Принцип работы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного двигателя

 

Дизель — это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от сжатия. Необходимый для процесса сгорания воздух сильно сжимается в камере сгорания, в резуль­тате чего в ней создается высокая темпе­ратура. Под ее действием впрыскивае­мое в камеру сгорания дизельное топли­во воспламеняется, и запасенная в нем химическая энергия преобразуется в цилиндре через теплоту в механическую работу. Вот о том, какие принципы заложены в работу дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

 

Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с высокоэффективным КПД (более 50% в крупных низкооборотных версиях). Связанные с этим низкий рас­ход топлива и низкая токсичность отработавших газов и уменьшенный предварительным впры­ском шум придают этим силовым агрега­там большое значение.

Дизель особенно адаптирован к над­дуву воздуха, что не только повышает выходную мощность и коэффициент по­лезного действия, но и, кроме того, уменьшает содержание вредных веществ в отработавших газах и снижает шум сгорания.

Для сокращения эмиссии NOx в лег­ковых и грузовых автомобилях часть отработавших газов возвращается во впускной тракт двигателя (рециркуляция отработавших газов). Чтобы получить еще более низкие выбросы NOx, возвращаемые отработавшие газы могут охлаждаться.

Дизели работают как по двухтактному, так и по четырехтактному принципу. Сегодня на автомобилях используются преимущественно четырехтактные дизели.

Дизельный двигатель может быть одно- или многоцилиндровым. При сгорании топливовоздушной смеси в камере сгорания повышается давление, под действием которого поршень 3 (рис. 1 «Четырехцилиндровый дизель без вспомогательных агрегатов«) начинает возвратно-поступательное движение в цилиндре 5. Этот принцип действия дал мотору наименование «поршневой двигатель».

 

Четырехцилиндровый дизель без вспомогательных агрегатов

Рис 1. : 1. Распределительный вал 2. Клапан. 3. Поршень. 4. Система впрыска. 5. Цилиндр. 6. Система рециркуляции отработавших газов. 7. Впускной трубопровод. 8. Нагнетатель воздуха 1в данном случае — турбо-нагнетатель). 9. Выпускной коллектор. 10. Система охлаждения. 11. Шатун. 12. Система смазки. 13. Блок цилиндров. 14. Коленчатый вал. 15. Маховик.

 

Шатун 11 превращает возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала 14. Маховик 15 на коленчатом валу облегчает переход поршней через мертвые точки и сглаживает неравномерность вращения, возникающую из-за последовательного сгорания топливовоздушной смеси в отдельных цилиндрах.

 

 

Четырехтактный процесс в дизеле

 

В четырехтактном дизеле (рис. 2 «Рабочий цикл четырехтактного дизеля«) клапа­ны механизма газораспределения управ­ляют впуском воздуха и выпуском ОГ. Они открывают или закрывают впуск­ные и выпускные каналы головки цилин­дров. Каждый впускной и выпускной ка­нал может иметь один, два или три кла­пана.

 

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рис. 2 : а — впуск; b — сжатие; с — рабочий ход; d — выпуск.  1. Впускной распределительный вал. 2. Форсунка. 3. Впускной клапан. 4. Выпускной клапан. 5. Выемка в днище поршня. 6. Поршень. 7. Стенка цилиндра. 8. Шатун. 9. Коленчатый вал. 10. Выпускной распределительный вал. а — угол поворота коленчатого вала. d — диаметр цилиндра. М — крутящий момент. s — ход поршня. Vc — объем камеры сгорания. Vh — рабочий объем. ВМТ — верхняя мертвая точка поршня. НМТ — нижняя мертвая точна поршня.

 

Первый такт — впуск (а)

 

Поршень 6, находящийся в верхней мер­твой точке (ВМТ), движется вниз и уве­личивает объем цилиндра. Дроссельная заслонка отсутствует, и воздух через от­крытый впускной клапан 3 поступает не­посредственно в цилиндр. В нижней мертвой точке (НМТ) поршня объем ци­линдра достигает своего максимального значения (Vh + Vc).

