Дизельные двигатели

ВВЕДЕНИЕ

Стационарный одноцилиндровый дизельный двигатель, Германия, Аугсбург, 1906. В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Интересно, что в написанной им книге в качестве идеального топлива предлагалась каменноугольная пыль.

Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива — прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; а также большие проблемы с подачей пыли в цилиндры. Зато была открыта дорога к использованию в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций. Хотя Дизель и был первым, который запатентовал такой двигатель с воспламенением от сжатия, инженер по имени Экройд Стюарт высказывал ранее похожие идеи. Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в емкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла снаружи Экройд Стюарт 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. Может, это и было причиной того, что 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 высокооборотистый 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, легкость 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 серьезное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы происходит рост популярности дизеля на легковых и грузовых автомобилях, не только из-за экономичности и долговечности дизеля, но также из-за меньшей токсичности выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские производители автомобилей в настоящее время предлагают как минимум по одной модели с дизельным двигателем.

1. ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий на дизельном топливе. Основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе подачи топливо-воздушной смеси в цилиндр и способе ее воспламенения. В бензиновом двигателе топливо смешивается с всасываемым воздухом до попадания в цилиндр, получаемая смесь поджигается в необходимый момент свечой зажигания.

На всех режимах, за исключением режима полностью открытой дроссельной заслонки, дроссельная заслонка ограничивает воздушный поток, и наполнение цилиндров происходит не полностью. В дизельном двигателе воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (обычно 20:1), когда воздух нагревается до температуры самовоспламенения топлива (700−800°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением (10−30 МПа).

Для создания такого давления применяются специальные топливные насосы высокого давления (ТНВД), приводимые от коленчатого вала двигателя.

Свечи у дизеля тоже есть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск. Удельный расход топлива у дизелей составляет 140— 160 г/(кВт-ч), в то время как у карбюраторных двигателей он 'бывает не ниже 210 г/(кВт-ч). Потребляемое дизелями топливо дешевле топлива карбюраторных двигателей.

В отечественных тракторах и машинах для строительства магистральных трубопроводов дизели нашли широкое применение

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ 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 закрыты, и воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т. е. объем становится меньше в 17 раз по сравнению с общим объемом цилиндра, и воздух становится очень горячим.

Непосредственно перед началом третьего такта (такт рабочего хода, поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.

Выпускной клапан открывается, когда начинается четвертый такт (такт выпуска, поршень идет вверх), и выхлопные газы проходят через выпускной клапан.

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

Дизель с неразделённой камерой («дизель с непосредственным впрыском»): камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Недостаток — трудность изготовления высокооборотных дизелей, повышенный шум. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанных недостатков.

Дизель с разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Такая схема считается оптимальной и используется примерно в 90% современных дизелей.

3. ДВУХТАКТНЫЙ ЦИКЛ Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, используется двухтактный цикл.

Пусть 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.

Окна могут использоваться и для выпуска отработавших газов, и для впуска свежего воздуха; такая продувка называется щелевой. Существует также клапанно-щелевая продувка, когда отработавшие газы выпускаются через клапан в головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха. Есть ещё двигатели, где в каждом цилиндре два противоположно двигающихся поршня; каждый поршень управляет своими окнами — один впускными, другой выпускными (такая система использовалась на тепловозах ТЭ3 и ТЭ10).

Поскольку в двухтакном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще, то можно ожидать существенного повышения мощности по сравнению с четырёхтактным циклом. На практике же это не удаётся реализовать. 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. Двухтактные дизели с кривошипно — камерной продувкой сейчас не применяются, так как низкое качество продувки, обуславливающее наличие в цилиндре большого количества остаточных газов, настолько уменьшает фактическую мощность двигателя, что *сводит к нулю преимущества дизеля. В современных быстроходных двухтактных дизелях для очистки цилиндра от продуктов сгорания и заполнения его свежим воздухом применяют специальные нагнетатели, подающие воздух под давлением 0,125— 0,135 МПа в ресивер.

Принципиальная схема двухтактного дизельного двигателя приведена на рис. 1.7. В нижней части цилиндра имеются продувочные окна, высота которых составляет 10—15% хода поршня. Они открываются и закрываются поршнем дизельный двигатель конструкция

4. ЧЕТЫРЁХТАКТНЫЙ ЦИКЛ Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя аналогичен рабочему циклу карбюраторного двигателя. Индикаторная диаграмма дизеля принципиально не отличается от диаграммы карбюраторного двигателя.

Такт впуска. При перемещении из в поршень засасывает в цилиндр воздух (а не горючую смесь, как в карбюраторном двигателе). В связи с отсутствием карбюратора сопротивление всасыванию здесь несколько меньше и, следовательно, давление выше, чем у карбюраторных двигателей.

