Начать стоит с того, что КПД дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового аналога. Проще говоря, этот мотор расходует гораздо меньше топлива. Подобного результата конструкторам удалось добиться за счёт создания уникальной конструкции.
Важно! Принцип работы дизельного двигателя сильно отличается от бензинового.
Безусловно, современные бензиновые двигатели обладают множеством разнообразных технологических инноваций. Достаточно вспомнить прямой впрыск. Несмотря на это, показатель полезного действия бензинового мотора составляет порядка 30 процентов. У дизеля этот же параметр достигает 40. Если же вспомнить турбонаддув, то цифра может дойти до 50%.
Неудивительно, что дизельные моторы постепенно завоёвывают Европу. Дорогой бензин стимулирует покупателей к покупке более экономичных машин. Производители в режиме реального времени отслеживают изменения в потребительских предпочтениях, внедряя соответственные коррективы в производственный процесс.
К сожалению, конструкция дизельного двигателя не лишена недостатков. Одним из самых существенных является большой вес. Безусловно, инженеры проделали огромный путь, постепенно уменьшая вес мотора, но у всего есть предел.
Дело в том, что в устройстве дизельного двигателя все детали должны быть подогнаны друг к другу максимально точно. Если в бензиновых аналогах допускается возможность небольшого люфта, то здесь всё по-другому. Как результат в самом начале внедрения технологии дизельные агрегаты устанавливали только на большие машины. Достаточно вспомнить те же грузовики начала прошлого века.
История создания
Тяжело себе представить, но первый работоспособный дизельный двигатель сконструировал инженер Рудольф Дизель ещё в XIX веке. Тогда в качестве топлива использовался обычный керосин.
С развитием технологии учёные стали экспериментировать. В результате, какие только виды топлива не использовались, чтобы достичь лучших результатов. К примеру, некоторое время моторы заправлялись рапсовым маслом и даже сырой нефтью. Безусловно, подобный подход не мог дать по-настоящему серьёзных достижений.
Многолетние изыскания привели учёных к идее использования мазута и солярки. Их низкая себестоимость и неплохая воспламеняемость позволили составить серьёзную конкуренцию бензиновым аналогам.
Внимание! Мазут и солярка делаются без применения сложных технологических процессов. Именно это является залогом их низкой цены. Фактически они представляют собой побочный продукт от переработки нефти.
Изначально системы впрыска топлива в устройстве дизельных двигателей были крайне несовершенны. Это не позволяло использовать агрегаты в машинах, которые работали на высоких оборотах.
Первые образцы автомобилей, оснащённых дизельными двигателями, появились в 20-х годах прошлого века. Это был грузовой и общественный транспорт. До этого моторы такого класса применялись только на стационарных станках или кораблях.
Лишь спустя 15 лет появились первые машины, которые работали за счёт дизельного двигателя. Несмотря на это ещё очень долго дизель, будучи мощным и имеющим иммунитет к детонации, не имел широкого распространения в автомобилестроении. Дело в том, что при наличии весомых преимуществ у агрегата был целый ряд недостатков, таких как повышенный шум при работе и большой вес.
Лишь в 70-х годах, когда начали расти цены на нефть, всё кардинально изменилось. Автомобилестроители и потребители устремили свои взоры к автомобилям, в своём устройстве, имеющим дизельные двигатели. Именно тогда впервые появились компактные дизели.
Дизельный двигатель
Устройство дизельного двигателя
Устройство дизельного двигателя состоит из четырёх основных элементов:
- цилиндров,
- поршней,
- топливной форсунки,
- впускного и выпускного клапана.
Каждый элемент конструкции выполняет свою задачу и имеет свои конструкционные особенности. В процессе развития данная технология дополнилась многими деталями, которые позволили добиться гораздо большей производительности, вот основные из них:
- топливная форсунка,
- интеркуллер.
Каждая из этих деталей позволила значительно увеличить КПД дизельного двигателя.
Принцип работы
Дизельный двигатель работает за счёт сжатия. Благодаря этому процессу жидкость под давлением попадает в камеру сгорания. Пропускными элементами служат форсунки инжектора.
Важно! Топливо попадает внутрь только тогда, когда воздух имеет нужную силу сжатия и высокую температуру.
Воздух должен быть достаточно горячим, чтобы топливо воспламенилось . Перед тем как попасть внутрь жидкость проходит через ряд фильтров, которые задерживают чужеродные частички, способные навредить системе.
Чтобы понять принцип работы дизельного двигателя нужно рассмотреть весь процесс подачи и воспламенения топлива от начала и до конца. На начальном этапе воздух подаётся через впускной клапан. При этом поршень движется вниз.
