Історія створення та особливості дизельного двигуна
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна"){kind=avatar}
Дизельний двигун
Повне ім'я Рудольф Крістіан Карл Дизель, ця людина відома нам як винахідник одного з найпопулярніших поршневих двигунів внутрішнього згоряння нашого часу. Народився Дизель 18 березня 1858 в Парижі. Уже з юних років його тягнуло до техніки і в 1872 році Дизель вирішує стати механіком. Він закінчує училище, а так само Аугсбургскую політехнічну школу - кращим учнем. Навчання він продовжує у Мюнхенській вищій політехнічній школі, яку в 1880 році закінчує, здавши випускні іспити з кращими результатами з початку її існування. Ось таким чудовим і цілеспрямованим був цей чоловік.
Перший функціонуючий двигун був створений Дизелем там же в 1897 році. Потужність двигуна складала 20 к.с. при 172 оборотах на хвилину, ККД 26.2% при вазі п'ять тонн. Це набагато перевершувало існуючі двигуни Отто з ККД 20% і суднові парові турбіни з ККД 12%, що викликало негайний інтерес промисловості. Двигун Дизеля відразу ж знайшов застосування, був оцінений в багатьох країнах. 1 січня 1898 заснований завод з виробництва дизельних двигунів. Восени 1900 в Лондоні для цих цілей реєструється компанія. Перший корабель з дизельним двигуном побудований в 1903 році. У 1908-му побудований перший дизельний двигун малих розмірів, перший вантажний автомобіль і перший локомотив на дизельному двигуні. У 1936-му вперше запущений в серію легковий автомобіль на дизельному двигуні (Мерседес-Бенц-260D). Його розробила компанія «Даймлер-Бенц».
Дизельний двигун працює на дизельному паливі - зазвичай під цим терміном розуміють паливо, що виходить з керосиново-газойльових фракцій прямої перегонки нафти. Основний показник дизельного палива - це цетанове число, яке характеризує здатність палива до займання в камері згоряння і рівно об'ємному вмісту цетана в суміші з α-метилнафталіном, яке в стандартних умовах має однакову займистість в порівнянні з дослідженим паливом. Температура спалаху, визначена за ASTM D93, для дизельного палива повинна бути не вище 70 ° C. Температура перегонки, певна по ASTM D86, для дизельного палива не повинна бути нижче 200 і вище 350 ° C. Дизельне паливо - більш економічне та екологічно чисте, ніж бензин.
Останнім часом в рамках боротьби за екологію жорстко нормовано вміст сірки в дизельному паливі. Під сіркою тут розуміється вміст сірчистих сполук - меркаптанів (R-SH), сульфідів (RSR), дисульфідів (RSSR), тіофенів, тіофанов та ін., А не елементарна сірка як така; R - вуглеводневий радикал. Вміст сірки в нафті знаходиться в межах від 0,15% (легкі нафти Сибіру), 1,5% (нафта Urals) до 5-7% (важкі бітумінозні нафти); допустимий вміст у судновому паливі - до 1%, а за останніми нормативами Європи та штату Каліфорнія допустимий вміст сірки в дизельному паливі не більше 0,001% (10 ppm). Зниження вмісту сірки в ДТ, як правило, призводить до зменшення його змащувальних властивостей, тому для дизельних палив з ультранизьким вмістом сірки обов'язковою умовою є наявність присадок.
Зараз активно шукаються заміни дизельного палива, отриманого при перегонки нафти. Одне з них - Біодизель. Він має цетанове число не менше 51 (звичайне 42-45), температуру спалаху більше 150 ° C, має значно кращі мастильні характеристики. Головний недолік - обмежений термін зберігання після виготовлення - 3 місяці. Виготовляється з суміші рослинного масла (зазвичай рапсового або соєвого) і метилового спирту в співвідношенні 10-7 до 1 на простих і компактних технологічних установках. Так само альтернативою звичайному дизельному паливу є додавання в звичайне дизельне паливо 20% води і 1% емульгатора. Суміш можна використовувати в звичайних дизелях без їх переробки. Колір суміші - мутно білий. Термін зберігання після приготування - близько трьох місяців. Технологія застосовується в Німеччині. Можливість додавання води і емульгатора в біодизель не вивчений.
