Принцип работы дизельного двигателя в современных установках

Прежде чем коснуться темы устройства обыкновенного дизельного двигателя было бы полезно совершить небольшой экскурс в прошлое и проследить за тем, кто открыл принцип работы дизельного двигателя, а также развитие двигателей в течение всего XX века.  

 

Инженером, который разработал конструкцию первого двигателя, использующего жидкое топливо в качестве источника энергии, был Рудольф Дизель. Еще в конце 19 века он обнаружил возможность использования эффекта мгновенного воспламенения топлива в камере, в результате чего можно было получить колоссальную энергию, способную привести во вращение коленчатый вал. Именно с этого времени и начинается эпоха дизельных двигателей внутреннего сгорания. Главным конкурентом дизельных агрегатов выступали бензиновые двигатели, которые выигрывали за счет того, что могли обеспечить более высокую частоту вращения. Лишь в 30-х годах ХХ века немецкий инженер Р. Бош смог сконструировать первый в истории многосекционный насос большого давления, который обеспечил дальнейшее развитие дизельных двигателей.   

 

Принцип действия дизельного двигателя основан на том, что воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя происходит не за счет искры от свечей зажигания, а за счет того давления, которому подвергается дизельное топливо. Если в бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом до поступления в цилиндр, то в дизельном двигателе очищенный воздух попадает в цилиндр при движении поршня вниз, после чего происходит впрыск дизельного топлива, и в результате образовавшегося высокого давления смесь воспламеняется. В итоге получается более мощный выброс энергии, и, соответственно,  мощность самого двигателя существенно возрастает. Таким образом, принцип работы дизельного двигателя основан на сильном сжатии топливной смеси и ее воспламенении.

 

Существует, правда, и ряд недостатков, связанных с физическими особенностями воздуха и самого топлива. Дело в том, что при сильном морозе температура сжимаемого воздуха может оказаться недостаточной для воспламенения дизтоплива, с чем связаны некоторые проблемы при пуске двигателя дизельных авто в холодную зиму. Однако в современных дизельных агрегатах, не только автомобильного, но и промышленного назначения, используется система предпускового нагрева воздуха, которая практически полностью устраняет эту неприятность.

 

Дизельные двигатели широко применяются сегодня в судостроении и авиастроении, где они зарекомендовали себя как надежные и долговечные системы с большим сроком эксплуатации. Помимо этого двигатели такого типа получили распространение и в турбинах. При этом сам принцип работы турбины дизельного двигателя заключается в использовании всей мощности, возникающей при сжигании топлива в процессе работы механической турбины. 

 

К сожалению, до сих пор в среде автомобилистов ходят некоторые мифы о дизельных двигателях, среди которых наиболее распространены следующие:

— слишком громкая работа дизеля;

—  медленная работа двигателя;

—  экономная работа;

—  плохой пуск при морозе.

С последним пунктом мы выяснили, и теперь принцип работы дизельного двигателя не зависит от температуры окружающий среды. Что касается более экономной работы, то это было раньше, когда стоимость дизтоплива была в 3 раза ниже, чем стоимость бензина. Сегодня же главное преимущество дизельных двигателей заключается в большей мощности и более длительном сроке эксплуатации такого мотора. Если говорить о громкой и медленной работе, то сам принцип работы дизельного двигателя опровергает эти утверждения, поскольку при правильной настройке двигателя и соблюдении условий его эксплуатации он будет служить вам верой и правдой в течение долгого времени. 

Устройство дизельного двигателя и отличия от бензиновых ДВС.

Рассмотрим устройство дизельного двигателя и некоторые отличия от бензиновых ДВС.

Конструктивные особенности

Конструктивно агрегат представляет достаточно крупный по габаритам блок цилиндров из литого чугунного корпуса. В полости его расточенные под определенным углом гнезда с впрессованными гильзами (цилиндрами). В блоке имеют место многочисленные секции вокруг гильз, которые образуют водяную рубашку охлаждения. Постоянный круговорот охлаждающей жидкости в полостях головки блока упреждают двигатель от перегрева.

В своей нижней части блок имеет сферическую расточку (подушку) для установки, крепления коленчатого вала.

