Особенности дизельного двигателя, плюсы и недостатки

Дополнительные узлы

Как работает турбина

Турбина в устройстве дизельного двигателя позволяет в значительной мере увеличить общую производительность системы. Тем не менее автомобильные инженеры не сразу пришли к этому решению.

Толчком к созданию турбины и внедрению её в общее устройство дизельного двигателя стало то, что топливо не успевает полностью сгореть, пока поршень движется к мёртвой точке.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе заключается в том, что данный конструкционный элемент позволяет добиться полного сгорания топлива. Как результат мощность мотора существенно возрастает.

Устройство турбонагнетателя состоит из таких элементов:

• Два кожуха — один крепится на турбину, второй на компрессор.
• Подшипники представляют собой опору узла.
• Защитную функцию выполняет стальная сетка.

Весь цикл работы турбины дизельного двигателя состоит из следующих этапов:

1. Воздух всасывается внутрь при помощи компрессора.
2. Подключается ротор, приходящий в движение за счёт ротора турбины.
3. Интеркуллер охлаждает воздух.
4. Воздух проходит несколько фильтров и попадает внутрь через впускной коллектор. В конце данного действия клапан закрывается. Открытие происходит при завершении рабочего хода.
5. Через турбину дизельного двигателя проходят отработанные газы, тем самым оказывая давление на ротор.
6. На данном этапе скорость вращения турбины дизельного двигателя может достигать около 1500 оборотов в секунду. Это заставляет вращаться ротор компрессора посредством вала.

Этот цикл повторяется раз за разом. Благодаря использованию турбины мощность дизельного двигателя растёт.

Важно! За счёт охлаждения плотность воздуха возрастает.

Увеличение плотности воздуха позволяет подавать его в значительно большем количестве внутрь двигателя. Увеличение потока способствует тому, что топливо внутри системы полностью сгорает.

Интеркуллер и форсунка

Во время сжатия увеличивается не только плотность воздуха, но и его температура. К сожалению, это сильно влияет на долговечность дизельного двигателя. Поэтому учёными было придумано такое устройство, как интеркуллер. Он эффективно снижает температуру воздушного потока.

Важно! Интеркуллер работает при помощи охлаждения воздуха путём теплообмена.

В устройстве может быть одна или две форсунки. Их задача заключается в том, чтобы распылять и дозировать топливо. Принцип работы форсунки дизельного двигателя реализуется за счёт кулачка, который отходит от распределительного вала.

Внимание! Форсунки дизельного двигателя работают в импульсном режиме.

Классификация

По конструкции камеры сгорания дизели подразделяют на варианты с раздельной камерой сгорания и с непосредственным впрыском.

В первом случае камера сгорания отделена от цилиндра и соединена с ним каналом. При сжатии поступающий в камеру вихревого типа воздух закручивается, что улучшает смесеобразование и самовоспламенение, которое начинается там и продолжается в основной камере. Дизельные двигатели данного типа ранее были распространены на легковых автомобилях в связи с тем, что они отличались пониженным уровнем шума и большим диапазоном оборотов от рассмотренных далее вариантов.

В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания находится в поршне, а топливо подается в надпоршневое пространство. Такая конструкция изначально использовалась на низкооборотных моторах большого объема. Они отличались высоким уровнем шума и вибраций и низким расходом топлива. Позднее, с появлением топливных насосов высокого давления с электронным управлением и оптимизацией процесса сгорания, конструкторы достигли стабильной работы при диапазоне до 4500 об./мин. К тому же возросла экономичность, снизилась шумность и уровень вибраций. Среди мер по уменьшению жесткости работы – многостадийный предвпрыск. Благодаря этому двигатели данного типа получили в последние два десятилетия обширное распространение.

По принципу функционирования дизели подразделяют на четырехтактные и двухтактные, как и бензиновые моторы. Их особенности рассмотрены далее.

История.

В 1890 году Рудольф Дизель предположил, что если увеличить давление в цилиндрах, то эффективность работы двигателя заметно увеличится (теория «экономичного термического двигателя»). Свои замыслы ему удалось реализовать после получения патента на свое изобретение 23 февраля 1893 года. Первая рабочая модель двигателя была собрана только в начале 1897 года, а 28 января она успешно прошла все тестирования и испытания.

Патент на изобретение Дизеля

Патент, который получил Рудольф Дизель 23 февраля 1893 года на свое изобретение.

