АвтоМИР — Всё про автомобили

Как работает дизельный двигатель?

История дизельного двигателя

История дизеля начинается почти с изобретения бензинового двигателя. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель в 1876 году, который использовал принцип четырёхтактного сгорания, также известный на западе как «цикл Отто«, и это основная предпосылка для большинства автомобильных двигателей сегодня. В своей ранней стадии, однако, бензиновый двигатель был крайне неэффективным в своей работе, поэтому в те времена ещё долгое время широко использовался паровой двигатель для транспортировки всего, что было нужно транспортировать. Главным недостатком в работе обоих двигателей было то, что они эффективно использовали только около 10 процентов топлива из всего поступающего топлива в эти типы двигателей. Остальная часть просто превращалась в бесполезное тепло, а бензин выходил с выхлопом не сгоревшим.

Дизельный двигатель Porsche Cayenne S 2013 модельного года

Уже через 2 года — в 1878 году — Рудольф Дизель во время посещения политехнической средней школы в Германии (эквивалент инженерного университета в России) узнал о низкой эффективности работы бензиновых и паровых двигателей. Эта тревожная информация вдохновила его на создание двигателя, который мог бы работать с более высокой эффективностью, и он посвятил бóльшую часть своего времени на развитие такой технологии, которая бы позволила расходовать природные ресурсы нашей планеты гораздо эффективнее. И вот, наконец, только к 1892 году Дизель получил патент за то, что мы сегодня называем дизельным двигателем.

Рудольф Дизель и изобретённый им дизельный двигатель

Но если дизельные двигатели работают настолько эффективно, почему бы нам не использовать их чаще? Почему бы нам, в конце концов, не использовать только их? Вы можете увидеть слова «дизель», «солярка» и подумать о здоровенных грузовых автомобилях, извергающих из длинной выхлопной трубы чёрный, закопчённый дым при работе двигателями и создавая при этом довольно громкий гремящий шум. Этот негативный образ дизельных грузовиков сделал дизель менее привлекательным для обычных водителей в нашей стране, хотя дизель отлично подходит для перевозки крупных партий на большие расстояния, он практически никогда не был лучшим выбором для легковых автомобилей. Тем не менее, на сегодняшний день ситуация начинает меняться, и дизелем комплектуются даже заряженные версии легковых авто и изредка даже спортивные машины, так как современные технологии значительно улучшили дизельный двигатель, сделав его намного чище (экологичнее) и менее шумным.

А это дизельный двигатель большого теплохода мощностью около 10 000 лошадиных сил

Объясняя, как работает дизельный двигатель, мы будем опираться на то, что Вы уже знаете, как работает бензиновый четырёхтактный двигатель. Поэтому, если Вы ещё не сделали этого, Вам, вероятно, будет лучше прочитать сначала соответствующую статью, чтобы получить ряд знаний и азов по основам двигателя внутреннего сгорания.

Дизель против бензина

(Основная статья-сравнение бензинового и дизельного двигателей)

В теории дизельный и бензиновый двигатели очень похожи. Они оба являются двигателями внутреннего сгорания, предназначенными для преобразования химической энергии топлива в доступную для дальнейшего движения автомобиля механическую энергию. Эта механическая энергия получается за счёт движения поршней вверх и вниз внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом через шатуны, а сам коленвал имеет форму зигзага — получается, что линейное движение поршней создаёт вращательное движение коленвала, необходимое, чтобы повернуть колёса автомобиля и привести его (авто) в движение.

При этом, и дизельный, и бензиновый двигатели превращают топливо в механическую энергию через серию небольших взрывов, которые выталкивают поршни, заставляя их двигаться. Основное различие между дизелем и бензиновым «движком» заключается в том, что провоцирует эти взрывы. В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и возгорается от искры, которая появляется от свечей зажигания. В дизельном двигателе, однако, сначала поршнем сжимается воздух, и только затем топливо впрыскивается. Так как воздух нагревается, когда он сжимается, топливо воспламеняется.

Как работает дизельный двигатель?

Анимация ниже показывает, как работает дизельный двигатель, в действии — также 4 цикла работы. Вы можете сравнить его с анимацией работы бензинового двигателя и увидеть различия.

Дизельный двигатель использует четырёхтактный цикл сгорания:

  1. Такт впуска — когда открывается впускной клапан, впуская воздух. В это время поршень движется вниз, засасывая воздух.
  2. Такт сжатия — поршень движется вверх и сжимает воздух, которому некуда деваться, так как впускной клапан закрылся.
  3. Такт воспламенения — когда поршень достигает вершины (верхней мёртвой точки, ВМТ), топливо впрыскивается в нужное время и воспламеняется, сильно толкая поршень вниз.
  4. Такт выпуска отработавших газов — поршень снова движется вверх, выталкивая выхлопные газы, созданные при сгорании топливо-воздушной смеси, из выпускного клапана.

Вот все 4 цикла работы дизельного двигателя, но ещё проще:

Следует помнить, что дизельный двигатель, в отличие от бензинового, не имеет свеч зажигания, а также впускает в цилиндры сначала воздух, а затем солярку (в цилиндры бензинового двигателя топливо-воздушная смесь поступает уже готовой). Именно тепло сжатого воздуха зажигает топливо в дизельном двигателе.

Интересный момент: при своей работе топливо-воздушная смесь в дизельном двигателе сжимается гораздо сильнее, чем в бензиновом — если бензиновый двигатель сжимает топливо и воздух в соотношении от 8:1 до 12:1, то дизельный двигатель сжимает воздух в соотношении от 14:1 до более, чем 25:1.

Инжектор (форсунки) в дизеле

Одна большая разница между дизельным двигателем и бензиновым двигателем заключается в процессе впрыска топлива. Большинство автомобильных двигателей используют инжектор для этого (или в редких уже на сегодняшний день случаях карбюратор). Инжектор впрыскивает топливо непосредственно перед тактом впуска (вне цилиндра). Карбюратор смешивает воздух и топливо задолго до того, как воздух поступает в цилиндр. В двигателе автомобиля, таким образом, все топливо загружается в цилиндр во время такта впуска, а затем сжимается поршнем. Сжатие топливо-воздушной смеси ограничивает степень сжатия двигателя — если сжать слишком много воздуха, то смесь топлива и воздуха спонтанно воспламенится и испортит двигатель, так как такт воспламенения начнётся раньше того момента, когда поршень достигнет верхней точки.

Дизельные двигатели используют непосредственный впрыск топлива — дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр уже после того, как туда попадёт воздух. Инжектор или, как правильнее, топливные форсунки в дизельном двигателе является наиболее сложным компонентом и, нужно отметить, предметом большой доли экспериментов — в каждом конкретном двигателе инжектор может быть расположен в самых различных, а иногда и неожиданных местах. Инжектор должен быть способен выдерживать температуру и давление, которое создаётся внутри цилиндра, а ещё он должен смочь доставить топливо в виде мелкодисперсного тумана. Сделать так, чтобы этот туман, попадая в цилиндр, равномерно распределялся по нему, является большой проблемой, вот почему ряд дизельных двигателей используют специальные индукционные клапаны, камеры предварительного сгорания или другие устройства, чтобы создать завихрение воздуха в камере сгорания или иначе улучшить процесс зажигания и горения.

Работа топливной форсунки

Некоторые дизельные двигатели всё же содержат свечу. Когда дизельный двигатель холодный, процесс сжатия может не поднять до достаточно высокой температуры для воспламенения топлива сжатый воздух. Специальная свеча накаливания в дизеле по сути является проводом для электрического подогрева (представьте горячие проводки, которые Вы видели в тостере), который нагревает камеру сгорания и повышает, тем самым, температуру воздуха, когда двигатель холодный, так чтобы двигатель мог завестись.

Все функции в современном дизельном двигателе контролируются компьютером и продуманным набором датчиков, измеряющих практически всё: от оборотов коленчатого вала до системы охлаждения двигателя и температуры масла и даже положение двигателя относительно горизонта. Свечи накаливания используются редко сегодня на более мощных двигателях. Вместо них используются другие технологии, самая распространённая из которых — это более сильное сжатие воздуха (для большего нагрева) и более поздний впрыск топлива.

Тем не менее, в ряде дизельных двигателей не представляется возможным решить проблему запуска в холодную погоду указанным выше способом. Кроме того, есть двигатели, которые не имеют такие продвинутые технологии управления компьютером. Потому использование свечей накаливания для двух случаев выше решает проблему холодного запуска.

Дизельное топливо

Любое нефтяное топливо берёт своё начало из сырой нефти, которая, естественно, добывается из земли. Далее сырая нефть перерабатывается на нефтеперерабатывающих заводах и может быть разделена на несколько разных видов топлива, в том числе бензин, реактивное топливо, керосин и, конечно же, дизельное топливо (солярку).

Если Вы хоть раз пытались сравнить дизельное топливо и бензин, то Вы знаете, что они сильно разные. Даже их запах сильно отличается. Дизельное топливо тяжелее и более жирное. Оно испаряется значительно медленнее, чем бензин, а температура его кипения на самом деле выше, чем температура кипения воды. Вы, вероятно, часто слышали, что дизельное топливо называют «соляркой» — это потому что оно такое жирное (есть такое вещество — соляровое масло, и его раньше часто сравнивали с дизельным топливом).

