Дизельные двигатели

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.

Читайте также: Мотоблок Хопер 1100 9 ДС

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.

Как работает дизельный двигатель?

Заключается принцип действия дизельного двигателя в следующим: в цилиндр

всасывается чистый воздух при движении поршня вниз. А при перемещении клапана вверх он нагревается. Стоит отметить, что температура при работе дизельного двигателя может быть от 700 до 900°. Это достигается при сильном сжатии. Когда поршень перемещается в мертвую верхнюю точку, происходит впрыскивание дизельного топлива в камеру сгорания под достаточно высоким давлением. При соприкосновении с горячим воздухом происходит воспламенение горючего. В результате этого давление в цилиндре возрастает, так как самовоспламенившееся топливо расширяется. Именно это и вызывает сильный шум при работе агрегата.

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.

Конструкция основных узлов дизельных двигателей

Современный дизельный двигатель представляет собой сложный агрегат, состоящий из ряда отдельных механизмов, систем и устройств. Конструкция дизельного двигателя зависит от его назначения, мощности, области применения и т.д. В любом двигателе можно выделить следующие основные узлы: остов, кривошипно-шатунный механизм, механизм газораспределения и продувочные и наддувочные устройства (рис. 23).

Остов двигателя поддерживает и направляет движущиеся детали, воспринимает все усилия при работе двигателя; представляет собой совокупность неподвижных деталей двигателя – фундаментной рамы, картера, цилиндров, крышек цилиндров, анкерных связей, шпилек и болтов, стягивающих эти детали.

Фундаментная рама является основанием остова, предназначена для укладки коленчатого вала и служит емкостью для сбора масла, вытекающего из узлов смазывания двигателя. Рама нагружена массой двигателя, силами давления газов, силами инерции поступательного движения и вращающихся масс; Если двигатель оборудован навешенными механизмами (водяными, масляными, топливоподкачивающими насосами), то они монтируются на переднем конце рамы; Рамовые подшипники являются опорой для шеек коленчатого вала;

Картер служит для соединения цилиндров с фундаментной рамой, образует закрытое пространство для размещения кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Детали картера подвергаются растяжению от действия максимальной силы давления газов и сжатию усилием предварительной затяжки, а также изгибающим усилиям в крейцкопфных двигателях;

Рабочие цилиндры – это часть двигателя, где осуществляется рабочий цикл. Цилиндр состоит из рубашки и вставной втулки. Во втулке движется поршень и протекают рабочие процессы. Рубашка является опорой для втулки и образует полости для ее охлаждения. Цилиндры устанавливают на верхнюю обработанную плоскость станины или картера и закрепляют шпильками или анкерными связями.

Крышка рабочего цилиндра закрывает и уплотняет рабочий цилиндр и образует вместе с поршнем и втулкой камеру сгорания; на крышку действуют усилия от затяжки крышечных шпилек и переменного давления газов, а также высокая тепловая нагрузка; крышки двухтактных дизелей имеют более простую конструкцию из-за отсутствия клапанов;

Кривошипно-шатунный механизм воспринимает усилие от давления газов и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основными деталями КШМ в крейцкопфных двигателях являются поршень, шток поршня, крейцкопф, шатун, коленчатый вал; в тронковых двигателях – поршень, поршневой палец, шатун, коленчатый вал.

Поршень воспринимает силу давления газов и передает ее через шатун на коленчатый вал. В тронковых двигателях он выполняет роль ползуна, управляет газообменом в двухтактных дизелях; днище поршня воспринимает давление и теплоту горячих газов, ограничивает и формирует камеру сгорания. Форма днища поршня зависит от примененного способа смесеобразования, расположения камеры сгорания и типа продувки. Поршень уплотняется в цилиндре поршневыми кольцами – компрессионными и маслосъемными. Компрессионные кольца уплотняют рабочий зазор, отводят теплоту от поршня к стенкам цилиндра, маслосъемные кольца регулируют количество масла, удаляя его излишки с зеркала цилиндра;

Шатун соединяет поршень или поперечину крейцкопфа с коленчатым валом, обеспечивает перемещение поршня при совершении вспомогательных ходов; шатун подвергается действию силы от давления газов, сил инерции поступательно движущихся масс и сил инерции, возникающих при качании шатуна;

Группа коленчатого вала – сюда входят следующие узлы двигателя: коленчатый вал, противовесы, распределительная шестерня или звездочка, шестерни привода навешенных вспомогательных механизмов, узел осевой фиксации, демпфер, маховик. Коленчатый вал относится к числу наиболее ответственных, напряженных и дорогостоящих деталей. При работе двигателя вал нагружается силами давления газов, силами инерции движущихся возвратно-поступательно и вращающихся деталей. Для уравновешивания центробежных сил коленчатые валы снабжаются противовесами. Если вспомогательные механизмы, обеспечивающие работу дизеля, приводятся во вращение от коленчатого вала самого двигателя, то раздача мощности на механизмы производится от коробки приводов. Отбор мощности производится на механизмы газораспределения, топливные, масляные насосы и насосы системы охлаждения. Для обеспечения равномерности вращения коленчатого вала двигателя применяются маховики.

Механизм газораспределения открывает и закрывает впускные и выпускные органы в соответствии с принятыми фазами газообмена. Механизм газораспределения состоит из рабочих клапанов и деталей, передающих им движение от коленчатого вала двигателя – шестерен, распределительных валов, толкателей, штанг, рычагов. Конструкция механизма газораспределения зависит от конструкции самого дизельного двигателя. Как правило, применяются следующие типы газораспределения: клапанное, золотниковое и комбинированное.

