Как сгорает топливо в дизельном двигателе
Перейти к содержимому

Как сгорает топливо в дизельном двигателе

  • автор:

Процесс сгорания топлива в дизелях

Что же такое горение топлива? Это почти мгновенное окисление топлива с большим количеством выделяемой тепловой энергии и возгоранием.

Определение горения топлива

Химическая энергия в этом процессе преобразуется в тепловую, что и используется для работы двигателя. При всасывании в цилиндр извне поступает воздух, потом сжимается поршнем, создавая давление до 60 кг/см2.

Повышение давления нагревает воздух до 750 градусов, и вот в эти условия с еще большим давлением форсунками впрыскивается солярка. По сути, это распыленная смесь, она смешивается с горячим воздухом и воспламеняется в данных условиях. Такую температуру внутри цилиндра дизельного воздух приобретает в результате очень большого сжатия.

В следующей таблице представлены параметры сжатия и наибольшего давления, нужного для сгорания солярки в различных дизельных двигателях:

Правильное сгорание топлива

Происходит оно только при полном испарении топливной смеси внутри цилиндра.

Пропорции топлива и всасываемого воздуха должны оставаться одинаковыми внутри цилиндра. За это отвечает правильно настроенная топливная аппаратура двигателя и правильный подбор марки топлива, с учетом нужных качеств:

  • фракционный состав;
  • вязкость;
  • плотность и так далее.

Форсунки производят тонкое распыление, чтобы топливная смесь полностью сгорела и испарилась. Если какой-то процент топлива перед воспламенением находится в каплевидной форме, возгорание произойдет с задержкой вплоть до того момента, когда должен быть выпуск газов из цилиндра. Данная ситуация приведет к перегреву двигателя и падению мощности.

Малое количество воздуха также станет причиной неполного сгорания топливной смеси. Чтобы этого избежать, воздух в цилиндр поступает даже с запасом.

Теория и практика расчетов

Согласно расчетам, чтобы обеспечить хорошее сгорание, нужно на каждый килограмм топлива подать 14,5 килограмм воздуха. Но поскольку на практике необходим избыток, то воздух поступает в объеме больше, чем расчетное число. А вся причина в том, что от момента впрыска до возгорания смеси проходит всего 0,004 секунды. Это очень маленький промежуток времени для полноценного перемешивания топлива. С другой стороны, неполное сгорание топлива приводит к выхлопным газам с дымом.

Если поделить фактический объем воздуха, нужный для нормальной работы двигателя, на расчетный теоретический, то результатом станет коэффициент избытка воздуха. Его обозначают начальной греческой буквой «альфа».

К примеру, цилиндру двигателя для нормальной работы необходимо 24 килограмма воздуха, расчетное число в теории 14,5 кг. Производим расчет коэффициента альфа у такого дизеля: 24:14,5=1,66.

Очень большой альфа-коэффициент приведет к тому, что энергия топлива нагреет сначала воздух, температура сгорания понизится, соответственно, произойдет падение мощности двигателя.

Есть 3 фазы воспламенения топлива от сжатия:

  • задержка воспламенения (в зависимости от выбора марки топлива и хорошо настроенного распыления);
  • быстрое сгорание топлива приводит к росту давления (зависит от количества впрыскиваемого горючего и скорости, с которой пламя распространяется);
  • замедление управляемое горение (зависит от скорости подачи топлива и скорости предыдущих фаз).

Главная характеристика дизельного топлива

Теплота сгорания считается основным параметром для любой марки солярки. Измеряется в калориях тепла на единицу объема или массы горючего. Есть высшая и низшая теплота сгорания. Высшая – учитывает выделяемое тепло от сгорания топлива и конденсации воды. Низшая учитывает только тепло от сгорания топлива, конденсация воды в расчёт не берется. Разница между этими двумя параметрами не превышает 10%.

В расчётах и оценке свойств солярки учитывают низшую теплоту сгорания. Если её выражают в килограммах, считается весовой (ккал/кг). Если топливо рассчитывают в литрах – объемной (ккал/л).

  • 1 кг солярки выделяет 10200 ккал тепла;
  • 1 кг угля антрацита – 8000 ккал;
  • 1 кг дров из берёзы – 4700 ккал.

Качество сгорания дизельного топлива оценивается посредством цетанового числа.

