Принцип работы дизельного двигателя

Конструкции систем питания газовых двигателей и их работа

ВВ систему питания двигателя, работающего на сжатом газе (рис. 9), входят баллоны 1 для сжатого газа, наполнительный 5, расходный 6 и магистральный 18 вентили, подогреватель 17 газа, манометры высокого 8 и низкого 9 давления, редуктор 11 с фильтром 10 и дозирующим устройством 12, газопроводы высокого 3 и низкого 13 давления, карбюратор-смеситель 14 и трубка 19, соединяющая разгрузочное устройство с впускным трубопроводом двигателя.

Рис. 9. Схема системы питания

двигателя, работающего на сжатом газе:

1 – баллон; 2 – тройник; 3, 13 – газопроводы; 4 – крестовина; 5, 6, 18 – вентили; 7 – топливный бак; 8, 9 – манометры; 10 – газовый фильтр;

11 – газовый редуктор; 12 – дозирующее устройство; 14 – карбюратор-смеситель; 15 – топливопровод; 16 – топливный насос; 17 – подогреватель; 19 – трубка; 20 – двигатель

При работе двигателя вентили 6 и 18 открыты. Сжатый газ из баллонов поступает в подогреватель 17, обогреваемый горячими ОГ или охлаждающей жидкостью двигателя – для исключения замерзания (закупорки) дросселирующих проходных сечений данной газовой системы питания. Из подогревателя газ через фильтр 10 проходит в двухступенчатый газовый редуктор 11, где давление газа снижается до 0,9-1,15 МПа. Из редуктора через дозирующее устройство 12 газ проходит в карбюратор-смеситель 14, где образуется горючая (газовоздушная) смесь. Она под действием вакуума поступает в цилиндры двигателя. Процесс сгорания данной смеси и отвода ОГ происходит аналогично процессам в бензиновом двигателе.

Редуктор 11, кроме уменьшения давления газа, изменяет его количество в зависимости от режима работы двигателя. Указанный редуктор быстро выключает подачу газа при остановке двигателя.

Кроме основной, имеется резервная система питания топливом, обеспечивающая работу двигателя на бензине в необходимых случаях (при неисправности газовой системы, израсходовании газа в баллонах и других случаях). При этом длительная работа двигателя на бензине не рекомендуется, т.к. в резервной системе питания отсутствует воздушный фильтр, что может привести к повышенному износу двигателя. Оптимальные углы И опережения зажигания, установленные при использовании газового топлива, чаще всего не соответствуют оптимальным И бензинового двигателя.

В резервную систему питания входят топливный бак 7, топливный фильтр, топливный насос 16 и топливопровод 15.

Схема системы питания двигателя, работающего на сжиженном газе, показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема системы питания двигателя, работающего на сжиженном газе: 1 – топливный фильтр; 2 – топливный насос; 3 – карбюратор; 4 – смеситель; 5 – испаритель; 6 – газовый фильтр; 7 – дозирующее устройство; 8 – газовый редуктор; 9, 10 – манометры; 11, 13 – вентили; 12 – баллон; 14 – двигатель; 15 – топливный бак

Сжиженный газ под давлением из баллона 12 поступает через расходный 13 и магистральный 11 вентили в испаритель 5, где он подогревается горячей жидкостью системы охлаждения двигателя. Затем газ очищается в фильтре 6, поступает в двухступенчатый редуктор 8, где давление газа снижается до атмосферного. Из редуктора газ через дозирующее устройство 7 проходит в смеситель 4, в котором готовится горючая смесь в соответствии с режимом работы двигателя.

Газовый баллон имеет предохранительный клапан, открывающийся при давлении 1,68 МПа, наполнительный вентиль и датчик уровня сжиженного газа. Баллон заполняется сжиженным газом только на 90 % объема. Это необходимо для возможности расширения газа при нагреве.

Кроме основной системы питания, двигатель, работающий на сжиженном газе, имеет резервную систему питания, аналогичную резервной системе двигателя, работающего на сжатом газе, для кратковременной работы на бензине. В резервную систему входят топливный бак 15, топливный фильтр 1, топливный насос 2 и карбюратор

Первый газовый двигатель внутреннего сгорания был разработан немецким изобретателем Н. Отто. Принцип его работы заключался в том, что горючая смесь предварительно подвергалась сильному сжатию в верхней точке положения поршня. На создание экономичного двигателя, КПД которого достигал 15 %, изобретателю потребовалось около 15 лет, он получил название четырехтактного, поскольку рабочий цикл в нем протекал за четыре хода поршня.