Такт сжатия. При обратном перемещении поршня. впускной клапан закрывается, и находящийся в цилиндре воздух подвергается сжатию. Вблизи в. м. т. в цилиндр-впрыскивается специальной форсункой топливо, нагнетаемое насосом высокого давления (давление впрыска составляет 8— 13 МПа). Для своевременного самовоспламенения топлива температура воздуха внутри цилиндра должна быть по возможности высокой. Поэтому степень сжатия е у дизелей значительно выше, чем у карбюраторных двигателей, и составляет 13—22 (рс = 4ч-т-7,5 МПа). Дальнейшее увеличение степени сжатия ограничивается резким повышением нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма, что сопровождается усиленным износом трущихся поверхностей и увеличением потерь на трение.

5. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКЦИЙ Двигатели могут быть тронковыми (когда шатун непосредственно присоединяется к поршню) и крейцкопфными (когда верхняя часть шатуна присоединяется к крейцкопфу — специальной скользящей конструкции, которая соединяется с поршнем штоком. Крейцкопфные двигатели позволяют снизить износ цилиндра и поршня, поскольку они освобождены от боковых усилий; зато тронковые двигатели намного меньше по размеру и весу. В настоящее время крейцкопфные двигатели используются только на больших морских судах.

Крейцкопфные двигатели могут быть двойного действия, когда рабочие полости устраиваются с обоих сторон поршня. Из-за сложности конструкции двигатели двойного действия почти не используют.

6. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 26% энергии топлива в полезную работу. Дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 36%. Дизельное топливо, как правило, дешевле.

Исключение электрической системы зажигания является очевидным преимуществом для всех типов двигателей, на лодках или на строительной технике увеличивается надёжность, а также меньше уровень токсичных выбросов в выхлопных газах, что даже более важно. Дизельный двигатель также выдает высокий крутящий момент в широком диапазоне оборотов, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «гибким» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более легким эффективное использование мощности двигателя.

Есть и другие преимущества. Выхлопные газы дизельного двигателя являются относительно «чистыми» по сравнению с выхлопными газами бензинового двигателя. Окись углерода (СО) практически отсутствует в выхлопных газах дизеля, поэтому токсичными газами, которые присутствуют в заметных количествах, являются углеводороды (НС или СН) (на рисунке не показаны), окислы азота (NОх) и сажа (или ее производные) в форме черного дыма. Они могут привести к астме и раку легких, больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и неотрегулированными.

Концентрация СО может быть уменьшена с помощью системы рециркуляции выхлопных газов (ЕСК). Эта система отбирает некоторое количество выхлопных газов из выпускного коллектора (7) через трубопровод (5) во впускной коллектор (1). Процесс контролируется клапаном (2), и благодаря уменьшению температуры сгорания концентрация СО уменьшается).

Для существенного сокращения выбросов углеводородов и СО используются каталитические преобразователи (катализаторы} окислительного типа. Что касается остающейся серы, улучшения в системе впрыска топлива и в процессе сгорания в сочетании с отделителями частиц выпускной системы существенно уменьшают ее выбросы. Качественное обслуживание дизельных двигателей помогает свести черный дым к минимуму.

Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (т. е. легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более что в них не используется система зажигания. Конечно, существуют и недостатки, среди которых характерный стук дизельного двигателя при его работе и маслянистое топливо. Однако они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.

Явными недостатками дизельных двигателей является необходимость использования стартера большой мощности, перемерзание 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. Данные 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 своем рабочем диапазоне.

Экологические показатели дизельных моторов значительно уступали до последнего времени моторам бензиновым. На классический дизель-мотор с механически управляемым впрыском практически невозможно установить современный нейтрализатор отработавших газов («катализатор» в просторечье) из-за нестабильного состава этих самых отработанных газов. 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 «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 и до 2500 бар, что влечет за собой не маленькие проблемы.

Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях не стабильного 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» так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путем 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, и соответственно, впрыснуть больше топлива.

Основная конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя, что можно понять из рисунка. Однако одинаковые детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к более высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и часто (но не всегда) под повышенную степень сжатия и головки поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Во многих случаях головки поршней содержат в себе камеру сгорания

7. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ Двигатели внутреннего сгорания при работе могут иметь различные частоты вращения в диапазоне, нижний предел которого определяется устойчивой работой двигателя, а верхний — качественным протеканием процесса газообмена, условиями охлаждения деталей, повышением инерционных нагрузок, снижением механического Работа двигателя под нагрузкой характеризуется условием равенства развиваемого им крутящего момента моменту сопротивления работе машины в конкретных условиях ее эксплуатации.

Крутящий момент карбюраторных двигателей увеличивают открытием дроссельной заслонки, а крутящий момент дизелей — поворотом плунжерного насоса высокого давления при помощи рейки в сторону возрастания подачи топлива.