Как работает дизельный двигатель

В данной статье описаны основные процессы, связанные с внутренним сгоранием топлива, рассказывается о четырёхтактном цикле, а также обо всех подсистемах благодаря которым происходит работа двигателя.

Содержание статьи

  1. Введение
  2. Сравнение дизельных и бензиновых двигателей
  3. Система впрыска дизельного топлива
  4. Дизельное топливо
  5. Улучшение качества дизельного топлива и Биодизель
  6. Узнать больше
  7. Читайте также » Статьи про все типы двигателей

В данной статье описаны основные процессы, связанные с внутренним сгоранием топлива, рассказывается о четырёхтактном цикле, а также обо всех подсистемах, благодаря которым происходит работа двигателя.

История дизеля начинается с изобретения бензинового двигателя. В 1876г. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель. В основе работы его модели лежал четырехтактный цикл сгорания топлива, также известный как «Цикл Отто», который используется в большинстве современных автомобильных двигателей. На первых порах бензиновый двигатель не обладал большой эффективностью, как и его основные конкуренты, например, паровой двигатель. В таких двигателях лишь 10% топлива реально использовалось для движения автомобиля. Остальное же топливо производило бесполезное тепло.

В 1878г. на занятиях в Высшей политехнической школе в Германии (аналог инженерного колледжа) Рудольф Дизель узнал о низком КПД бензиновых и паровых двигателей. Эта проблема вдохновила его на создание более производительного двигателя. Спустя много лет, в 1892г. Дизель запатентовал одноименный «Мощный двигатель внутреннего сгорания».

Но если дизельные двигатели более эффективные, почему бензиновые более популярные? Представляя себе дизельный двигатель, Вы, скорее всего, подумаете об огромном грузовике, который извергает черный грязный дым и сильно шумит. Именно по этим причинам в США автомобилистам и не нравится дизель. Несмотря на то, что этот тип двигателя превосходно подходит для перевозки грузов на большие расстояния, дизельные автомобили редко покупают для повседневной езды. Однако прогресс не стоит на месте, и идет модернизация дизельного двигателя для уменьшения загрязнения атмосферы и снижения уровня шума.

Если Вы еще не знаете, то, скорее всего, Вам будет интересно сперва узнать, «Как работает автомобильный двигатель», чтобы иметь общее представление о процессе внутреннего сгорания топлива. Когда прочитаете, возвращайтесь на эту страницу и узнаете все о секретах работы дизельного двигателя и последних инновациях.

КПД 4,5-литрового двигателя Duramax V-8 на 25% выше по сравнению с бензиновыми, при этом выхлопы намного чище.

Рудольф Дизель, изобретатель дизельного двигателя.

Сравнение дизельных и бензиновых двигателей

По большому счету, дизельные и бензиновые двигатели имеют схожее устройство. И те, и другие являются двигателями внутреннего сгорания, преобразующие химическую энергию топлива в механическую. Эта механическая энергия перемещает поршни вверх-вниз внутри цилиндров. Поршни соединяются с коленвалом, и их линейное движение преобразуется в круговое движение, которое необходимо для вращения колес.

Как дизельный, так и бензиновый типы двигателей преобразуют топливо в энергию посредством серии взрывов или сгораний. Основное различие дизельных и бензиновых двигателей состоит в том, как происходят эти взрывы. В бензиновых двигателях подаваемая смесь топлива и воздуха сжимается во время хода поршня и воспламеняется искрой свечи. В дизельном же двигателе сначала происходит сжатие воздуха, затем происходит подача топлива. Нагреваемый при сжатии воздух воспламеняет топливо.

Ниже представлена анимация, наглядно демонстрирующая цикл дизеля. Сравните с анимацией цикла бензинового двигателя для того, чтобы увидеть основные различия.

В дизельном двигателе, как и в бензиновом, используется четырехтактный цикл сгорания топлива. Четыре такта работы:

Такт впуска — Впускной клапан открывается, происходит впуск воздуха и движение поршня вниз. ­
Такт сжатия — Поршень движется вверх, сжимая воздух.
Рабочий такт — Как только поршень достигает верхней точки, происходит впуск и возгорание топлива, при этом поршень движется вниз.
Такт выпуска — Поршень снова движется вверх, выталкивая продукты сгорания через выпускной клапан.

