Наши партнеры ArtmMisto
Паливо в дизельних двигунах запалюється від зіткнення зі стисненим повітрям.
Бензиновий двигун є досить неефективним і здатний перетворювати всього лише близько 20-30% енергії палива в корисну механічну роботу. Стандартний дизельний двигун зазвичай має коефіцієнт корисної дії в 30-40%, а з турбонаддувом і проміжним охолодженням понад 50% (наприклад, MAN S80ME-C7 витрачає тільки 155 гр на кВт * год, досягаючи ефективності 54,4%). Дизельний двигун через використання впорскування високого тиску не пред'являє вимог до летючості палива, що дозволяє використовувати в ньому низькосортні важкі масла (навіть на соняшниковій олії дизель може працювати практично без втрати потужності).
Дизельний двигун не здатний розвивати високі обороти суміш не встигає догоріти в циліндрах, що призводить до зниження питомої потужності двигуна на 1 л об'єму, а значить, і до зниження питомої потужності на 1кг маси двигуна. Це послужило причиною малого розповсюдження дизелів в авіації (тільки деякі бомбардувальники Юнкерс, а також радянський важкий бомбардувальник Пе-8 і Ер-2, що оснащувалися авіаційними дизелями АЧ-30 і АЧ-40 конструкції А.Д.Чаромского і Т.М.Мелькумова) . На максимальною експлуатаційною потужності суміш у дизель не догорає, приводячи до викиду хмар сажі (є народна приказка «тепловоз дає ведмедя»).
Дизельний двигун не має дросельної заслінки, регулювання потужності здійснюється регулюванням кількості палива, що впорскується. Це призводить до відсутності зниження тиску в циліндрах на низьких оборотах. Тому дизель видає високий крутний момент при низьких оборотах, що робить автомобіль з дизельним двигуном більш «чуйним» в русі, ніж такий же автомобіль з бензиновим двигуном. З цієї причини в даний час більшість вантажних автомобілів обладнуються дизельними двигунами. Це є перевагою також і в двигунах морських суден, так як високий крутний момент при низьких оборотах робить більш легким ефективне використання потужності двигуна.
У порівнянні з бензиновими двигунами, в вихлопних газах дизельного двигуна, як правило, менше окису вуглецю (СО), але тепер, у зв'язку із застосуванням каталітичних конвертерів на бензинових двигунах, ця перевага не так помітно. Основні токсичні гази, які присутні у вихлопі в помітних колічествах- це вуглеводні (НС або СН), оксиди (оксиди) азоту (Nox) і сажа (або її похідні) у формі чорного диму. Вони можуть привести до астми і раку легенів. Найбільше забруднюють атмосферу дизелі вантажівок і автобусів, які часто є старими і неврегульованою.
Іншим важливим аспектом, що стосуються безпеки, є те, що дизельне паливо нелетку (тобто легко не випаровується) і, таким чином, вірогідність займанні у дизельних двигунів набагато менше, тим більше, що в них не використовується система запалювання, просто кажучи, у дизеля немає свічок запалювання . Разом з високою паливною економічністю це стало причиною широкого застосування дизелів на танках, оскільки в повсякденному небойові експлуатації зменшувався ризик виникнення пожежі в моторному відділенні через витоки палива. Менша пожежонебезпека дизельного двигуна в бойових умовах є міфом, оскільки при пробитті броні снаряд або його осколки мають температуру, сильно перевищує температуру спалаху парів дизельного палива і так само здатні досить легко підпалити що витекла пальне. Детонація суміші парів дизельного палива з повітрям в пробитому паливному баці за своїми наслідками можна порівняти з вибухом боєкомплекту, зокрема, у танків Т-34 вона приводила до розриву зварних швів і вибивання верхньої лобової деталі бронекорпуса. З іншого боку, дизельний двигун в танкобудуванні поступається карбюраторному в плані питомої потужності (потужності, що знімається з одиниці маси мотора), а тому в ряді випадків (висока потужність при малому обсязі моторного відділення) більш виграшним може бути використання саме карбюраторного силового агрегату.
Звичайно, існують і недоліки, серед яких- характерний стукіт дизельного двигуна при його роботі і жирність палива. Однак, вони помічаються в основному власниками автомобілів з дизельними двигунами, а для стороннього людини практично непомітні.