Дизельное топливо испаряется медленнее, потому что оно тяжелее. Оно содержит больше углеродоатомов в длинных цепочках, чем бензин (бензин, как правило, имеет химическую формулу C9H20 (но может иметь и другую в зависимости от марки, октанового числа и т.п.), в то время как дизельное топливо, как правило, характеризуется формулой C14H30). Требуется меньшее время и количество этапов переработки для создания дизельного топлива, и поэтому оно как бы должно быть дешевле, чем бензин. Но в последние годы, однако, спрос на дизель поднялся по нескольким разным причинам, в том числе из-за повышенной индустриализации и строительства в нашей стране, и потому на сегодняшний день дизельное топливо стоит дороже бензина.

Дизельное топливо имеет более высокую так называемую плотность энергии, чем бензин. В среднем, 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит около 155×106 джоулей энергии, в то время как 1 галлон бензина содержит 132×106 джоулей. Это, в сочетании с повышенной эффективностью дизельных двигателей за счёт большей степени сжатия, объясняет, почему дизельные двигатели расходуют намного меньше топлива, нежели эквивалентные им бензиновые двигатели.

Дизельное топливо используется для питания широкого спектра транспортных средств и другой техники. Сюда, прежде всего, нужно включить, конечно же, дизельные грузовики, которые Вы видите крейсерящими по шоссе, но также дизель помогает двигаться лодкам, школьным автобусам, поездам, кранам, сельскохозяйственному оборудованию и тракторам, генераторам электричества и многой-многой другой технике. Подумайте о том, насколько важен дизель в экономике — без высокой эффективности дизельного топлива строительная индустрия и сельскохозяйственные предприятия страдали бы от требуемых инвестиций в топлива с низким энергопотреблением и эффективностью. Около 94 процентов грузов во всём мире — будь то отправленные грузовиками, поездами или кораблями — доставляются в конечные точки именно за счёт дизельного топлива.

Улучшение дизельного двигателя и дизельного топлива

С точки зрения окружающей среды дизель имеет и плюсы, и минусы. Плюс — дизель испускает очень небольшое количество угарного газа, углеводородов и углекислого газа — выбросов, более всего приводящих к глобальному потеплению. Минус — большие количества соединений азота и твёрдых частиц (сажи) высвобождаются во время сжигания дизельного топлива, что приводит к выпадению кислотных дождей, смогу и неудовлетворительному состоянию здоровья.

Во время большого нефтяного кризиса в 1970-х годах, европейские автомобильные компании начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого использования в качестве альтернативы бензину. Однако, те, кто попробовал их, были разочарованы — двигатели были очень громкими, и, когда потребители дизеля осматривали свои машины, то могли обнаружить их покрытыми чёрной копотью — той же сажи, ответственной за смог в больших городах.

За последние 30 до 40 лет, однако, огромные улучшения были сделаны в работе дизельного двигателя и чистоты дизельного топлива. Прямые впрыскивающие устройства в настоящее время контролируются передовыми компьютерами, которые контролируют сгорание топлива, повышение эффективности сокращения выбросов. Гораздо лучше рафинированные виды дизельного топлива, такие как дизтопливо с ультра низким содержанием серы в топливе (ULSD) снижает количество вредных выбросов. А модернизации двигателей, чтобы сделать их совместимыми с чистым топливом, становятся простой задачей. Другие технологии, такие как фильтры твёрдых частиц и каталитические нейтрализаторы, сжигают сажу и сокращают выбросы твёрдых частиц, оксида углерода и углеводородов на целых 90 процентов. Постоянно совершенствуя стандарты для экологически чистого топлива, Европейский Союз также будет толкать автоотрасль работать усерднее над снижением выбросов.

Вы может также слышали такой термин как «биодизель«. Это то же самое, что дизельное топливо? Биодизель является альтернативой или добавкой к дизельному топливу, которая может использоваться в дизельных двигателях практически без модернизации самих двигателей. При этом, как видно из названия, биодизель изготавливается не из нефти, вместо этого он приходит к нам из растительных масел или животных жиров, которые были химически изменены. Интересный факт: сам Рудольф Дизель изначально рассматривал растительное масло в качестве топлива для своего изобретения.

Биодизель может быть использован либо в сочетании с обычным дизельным топливом, либо полностью самостоятельно. Вы можете прочитать больше об альтернативных видах топлива.


Как работает дизельный двигатель? Видео 

Дизельный двигательДвигательРабота двигателя Ведь друзья тоже любят интересные статьи!

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>