В качестве топлива Рудольф Дизель предполагал использовать каменноугольную пыль, однако проведенные опыты показали, что она совершенно не подходит на эту роль из-за высоких абразивных свойств. Зола, полученная при сгорании пыли, изнашивает двигатель и выводит его из рабочего состояния. Помимо того, неосуществимой оказалась подача пыли в цилиндры двигателя. Однако, несмотря на эти неудачи, стало возможным использование тяжелых фракций нефти в качестве топлива. Хотя Рудольф Дизель первым запатентовал использование в качестве системы зажигания сжатие воздуха, однако и до него существовали люди, высказывавшие подобные идеи. Таким был и Экройд Стюард, но по непонятным причинам он не смог получить патент.

Идея Экройда Стюарда заключалась в использовании сжатого воздуха для поджигания, впрыскиваемого в емкость, топлива. Чтобы запустить двигатель, необходимо было нагреть емкость лампой, но после запуска, работа двигателя поддерживалась без дальнейшего подвода тепла. Главное упущение теории Стюарта в том, что он даже не учитывал преимущества работы от высокой степени сжатия. Перед собой он ставил задачу исключения из двигателя свечей зажигания. Вот почему в нынешнее время всем хорошо известны «дизельные двигатели«, «дизельное топливо», «двигатель Дизеля» и просто «дизель», а про Экройда Стюарда почти никто не знает.

Первые дизельные двигатели были крупногабаритными и тяжелыми, поэтому на протяжении почти 30 лет применялись исключительно в стационарных механизмах и силовых установках морских судов. Дорога в автомобилестроение была им закрыта также из-за того, что системы впрыска топлива того времени не были приспособлены к работе на высокооборотистых двигателях.

Стационарный одноцилиндровый дизельный двигатель

На фотографии один из первых дизельных двигателей. Он представлял собой громоздкую стационарную конструкцию с одним цилиндром.

В 20-е годы ХХ века немецким инженером Робертом Бошем был усовершенствован встроенный топливный насос высокого давления, который широко применяется и сегодня. Использование гидравлической системы в качестве нагнетателя и впрыскивателя топлива позволило избавиться от отдельного воздушного компрессора, а также увеличить крутящий момент двигателя. Но даже после этого дешевые и легкие двигатели с электрическим зажиганием лидировали среди легковых автомобилей, в то время как дизельные двигатели устанавливались только на общественный транспорт и грузовые машины.

Эксплуатационные качества

К тому же многим не по душе такие качества дизельных моторов, как меньшие мощность и диапазон рабочих оборотов, более высокий уровень шума и вибраций.

Бензиновый двигатель действительно обычно превосходит в производительности, в том числе и литровой мощности, аналогичный дизель. Мотор рассматриваемого типа при этом имеет более высокий и ровный график крутящего момента. Повышенная степень сжатия, обеспечивающая больший крутящий момент, вынуждает применять более прочные детали. Так как они тяжелее, снижается мощность. К тому же это сказывается на массе двигателя, а следовательно, и автомобиля.

Небольшой диапазон рабочих оборотов объясняется более длительным возгоранием топлива, вследствие чего на высоких оборотах оно не успевает догореть.

Повышенный уровень шума и вибраций вызывает резкое нарастание давления в цилиндре при воспламенении.

Основными достоинствами дизелей считают более высокую тяговитость, экономичность и экологичность.

Тяговитость, то есть высокий крутящий момент на малых оборотах, объясняется сгоранием топлива по мере впрыска. Это обеспечивает большую отзывчивость и облегчает эффективное использование мощности.

Экономичность обусловлена как низким расходом, так и тем, что топливо для дизеля дешевле. К тому же возможно использовать в качестве него низкосортные тяжелые масла благодаря отсутствию строгих требований к испаряемости. А чем топливо тяжелее, тем выше эффективность мотора. Наконец, дизели работают на бедных смесях в сравнении с бензиновыми моторами и при высокой степени сжатия. Последнее обеспечивает меньшие потери тепла с отработанными газами, то есть большую эффективность. Все данные меры снижают расход топлива. Дизель, благодаря этому, тратит его на 30-40% меньше.

Экологичность дизелей объясняется тем, что в их выхлопных газах ниже содержание окиси углерода. Это достигается применением сложных систем очистки, благодаря чему сейчас бензиновый двигатель соответствует тем же экологическим нормам, что и дизель. Мотор такого типа ранее значительно уступал бензиновому в данном отношении.

Форсунка — назначение и виды

Очень часто ремонт дизельных двигателей связан с диагностикой работы форсунок и их починкой или заменой.