Способность работы двигателя в различных условиях оценивают по его характеристикам. Характеристикой двигателя называют выраженную графически зависимость основных показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива) от частоты вращения, нагрузки и других параметров двигателя (рис. 1.). Например, скоростная характеристика представляет собой зависимость основных показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки и рейки топливного насоса. Скоростную характеристику, соответствующую полностью открытой дроссельной заслонке или крайнему положению рейки (максимальная подача топлива), называют внешней. По внешней скоростной характеристике определяют наибольшие значения мощности и крутящего момента Ме, которые могут развить данный двигатель при различных частотах вращения.

Внешней скоростной характеристикой пользуются при выборе двигателя и оценке его качества. Характеристика строится на основании данных, получаемых при тормозных испытаниях двигателя на специальном стенде.

Различают следующие характерные частоты вращения коленчатого вала двигателя:

зmin — минимальная частота вращения, при которой двигатель работает устойчиво с полной нагрузкой (в случае работы на холостом ходу минимальная частота вращения уменьшается);

где, п-м — частота вращения, соответствующая максимальным значениям

крутящего момента Memax и среднего эффективного давления ре max',

пп — номинальная частота вращения, соответствующая минимальному

расходу топлива при высоком значении мощности;

nN — частота вращения, соответствующая максимальной мощности

двигателя;

nmax — максимально допустимая частота вращения двигателя.

Двигатель в сложных условиях эксплуатации обычно работает в интервале частот вращения.

Из скоростных характеристик (рис. 1) следует, что эффективная мощность двигателя по мере увеличения частоты вращения сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения, снижается. Максимальную мощность Nemax двигатель развивает в тот момент, когда повышение мощности при увеличении частоты вращения полностью компенсируется снижением среднего эффективного давления ре. С повышением частоты вращения давление ре снижается из-за ухудшения наполнения двигателя и увеличения механических потерь. Максимальная мощность дизеля находится в зоне дымления (рис. 1, б обозначена пунктиром) и расположена вне регуляторной ветви кривой.

8. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ДИЗЕЛЕЙ

Номинальная мощность, кВт (л.с.) Частота вращения коленвала, мин-1

9. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ Параметры рабочего тела Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

где С, Н, О — массовая доля элементов в 1 кг топлива;

С=0,857; Н=0,133; О=0,01

кг или кмоль Количество свежего заряда:

где — коэффициент избытка воздуха, принимаем =1,6;

кмоль Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

Общее количество продуктов сгорания:

кмоль Процесс впуска Давление на впуске можно принять равным атмосферному:

Для двигателей без наддува температуру можно принять равной атмосферной:

Плотность заряда на впуске:

где — удельная газовая постоянная Дж/(кг град).

Давление в конце впуска:

где — потери давления на впуске.

МПа

МПа Коэффициент остаточных газов:

где 20…40о — подогрев свежего заряда на впуске, принимаем 100;

— степень сжатия, =14;

Температура в конце впуска:

К Коэффициент наполнения цилиндра свежим зарядом:

Процесс сжатия С учетом характерных значений показателя политропы сжатия для заданных параметров двигателя принимаем .

Давления в конце сжатия:

МПа Температура в конце сжатия:

К Средняя молярная теплоемкость заряда (воздуха) в конце сжатия:

кДж/кмоль Число молей остаточных газов:

кмоль Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

кмоль

Процесс сгорания

Средняя молярная теплоемкость продуктов сгорания в дизеле:

кДж/кмоль

Число молей газов после сгорания:

кмоль

Расчетный коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

Принимаем коэффициент использования теплоты. Тогда количество теплоты, передаваемой газом при сгорания 1 кг топлива:

где — низшая теплота сгорания топлива, =42 500 кДж/кг

кДж/кг

В дизеле с наддувом для ограничения максимального давления сгорания принимаем меньшее значение степени повышения давления, чем в дизеле без наддува: .

Температуру в конце сгорания определяем из уравнения сгорания:

Решаем уравнение относительно ТZ и находим ТZ=7663,28 К.

Давление в конце сгорания:

МПа

Степень предварительного расширения:

Степень последующего расширения:

Процесс расширения

Показатель политропы расширения:

Давление в конце расширения:

МПа

Температура в конце расширения:

К

Проверим правильность ранее принятой температуры остаточных газов:

К

%

Допустимое значение 0,08%. Расчет выполнен верно, так как погрешность находится в допустимых значениях.

Таблица 1-результаты теплового расчета двигателя.

1. Аринин И. Н. Диагностирование технического состояния автомобилей. — М.: Транспорт, 1978. — 176 с.

2. Беднарский В. В. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей. — Ростов н/Д: Феникс, 2007. — 448 с.

3. Вахламов В. К. Основы конструкции. — М.: Академия, 2006. — 528 с.