Основна відмінність дизельного двигуна від бензинового полягає в способі подачі паливо-повітряної суміші в циліндр і способі її займання. У бензиновому двигуні паливо змішується з всмоктуваним повітрям до попадання в циліндр, одержувана суміш підпалюється в необхідний момент свічкою запалення. На всіх режимах, за винятком режиму повністю відкритої дросельної заслінки, дросельна заслінка обмежує повітряний потік, і наповнення циліндрів відбувається не повністю.
У дизельному двигуні повітря подається в циліндр окремо від палива і потім стискається. Через високого ступеня стиснення (від 14: 1 до 24: 1), коли повітря нагрівається до температури самозаймання дизельного палива (800-900 ° С), воно впорскується в камери згоряння форсунками під великим тиском (від 10 до 220 МПа). Свічки у дизеля теж можуть бути, але вони є свічками розжарювання і розігрівають повітря в камері згоряння, щоб полегшити запуск.
Дизельний двигун використовує у своїй роботі термодинамічний цикл з ізохорно-Ізобаричний підведенням теплоти (цикл Тринклера-Сабате), завдяки дуже високому ступені стиснення вони відрізняються більшим ККД (до 50%) у порівнянні з бензиновими двигунами.
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна"){kind=avatar}
Принцип роботи (чотиритактний цикл)
При першому такті (такт впуску, поршень йде вниз) свіжа порція повітря втягується в циліндр через відкритий впускний клапан.
При другому такті (такт стиснення, поршень йде вгору) впускний і випускний клапани закриті, і повітря стискається в об'ємі приблизно в 17 разів (від 14: 1 до 24: 1), т. Е. Обсяг стає менше в 17 разів порівняно з загальним обсягом циліндра, і повітря стає дуже гарячим.
Безпосередньо перед початком третього такту (такт робочого ходу, поршень йде вниз) паливо впорскується в камеру згоряння через розпилювач форсунки. При уприскуванні паливо розпорошується на дрібні частинки, які рівномірно перемішуються зі стисненим повітрям для створення самозаймається суміші. Енергія вивільняється при згорянні, коли поршень починає свій рух у такті робочого ходу. Впорскування триває, що викликає підтримання постійного тиску сгораемого палива на поршень.
Випускний клапан відкривається, коли починається четвертий такт (такт випуску, поршень йде вгору), і вихлопні гази проходять через випускний клапан.
Залежно від конструкції камери згоряння, існує кілька типів дизельних двигунів:
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна"){kind=avatar}
Дизель з нерозділеного камерою («дизель з безпосереднім уприскуванням»): камера згоряння виконана в поршні, а паливо впорскується в надпоршневомупростір. Головне достоїнство мінімальна витрата палива. Недолік - підвищений шум. В даний час ведуться інтенсивні роботи з усунення зазначеного недоліку.
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна"){kind=avatar}
Дизель з розділеною камерою: паливо подається в додаткову камеру. У більшості дизелів така камера (вона називається вихровий) пов'язана з циліндром спеціальним каналом так, щоб при стисненні повітря, потрапляючи в вихревую камеру, інтенсивно закручувався. Це сприяє гарному перемішуванню впорскується палива і повітря і самозаймання суміші. Така схема вважалася оптимальною і широко використовувалася. Однак внаслідок гіршої економічності в останні два десятиліття йде активне витіснення таких дизелів двигунами з безпосереднім уприскуванням палива.
Двотактний цикл
Крім вищеописаного чотиритактного циклу, використовується двотактний цикл.