Они бывают двух видов:

• управляемые механически
• электромагнитные

В управляемых механически – отверстие, которое распыляет горючее, открывается в зависимости от силы давления в шланге. Ее отверстие закрывает игла, соединенная с поршеньком на верхушке форсунки. Пока не возникло давления, игла не позволяет горючему выйти через распылитель. Когда горючее поступает под напором, плунжер поднимается и оттягивает иголку. Отверстия распылителя раскрываются, и горючее выбрызгивается в цилиндр.

В нем установлены свечи накаливания, воспламеняющие горючее с воздухом. Они раскаляют воздух в специализированном отсеке, прежде, чем он окажется в цилиндре. По сути, свечи только облегчают запуск мотора ДВС, поскольку перед попаданием в цилиндр воздух уже достаточной температуры. Именно поэтому, когда на улице тепло, или если мотор еще не остыл после выключения зажигания, его запуск происходит и без участия свечей, а когда холодно – это невозможно.

Оснащенный электромагнитными форсунками дизель – более современный вариант. В таком случае – в насосе, подающем горючее, отсутствуют для каждого цилиндра своя секция, а шланг – один на все форсунки, и обеспечивает нужное давление и впрыск горючего сразу во все форсунки цилиндров ДВС.

При данной системе ДВС – на форсунки воздействуют электрические импульсы, поступающие от блока управления автомобилем: их клапаны, открывающие и закрывающие выходы для впрыска горючего – электромагнитные. Сам блок управления мотором считывает информацию со специальных датчиков, а затем дает команду электромагнитному управлению форсунками.

Такая система подачи топлива в дизельный двигатель еще и намного экономичней.

Форсунки начали использовать в производстве моторов еще в тридцатых годах XX столетия, их устанавливали сначала на авиамоторы, затем стали применять в двигателях гоночных машин. А массовое применение в автомобилестроении они получили лишь в семидесятые-восьмидесятые годы прошлого века. Тому послужили топливный кризис и осознание необходимости сбережения природы: чтобы сделать авто более мощными – специально переобогащали воздушно-горючую смесь, но это приводило к увеличению расхода топлива и переизбытку продуктов сгорания в газовых выхлопах автомобилей. И в 1967-м проблема была решена – тогда и была изобретена электромагнитная форсунка, в которой впрыск осуществляется электронной командой. Вне всяких сомнений, электроника всегда лучше механики, поскольку имеет перед ней массу очевидных преимуществ.

Мифы о двухтактных дизельных моторах

Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:

1. Слишком медленная работа. В действительности современные моторы с турбонаддувом гораздо эффективнее предыдущих моделей.
2. Такие моторы слишком громкие. Чтобы этого избежать, необходима правильная настройка двигателя. При правильном выполнении всех настроек работа мотора происходит немногим громче бензинового аналога. Высокий уровень шума свидетельствует о неправильной настройке мотора или его неисправности. Для старых моделей высокий уровень шума — характерная черта, создание появление аккумуляторных систем с высоким давлением существенно снизило уровень шума.
3. Покупать дизель выгоднее бензина. Это так, но лишь отчасти. Несколько лет назад дизельное топливо стоило намного дешевле бензина, однако сегодня разница составляет всего 10-20%. Основная экономичность заключается в способности теплотворной способности горючего.
4. Такие моторы плохо заводятся зимой. Раньше проблемы с ними действительно возникали. Однако современные автомобили с дизельными двигателями оснащены быстрым запуском, что снижает время на ежедневные подготовки к поездкам.

Срок службы дизеля превышает бензиновые агрегаты. Он может достигать 400-600 тыс. км.

Каждый двухтактный дизельный двигатель имеет одну отличительную особенность — через окна цилиндров впускается воздух и устраняются отработавшие газы. Когда они выходят через клапан в цилиндре, а воздух поступает через окна, система такой очистки называется клапанно-щелевой.

Подобные системы очистки имеют одну особенность — в цилиндре остается только часть воздуха. Поднимаясь вверх, он частично выходит за пределы мотора. Такую очистку еще называют прямоточной. Она обеспечивает максимальную эффективность очистки двигателя от продуктов сгорания.

Помимо прямоточной продувки существует и петлевая, однако она отличается меньшим качеством очистки. Именно поэтому для современных автомобилей она используется нечасто. Рабочие ходы такого агрегата выполняются в два раза чаще, однако на мощности это сказывается незначительно (она увеличивается в 1,5-1,7 раза). Это объясняется наличием продувки, а также тем, что внутри цилиндра происходит более короткий ход.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

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).

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.