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
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
Давно уже прошли времена, когда в индустрии гражданских автомобилей дизельный двигатель считался во многом компромиссным «меньшим братом» бензиновых моторов.
Благодаря особенностям дизельного топлива, такой тип ДВС имеет ряд очевидных преимуществ.
Сильные стороны настолько явны, что даже отечественные конструкторы ломали голову по внедрению этой технологии.
Сейчас такие моторы имеют Газель Next, УАЗ Патриот. Более того, были попытки установки дизельного двигателя на Ниву. К сожалению, выпуск ограничился небольшими экспортными партиями.
Позитивные факторы позволили дизельному двигателю завоевать популярность в каждом из автомобильных сегментов. Речь идёт о четырехтактной конфигурации, поскольку двухтактный дизельный двигатель не получил широкого применения.
Конструкция
Принцип работы дизельного двигателя заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в механическую работу.
Способ приготовления и воспламенения топливной смеси – это то, чем отличается дизельный двигатель от бензинового. В камерах сгорания бензиновых моторов, приготовленная заранее топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью подаваемой свечой зажигания искры.
Особенность дизельного двигателя заключается в том, что смесеобразование происходит непосредственно в камере сгорания. Рабочий такт осуществляется путем впрыскивания под огромным давлением дозированной порции топлива. В конце такта сжатия реакция нагретого воздуха с дизтопливом приводит к воспламенению рабочей смеси.
Двухтактный дизельный двигатель имеет более узкую сферу применения.
Использование одноцилиндрового и многоцилиндрового дизелей такого типа имеет ряд конструктивных недостатков:
- неэффективную продувку цилиндров;
- повышенный расход масла при активном использовании;
- залегание поршневых колец в условиях высокотемпературной эксплуатации и прочие.
Двухтактный дизельный двигатель с противоположным размещением поршневой группы имеет высокую первоначальную стоимость и очень сложен в обслуживании. Установка такого агрегата целесообразна лишь на морских судах. В таких условиях, благодаря небольшим габаритам, малой массе и большей мощности при идентичных оборотах и рабочем объеме, двухтактный дизельный двигатель более предпочтителен.
Одноцилиндровый агрегат внутреннего сгорания широко применяется в домашнем хозяйстве в качестве электрогенератора, двигателя для мотоблоков и самоходных шасси.
Такой тип получения энергии налагает определённые условия на устройство дизельного двигателя. Он не нуждается в бензонасосе, свечах, катушке зажигания, высоковольтных проводах и прочих узлах, жизненно необходимых для нормальной работы бензинового ДВС.
В нагнетании и подачи дизтоплива участвуют: топливный насос высокого давления и форсунки. Для облегчения холодного пуска современные моторы используют свечи накала, которые предварительно подогревают воздух в камере сгорания. Во многих автомобилях в баке устанавливается вспомогательный насос. Задача топливного насоса низкого давления в том, чтобы прокачать топливо от бака к топливной аппаратуре.
Пути развития
Инновации дизельного двигателя заключаются в эволюции топливной аппаратуры. Усилия конструкторов направлены на то, чтобы добиться точного момента впрыска и максимального распыления топлива.
Создание топливного «тумана» и деление процесса впрыска на фазы позволило достигнуть большей экономичности и повышения мощности.
Наиболее архаичные экземпляры имели механический ТНВД и отдельную топливную магистраль к каждой форсунке. Устройство двигателя и ТА такого типа обладали большой надежностью и ремонтопригодностью.
Дальнейший путь развития заключался в усложнении ТНВД дизельного двигателя. В нем появились изменяемые моменты впрыска, множество датчиков и электронное управление процессами. При этом использовались все те же механические форсунки. В таком типе конструкции давление впрыскиваемого топлива было от 100 до 200 кг/см².
Следующим шагом было внедрение системы Common raіl. В дизельном двигателе появилась топливная рампа, где может поддерживаться давление до 2 тыс. кг/см². ТНВД таких моторов стали значительно проще.
Основная конструктивная сложность заключается в форсунках. Именно с их помощью регулируется момент, давление и количество ступеней впрыска. Форсунки системы аккумуляторного типа очень требовательны к качеству топлива. Завоздушивание такой системы приводит к быстрому выходу из строя ее основных элементов. Дизельный двигатель с Common rail работает тихо, потребляет меньше топлива и имеет большую мощность. За все это приходится платить меньшим ресурсом и более высокой стоимостью ремонта.
Еще более высокотехнологичной является система с применением насос-форсунок. В ТА такого типа форсунка соединяет в себе функции нагнетания давления и распыления топлива. Параметры дизельного двигателя с насос-форсунками на порядок выше аналоговых систем. Впрочем, как и стоимость обслуживания и требования к качеству топлива.
Важность комплектации турбинами
Большинство современных дизелей комплектуются турбинами.
Турбонаддув – это эффективный способ повысить мощностные характеристики автомобиля.
Благодаря повышенному давлению выхлопных газов, использование турбин в паре с дизельным ДВС заметно повышает приёмистость и уменьшает расход топлива.
Турбина – далеко не самый надёжный агрегат автомобиля. Больше 150 тыс. км они зачастую не ходят. Это, пожалуй, её единственный минус.
Благодаря электронному блоку управления двигателем (ЭБУ), дизельному двигателю доступен чип тюнинг.
Преимущества и недостатки
Существует ряд факторов, которые выгодно отличают дизельные двигатели:
- экономичность. КПД в 40% (до 50% с применением турбонаддува) просто недосягаемый показатель для бензинового собрата;
- мощность. Практически весь крутящий момент доступен на самых низких оборотах. Турбированный дизельный двигатель не имеет ярко выраженной турбоямы. Такая приёмистость позволяет получить настоящее удовольствие от вождения;
- надежность. Пробег самых надежных дизельных двигателей доходит до 700 тыс. км. И все это без ощутимых негативных последствий. Благодаря своей безотказности, дизельные ДВС ставят на спецтехнику и грузовики;
- экологичность. В борьбе за сохранность окружающей среды дизельный двигатель превосходит бензиновые моторы. Меньшее количество выбрасываемого СО и использование технологии рециркуляции выхлопных газов (EGR) приносят минимум вреда.
Недостатки:
- стоимость. Комплектация, оснащённая дизельным двигателем, будет стоить на 10% больше, чем такая же модель с бензиновым агрегатом;
- сложность и дороговизна обслуживания. Узлы ДВС выполнены из более прочных материалов. Сложность устройства двигателя и топливной аппаратуры требует качественных материалов, новейших технологий и большого профессионализма в их изготовлении;
- плохая теплоотдача. Большой процент КПД значит то, что при сгорании топлива происходят меньшие потери энергии. Другими словами, выделяется меньше тепла. В зимнее время года эксплуатация дизельного двигателя на короткие расстояния будет негативно сказываться на его ресурсности.
Рассмотренные минусы и плюсы не всегда уравновешивают друг друга. Поэтому вопрос о том, какой из двигателей лучше, будет стоять всегда. Если вы собираетесь стать владельцем такого автомобиля, учтите все особенности его выбора. Именно ваши требования к силовой установке будут тем фактором, который решит что лучше: бензиновый или дизельный двигатель.
Стоит ли покупать
Новые дизельные автомобили – это тот вид приобретения, который будет приносить только радость. Заправляя автомобиль качественным топливом и делая ТО согласно нормативным предписаниям, вы 100% не пожалеете о покупке.
Но стоит учитывать тот факт, что дизельные авто на порядок дороже своих бензиновых аналогов. Вы сможете компенсировать эту разницу и в последующем экономить только тогда, когда будете преодолевать большой километраж. Переплачивать с целью проезжать в год до 10 тыс. км. попросту не целесообразно.
Ситуация с б/у автомобилями немного иная. Несмотря на то, что дизельные двигатели отличаются большим запасом прочности, со временем сложная топливная аппаратура требует к себе повышенного внимания. Цены на запчасти к дизельному двигателю возрастом свыше 10 лет действительно удручающие.
Стоимость ТНВД на бюджетный автомобиль Б класса возрастом 15 лет может повергнуть в шок некоторых автолюбителей. К выбору авто с пробегом свыше 150 тыс. нужно относиться очень серьезно. Перед покупкой лучше сделать комплексную диагностику в специализированном сервисе. Так как низкое качество отечественного дизтоплива очень пагубно сказывается на ресурсе дизельного двигателя.
В этом случаи решить, какому двигателю лучше отдать предпочтение, поможет репутация производителя. К примеру, модель Mercedes-Benz OM602 по праву считается одним из самых надёжных дизельных двигателей в мире. Покупка автомобиля с подобным силовым агрегатом станет выгодным вложением на долгие годы. Многие производители имеют подобные «удачные» модели силовых установок.
Мифы и заблуждения
Несмотря на распространенность автомобилей с дизельным двигателем, в народе до сих пор существуют предрассудки и непонимание. «Тарахтит, зимой не греет, а в большой мороз не заведёшь, летом не едет, а если что-то поломается, так ещё поискать нужно мастера, который за космические деньги отремонтирует всё», – примерно такие слова можно услышать иногда от «опытных» автолюбителей. Всё это отголоски прошлого!
- Благодаря современным технологиям, только рокот холостого хода позволяет отличить дизельные двигатели от бензиновых. В движении, когда шум дороги нарастает, разница не ощутима.
- Для улучшения запуска и прогрева в холодное время года в современных автомобилях используются различные вспомогательные системы. Ввиду нарастающей популярности, количество сервисов, специализированных на обслуживании дизельного двигателя, постоянно увеличивается.
- Бытует мнение, что ДВС работающий на дизеле сложно форсировать. Это верно, если мы говорим о модификациях цилиндропоршневой группы. В то же время чип тюнинг дизельного двигателя – это хороший способ повысить его мощностные характеристики без ухудшения ресурсности.
Стоит помнить о том, что принцип работы дизельного двигателя всецело направлен на достижения экономичности и надёжности. Не стоит требовать от таких ДВС заоблачных динамических показателей.
Симптомы и причины неисправностей
- Плохой запуск дизельного двигателя на холодную, и после длительного простоя – означает плохо работающие свечи накала, воздух в системе, обратный клапан стравливает давление топлива, плохая компрессия, разряженный аккумулятор;
- повышенная шумность, увеличенный расход и чёрный дым из выхлопной трубы – означает засорение или износ распылителей и форсунок, неправильные углы опережения впрыска, грязный фильтр очистки воздуха;
- пропала мощность дизельного двигателя – означает отсутствие компрессии, выход из строя турбины, засорение топливного и воздушного фильтров, некорректные углы опережения впрыска, загрязненный клапан ЕГР;
- серый или белый дым из выхлопной, повышенный расход масла – означает трещину ГБЦ или пробитую прокладку ГБЦ (уходит охлаждающая жидкость, а в масле появляется эмульсия), неисправность турбонагнетателя.
Правильная эксплуатация
Неправильная эксплуатация может погубить даже самый надежный мотор.
Продлить ресурс дизельного двигателя, и получать удовольствие от владения автомобилем вам поможет выполнение несложных правил:
- дизельные двигатели с турбонаддувом очень требовательны к качеству масла и топлива. Заливайте только то масло, которое соответствует требованиям, установленным для вашего ДВС. Заправляйтесь только на проверенных АЗС;
- проводите ТО топливной аппаратуры и системы предпускового подогрева в соответствии с заявленными производителем нормами. В этом случае у вас не возникнет проблем с запуском дизельного двигателя в холодное время года. Эксплуатация агрегата с неправильно работающей форсункой впоследствии может привести к дорогостоящему ремонту ДВС;
- после активных поездок турбина нуждается в охлаждении. Не глушите мотор сразу же. Дайте ему поработать некоторое время на холостых оборотах;
- избегайте запуска «с толкача». Такой способ оживления мотора может причинить большой вред кривошипно-шатунному механизму вашего ДВС.
Оба типа двигателей имеют не только плюсы, но и минусы. Главная цель автомобиля – соответствовать вашим требованиям, неважно, установлен в нем бензиновый или дизельный двигатель. Что лучше подойдёт вам, зависит только от индивидуальных предпочтений.
Современные инновационные технологии и прогрессивный маркетинг позволяют людям выбирать из автомобилей, которые они могут себе позволить. Нам всё меньше приходится идти на компромисс и жертвовать отдельными параметрами. Особенно эта тенденция заметна в процессе эволюции дизельных автомобилей.
Дизельный двигатель — принцип работы
Дизельный двигатель, наряду с бензиновым, является одним из двух самых распространенных типов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Принцип его работы 
базируется на самовоспламенении воздушно-топливной смеси, которая подается в камеры сжигания под давлением.
Благодаря этому горючее нагревается и самовоспламеняется, что является главным отличием дизельного двигателя от бензинового и выступает основной причиной всех конструктивных и эксплуатационных изменений в силовом агрегате этого типа, а также напрямую влияет на сферу применения и частоту его использования. В статье подробно рассматривается история создания и совершенствования дизельного двигателя, устройство и принцип работы подобного оборудования, а также его основные отличия и преимущества по сравнению с бензиновой силовой установкой.
История создания и совершенствования
Первые научные разработки, касающиеся возможности использовать для воспламенения горючего в тепловой машине сжатого до высокого давления топлива, были осуществлены в 20-30-х годах 19-го века. На практике этот принцип был реализован выдающимся немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем, который в 1892 году оформил патент на изобретение двигателя оригинальной конструкции, получивший название дизель-мотор в честь его создателя. Через 3 года документ был признан США. В течение нескольких лет Дизель зарегистрировал еще несколько патентов на различные модификации дизельного двигателя.
Первый работающий агрегат был изготовлен в конце 1896 года, а его испытания прошли практически сразу – 28 января следующего года. В качестве горючего первые дизельные двигатели использовали растительные масла и легкие нефтепродукты. Силовая установка практически сразу же стала показывать высокий КПД, будучи еще и очень удобной в эксплуатации. Но в первые годы после изобретения дизельные двигатели применялись, главным образом, в тяжелых паровых машинах.
Существенно расширить сферу практического использования дизельных агрегатов позволили два ключевых усовершенствования. Первое заключалось в применении в качестве топлива керосина, что первым использовал в 1898 году другой великий инженер того времени – родившийся в России швед Рудольф Нобель. Вторым серьезным рационализаторским решением стало изобретение топливного насоса высокого давления (ТНВД), который заменил используемый ранее для сжатия горючего компрессор.
Серьезный вклад в усовершенствования ТНВД внес в 20-е годы 20-го века Роберт Бош. Он изобрел и внедрил модель встроенного насоса и бескомпрессорной форсунки, применение которых привело к существенному уменьшению габаритов дизельного двигателя, что, в свою очередь, позволило устанавливать его сначала на общественный и грузовой транспорт, а во второй половине 30-х годов – впервые использовать на легковых машинах. Дальнейшие улучшения рассматриваемого агрегата, в частности использование специального дизельного топлива, позволили силовой установке на этом типе горючего успешно конкурировать с бензиновыми двигателями, постоянно увеличивая занимаемую долю рынка.
Отличие от бензинового двигателя
Главное отличие дизельного двигателя от бензинового было упомянуто выше. Оно состоит в отсутствии системы зажигания, что объясняется использованием принципа самовоспламенения топливно-воздушной смеси в результате нагнетания давления и вызванного этим нагрева горючего. Необходимо отметить несколько ключевых следствий разницы между рассматриваемыми типами силовых установок.
Главные положительные для дизельного двигателя моменты состоят в следующем. Во-первых, отсутствие системы зажигания делает конструкцию агрегата заметно проще, повышая надежность и долговечность. Во-вторых, компрессионное воспламенение топлива обеспечивает более полное и эффективное сгорание, в результате чего повышается КПД силовой установки и снижается количество вредных выбросов.
Основным негативным следствием указанного выше отличия между двигателями внутреннего сгорания выступают более существенные требования к прочности и качеству изготовления клапанов и других деталей дизельных агрегатов. Это связано с тем, что они эксплуатируются под серьезной нагрузкой, связанной с повышенным давлением топливно-воздушной смеси.
Устройство
И дизельный, и бензиновый агрегаты относятся к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а потому имеют сходное устройство. Основными конструктивными частями силовой установки на дизельном топливе являются такие:
1. Блок цилиндров. Основа любого двигателя. Используется для размещения всех систем и узлов силового агрегата. Различаются по трем основным параметрам – числу цилиндров, схеме их расположения и способу охлаждения. Как правило, количество цилиндров является четным, максимальное их число составляет 16. Чаще всего встречаются двигатели с 2-я, 4-я, 6-ю или 8-ю цилиндрами.
Важным элементом рассматриваемого узла является так называемая ГБЦ или головка блока цилиндров. Она создает закрытое пространство, в котором происходит непосредственное сжигание топливной смеси.
2. Кривошипно-шатунный механизм. Основное назначение этого узла двигателя – преобразование перемещения поршня внутри гильзы, являющегося возвратно-поступательным, в движение коленвала, которое относится к вращательным. Главной деталью механизма считается коленвал, подвижно соединенный с блоком цилиндров, что обеспечивает вращение вала.
Другая важная деталь – маховик, который крепится к одному из концов коленвала. Его задача – передать крутящий момент к другим узлам транспортного средства. Ко второму концу коленвала крепится шкив и приводная шестерня топливно-распределительной системы.
3. Цилиндропоршневая группа. Включает в себя цилиндры или гильзы, поршни или плунжеры, шатуны и поршневые пальцы. Отвечает за процесс сжигания топлива с последующей передачей образовавшейся энергии для дальнейших преобразований. Камера сжигания представляет собой пространство внутри гильзы, которое с одной стороны ограничивается ГБЦ, а с другой — поршнем. Главное требование к цилиндропоршневой группе дизельного двигателя – герметичность, прочность и долговечность.
4. Топливно-распределительная система. Функциональное назначение – своевременная подача горючего в камеры сгорания и отвод из двигателя продуктов сжигания топливно-воздушной смеси. В дизельном агрегате основу системы составляют два насоса. Первый из них – низкого давления – отвечает за перемещение горючего из бака к двигателю.
Назначение второго – ТНВД – несколько шире и заключается в определении нужного количества и времени впрыска топлива, а также в обеспечении необходимого уровня давления в камере сгорания. Именно топливный насос высокого давления и соединенные с ним форсунки являются ключевыми элементами дизельного двигателя, обеспечивающими его впечатляющие эксплуатационные и технические параметры.
5. Система смазки. Предназначается для уменьшения показателей трения между отдельными узлами и деталями силовой установки. В качестве смазочного материала используются как различные масла, так и, что характерно для отдельных механизмов, непосредственно дизельное топливо. Устройство системы смазки предусматривает наличие масляного насоса, различных емкостей и соединяющих трубопроводов.
6. Система охлаждения. Основное функциональное назначение данного элемента дизельного двигателя очевидно и состоит в поддержании такого уровня температуры, который является оптимальным для работающего агрегата. Для этого используются два метода – принудительный отвод тепла от узлов двигателя и охлаждение их при помощи воздуха или жидкости. В качестве последней обычно используется вода или антифриз.
7. Дополнительные узлы – турбина и интеркулер. Турбонаддув или турбонагнетатель позволяет увеличить давление в камере сгорания, что ведет к росту производительности двигателя. Интеркулер предназначен для дополнительного и более эффективного охлаждения горячего воздушного потока, который создается в процессе эксплуатации дизельного агрегата.
Отдельного упоминания заслуживает еще одна важная часть любого современного дизельного двигателя – электрооборудование и автоматика. Именно различные приборы управления и контроля над работой агрегата позволяют добиться главного преимущества, характерного для подобных силовых установок – высокого КПД.
Принцип работы
Дизельные двигатели делятся на двух- и четырехтактные. Первый вариант в сегодняшних условиях используется крайне редко, а потому детально рассматривать его попросту не имеет смысла. Стандартный принцип работы обычного четырехтактного двигателя предполагает, что вполне логично, 4 основных этапа:
1. Впуск. Коленвал поворачивается в диапазоне между 0 и 180 градусами. На этой стадии воздух подается в цилиндр.
2. Сжатие. Положение коленвала изменяется со 180 до 360 градусов. Это обеспечивает движение поршня к так называемой верхней мертвой точке (ВМТ), что приводит к сжатию воздуха в цилиндре в 16-25 раз.
3. Рабочий ход с последующим расширением. Коленвал осуществляет перемещение между 360 и 540 градусами. В камеру сжигания через форсунки впрыскивается топливо, которое при смешивании с воздухом воспламеняется. Это происходит чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ.
4. Выпуск. Коленвал завершает оборот, перемещаясь между 540 и 720 градусами. В результате очередного перемещения поршня в верхнюю часть цилиндра из камеры сгорания удаляются отработанные газы. После этого цикл начинается заново.
Основные разновидности
Основным параметром, который используется для классификации дизельных двигателей, выступает конструкция камеры сжигания. По этому параметру различают два основных типа рассматриваемых силовых установок, на которых используется
· разделенная камера сгорания. Подача горючего производится в специальную камеру, которая называется вихревой и размещается в головке блока, соединяясь с цилиндром при помощи канала. Наличие такого дополнительного элемента позволяет добиться увеличения уровня нагнетания, что положительно сказывается на способности смеси к самовоспламенению;
· неразделенная камера сгорания. Более простая, а потому надежная конструкция, при использовании которой топливо подается непосредственно в пространство над поршнем, которое и выступает камерой сгорания. Это позволяет заметно снизить расход топлива, что, наряду с надежностью механизма, стало ключевой причиной широко распространения именно такого типа дизельных двигателей.
Особенно популярными дизельные агрегаты с неразделенной камерой сгорания стали после появления ТНВД системы Common Rail. Ее использование позволяет обеспечить оптимальный уровень давления, количества и времени впрыскивания топлива для последующего сжигания. Таким образом, достигаются все основные преимущества двигателей с разделенной камерой сгорания без присущих им недостатков.
Основные достоинства и недостатки
Широкое распространение и успешная конкуренция дизельных двигателей с бензиновыми объясняется рядом впечатляющих преимуществ. Главными из них выступают:
· КПД, достигающий 40% на обычных установках и 50% на дизельных двигателях с турбонаддувом. Такие показатели являются попросту недосягаемыми для агрегатов, использующих в качестве топлива бензин;
· мощность. Крутящий момент дизельного двигателя обеспечивается даже на малых оборотах, что гарантирует автомобилю уверенный и быстрый разгон;
· экологичность. Сгорание топлива под высоким давлением приводит к уменьшению количества образующихся в процессе эксплуатации двигателя выхлопных газов. В сегодняшних условиях этому плюсы дизелей придается все большее значение;
· надежность. Как правило, моторесурс дизельного агрегата примерно в полтора-два раза превосходит аналогичный показатель бензинового конкурента. Кроме того, отсутствие системы зажигания позволяет избавиться от многих традиционных проблем двигателей на бензине, например, слабой искры на свечах или их залива.
В числе недостатков, присущих дизельному двигателю, прежде всего, необходимо выделить два. Первый – это несколько более высокая стоимость транспортных средств, оборудованных этим типом силовой установки. Разница в цене обычно варьируется от 10 до 20%.
Второй минус – необходимость существенных эксплуатационных расходов. Это объясняется серьезными требованиями к качеству изготовления и уровню технического обслуживания автомобилей с дизельными двигателями. Однако, обращение в солидную компанию за приобретением, а также последующим обслуживанием, комплектованием и ремонтом сведет к минимуму недостатки агрегата, оставив в полной сохранности его впечатляющие достоинства.
Дизельные двигатели весьма распространены на легковых автомобилях. Многие модели имеют хотя бы один вариант в моторной гамме. И это без учета грузовиков, автобусов и строительной техники, где их применяют повсеместно. Далее рассмотрено, что такое дизель, конструкция, принцип работы, особенности.
Определение
Данный агрегат представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, функционирование которого основано на самовоспламенении распыленного топлива от нагрева либо сжатия.
Особенности конструкции
Бензиновый двигатель имеет те же конструктивные элементы, что и дизель. Схема функционирования в целом также аналогична. Отличие состоит в процессах формирования топливовоздушной смеси и ее сгорания. К тому же дизельные моторы отличаются более прочными деталями. Это обусловлено примерно вдвое более высокой степенью сжатия, чем у бензиновых двигателей (19-24 против 9-11).
Классификация
По конструкции камеры сгорания дизели подразделяют на варианты с раздельной камерой сгорания и с непосредственным впрыском.
В первом случае камера сгорания отделена от цилиндра и соединена с ним каналом. При сжатии поступающий в камеру вихревого типа воздух закручивается, что улучшает смесеобразование и самовоспламенение, которое начинается там и продолжается в основной камере. Дизельные двигатели данного типа ранее были распространены на легковых автомобилях в связи с тем, что они отличались пониженным уровнем шума и большим диапазоном оборотов от рассмотренных далее вариантов.
В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания находится в поршне, а топливо подается в надпоршневое пространство. Такая конструкция изначально использовалась на низкооборотных моторах большого объема. Они отличались высоким уровнем шума и вибраций и низким расходом топлива. Позднее, с появлением топливных насосов высокого давления с электронным управлением и оптимизацией процесса сгорания, конструкторы достигли стабильной работы при диапазоне до 4500 об./мин. К тому же возросла экономичность, снизилась шумность и уровень вибраций. Среди мер по уменьшению жесткости работы – многостадийный предвпрыск. Благодаря этому двигатели данного типа получили в последние два десятилетия обширное распространение.