Явними недоліками дизельних двигунів є необхідність використання стартера великої потужності, помутніння і застигання річного дизельного палива при низьких температурах, складність в ремонті і регулюванню паливної апаратури (ТНВД) , Так як насоси високого тиску є пристроями, виготовленими з високою точністю. Також дизель-мотори вкрай чутливі до забруднення палива механічними частинками і водою. Такі забруднення дуже швидко виводять з ладу паливну апаратуру. Ремонт дизель-моторів , Як правило, значно дорожче ремонту бензинових моторів аналогічного класу. Літрова потужність дизельних моторів також, як правило, поступається аналогічним показникам бензинових моторів, хоча дизель-мотори мають більш рівним крутний момент у своєму робочому діапазоні. Екологічні показники дизельних двигунів значно поступалися до останнього часу двигунів бензиновим. На класичних дизелях з механічно керованим уприскуванням можлива установка тільки окисних нейтралізаторів відпрацьованих газів ( «каталізатор» в просторіччі), що працюють при температурі відпрацьованих газів понад 300 ° C, що окислюють тільки CO і CH до нешкідливих для людини вуглекислого газу (CO2) і води. Також раніше дані нейтралізатори виходили з ладу внаслідок отруєння їх сполуками сірки (кількість з'єднань сірки у відпрацьованих газах безпосередньо залежить від кількості сірки в дизельному паливі) і відкладенням на поверхні каталізатора частинок сажі. Ситуація почала змінюватися лише в останні роки в зв'язку з впровадженням дизелів так званої «Common-rail» системи. В даному типі дизелів впорскування палива здійснюється електрично керованими форсунками. Подачу керуючого електричного імпульсу здійснює електронний блок управління, який одержує сигнали від набору датчиків. Датчики ж відстежують різні параметри двигуна, що впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу.
Так що, по складності современний- і екологічно таке ж чисте, як і бензіновий- дизель-мотор нічим не поступається своєму бензинової, а по ряду параметрів складності і значно його перевершує. Так, наприклад, якщо тиск палива в форсунках звичайного дизеля з механічним уприскуванням становить від 100 до 400 бар, то в новітніх системах «Common-rail» воно перебуває в діапазоні від 1000 до 2500 бар, що тягне за собою чималі проблеми. Також каталітична система сучасних транспортних дизелів значно складніше бензинових моторів, так як каталізатор повинен «уміти» працювати в умовах нестабільного складу вихлопних газів, а в частині випадків потрібне введення так званого «фільтр сажі». «Фільтр сажі» являє собою подібну звичайному каталітичного нейтралізатора структуру, що встановлюється між вихлопним колектором дизеля і каталізатором в потоці вихлопних газів.
У фільтр сажі розвивається висока температура, при якій частинки сажі здатні окислюватися залишковим киснем, що містяться у вихлопних газах. Однак частина сажі не завжди окислюється, і залишається в «фільтр сажі», тому програма блоку управління періодично перекладає двигун в режим очищення «фільтр сажі» шляхом так званої «постінжекціі», тобто вприскування додаткової кількості палива в циліндри в кінці фази згоряння з метою підняти температуру газів, і, відповідно, очистити фільтр шляхом спалювання накопичилася сажі. Стандартом де-факто в конструкціях транспортних дизель-моторів стала наявність турбонаддува (або навіть подвійного наддуву) , А в останні роки-і так званого «інтеркулера» - тобто пристрої, охолоджує стислий турбонагнітачем повітря. Нагнетатель дозволив підняти питомі потужності характеристики масових дизель-моторів, тому що дозволяє пропустити за робочий цикл більшу кількість повітря через циліндри.
У своїй основі конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового інжекторного двигуна . Однак, аналогічні деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до високого тиску стиснення, які мають місце у дизеля. Головки поршнів, однак, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) розраховані на підвищену ступінь стиснення. Крім того, головки поршнів в дизельному двигуні знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.
