Двигатели внутреннего сгорания дизель

Дизельный двигатель (в простонародии — дизель) —поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Применяется в основном на судах, тепловозах, автобусах и грузовых автомобилях, тракторах, дизельных электростанциях, а к концу XX века стал распространен и на легковых автомобилях. Назван по имени изобретателя. Первый двигатель с воспламенением от сжатия был построен Рудольфом дизелем в 1897 году.

Спектр топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

 

Четырёхтактный цикл.

Работа четырёхтактного дизельного двигателя.

• 1-й такт. Впуск. Соответствует 0°—180° поворота коленвала. Через открытый приблизительно на 345—355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр, на 190—210° клапан закрывается. При этом до 10—15° поворота коленвала одновременно открыт и выхлопной клапан. Время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов.
• 2-й такт. Сжатие. Соответствует 180° — 360° поворота коленвала. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке), сжимает воздух от 16 (в тихоходных двигателях) до 25 (в быстроходных) раз.
• 3-й такт. Рабочий ход, расширение. Соответствует 360°—540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива, то есть частичное его испарение, образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в парáх. Наконец, оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки, а продукты горения, расширяясь, двигают поршень вниз. Впрыск и, соответственно, воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том, что задержка необходима только из-за наличия времени инициации, которое в каждом конкретном двигателе — величина постоянная и зависящая только от особенностей данной конкретной конструкции двигателя. Сгорание топлива в дизельном двигателе происходит, таким образом, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки, начинаясь вблизи ВМТ. Из этого следуют два важных вывода:
  • Процесс горения длится ровно столько времени, сколько требуется для впрыска данной порции топлива, но не дольше времени рабочего хода. Это приводит к тому, что рабочий процесс протекает при постоянном давлении газов, из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Так как горение продолжается при постоянном давлении при любых условиях, а время инициации постоянно, изменение момента впрыска (аналогично изменению момента зажигания у карбюраторного двигателя) в процессе работы дизеля не требуется.
  • Соотношение топливо/воздух в цилиндре может существенно отличаться от стехиометрического, причём очень важно обеспечить избыток воздуха, так как пламя факела занимает небольшую часть объёма камеры сгорания и атмосфера в камере должна до последнего обеспечить нужное содержание кислорода. Если этого не происходит, возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей, (на сленге железнодорожников «тепловоз даёт медведя́»).

У двигателей с аккумуляторной топливной системой COMMON RAIL за счет возможности управлять открытием форсунки независимо от работы ТНВД появляется возможность оптимизировать процесс впрыска и сгорания топлива за счет многоимпульсной подачи. Суть заключается в следующем:

• • Примерно за 20-40° до ВМТ в цилиндр впрыскивается небольшая порция топлива (5-30 % от основной цикловой подачи) - предвпрыск, что позволяет сформировать начальный фронт пламени. В результате температура и давление газов в цилиндре плавно повышаются, что способствует лучшему сгоранию основной порции топлива и снижает ударные нагрузки на детали двигателя. Предвпрыск стал повсеместно применяться на двигателях стандарта Евро-3, а начиная с Евро-4 предвпрыск может быть и многостадийным;
  • Примерно за 2-7° до ВМТ начинается подача первой части основной порции топлива, при этом процесс протекает как в обычном дизеле с механически ТНВД за исключением того, что не не происходит резкого повышения давления в цилиндре (оно уже повысилось при начале сгорания предваряющей порции топлива), поэтому двигатель работает с меньшим шумом;
  • Затем подача топлива на некоторое время прекращается и происходит его более полное сгорание;
  • Подается вторая часть основной порции топлива, за счет разделения подачи на две части удается обеспечить с одной стороны более полное сгорание, а с другой — больший период времени работы цилиндра при постоянном давлении. В результате снижается токсичность отработавших газов, двигатель развивает больший крутящий момент при меньших ударных нагрузках и производит меньше шума. Разделение основной подачи топлива на две части стало применяться на двигателях стандарта Евро-4;
  • Наконец незадолго до открытия выпускного клапана подается небольшая завершающая порция топлива - поствпрыск, которая догорает уже в выпускном коллекторе и турбокомпрессоре. В результате этого обеспечивается с одной стороны эффективное дожигание частиц сажи, а с другой — повышение мощности турбокомпрессора, особенно на частичных режимах работы двигателя, что сглаживает эффект «турбоямы». Поствпрыск стал активно применяться на двигателях стандарта Евро-5 и выше.

Таким образом многоимпульсная подача топлива существенно улучшает практически все характеристики дизеля и позволяет приблизить его удельную мощность к бензиновым двигателям, а при наличии турбонаддува высокого давления - превзойти ее. По этой причине с развитием систем Common Rail дизельные двигатели на легковых автомобилях становятся все более популярными.

• 4-й такт. Выпуск. Соответствует 540°—720° поворота коленвала. Поршень идёт вверх, выталкивая отработавшие газы из цилиндра через открытый на 520—530° выхлопной клапан.

Далее цикл повторяется.

В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:

• С неразделённой камерой: камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Главное достоинство — минимальный расход топлива. Недостаток — повышенный шум («жесткая работа»), особенно на холостом ходу. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка. Например, в системе Common Rail для снижения жёсткости работы используется (зачастую многостадийный) предвпрыск (что описано выше).
• С разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизельных двигателей такая камера (она называется вихревой либо предкамерой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в оную камеру, интенсивно завихрялся. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемого топлива с воздухом и более полному сгоранию топлива. Такая схема долго считалась оптимальной для лёгких двигателей и широко использовалась на легковых автомобилях. Однако, вследствие худшей экономичности, последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких двигателей двигателями с нераздельной камерой и с системами подачи топлива COMMON RAIL.