Необходимо помнить, что в дизельных двигателях не используются свечи зажигания, т.к. происходит впуск и сжатие воздуха, затем впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания (прямой впрыск). В дизельном двигателе возгорание топлива происходит за счет тепла сжатого воздуха. В следующем разделе статьи представлен процесс впрыска дизельного топлива.

Система впрыска дизельного топлива

Существенным различием между дизельным и бензиновым двигателем является процесс впрыска топлива. В большинстве автомобильных двигателей используется впрыск во впускные каналы или карбюратор. При впрыске во впускные каналы, топливо поступает до начала такта впуска (вне цилиндра). В карбюраторе происходит смешивание воздуха и топлива до их попадания в цилиндр. Следовательно, в бензиновом двигателе топливо поступает в цилиндр в течение такта впуска, затем происходит сжатие. Степень сжатия смеси топливо-воздух определяет компрессию двигателя – если воздух слишком сильно сжать, смесь топливо-воздух самопроизвольно воспламеняется, вызывая детонацию. При этом происходит резкое повышение температуры, что может привести к повреждениям двигателя.

В дизельных двигателях используется система прямого впрыска топлива — дизельное топливо поступает непосредственно в цилиндр.

Дизельная форсунка является наиболее сложной деталью двигателя, которая претерпела многочисленные изменения. Расположение форсунки зависит от конкретного двигателя. Форсунка должна противостоять высокой температуре и давлению внутри цилиндра, распыляя при этом топливо. Равномерное распределение распыленного топлива в цилиндре также представляет собой сложную задачу, для этого на некоторых дизельных двигателях устанавливаются впускные клапаны, камеры предварительного сгорания и другие устройства, способствующие образованию вихревого потока воздуха для улучшения процесса сгорания топлива.

В некоторых дизельных двигателях используются свечи накаливания. В холодном двигателе процесс сжатия воздуха не всегда может обеспечить температуру, необходимую для воспламенения топлива. Свеча накаливания представляет собой электрически нагреваемую проволоку (аналогичные проволоки используются в тостерах), которая повышает температуру камеры сгорания, что способствует запуску даже холодного двигателя. По словам высококвалифицированного специалиста по тяжелому оборудованию Клэя Бротертора:

Все функции современных дизельных двигателей контролируются электронной системой управления, которая представляет собой блок датчиков для измерения всех показателей, от оборотов двигателя, температуры масла и охлаждающей жидкости до точного положения поршня (верхней мертвой точки). Свечи накаливания редко используются в больших двигателях. Электронная система управления отслеживает температуру окружающего воздуха, задерживая запуск двигателя в холодную погоду. При этом впрыск топлива происходит позже, чем обычно. Воздух в цилиндре сжимается сильнее, создавая больше тепла, что способствует запуску.
В небольших двигателях и двигателях без сложной электронной системы управления используются свечи накаливания для решения проблемы холодного запуска.

Необходимо помнить, что механическая конструкция не является единственным отличием дизельного двигателя от бензинового. Само топливо также отличается.

Дизельное топливо

Сырая нефть является естественным природным образованием. В процессе переработки нефти может быть получено несколько видов топлива, включая бензин, авиационное топливо, керосин и, конечно же, дизель.

Если сравнить бензиновое и дизельное топливо, можно легко найти отличия. Они имеют разный запах. Дизельное топливо более тяжелое и маслянистое. Дизель испаряется значительно медленнее бензина – его точка кипения значительно выше, чем у воды. Дизель напоминает жидкое масло.

Испарение дизеля происходит медленнее, т.к. он тяжелее. Он содержит больше атомов углерода в более длинных цепочках, чем бензин (цепочка бензина C9H20, тогда как у дизеля уже C14H30). Для производства дизеля требуется меньше очистки, поэтому он дешевле бензина. Однако с 2004г. спрос на дизельное топливо увеличился по нескольким причинам, включая активное развитие промышленности и строительства в Китае и США [Источник: Управление по энергетической информации министерства энергетики США].

Энергетическая плотность дизеля значительно выше, чем у бензина. В среднем, 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит 155×10 6 Дж (147000 БТЕ), в то время как 1 галлон бензина содержит123×10 6 Дж (125000 БТЕ).

Энергетическая плотность и эффективность дизельных двигателей объясняют экономный расход топлива, по сравнению с аналогичными бензиновыми двигателями.