Некоторые впускные системы дополнительно обустраиваются заслонками. Благодаря им в конструкции создаётся два канала, через которые воздух попадает внутрь. В результате данного процесса происходит завихрение воздушных масс.
Внимание! Впускные заслонки могут быть открыты только при высокой частоте вращения коленвала.
Когда поршень достигает верхней точки, воздух сжимается в 20 раз. Предельное давление составляет порядка 40 килограмм на квадратный сантиметр. При этом температура доходит до 500 градусов.
Форсунка впрыскивает топливо внутрь камеры в строго заданном количестве. Воспламенение происходит исключительно из-за высокой температуры. Именно этот факт объясняет то, что в устройстве дизельного двигателя нет свечей. Мало того, система зажигания отсутствует как таковая.
Отсутствие в конструкции дроссельной заслонки позволяет развить большой крутящий момент. Но число оборотов при этом находится на стабильно низкой отметке. За один цикл может осуществляться несколько впрыскиваний жидкости.
Вниз поршень толкает давление расширяющихся газов. Результатом данного процесса является то, что поворачивается коленвал. Связующим звеном в данном микропроцессе является шатун.
Дойдя до нижней точки, поршень вновь поднимается вверх, тем самым выталкивая уже отработанные газы. Они выходят наружу посредством выпускного клапана. Такой рабочий цикл повторяется раз за разом в дизельном двигателе.
Чтобы снизить процент сажи в газах, которые выходят через выхлопную систему существует специальный фильтр. Он позволяет в значительной мере уменьшить вред, наносимый экологии.
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:
- Воздух всасывается внутрь при помощи компрессора.
- Подключается ротор, приходящий в движение за счёт ротора турбины.
- Интеркуллер охлаждает воздух.
- Воздух проходит несколько фильтров и попадает внутрь через впускной коллектор. В конце данного действия клапан закрывается. Открытие происходит при завершении рабочего хода.
- Через турбину дизельного двигателя проходят отработанные газы, тем самым оказывая давление на ротор.
- 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.
Итоги
За счёт использования новых технологий и дополнительных узлов дизельный двигатель позволяет добиться поразительного показателя полезного действия от сгорания топлива. Данный показатель достигает 40—50 процентов. Что почти в два раза больше, чем в бензиновом аналоге.
За последние десять лет дизельные технологии стремительно развивались. Большая часть современных автомобилей, которые производятся в Европе, выпускаются именно с дизельными двигателями. Конечно, принцип работы данного устройства не изменился. Однако работает современный дизельный мотор намного тише. Он стал экологически чище. В далеком прошлом остались сильное тарахтение, густой черный дым и неприятный запах при работе прибора. Итак, каков принцип работы дизельного двигателя?
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.
Преимущества и недостатки
Такой принцип работы дизельного двигателя позволяет использовать бедную смесь. Топливо для таких устройств относительно недорогое. Это делает дизельные моторы неприхотливыми и экономичными. Стоит отметить, что в отличие от бензиновых такие агрегаты обладают большим крутящим моментом, а КПД выше на 10%. К минусам
дизельного двигателя стоит отнести повышенный уровень шума, вибрацию, малую мощность на одну единицу объема, сложность холодного пуска. Более современные модели практически лишены таких недостатков.
Устройство и особенности некоторых узлов
Учитывая принцип работы дизельного двигателя, детали к таким агрегатам значительно усиливаются, так как они должны выдерживать высокие нагрузки. Среди основных частей агрегата стоит выделить поршень. Форма его днища зависит от типа камеры сгорания, которая может быть встроена в дно клапана. В поршне для дизельного двигателя днище обычно выступает за верхнюю часть блока цилиндра. Привычной системы зажигания в агрегатах такого типа нет. Хотя в них тоже применяются свечи.
Турбина
Мощность, которую способен развить мотор, зависит от количества топлива и воздуха, которые в него поступают. Чтобы повысить возможности агрегата, необходимо увеличить содержание перечисленных компонентов. Для поступления в камеру сгорания большего количества топлива, следует поднять уровень воздуха, который
попадает в цилиндр. Для этого применяется дополнительное оборудование. Принцип работы турбины дизельного двигателя достаточно прост. Деталь позволяет нагнетать больше воздуха. Благодаря этому увеличиваются объемы сжигаемого топлива, что значительно повышает количество выделяемой энергии.
Камеры сгорания
В дизельных двигателях могут использоваться камеры сгорания нескольких типов: разделенные и неразделенные. Первый тип применялся в легковом машиностроении, но с недавних пор его заменили на более простой. Ведь при использовании разделенных отсеков топливо впрыскивалось в ту камеру сгорания, которая располагалась в головке цилиндра, а не в полость поршня. Выполнялись подобные детали также по-разному и зависело это от процессов образования смеси: вихрекамерные либо предкамерные.