Клапанное газораспределение применяется в четырехтактных дизелях всех типов и в качестве привода выпускных клапанов в двухтактных дизелях при клапанно-щелевой схеме газообмена (рис. 24).

Привод верхних клапанов может осуществляться непосредственно от распределительного вала или через промежуточные детали в виде толкателей, штанг, коромысел, рычагов, траверс. Расположение распределительного вала при этом может быть как верхним над крышкой блока цилиндров (рис. 24.а – г), так и нижним – вдоль блока цилиндров (рис. 24.д). Верхние клапаны дают возможность получить компактную камеру сгорания цилиндрической, конической или сферической формы, благоприятной для смесеобразования и сгорания топлива. Верхнее расположение клапанов типично для различного рода дизельных двигателей. При нижнем расположении клапанов (рис. 24.е) упрощается устройство головки цилиндров и механизма привода клапанов, уменьшается число деталей механизма газораспределения и высота самого двигателя. При этом клапаны могут располагаться как с одной, так и с обеих сторон блока цилиндров.

Золотниковое (бесклапанное) газораспределение осуществляется поступательно движущимися или вращающимися золотниками, а также золотниками, совершающими одновременно поступательное и угловое перемещения. При золотниковом газораспределении можно обеспечить большие проходные сечения для газов и бесшумную работу двигателя. В двухтактных дизелях в роли золотниковой пары выступает сам поршень и окна во втулках цилиндра.

К продувочным и наддувочным устройствам для зарядки цилиндров двигателя относятся: продувочные насосы (в двухтактных дизелях), наддувочные агрегаты, детали приводов, ресиверы продувочного и наддувочного воздуха, охладители воздуха, воздушные фильтры.

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

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.

Обитель зла

Каждые пять лет в Европе принимают новые экологические нормы. Как назло, наибольшие ужесточения касаются тех выбросов, которые более характерны для дизеля, — речь об оксидах азота и твердых частицах. От Евро‑3 до Евро‑6 допустимый уровень понизили соответственно в восемь и десять раз.

Даже при нормальном сгорании дизельного топлива неизбежно образование твердых частиц — сажи. А режимов неполного сгорания предостаточно, причем в каждом выбросы сажи повышаются многократно. Пресловутые оксиды азота образуются в камере сгорания при высокой температуре и большом избытке воздуха в топливовоздушной смеси, на котором, собственно, и работает дизельный двигатель. Из-за этого же избытка воздуха привычный нейтрализатор не способен их обезвреживать.

Для начала инженерам пришлось внедрить систему рециркуляции отработавших газов (EGR), которая направляет часть их обратно на впуск. Многие думают, что это нужно просто для дожигания выхлопных газов. Отчасти так, но основная задача — снизить количество кислорода в свежей топливо‑ воздушной смеси и сбить температуру сгорания в цилиндре. Иногда системой рециркуляции снабжают и бензиновые двигатели. У дизеля она состоит из управляющего клапана, охладителя потока газов и впускного запорного клапана.

Управляющий клапан EGR установлен на стороне выпуска и отводит отработавшие газы (ОГ) обратно на впуск. Его работой заведует модуль управления двигателем. Также в клапан встроен датчик положения. Предусмотрена функция самоочистки: при выключении двигателя клапан несколько раз открывается и закрывается. При выходе из строя системы EGR он остается закрытым. Однако нередки случаи, когда отложения сажи и коррозия со временем приводят к залипанию клапана в открытом положении. Дизельный мотор и так не отличается внутренней чистотой, вдобавок постоянно на впуск будет возвращаться полная порция ОГ, что снизит ресурс элементов двигателя и его мощность.

Охладитель EGR работает как интеркулер в системах наддува. Охлажденные газы имеют бóльшую плотность, а значит, влекут больший расход. Дополнительно они еще сильнее сбивают температуру сгорания в цилиндре. В некоторых режимах двигателя такая интенсивная рециркуляция во вред: она ведет к неполному сгоранию топлива — например, при пуске и в режиме прогрева. Чтобы избежать этого, в систему встроен клапан, который направляет газы в обход охладителя и дополнительно предохраняет его от осаждения конденсата из-за слишком низкой температуры.

Впускной запорный клапан — не что иное, как дроссельная заслонка, которая стоит во впускном тракте перед каналом подачи отработавших газов. При необходимости она закрывается почти наполовину, уменьшая поперечное сечение впускного трубопровода. За счет этого во впускном коллекторе создается разрежение и растет интенсивность рециркуляции ОГ. По факту для работы самогó двигателя она не используется, за исключением момента его более мягкой остановки, когда заслонка полностью закрывается и прекращает подачу воздуха. У дизеля — качественное регулирование топливовоздушной смеси, то есть меняются только параметры впрыска топлива. При отказе заслонка полностью открывается. Функция само‑ очистки срабатывает после выключения двигателя, когда дроссель несколько раз полностью открывается и закрывается.

О неисправности системы рециркуляции отработавших газов сигнализирует лампа Сheck. Диагностику проводят в основном с помощью компьютера. Хорошее самочувствие системы да и самого мотора продлят периодические поездки за город без пробок, дабы немного очистить их от нагара, а также применение рекомендованного моторного масла и заправка на проверенных АЗС. Продукты сгорания сомнительной солярки и дешевого масла бумерангом вернутся в двигатель.

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.

Типы дизельных двигателей

Существует несколько типов дизельных моторов. Различие в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания — их называю дизелями с непосредственным впрыском — топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. Непосредственный впрыск применяется на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это связано с трудностями процесса сгорания, а также повышенным шумом и вибрацией. Благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить экономичность, снизить шум и вибрацию.
Наиболее распространенным является другой тип дизеля — с раздельной камерой сгорания. Впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания.

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