Дизельное топливо используется в различных сферах деятельности. Помимо грузовиков, несущихся по шоссе, оно также незаменимо в лодках, автобусах, поездах, кранах, фермерском хозяйстве, автомобилях аварийно-спасательных служб и силовых генераторах. Дизель настолько важен для экономики, что без него промышленность и сельское хозяйство мгновенно пострадали бы из-за больших инвестиций в альтернативное топливо с низкой мощностью и эффективностью. Около 94 % грузоперевозок в поездах, фурах и на кораблях зависят от дизеля.

Что касается вопросов экологии, у дизельного топлива есть свои преимущества и недостатки. Среди преимуществ следует отметить тот факт, что дизель выпускает незначительное количество угарного, углекислого газов и углеводородов, которые способствуют глобальному потеплению. К недостаткам можно отнести высокое количество выделяемых азотных соединений и сажи, которые становятся причиной кислотных дождей, смога и плохого самочувствия. На следующей странице представлена информация о последних разработках по устранению недостатков дизеля.

Улучшение качества дизельного топлива и Биодизель

Во время нефтяного кризиса 1970-х гг., автомобильные компании Европы начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого транспорта как альтернативу бензиновым. Те, кто попробовал перейти на дизельные двигатели, были разочарованы — двигатели работали очень громко, возвращаясь домой, водители обнаруживали, что автомобили полностью покрыты сажей, из-за которой в крупных городах образовывался смог.

Однако за последние 30-40 лет были значительно улучшены показатели двигателей и чистота топлива. Прямой впрыск топлива контролируется сложными компьютерами, благодаря чему увеличивается КПД двигателей, снижается количество вредных выбросов. Высокоочищенный дизель, такой как топливо со сверхнизким содержанием серы, позволяет уменьшить количество вредных выбросов и выйти на уровень экологически чистого топлива. Среди других технологий следует отметить сажеуловитель с постоянной регенерацией, в котором используются фильтры и каталитический нейтрализатор отработавших газов. Происходит сжигание сажи и снижение выбросов угарного газа и углеводородов до 90% [Источник: Форум дизельных технологий]. Благодаря постоянному ужесточению экологических стандартов топлива, Европейских Союз подталкивает автомобильную промышленность к решению вопроса снижения выбросов.

Скорее всего, все слышали о биодизеле. Отличается ли он от обычного дизеля? Биодизель является альтернативным топливом или присадкой для дизельных двигателей, использование которых не предполагает значительных изменений конструкции двигателя. Биодизель не является продуктом переработки нефти, он получается из растительных масел или животных жиров после химического изменения. (Интересный факт: Рудольф Дизель изначально планировал использования масла семян овощей в качестве топлива для своего изобретения.) Биодизель добавляют в обычный дизель или используют в качестве отдельного топлива.

Принцип действия дизельного двигателя

Принцип действия дизельного двигателя

Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с КПД более 50%. Большое значение этому агрегату дают низкий расход топлива и низкая токсичность. Дизельный двигатель адаптирован к наддуву воздуха — за счет этого повышается мощность, кпд и уменьшается содержание вредных веществ в отработанном газе (ОГ). Дизели работают по двухтактному и четырехтактному принципу. Но большинство автомобилей сегодня используют четырехтактный принцип.

Принцип действия

Дизельный двигатель может быть одноцилиндровым или многоцилиндровым. При сгорании дизельного топлива в камере сгорания повышается давление, которое заставляет поршень совершить возвратно-поступательное действие в цилиндре. Этот принцип действия называется «поршневой двигатель». Шатун преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленвала. Маховик на коленвале сглаживает неравномерное вращение из-за последовательного сгорания топлива в отдельных цилиндрах.

Четырехтактный процесс

тнвд-ростов.jpg

Рисунок 1- Четырехтактный процесс а — такт впуска; б — такт сжатия; в — рабочий ход; г — такт выпуска; 1— впускной клапан; 2 — форсунка; 3 — выпускной клапан; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 —топливный насос высокого давления

Первый такт — впуск

Поршень, находящийся в верхней точке, начинает движение вниз и увеличивается объем цилиндра. Через открытый впускной клапан в цилиндр засасывается воздух. В нижней мертвой точке поршня, объем цилиндра становится максимально допустимым.