В последнем случае топливо впрыскивается в предварительный отсек, который
сообщается маленькими клапанами или же отверстиями с цилиндром. При этом горючее смешивается с воздухом, ударяясь о стенки. Самовоспламенившись топливо попадает в основную камеру, где уже полностью сгорает. Что касается вихрекамернного процесса сгорания, то он, как и в первом случае, начинается в отдельном отсеке, который представляет собой полую сферу. Через соединительные каналы воздух попадает во время такта сжатия в камеру. Закручивается в ней и образует вихрь. В результате этого горючая смесь, впрыснутая в отсек, хорошо перемешивается с воздухом. Такое строение камер сгорания имеет несколько недостатков. Во-первых, затрачивается больше топлива, так как происходят большие потери из-за объема отсеков. Во-вторых, значительные потери при перетекании в дополнительную камеру из цилиндра воздуха, а также на обратный процесс: перемещение горючего в цилиндр. Стоит отметить, что подобный принцип работы дизельного двигателя применяется редко, так как происходит ухудшение пусковых характеристик агрегата.
Неразделенные камеры сгорания
В двигателе с непосредственным впрыском отсек сгорания имеет определенную форму и является полостью. Встраивается такая камера сгорания непосредственно в днище
поршня. При этом топливо впрыскивается сразу в цилиндр. Несмотря на простоту конструкции, имеются у такой системы и недостатки. Дизельные моторы такого плана практически невозможно использовать, если автомобиль обладает малым литражом. При наборе скорости в таком транспортном средстве наблюдается повышение уровня шума, а также увеличивается вибрация.
Новые разработки
Сегодня чаще используются электронные системы, которые контролируют количество поступившего в камеру сгорания топлива. Это позволило уменьшить уровень шума, а также вибрацию агрегата во время работы. Сегодня же разрабатываются совершенно новые дизельные двигатели, в конструкциях которых применяется непосредственный впрыск горючей смеси.
История дизеля начинается почти с изобретения бензинового двигателя. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель в 1876 году, который использовал принцип четырёхтактного сгорания, также известный на западе как "цикл Отто ", и это основная предпосылка для большинства автомобильных двигателей сегодня. В своей ранней стадии, однако, бензиновый двигатель был крайне неэффективным в своей работе, поэтому в те времена ещё долгое время широко использовался паровой двигатель для транспортировки всего, что было нужно транспортировать. Главным недостатком в работе обоих двигателей было то, что они эффективно использовали только около 10 процентов топлива из всего поступающего топлива в эти типы двигателей. Остальная часть просто превращалась в бесполезное тепло, а бензин выходил с выхлопом не сгоревшим.
Дизельный двигатель Porsche Cayenne S 2013 модельного года
Уже через 2 года - в 1878 году - Рудольф Дизель во время посещения политехнической средней школы в Германии (эквивалент инженерного университета в России) узнал о низкой эффективности работы бензиновых и паровых двигателей. Эта тревожная информация вдохновила его на создание двигателя, который мог бы работать с более высокой эффективностью, и он посвятил бóльшую часть своего времени на развитие такой технологии, которая бы позволила расходовать природные ресурсы нашей планеты гораздо эффективнее. И вот, наконец, только к 1892 году Дизель получил патент за то, что мы сегодня называем дизельным двигателем.
Рудольф Дизель и изобретённый им дизельный двигатель
Но если дизельные двигатели работают настолько эффективно, почему бы нам не использовать их чаще? Почему бы нам, в конце концов, не использовать только их? Вы можете увидеть слова "дизель", "солярка" и подумать о здоровенных грузовых автомобилях, извергающих из длинной выхлопной трубы чёрный, закопчённый дым при работе двигателями и создавая при этом довольно громкий гремящий шум. Этот негативный образ дизельных грузовиков сделал дизель менее привлекательным для обычных водителей в нашей стране, хотя дизель отлично подходит для перевозки крупных партий на большие расстояния, он практически никогда не был лучшим выбором для легковых автомобилей. Тем не менее, на сегодняшний день ситуация начинает меняться, и дизелем комплектуются даже заряженные версии легковых авто и изредка даже спортивные машины , так как современные технологии значительно улучшили дизельный двигатель, сделав его намного чище (экологичнее) и менее шумным.