Крупным узлом считается головка блока с литыми гнездами под втулки клапанов.

Неотъемлемым элементом мотора остается клиновой привод водяной помпы, компрессора кондиционера, генератора.

К основным узлам следует отнести:

  • механизм шатунно-поршневой группы;
  • механизм газораспределения;
  • картер двигателя и систему смазки.

Именно эти узлы, взаимодействуя между собой, определяют характеристику силового агрегата.

Если исключить ТНВД (топливный насос высокого давления), высокое давление форсунок, усиление отдельных деталей, например, клапанов и поршней, то конструктивные элементы современных дизельных и бензиновых двигателей не сильно разнятся.

Принцип работы дизельного двигателя заключается в формировании и получении полезной работы от воспламенении топливной смеси. Здесь не происходит смешивание солярки с воздухом и подача ее в камеру сгорания с воспламенение от искры, как в случае с бензиновыми системами зажигания. Нет катушки зажигания, трамблера, свечей, карбюратора и прочих атрибутов бензинок.

Отвечая на вопрос, как работает дизельный двигатель, заметим, что в дизеле смешения горючего и воздуха осуществляется непосредственно в камере сгорания. То есть, под поршень нагнетается воздух, который на такте сжатия достигает температуры 700-800° C. Достигнув такового, топливным насосом посредством форсунок в камеру сгорания впрыскивается горючее. Впрыск под давлением, порой 30 атмосфер, привод к реакции с нагретым сжатием воздуха и моментальному самовоспламенению образовавшейся смеси. Процесс завершается давлением, толкающим поршень вниз к НМТ.

Система подает регламентированную дозу горючего посредством насоса высокого давления. Наличие форсунок и топливных фильтров предопределяет точность и бесперебойную работу топливной аппаратуры. Весь процесс зиждется на топливном насосе высокого давления, подающем горючее исходя из режима работы. Давление в системе нагнетается с помощью плунжерных пар. Привод ТНВД связан с коленчатым валом. Нажатием на акселератор выполняются функции регулирования нормы горючего, соответствующему обороту двигателя.

Форсунка, фильтр топливный

В паре с ТНВД исключительно важным узлом топливной системы являются форсунки. Функции их – подать конкретную дозу горючего в камеру сгорания. Давление, при котором открывается форсунка, равно величине, необходимой для максимального раздробления дизеля и создания топливного тумана.

На конце форсунок, в сложных температурных условиях работает игольчатый распылитель, формирующий контур факела. Контур впрыска принципиально важен для быстрого, полноценного сгорания. Тяжелый режим работы обусловлен постоянным нахождением их в зоне камеры сгорания. Исходя из этого, распылители форсунок выполняются из жаростойких материалов на станках высочайшей точности обработки. Для мягкой, бесшумной работы, в камеру сначала подается мизерная доза топлива. Она только разогревает воздух камеры. В заданный момент впрыскивается основная доза. Эти действия, посредством электроники, позволяют плавно наращивать давление, создавая условия для полного сгорания топливно-воздушной смеси.

В прерогативу топливного фильтра входит возможность тонкой очистки горючего. Но основная функция основывается на отделении воды из топлива. Поэтому фильтр нуждается в периодическом удалении отстоя воды через сливной краник.

Упредить критическое остывание с последующим запарафиниванием топлива помогает система электрического подогрева, что способствует быстрому запуску холодного двигателя.

Запуск, турбонаддув

Холодный запуск дизелю облегчает система предварительного разогрева, для чего в камере сгорания специально размещены свечи с функцией накала до 900° C. Информация о степени нагрева сообщается сигнальной лампой на приборной панели (закрученная спираль). По мере устойчивой работы двигателя свеча автоматически гаснет. В некоторых автомобилях свечи выключаются в момент подачи питания на стартер.

Система турбонаддува ориентирована повышать мощность и устойчивость на всех режимах работы ДВС. То есть турбинный компрессор подает под поршень избыточную порцию воздуха, увеличивая тем самым мощность мотора. Но длительный ресурс компрессора нужно поддерживать высоким качеством моторного масла.

Устройство системы турбонаддува

Система впрыска

Наиболее эффективной системой впрыска топлива считается Common Rail. Принцип работы системы заключается в том, что топливо накапливается в магистральной рампе, с которой поступает непосредственно в форсунку. А это путь к экономии солярки, низкому шуму от рабочего такта и выхлопных газов. За цикл работы, устройство выполняет два этапа впрыска. Самую малость топлива в начале и основную порцию для получения максимальной отдачи от сгорания.

Эти преимущества привели к использованию этой системы впрыска почти на каждом грузовом дизельном автомобиле и в большинстве гражданских моделях.

Система насос-форсунка предполагает установку форсунок по одной на каждый цилиндр. Устройство отличается от Common Rail высоким давлением впрыска. Отправной точкой считается высокая мощность транспорта до 20%, экономичность, низкая токсичность отработки. В обоих случаях, контрольные функции осуществляются системой управления двигателем через магнитные соленоиды.

Process, PV Diagram, Efficiency with Derivation & Applications [Объяснение и PDF]

Актуальные темы

В этой статье сначала будет обсуждаться работа 4-тактного двигателя CI, а затем 4 процесса, используемых в дизельном цикле. предоставляется вместе с его выводом для расчета КПД дизельного цикла.

Итак, как я уже сказал, чтобы понять дизельный цикл, вам нужно знать о четырехтактном двигателе CI.

4-тактный двигатель CI похож на 4-тактный двигатель Si, но он работает с гораздо более высокой степенью сжатия.

Степень сжатия двигателя CI варьируется от 16 до 20 , тогда как двигателя SI колеблется от 6 до 10.

Из-за используемой высокой степени сжатия температура в конце такта сжатия достаточно высока. Самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.

Основные отличия заключаются в том, что воспламенение происходит самопроизвольно из-за высокой температуры сжатого воздуха, который воспламеняется посредством топливной форсунки.

Объяснение четырехтактного двигателя в дизельном двигателе:

Последовательность операций в четырехтактном двигателе CI (дизельном двигателе) следующая.

  1. Такт всасывания
  2. Такт сжатия
  3. Такт расширения
  4. Такт выпуска

Объяснение вышеописанных операций следующее.

Примечание:

I.P означает впускное отверстие
EP означает выпускное отверстие
F. I означает топливную форсунку

1. Ход всасывания:

Только во время хода всасывания в цилиндр поступает воздух. В этом такте впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт, и поршень перемещается от ВМТ к НМТ.

2. Такт сжатия:

здесь впускной клапан и выпускной клапан останутся закрытыми. Поршень, движущийся вверх, сжимает воздух до высокого давления и температуры.

Топливо впрыскивается в цилиндр в конце такта сжатия и воспламенение происходит самопроизвольно из-за высокой температуры сжатого воздуха.

3. Рабочий ход:

Сгорание топлива приводит к выделению химической энергии, которая увеличивает давление и, таким образом, приводит к перемещению поршня из ВМТ в НМТ.

Этот процесс представляет собой процесс расширения, при котором поршень опускается в НМТ (нижнюю мертвую точку), когда впускной и выпускной клапаны находятся в закрытом положении.

4. Такт выпуска:

Поршень, перемещаясь от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, выталкивает продукты сгорания через выпускной клапан, который открывается.

Подробное объяснение возникновения четырехтактного двигателя в дизельном двигателе.

Внимательно изучите концепцию с файлом gif и видео Youtube, представленными ниже.

через GIPHY

Итак, теперь я надеюсь, что вы сможете работать с дизельным двигателем, так что теперь давайте погрузимся в рабочий цикл.

Объяснение дизельного цикла:

Этот цикл был введен доктором Д. Р. Дизелем в 1897 году.

В дизельном цикле тепло подается при постоянном давлении, тогда как в цикле Отто тепло подается при постоянном объеме.

Дизельный цикл состоит из 4 процессов.

  1. Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие
  2. Процесс 2-3: Поставление теплового давления
  3. Процесс 3-4: Обратный Adiabatic расширение
  4. Процесс 4-1: СОСТОКА. Отвод тепла

Процесс 1-2: обратимое адиабатическое сжатие

Он также известен как процесс обратимого адиабатического сжатия. В точке 1 цилиндр наполнен воздухом. Пусть P1, V1, T1 будут соответствующими давлением, объемом и температурой.