По принципу функционирования дизели подразделяют на четырехтактные и двухтактные, как и бензиновые моторы. Их особенности рассмотрены далее.
Принцип функционирования
Чтобы понимать, что такое дизель и чем обусловлены его функциональные особенности, необходимо рассмотреть принцип работы. Приведенная выше классификация поршневых ДВС основана на количестве тактов, входящих в рабочий цикл, которые выделяют по величине угла поворота коленчатого вала.
Следовательно, рабочий цикл четырехтактных двигателей включает 4 фазы.
- Впуск. Происходит при повороте коленвала от 0 до 180°. При этом воздух проходит в цилиндр через открытый на 345-355° впускной клапан. Одновременно с ним во время поворота коленвала на 10-15° открыт выпускной клапан, что называют перекрытием.
- Сжатие. Поршень, двигаясь вверх при 180-360°, сжимает воздух в 16-25 раз (степень сжатия), а впускной клапан закрывается в начале такта (при 190-210°).
- Рабочий ход, расширение. Происходит при 360-540°. В начале такта до достижения поршнем верхней мертвой точки топливо подается в горячий воздух и воспламеняется. Это особенность дизельных двигателей, отличающая их от бензиновых, где происходит опережение зажигания. Выделяющиеся при этом продукты горения толкают поршень вниз. При этом время сгорания топлива равно времени его подачи форсункой и длится не дольше продолжительности рабочего хода. То есть при рабочем процессе давление газов постоянно, вследствие чего дизели развивают больший крутящий момент. Также важной особенностью таких моторов является необходимость обеспечения избытка воздуха в цилиндре, так как пламя занимает небольшую часть камеры сгорания. То есть отличается пропорция топливовоздушной смеси.
- Выпуск. При 540-720° поворота коленвала открытый выпускной клапан поршень, двигаясь вверх, вытесняет выхлопные газы.
Двухтактный цикл отличается укороченными фазами и единым процессом газообмена в цилиндре (продувкой), происходящей между концом рабочего хода и началом сжатия. При движении поршня вниз продукты горения удаляются через выпускные клапаны или окна (в стенке цилиндра). Позже открываются впускные окна для поступления свежего воздуха. Когда поршень поднимается, все окна закрываются, и начинается сжатие. Чуть ранее достижения ВМТ впрыскивается и воспламеняется топливо, начинается расширение.
Из-за сложности обеспечения продувки вихревой камеры двухтактные моторы бывают только с непосредственным впрыском.
Производительность таких двигателей выше в 1,6-1,7 раз, чем характеристики дизеля четырехтактного типа. Ее прирост обеспечивается вдвое более частым осуществлением рабочих ходов, но частично сокращается из-за их меньшей величины и продувки. Вследствие удвоенного количества рабочих ходов двухтактный цикл особо актуален в случае невозможности увеличения частоты вращения.
Основной проблемой таких двигателей является продувка из-за ее непродолжительности, что невозможно компенсировать без снижения эффективности за счет укорочения рабочего хода. К тому же невозможно разделить выхлоп и свежий воздух, из-за чего часть последнего удаляется с отработанными газами. Данную проблему можно решить путем обеспечения опережения выпускных окон. В таком случае газы начинают удаляться до продувки, и после закрытия выпуска цилиндр дополняется свежим воздухом.
К тому же при использовании одного цилиндра возникают сложности с синхронностью открытия/закрытия окон, поэтому существуют двигатели (ПДП), в которых каждый цилиндр имеет два поршня, движущихся в одной плоскости. Один из них контролирует впуск, другой – выпуск.
По механизму осуществления продувку подразделяют на щелевую (оконную) и клапанно-щелевую. В первом случае окна служат и впускными и выпускными отверстиями. Второй вариант предполагает их использование в качестве впускных отверстий, а для выпуска служит клапан в головке цилиндра.
Обычно двухтактные дизели применяют на тяжелых транспортных средствах вроде кораблей, тепловозов, танков.
Топливная система
Топливная аппаратура дизельных двигателей существенно сложнее, чем у бензиновых. Это объясняется высокими требованиями к точности подачи топлива по времени, количеству и давлению. Основные компоненты топливной системы – ТНВД, форсунки, фильтр.
Широко применяется система подачи топлива с компьютерным управлением (Common-Rail). Она впрыскивает его двумя порциями. Первая из них маленькая, служащая для повышения температуры в камере сгорания (предвпрыск), что позволяет снизить шум и вибрации. К тому же данная система повышает на малых оборотах крутящий момент на 25%, снижает расход топлива на 20% и содержание сажи в выхлопных газах.
Турбонаддув
На дизельных двигателях очень широко применяют турбины. Это объясняется более высоким (в 1,5-2) раза давлением выхлопных газов, которые раскручивают турбину, что позволяет избежать турбоямы, обеспечив наддув с более низких оборотов.
Холодный запуск
Можно найти множество отзывов о том, что при отрицательных температурах не заводится дизель. Сложность запуска таких моторов в холодных условиях обусловлена тем, что для этого требуется больше энергии. Для облегчения процесса их оснащают предпусковым подогревателем. Данное устройство представлено свечами накаливания, размещенными в камерах сгорания, которые при включении зажигания подогревают воздух в них и работают еще в течение 15-25 секунд после запуска для обеспечения стабильности работы непрогретого мотора. Благодаря этому дизели заводятся при температурах -30…-25 °С.
Особенности обслуживания
Для обеспечения долговечности при эксплуатации необходимо знать, что такое дизель и как его обслуживать. Относительно невысокая распространенность рассматриваемых двигателей в сравнении с бензиновыми объясняется в том числе более сложным обслуживанием.
Прежде всего это касается топливной системы высокой сложности. Из-за этого дизели крайне чувствительны к содержанию в топливе воды и механических частиц, а ее ремонт дороже, как и двигателя в целом в сравнении с бензиновым того же уровня.
В случае наличия турбины также высоки требования к качеству моторного масла. Ее ресурс обычно составляет 150 тыс. км, а стоимость высока.
В любом случае на дизельных двигателях менять масло следует чаще, чем на бензиновых (в 2 раза по европейским нормам).
Как было отмечено, у данных моторов встречаются проблемы холодного запуска, когда при низких температурах не заводится дизель. В некоторых случаях это вызвано использованием неподходящего топлива (в зависимости от сезона на таких двигателях применяют различные сорта, так как летнее топливо при низких температурах застывает).
Эксплуатационные качества
К тому же многим не по душе такие качества дизельных моторов, как меньшие мощность и диапазон рабочих оборотов, более высокий уровень шума и вибраций.
Бензиновый двигатель действительно обычно превосходит в производительности, в том числе и литровой мощности, аналогичный дизель. Мотор рассматриваемого типа при этом имеет более высокий и ровный график крутящего момента. Повышенная степень сжатия, обеспечивающая больший крутящий момент, вынуждает применять более прочные детали. Так как они тяжелее, снижается мощность. К тому же это сказывается на массе двигателя, а следовательно, и автомобиля.
Небольшой диапазон рабочих оборотов объясняется более длительным возгоранием топлива, вследствие чего на высоких оборотах оно не успевает догореть.
Повышенный уровень шума и вибраций вызывает резкое нарастание давления в цилиндре при воспламенении.
Основными достоинствами дизелей считают более высокую тяговитость, экономичность и экологичность.
Тяговитость, то есть высокий крутящий момент на малых оборотах, объясняется сгоранием топлива по мере впрыска. Это обеспечивает большую отзывчивость и облегчает эффективное использование мощности.
Экономичность обусловлена как низким расходом, так и тем, что топливо для дизеля дешевле. К тому же возможно использовать в качестве него низкосортные тяжелые масла благодаря отсутствию строгих требований к испаряемости. А чем топливо тяжелее, тем выше эффективность мотора. Наконец, дизели работают на бедных смесях в сравнении с бензиновыми моторами и при высокой степени сжатия. Последнее обеспечивает меньшие потери тепла с отработанными газами, то есть большую эффективность. Все данные меры снижают расход топлива. Дизель, благодаря этому, тратит его на 30-40% меньше.
Экологичность дизелей объясняется тем, что в их выхлопных газах ниже содержание окиси углерода. Это достигается применением сложных систем очистки, благодаря чему сейчас бензиновый двигатель соответствует тем же экологическим нормам, что и дизель. Мотор такого типа ранее значительно уступал бензиновому в данном отношении.
Применение
Как понятно из того, что такое дизель и каковы его характеристики, такие моторы наиболее подходят для тех случаев, когда необходима высокая тяга на низких оборотах. Поэтому ими оснащают почти все автобусы, грузовики и строительную технику. Что касается частных транспортных средств, среди них такие параметры наиболее важны для внедорожников. Благодаря высокой экономичности данными моторами оснащают и городские модели. К тому же они удобнее в управлении в таких условиях. Тест-драйвы дизелей свидетельствуют об этом.
Дизельный двигатель
- Статья опубликована 26.06.2014 06:37
- Последняя правка произведена 28.10.2015 17:14
Определение.
Дизельный двигатель – поршневой ДВС, работающий от дизельного топлива. Топливо возгорается от сильного сжатия воздуха в цилиндре.
История.
В 1890 году Рудольф Дизель предположил, что если увеличить давление в цилиндрах, то эффективность работы двигателя заметно увеличится (теория «экономичного термического двигателя»). Свои замыслы ему удалось реализовать после получения патента на свое изобретение 23 февраля 1893 года. Первая рабочая модель двигателя была собрана только в начале 1897 года, а 28 января она успешно прошла все тестирования и испытания.
Патент на изобретение Дизеля
Патент, который получил Рудольф Дизель 23 февраля 1893 года на свое изобретение.
В качестве топлива Рудольф Дизель предполагал использовать каменноугольную пыль, однако проведенные опыты показали, что она совершенно не подходит на эту роль из-за высоких абразивных свойств. Зола, полученная при сгорании пыли, изнашивает двигатель и выводит его из рабочего состояния. Помимо того, неосуществимой оказалась подача пыли в цилиндры двигателя. Однако, несмотря на эти неудачи, стало возможным использование тяжелых фракций нефти в качестве топлива. Хотя Рудольф Дизель первым запатентовал использование в качестве системы зажигания сжатие воздуха, однако и до него существовали люди, высказывавшие подобные идеи. Таким был и Экройд Стюард, но по непонятным причинам он не смог получить патент.
Идея Экройда Стюарда заключалась в использовании сжатого воздуха для поджигания, впрыскиваемого в емкость, топлива. Чтобы запустить двигатель, необходимо было нагреть емкость лампой, но после запуска, работа двигателя поддерживалась без дальнейшего подвода тепла. Главное упущение теории Стюарта в том, что он даже не учитывал преимущества работы от высокой степени сжатия. Перед собой он ставил задачу исключения из двигателя свечей зажигания. Вот почему в нынешнее время всем хорошо известны «дизельные двигатели«, «дизельное топливо», «двигатель Дизеля» и просто «дизель», а про Экройда Стюарда почти никто не знает.
Первые дизельные двигатели были крупногабаритными и тяжелыми, поэтому на протяжении почти 30 лет применялись исключительно в стационарных механизмах и силовых установках морских судов. Дорога в автомобилестроение была им закрыта также из-за того, что системы впрыска топлива того времени не были приспособлены к работе на высокооборотистых двигателях.
Стационарный одноцилиндровый дизельный двигатель
На фотографии один из первых дизельных двигателей. Он представлял собой громоздкую стационарную конструкцию с одним цилиндром.
В 20-е годы ХХ века немецким инженером Робертом Бошем был усовершенствован встроенный топливный насос высокого давления, который широко применяется и сегодня. Использование гидравлической системы в качестве нагнетателя и впрыскивателя топлива позволило избавиться от отдельного воздушного компрессора, а также увеличить крутящий момент двигателя. Но даже после этого дешевые и легкие двигатели с электрическим зажиганием лидировали среди легковых автомобилей, в то время как дизельные двигатели устанавливались только на общественный транспорт и грузовые машины.
«Дизель» в массы!
Переломным моментом в истории дизельных двигателей стали события 70-х годов. После резкого подорожания бензина, мировые производители малолитражных автомобилей заинтересовались в использовании дизельных двигателей.
О целесообразности использования дизельных двигателей заговорили и экологи. Выхлопы дизельного двигателя не такие токсичные и не загрязняют атмосферу.
Ж/Д транспорт и морские суда.
Помимо легковых автомобилей и грузовиков, дизельным двигателем оснащаются и локомотивы. «Дизель-поезда» незаменимы на неэлектрифицированных участках железных дорог благодаря своей автономности. Двухтактные дизельные двигатели с мощностью до 100.000 л.с. применяются на больших морских судах.
Принцип работы дизельного двигателя.
Четырехтактный цикл.
Принцип действия четырехтактного дизеляНа первом такте работы двигателя происходит втягивание воздуха через открытый впускной клапан цилиндра. Поршень опускается.
На втором такте воздух нагревается при сильном (примерно в 17 раз) сжатии в цилиндре. Поршень поднимается.
Во время третьего такта поршень опускается, топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсун. Топливо равномерно перемешивается с воздухом и образует самовоспламеняющуюся смесь. Энергия, образующаяся при сгорании топлива, приводит поршень в движение.
Четвертый такт – завершающий. Поршень поднимается, и выхлопные газы выходят через выпускной клапан.
Дизельные двигатели различаются конструкцией камеры сгорания:
Неразделенная камера сгорания: камера сгорания располагается в поршне, а впрыск топлива происходит в надпоршневом пространстве. Основное преимущество конструкции в пониженном расходе топлива, однако приходится терпеть грохот и шум. В нынешнее время конструкторы уделяют много внимания на разрешение этой проблемы.
Разделенная камера сгорания: топливо поступает в отдельную камеру (которая называется вихревой). Преимущественно в конструкции дизельных двигателей есть соединение вихревой камеры с цилиндром при помощи специального канала. Воздух, попадая в эту камеру, закручивается, что способствует более интенсивному перемешиванию топлива с кислородом. Раньше такая система была популярной в автомобилестроении, но из-за своей неэкономичности постепенно вытесняется конструкцией с неразделенной камерой сгорания.
Двухтактный цикл.
Принцип действия двухтактного дизеляПомимо 4-хтактного цикла существует также и двухтактный.
На начало первого такта цилиндр, наполненный воздухом, располагаются в нижней (мертвой) точке. При перемещении поршня вверх, происходит сжатие воздуха. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется. Благодаря расширению продуктов сгорания топлива, поршень совершает работу и опускается вниз. В нижней мертвой точке цилиндр продувается от продуктов сгорания и в него поступает чистый воздух. На этом цикл завершается.
Процесс вентиляции осуществляется за счет специальных продувочных окон, которые в зависимости от положения поршня то закрываются, то открываются. Данный тип продувки называется щелевым. Альтернативой ему является клапанно-щелевая продувка. Клапана в ней служат только для отвода отработавших газов, а окна для поступления чистого воздуха.
Так как в двухтактном цикле частота рабочего хода чаще в два раза, то можно предложить, что и мощность будет больше в два раза. Однако на практике такого не наблюдается. Максимальный прирост мощности по отношению к четырёхтактному 1.6-1.7 раз.
О правильной эксплуатации дизельного двигателя, а также о его ремонте можно почитать здесь.
Области применения дизельных двигателей
Использование дизельных двигателей
После изобретения Рудольфом Дизелем, его двигатель, претерпев некоторые изменения в течении ста лет, стал самым востребованным и практичным в использовании в разных областях деятельности. Главной его особенностью стала высокая эффективность и экономичность.
Сегодня дизельный двигатель используют:
на стационарных силовых агрегатах;
на грузовых и легковых машинах;
на тяжелых грузовиках;
на сельхоз/спец/строительной технике;
на тепловозах и судах.
Дизели могут иметь рядную и V-образную структуру. Без проблем работают с системой наддува воздуха.
Основные параметры
При эксплуатации двигателя, важны следующие параметры:
мощность двигателя;
удельная мощность;
экономичная, и в тоже время надежная эксплуатация;
практичная компоновка в силовом отсеке;
комфорт и совместимость с окружающей средой.
От того, в какой области деятельности применяется дизель, будет меняться его внутренняя конструкция.
Применение дизельного двигателя
- Стационарные силовые агрегаты
Рабочие обороты, в стационарных агрегатах как правило фиксированные, поэтому двигатель и система питания должны работать вместе в постоянном режиме. В зависимости от интенсивности нагрузки, подача топлива контролируется регулятором частоты вращения коленчатого вала, для поддержания заданных оборотов. На стационарных силовых агрегатах чаще всего используют аппаратуру впрыска с механическим регулятором. Иногда как стационарные могут использоваться и двигатели для легковых авто и грузовиков, но только при правильно настроенном регуляторе.
- Легковые авто и легкие грузовики
На легковых автомобилях используются быстроходные дизели, то есть способные развивать высокий крутящие момент в широком диапазоне частот вращения коленчато
Источник: icarbio.ru [1]
9794 0
Что такое дизельный автомобиль?
Дизельный автотранспорт использует двигатель, у которого цикл сгорания не такой как у бензинового мотора.
| Сравнение дизельного и бензинового двигателей |
|---|
В бензиновом двигателе, топливо смешивается с воздухом, поступает в цилиндр и воспламеняется свечой зажигания. В дизельном же, воздух нагнетается в цилиндр и сжимается сначала без топлива. Эта компрессия нагревает воздух до такой высокой температуры, что, когда топливо затем впрыскивается в цилиндр, оно воспламеняется.
Используя более высокий уровень компрессии и более высокие температуры сгорания, дизели работают более энергоэффективно. В результате этого, автомобили с дизельным двигателем достигают лучшей экономии топлива, чем их бензиновые аналоги. Кроме того, в литре дизельного топлива примерно на 10 % больше энергии, чем в литре бензина. Эти два фактора помогают современным дизелям достичь примерно на 50 % лучшей топливной экономичности, чем у их бензиновых аналогов. В настоящее время на дизельные транспортные средства приходится почти половина всех продаж новых автомобилей в Европе, и небольшая, но растущая доля рынка в США. В России же в 2009 году доля рынка новых автомобилей занятого дизелем составила всего 5,6 % по данным агентства «Автостат».
Преимущества дизеля
- Более высокая топливная экономичность (на 20-40 % больше, чем у бензиновых транспортных средств).
- Дизельные двигатели служат дольше и получают более высокую стоимость при перепродаже.
- Дизельные двигатели могут использовать в качестве топлива биодизель.
- Дизель обеспечивает больший крутящий момент; отлично подходит для быстрого разгона и буксировки.
- Запас хода на одном баке больше.
Недостатки дизеля
- В России дизтопливо очень низкого качества.
- Ассортимент моделей с дизельным двигателем невелик.
- Дизтопливо доступно не на всех автозаправочных станциях.
- Дизельные транспортные средства, как правило, дороже.
- Выбросов выхлопных газов оксидов азота и твердых частиц, как правило, больше.
- Рассматривая преимущества и недостатки дизеля, можно сделать вывод, что последние не являются существенными и могут быть преодолены.
Мечты о дизельном гибриде
«Toyota», «Ford», «Volkswagen», «Peugot» и «Citroën» производят концептуальные автомобили, которые комбинируют дизельный двигатель с гибридной системой. Дизель-гибрид «Citroën C-Metisse», представленный в 2006 году на автосалоне в Париже, изображен ниже. Объединение двух топливосберегающих технологий в одном транспортном средстве может дать феноменальный результат.
| Дизель-гибрид «Citroën C-Metisse» |
|---|
К сожалению, дополнительные затраты на комбинирование дизельного двигателя с гибридной системой обходятся ох как недешево. Большинство аналитиков предсказывают, что дизель-гибрид будет специализированным товаром.
Последнее обновление 21.09.2012Опубликовано 14.09.2012
Читайте также
Сноски
- ↺ В статье использованы материалам сайта hybridcars. Перевод которых выполнил Андрей Далимаев. – Прим. icarbio.ru.
Комментарии
Что такое дизельный двигатель? (с картинками)
Дизельный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, который был изобретен Рудольфом Дизелем. Он получил патент на дизельный двигатель в 1892 году, и основной задачей было создать эффективную альтернативу бензиновому двигателю.
Дизельные двигатели требуют дизельного топлива.Бензиновые и дизельные двигатели работают путем создания контролируемого взрыва в герметичной поршневой камере. Небольшой взрыв быстро перемещает поршень, который, в свою очередь, вращает выходной вал. В бензиновом двигателе смесь топлива и воздуха впрыскивается в камеру и затем зажигается искрой, создаваемой свечой зажигания.С другой стороны, дизельный двигатель не использует свечу зажигания для зажигания смеси. Топливо нагнетается в камеру, и высокое давление генерирует достаточно тепла, чтобы воспламенить топливно-воздушную смесь.
Вдыхание выхлопных газов из дизельного двигателя может вызвать затруднение дыхания.Некоторые дизельные двигатели используют свечу накаливания для нагрева камеры, чтобы минимизировать давление, необходимое для вращения двигателя. Без такого дополнительного источника тепла давление, необходимое для зажигания (особенно при холодном двигателе), было бы чрезмерно высоким.
На дизель-электрическом локомотиве дизельный двигатель с поршневыми поршнями обеспечивает питание электрического тягового двигателя, который вращает колеса агрегата.Дизельные двигатели требуют дизельного топлива для правильной работы процесса сгорания.Дизельное топливо дешевле, чем обычный бензин, потому что требуется меньше переработки. Кроме того, дизельные двигатели более эффективны, и поэтому дизельные автомобили получают больший пробег, чем их бензиновые аналоги.
Дизель используется для заправки автомобилей, таких как дизель-электрические локомотивы.
В двигателях легковых и грузовых автомобилей, в том числе дизельных, используются уплотнения многих типов, называемые прокладками, которые помогают предотвратить утечку газов и жидкостей.
,Как работают дизельные двигатели?
Крис Вудфорд. Последнее обновление: 19 июля 2020 г.
Вы когда-нибудь смотрели в изумлении, когда гигантский грузовик медленно ползет вверх по холму? Возможно нет! Такие вещи случаются каждый день. Но остановись и подумай момент о том, что происходит — как огромная, тяжелая нагрузка систематически поднял против подавляющей силы гравитации, используя не более чем несколько чашек грязной жидкости (другими словами, топлива) — и вы можете согласиться То, что ты видишь, довольно примечательно.Дизельные двигатели — это сила наших самых больших машин — грузовиков, поезда, корабли и подводные лодки. На первый взгляд, они похожи на обычные бензиновые (бензиновые) двигатели, но они генерируют больше энергии, более эффективно, работая немного по-другому. Давайте возьмем пристальный взгляд!
Фото: дизельные двигатели (как в этом железнодорожном локомотиве) идеально подходят для тяги тяжелых поездов. Это великолепно сохранившийся (и отлично отполированный!) Британский железнодорожный класс 55 («Deltic»), номер 55022, названный Royal Scots Grey 1960 года.Вот картинка из Дизельный двигатель Napier Deltic, который приводит его в действие.
Что такое дизельный двигатель?
Фото: типичный дизельный двигатель (из пожарной машины) производства Detroit Diesel Corporation (DDC). Фото Хуана Антуана Кинга любезно предоставлено ВМС США.
Как и бензиновый двигатель, дизельный двигатель — это тип внутреннего сгорания. двигатель. Горение это еще одно слово для горения, и внутреннее значит внутри, поэтому двигатель внутреннего сгорания просто тот, где топливо сгорает внутри главной части двигателя (цилиндры) где производится энергия.Это очень отличается от внешнего двигатель внутреннего сгорания, такой как те, которые используются старомодным паром локомотивы. В паровом двигателе есть большой пожар на одном конце котел, который нагревает воду для приготовления пара. Пар стекает долго трубы к цилиндру на противоположном конце котла, где он толкает поршень назад и вперед для перемещения колес. Это внешний сгорание, потому что огонь находится за пределами цилиндра (действительно, обычно 6-7 метров или 20-30 футов). В бензиновом или дизельном двигателе топливо горит внутри самих цилиндров.Отходы внутреннего сгорания гораздо меньше энергии, потому что тепло не должно течь откуда он производится в цилиндр: все происходит одинаково место. Вот почему двигатели внутреннего сгорания более эффективны чем двигатели внешнего сгорания (они производят больше энергии из тот же объем топлива).
Чем дизельный двигатель отличается от бензинового?
Бензиновые и дизельные двигатели работают как от внутреннего сгорания, но в немного по-другому.В бензиновом двигателе топливо и воздух впрыскивается в небольшие металлические цилиндры. Поршень сжимает (сжимает) смесь, что делает его взрывоопасным, и небольшая электрическая искра от свеча зажигания поджигает его. Это заставляет смесь взорваться, генерируя энергию, которая толкает поршень вниз по цилиндру и (через коленвал и шестерни) крутит колеса. Ты можешь читать подробнее об этом и посмотрите простую анимацию того, как это работает в нашем статья о автомобильных двигателях.
Дизельные двигателипохожи, но проще.Во-первых, воздух допускается в цилиндр и поршень сжимает его, но гораздо больше, чем в бензиновый двигатель. В бензиновом двигателе топливно-воздушная смесь сжатый примерно до десятой части своего первоначального объема. Но в дизеле двигатель, воздух сжимается на что-нибудь от 14 до 25 раз. [1] Если вы когда-нибудь накачивали велосипедную шину, вы почувствовали чем горячее в ваших руках, тем дольше вы его используете. Это потому что сжатие газа генерирует тепло. Представьте себе, сколько тепла генерируется путем нагнетания воздуха в 14–25 раз меньше пространства, чем обычно занимает.Так много тепла, как это бывает, что воздух становится действительно горячий — обычно не менее 500 ° C (1000 ° F), а иногда и очень горячее. Как только воздух сжат, туман топлива распыляется в цилиндр обычно (в современном двигателе) электронным система впрыска топлива, которая работает немного как сложный аэрозоль жестяная банка. (Количество впрыскиваемого топлива варьируется в зависимости от того, сколько энергии водитель хочет, чтобы двигатель работал.) Воздух настолько горячий, что топливо мгновенно воспламеняется и взрывается без искры подключи.Этот контролируемый взрыв заставляет поршень вытолкнуть цилиндр, производящий мощность, которая приводит в движение автомобиль или который двигатель установлен. Когда поршень возвращается в цилиндр, выхлопные газы выталкиваются через выпускной клапан и процесс повторяется сотни или тысячи раз минут!
Что делает дизельный двигатель более эффективным?
Дизельные двигатели в два раза эффективнее бензиновых двигателей — около 40–45 процентов эффективный в лучшем случае.[2] Проще говоря, это означает, что вы можете пойти гораздо дальше на том же количестве топлива (или получите больше миль за свои деньги). Есть несколько причин этот. Во-первых, они сжимают больше и работают при более высоких температурах. Фундаментальная теория о том, как работают тепловые двигатели, известный как правило Карно, говорит нам, что эффективность двигателя зависит на высоких и низких температурах, между которыми он работает. Дизельный двигатель с большим перепадом температур (более высокая температура или самая низкая температура) более эффективна.Во-вторых, отсутствие системы зажигания с зажиганием делает более простая конструкция, которая может легко сжать воздух намного больше — и это делает топливо более горячим и более полным, высвобождая больше энергии. Есть еще одна экономия эффективности слишком. В бензиновом двигателе, который не работает на полную мощность, вам нужно подавать больше топлива (или меньше воздуха) в цилиндр, чтобы он работал; дизельные двигатели не имеют этой проблемы, поэтому им нужно меньше топлива, когда они работают на меньшей мощности. Другим важным фактором является то, что дизельное топливо несет немного больше энергии на галлон, чем бензин потому что молекулы, из которых он сделан, имеют больше энергии, блокируя их атомы вместе (другими словами, дизель имеет более высокую плотность энергии, чем бензин).Дизель тоже лучше смазка, чем бензин, так дизельный двигатель будет естественно работать с меньшим трением.
Чем отличается дизельное топливо?
Дизель и бензин совсем разные. Вы будете знать это очень много, если вы когда-либо слышал страшные истории людей, которые заправили свою машину или грузовик с неправильным видом топлива! По сути, дизель является низкосортный, менее рафинированный продукт из нефти, полученный из более тяжелых углеводороды (молекулы построены из большего количества углерода и водорода атомов).Сырые дизельные двигатели, которым не хватает сложного впрыска топлива Теоретически, системы могут работать практически на любом углеводородном топливе, поэтому популярность биодизеля (вид биотоплива, сделанного, среди прочего, вещи, отработанные растительные масла). Изобретатель дизельного двигателя, Рудольф Дизель, успешно запустил свои ранние двигатели на арахисовом масле и думал, что его двигатель сделает людям одолжение, освободив их от зависимость от топлива, такого как уголь и бензин, и централизованного источники энергии. [3] Если бы он только знал!
Фото: смазка будет путешествовать: Джошуа и Кайя Тикелл, пара защитники окружающей среды, используйте этот трейлер (Green Grease Machine) для производства биодизельного топлива для своего фургона (прикрепленного к передней части) с использованием отработанного растительного масла, выбрасываемого ресторанами быстрого питания.Топливо стоит внушительные $ 0,80 за галлон. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено США. Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).
Преимущества и недостатки дизельных двигателей
Дизели — самые универсальные двигатели, работающие на топливе, на сегодняшний день, нашел во всем, от поездов и кранов до бульдозеров и подводные лодки. По сравнению с бензиновыми двигателями они проще, более эффективный и более экономичный. Они также безопаснее, потому что дизельное топливо меньше летучий и его пары менее взрывоопасны, чем бензин.В отличие от бензиновых двигателей, они особенно хороши для перемещать большие грузы на низких скоростях, поэтому они идеально подходят для использования в грузовые суда, грузовики, автобусы и локомотивы. Более высокое сжатие означает, что части дизельного двигателя должны выдерживать гораздо больше напряжения и деформации, чем в бензиновом двигателе. Поэтому дизельные двигатели должны быть сильнее и тяжелее и почему долго В то время они использовались только для питания больших транспортных средств и машин. Пока это может показаться недостатком, это означает, что дизельные двигатели, как правило, более Прочный и прослужит намного дольше, чем бензиновые двигатели.
Фото: дизельные двигатели используются не только в транспортных средствах: эти огромные стационарные дизельные двигатели вырабатывают электроэнергию на электростанции на Остров Сан-Клементе. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено США. Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE / NREL).
Загрязнение одно из самых больших недостатков дизельных двигателей: они производят смесь загрязняющих веществ, в том числе оксидов азота, окиси углерода, углеводороды и частицы сажи, которые являются грязными и опасными для здоровья.В теории, дизели более эффективны, поэтому они следует использовать меньше топлива, производить меньше выбросов углекислого газа (CO2) и внести меньший вклад в глобальное потепление. На практике есть спор о том, действительно ли это так. Некоторые лабораторные эксперименты показали средние выбросы дизельного топлива только немного ниже, чем у бензиновых двигателей, хотя производители настаивают на том, что если аналогичные дизельные и бензиновые автомобили по сравнению, дизели действительно выходят лучше. Другие недавние исследования показывают, что даже новые дизельные автомобили очень загрязняющие.Европейское агентство по окружающей среде, например, отмечает, что даже типичный, «чистый» дизельный автомобиль который соответствует нормам выбросов ЕВРО-6, производит в 10 раз больше азота оксидное загрязнение как сопоставимый бензиновый автомобиль. [4] Как насчет выбросов CO2? По данным Британского общества автопроизводителей и трейдеры: «Дизельные автомобили внесли огромный вклад в сокращение выбросов CO2. С 2002 года покупатели, выбравшие дизельное топливо, сэкономили почти 3 миллиона тонн CO2 от попадания в атмосферу». Дизельные двигатели, как правило, стоят дороже, чем бензиновые двигатели, хотя их более низкие эксплуатационные расходы и длительный срок службы обычно компенсирует это.Несмотря на это, покупатели автомобилей больше не кажутся убежденными: с тех пор произошло значительное падение продаж скандал с выбросами Volkswagen в 2015 году, когда немецкий автопроизводитель исказил выбросы своих дизельных автомобилей, чтобы они казались меньше загрязняют окружающую среду.
Нет сомнений, что дизельные двигатели будут продолжать работать на тяжелых транспортных средствах — грузовиках, автобусы, корабли и железнодорожные локомотивы зависят от них, но их будущее в автомобилях и легких транспортных средствах становится все более неопределенным. Стремление к электромобилям дало мощный импульс для того, чтобы сделать бензиновые двигатели более легкими, экономичными и менее загрязняющими, и эти улучшенные газовые двигатели подрывают некоторые преимущества использования дизелей в автомобилях.В условиях растущей конкуренции между доступными электромобилями и улучшенными бензиновые автомобили, дизели могут оказаться выдавленными вообще. Опять же сами дизели постоянно развиваются; в 2011 году министерство энергетики США предсказало, что будущие двигатели могут повысить эффективность с сегодняшних 40 процентов до 60 процентов и более. Если это произойдет, дизель может остаться претендент на меньшие транспортные средства в течение многих лет, особенно если их выбросы сажи может быть правильно решена.
Кто изобрел дизельный двигатель?
Произведение: оригинальный двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля, который он нарисовал в своем патенте 1895 года.Цилиндр (1) находится сверху. 2) «Плунжер» (как его называл дизель) крепится кривошипом и шатуном (3) к маховику (4). Шестерня, приводимая в движение маховиком (5), прикреплена к центробежному регулятору (6), который поддерживает постоянную частоту вращения двигателя (отключение подачи топлива, если двигатель работает слишком быстро, затем его включение, когда двигатель снова замедляется). Иллюстрации любезно предоставлены Управлением по патентам и товарным знакам США (цвета и нумерация добавлены нами для упрощения объяснения). Вы можете прочитать больше в Патент США № 542846: «Способ и устройство для преобразования тепла в работу» Рудольфа Дизеля.
Не удивительно, что это был немецкий инженер Рудольф Дизель (1858–1913). Вот вкратце история:
- 1861: французский инженер Альфонс Бо де Рошас (1815–1893) описывает основную теорию четырехтактного двигателя и подает патент на эту идею 16 февраля 1862 года, но ему не удается собрать работающую машину.
- 1876: немецкий инженер Николаус Отто (1832–1891) создает первый успешный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
- 1878: шотландец Дугальд Клерк (1854–1932) разрабатывает двухтактный двигатель.
- 1880: в возрасте 22 лет, Рудольф Дизель переходит на работу к инженеру-холодильнику Карлу фону Линде (1842–1934), где он изучает термодинамику (науку о том, как движется тепло) и как работают двигатели.
- 1890: Дизель выясняет, как сделать улучшенное внутреннее сгорание двигатель использует более высокое давление и температуру, для чего не требуется свеча зажигания.
- 1892: Дизель начинает патентовать свои идеи, чтобы другие не могли ими воспользоваться.
- 1893: Дизель строит огромный, стационарный двигатель, который работает целую минуту под своей собственной власть, 17 февраля 1894 г.
- 1895: патент на дизельное топливо выдан в США 16 июля 1895 года.
- 1898: с помощью Дизеля, первый коммерческий двигатель построен в завод в Сент-Луисе, штат Миссури, США, Адольф Буш (1839–1913), пивовар пива Budweiser.
- 1899: На дизельном заводе в Аугсбурге начинается производство дизельных двигателей. Дизель начинает лицензировать свои идеи другим фирмам и вскоре становится очень богатый
- 1903: Petit Pierre, один из первых дизельных кораблей, начинает работу над каналом Марн-Рейн во Франции.
- 1912: MS Selandia, первый океанский дизельный корабль, совершает свой первый рейс.
- 1913: Дизель умирает при загадочных обстоятельствах, по-видимому, падая за борт с корабля Дрезден во время путешествия из Лондона, Англия, в Германию. Ходят слухи, что он был убит или совершил самоубийство, но ничего не происходит доказана.
- 1931: Clessie Cummins, основатель Cummins Engine Co., строящий один из первых успешных автомобилей с дизельным двигателем и демонстрирующий его эффективность, перевозя его из Индианаполиса в Нью-Йорк всего за 1 доллар.39 топлива.
- 1931: Caterpillar совершил революцию в сельском хозяйстве, представив Diesel Sixty, первый дизельный гусеничный трактор на базе популярного Caterpillar Sixty.
- 1936: Mercedes представляет 260D, один из первых серийных легковых автомобилей с дизельным двигателем, и это остается в производстве до 1940 года. В течение следующих четырех десятилетий Mercedes продает почти два миллиона автомобилей с дизельным двигателем.
- 1939: General Motors представляет свой мощный дизель-электрический локомотив EMD FT и отправляет первый (номер 103) в путешествие на протяжении года, чтобы продемонстрировать свою ценность.Несомненно, это доказывает превосходство дизельного двигателя.
- 1970-х годов: глобальный топливный кризис вызывает новый интерес к использованию небольших, эффективных дизельных двигателей в автомобилях.
- 1987: Всемирно известный корабль Queen Elizabeth 2 (QE2) оснащен девятью дизель-электрическими двигателями (каждый размером с двухэтажный автобус), что делает его самым мощным торговым судном с дизельным двигателем в то время.
- 2000: Peugeot представляет первый в мире фильтр частиц (PF) для дизельных двигателей на своей модели 607, утверждая, что выбросы сажи на 99 процентов ниже.
- 2015: Volkswagen погрузился в огромный глобальный скандал после систематического обмана на тестах на выбросы дизельного двигателя. Продажи дизельных автомобилей резко упали впервые за многие годы.
- 2017: Volvo становится первым крупным автопроизводителем, отказавшимся от бензиновых и дизельных двигателей, объявив, что все новые автомобили будут гибридами или полностью электрическими с 2019 года.
Теоретически дизельные и бензиновые двигатели очень похожи. Оба двигателя внутреннего сгорания предназначены для преобразования химической энергии, имеющейся в топливе, в механическую энергию. Эта механическая энергия перемещает поршни вверх и вниз внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом, и движение поршней вверх и вниз, известное как линейное движение, создает вращательное движение, необходимое для вращения колес автомобиля вперед.
Как дизельные, так и бензиновые двигатели преобразуют топливо в энергию посредством серии небольших взрывов или возгораний. Основное различие между дизелем и бензином заключается в том, как происходят эти взрывы. В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и зажигается искрами от свечей зажигания. Однако в дизельном двигателе сначала сжимается воздух, а затем впрыскивается топливо. Поскольку воздух нагревается при сжатии, топливо воспламеняется.
Следующая анимация показывает цикл дизеля в действии.Вы можете сравнить его с анимацией бензинового двигателя, чтобы увидеть различия.
Дизельный двигатель использует четырехтактный цикл сгорания точно так же, как бензиновый двигатель. Четыре удара:
- Ход впуска — Впускной клапан открывается, впуская воздух и опуская поршень.
- Ход сжатия — поршень движется вверх и сжимает воздух.
- Ход сгорания — Когда поршень достигает вершины, топливо впрыскивается в нужный момент и зажигается, заставляя поршень снова опуститься.
- Ход выхлопа — поршень движется назад к вершине, выталкивая выхлоп, созданный в результате сгорания, из выпускного клапана.
Помните, что дизельный двигатель не имеет свечи зажигания, что он впускает воздух и сжимает его, а затем впрыскивает топливо непосредственно в камеру сгорания (прямой впрыск). Именно тепло сжатого воздуха зажигает топливо в дизельном двигателе. В следующем разделе мы рассмотрим процесс впрыска дизеля.
,Как работают дизельные двигатели | HowStuffWorks
Одна из самых популярных статей HowStuffWorks — «Как работают автомобильные двигатели», в которой объясняются основные принципы внутреннего сгорания, обсуждается четырехтактный цикл и рассказывается обо всех подсистемах, которые помогают двигателю вашего автомобиля выполнять свою работу. В течение долгого времени после того, как мы опубликовали эту статью, один из наиболее часто задаваемых вопросов (и одно из самых частых предложений, сделанных в окне для предложений) был: «В чем разница между бензином и дизельным двигателем?»
ИсторияDiesel фактически начинается с изобретения бензинового двигателя .Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель к 1876 году. В этом изобретении использовался принцип четырехтактного сгорания, также известный как «цикл Отто», и сегодня это основная предпосылка для большинства автомобильных двигателей. На ранней стадии бензиновый двигатель был не очень эффективен, и другие основные способы транспортировки, такие как паровой двигатель , также плохо работали. Только около 10 процентов топлива, используемого в этих типах двигателей, фактически перемещается транспортным средством. Остальное топливо просто вырабатывает бесполезное тепло.
В 1878 году Рудольф Дизель учился в Политехнической высшей школе Германии (эквивалент инженерного колледжа), когда узнал о низкой эффективности бензиновых и паровых двигателей. Эта тревожная информация вдохновила его на создание двигателя с более высокой эффективностью , и он посвятил большую часть своего времени разработке «двигателя внутреннего сгорания». К 1892 году Дизель получил патент на то, что мы сейчас называем дизельным двигателем.
Если дизельные двигатели настолько эффективны, почему бы нам не использовать их чаще? Вы можете увидеть слова «дизельный двигатель» и подумать о больших, здоровенных грузовиках, извергающих черный дымчатый дым и создающих громкий грохот.Этот негативный образ дизельных грузовиков и двигателей сделал дизель менее привлекательным для обычных водителей в Соединенных Штатах — хотя дизель отлично подходит для перевозки больших партий на большие расстояния, он не был лучшим выбором для повседневных пассажиров. Однако это начинает меняться, так как люди улучшают дизельный двигатель, чтобы сделать его более чистым и менее шумным.
Если вы еще этого не сделали, вам, возможно, захочется сначала прочитать, как работают автомобильные двигатели, чтобы прочувствовать основы внутреннего сгорания.Но спешите обратно — в этой статье мы раскрываем секреты дизельного двигателя и узнаем о некоторых новых достижениях.
,