А это дизельный двигатель большого теплохода мощностью около 10 000 лошадиных сил
Объясняя, как работает дизельный двигатель, мы будем опираться на то, что Вы уже знаете, как работает бензиновый четырёхтактный двигатель. Поэтому, если Вы ещё не сделали этого, Вам, вероятно, будет лучше прочитать сначала , чтобы получить ряд знаний и азов по основам двигателя внутреннего сгорания.
Дизель против бензина
В теории дизельный и бензиновый двигатели очень похожи. Они оба являются двигателями внутреннего сгорания, предназначенными для преобразования химической энергии топлива в доступную для дальнейшего движения автомобиля механическую энергию. Эта механическая энергия получается за счёт движения поршней вверх и вниз внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом через шатуны, а сам коленвал имеет форму зигзага - получается, что линейное движение поршней создаёт вращательное движение коленвала, необходимое, чтобы повернуть колёса автомобиля и привести его (авто) в движение.
При этом, и дизельный, и бензиновый двигатели превращают топливо в механическую энергию через серию небольших взрывов, которые выталкивают поршни, заставляя их двигаться. Основное различие между дизелем и бензиновым "движком" заключается в том, что провоцирует эти взрывы. В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и возгорается от искры, которая появляется от свечей зажигания. В дизельном двигателе, однако, сначала поршнем сжимается воздух, и только затем топливо впрыскивается. Так как воздух нагревается, когда он сжимается, топливо воспламеняется.
Как работает дизельный двигатель?
Анимация ниже показывает, как работает дизельный двигатель, в действии - также 4 цикла работы. Вы можете сравнить его с анимацией работы бензинового двигателя и увидеть различия.
Дизельный двигатель использует четырёхтактный цикл сгорания:
- Такт впуска - когда открывается впускной клапан, впуская воздух. В это время поршень движется вниз, засасывая воздух.
- Такт сжатия - поршень движется вверх и сжимает воздух, которому некуда деваться, так как впускной клапан закрылся.
- Такт воспламенения - когда поршень достигает вершины (верхней мёртвой точки, ВМТ), топливо впрыскивается в нужное время и воспламеняется, сильно толкая поршень вниз.
- Такт выпуска отработавших газов - поршень снова движется вверх, выталкивая выхлопные газы, созданные при сгорании топливо-воздушной смеси, из выпускного клапана.
Вот все 4 цикла работы дизельного двигателя, но ещё проще:
Следует помнить, что дизельный двигатель, в отличие от бензинового, не имеет свеч зажигания, а также впускает в цилиндры сначала воздух, а затем солярку (в цилиндры бензинового двигателя топливо-воздушная смесь поступает уже готовой). Именно тепло сжатого воздуха зажигает топливо в дизельном двигателе.
Интересный момент: при своей работе топливо-воздушная смесь в дизельном двигателе сжимается гораздо сильнее, чем в бензиновом - если бензиновый двигатель сжимает топливо и воздух в соотношении от 8:1 до 12:1, то дизельный двигатель сжимает воздух в соотношении от 14:1 до более, чем 25:1.
Инжектор (форсунки) в дизеле
Одна большая разница между дизельным двигателем и бензиновым двигателем заключается в процессе впрыска топлива. Большинство автомобильных двигателей используют инжектор для этого (или в редких уже на сегодняшний день случаях карбюратор). Инжектор впрыскивает топливо непосредственно перед тактом впуска (вне цилиндра). Карбюратор смешивает воздух и топливо задолго до того, как воздух поступает в цилиндр. В двигателе автомобиля, таким образом, все топливо загружается в цилиндр во время такта впуска, а затем сжимается поршнем. Сжатие топливо-воздушной смеси ограничивает степень сжатия двигателя - если сжать слишком много воздуха, то смесь топлива и воздуха спонтанно воспламенится и испортит двигатель, так как такт воспламенения начнётся раньше того момента, когда поршень достигнет верхней точки.
Дизельные двигатели используют непосредственный впрыск топлива - дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр уже после того, как туда попадёт воздух. Инжектор или, как правильнее, топливные форсунки в дизельном двигателе является наиболее сложным компонентом и, нужно отметить, предметом большой доли экспериментов - в каждом конкретном двигателе инжектор может быть расположен в самых различных, а иногда и неожиданных местах. Инжектор должен быть способен выдерживать температуру и давление, которое создаётся внутри цилиндра, а ещё он должен смочь доставить топливо в виде мелкодисперсного тумана. Сделать так, чтобы этот туман, попадая в цилиндр, равномерно распределялся по нему, является большой проблемой, вот почему ряд дизельных двигателей используют специальные индукционные клапаны, камеры предварительного сгорания или другие устройства, чтобы создать завихрение воздуха в камере сгорания или иначе улучшить процесс зажигания и горения.