КОНСТРУКЦІЯ
особливості двигуна
Як уже зазначалося, конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак аналогічні деталі у дизеля істотно посилені, щоб сприймати більш високі навантаження - адже ступінь стиснення у нього набагато вище (16-24 одиниць проти 9-11 у бензинового). Характерна деталь в конструкції дизелів - це поршень. Форма днища поршнів у дизелів визначається типом камери згоряння, тому за формою легко визначити, якому двигуну належить даний поршень. У багатьох випадках днище поршня містить в собі камеру згоряння. Днища поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів , Коли поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. Так як запалення робочої суміші здійснюється від стиснення, в дизелях відсутня система запалювання, хоча свічки можуть застосовуватися і на дизелі. Але це не свічки запалювання, а свічки розжарювання, які призначені для підігріву повітря в камері згоряння при холодному пуску двигуна.
Технічні та екологічні показники автомобільного дизельного двигуна в першу чергу залежать від типу камери згоряння і системи вприскування палива.
Типи камер згоряння
Форма камери згоряння значно впливає на якість процесу сумішоутворення, а значить і на потужність і гучність роботи двигуна. Камери згоряння дизельних двигунів поділяються на два основних типи: нерозділені і розділені.
Кілька років тому на ринку легкового машинобудування домінували дизелі з розділеними камерами згоряння. Впорскування палива в цьому випадку здійснюється не в надпоршневомупростір, а в спеціальну камеру згоряння, виконану в голівці блоку циліндрів. При цьому розрізняють два процеси сумішоутворення: передкамерний (його ще називають форкамерно) і віхрекамерний.
При форкамерно процесі паливо впорскується в спеціальну попередню камеру, пов'язану з циліндром декількома невеликими каналами або отворами, вдаряється об її стінки і перемішується з повітрям. Запаливши, суміш надходить в основну камеру згоряння, де і згоряє повністю. Перетин каналів підбирається так, щоб при ході поршня вгору (стиснення) і вниз (розширення) між циліндром і форкамерою виникав великий перепад тиску, що викликає протягом газів через отвори з великою швидкістю.
Під час вихорокамерних процесу згоряння також починається в спеціальній окремій камері, тільки виконаної у вигляді порожнього кулі. У період такту стиснення повітря по сполучному каналу надходить в передкамеру і інтенсивно закручується (утворює вихор) в ній. Впорснути в певний момент паливо добре перемішується з повітрям.
Таким чином, при розділеної камері згоряння відбувається як би двоступенева згоряння палива. Це знижує навантаження на поршневу групу, а також робить звук роботи двигуна більш м'яким. Недоліком дизельних двигунів з розділеною камерою згоряння є: збільшення витрати палива внаслідок втрат через збільшену поверхні камери згоряння, великих втрат на перетікання повітряного заряду в додаткову камеру і палаючої суміші назад в циліндр. Крім того, погіршуються пускові якості.
Дизельні двигуни з нерозділеного камерою називають також дизелями з безпосереднім уприскуванням. Паливо впорскується безпосередньо в циліндр, камера згоряння виконана в днище поршня. До недавнього часу безпосереднє уприскування використовувався на низькообертовим дизелях великого обсягу (простіше кажучи, на вантажівках). Хоча такі двигуни економічніше моторів з розділеними камерами згоряння, їх застосування на невеликих дизелях стримувалося труднощами організації процесу згоряння, а також підвищеними шумом і вібрацією, особливо в режимі розгону.
Система харчування дизеля
Найважливішим ланкою дизельного двигуна є система подачі палива, що забезпечує надходження необхідної кількості палива в потрібний момент часу і з заданим тиском в камеру згоряння.
Паливний насос високого тиску (ТНВД), приймаючи пальне з бака від насоса, що підкачує (низького тиску), в необхідній послідовності по черзі нагнітає потрібні порції солярки в індивідуальну магістраль гидромеханической форсунки кожного циліндра. Такі форсунки відкриваються виключно під впливом високого тиску в паливній магістралі і закриваються при його зниженні.
Існує два типи ТНВД: рядні многоплунжерние і розподільного типу. Рядний ТНВД складається з окремих секцій по числу циліндрів дизеля, кожна з яких має гільзу і входить в неї плунжер, який приводиться в рух кулачковим валом, які отримують обертання від двигуна. Секції таких механізмів розташовані, як правило, в ряд, звідси і назва - рядні ТНВД. Рядні насоси в даний час практично не застосовуються з огляду на те, що вони не можуть забезпечити виконання сучасних вимог по екології та шумності. Крім того, тиск уприскування таких насосів залежить від оборотів коленвала.
