рабочем объёме. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов, работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой системы Common rail. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электронно-управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный — и экологически такой же чистый, как и бензиновый — дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров (сложности) и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар (приблизительно эквивалентно «атмосфер»), то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра» (DPF — фильтр твёрдых частиц). «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим «очистки сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы — и «интеркулера» — устройства, охлаждающего воздух после сжатия турбонагнетателем — чтобы после охлаждения получить большую массу воздуха (кислорода) в камере сгорания при прежней пропускной способности коллекторов, а Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.
В своей основе конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако, аналогичные детали у дизеля тяжелее и более устойчивы к высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля, в частности, хон на поверхности зеркала цилиндра более грубый, но твёрдость стенок блока цилиндров выше. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и почти всегда рассчитаны на повышенную степень сжатия. Кроме того, головки поршней в дизельном двигателе находятся выше (для автомобильного дизеля) верхней плоскости блока цилиндров. В некоторых случаях — в устаревших дизелях — головки поршней содержат в себе камеру сгорания («прямой впрыск»).
Сферы применения
Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, на рельсовых (тепловозы, дизелевозы, дизель-поезда, автодрезины) и безрельсовых (автомобили, автобусы, грузовики) транспортных средствах, самоходных машинах и механизмах (тракторы, асфальтовые катки, скреперы и т. д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей.
Мифы о дизельных двигателях
Цех судовых дизелей завода «Даймлер-Бенц» в Штутгарте Дизельный двигатель с турбонаддувом- Дизельный двигатель слишком медленный.
Современные дизельные двигатели с системой турбонаддува гораздо эффективнее своих предшественников, а иногда и превосходят своих бензиновых атмосферных (без турбонаддува) собратьев с таким же объёмом. Об этом говорит дизельный прототип Audi R10, выигравший 24-х часовую гонку в Ле-Мане, и новые двигатели BMW, которые не уступают по мощности атмосферным (без турбонаддува) бензиновым и при этом обладают огромным крутящим моментом.
- Дизельный двигатель слишком громко работает.
Громкая работа двигателя свидетельствует о неправильной эксплуатации и возможных неисправностях. На самом деле некоторые старые дизели с непосредственным впрыском действительно отличаются весьма жёсткой работой. С появлением аккумуляторных топливных систем высокого давления («Common-rail») у дизельных двигателей удалось значительно снизить шум, прежде всего за счёт разделения одного импульса впрыска на несколько (типично — от 2-х до 5-ти импульсов).
- Дизельный двигатель гораздо экономичнее.
Основная экономичность обусловлена более высоким КПД дизельного двигателя. В среднем современный дизель расходует топлива до 30 % меньше[8]. Срок службы дизельного двигателя больше бензинового и может достигать 400—600 тысяч километров. Запчасти для дизельных двигателей несколько дороже, стоимость ремонта так же выше, особенно топливной аппаратуры. По вышеперечисленным причинам, затраты на эксплуатацию дизельного двигателя несколько меньше, чем у бензинового. Экономия по сравнению с бензиновыми моторами возрастает пропорционально мощности, чем определяется популярность использования дизельных двигателей в коммерческом транспорте и большегрузной технике.
- Дизельный двигатель нельзя переоборудовать под использование в качестве топлива более дешёвого газа.
С первых моментов построения дизелей строилось и строится огромное количество их, рассчитанных для работы на газе разного состава. Способов перевода дизелей на газ, в основном, два. Первый способ заключается в том, что в цилиндры подаётся обеднённая газо-воздушная смесь, сжимается и поджигается небольшой запальной струёй дизельного топлива. Двигатель, работающий таким способом, называется газодизельным. Второй способ заключается в конвертации дизеля со снижением степени сжатия, установкой системы зажигания и, фактически, с построением вместо дизеля газового двигателя на его основе.
Рекордсмены
Самый большой/мощный дизельный двигатель
Судовой, 14 цилиндровый — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, созданный финской компанией Wärtsilä в 2002 году, для установки на крупные морские контейнеровозы и танкеры, является самым большим дизелем в мире[9].
Конфигурация — 14 цилиндров в ряд
Рабочий объём — 25 480 литров
Диаметр цилиндра — 960 мм
Ход поршня — 2500 мм
Среднее эффективное давление — 1,96 МПа (19,2 кгс/см²)
Мощность — 108 920 л.с. при 102 об/мин. (отдача с литра 4,3 л.с.)
Крутящий момент — 7 571 221 Н·м
Расход топлива — 13 724 литров в час
Сухая масса — 2300 тонн
Габариты — длина 27 метров, высота 13 метров
Самый большой дизельный двигатель для грузового автомобиля[источник не указан 1275 дней]
MTU 20V400 предназначен, для установки на карьерный самосвал БелАЗ-7561.
Мощность — 3807 л.с. при 1800 об/мин. (Удельный расход топлива при номинальной мощности 198 г/кВт*ч)
Крутящий момент — 15728 Н·м
Самый большой/мощный серийный дизельный двигатель для серийного легкового автомобиля[источник не указан 1275 дней]
Audi 6.0 V12 TDI с 2008 года устанавливается на автомобиль Audi Q7.
Конфигурация — 12 цилиндров V-образно, угол развала 60 градусов.
Рабочий объём — 5934 см³
Диаметр цилиндра — 83 мм
Ход поршня — 91,4 мм
Степень сжатия — 16
Мощность — 500 л.с. при 3750 об/мин. (отдача с литра — 84,3 л.с.)
Крутящий момент — 1000 Нм в диапазоне 1750-3250 об/мин.
См. также
Примечания
Ссылки
biograf.academic.ru