Работа топливной форсунки
Некоторые дизельные двигатели всё же содержат свечу. Когда дизельный двигатель холодный, процесс сжатия может не поднять до достаточно высокой температуры для воспламенения топлива сжатый воздух. Специальная свеча накаливания в дизеле по сути является проводом для электрического подогрева (представьте горячие проводки, которые Вы видели в тостере), который нагревает камеру сгорания и повышает, тем самым, температуру воздуха, когда двигатель холодный, так чтобы двигатель мог завестись.
Все функции в современном дизельном двигателе контролируются компьютером и продуманным набором датчиков, измеряющих практически всё: от оборотов коленчатого вала до системы охлаждения двигателя и температуры масла и даже положение двигателя относительно горизонта. Свечи накаливания используются редко сегодня на более мощных двигателях. Вместо них используются другие технологии, самая распространённая из которых - это более сильное сжатие воздуха (для большего нагрева) и более поздний впрыск топлива.
Тем не менее, в ряде дизельных двигателей не представляется возможным решить проблему запуска в холодную погоду указанным выше способом. Кроме того, есть двигатели, которые не имеют такие продвинутые технологии управления компьютером. Потому использование свечей накаливания для двух случаев выше решает проблему холодного запуска.
Дизельное топливо
Любое нефтяное топливо берёт своё начало из сырой нефти, которая, естественно, добывается из земли. Далее сырая нефть перерабатывается на нефтеперерабатывающих заводах и может быть разделена на несколько разных видов топлива, в том числе бензин, реактивное топливо, керосин и, конечно же, дизельное топливо (солярку).
Если Вы хоть раз пытались сравнить дизельное топливо и бензин, то Вы знаете, что они сильно разные. Даже их запах сильно отличается. Дизельное топливо тяжелее и более жирное. Оно испаряется значительно медленнее, чем бензин, а температура его кипения на самом деле выше, чем температура кипения воды. Вы, вероятно, часто слышали, что дизельное топливо называют "соляркой" - это потому что оно такое жирное (есть такое вещество - соляровое масло, и его раньше часто сравнивали с дизельным топливом).
Дизельное топливо испаряется медленнее, потому что оно тяжелее. Оно содержит больше углеродоатомов в длинных цепочках, чем бензин (бензин, как правило, имеет химическую формулу C9H20 (но может иметь и другую в зависимости от марки, октанового числа и т.п.), в то время как дизельное топливо, как правило, характеризуется формулой C14H30 ). Требуется меньшее время и количество этапов переработки для создания дизельного топлива, и поэтому оно как бы должно быть дешевле, чем бензин. Но в последние годы, однако, спрос на дизель поднялся по нескольким разным причинам, в том числе из-за повышенной индустриализации и строительства в нашей стране, и потому на сегодняшний день дизельное топливо стоит дороже бензина.
Дизельное топливо имеет более высокую так называемую плотность энергии , чем бензин. В среднем, 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит около 155x10 6 джоулей энергии, в то время как 1 галлон бензина содержит 132x10 6 джоулей. Это, в сочетании с повышенной эффективностью дизельных двигателей за счёт большей степени сжатия, объясняет, почему дизельные двигатели расходуют намного меньше топлива, нежели эквивалентные им бензиновые двигатели.
Дизельное топливо используется для питания широкого спектра транспортных средств и другой техники. Сюда, прежде всего, нужно включить, конечно же, дизельные грузовики, которые Вы видите крейсерящими по шоссе, но также дизель помогает двигаться лодкам, школьным автобусам, поездам, кранам, сельскохозяйственному оборудованию и тракторам, генераторам электричества и многой-многой другой технике. Подумайте о том, насколько важен дизель в экономике - без высокой эффективности дизельного топлива строительная индустрия и сельскохозяйственные предприятия страдали бы от требуемых инвестиций в топлива с низким энергопотреблением и эффективностью. Около 94 процентов грузов во всём мире - будь то отправленные грузовиками, поездами или кораблями - доставляются в конечные точки именно за счёт дизельного топлива.
Улучшение дизельного двигателя и дизельного топлива
С точки зрения окружающей среды дизель имеет и плюсы, и минусы. Плюс - дизель испускает очень небольшое количество угарного газа, углеводородов и углекислого газа - выбросов, более всего приводящих к глобальному потеплению. Минус - большие количества соединений азота и твёрдых частиц (сажи) высвобождаются во время сжигания дизельного топлива, что приводит к выпадению кислотных дождей, смогу и неудовлетворительному состоянию здоровья.
