Принцип работы дизельного двигателя внутреннего сгорания

Дизельный двигатель: устройство, принцип работы, преимущества

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель (дизель) представляет собой поршневой ДВС, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива при воздействии горячего сжатого воздуха.

Конструкция дизеля в целом мало чем отличается от бензинового двигателя, за исключением того, что в дизеле отсутствует как таковая система зажигания, поскольку воспламенение топлива происходит по другому принципу. Не от искры, как в бензиновом двигателе, а от высокого давления, с помощью которого сжимается воздух, из-за чего тот сильно разогревается. Высокое давление в камере сгорания накладывает особые требования к изготовлению деталей клапанов, которые предназначены для восприятия более серьезных нагрузок (от 20 до 24 единиц).

Дизельные двигатели применяются не только на грузовых, но и на многих моделях легковых автомобилей. Дизели могут работать на различных типах топлива – на рапсовом и пальмовом масле, на фракционных веществах и на чистой нефти.

Принцип действия дизельного двигателя

Принцип действия дизеля основан на компрессионном воспламенении топлива, которое попадает в камеру сгорания и смешивается с горячей воздушной массой. Рабочий процесс дизеля зависит исключительно от неоднородности ТВС (топливно-воздушной смеси). Подача ТВС в таком типе двигателя происходит раздельно.

Вначале подается воздух, который в процессе сжатия нагревается до высоких температур (около 800 градусов по Цельсию) , затем в камеру сгорания под высоким давлением (10-30 МПа) подается топливо, после чего происходит его самовоспламенение.

Сам процесс воспламенения топлива всегда сопровождается высокими уровнем вибраций и шума, поэтому двигатели дизельного типа являются более шумными в сравнении с бензиновыми собратьями.

Подобный принцип работы дизеля позволяет использовать более доступные и дешевые (до недавнего времени 🙂 ) виды топлива, снижая уровень затрат на его обслуживание и заправку.

Дизели могут иметь как 2, так и 4 рабочих такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск). Большинство автомобилей оснащено 4-х тактовыми дизельными двигателями.

Типы дизельных двигателей

По конструкционным особенностям камер сгорания дизели можно разделить на три типа:

  • С разделенной камерой сгорания. В таких устройствах подача топлива осуществляется не в основную, а в дополнительную, т.н. вихревую камеру, которая располагается в головке цилиндрового блока и соединяется с цилиндром каналом. При попадании в вихревую камеру воздушная масса максимально сжимается, тем самым улучшая процесс воспламенения топлива. Процесс самовоспламенения начинается в вихревой камере, затем переходит в основную камеру сгорания.
  • С неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях камера располагается в поршне, а топливо подается в пространство над поршнем. Нераздельные камеры сгорания с одной стороны позволяют экономить расход топлива, с другой стороны – повышают уровень шума при работе двигателя.
  • Двигатели предкамерные. Подобные дизели оснащаются вставной форкамерой, которая соединяется с цилиндром тонкими каналами. Форма и размер каналов определяют скорость движения газов при сгорании топлива, снижая уровень шума и токсичности, увеличивая ресурс работы двигателя.

Топливная система в дизельном двигателе

Основой любого двигателя дизельного типа является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача нужного количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.

Важными элементами топливной системы в дизельном двигателе являются:

  • насос высокого давления для подачи топлива (ТНВД);
  • топливный фильтр;
  • форсунки

Топливный насос

Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по установленным параметрам (в зависимости от числа оборотов, рабочего положения регуляторного рычага и давления турбонаддува). В современных дизельных двигателях могут применяться два типа насосов для топлива – рядные (плунжерные) и распределительные.

Топливный фильтр

Фильтр является важной составляющей частью двигателя дизельного типа. Топливный фильтр подбирается строго в соответствии с типом двигателя. Фильтр предназначен для выделения и удаления из топлива воды, и лишнего воздуха из топливной системы.

Форсунки

Форсунки не менее важные элементы топливной системы в дизеле. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяются два типа форсунок – с многодырчатым и шрифтовым распределителем. Распределитель форсунок определяет форму факела, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.

Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя

Холодный пуск отвечает за механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается за счет электрических нагревательных элементов – свечей накаливания, которыми оснащена камера сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры в 900 градусов, подогревая воздушную массу, которая попадает в камеру сгорания. Питание со свечи накаливания снимается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя обеспечивают его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.

Турбонаддув отвечает за повышение мощности и эффективности работы дизеля. Он обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличения рабочей мощности двигателя. Для обеспечения нужного давления наддува воздушной смеси во всех рабочих режимах двигателя применяется специальный турбонагнетатель.

Остается только сказать, что споры относительно того, что лучше выбрать рядовому автолюбителю в качестве силовой установки в свой автомобиль, бензин или дизель, не утихают до сих пор. Преимущества и недостатки есть у обоих типов двигателя и выбирать необходимо, исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.

Дизельный двигатель: устройство и схема работы

Дизельный двигатель – двигатель внутреннего сгорания, изобретенный Рудольфом Дизелем в 1897 году. Устройство дизельного двигателя тех лет позволяло использовать в качестве топлива нефть, рапсовое масло, и твердые виды горючих веществ. Например, каменноугольную пыль.

Принцип работы дизельного двигателя современности не изменился. Однако моторы стали более технологичными и требовательными к качеству топлива. Сегодня в дизелях используется только высококачественное ДТ.

Моторы дизельного типа отличаются топливной экономичностью и хорошей тягой при низких оборотах коленвала, поэтому получили широкое распространение на грузовых автомобилях, кораблях и поездах.

С момента решения проблемы высоких скоростей (старые дизели при частом использовании на высоких скоростях быстро выходили из строя) рассматриваемые моторы стали часто устанавливаться на легковые авто. Дизели, предназначенные для скоростной езды, получили систему турбонаддува.

  1. Принцип работы двигателя Дизеля
  2. Как устроен дизельный двигатель
  3. Плюсы и минусы дизельного мотора
  4. Дизельный двигатель с турбонаддувом
  5. Турбояма
  6. Интеркуллер

Принцип работы двигателя Дизеля

Принцип действия мотора дизельного типа отличается от бензиновых моторов. Здесь отсутствуют свечи зажигания, а топливо подается в цилиндры отдельно от воздуха.

Цикл работы такого силового агрегата можно представить в следующем виде:

  • в камеру сгорания дизеля подается порция воздуха;
  • поршень поднимается, сжимая воздух;
  • от сжатия воздух нагревается до температуры около 800˚C;
  • в цилиндр впрыскивается топливо;
  • ДТ воспламеняется, что приводит к опусканию поршня и выполнению рабочего хода;
  • продукты горения удаляются с помощью продувки через выпускные окна.

От того, как работает дизельный двигатель, зависит его экономичность. В исправном агрегате используется бедная смесь, что позволяет сэкономить количество топлива в баке.

Как устроен дизельный двигатель

Основным отличием конструкции дизеля от бензиновых моторов является наличие топливного насоса высокого давления, дизельных форсунок и отсутствие свечей зажигания.

Общее устройство этих двух разновидностей силового агрегата не различается. И в том, и в другом имеются коленчатый вал, шатуны, поршни. При этом у дизельного мотора все элементы усилены, так как нагрузки на них более высокие.

На заметку: некоторые движки дизельного типа имеют свечи накаливания, которые ошибочно принимаются автолюбителями за аналог свечей зажигания. На самом деле, это не так. Свечи накаливания используются для нагрева воздуха в цилиндрах в мороз.

При этом дизель легче заводится. Свечи зажигания в бензиновых моторах применяются для воспламенения топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя.
Систему впрыска на дизелях делают прямой, когда топливо поступает непосредственно в камеру, или непрямой, когда воспламенение происходит в предкамере (вихревая камера, фор-камера). Это небольшая полость над камерой сгорания, с одним или несколькими отверстиями, через которые туда поступает воздух.

Такая система способствует лучшему смесеобразованию, равномерному нарастанию давления в цилиндрах. Зачастую именно в вихревых камерах применяются калильные свечи, призванные облегчить холодный пуск. При повороте замка зажигания, автоматически запускается процесс нагрева свечей.

Плюсы и минусы дизельного мотора

Как и любой другой тип силового агрегата, дизельный мотор имеет положительные и отрицательные черты. К «плюсам» современного дизеля относят:

  • экономичность;
  • хорошую тягу в широком диапазоне оборотов;
  • больший, чем у бензинового аналога, ресурс;
  • меньшее количество вредных выбросов.

Дизель не лишен и недостатков:

  • моторы, не оснащенные свечами накаливания, плохо заводятся в мороз;
  • дизель дороже и сложнее в обслуживании;
  • высокие требования к качеству и своевременности обслуживания;
  • высокие требования к качеству расходных материалов;
  • большая, чем у бензиновых движков, шумность работы.

Дизельный двигатель с турбонаддувом

Принцип работы турбины на дизельном двигателе практически не отличается от такового на бензиновых моторах. Суть заключается в нагнетании в цилиндры дополнительного воздуха, что закономерно увеличивает количество поступающего топлива. За счет этого отмечается серьезный прирост мощности мотора.

Устройство турбины дизельного двигателя также не имеет существенных отличий от бензинового аналога. Устройство состоит из двух крыльчаток, жестко связанных между собой, и корпуса, внешне напоминающего улитку. На корпусе турбокомпрессоров имеется 2 входных и 2 выходных отверстия. Одна часть механизма встраивается в выпускной коллектор, вторая во впускной.

Схема работы проста: газы, выходящие из работающего мотора, раскручивают первую крыльчатку, которая вращает вторую. Вторая крыльчатка, вмонтированная во впускной коллектор, нагнетает атмосферный воздух в цилиндры. Увеличение подачи воздуха приводит к увеличению подачи топлива и росту мощности. Это позволяет мотору быстрее набирать скорость даже на низких оборотах.

Турбояма

В процессе работы турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Раскрутить ее до необходимой скорости вращения моментально невозможно. Это приводит к появлению т.н. турбоямы, когда с момента нажатия на педаль газа до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).

Читайте также  Если перевернуть диск сцепления что будет?

Проблема решается доработкой турбинного механизма и установкой нескольких крыльчаток разного размера. При этом маленькие крыльчатки раскручиваются моментально, после чего их догоняют элементы большого размера. Такой подход позволяет практически полностью ликвидировать турбояму.

Также производятся турбины с изменяемой геометрией, VNT (Variable Nozzle Turbine), призванные решать те же проблемы. В настоящий момент существует большое количество модификаций подобного типа турбин. Коррекция геометрии успешно справляется и с обратной ситуацией, когда оборотов и воздуха становится слишком много и необходимо притормозить обороты крыльчатки.

Интеркуллер

Было замечено, что если при смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркуллера – дополнительного элемента турбин, повышающего эффективность работы.

После всасывания воздуха он проходит через радиатор, и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой можно подробно ознакомиться со схемой работы интеркуллера.

За турбиной современного автомобиля необходимо должным образом ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и перегреву. Поэтому смазочный материал рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров пробега.

Кроме того, после остановки машины следует оставлять ДВС включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (при резком прекращении циркуляции масла она перегревается). К сожалению, даже при грамотной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.

На заметку: оптимальным решением проблемы перегрева турбины на дизельных моторах является установка турботаймера. Устройство оставляет двигатель запущенным на протяжении необходимого времени после выключения зажигания. После окончания необходимого периода электроника сама выключает силовой агрегат.

Строение и принцип действия дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом на тяжелом транспорте, которому необходима хорошая тяга «на низах». Современные дизели с равным успехом работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым: приемистость и время набора скорости.

Сложный уход за дизелем компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.

Дизельный двигатель: устройство, принцип работы

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

История создания дизельного двигателя

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

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

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

История создания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Устройство системы дизельного двигателя

Основными элементами диз мотора являются:

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

Современный дизельный двигатель в разрезе

Принцип работы дизельного мотора

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

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

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

Порядок работы дизельной системы:

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

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

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

Дополнительные компоненты двигателя

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

Принцип работы турбины

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

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

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

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

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

Цикл работы турбонаддува:

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

Цикл далее повторяется.

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

Интеркулер и форсунка

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

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

Форсунки дизеля работают в импульсном режиме.

Вывод

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

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

Видео

В этом видео показывается принцип работы дизеля.

Строение системы дизельного двигателя.

Принцип работы турбонагнетателя (турбонаддува, турбины).

Отличия ДВС евро 5 от евро 4.

Дизельный двигатель

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.

Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Принцип работы дизельного двигателя

Дизель — это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от сжатия. Необходимый для процесса сгорания воздух сильно сжимается в камере сгорания, в резуль­тате чего в ней создается высокая темпе­ратура. Под ее действием впрыскивае­мое в камеру сгорания дизельное топли­во воспламеняется, и запасенная в нем химическая энергия преобразуется в цилиндре через теплоту в механическую работу. Вот о том, какие принципы заложены в работу дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с высокоэффективным КПД (более 50% в крупных низкооборотных версиях). Связанные с этим низкий рас­ход топлива и низкая токсичность отработавших газов и уменьшенный предварительным впры­ском шум придают этим силовым агрега­там большое значение.

Дизель особенно адаптирован к над­дуву воздуха, что не только повышает выходную мощность и коэффициент по­лезного действия, но и, кроме того, уменьшает содержание вредных веществ в отработавших газах и снижает шум сгорания.

Для сокращения эмиссии NOx в лег­ковых и грузовых автомобилях часть отработавших газов возвращается во впускной тракт двигателя (рециркуляция отработавших газов). Чтобы получить еще более низкие выбросы NOx, возвращаемые отработавшие газы могут охлаждаться.

Дизели работают как по двухтактному, так и по четырехтактному принципу. Сегодня на автомобилях используются преимущественно четырехтактные дизели.

Дизельный двигатель может быть одно- или многоцилиндровым. При сгорании топливовоздушной смеси в камере сгорания повышается давление, под действием которого поршень 3 (рис. 1 «Четырехцилиндровый дизель без вспомогательных агрегатов«) начинает возвратно-поступательное движение в цилиндре 5. Этот принцип действия дал мотору наименование «поршневой двигатель».

Рис. 1 : 1. Распределительный вал 2. Клапан. 3. Поршень. 4. Система впрыска. 5. Цилиндр. 6. Система рециркуляции отработавших газов. 7. Впускной трубопровод. 8. Нагнетатель воздуха 1в данном случае — турбо-нагнетатель). 9. Выпускной коллектор. 10. Система охлаждения. 11. Шатун. 12. Система смазки. 13. Блок цилиндров. 14. Коленчатый вал. 15. Маховик.

Шатун 11 превращает возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала 14. Маховик 15 на коленчатом валу облегчает переход поршней через мертвые точки и сглаживает неравномерность вращения, возникающую из-за последовательного сгорания топливовоздушной смеси в отдельных цилиндрах.

Четырехтактный процесс в дизеле

В четырехтактном дизеле (рис. 2 «Рабочий цикл четырехтактного дизеля«) клапа­ны механизма газораспределения управ­ляют впуском воздуха и выпуском ОГ. Они открывают или закрывают впуск­ные и выпускные каналы головки цилин­дров. Каждый впускной и выпускной ка­нал может иметь один, два или три кла­пана.

Рис. 2 : а — впуск; b — сжатие; с — рабочий ход; d — выпуск. 1. Впускной распределительный вал. 2. Форсунка. 3. Впускной клапан. 4. Выпускной клапан. 5. Выемка в днище поршня. 6. Поршень. 7. Стенка цилиндра. 8. Шатун. 9. Коленчатый вал. 10. Выпускной распределительный вал. а — угол поворота коленчатого вала. d — диаметр цилиндра. М — крутящий момент. s — ход поршня. Vc — объем камеры сгорания. Vh — рабочий объем. ВМТ — верхняя мертвая точка поршня. НМТ — нижняя мертвая точна поршня.

Первый такт — впуск (а)

Поршень 6, находящийся в верхней мер­твой точке (ВМТ), движется вниз и уве­личивает объем цилиндра. Дроссельная заслонка отсутствует, и воздух через от­крытый впускной клапан 3 поступает не­посредственно в цилиндр. В нижней мертвой точке (НМТ) поршня объем ци­линдра достигает своего максимального значения (Vh + Vc).

Второй такт — сжатие (Ь)

Клапаны механизма газораспределения закрыты. Движущийся поршень сжима­ет заключенный в цилиндре воздух, ко­торый, сообразно степени сжатия (от 6 у больших двигателей до 24 у двигателей легковых автомобилей), нагревается до высокой температуры, максимально до­ходящей до 900°С. В конце процесса сжа­тия форсунка впрыскивает топливо в ра­зогретый воздух под высоким давлением (в настоящее время приблизительно до 2000 бар).

В ВМТ поршня объем цилиндра до­стигает минимального значения (объем камеры сгорания Vc )

Третий такт — рабочий ход (с)

После задержки воспламенения (не­сколько градусов угла поворота коленча­того вала) начинается рабочий ход. Тон­ко распыленное дизельное топливо вос­пламеняется в сильно сжатом горячем воздухе в камере сгорания и сгорает, вследствие этого заряд топливовоздуш­ной смеси в цилиндре продолжает разо­греваться дальше и давление в цилиндре поднимается еще выше. Освобожденная при сгорании энергия определяется ко­личеством впрыснутого топлива (каче­ственное регулирование). Под действием давления поршень движется вниз, при этом тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Кривошипно-шатунный механизм преобразует кинетическую энергию поршня в энергию вращения коленчатого вала.

Четвертый такт — выпуск (d)

Рис. 4

Уже незадолго до нижней мертвой точки поршня открыва­ется выпускной клапан 4. Находящиеся под давлением горячие газы начинают выходить из цилиндра. Движущийся вверх поршень вытесняет остальные ОГ. После двух оборотов коленчатого вала новый рабочий цикл начинается с такта впуска.

Кулачки впуска и выпуска распреде­лительного вала служат для открытия и закрытия клапанов. У двигателей с од­ним распределительным валом движе­ние от кулачков чаще всего передается на клапаны с помощью коромысел. Фа­зы газораспределения включают н себя моменты открытия и закрытия клапа­нов по отношению к положению колен­чатого вала (рис. 4 «Диаграмма фаз распределения четырехтактного дизеля«), поэтому они указы­ваются в градусах угла поворота колен­чатого вала. Распределительный вал приводится от коленчатого вала зубчатым ремнем, цепью или набором шестерен. При четы­рехтактном процессе рабочий цикл со­вершается за два оборота коленчатого ва­ла, поэтому распределительный вал вра­щается с вдвое меньшей частотой, чем коленчатый. Передаточное отношение между коленчатым и распределительным валами составляет, таким образом, 2:1.

При переходе от такта выпуска к так­ту впуска все клапаны некоторое время открыты одновременно — этот момент называется перекрытием клапанов. При этом оставшиеся в камере сгорания отработавшие газы вытесняются свежим зарядом воздуха в выпускной коллектор, одновременно охлаждая цилиндр.

Сжатие

Зная рабочий объем Vh и объем камеры сгорания Vc можно определить степень сжатия ε:

Величина степени сжатия в двигателе оказывает решающее влияние на:

  • Процесс холодного пуска;
  • Развиваемый крутящий момент;
  • Расход топлива;
  • Шумность работы дизеля;
  • Эмиссию отработавших газов.

Рис. 3

В зависимости от конструкции двига­теля и типа смесеобразования степень сжатия дизелей для легковых и грузовых автомобилей составляет ε = 16-24. Эта величина значительно выше, чем у бензи­нового мотора ε = 7-13. Из-за ограни­ченных антидетонационных свойств бен­зина топливовоздушная смесь при высо­ком давлении сжатия в камере сгорания и возникающей при этом высокой темпе­ратуре самовоспламенялась бы неконт­ролируемым образом. Воздух в дизелях сжимается до 30-50 бар в двигателях без наддува и до 70-130 бар в двигателях с наддувом. Температура при этом дости­гает 700-900°С (рис. 3 «Диаграмма повышения температуры при сжатии«). Температура вос­пламенения для легковоспламеняющихся компонентов дизельного топлива состав­ляет около 250°С.