Дизельный двигатель / с воспламенением от сжатия / Дизель
Ключевым отличием двигателя с воспламенением от сжатия (дизеля) от двигателя с искровым зажиганием (бензинового агрегата) является способ воспламенения топливной смеси в цилиндре. В дизельном двигателе зажигание не инициируется искрой на электродах свечи зажигания. Воспламенение происходит при впрыске дизельного топлива в цилиндр, наполненный сжатым воздухом.
Принцип работы всегда один и тот же. Четырехтактные дизельные двигатели потребляют воздух, который затем сильно сжимается во время такта сжатия (соотношение в четырехтактных двигателях составляет примерно от 14:1 до 24:1). В результате такого сжатия воздух нагревается примерно до 700-900 градусов Цельсия. Непосредственно перед верхней мертвой точкой поршня впрыскивается топливо, которое очень мелко распределяется и распыляется в горячий воздух в камере сгорания. Высокой температуры достаточно, чтобы воспламенить смесь. Поэтому от свечи не возникает искра зажигания, необходимая для инициирования зажигания в бензиновом двигателе.
Поскольку в случае холодного двигателя сжатый воздух в цилиндре сам по себе не будет соответствовать требованиям по воспламенению, в дизельном двигателе используются свечи накаливания. Их задача – прогреть внутреннюю часть цилиндра перед запуском холодного двигателя. В результате мы имеем сжатый воздух за счет движения поршня и достаточную температуру за счет нагрева свечами накаливания.
Когда агрегат начинает работать, свечи зажигания отключаются и больше не «нагревают цилиндр». Разница в отдельных дизелях заключается лишь в использовании впрыска топлива и наддуве поступающего заряда.< /п>
Немного истории, т.е. хронологии создания дизеля
23 февраля 1893 года Рудольф Дизель получил патент РП 67207 «Способ работы и устройство двигателей внутреннего сгорания». Он указал на высокоэффективную систему управления двигателем. Первая экспериментальная машина, построенная М.А.Н. по заданию Дизеля, был завершен уже в июле 1893 года.
Конструктор предполагал непосредственный впрыск топлива под давлением. Для этого он разработал принцип накопления. Питание форсунки осуществляется из накопительного бака с постоянным избыточным давлением, поддерживаемым воздушным насосом (поэтому концепция дизеля идентична используемой в настоящее время системе Common Rail). Однако, несмотря на ряд усовершенствований, эта система работала недостаточно хорошо из-за неподходящих насосов и недостаточной точности работы форсунок. Поэтому Дизелю пришлось заменить воздушный насос на большой компрессор, что позволило отказаться от накопительного бака. Топливо теперь впрыскивалось напрямую.
К сожалению, из-за своей конструкции дизельный двигатель изначально мог использоваться только как стационарный двигатель. Первый коммерчески используемый дизельный двигатель представляет собой двухцилиндровый четырехтактный двигатель эффективной мощностью 60 л.с. при 180 об/мин. Он вступил в строй в 1898 году на спичечной фабрике Union в Кемптене.
В 1903 году на корабле впервые был использован дизельный двигатель. Топливо распылялось там через модифицированный карбюратор и вдувалось в камеру сгорания вместе с воздухом под высоким давлением. Сложный и чувствительный компрессор, так называемый литьевая машина.
Благодаря впрыску топлива в «предбанник камеры сгорания» было достаточно меньшего давления впрыска, что позволило отказаться от сложной и громоздкой системы впрыска воздуха. Уменьшились габариты и масса. дизельный двигатель позволил установить его на наземную технику.
К сожалению, такое расположение камер сделало двигатель слабее, поскольку появилось дополнительное сопротивление и менее эффективный процесс сгорания. В результате этой работы в 1924 году компания MAN представила первый дизельный двигатель с непосредственным впрыском для коммерческого транспорта. Его мощность составляла около 30кВт. В последующие годы мощность двигателей продолжала увеличиваться и уже в середине 1930-х годов появились двигатели мощностью свыше 100 кВт для коммерческих автомобилей.
В конце 1940-х годов дизельный двигатель получил широкое распространение в качестве силовой установки для коммерческого транспорта, железнодорожного транспорта и кораблей.
Стоит также отметить, что уже во время Первой мировой войны подводные лодки оснащались дизельными двигателями. Риск возгорания и взрыва был низким по сравнению с бензиновыми двигателями (можно бросить горящую сигарету в емкость с соляркой, и она погаснет. В случае с емкостью с бензином пробовать не рекомендую).
Вернувшись к двигателям с предкамерами, они были очень распространены до того, как двигатель с непосредственным впрыском занял доминирующее положение из-за большей экономичности. До 1990-х годов дизельные двигатели легковых автомобилей проектировались с использованием камерных процессов, поскольку шум сгорания был ниже.