Во время большого нефтяного кризиса в 1970-х годах, европейские автомобильные компании начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого использования в качестве альтернативы бензину. Однако, те, кто попробовал их, были разочарованы - двигатели были очень громкими, и, когда потребители дизеля осматривали свои машины, то могли обнаружить их покрытыми чёрной копотью - той же сажи, ответственной за смог в больших городах.
За последние 30 до 40 лет, однако, огромные улучшения были сделаны в работе дизельного двигателя и чистоты дизельного топлива. Прямые впрыскивающие устройства в настоящее время контролируются передовыми компьютерами, которые контролируют сгорание топлива, повышение эффективности сокращения выбросов. Гораздо лучше рафинированные виды дизельного топлива, такие как дизтопливо с ультра низким содержанием серы в топливе (ULSD) снижает количество вредных выбросов. А модернизации двигателей, чтобы сделать их совместимыми с чистым топливом, становятся простой задачей. Другие технологии, такие как фильтры твёрдых частиц и каталитические нейтрализаторы, сжигают сажу и сокращают выбросы твёрдых частиц, оксида углерода и углеводородов на целых 90 процентов. Постоянно совершенствуя стандарты для экологически чистого топлива, Европейский Союз также будет толкать автоотрасль работать усерднее над снижением выбросов.
Вы может также слышали такой термин как "биодизель ". Это то же самое, что дизельное топливо? Биодизель является альтернативой или добавкой к дизельному топливу, которая может использоваться в дизельных двигателях практически без модернизации самих двигателей. При этом, как видно из названия, биодизель изготавливается не из нефти, вместо этого он приходит к нам из растительных масел или животных жиров, которые были химически изменены. Интересный факт: сам Рудольф Дизель изначально рассматривал растительное масло в качестве топлива для своего изобретения.
Биодизель может быть использован либо в сочетании с обычным дизельным топливом, либо полностью самостоятельно. Вы можете прочитать больше об альтернативных видах топлива
Доброго времени суток. Думаю многим будет интересна данная тема. Преимущества и недостатки...Всё ниже.
В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1893. Первый функционирующий образец был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан.
Интересно то, что Дизель в своей книге вместо привычной нам с Вами солярки, в роли идеального топлива описывал каменноугольную пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли как топлива - в первую очередь из-за высоких абразивных свойств.
Но теорию дизельного двигателя рассматривал и Экройд Стюарт. Он 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. Возможно, это и было причиной того, что в настоящее время 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 высокооборотный 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, лёгкость 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 серьёзное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.
Принципы работы:
Четырёхтактный цикл.
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 закрытывоздух сжимается в объёме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т. е. объём становится меньше в 17 раз по сравнению с общим объёмом цилиндра, и воздух становится очень горячим.
Непосредственно перед началом третьего такта
(такт рабочего хода, поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсун. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняющейся смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода.
Выпускной клапан открывается, когда начинается четвёртый такт
(такт выпуска, поршень идет вверх), и выхлопные газы проходят через выпускной клапан.
Двухтактный цикл.
Поршень находится в нижней мёртвой точке и цилиндр наполнен воздухом. Во время хода поршня вверх воздух сжимается; вблизи верхней мёртвой точки происходит впрыск топлива, которое самовоспламеняется. Затем происходит рабочий ход - продукты сгорания расширяются и передают энергию поршню, который движется вниз. Вблизи нижней мёртвой точки происходит продувка - продукты сгорания замещаются свежим воздухом. Цикл завершается.
Для осуществления продувки в нижней части цилиндра устраиваются продувочные окна. Когда поршень находится внизу, окна открыты. Когда поршень поднимается, он перекрывает окна.
Поскольку в двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще, то можно ожидать двукратного повышения мощности по сравнению с четырёхтактным циклом. На практике же это не удаётся реализовать, и двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного максимум в 1,6 - 1,7 раз.
В настоящее время двухтактные дизели широко применяются только на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. При невозможности повышения частоты вращения двухтактный цикл оказывается выгодным; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100.000 л.с.
Плюсы и минусы.
Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30 % энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40 %, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением свыше 50 % (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт, достигая эффективности 54,4 %). Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.
Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты - смесь не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1 л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя.
Дизельный двигатель не имеет дроссельной заслонки, регулирование мощности осуществляется регулированием количества впрыскиваемого топлива. Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий крутящий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями.
Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартера большой мощности, помутнение и застывание летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Такие загрязнения очень быстро выводят топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своём рабочем диапазоне. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов («катализатор» в просторечии), работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой «Common-rail» системы. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный - и экологически такой же чистый, как и бензиновый - дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров сложности и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар, то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра». «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим очистки «сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы - и так называемого «интеркулера» - то есть устройства, охлаждающего сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.
Ну и на последок самое интересное. МИФЫ о дизельных двигателях.
Дизельный двигатель слишком медленный.
Современные дизельные двигатели с системой турбонаддува гораздо эффективнее своих предшественников, а иногда и превосходят своих бензиновых атмосферных (без турбонаддува) собратьев с таким же объёмом двигателя. Об этом говорит дизельный прототип Audi R10, выигравший 24-х часовую гонку в Ле-Мане, и новые двигатели BMW, которые не уступают по мощности атмосферным (без турбонаддува) бензиновым и при этом обладают огромным крутящим моментом.
Дизельный двигатель слишком громкий.
Правильно настроенный дизель лишь немного «громче» бензинового, что заметно лишь на холостых оборотах. В рабочих режимах разницы практически нет. Громко работающий двигатель свидетельствует о неправильной эксплуатации и возможных неисправностях. На самом деле старые дизели с механическим впрыском действительно отличаются весьма жесткой работой. Только с появлением аккумуляторных топливных систем высокого давления («Common-rail») у дизельных двигателей удалось значительно снизить шум, прежде всего за счет разделения одного импульса впрыска на несколько (типично - от 2-х до 5-ти импульсов).
Дизельный двигатель гораздо экономичнее.
Времена, когда дизельное топливо стоило в три раза дешевле бензина, давно прошли. Сейчас разница составляет лишь порядка 10-30 % по цене топлива. Несмотря на то, что удельная теплота сгорания дизельного топлива (42,7 МДж/кг) меньше чем у бензина (44-47 МДж/кг), основная экономичность обусловлена более высоким КПД дизельного двигателя. В среднем современный дизель расходует топлива до 30 % меньше. Срок службы дизельного двигателя действительно гораздо больше бензинового и может достигать 400-600 тысяч километров.[источник не указан 211 дней] Запчасти для дизельных двигателей также несколько дороже, как и стоимость ремонта. Несмотря на все вышеперечисленные причины, затраты на эксплуатацию дизельного двигателя при правильной эксплуатации будут не намного меньше, чем у бензинового.[источник не указан 211 дней]
Дизельный двигатель плохо заводится в мороз.
При правильной эксплуатации и подготовке к зиме проблем с двигателем не возникнет. Например дизельный двигатель VW-Audi 1,9 TDI (77 кВт/105 л.с.) оснащён системой быстрого запуска: нагрев свечей накаливания до 1000 градусов осуществляется за 2 с. Система позволяет заводить двигатель в любых климатических условиях без предпускового разогрева.
Дизельный двигатель нельзя переоборудовать под использование в качестве топлива более дешевого газа.
Первыми примерами работы дизельных двигателей на более дешевом топливе - газе порадовали ещё в 2005 году итальянские тюнинговые фирмы, которые использовали в качестве топлива метан. В настоящее время успешно зарекомендовали себя варианты применения газодизелей на пропане, а также - кардинальные решения по переоборудованию дизеля в газовый двигатель, который имеет преимущество перед аналогичным мотором, переоборудованным из бензинового, за счет изначально более высокой степени сжатия.
А что вы скажете про дизельный двигатель?)
1910 ПросмотровДизельная технология сильно продвинулась вперед. Особенно это стало заметно в последнее десятилетие. Практически половина европейских авто на сегодня – это дизельные модели. Хотя принцип работы дизельного двигателя не изменился, но изменилось устройство. Теперь процесс проходит тише, а выхлопные газы стали более экологическими. Теперь из трубы не вырывается черный неприятный дым, который обогащает нашу планету вредными веществами.
Становление дизеля
Современные дизельные моторы отличаются своей мощностью. Их процесс работы прост, не требует много затрат, так как цикл проходит экономичней. Ведь в камеру внутреннего сгорания попадает сравнительно дешевое топливо в достаточно малых количествах по сравнению с бензиновым собратом. Характеристика дизельных моторов существенно отличается от бензиновых.
Главная отличительная характеристика – это процесс приготовления топлива для работы, а также его воспламенение. Обычно смесь готовится вне цилиндров, тогда как дизелю свойственно ее готовить именно в цилиндре. Также воспламенение смеси для бензинового возможно благодаря искре свечи, а в дизельном благодаря высокой температуре и большому давлению. Отсюда и сильный шум, который раньше так был свойственен двигателю.
Хотя сам процесс работы отличается мало. Рассмотрим этот четырехтактный цикл, свойственный для дизельного силового агрегата.