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) – векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

где M – вращающий момент, Нм,
F – сила, Н,
r – радиус-вектор, м

Справка: Номинальный вращающий момент М_ном, Нм, определяют по формуле

где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
n_ном – номинальная частота вращения, мин-1

Начальный пусковой момент – момент электродвигателя при пуске.

Справка: В английской системе мер сила измеряется в унция-сила (oz, ozf, ounce-force) или фунт-сила (lb, lbf, pound-force)

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя – это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Мощность электродвигателя постоянного тока

Механическая мощность

Мощность – физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

где P – мощность, Вт,
A – работа, Дж,
t – время, с

Работа – скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы .

где s – расстояние, м

Для вращательного движения

где – угол, рад,

где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Справка: Номинальное значение – значение параметра электротехнического изделия (устройства), указанное изготовителем, при котором оно должно работать, являющееся исходным для отсчета отклонений.

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя – характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
P₁ – подведенная мощность (электрическая), Вт,
P₂ – полезная мощность (), Вт

При этом

потери в электродвигатели обусловлены:
электрическими потерями – в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
магнитными потерями – потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
механическими потерями – потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
дополнительными потерями – потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

где n – частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции – скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

где J – момент инерции, кг∙м2,
m – масса, кг

Справка: В английской системе мер момент инерции измеряется в унция-сила-дюйм (oz∙in∙s2)

1 oz∙in∙s2 = 0,007062 kg∙m2 (кг∙м2)

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

где – угловое ускорение, с-2

Справка: Определение момента инерции вращающейся части электродвигателя описано в ГОСТ 11828-86

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) – напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики .

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени – это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

где – постоянная времени, с

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Как работает дизельный двигатель – тактность мотора

Схема работы дизельного двигателя бывает двухтактной и четырехтактной
. В первом случае работа происходит следующим образом: во время рабочего хода поршень передвигается вниз, при этом открываются выпускные отверстия в цилиндре и из него выходят выхлопные газы. В это же время (иногда чуть позже) открывают ход впускные окна, осуществляется продувка воздухом. Далее поршень начинает движение вверх, все окна закрываются, и происходит процесс сжатия воздуха. Перед тем, как поршень достиг ВМТ (высшая мертвая точка), топливо распыляется из форсунки, происходит взрыв, и весь процесс повторяется заново.

Важно знать, как работает дизельный двигатель и по четырехтактной схеме. В первый такт делается впуск воздуха, в это же время открыт и выхлопной клапан

Второй такт соответствует сжатию воздуха, чтобы он достиг необходимой температуры. На третьем такте впрыскивается горючая смесь в камеру сгорании, и в результате взаимодействия с разогретым воздухом происходит взрыв. Во время четвертого такта осуществляется вывод выхлопных газов из тела цилиндра.

Конструктивные отличия

По основному устройству дизели подобны бензиновым инжекторным моторам. Но вес подобных деталей дизеля по сравнению, с работающими на бензине, больше и лучше переносят высокое давление.

Дизели отличаются своими поршнями. Их форма диктуется разновидностью к/с и по ней просто выявить для какого двигателя предназначен этот поршень.К/с обычно располагается в поршне, верх которого, достигая ВМТ, выступает выше плоскости блока цилиндров.

Дизели характеризуется сжатием в 21±3 единицы, бензиновый – 10±1 единица. Он имеет принципиальную разницу над двигателем на бензине в формировании, воспламенении и сгорании горючей смеси.

Воздух и топливо в дизелях подается раздельно. Почти у всех современных дизелей имеется система наддува, повышающая его возможности. Чтобы оптимизировать наддув при любых оборотах, геометрия турбонагнетателей делается изменяемой. КПД, крутящий момент и вес агрегатов дизеля больше бензиновых.

Конструкция и строение

По конструкции дизельный двигатель не отличается

от бензинового

– те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали усилены, чтобы воспринимать высокие нагрузки – ведь

степень сжатия

дизеля намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового мотора). Этим объясняется большой вес и габариты дизельного мотора в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие в способах формирования смеси топлива и воздуха, её воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает воздух. В конце такта сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800оС, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением впрыскивается солярка и почти мгновенно самовоспламеняется.

Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, необходимо, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы, и каждая частица имела достаточное для полного сгорания количество воздуха. С этой целью топливо в цилиндр впрыскивается форсункой под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха при такте сжатия в камере сгорания.

В дизелях применяют неразделенные камеры сгорания. Они представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня 3 и поверхностями головки и стенок цилиндров. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Углубление 1, выполненное в днище поршня, способствует созданию вихревого движения воздуха.

Мелко распыленное топливо впрыскивается из форсунки 2 через несколько отверстий, направленных в определенные места углубления. Чтобы топливо полностью сгорало и дизель обладал наилучшими мощностями и экономическими показателями, топливо нужно впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления – отсюда повышенная шумность и жесткость работы. Такая организация рабочего процесса позволяет работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность. Экологические характеристики тоже лучше – при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ меньше, чем у бензиновых моторов.

К недостаткам относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую мощность, трудности холодного пуска, проблемы с зимней соляркой. У современных дизелей эти проблемы не столь очевидны.

Дизельное топливо должно отвечать определенным требованиям. Главные показатели качества топлива – чистота, малая вязкость, низкая температура самовоспламенения, высокое цетановое число (не ниже 40). Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения после момента впрыска его в цилиндр и двигатель работает мягче (без стуков).

Как устроен дизельный двигатель

Основным отличием конструкции дизеля от бензиновых моторов является наличие топливного насоса высокого давления, дизельных форсунок и отсутствие свечей зажигания.

Общее устройство этих двух разновидностей силового агрегата не различается. И в том, и в другом имеются коленчатый вал, шатуны, поршни. При этом у дизельного мотора все элементы усилены, так как нагрузки на них более высокие.

При этом дизель легче заводится. Свечи зажигания в бензиновых моторах применяются для воспламенения топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя.

Систему впрыска на дизелях делают прямой, когда топливо поступает непосредственно в камеру, или непрямой, когда воспламенение происходит в предкамере (вихревая камера, фор-камера). Это небольшая полость над камерой сгорания, с одним или несколькими отверстиями, через которые туда поступает воздух.

Такая система способствует лучшему смесеобразованию, равномерному нарастанию давления в цилиндрах. Зачастую именно в вихревых камерах применяются калильные свечи, призванные облегчить холодный пуск. При повороте замка зажигания, автоматически запускается процесс нагрева свечей.

Управление работой дизельного двигателя

Конструктивные требования к работе дизельного двигателя

Вырабатываемая дизельным двигателем мощность Р определяется крутящим моментом на коленчатом вале, передаваемым сцеплению, и частотой вращения коленчатого вала. Крутящий момент на коленчатом вале равняется крутящему моменту, создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, газообмен и привод вспомогательных агрегатов. Крутящий момент создается в процессе силового цикла, и при наличии достаточного количества воздуха определятся следующими переменными: массой подаваемого топлива, моментом начала сгорания топлива, определяемым началом впрыска, и процессами впрыска и сгорания топлива.

Кроме того, максимальный, зависящий от частоты вращения коленчатого вала крутящий момент ограничен требованиями к ограничению дымности выхлопа, давлением в цилиндрах, тепловой нагрузкой различных компонентов и величиной механической нагрузки всей кинематической цепи привода.

Основная функция системы управления дизельным двигателем

Основной функцией системы управления двигателем является регулирование создаваемого двигателем крутящего момента или, при некоторых условиях, регулирование частоты вращения коленчатого вала в пределах допустимого диапазона (например, оборотов холостого хода).

В дизельном двигателе очистка отработавших газов и подавление шума осуществляются в значительной степени внутри самого двигателя, т.е. путем управления процессом сгорания топлива. Это, в свою очередь, осуществляется системой управления двигателем посредством управления следующими переменными:

Заряд смеси в цилиндре;
Объем заряда смеси, подаваемого во время такта впуска;
Состав заряда смеси (рециркуляция отработавших газов);
Движение заряда (завихрения на впуске);
Момент начала впрыска;
Давление впрыска;
Распределение впрыска топлива (например, предварительный впрыск, разделенный впрыск топлива и т.д.).

До начала 1980-х годов управление впрыском топлива и зажиганием осуществлялось исключительно при помощи механических устройств. Например, в топливном насосе высокого давления количество подаваемого топлива регулируется в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала путем поворота плунжера насоса, имеющего спиральную канавку. В случае механического регулирования начало впрыска/подачи топлива регулируется при помощи центробежного регулятора (зависимого от скорости вращения). Также применялись гидравлические системы регулирования, в которых количество топлива менялось посредством регулирования давления в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Точность регулирования

В настоящее время, в связи со строгими требованиями законодательства в отношении ограничения токсичности выбросов, требуется очень точное регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска в зависимости от таких переменных, как температура, частота вращения коленчатого вала, нагрузка и высота над уровнем моря. Это может быть обеспечено только при помощи электронных систем управления. Сегодня электронные системы управления полностью вытеснили механические. Это единственный метод управления, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг функций системы впрыска топлива, влияющих на содержание вредных веществ в выбросах автомобиля. В некоторых случаях законодательство требует также наличия системы бортовой диагностики.

Регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска осуществляется системами EDC (электронная система управления дизельным двигателем) при помощи электромагнитных клапанов высокого или низкого давления, или иных исполнительных устройств. Регулирование подачи топлива, т.е. количества топлива на один градус поворота коленчатого вала, может осуществляться косвенным образом, например, при помощи сервоклапана и регулирования величины подъема игольчатого клапана.

Устройство силового агрегата — дизеля

Чтобы неискушенному автолюбителю понять такой мотор, нужно начать с принципиального отличия от его бензинового собрата. Это порядок подготовки рабочей смеси и ее воспламенение — именно этим интересен и уникален дизель. В бензиновых движках смесь формируется в карбюраторе, затем происходит ее возгорание при помощи свечей. Несколько по-иному устроен инжекторный мотор.

Что касается дизеля, то никаких свечей, дающих искру, в нем не предусмотрено. Как же загорается топливо — вполне логично интересуется читатель? За счет сжатия и высокой температуры воздуха, и здесь принципиально другое назначение дизельного двигателя. Сначала поршень движется вниз, и в цилиндр поступает чистый воздух. При движении наверх происходит его нагрев от сжатия. Благодаря высокой степени сжатия, температура может достигать даже 900 градусов по Цельсию.

ТУРБОДИЗЕЛЬ

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув.

Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя.

Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность.

Принцип работы двигателя на дизельном топливе таков:

поршень снижается до нижнего своего положения;
свежие воздушные массы прибывают в пространство, оставшееся после того, как поршни опустились в самую нижнюю точку;
поршень подымается до упора, воздушная масса постепенно нагревается;
поршень доходит до высочайшей точки подъема, температура нагрева смеси достигает 800 градусов по Цельсию;
теперь происходит впрыск топлива в камеру двигателя внутреннего сгорания. Горючее и воздух возгораются, так как происходит воспламенение топлива из-за соприкосновения с горячими воздушными массами.

Из-за горения смеси внутри камеры образуется шум, который водитель может слышать во время работы дизельного мотора. Процесс полного сгорания даже небогатой топливной жидкости способствует высокому крутящему моменту силового агрегата. Поэтому дизельные движки считаются экономичными и мощными, в отличие от бензиновых моторов.

Опытные механики говорят, что для дизельных двигателей важным является присутствие чистого воздуха. Поэтому воздушные фильтры необходимо чистить и менять на втором техническом обслуживании во избежании непроходимости воздушной смеси. Иначе слабый доступ воздуха приведет к проблемам в работе движка.

Теперь давайте посмотрим, как устроена топливная система мотора на дизеле.

Дополнительные компоненты двигателя

Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, есть еще дополнительные детали и узлы, которые улучшают характеристики и работу ДВС.

Принцип работы турбины

Турбина — это устройство, которое создает дополнительного нагнетание топлива. Двигатель с турбиной имеет большую производительность.

Идея создания турбины появилась при обнаружении такого факта, что при движении поршня вверх, солярка не успевает полностью сгорать.

С помощью турбины, сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего уменьшается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

подшипники — служит опорой дает возможность вращаться валу;
кожух на турбине;
кожух на компрессоре;
стальная сетка.

Цикл работы турбонаддува:

Компрессор создает вакуум и всасывается воздух внутрь системы.
Ротор турбины передает вращение ротору.
Интеркулер охлаждает воздух.
Через впускной коллектор осуществляется подача воздуха, предварительно воздух проходит степени очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха, впускной клапан закрывается.
Отработанные газы движутся через турбину ДВС и создают давление на ротор.
В этот момент скорость вращения турбины вала турбины очень высока, достигает 1500 оборотов в секунду. От этого начинает вращаться ротор компрессора.

Цикл далее повторяется.

Интеркулер и форсунка

При сжатии плотность воздуха и температура увеличиваются. Это негативно сказывается на межремонтном периоде деталей двигателя. В связи с чем была разработано устройство, которое охлаждает горячий воздушный поток.

В зависимости от модификации дизельных двигателей, в цилиндре топливо может распыляться одной или двумя форсунками.

Принцип работы дизельного двигателя – чтобы смог понять каждый!