Розподільні ТНВД створюють значно вищий тиск упорскування палива, ніж насоси рядні, і забезпечують виконання чинних нормативів, що регламентують токсичність вихлопу. Цей механізм підтримує потрібний тиск в системі в залежності від режиму роботи двигуна. У розподільних ТНВД система нагнітання має один плунжер-розподільник, який здійснює поступальний рух для нагнітання палива і обертальний для розподілу палива по форсунках. Ці насоси компактні, відрізняються високою рівномірністю подачі палива по циліндрах і відмінною роботою на високих оборотах. У той же час вони пред'являють дуже високі вимоги до чистоти і якості дизпалива: адже всі їхні деталі змащуються паливом, а зазори в прецизійних елементах дуже малі.
Жорсткість на початку 90-х законодавчих екологічних вимог, що пред'являються до дизелів, змусило моторостроителей інтенсивно вдосконалювати топливоподачу. Відразу ж стало ясно, що із застарілою механічною системою харчування це завдання не вирішити. Традиційні механічні системи упорскування палива мають істотний недолік: тиск упорскування залежить від частоти обертання двигуна і навантажувального режиму. Це означає, що при низькому навантаженні тиск упорскування падає, в результаті паливо при уприскуванні погано розпорошується, потрапляючи в камеру згоряння занадто великими краплями, які осідають на її внутрішній поверхні. Через це зменшується ККД згоряння палива і підвищується рівень токсичності відпрацьованих газів.
Кардинально змінити ситуацію могла тільки оптимізація процесу горіння паливоповітряної суміші. Для чого треба змусити весь її обсяг спалахнути в максимально короткий час. А тут необхідна висока точність дози і точність моменту впорскування. Зробити це можна, тільки піднявши тиск упорскування палива і застосувавши електронне управління процесом подачі палива. Справа в тому, що чим вище тиск упорскування, тим краще якість його розпилення, а відповідно - і змішування з повітрям. В кінцевому підсумку це сприяє більш повному згорянню паливо-повітряної суміші, а значить і зменшення шкідливих речовин у вихлопі. Добре, запитаєте ви, а чому б не зробити таке ж підвищений тиск в звичайному ТНВД і всієї цієї системи? На жаль, не вийде. Тому що є таке поняття, як "хвильовий гідравлічний тиск". При будь-якій зміні витрати палива в трубопроводах від ТНВД до форсунок виникають хвилі тиску, "бігають" по паливопроводу. І чим сильніше тиск, тим сильніше ці хвилі. І якщо далі підвищувати тиск, то в якийсь момент може статися звичайне руйнування трубопроводів.
В результате були розроблені два Нових типи систем харчування - в Першому форсунку и плунжерний насос об'єднали в один вузол (насос-форсунка), а в ІНШОМУ ТНВД почав працювати на Загальну паливно МАГІСТРАЛЬ (Common Rail), з якої паливо Надходить на електромагнітні ( або п'єзоелектрічні) форсунки і впорскується по команді електронного блоку управління. Але з прийняттям Євро 3 і 4 і цього виявилося мало, і в вихлопні системи дизелів впровадили сажові фільтри і каталізатори.
Насос-форсунка встановлюється в головку блоку двигуна для кожного циліндра. Вона приводиться в дію від кулачка розподільного вала за допомогою штовхача. Магістралі подачі і зливу палива виконані у вигляді каналів в головки блоку. За рахунок цього насос-форсунка може розвинути тиск до 2200 бар. Дозуванням палива, стисненого до такої міри і управлінням кута випередження впорскування займається електронний блок управління, видаючи сигнали на запірні електромагнітні або п'єзоелектричні клапани насос-форсунок. Насос-форсунки можуть працювати в багатоімпульсному режимі (2-4 вприскування за цикл). Це дозволяє зробити попередній впорскування перед основним, подаючи в циліндр спочатку невелику порцію палива, що пом'якшує роботу мотора і знижує токсичність вихлопу. Недолік насос-форсунок - залежність тиску упорскування від оборотів двигуна і висока вартість даної технології. 