Второй такт — сжатие

Впускной клапан закрыт и поршень, начиная своё движение, сжимает воздух, который от степени сжатия начинает нагреваться до высокой температуры (максимально доходящей до 900 С). В конце процесса сжатия в разогретый воздух форсункой впрыскивается топливо. В верхней мертвой точке поршня объем цилиндра достигает минимальное значение.

Третий такт — рабочий ход

После задержки воспламенения (это связано с углом поворота коленвала) происходит рабочий ход. Топливо в сильно сжатом воздухе воспламеняется и сгорает в камере сгорания. Из-за этого заряд топливовоздушной смеси, созданной ТНВД, разогревается и давление поднимается выше. Количество впрыснутого топлива определяется количество освобожденной при сгорании энергии. Под действием давления поршень опускается вниз и тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Кривошипно-шатунная система переводит кинетическую энергию поршня в энергию вращения коленвала.

Четвертый такт — выпуск

  • процесс холодного пуска;
  • крутящий момент;
  • расход топлива;
  • шумность работы;
  • эмиссию отработанных газов.

Принцип работы двигателя определил наличие следующих систем:

кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня под воздействием давления газов во вращательное движение коленчатого вала;

механизм газораспределения, предназначенный для своевременного наполнения цилиндров горючей смесью или воздухом и выпуска отработавших газов в атмосферу;

система смазки, предназначенная для очистки и подачи к трущимся сопряженным поверхностям двигателя необходимого для смазки и охлаждения этих поверхностей количества масла;

система охлаждения, служащая для охлаждения всех нагреваемых деталей двигателя путем отвода от них тепла;

система питания, предназначенная для подачи в цилиндры дозированного количества топлива или горючей смеси в распыленном состоянии;

система пуска, предназначенная для быстрого и уверенного запуска двигателя при любых температурных условиях.

Принцип работы и устройство дизельного двигателя

Конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики предопределили страсть или отторжение автомобилистов по отношению к агрегатам на «тяжелом топливе». Так как же работает дизельный двигатель, каково его устройство, принцип работы и преимущества?

Shutterstock / VOSTOCK Photo

Времена, когда автомобиль с дизельными моторами ассоциировались с чадящими и тихоходными, давно остались за поворотом. Каждый автомобилист знает, что транспортное средство с агрегатом на «тяжелом топливе» издает характерные тарахтящие звуки, его выхлоп странно пахнет. Современные моторы награждают своих владельцев умеренным расходом топлива, впечатляющей эластичностью (крутящим моментом, доступным в относительно широком диапазоне оборотов) и иногда ошеломительной динамикой на зависть некоторым бензиновым автомобилям. Но при этом они требовательны к качеству солярки, а ремонт компонентов топливной системы может быть весьма дорогим.

Особенности конструкции

Дизельные двигатели, разумеется, не имеют таких колоссальных отличий как роторно-поршневой двигатель Ванкеля, устройство которого абсолютно не похоже на «анатомию» традиционного ДВС, но у него имеется ряд особенностей, которые проводят между ним и бензиновыми моторами черту. У дизеля также есть кривошипно-шатунный механизм, но его степень сжатия существенно выше – 19-24 единицы против 9-11 единиц соответственно. Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как формируется, воспламеняется и сгорает топливно-воздушная смесь.

У дизельного ДВС отсутствуют свечи зажигания и, соответственно, воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от сжатия. При этом, воздух и солярка подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения рабочих характеристик агрегата. Для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов используются турбонагнетатели с изменяемой геометрией. Дизельный агрегат имеет более высокий коэффициент полезного действия, но он тяжелее и выдает больший крутящий момент при низких оборотах, нежели бензиновый ДВС.

Принцип работы дизельного двигателя

Как работает дизельный двигатель и, самое главное, как происходит воспламенение топлива в камере сгорания, если у агрегата данного типа нет свечей зажигания? Сперва воздух поступает в цилиндры. В конце такта сжатия, когда поршень почти достиг верхней мертвой точки, температура воздуха в камере сгорания достигает высоких значений (порядка 700-800 градусов) и затем в цилиндры впрыскивается дизельное топливо, которое воспламеняется самостоятельно, без искрового зажигания. Тем не менее, свечи в дизельном агрегате все-таки есть, но то – свечи накаливания, а не зажигания, которые нагревают камеру сгорания для облегчения запуска двигателя в холодное время.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *