Принцип работы дизельного двигателя: история создания, устройство, нюансы

Из этого материала вы узнаете:

История создания дизельного двигателя

Исследователи описывали принцип работы тепловой машины, начиная с 20-30 годов XIX века. Рабочее тело нагревалось до температуры горения топлива с помощью быстрого сжатия. Первый двигатель внутреннего сгорания спроектировал известный немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1892 году он запатентовал свое изобретение. Оно было названо в его честь. В дальнейшем Дизель проектировал и патентовал разные прототипы мотора. В 1895 году в США признали документ.

Тут могла быть ваша реклама

Первый работающий дизельный двигатель был сконструирован в конце 1896 года. 28 января 1897 года были проведены официальные испытания. Первые дизельные двигатели в качестве топлива использовали продукты нефти и растительные масла. Агрегат демонстрировал высокий КПД и при этом был прост в использовании. Изначально дизельные двигатели устанавливали в тяжелых паровых машинах.

Две важные доработки позволили расширить область использования агрегата. Первая заключалась в том, что в качестве топлива начали применять керосин. Первым это сделал в 1898 году другой известный инженер – Рудольф Нобель. Вторая доработка ― топливный насос высокого давления (ТНВД). Его начали использовать вместо компрессора для сжатия горючего.

Топливный насос высокого давления значительно модернизировал Роберт Бош в 20-е годы XX века. Он усовершенствовал устройство и принцип работы бескомпрессорной форсунки дизельного двигателя и внедрил модель топливного насоса. Их использование позволило уменьшить размеры агрегата. Благодаря этим усовершенствованиям дизельные двигатели начали устанавливать на общественный и грузовой транспорт. В 30-х годах XX века агрегаты стали использовать на легковых автомобилях.

Дальнейшие усовершенствования, например, применение дизельного топлива, позволили мотору стать сильным конкурентом бензиновым двигателям. Со временем доля рынка дизельных агрегатов росла.

Особенности конструкции и принцип работы дизельного двигателя

Дизельные моторы по конструктиву существенно отличаются от роторно-поршневого двигателя Ванкеля и бензиновых агрегатов. Ключевая разница состоит в принципе работы дизельного двигателя. Бензиновый и дизельный мотор относятся к агрегатам внутреннего сгорания, но используют разные способы воспламенения топлива. В двигателях установлен кривошипно-шатунный механизм, степень сжатия которого составляет 19-24 единицы у дизельных и 9-11 единиц у бензиновых моторов.

В дизельном двигателе нет свечей зажигания. Топливо в цилиндрах загорается само под воздействием сжатия. Воздух и горючее подаются раздельно.

Особенности конструкции и принцип работы дизельного двигателя

Почти во всех современных дизельных моторах установлена система наддува для повышения КПД агрегата. Для наращивания объема и массы воздуха, поступающего в камеры сгорания, используются турбокомпрессоры с изменяемой геометрией. У дизельного двигателя выше КПД, чем у бензинового. Он тяжелее и обеспечивает больший крутящий момент на довольно низких оборотах по сравнению с бензиновым агрегатом.

Рассмотрим общее устройство и принцип работы дизельного двигателя, а также разберем, как воспламеняется топливо при отсутствии свечей зажигания.

Упрощенно схема работы выглядит так:

• Впуск осуществляется перемещением поршня в нижнее положение. В цилиндры начинает поступать чистый воздух.
• Далее поршень движется к верхней точке траектории, что приводит к сжатию воздуха в цилиндре под давлением 40 кг/см. Температура растет до 500-700 °C.
• В этот момент задействуются топливные форсунки дизельного двигателя, принцип работы которых основывается на впрыскивании в цилиндр горючего.
• Дизельное топливо при смешивании с высокой температурой воздуха воспламеняется по закону С. Карно. Искровое зажигание не требуется.
• Пламя из-за взрывной реакции толкает поршень. Он в свою очередь запускает коленвал.
• Поршень двигается к верхней точке и выталкивает отработанные газы через выпускной клапан. Это завершающий этап цикла работы дизельного двигателя. Затем он начинается заново и может повторяться многократно.

Принцип работы турбированного дизельного двигателя

Турбина повышает эффективность и мощность дизельного агрегата. Конструкция включает следующие элементы:

• Крыльчатка компрессора.
• Ротор.
• Крыльчатка турбины.
• Втулка скольжения.
• Внутренний перепускной клапан.
• Корпус.

Система турбонаддува состоит из двух основных частей: турбина и компрессор. Компрессор нагнетает атмосферный воздух в систему подачи топлива, а турбина трансформирует энергию отработанных газов.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе:

• Выгорание топлива приводит к образованию газов. Они поступают сначала в выпускной коллектор, а затем в компрессорную «улитку».
• Газы разгоняют колесо до высокой (250 000 об/мин) скорости.
• Вращение передается компрессорному ротору, и он втягивает новую порцию воздуха извне. Это делается для воспламенения топлива. Чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха.

Этот цикличный процесс дает возможность до 30-40 % увеличить мощность дизельного двигателя и при этом существенно экономить на топливе.

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

Главное преимущество дизельного агрегата – это высокий коэффициент полезного действия. Он на 15 % выше, чем у бензинового. Помимо этого, можно выделить следующие плюсы:

• Низкий расход топлива. Для большинства автолюбителей это главный плюс дизельного двигателя. Принцип работы системы питания дизельного двигателя и всех его систем позволяет расходовать на 10-20 % меньше топлива по сравнению с бензиновым агрегатом. Рассмотрим на примере двух похожих двигателей разных типов на Toyota Land Cruiser Prado. Согласно паспорту, расход дизельного двигателя объемом 2,8 л составляет 7,7 л на 100 км пути (в смешанном цикле). При этом бензиновый мотор объемом 2,7 л использует 9,3 л на 100 км.
• Высокие тягово-мощностные характеристики. При одинаковой мощности дизели развивают больший крутящий момент, чем бензиновые моторы. Максимальной тяги удается достичь с низких оборотов. Это связано с высокой степенью сжатия в цилиндрах. Вследствие этого объем сильно сжатого горючего меньше. Энергия при сгорании выделяется из всего вещества. Это плюс для грузовых автомобилей и внедорожников, так как тяга на «низах» позволяет начать движение с грузом и не буксовать в грязи.

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

Минусы дизельных двигателей:

• Низкие максимальные обороты. У дизельных двигателей крутящий момент выше на низких оборотах, чем у бензиновых агрегатов. Поэтому требуется частое переключение передач.
• Высокая цена. Автомобили с дизельными двигателями при других аналогичных показателях стоят дороже бензиновых. Это обусловлено сложностью силовой установки и наличием иной системы питания, а также дополнительных систем (топливный насос высокого давления). В связи с высоким давлением в цилиндрах в агрегате используются дорогостоящие составляющие конструкции. Разница в стоимости со временем окупится, так как дизельный двигатель экономичнее бензинового в эксплуатации.
• Особые требования к горючему. Дизельный агрегат нуждается в качественном топливе. В особенности при минусовых температурах. В дизельном двигателе есть свечи накала, принцип работы которых основан на нагреве топлива. Это облегчает запуск холодного двигателя.

Устройство и принцип работы топливной системы дизельного двигателя

Топливная система современного дизельного агрегата включает следующие элементы конструктива.

Топливный насос высокого давления (ТНВД)

Принцип работы ТНВД дизельного двигателя основывается на подаче солярки в цилиндры с высоким давлением. Это один из ключевых узлов мотора транспортного средства. Использование ТНВД позволяет добиться эффективной работы двигателя при минимальном расходе топлива. Конструкция ТНВД может отличаться в зависимости от типа дизельного двигателя, но главные элементы и их работа аналогичны.

ТНВД включает:

• Насос, обеспечивающий подачу топлива из бака к форсункам цилиндров дизельного двигателя.
• Датчик давления, поддерживающий стабильное давление в топливной системе.
• Топливоподкачивающий насос, предназначенный для подкачки солярки из бензобака к основному насосу. Он имеет критическое значение, если топлива мало и/или магистрали протяженные.
• Распределитель, который определяет впрыск топлива в цилиндр агрегата.
• Элементы, контролирующие работу всех составляющих топливной системы.

Форсунки

Форсунки необходимы для впрыскивания топливной смеси через распылитель в камеру сгорания цилиндров силовой установки при заданном направлении и в конкретный момент. Они состоят из следующих элементов:

• Корпусная часть из стали, в которой размещаются остальные детали. Материал выдерживает высокое давление и температуру.
• Распылитель в виде иглы с подвижными деталями. Он контролирует открытие и закрытие сопла.
• Сопло для подачи и распыления топливной смеси.
• Гидропривод и электромагнит для правильной работы иглы форсуночного элемента дизельного двигателя.
• Электронный блок управления – датчики для автоматического регулирования всех процессов, происходящих в системе. Это необходимо для оптимизации процессов.

Форсунки

Топливный фильтр

Принцип работы топливного фильтра дизельного двигателя заключается в очистке топливной смеси от загрязняющих веществ до попадания в насос и форсунки. Составляющие топливного фильтра:

• корпус из пластика или стали с фильтрами и отверстиями для отвода/подачи топлива;
• фильтр для очистки топливной смеси;
• дренажный клапан для спуска конденсата и влаги из фильтра;
• уплотнительные кольца для того, чтобы система была герметичной и работала без протечек.

Турбина

Назначение и принцип работы системы турбонаддува дизельного двигателя: он использует энергию отработавших газов и нагоняет больше воздуха в систему. Благодаря этому повышается мощность силового агрегата при сохранении экономного расхода топлива и рабочего объема двигателя.

Турбонаддув состоит из турбинной и компрессорной составляющей. Турбинная часть работает за счет отработанных газов. Она передает энергию для обеспечения высокого давления. Компрессорная часть нужна для сжатия воздуха впускной системы. Далее он передается в коллекторы дизельного двигателя.

Часто задаваемые вопросы о работе дизельного двигателя

Какие есть виды дизельных установок?

Принято классифицировать дизельные двигатели в зависимости от конструкции камеры сгорания на два больших класса агрегатов:

• Установки с раздельной камерой. Топливо подается в вихревую камеру. Она находится в головке блока, являющейся промежуточным звеном между цилиндром и топливной системой. Этот элемент конструкции предназначен для увеличения уровня нагнетания. Воспламенение начинается в вихревой камере.
• Установки с неразделенной камерой. Эта конструкция является достаточно простой, но крепкой. Топливная смесь впрыскивается в надпоршневое пространство. Оно и является камерой сгорания. Такой принцип работы дизельного двигателя экономит расход горючего и является надежным. Поэтому он активно применяется.

Неразделенная камера сгорания получила широкое распространение в дизельных двигателях с созданием Common Rail, принцип работы которой позволяет поддерживать оптимальный уровень давления, время и объем впрыска горючего для сжигания. Это главные плюсы установок с разделенной камерой сгорания.

Какой принцип работы коммон рейл на дизельном двигателе?

Система впрыска Common Rail является прогрессивной передовой технологией подачи горючего в дизельный агрегат. Это разработка компании Bosch. Отличительная особенность системы Common Rail – наличие общей магистрали (рампы) между ТНВД и форсунками. Такая конструкция позволяет увеличить мощность двигателя. Основные плюсы: тихая работа, низкий расход солярки, соответствие экологическим стандартам, а также возможность регулирования давления топливной смеси и момента впрыска.

Что случится, если в дизельную установку залить бензин?

Эта альтернатива невозможна, так как нужно учитывать свойства горючего. В бензиновых установках воздушно-топливная смесь воспламеняется благодаря электрическому разряду, который испускают электроды свечей зажигания. Высокие температуры в установке могут вызвать преждевременное возгорание. Агрегат будет работать некорректно и со сбоями. При этом относительная стойкость бензина исключает его несанкционированное воспламенение.

Дизельное топливо тоже состоит из углеводородов, но иного рода. У него высокое цетановое число. Солярка легко воспламеняется и идеально подходит для работы двигателя турбодизеля.

Поэтому использование бензина в дизельных установках не будет эффективным. Подобного рода эксперименты приведут к печальным последствиям. Сначала установка будет работать за счет остаточного дизельного топлива. Далее мощность начнет падать. Появятся характерные стуки. Двигатель завибрирует. В результате манипуляций с неподходящим топливом потребуется дорогостоящий ремонт.

Современные дизельные установки имеют плюсы и минусы, которые важно знать при выборе автомобиля и его обслуживании.