Цикл – впуск
На первом такте поршню нужно переместиться с верхней мертвой точки в нижнюю. В это время клапан для впуска открыт, а для выпуска закрыт. Так как в цилиндре разряженная атмосфера, то в него попадает воздух.
Цикл – сжатие
Теперь закрываются оба клапана. Поршень поднимается, воздух сжимается. Давление растет и достигает пяти МегаПаскалей. Растет и температура, так как воздух сжимается, она достигает семисот градусов по Цельсию.
Цикл – расширение
Достигнув верхней точки, когда давление в цилиндре на максимуме, впрыскивается доза горючего, которая распыляется форсункой. Так как температура высокая, то отдельные капельки, смешавшись с горячим воздухом, воспламеняются. В итоге температуру становится еще выше, достигая 1800 градусов по Цельсию. Давление тоже растет, достигая одиннадцати МегаПаскалей. Поршень опускается, совершается полезная работа. В итоге температура опускается до семисот градусов, давление падает до половины МегаПаскаль.
Цикл – выпуск
Открывается . Поршень совершает движение, под которым выталкивается отработанный газ. Температура уже равна пятистам градусам, а давление одной десятой МегаПаскаль.
Благодаря тому, какой процесс проходит в , можно использовать дешевое горючее, что способствует более выгодному обслуживанию мотора. А это говорит об экономичности дизеля. К тому же и коэффициент полезного действия на десять процентов выше, чем бензинового. Да и процесс создания крутящего момента выше, так как он достигается с лучшими усилиями.
Можно отметить в процессе работы устройства несколько недостатков. Это, во-первых, более шумная работа, во-вторых, большее вибрирование, в-третьих, проблема в холодном цикле, что приводит к меньшей мощности. Но, учитывая, что процесс работы дизеля каждого нового авто все более совершенен, то и данные недостатки стали незаметны.
Строительство дизеля
Так как сжимается устройство дизеля сильнее раза в два, то сами детали выполняются более мощными, так как иначе подобный цикл они бы не выдержали. Например, речь идет о камере сгорания. Также отметим создание поршня. Он имеет структуру низа такой, какой предполагает камера сгорания. И чаще всего камера сгорания находится в самом поршне.
Также в дизельном устройстве поршень выступает выше блока цилиндров, что отличает его от бензинового мотора. Ведь воспламеняется горючее необычно, без искры, хотя свечи есть.
Немного поговорим о свече накаливания. Она устроена так, что имеет спираль, которая нагревает воздух в камере сгорания, это нужно особенно тогда, когда идет цикл впрыска холодной порции воздуха. Показатели дизеля состоят в том, что они связаны с тем, как впрыскивается воздух, и как он, накалившись, способствует взрыву смеси.
Работа внутри камеры
Цикл работы внутри камеры сгорания, как мы уже увидели, очень прост. Но типы камер сгорания могут быть разными. Выделяют две основные. Это неразделенные камеры сгорания и разделенные камеры сгорания. Во втором случае горючее впрыскивается прямо в головку цилиндра.
Выделяют раздельные камеры нескольких типов. Речь идет о форкамере и вихрекамере. В них смесь горит и образуется разными путями. Для первого варианта горючее отправляется в предварительное место, которое связано с отверстием в цилиндре, оно, соприкасаясь со стенками, образует смесь с воздухом. Она, в свою очередь, взорвавшись, отправляется по каналам в ту камеру, где происходит ее догорание. При этом каналы устроены так, что образуется разница в давлении между камерой и цилиндром.
Во втором случае, все происходит тоже отдельно, в полом месте. Когда идет такт, то воздух сжимается, попадая в камеру, там он закручивается, образуя вихревые силы. Именно это, а не удары о стенки, приводит к перемешиванию горючего и воздуха.
Можно заметить, что в разделенных камерах проходит двухэтапное перемешивание смеси и ее возгорание. Поэтому двигатель работает мягче. Но топлива при этом расходуется больше, так как поверхность камеры достаточно большая. Из-за этоого пусковые способности мотора ухудшаются.
Теперь перейдем к разговору о неразделенной камере, которая дала название дизелю – . Она выглядит, как нечто полое, находясь в днище поршня. Топливо впрыскивается прямо в цилиндр, что уменьшает в разы расход горючего. Такой принцип работы можно наблюдать на грузовиках.
Что можно сказать о дизеле
Мы увидели существенную разницу между дизельным и бензиновым двигателем. Первый работает от возгорания горючей смеси за счет высокой температуры, а другой за счет искры. Также был рассмотрен принцип работы, такты, которых четыре, но это уже мало чем отличается от бензинового двигателя. Увидели, какими бывают камеры, их разницу.