 

Второй такт — сжатие (Ь)

 

Клапаны механизма газораспределения закрыты. Движущийся поршень сжима­ет заключенный в цилиндре воздух, ко­торый, сообразно степени сжатия (от 6 у больших двигателей до 24 у двигателей легковых автомобилей), нагревается до высокой температуры, максимально до­ходящей до 900°С. В конце процесса сжа­тия форсунка впрыскивает топливо в ра­зогретый воздух под высоким давлением (в настоящее время приблизительно до 2000 бар).

В ВМТ поршня объем цилиндра до­стигает минимального значения (объем камеры сгорания Vc )

 

Третий такт — рабочий ход (с)

 

После задержки воспламенения (не­сколько градусов угла поворота коленча­того вала) начинается рабочий ход. Тон­ко распыленное дизельное топливо вос­пламеняется в сильно сжатом горячем воздухе в камере сгорания и сгорает, вследствие этого заряд топливовоздуш­ной смеси в цилиндре продолжает разо­греваться дальше и давление в цилиндре поднимается еще выше. Освобожденная при сгорании энергия определяется ко­личеством впрыснутого топлива (каче­ственное регулирование). Под действием давления поршень движется вниз, при этом тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Кривошипно-шатунный механизм преобразует кинетическую энергию поршня в энергию вращения коленчатого вала.

 

Четвертый такт — выпуск (d)

 

Уже незадолго до нижней мертвой точки поршня открыва­ется выпускной клапан 4. Диаграмма фаз распределения четырехтактного дизеляНаходящиеся под давлением горячие газы начинают выходить из цилиндра. Движущийся вверх поршень вытесняет остальные ОГ. После двух оборотов коленчатого вала новый рабочий цикл начинается с такта впуска.

Кулачки впуска и выпуска распреде­лительного вала служат для открытия и закрытия клапанов. У двигателей с од­ним распределительным валом движе­ние от кулачков чаще всего передается на клапаны с помощью коромысел. Фа­зы газораспределения включают н себя моменты открытия и закрытия клапа­нов по отношению к положению колен­чатого вала (рис. 4 «Диаграмма фаз распределения четырехтактного дизеля«), поэтому они указы­ваются в градусах угла поворота колен­чатого вала. Распределительный вал приводится от коленчатого вала зубчатым ремнем, цепью или набором шестерен. При четы­рехтактном процессе рабочий цикл со­вершается за два оборота коленчатого ва­ла, поэтому распределительный вал вра­щается с вдвое меньшей частотой, чем коленчатый. Передаточное отношение между коленчатым и распределительным валами составляет, таким образом, 2:1.

При переходе от такта выпуска к так­ту впуска все клапаны некоторое время открыты одновременно — этот момент называется перекрытием клапанов. При этом оставшиеся в камере сгорания отработавшие газы вытесняются свежим зарядом воздуха в выпускной коллектор, одновременно охлаждая цилиндр.

 

 

Сжатие

 

Зная рабочий объем Vh и объем камеры сгорания Vc можно определить степень сжатия ε:

ε = (Vh + Vc)/Vc

Величина степени сжатия в двигателе оказывает решающее влияние на:

  • Процесс холодного пуска;
  • Развиваемый крутящий момент;
  • Расход топлива;
  • Шумность работы дизеля;
  • Эмиссию отработавших газов.

 

Диаграмма повышения температуры при сжатииВ зависимости от конструкции двига­теля и типа смесеобразования степень сжатия дизелей для легковых и грузовых автомобилей составляет ε = 16-24. Эта величина значительно выше, чем у бензи­нового мотора ε = 7-13. Из-за ограни­ченных антидетонационных свойств бен­зина топливовоздушная смесь при высо­ком давлении сжатия в камере сгорания и возникающей при этом высокой темпе­ратуре самовоспламенялась бы неконт­ролируемым образом. Воздух в дизелях сжимается до 30-50 бар в двигателях без наддува и до 70-130 бар в двигателях с наддувом. Температура при этом дости­гает 700-900°С (рис. 3 «Диаграмма повышения температуры при сжатии«). Температура вос­пламенения для легковоспламеняющихся компонентов дизельного топлива состав­ляет около 250°С.

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *