Дизельный двигатель, названный в честь своего немецкого изобретателя Рудольфа Дизеля, является краеугольным камнем современной энергетики и транспорта. От огромных грузовых судов и локомотивов до большегрузных автомобилей и промышленных генераторов, четырехтактный дизельный двигатель почитается за свою исключительную эффективность, высокий крутящий момент и замечательную долговечность. Его основной принцип работы — воспламенение от сжатия — отличает его от бензиновых аналогов. В этой статье подробно рассматривается сложная работа дизельного двигателя.четырехтактный дизельный двигательс объяснением каждого этапа его цикла, его ключевых компонентов и термодинамических принципов, которые делают его столь эффективным.

Принципиальное различие: воспламенение от сжатия

Прежде чем рассматривать цикл работы двигателя, важно понять основное различие между дизельными и бензиновыми (с искровым зажиганием) двигателями. Бензиновый двигатель всасывает предварительно смешанную воздушно-топливную смесь и использует свечу зажигания для ее воспламенения в нужный момент. Четырехтактный дизельный двигатель, однако, работает по принципу...воспламенение от сжатияОно втягивает и сжимаеттолько воздухВо время такта сжатия топливо нагревается до чрезвычайно высокой температуры — значительно выше точки самовоспламенения дизельного топлива. Затем точно распыленное топливо впрыскивается непосредственно в этот перегретый воздух, вызывая его самопроизвольное воспламенение без искры. Именно такое высокое соотношение сжатия является секретом превосходной тепловой эффективности дизельного двигателя.

Четырехтактный дизельный цикл

«Ток хода» — это полный ход поршня от верхней точки цилиндра до нижней, или наоборот. Один полный цикл работы двигателя требует четырех таких ходов поршня и двух полных оборотов (720 градусов) коленчатого вала. Четыре хода в последовательности следующие:Впуск, степень сжатия, мощность и выпуск.

1. Такт впуска

• Поршневой механизм:Вниз (от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ)).

• Состояние Valve:Впускной клапан открыт.Выпускной клапан закрыт.

• Процесс:При движении поршня вниз внутри цилиндра создается вакуум (низкое давление). Впускной клапан открывается, позволяя свежему окружающему воздуху поступать в цилиндр. В современных двигателях турбокомпрессор или нагнетатель часто сжимают этот впускной воздух перед его поступлением, заставляя больше воздуха поступать в цилиндр — этот процесс известен как «принудительная индукция». Это увеличивает плотность воздушного заряда, позволяя сжигать больше топлива во время рабочего хода, тем самым повышая мощность и эффективность. На этом этапе топливо не подается.

2. Ход сжатия

• Поршневой механизм:Вверх (от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке).

• Состояние Valve:Оба впускных и выпускных клапана закрыты.

• Процесс:Впускной клапан закрывается, когда поршень начинает движение вверх. При герметичности обоих клапанов поршень сжимает захваченный воздух до ничтожно малой доли своего первоначального объема — объема зазора в верхней части цилиндра. Это адиабатическое сжатие (с минимальными потерями тепла) приводит к резкому повышению температуры и давления воздуха. В типичном четырехтактном дизельном двигателе степень сжатия составляет от 14:1 до 24:1 (по сравнению с 8:1 до 12:1 в бензиновых двигателях). К концу этого такта температура воздуха может достигать700–900°C (1300–1650°F)значительно выше температуры самовоспламенения дизельного топлива, которая составляет приблизительно210°C (410°F)Теперь все готово для впрыска топлива.

3. Рабочий ход (такт сгорания/расширения)

• Поршневой механизм:Вниз (от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке).

• Состояние Valve:Оба клапана остаются закрытыми.

• Процесс:Это тот самый приём, который позволяет совершать полезную работу.

  1. Впрыск и зажигание:Непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней мертвой точки (точки опережения впрыска), топливная форсунка высокого давления распыляет мелкодисперсный туман дизельного топлива непосредственно в камеру сгорания. Топливо впрыскивается под чрезвычайно высоким давлением (часто 20 000 фунтов на квадратный дюйм / 1400 бар или более в современных системах Common Rail), чтобы обеспечить его испарение и быстрое смешивание с перегретым воздухом. При контакте капли топлива самопроизвольно воспламеняются в результате контролируемого взрыва — это и естьвоспламенение от сжатия.

  2. Контролируемое сгорание:В отличие от практически мгновенного сгорания в бензиновом двигателе, сгорание дизельного топлива происходит в несколько этапов: задержка зажигания, быстрое неконтролируемое сгорание (предварительное смешивание) и контролируемое диффузионное сгорание. Форсунка продолжает распылять топливо в течение точно заданного времени, поддерживая постоянное давление на поршень. Эта особенность обуславливает высокий крутящий момент дизельного двигателя на низких оборотах.

  3. Расширение:Интенсивный нагрев от сгорания топлива повышает давление газа внутри цилиндра до огромного пика (более 100 бар). Это мощное давление с большой силой толкает поршень вниз. Линейная сила, действующая на поршень, передается через шатун на коленчатый вал, преобразуя ее в вращающий момент. Это единственный такт, который вносит энергию в четырехтактный дизельный двигатель; остальные три такта приводятся в движение инерцией маховика и мощностью других цилиндров.

  4. 
     

4. Такт выпуска

• Поршневой механизм:Вверх (от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке).

• Состояние Valve:Выпускной клапан открыт.Впускной клапан закрыт.

• Процесс:Когда поршень приближается к нижней точке рабочего хода, открывается выпускной клапан. Это инициирует «продувку выхлопных газов», при которой отработанные газы под высоким давлением быстро выходят в выпускной коллектор, вызывая характерный звук дизельного двигателя. Затем, двигаясь вверх, поршень удаляет оставшиеся продукты сгорания (углекислый газ, водяной пар, азот и твердые частицы) из цилиндра. Непосредственно перед достижением поршнем верхней мертвой точки (ВМТ) впускной клапан начинает открываться (этот момент называется «перекрытием клапанов»), чтобы начать подачу свежего воздуха для следующего цикла. Затем выпускной клапан закрывается, и четырехтактный цикл начинается заново со следующего такта впуска.

Ключевые вспомогательные компоненты

• Система впрыска топлива:Сердце четырехтактного дизельного двигателя. Оно должно подавать точно дозированное количество топлива в точно заданный момент и под давлением, достаточным для преодоления давления в цилиндре и обеспечения мелкодисперсного распыления. В современных системах для максимальной точности используются электронно-управляемые форсунки (EUI) или системы Common Rail.

• Турбокомпрессор:Турбина, приводимая в движение выхлопными газами, вращает компрессорное колесо на впускной стороне. Она подает больше воздуха в цилиндры, значительно увеличивая мощность и эффективность («уменьшение размеров») и способствуя снижению выбросов.

• Интеркулер (охладитель наддувочного воздуха):Охлаждает сжатый, плотный воздух из турбокомпрессора перед его попаданием в цилиндр. Более холодный воздух плотнее, содержит больше кислорода и менее склонен к преждевременному воспламенению (детонации), что позволяет безопасно сжигать больше топлива.

• Свечи накаливания:Небольшие электрические нагреватели в камере сгорания используются во многих автомобильных дизельных двигателях. Они предварительно нагревают воздух в камере сгорания во время холодного запуска, чтобы обеспечить достижение сжатым воздухом необходимой температуры воспламенения, когда двигатель холодный. Как правило, они не требуются, когда двигатель прогрет.

Преимущества и соображения

Преимущества:

• Высокая эффективность:Четырехтактные дизельные двигатели имеют термический КПД 30-40%, часто превосходящий бензиновые двигатели, благодаря высокой степени сжатия и работе в режиме обедненной смеси (избыток воздуха).

• Высокий крутящий момент:Длинный рабочий ход и высокое давление сжатия обеспечивают значительный крутящий момент, особенно на низких оборотах, что делает их идеальными для перевозки тяжелых грузов.

• Прочность и долговечность:Благодаря повышенной прочности, позволяющей выдерживать высокое давление сжатия, они, как правило, имеют более длительный срок службы.

• Экономия топлива и снижение выбросов CO2:Дизельное топливо обладает более высокой плотностью энергии, а эффективность двигателя приводит к лучшей экономии топлива и снижению выбросов углекислого газа на километр пробега.

Соображения:

• Выбросы:Традиционные проблемы включают повышенные выбросы оксидов азота (NOx) из-за высоких температур сгорания и твердых частиц (сажи). Современные решения, такие как рециркуляция отработавших газов (EGR), сажевые фильтры (DPF) и селективное каталитическое восстановление (SCR) с использованием дизельной жидкости (DEF/AdBlue), сделали современные дизельные двигатели удивительно чистыми.

• Шум и вибрация:При воспламенении от сжатия происходит более резкое повышение давления, что приводит к характерному «дизельному стуку» и усилению вибрации, хотя современные инженерные решения значительно уменьшили эти проблемы.

• Вес и стоимость:Необходимость в прочной конструкции и сложных системах контроля выбросов делает их тяжелее и дороже на начальном этапе, чем аналогичные бензиновые двигатели.

• 
  

Ончетырехтактный дизельный двигательЭто шедевр механической и термодинамической инженерии. Его элегантный цикл — всасывание чистого воздуха, его сжатие до экстремально высоких температур, впрыск топлива для самовозгорания и использование мощного расширения — обеспечивает сочетание эффективности, крутящего момента и долговечности, которое остается непревзойденным для многих сложных применений. Несмотря на значительные проблемы с контролем выбросов, постоянное совершенствование точности впрыска топлива, турбонаддува и технологий нейтрализации отработавших газов гарантирует, что...четырехтактный дизельный двигательОстается жизненно важным и постоянно развивающимся источником энергии в глобальном масштабе. Понимание принципов его работы позволяет в полной мере оценить инновации, которые лежат в основе работы большей части тяжелой техники и транспорта в мире.