Дизельный двигатель: устройство, принцип работы

Вторым по популярности двигателей внутреннего сгорания является дизельный двигатель, который раньше устанавливался только на грузовые машины. КПД дизеля больше, чем у самого распространенного ДВС — бензинового. При более высоком коэффициенте полезного действия, дизель расходует топлива намного меньше. Такие преимущества инженеры-конструкторы автомобильной промышленности смогли сделать за счет уникальной конструкции.

История создания дизельного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания бензинового типа постоянно модифицируются. Конструкторы добиваются улучшения эксплуатационных технических характеристик. Даже с новым прямым впрыском бензиновый ДВС выдает 30% КПД, а дизельный ДВС без турбонаддвува выдает 40% КПД, с турбонаддувом — около 50%.

Поэтому дизельные моторы становятся все более популярными и в Европе, и, вообще, по миру. Бензин дорожает чаще, чем дизтопливо. Все больше людей перед покупкой автомобиля оценивают, какой расход у этого авто. Основной существенный минус дизельных моторов — это большие габариты и большой вес. Поэтому они устанавливались только на грузовики.

Изготовление и обслуживание диз двигателя сложнее, потому что конструкция должна быть такой, чтобы все детали были сделаны с высокой точностью.

История создания

Дизельный двигатель, он же дизель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива, распыляющегося сжатым и горячим воздухом. До конца 20 века такой тип ДВС устанавливался на корабли, тепловозы, автобусы, грузовые машины, трактора. С конца 20 века после успешных испытаний начал массово устанавливаться на легковые авто.

По информации из википедии, в 1824 году Сади Карно придумал и сформулировал идею цикла Карно, суть которого заключалось возможности доводить топливо до температуры самовоспламенения резким сжатием.

Спустя 66 лет, Рудольф Дизель в 1890 году предложил реализовать эту идею на практике. 23 февраля 1892 года получил патент (разрешение) на свой двигатель, а в на следующий год выпустил брошюру по своего агрегату. Он запатентовал несколько вариантов.

Успешное испытание дизель-мотора удалось сделать только 28 января 1987 года (до этого попытки были неудачными). После этого Р.Дизель начал продавать лицензии на свое изобретение.Хоть и КПД, и удобство использования нового двигателя было на высоко уровне по сравнению с паровыми агрегатами, новые дизель-устройства были большими по габаритам и тяжелыми (они были больше и тяжелее паровых машин тех времен).

Первоначальной задумкой было то, что топливом должна была быть каменноугольная пыль. Но после испытаний такого вида топлива, оказалось, что каменноугольная пыль очень быстро изнашивает детали двигателя из-за своих абразивных свойств и из-за золы, которая получалась в результате сгорания этой пыли.

Далее, в качестве топлива было использовалось растительное масло и легкие нефтепродукты. Именно на этих видах топлива, испытания ДВС Дизеля прошли успешно.

Инженер Экрой Стюард построил в 1896 году работающий двигатель — полудизель. В этой варианте конструкции ДВС было решено, чтобы воздух втягивался в цилиндр, после чего сжимался поршнем и нагнетался в конце такта сжатия в емкость, в которую распылялось топливо. Чтобы запустить такой мотор, емкость нагревалась лампой снаружи и после запуска двигатель работал сам. Экрой Стюард экспериментировал со сжатием топлива и воздуха в цилиндре. Он хотел исключить свечи зажигания.

Русские в изобретениях не отставали. Вне зависимости от успехов создания ДВС Дизелем, в 1989 году в Петербурге на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер придумал и создал первый в мире бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления, то есть это был двигатель с форкамерой (форкамера — это предварительная камера сгорания, которая по объему составляет 30% от общего объема камеры сгорания). Такой двигатель получил название «Тринклер-мотор».

После сравнения немецкого варианта Дизель-мотора и русского Тринклер-мотора, русский вариант оказался более эффективным. В Тринклер-моторе использовалась гидросистема для нагнетания и распыления топлива — это позволило отказаться от установки дополнительного воздушного компрессора и позволило увеличить число оборотов вала двигателя. В русском варианте в конструкции двигателя не устанавливался воздушный компрессор. Тепло подводилось медленно и дольше, по сравнению с немецким мотором Рудольфа Дизеля. Тринклер-мотор был проще и эффективнее. Но, теми, у кого были лицензии на Дизель-двигатели Рудольфа и Нобелями были вставлены «палки в колеса», чтобы остановить распространение конкурентного варианта мотора. В 1902 году работы по созданию Тринклер-мотора были остановлены.

В 1989 году Эммануил Нобель получил лицензию на двигатель Рудольфа Дизеля. Двигатель был доработан и теперь он мог работать на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель», расположенный в Петербурге, начал массовый выпуск таких моторов. В 1900 году в Париже на Всемирной выставке дизельный ДВС получил ГРАН-ПРИ. Перед Всемирной выставкой в Париже, появилась новость, что Нобелевский завод в Петербурге выпускает ДВС, которые работают на сырой нефти. Такой ДВС в Европе начали называть «Русский дизель». Русский инженер по фамилии Аршаулов первым сконструировал и внедрил в систему топливный насос высокого давления (ТНВД). Приводом для ТНВД служил сжимаемый поршнем воздух. ТНВД работал с бескомпрессроной форсункой.

В 20-е годы ХХ века, Роберт Бош доработал встроенный ТНВД. Это устройство используется и в наши дни. Бош также усовершенствовал бескомпрессорную форсунку.

С 50-60 годов 20 века дизельный моторы успешно устанавливаются на грузовые машины и автофургоны.

С 70-х годов из-за удорожания бензинового топлива, на дизельные моторы стали обращать внимание производители легковых автомобилей.

В настоящее время, почти каждая марка авто имеет модификацию с дизельным аппаратом под своим капотом.

Устройство системы дизельного двигателя

Основными элементами диз мотора являются:

• цилиндро-поршневая группа (цилиндры, поршни, шатуны);
• топливные форсунки;
• впускные и выпускные клапана;
• турбина;
• интеркулер.

Современный дизельный двигатель в разрезе

Принцип работы дизельного мотора

Основная особенность дизельного ДВС в том, что он воспламенение топливно-воздушной смеси в камерах сгорания происходит за счет сжатия и нагрева. Распыление диз топлива осуществляется через форсунки.

Подача солярки осуществляется только в момент, при котором воздух максимально сжат и имеет максимальную температуру.

Когда воздух горячий, дизельное топливо легко воспламеняется. Перед попаданием топлива в камеры сгорания цилиндров ДВС, оно проходит очищающие фильтры, которые очищают от механических примесей, которые быстро нанесли бы ущерб всему устройству.

Порядок работы дизельной системы:

1. 1. Воздух подается через впускной клапан при движении поршня вниз.
   2. Далее поршень поднимается вверх и сжимает воздух в 20 раз. Давление в этот момент составляет 40 килограмм на 1 сантиметр. Температура воздуха в этот момент достигает 500 градусов по Цельсию.
   3. Когда воздух сжат и нагрет, форсунки этого цилиндра впрыскивают и распыляют топливо. За счет очень сильно нагретого воздуха дизтопливо воспламеняется. Такой способ работы исключает присутствие в системе свечей зажигания. Также в дизельных агрегатах отсутствует система зажигания. Процесс самовоспламенения солярки с воздухом от свечи накаливания.

   Также, в устройстве нет дроссельной заслонки, благодаря чему обеспечивается большой крутящий момент. Но, число оборотов в это время находится на низком уровне.За один цикл работы дизеля форсунки могут подавать топливо несколько раз.

2. При воспламенении горючей смеси, взрывная волна толкает поршень вниз. Поршень, который соединен с коленвалом посредством шатуна и вращает коленвал.
3. Далее, от нижней мертвой точки (НМТ) поршень движется вверх и выталкивает отработанные газы через выпускные клапана.Такой процесс в работе двигателя называют циклом.

Дополнительные компоненты двигателя

Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, есть еще дополнительные детали и узлы, которые улучшают характеристики и работу ДВС.

Принцип работы турбины

Турбина — это устройство, которое создает дополнительного нагнетание топлива. Двигатель с турбиной имеет большую производительность.

Идея создания турбины появилась при обнаружении такого факта, что при движении поршня вверх, солярка не успевает полностью сгорать.

С помощью турбины, сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего уменьшается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

• подшипники — служит опорой дает возможность вращаться валу;
• кожух на турбине;
• кожух на компрессоре;
• стальная сетка.

Цикл работы турбонаддува:

1. Компрессор создает вакуум и всасывается воздух внутрь системы.
2. Ротор турбины передает вращение ротору.
3. Интеркулер охлаждает воздух.
4. Через впускной коллектор осуществляется подача воздуха, предварительно воздух проходит степени очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха, впускной клапан закрывается.
5. Отработанные газы движутся через турбину ДВС и создают давление на ротор.
6. В этот момент скорость вращения турбины вала турбины очень высока, достигает 1500 оборотов в секунду. От этого начинает вращаться ротор компрессора.