Воздух сжимается поршнем до высокого давления и температуры до значений P2, V2 и T2.

Процесс 2-3: Теплоснабжение с постоянным давлением

Он также известен как процесс теплоснабжения с постоянным давлением.

В этом процессе тепло передается воздуху при постоянном давлении от горячего тела и тем самым происходит увеличение температуры от T2 до T3 и объема от V2 до V3.

                              Qs = mCp(T3–T2)0007      

Процесс 3-4: обратимое адиабатическое расширение

Его также называют процессом обратимого адиабатического расширения. В этом процессе в точке 3 прекращается подача тепла, и эта точка известна как точка отсечки. В дальнейшем воздух расширяется до условий Р4, В4 и Т4 соответственно, соответствующих точке 4.

Это свидетельствует о том, что работа совершается газом за счет затрат внутренней энергии и теплопередачи в этом процессе не будет.

Процесс 4-1: Отвод тепла с постоянным объемом

Его также называют процессом отвода тепла с постоянным объемом. В этом процессе воздух отдает тепло холодному телу при постоянном объеме до точки 1, где он возвращается в исходное состояние.

В этом процессе температура снижается с T4 до T1, а давление уменьшается с P4 до P1.

QR = mCv(T4-T1)

Вывод дизельного цикла:

В этом выводе рассчитывается эффективность дизельного цикла.

Диаграммы P-V и T-S дизельного цикла представлены ниже.

Учитывая 1 кг воздуха,

Работа выполнена = Поставляется на тепло — тепло отклонено = MCP (T3 -T2) — MCV (T4 -T1)

Эффективность = работа выполнена/тепло.

Остальная часть вывода приведена ниже:

Теперь, принимая во внимание адиабатическое сжатие от 1-2 и адиабатическое расширение от 3-4, эффективность дизельного двигателя может быть получена из дизельного цикла.

Эффективность дизельного цикла.

Применение дизельного цикла:

Применение дизельного цикла:

  • Из всех крупных двигателей внутреннего сгорания дизельные двигатели имеют самый низкий удельный расход топлива.
  • Дизельные двигатели будут использоваться в грузовиках, катках, экскаваторах, дизель-генераторах, сельскохозяйственном оборудовании, автобусах и т. д.
  • Дизельные двигатели больше, чем бензиновые двигатели с точки зрения пространства.

Это подробное объяснение дизельного цикла вместе с процессами двигателя CI. Если у вас есть какие-либо сомнения, вы можете задать их нам, и мы ответим как можно скорее.

Ссылки [Внешние ссылки]:

  • Двигатель | Как работает автомобиль
  • Двигатель | Определение двигателя на Dictionary.com

Присоединяйтесь к Telegram

Дизельный двигатель — Wikiwand

  • Введение Дизельный двигатель
  • ИсторияДизельная идеяПервый дизельный двигатель0s1900s1910s1920s1930s1940s1950s1960s1970s1980s1990s2000s2010s
  • Operating principleOverviewThermodynamic cycleEfficiencyEmissionsElectrical systemTorque control
  • ClassificationRPM operating rangeCombustion cycleScavenging in two-stroke enginesFuel used
  • Fuel injectionDirect injectionIndirect injectionAir-blast injectionUnit injectors
  • Diesel engine particularitiesMassNoise (‘diesel clatter’)Cold weather startingSupercharging & турбонаддув
  • Fuel and fluid characteristicsFuel typesModern diesel fuel propertiesGelling
  • SafetyFuel flammabilityCancerEngine runaway (uncontrollable overspeeding)
  • ApplicationsPassenger carsCommercial vehicles and lorriesRailroad rolling stockWatercraftAviationEarlyModernNon-road diesel enginesStationary diesel engines
  • Low heat rejection engines
  • Future developments
  • See also
  • Ссылки
  • Внешние ссылкиПатенты

Дизельный двигатель , названный в честь Рудольфа Дизеля, представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в котором воспламенение топлива обусловлено повышенной температурой воздуха в цилиндре вследствие механического сжатия; таким образом, дизельный двигатель представляет собой так называемый двигатель с воспламенением от сжатия (двигатель с воспламенением от сжатия). Это контрастирует с двигателями, использующими зажигание топливно-воздушной смеси свечами зажигания, такими как бензиновый двигатель (бензиновый двигатель) или газовый двигатель (использующий газообразное топливо, такое как природный газ или сжиженный нефтяной газ).

