Ноя 1 2014

Принцип работы дизельного двигателя

Многие люди могут отличить дизельный двигатель по его шуму пои работе и по характерному дымлению из выхлопной трубы. Однако спросите их о причине такого стука или дымления, и не каждый сможет дать точный ответ. Вместе с тем, первым шагом в диагностике неисправностей является понимание принципов его работы.

Дизельные двигатели очень похожи по конструкции на бензиновые двигатели и также работают по двух- или четырехтактному циклу.

Однако тогда как 2-тактные бензиновые двигатели используются в основном на небольших и легких агрегатах, таких как мопеды, бензопилы, небольшие моторные лодки, двухтактные дизели используются практически исключительно для очень больших низкооборотных агрегатов, таких как судовые двигатели

Всасывание воспламенение

Основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе подачи топливовоздушной смеси в цилиндр и способе ее воспламенения. В бензиновом двигателе топливо смешивается с всасываемым воздухом до попадания в цилиндр, получаемая смесь поджигается в необходимый момент свечой зажигания.

На всех режимах, за исключением режима полностью открытой дроссельной заслонки, дроссельная заслонка ограничивает воздушный поток, и наполнение цилиндров происходит не полностью.

В дизеле воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия в дизеле (обычно 20:1), воздух от сжатия нагревается до температуры свыше 700°С.

Вы можете быть удивлены тем, что простая операция сжатия воздуха может сильно разогреть его, но для любого велосипедиста нет ничего необычного в том, что сжатый воздух разогревается, что легко обнаружить, пощупав велосипедный насос после накачки шины.

Вернемся к дизельному двигателю. Когда поршень поднимается в верхнюю мертвую точку (конец такта сжатия), топливо под очень высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания в распыленном до мельчайших частиц состоянии. Топливо смешивается с воздухом, и, так как температура воздуха очень высокая, происходит сгорание топливовоздушной смеси. При сгорании смесь выделяет энергию, которая движет поршень вниз (рабочий ход).

При снижении температуры воздуха текучесть дизельного топлива ухудшается из-за образования парафина. Из-за этого дизельное топливо становится густым и забивает топливный фильтр. По этой причине фирмы-производители дизельного топлива добавляют в него зимой специальные присадки, которые повышают текучесть топлива и гарантируют надежный запуск до температуры минус 22°С Если при неожиданном похолодании (ниже -10°С) в баке находится летнее топливо, то нужно добавить в бак специальную разжижающую присадку, следуя инструкциям ее производителя.

При запуске двигателя в холодную погоду температура сжатого воздуха в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения топлива. Решить эту проблему помогает система предварительного накала (подогрева). Двигатели могут быть оснащены автоматической системой предварительного подогрева, в которой использованы электрические накальные свечи, подогревающие воздух в камерах сгорания непосредственно до запуска двигателя и во время его. В большинстве дизелей не применяется дроссельная заслонка во впускном коллекторе.

Исключение составляют двигатели, в которых применяется пневматический регулятор, работа которого зависит от разрежения во впускном коллекторе. Также редко дроссельная заслонка используется для создания разрежения, необходимого для работы усилителя тормозов (обычно для этой цели используется отдельный вакуумный насос). Кроме исключения свечей зажигания, дизельный двигатель имеет и другие преимущества.

Самое большое из них состоит в том, что из-за сжатия поступающего воздуха в гораздо большей степени, чем в бензиновом двигателе (типичная степень сжатия составляет около 14:1 на больших двигателях и около 24:1 на небольших современных двигателях) дизель является более термически эффективным двигателем. Это значит, что он выдает большую мощность от заданного количества топлива.

Результатом является следующее: автомобиль с дизельным двигателем пройдет на данном количестве топлива большее расстояние, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем того же рабочего объема.

История дизельного двигателя

В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Хотя Дизель и был первым, который запатентовал такой двигатель с воспламенением от сжатия, инженер по имени Экройд Стюарт высказывал ранее похожие идеи.

Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в емкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость 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, т.е. он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную эффективность.

Может, это и было причиной того, что используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», т.к. теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей с воспламенением от сжатия. В дальнейшем около 20 — 30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива не позволяли применять дизели в высоко-оборотистых 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.

Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным дальнейшее увеличение скорости вращения.

Востребованный в таком виде высокооборотистый дизель стал пользоваться все большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, однако доводы в пользу двигателей с электрическим зажиганием (традиционный принцип работы, легкость и небольшая цена производства) позволяли им пользоваться большим спросом для установки на пассажирских и небольших грузовых автомобилях.

В 50-60-е годы дизель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы после резкого роста цен на топливо, на него обращают серьезное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы происходит рост популярности дизеля на легковых и грузовых автомобилях, 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 предлагают как минимум по одной модели с дизельным двигателем.

Как работает дизель

При первом такте (такт впуска, поршень идет вниз) свежая порция воздуха втягивается в цилиндр через открытый впускной клапан.

При втором такте (такт сжатия, поршень идет вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т.е. объем становится меньше в 17 раз по сравнению с общим объемом цилиндра, и воздух становится очень горячим.

Непосредственно перед началом третьего такта (такт рабочего хода, поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.

Выпускной клапан открывается, когда начинается четвертый такт (такт выпуска, поршень идет вверх), и выхлопные газы проходят через выпускной клапан.

Преимущества и недостатки дизельных двигателей

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 26% энергии топлива в полезную работу. Дизельный двигатель, однако, обычно имеет топливную эффективность (КПД) в 36%. Дизельное топливо, как правило, дешевле.

Исключение электрической системы зажигания является очевидным преимуществом для всех типов двигателей, на лодках или на строительной технике увеличивается надежность, а также меньше уровень токсичных выбросов в выхлопных газах, что даже более важно.

Дизельный двигатель также выдает высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «гибким» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более легким эффективное использование мощности двигателя.

Есть и другие преимущества. Выхлопные газы дизельного двигателя являются относительно «чистыми» по сравнению с выхлопными газами бензинового двигателя.

Окись углерода (СО) практически отсутствует в выхлопных газах дизеля, поэтому токсичными газами, которые присутствуют в заметных количествах, являются углеводороды (НС или СН) (на рисунке не показаны), окислы азота (NОх) и сажа (или ее производные) в форме черного дыма.

Они могут привести к астме и раку легких, больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и не отрегулированными.

Концентрация СО2 может быть уменьшена с помощью системы рециркуляции выхлопных газов (ЕСК). Эта система отбирает некоторое количество выхлопных газов из выпускного коллектора (7) через трубопровод (5) во впускной коллектор (1). Процесс контролируется клапаном (2), и благодаря уменьшению температуры сгорания концентрация СОх уменьшается).

Для существенного сокращения выбросов углеводородов и СО используются каталитические преобразователи (катализаторы} окислительного типа. Что касается остающейся серы, улучшения в системе впрыска топлива и а процессе сгорания в сочетании с отделителями частиц выпускной системы существенно уменьшают ее выбросы. Качественное обслуживание дизельных двигателей помогает свести черный дым к минимуму.

Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (т.е. легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более что в них не используется система зажигания.

Конечно, существуют и недостатки, среди которых характерный стук дизельного двигателя при его работе и маслянистое топливо. Однако они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически не незаметны.

Основная конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя, что можно понять из рисунка. Однако одинаковые детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к более высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля.

Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и часто (но не всегда) под повышенную степень сжатия и головки поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Во многих случаях головки поршней содержат в себе камеру сгорания

Дизельный двигатель

1 — вал коромысел;
2 — опора наружного подшипника;
3 — водяной насос с корпусом термостата;
4 — распределительный вал;
5 — промежуточная пластина крышки привода газораспределительного механизма (ГРМ);
6 — цепь привода ГРМ;
7 — крышка привода ГРМ;
8 — установочный фланец шестерни топливного насоса высокого давления (ТНВД);
9 — болт опоры наружного подшипника;
10 — форсунка с распылителем;
11 — крепление масляного фильтра с масляным радиатором;
12 — игольчатый и роликовый подшипник коленчатого вала;
13 — масляный насос с маслозаборником.

Степень сжатия — это отношение объема X над поршнем, когда он находится в нижней точке своего хода или нижней мертвой точке (НМТ) к объему У, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ).

Поршни, используемые на дизельных двигателях небольшого объема, почти всегда сконструированы так, чтобы они выступали над верхней плоскостью блока цилиндров, когда он находится в ВМТ. Когда двигатель собран, величину выступания нужно проверить и правильно установить, если она не укладывается в допуски завода-производителя.

Величина выступания поршня очень важна для обеспечения правильной степени сжатия, в то же время обеспечивая, чтобы клапаны не соприкасались с головками поршней. Эта высота выступания определяется путем проворачивания двигателя от руки, медленного подвода к ВМТ и измерения высоты с помощью специальных измерительных приборов. На некоторых двигателях небольшого объема имеется набор прокладок различной толщины.

В некоторых случаях на краях прокладок имеются насечки, чтобы легче было определить толщину прокладки. Соответствующая толщина прокладки подбирается для обеспечения правильного выступания над верхней плоскостью прокладки при установке, а не над плоскостью блока цилиндров.

Руководствуйтесь инструкцией к конкретному двигателю для правильной идентификации толщины прокладки. Для других двигателей можно подбирать поршни. Затем для правильной установки нужно изменить высоту поршней и подобрать поршни нужного размера, чтобы обеспечить правильное их выступание.

В других случаях, особенно на старых двигателях большого объема, головки поршней можно обработать механически, если выступание слишком большое (хотя это можно сделать не всегда, особенно если поршни невысокие или это не допускается фирмой-производителем)

Механизм привода клапанов также обычный, так же как и привод распредвала с тем отличием, что распредвал приводит в движение и топливный насос высокого давления (ТНВД) на некоторых двигателях. Привод обычно осуществляется зубчатыми ремнями, цепями или шестернями.

ТНВД приводится в движение промежуточной шестерней, которая обычно приводит в действие также и распредвал. Основные различия между дизельными и бензиновыми двигателями состоят в системе подачи воздуха, которая не имеет дроссельной заслонки в конструкции камер сгорания и наличии ТНВД или насосов-форсунок на месте распределителя зажигания и карбюратора или системы впрыска бензина.

В традиционных бензиновых двигателях с впрыском топлива бензин впрыскивается во впускной коллектор при низком давлении и смешивается с воздухом перед попаданием в цилиндры.

В дизельных двигателях (и в некоторых современных бензиновых) топливо впрыскивается под очень большим давлением непосредственно в цилиндры. Большинство дизельных двигателей относятся к типу с непосредственным впрыском (с неразделенной камерой сгорания).

Они имеют относительно простую плоскую головку блока цилиндров с камерой сгорания, образуемой в головке поршня — отметим важный вихрь, образуемый в поступающем воздухе благодаря конструкции впускного канала. Такие двигатели лучше заводятся и работают более экономично, но издают больше шума и вибрации при работе и не обеспечивают полное сгорание, что приводит к черному дыму из выхлопной трубы.

Двигатели с непосредственным впрыском всегда используют форсунки с распылителями со многими отверстиями, чтобы способствовать распределению топлива во всем объеме камеры сгорания.

Из-за того, что дизели всегда конкурировали с бензиновыми двигателями, большинство автомобильных дизелей традиционно имели тип с предкамерным впрыском, в котором сгорание начинается в предварительной камере (предкамере).

Опять отметим завихрение сжатого поступающего воздуха в предкамере. Предкамера, одна для каждого цилиндра, находится внутри головки блока цилиндров, и форсунка входит в нее. Такие двигатели не дают такую экономию топлива, как у двигателей с непосредственным впрыском, и они труднее заводятся в холодном состоянии. Однако они работают тише и мягче, что является необходимым условием для дизельного автомобильного двигателя.

В попытках достижения лучших результатов в обеих областях последним достижением является система впрыска «коммон-рэйл», которая во многом отличается от других систем непосредственного впрыска топлива.

Тогда как обычные системы развивают давление для каждой форсунки каждый раз заново, у новой системы давление топлива поддерживается в общей топливной рейке и распределяется по форсункам.

Электронная система управления двигателем регулирует высокое давление до 1350 бар (кгс/см2) независимо от последовательности впрыска в соответствии с числом оборотов и нагрузкой двигателя.

Форсунки, которые оснащены специальными соленоидными клапанами, при необходимости также могут управляться различным образом. Совместно с высоким давлением впрыска, которое также присутствует на низких оборотах, переменный управляемый (изменяемый) процесс впрыска обеспечивает улучшенную карбюрацию топлива в цилиндрах. Результатом будет улучшенная топливная эффективность и пониженный уровень токсичности выхлопных газов.