Цикл далее повторяется.

При охлаждении воздуха, его плотность увеличивается. Если плотность воздуха стала больше, значит можно закачать воздух большим объемом. Чем больший поток воздуха подается в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.

Интеркулер и форсунка

При сжатии плотность воздуха и температура увеличиваются. Это негативно сказывается на межремонтном периоде деталей двигателя. В связи с чем была разработано устройство, которое охлаждает горячий воздушный поток.

В зависимости от модификации дизельных двигателей, в цилиндре топливо может распыляться одной или двумя форсунками.

Форсунки дизеля работают в импульсном режиме.

Вывод

За счет постоянных инженерных внедрений и испытаний, современные дизельные двигатели выдают очень хорошие технические характеристики. Качество сгорания отличное за счет использования турбонагнетателя. Качество сгорания, примерно, выше в 2 раза, чем у бензинового двигателя.

В последние годы идет постоянное усовершенствование не только для улучшения эксплуатационных показателей, но и за счет современных требований мировых экологов. Сначала было требование двигатели Евро-2, потом 3, 4, 5.

Видео

В этом видео показывается принцип работы дизеля.

Строение системы дизельного двигателя.

Принцип работы турбонагнетателя (турбонаддува, турбины).

Отличия ДВС евро 5 от евро 4.

Как работает дизельный двигатель

Конструкция и строение

По конструкции дизельный двигатель не отличается от бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали усилены, чтобы воспринимать высокие нагрузки — ведь степень сжатия дизеля намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового мотора). Этим объясняется большой вес и габариты дизельного мотора в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие в способах формирования смеси топлива и воздуха, её воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает воздух. В конце такта сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 о С, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением впрыскивается солярка и почти мгновенно самовоспламеняется.

Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, необходимо, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы, и каждая частица имела достаточное для полного сгорания количество воздуха. С этой целью топливо в цилиндр впрыскивается форсункой под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха при такте сжатия в камере сгорания.

В дизелях применяют неразделенные камеры сгорания. Они представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня 3 и поверхностями головки и стенок цилиндров. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Углубление 1 , выполненное в днище поршня, способствует созданию вихревого движения воздуха.

Мелко распыленное топливо впрыскивается из форсунки 2 через несколько отверстий, направленных в определенные места углубления. Чтобы топливо полностью сгорало и дизель обладал наилучшими мощностями и экономическими показателями, топливо нужно впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления — отсюда повышенная шумность и жесткость работы. Такая организация рабочего процесса позволяет работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность. Экологические характеристики тоже лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ меньше, чем у бензиновых моторов.

Типы дизельных двигателей

Существует несколько типов дизельных моторов. Различие в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания — их называю дизелями с непосредственным впрыском — топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. Непосредственный впрыск применяется на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это связано с трудностями процесса сгорания, а также повышенным шумом и вибрацией.

Благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить экономичность, снизить шум и вибрацию.

Наиболее распространенным является другой тип дизеля — с раздельной камерой сгорания. Впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания.

При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Такие двигатели составляют большинство среди устанавливаемых на современные автомобили.

Устройство топливной системы

Важнейшей системой является система топливоподачи. Ее функция — подача строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Высокое давление топлива и требования к точности делают топливную систему сложной и дорогой.

Предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и действий водителя. По своей сути современный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера.

Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п.

На современных авто применяются ТНВД распределительного типа. Насосы этого типа получили широкое распространение. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время они предъявляют высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах малы.

Форсунки

Они вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе. Тип распылителя определяет форму факела топлива, которая важна для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем.

Форсунка на двигателе работает в тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Топливный фильтр

Является важнейшим элементом дизельного мотора. Его параметры, такие как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его функций является отделение и удаление воды , для чего обычно служит нижняя сливная пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы.

Иногда устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

Как происходит запуск

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. В камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900 о С, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа.

Турбонаддув и Common-Rail

Эффективным средством повышения мощности является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и в результате увеличивается мощность. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — «турбоямы».

Турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные с надежностью работы турбокомпрессора. Так, его ресурс существенно меньше ресурса самого двигателя и не превышает 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Подробнее в статье: что такое турбокомпрессор.

Система Common-Rail. Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями. Сначала поступает крохотная, всего около миллиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно.