Второй по популярности двигатель внутреннего сгорания — дизельный двигатель, который раньше устанавливался только на грузовые автомобили. КПД дизельного двигателя выше, чем у наиболее распространенного двигателя внутреннего сгорания — бензинового. Обладая большей эффективностью, дизельное топливо потребляет гораздо меньше топлива. Инженеры-конструкторы автомобильной промышленности смогли добиться этих преимуществ благодаря уникальному дизайну.
Содержание статьи:
-
- История создания.
- Устройство дизельного двигателя внутреннего сгорания.
- Принцип действия.
- Дополнительные компоненты:
- Принцип работы турбины.
- Интеркулер и форсунка.
- Вывод.
- Видео.
Содержание
История создания дизельного двигателя
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания постоянно модернизируются. Дизайнеры стремятся улучшить эксплуатационные характеристики. Даже с новым прямым впрыском бензиновый двигатель внутреннего сгорания обеспечивает КПД 30%, а дизельный двигатель внутреннего сгорания без турбонаддува обеспечивает КПД 40%, а с турбонагнетателем — около 50%.
Поэтому дизельные двигатели становятся все более популярными в Европе и в мире в целом. Бензин дорожает чаще, чем дизельное топливо. Все больше людей перед покупкой машины оценивают расход этой машины. Главный существенный недостаток дизельных двигателей — их большие размеры и большой вес. Поэтому их устанавливали только на грузовики.
Производство и обслуживание дизельного двигателя сложнее, потому что конструкция должна быть такой, чтобы все детали были изготовлены с высокой точностью.
История создания
Дизельный двигатель, также известный как дизель, представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива, распыляемого сжатым и горячим воздухом. До конца 20 века этот тип двигателя внутреннего сгорания устанавливался на кораблях, тепловозах, автобусах, грузовиках, тракторах. С конца 20 века после успешных испытаний его стали массово устанавливать на легковые автомобили.
Название этого двигателя соответствует фамилии изобретателя Дизеля. Рудольф Дизель создал двигатель внутреннего сгорания в 1897 году. Ему удалось создать устройство, в котором топливо воспламеняется за счет сжатия, а не за счет подачи искры.
Согласно информации из Википедии, в 1824 году Сади Карно изобрел и сформулировал идею цикла Карно, суть которого заключалась в способности довести топливо до температуры самовоспламенения посредством сильного сжатия.
66 лет спустя Рудольф Дизель в 1890 году предложил претворить эту идею в жизнь. 23 февраля 1892 года он получил патент (разрешение) на свой двигатель, а в следующем году опубликовал брошюру о своем агрегате. Он запатентовал несколько вариантов.
Успешное испытание дизельного двигателя оказалось возможным только 28 января 1987 г. (предыдущие попытки не увенчались успехом). Позже Р. Дизель начал продавать лицензии на свое изобретение.
Хотя эффективность и удобство использования нового двигателя были высокими по сравнению с паровыми агрегатами, новые дизельные агрегаты были большими и тяжелыми (они были больше и тяжелее паровых машин того времени).
Первоначальная идея заключалась в том, что в качестве топлива использовалась угольная пыль. Но после тестирования этого вида топлива выяснилось, что угольная пыль очень быстро расходует детали двигателя из-за ее абразивных свойств и золы, которая получается в результате сжигания этой пыли.
Кроме того, в качестве топлива использовались растительное масло и светлые нефтепродукты. Именно на этих видах топлива был успешно испытан дизельный двигатель внутреннего сгорания.
В 1896 году инженер Экрой Стюард построил рабочий двигатель: полудизель. В этой версии конструкции ДВС было решено, что воздух втягивается в цилиндр, после чего он сжимается поршнем и впрыскивается в конце такта сжатия в емкость, где распыляется топливо. Для запуска такого двигателя емкость снаружи нагревалась лампой, а после запуска двигатель работал самостоятельно. Экрой Стюард экспериментировал со сжатием топлива и воздуха в цилиндре. Он хотел избавиться от свечей.
Основное различие между бензиновыми двигателями и дизельными двигателями заключается в топливной системе.
В изобретениях россияне не отставали. Несмотря на успех создания Дизелем двигателя внутреннего сгорания, в 1989 году в Санкт-Петербурге на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер изобрел и создал первый бескомпрессорный масляный двигатель высокого давления, то есть двигатель с предустановленным двигателем камера 30% от общего объема камеры сгорания). Этот двигатель получил название «Тринклер Мотор».
После сравнения немецкой версии дизельного двигателя и российского двигателя Trinkler, русская версия оказалась более эффективной. В двигателе Тринклера для перекачки и распыления топлива использовалась гидросистема — это позволило отказаться от установки дополнительного воздушного компрессора и позволило увеличить обороты двигателя. В российской версии воздушный компрессор в конструкции двигателя не устанавливался. Тепло подавалось медленнее и дольше, чем у немецкого дизельного двигателя Рудольфа. Двигатель Тринклера был проще и эффективнее. Но те, у кого были лицензии на дизельные двигатели Рудольфа и Нобели, вставили палку в колеса, чтобы остановить распространение конкурентоспособного автомобильного варианта. В 1902 году работы по созданию двигателя Тринклера были остановлены.