Система харчування Common Rail використовується в дизелях серійних моделей з 1997 року. Common Rail - це метод впорскування палива в камеру згоряння під високим тиском, не залежних від частоти обертання двигуна або навантаження. Головна відмінність системи Common Rail від класичної дизельної системи полягає в тому, що ТНВД призначений тільки для створення високого тиску в паливній магістралі. Він не виконує функцій дозування циклової подачі палива і регулювання моменту уприскування. Система Common Rail складається з резервуара - акумулятора високого тиску (іноді його називають рампою), паливного насоса, електронного блоку управління (ЕБУ) і комплекту форсунок, з'єднаних з рампою. У рампі блок управління підтримує, змінюючи продуктивність насоса, постійний тиск на рівні 1600-2000 бар при різних режимах роботи двигуна і при будь-якій послідовності уприскування по циліндрах. Відкриттям-закриттям форсунок управляє ЕБУ, який розраховує оптимальний момент і тривалість вприскування, на підставі даних цілого ряду датчиків - положення педалі акселератора, тиску в паливній рампі, температурного режиму двигуна, його навантаження і т. П. Форсунки можуть бути електромагнітними, або більш сучасними - п'єзоелектричними. Головні переваги п'єзоелектричних форсунок - висока швидкість спрацьовування і точність дозування. Форсунки в дизелях c Common rail можуть працювати в багатоімпульсному режимі: в ході одного циклу паливо впорскується кілька разів - від двох до семи. Спочатку надходить крихітна, всього близько міліграма, доза, яка при згорянні підвищує температуру в камері, а слідом йде головний «заряд». Для дизеля - двигуна із запалюванням палива від стиснення - це дуже важливо, тому що при цьому тиск в камері згоряння наростає більш плавно, без «рибка». Внаслідок цього мотор працює м'якше і менш шумно, знижується кількість шкідливих компонентів у вихлопі. Декілька подань палива за один такт попутно забезпечує зниження температури в камері згоряння, що призводить до зменшення утворення окису азоту-однієї з найбільш токсичних складових вихлопних газів дизеля. Характеристики двигуна з Common Rail багато в чому залежать від тиску уприскування. В системах третього покоління воно становить 2000 бар. Найближчим часом в серію буде запущено четверте покоління Common Rail з тиском уприскування 2500 бар.
А тепер подивіться навчальні і дуже цікаве відео про дизельному двигуні.
Турбодизель. Система турбонаддува.
Ефективним засобом підвищення потужності і гнучкості роботи дизеля є турбонаддув . Він дозволяє подати в циліндри додаткову кількість повітря і відповідно збільшити подачу палива на робочому циклі, в результаті чого збільшується потужність двигуна. Тиск вихлопних газів дизеля в 1,5-2 рази вище, ніж у бензинового мотора, що дозволяє турбокомпресору забезпечити ефективний наддув з найнижчих оборотів, уникнувши властивого бензиновим турбомотором провалу - "турбоями". Відсутність дросельної заслінки в дизелі дозволяє забезпечити ефективне наповнення циліндрів на всіх оборотах без застосування складної схеми управління турбокомпресором. На багатьох автомобілях встановлюється проміжний охолоджувач наддувається, - інтеркулер, що дозволяє підняти масове наповнення циліндрів і на 15-20% збільшити потужність.
Надувши дозволяє домогтися однакової потужності з атмосферним мотором при меншому робочому обсязі, а значить, знизити масу двигуна. Наддувши, крім усього іншого, служить для автомобіля засобом підвищення "висотності" двигуна - в високогірних районах, де атмосферному дизелю не вистачає повітря, наддув оптимізує згоряння і дозволяє зменшити жорсткість роботи і втрату потужності. У той же час турбодизель має і деякі недоліки, пов'язані в основному з надійністю роботи турбокомпресора. Так, ресурс турбокомпресора істотно менше ресурсу двигуна. Турбокомпресор пред'являє жорсткі вимоги до якості моторного масла . Несправний агрегат може повністю вивести з ладу сам двигун. Крім того, власний ресурс турбодизеля трохи нижче такого ж атмосферного дизеля через велику ступеня форсування. Такі двигуни мають підвищену температуру газів в камері згоряння, і щоб домогтися надійної роботи поршня, його доводиться охолоджувати маслом, що подається знизу через спеціальні форсунки.
Добре, запитаєте ви, а чому б не зробити таке ж підвищений тиск в звичайному ТНВД і всієї цієї системи?