Нехай поршень знаходиться в нижній мертвій точці і циліндр наповнений повітрям. Під час ходу поршня вгору повітря стискується; поблизу верхньої мертвої точки відбувається вприскування палива, яке самозаймається. Потім відбувається робочий хід - продукти згоряння розширюються і передають енергію поршня, що рухається вниз. Поблизу нижньої мертвої точки відбувається продування - продукти згоряння заміщаються свіжим повітрям. Цикл завершується.
Для здійснення продувки в нижній частині циліндра влаштовуються продувні вікна. Коли поршень знаходиться внизу, вікна відкриті. Коли поршень піднімається, він перекриває вікна.
Вікна можуть використовуватися і для випуску відпрацьованих газів, і для впуску свіжого повітря; така продування називається щелевой. Існує також клапанно-щілинна продування, коли відпрацьовані гази випускаються через клапан в головці циліндра, а вікна використовуються тільки для впуску свіжого повітря. Є ще двигуни, де в кожному циліндрі знаходяться два зустрічно рухаються поршня (опозитний схема); кожен поршень управляє своїми вікнами - один впускними, інший випускними (така система використовувалася на тепловозах ТЕ3 і ТЕ10, танкових двигунах 4ТПД, 5ТД (Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80), 6ТД-2 (Т-84) , в авіації - на бомбардувальниках Юнкерс).
Оскільки в двухтакном циклі робочі ходи відбуваються вдвічі частіше, то можна очікувати істотного підвищення потужності в порівнянні з чотиритактним циклом. На практиці ж це не вдається реалізувати. В даний час двотактні дизелі широко застосовуються тільки на великих морських суднах з безпосереднім (безредукторним) приводом гребного гвинта. При неможливості підвищення частоти обертання двотактний цикл виявляється вигідним; такі тихохідні дизелі мають потужність до 100 000 л. с.
Двигуни можуть бути тронкових (коли шатун безпосередньо приєднується до поршня) і крейцкопфний (коли верхня частина шатуна приєднується до Крейцкопф - спеціальної ковзної конструкції, яка з'єднується з поршнем штоком.
Крейцкопфні двигуни дозволяють знизити знос циліндра і поршня, оскільки вони звільнені від бічних зусиль; зате тронкових двигуни набагато тронкових менше за розміром і вагою. В даний час крейцкопфні двигуни використовуються тільки на великих морських судах.
Крейцкопфні двигуни можуть бути подвійної дії, коли робочі порожнини влаштовуються з обох боків поршня. Через складність конструкції двигуни подвійної дії майже не використовують
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна")
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна")
Крейцкопфний
Більшість ДВС розраховані на обертання тільки в одну сторону; якщо потрібно отримати на виході обертання в різні боки, то використовують передачу заднього ходу в коробці передач або окремий реверс-редуктор. Електрична передача також дозволяє змінювати напрямок обертання на виході.
Однак на суднах з жорстким з'єднанням двигуна з гребним гвинтом фіксованого кроку доводиться застосовувати реверсивні двигуни, щоб мати можливість рухатися заднім ходом. Для цього потрібно змінювати фази відкриття клапанів і вприскування палива. Зазвичай розподільні вали забезпечуються подвійною кількістю кулачків; при зупиненому двигуні спеціальний пристрій піднімає штовхачі клапанів, що дає можливість пересунути распредвали в нове положення.
Переваги та недоліки
Бензиновий двигун є досить неефективним і здатний перетворювати всього лише близько 20-30% енергії палива в корисну роботу. Стандартний дизельний двигун, однак, звичайно має коефіцієнт корисної дії в 30-40%, дизелі з турбонаддувом і проміжним охолодженням до 50%. Дизельне паливо, як правило, дешевше.
Дизельний двигун видає високий крутний момент у широкому діапазоні оборотів, що робить автомобіль з дизельним двигуном більш «гнучким» в русі, ніж такий же автомобіль з бензиновим двигуном. 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, у вихлопних газах дизельного двигуна, як правило, менше окису вуглецю (СО), але тепер, у зв'язку із застосуванням каталітичних конверторів на бензинових двигунах, ця перевага не так помітно. Основні токсичні гази, які присутні у вихлопі в помітних кількостях -це вуглеводні (НС або СН), оксиди (оксиди) азоту (NОх) і сажа (або її похідні) у формі чорного диму. Вони можуть призвести 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 (т. Е. Легко не випаровується) і, таким чином, вірогідність спалаху у дизельних двигунів набагато менше, тим більше що в них не використовується система запалювання. Це стало причиною широкого застосування дизелів на танках, т. К. При попаданні снаряда пари бензину, завжди знаходяться в погано вентильованому через броньовий захисту моторному відсіку, легко запалали.
Звичайно, існують і недоліки, серед яких характерний стукіт дизельного двигуна при його роботі і масляниста паливо. 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 та застигання дизельного палива при низьких температурах, складність у ремонті паливної апаратури, так як насоси високого тиску є пристроями, виготовленими з високою точністю. Також дизель-мотори вкрай чутливі до забруднення палива механічними частинками і водою. Дані 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 моторів значно поступалися до останнього часу моторів бензиновим.
.png "Техноцентр ІНТЕРМОТОР (Чернівці) | Ремонт двигунів та агрегатів | Історія створення та особливості дизельного двигуна"){kind=avatar}
На класичний дизель-мотор з механічно керованим уприскуванням практично неможливо встановити сучасний нейтралізатор відпрацьованих газів («каталізатор» у просторіччі) через нестабільне складу цих самих відпрацьованих газів. Ситуація почала змінюватися лише в останні роки у зв'язку з впровадженням дизелів так званої «Common-rail» системи.
У даному типі дизелів впорскування палива здійснюється електрично керованими форсунками. Подачу керуючого електричного імпульсу здійснює електронний блок керування, який отримує сигнали від набору датчиків. Датчики ж відстежують різні параметри двигуна, що впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу. Так що за складністю сучасний - і екологічно таке ж чисте, як і бензин - дизель-мотор нічим не поступається своєму бензиновому побратимові, 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 «Common-rail» воно перебуває в діапазоні від 1000 і 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 потрібно 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 турбонагнетателя, а в останні роки - і так званого "интеркулера" - тобто пристрої, охолоджує стислий турбонагнітачем повітря. Нагнітач дозволив підняти питомі потужності характеристики масових дизель-моторів, тому що дозволяє пропустити за робочий цикл більшу кількість повітря через циліндри, і, відповідно, впорснути більше палива.
Основна конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак однакові деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до більш високих тисків стиснення, які мають місце у дизеля. Головки поршнів, однак, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) під підвищений ступінь стиснення і головки поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.
У даному типі дизелів впорскування палива здійснюється електрично керованими форсунками. Подачу керуючого електричного імпульсу здійснює електронний блок керування, який отримує сигнали від набору датчиків. Датчики ж відстежують різні параметри двигуна, що впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу. Так що за складністю сучасний - і екологічно таке ж чисте, як і бензин - дизель-мотор нічим не поступається своєму бензиновому побратимові, 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 «Common-rail» воно перебуває в діапазоні від 1000 і 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 потрібно 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 турбонагнетателя, а в останні роки - і так званого "интеркулера" - тобто пристрої, охолоджує стислий турбонагнітачем повітря. Нагнітач дозволив підняти питомі потужності характеристики масових дизель-моторів, тому що дозволяє пропустити за робочий цикл більшу кількість повітря через циліндри, і, відповідно, впорснути більше палива.
Основна конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак однакові деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до більш високих тисків стиснення, які мають місце у дизеля. Головки поршнів, однак, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) під підвищений ступінь стиснення і головки поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.