В 1989 году Эммануэль Нобель получил лицензию на двигатель Rudolf Diesel. Двигатель был модифицирован и теперь может работать на масле вместо керосина. В 1899 году механический завод Людвига Нобеля, расположенный в Санкт-Петербурге, начал серийное производство таких двигателей. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже дизель ICE получил ГРАН-ПРИ. Перед Парижской универсальной выставкой появилась новость о том, что завод Nobel в Санкт-Петербурге производит ДВС, работающие на сырой нефти. Такой двигатель внутреннего сгорания в Европе стали называть «русским дизелем». Российский инженер по имени Аршаулов первым разработал и внедрил в систему топливный насос высокого давления (ТНВД). Топливный насос высокого давления приводился в движение сжатым воздухом от поршня. ТНВД работал с инжектором без компрессора.
В 1920-х годах Роберт Бош разработал встроенный впрыскивающий насос. Это устройство используется до сих пор. Bosch также улучшил инжектор без компрессора.
Начиная с 50-60-х годов 20 века дизельные двигатели успешно устанавливаются на грузовые автомобили и фургоны.
С 1970-х годов из-за роста цен на бензин производители автомобилей начали обращать внимание на дизельные двигатели.
В наше время практически у каждой марки автомобилей есть модификация с дизельным агрегатом под капотом.
Устройство системы дизельного двигателя
Основными элементами дизельного двигателя являются:
- цилиндро-поршневая группа (цилиндры, поршни, шатуны);
- интеркулер.
- турбина;
- топливные форсунки;
- впускные и выпускные клапаны;
Современный дизельный двигатель в разрезе
Принцип работы дизельного мотора
Главная особенность дизельного двигателя внутреннего сгорания — воспламенение топливовоздушной смеси в камерах сгорания за счет сжатия и нагрева. Дизельное топливо распыляется через форсунки.
Дизель подается только тогда, когда воздух максимально сжат и имеет максимальную температуру.
Когда воздух горячий, дизельное топливо легко воспламеняется. Прежде чем топливо попадает в камеры сгорания цилиндров двигателя внутреннего сгорания, оно проходит через фильтры очистки, которые очищаются от механических примесей, которые быстро повредили бы все устройство.
Порядок работы дизельной системы:
-
- Воздух подается через впускной клапан, когда поршень движется вниз.
- Затем поршень поднимается и сжимает воздух 20 раз. Давление в это время составляет 40 килограммов на сантиметр. Температура воздуха в это время достигает 500 градусов по Цельсию.
- Когда воздух сжимается и нагревается, форсунки в этом цилиндре впрыскивают и распыляют топливо. Из-за очень горячего воздуха возгорается дизельное топливо. Такой способ работы исключает наличие свечей в системе. Также в дизельных агрегатах отсутствует система зажигания.
Процесс самовоспламенения дизельного топлива воздухом от свечи накаливания.
Кроме того, в устройстве отсутствует дроссельная заслонка, обеспечивающая высокий крутящий момент. Но количество оборотов в это время находится на низком уровне. За рабочий цикл дизеля форсунки могут подавать топливо несколько раз.
- Когда горючая смесь воспламеняется, ударная волна толкает поршень вниз. Поршень, который соединен с коленчатым валом через шатун и вращает коленчатый вал.
- Кроме того, из нижней мертвой точки (НМТ) поршень поднимается и выталкивает выхлопные газы через выпускные клапаны.
Этот процесс в работе двигателя называется циклом.
Дополнительные компоненты двигателя
Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, существуют также дополнительные детали и агрегаты, улучшающие характеристики и работу ДВС.
Принцип работы турбины
Турбина — это устройство, создающее дополнительный впрыск топлива. Турбинный двигатель имеет отличные характеристики.
Идея создания турбины возникла при открытии такого факта, что при движении поршня вверх солярка не успевает полностью закончиться.
С помощью турбины сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего снижается расход топлива и увеличивается мощность двигателя внутреннего сгорания.
Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:
- подшипники — служит опорой, позволяет вращать вал;
- стальная сетка.
- корпус компрессора;
- кожух турбины;
Цикл работы турбонаддува:
- Компрессор создает разрежение и втягивает воздух в систему.
- Ротор турбины передает вращение ротору.
- Интеркулер охлаждает воздух.
- Воздух подается через впускной коллектор, воздух предварительно очищается (воздушные фильтры). После поступления воздуха впускной клапан закрывается.
- Выхлопные газы проходят через турбину ДВС и создают давление на ротор.
- В это время частота вращения вала турбины очень высока, достигая 1500 оборотов в секунду. От этого ротор компрессора начинает вращаться.
Затем цикл повторяется.
По мере охлаждения воздуха его плотность увеличивается. Если плотность воздуха увеличилась, можно перекачивать воздух в большом объеме. Чем больше воздуха поступает в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.
Интеркулер и форсунка
При сжатии плотность и температура воздуха увеличиваются. Это негативно сказывается на сроках доставки деталей двигателя. В связи с этим было разработано устройство, охлаждающее поток горячего воздуха.
В зависимости от модификации дизельных двигателей топливо может распыляться в цилиндре с помощью одной или двух форсунок.
Дизельные форсунки работают в импульсном режиме.
Вывод
Благодаря постоянному внедрению и тестированию инженерных разработок современные дизельные двигатели обладают отличными техническими характеристиками. Качество сгорания отличное благодаря использованию турбонагнетателя. Качество сгорания примерно в 2 раза выше, чем у бензинового двигателя.
В последние годы наблюдается постоянное улучшение не только для повышения производительности, но и для удовлетворения современных потребностей глобальных экологов. Сначала требовались двигатели Евро 2, затем 3, 4, 5.
Видео
В этом видео показано, как работает дизельный двигатель.
Устройство системы дизельного двигателя.
Принцип работы турбокомпрессора (турбокомпрессор, турбина).
Отличия ДВС Евро 5 от Евро 4.