В грузовиках до сих пор использовался непосредственный впрыск. Поэтому эти двигатели были намного громче.
Однако дизельные двигатели в легковых автомобилях долго не могли зарекомендовать себя, поскольку считались неэффективными для более быстрой езды. Ситуация изменилась только с переходом на электронный непосредственный впрыск высокого давления в сочетании с турбонаддувом. Дизельный двигатель легкового автомобиля становился все более популярным среди потребителей. В результате в Европе в 2017 году почти каждый второй вновь зарегистрированный автомобиль имел дизельный двигатель.
В настоящее время количество зарегистрированных моделей Diesel уменьшается.
Вот наиболее важные факты о внедрении дизельной технологии
- 1897 г. – в результате работ по разработке двигателя был создан двигатель с относительно хорошими эксплуатационными характеристиками.
- 1902–1910 гг. – компания MAN произвела 82 стационарных дизельных двигателя DM12.
- 1903 год - использование первого дизеля для питания корабля и начало медленного водоизмещения парового привода,
- 1908 г. – получение достаточно точного ТНВД и использование предкамеры,
- 1923 год – первый трактор и грузовик с дизельным двигателем.
- 1936 год – первые серийные легковые автомобили с дизельным двигателем
- 1937 г. – первые применения авиационных силовых установок (Юнкерс)
- 1968 г. – использование поперечного дизеля (Peugeot в модели 204).
- 1986 г. – дизельный двигатель с непосредственным впрыском (Fiat Croma), используемый в крупносерийном производстве легковых автомобилей,
- 1989 – двигатели TDI
- 1993 г. – FIAT патентует и выводит на рынок (в 1997 г.) технологию Common Rail,
- 2004 г. – в странах Западной Европы доля вновь зарегистрированных дизельных автомобилей превышает 50%.
Что такое предкамерная система
Предкамерный впрыск — принцип впрыска в дизельных двигателях, широко распространенный до 1990-х годов. Характерно, что камера сгорания разделена на основную камеру сгорания и «тамбур». Впрыскивается «тамбурное» топливо. Сегодня эта система во многом заменена непосредственным впрыском. В настоящее время он используется только в нишевых приложениях, таких как дизельные генераторы.
- Предварительная камера
Чтобы устранить недостатки внезапного увеличения сил, действующих на поршень, в 1908 году была запатентована предкамера. Это пространство 20 – 40% объема всей камеры сгорания, встроенной в головку. В его верхней части размещена форсунка, а нижняя часть соединена с пространством над поршнем через отверстия. Именно в этом пространстве происходит самовоспламенение и расширяющиеся газы перетекают в пространство над поршнем. Вместе с газами также движутся частицы воздуха и топлива. Остальная часть фактического сгорания также происходит над поршнем. Это повышение давления было довольно медленным, что позволяло форкамерным двигателям работать достаточно тихо и гибко. Однако решение оказалось достаточно дорогим, поэтому применялось только в престижных версиях, например Mercedes.
- Вихревая камера
Простое решение — вихревая камера. Это пространство, примерно 50-80% всей камеры сгорания, которое находится в головке двигателя в виде запрессованного элемента. Он имеет характерную сферическую форму, заставляющую сжатый воздух завихряться. В него впрыскивается топливо и происходит самовоспламенение, расширяясь в камере и непосредственно над поршнем. Вихревая камера по конструкции проще предварительной, но не гарантирует такого же комфорта работы.
В случае обеих камер сгорания топливо сжимается серийным или роторным топливным насосом до давления примерно 200 бар и подается непосредственно к форсунке через металлические трубки.
Система Common Rail
Впрыск Common Rail — это система впрыска, в которой топливо под давлением заполняет систему трубопроводов, постоянно находящуюся под давлением во время работы двигателя. Основная идея состоит в том, чтобы полностью отделить создание давления от самого процесса впрыска. Благодаря этому можно подавать дозу топлива, контролируемую только картами впрыска. Время и количество впрыскиваемого топлива контролируется электронным контроллером двигателя. Он активирует клапан дозирования дозы в цилиндр, заменяющий обычные форсунки классических дизелей.
Процесс впрыска в конце такта сжатия делится на три группы:
- предварительный впрыск — возможно до двух предварительных впрысков для плавной работы двигателя.
- основная инъекция – которую можно разделить на первую и вторую основную инъекцию
- последующий впрыск – который можно использовать для уменьшения образования сажи внутри двигателя, для получения низкого значения NOx или для сжигания сажевых фильтров.