Дизельный двигатель, изготовленный компанией Langen & Wolf по лицензии, 1898 г. 1952 г. Фильм Shell Oil, показывающий развитие дизельного двигателя 1877 г.

Дизельные двигатели работают за счет сжатия только воздуха или воздуха и остаточных продуктов сгорания из выхлопных газов (известная как рециркуляция выхлопных газов (EGR)). ). Воздух всасывается в камеру во время такта впуска и сжимается во время такта сжатия. Это повышает температуру воздуха внутри цилиндра до такой степени, что распыленное дизельное топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, воспламеняется. Когда топливо впрыскивается в воздух непосредственно перед сгоранием, дисперсия топлива неравномерна; это называется гетерогенной воздушно-топливной смесью. Крутящий момент, создаваемый дизельным двигателем, регулируется соотношением воздух-топливо (λ); вместо дросселирования всасываемого воздуха дизельный двигатель полагается на изменение количества впрыскиваемого топлива, а соотношение воздух-топливо обычно высокое.

Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД (КПД двигателя) среди всех существующих двигателей внутреннего или внешнего сгорания из-за его очень высокой степени расширения и присущего бедной смеси топлива, которое обеспечивает рассеивание тепла избыточным воздухом. Также удается избежать небольшой потери эффективности по сравнению с бензиновыми двигателями без непосредственного впрыска, поскольку несгоревшее топливо отсутствует во время перекрытия клапанов, и, следовательно, топливо не поступает непосредственно от впуска/впрыска к выпуску. Низкооборотные дизельные двигатели (используемые на кораблях и в других устройствах, где общий вес двигателя относительно неважен) могут достигать эффективного КПД до 55 %. [1] Газовая турбина с комбинированным циклом (цикл Брайтона и Рэнкина) представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который более эффективен, чем дизельный двигатель, но из-за своей массы и габаритов не подходит для транспортных средств, судов или самолетов. на вооружении 14-цилиндровые двухтактные судовые дизели; они производят пиковую мощность почти 100 МВт каждый.[2]

Дизельные двигатели могут быть спроектированы как двухтактные или четырехтактные. Первоначально они использовались как более эффективная замена стационарным паровым машинам. С 1910-х годов они использовались на подводных лодках и кораблях. Позже последовало использование в локомотивах, автобусах, грузовиках, тяжелой технике, сельскохозяйственном оборудовании и электростанциях. В 1930-х годах их постепенно начали использовать в нескольких автомобилях. После энергетического кризиса 1970-х годов спрос на более высокую топливную экономичность привел к тому, что большинство крупных автопроизводителей в какой-то момент стали предлагать модели с дизельным двигателем даже для очень маленьких автомобилей. По данным Конрада Рейфа (2012 г.), в среднем по ЕС на дизельные автомобили в то время приходилось половина вновь зарегистрированных автомобилей.[6] Однако выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в дизельных двигателях контролировать труднее, чем в бензиновых двигателях, поэтому использование дизельных автомобильных двигателей в США в настоящее время в основном ограничивается более крупными дорожными и внедорожными транспортными средствами[7][8]9.0003

Хотя авиация традиционно избегала дизельных двигателей, в 21 веке авиационные дизельные двигатели становятся все более доступными. С конца 1990-х годов по разным причинам, в том числе из-за обычных преимуществ дизеля над бензиновыми двигателями, а также из-за недавних проблем, характерных для авиации, разработка и производство дизельных двигателей для самолетов резко возросли, и в период с 2002 по 2002 год по всему миру было поставлено более 5000 таких двигателей. 2018 г., особенно для легких самолетов и беспилотных летательных аппаратов[9].

Posted inДвигатель