Турбонаддув
После того как швейцарец Альфред Бючи получил патент на турбокомпрессор в 1905 году, первый двигатель с наддувом появился в 1924 году. Это был дизельный двигатель с турбонаддувом, используемый на военном корабле. Первые тепловозы имели турбокомпрессоры в конце 1930-х годов.
Турбокомпрессоры появились в транспортных средствах гораздо позже, поскольку у гораздо меньших по размеру наддувов потери были выше. Более того, долгое время не удавалось получить выгодную кривую крутящего момента и предотвратить несовершенное сгорание при разгоне двигателя.
Например, компания Adolph Saurer AG уже тестировала турбонаддув для дизельных двигателей грузовиков в 1938 году, но результаты оказались не очень хорошими из-за типа компрессоров.
Структурные проблемы были решены в начале 1950-х годов. В 1951 году компания MAN оснастила двигатель грузовика разработанным ею турбонагнетателем, увеличив мощность 8,72-литрового двигателя со 130 до 175 л.с. С 1954 года производитель грузовых автомобилей Volvo устанавливал в свои двигатели турбокомпрессоры, что благодаря их надежности привело к прорыву в конструкции двигателей грузовых автомобилей. В этот период турбокомпрессоры быстро стали популярны в больших коммерческих автомобилях. Также были разработаны турбокомпрессоры компактных размеров.
В 1978 году компания Daimler-Benz провела испытания дизельных двигателей с наддувом на экспериментальных автомобилях C 111. В том же году в серийном производстве впервые появился дизельный двигатель с турбонаддувом (пока еще без непосредственного впрыска!!!) на модели 300 SD серии W 116 (Mercedes class S). Французский автопроизводитель Peugeot также предложил дизельный двигатель с наддувом (80 л.с., 184 Нм крутящего момента) для легкового автомобиля P604 в феврале 1979 года.
Думаю, что эти базовые знания позволяют мне обращаться к тексту о TDI. Вот три наиболее важных тезиса, объясняющих аспекты, обсуждаемые Читателями:
- Семейство двигателей TDI, вопреки предположениям автора, вовсе не было уникальным, поскольку в разработку дизельных двигателей инвестировали несколько других компаний. Оно тоже не появилось из ниоткуда, ведь раньше были двигатели TD от Volkswagen
Неправда, что 1.9 TDI — это то же самое, что и 1.9 TD, только с непосредственным впрыском. Цилиндры двигателей TDI не имеют вестибюлей и вихревых камер, а свечи накаливания размещены в камере сгорания, которая обычно расположена в круглой выемке в днище поршня. Площадь камеры сгорания меньше, чем у двигателей с камерой предварительного/центрифугирования. В результате потери тепла ниже, что повышает эффективность. Кроме того, отсутствует дросселируемый переток из предсердий или вихревых камер в цилиндр. Поэтому эти двигатели характеризуются особенно низким удельным расходом топлива
- Непосредственный впрыск был доступен в Fiat Croma в 1988 году.
Fiat фактически был первым производителем, предложившим с весны 1997 года дизельный двигатель с непосредственным впрыском для своих моделей легковых автомобилей. Это было в Croma 1.9 TD.
До этого этот двигатель предлагался только в коммерческих автомобилях, таких как Fiat Ducato, поскольку культура эксплуатации не соответствовала стандарту комфорта для легковых автомобилей. Однако в сотрудничестве с Magneti Marelli было разработано электронное управление впрыском, которое позволило двигателю работать более плавно. Таким образом, удалось оптимизировать время и количество впрыска, адаптировав соответствующие датчики и исполнительные механизмы к частоте вращения двигателя и условиям нагрузки. Двигатель, использованный в Croma, имел объём 1929 куб.см и мощность 92 л.с. Однако изначально этот агрегат был доступен только на итальянском рынке, поскольку хотели исключить возможные «детские проблемы» и неблагоприятное мнение на зарубежных рынках.
Однако позже это оказалось серьезной маркетинговой ошибкой. Фиат упустил возможность заявить о себе как об изобретателе новаторской технологии прямого впрыска. Таким образом, Audi является первым производителем двигателей такого типа, о котором стало известно общественности.
- И не было ли совпадением то, что BMW была первой со своим 524td?
В 1986 году компания Bosch представила первый электронный блок управления дизельными двигателями Bosch EDC (Electronic Diesel Control). Двигатель М21, использованный в BMW E28 (524 тд), стал первым в мире дизельным двигателем, получившим эту систему. К сожалению, и М21, и М51, который был его преемником, имели вихревые камеры, а не прямой впрыск.
Думаю, что подробное объяснение отдельных узлов работы Дизельных агрегатов будет полезно для расширения дальнейших знаний.