Как работает дизельный двигатель? Он настолько сильно сжимает воздух в цилиндре, что тот нагревается до нескольких сотен градусов Цельсия, а затем впрыскивает топливо в этот горячий воздух, где оно самовоспламеняется. Это называется воспламенением от сжатия: свечи зажигания нет, а мощность регулируется количеством впрыскиваемого топлива, а не дросселированием воздуха. Поскольку степень сжатия дизелей составляет примерно от 14:1 до 22:1, они преобразуют в полезную работу большую долю энергии топлива, чем бензиновые двигатели. Именно поэтому их используют на грузовиках, судах, генераторных установках и строительной технике.
Основные выводы
- В дизельном двигателе топливо воспламеняется от тепла сжатого воздуха, а не от искры; типичная степень сжатия составляет примерно от 14:1 до 22:1 против примерно от 8:1 до 12:1 у бензиновых двигателей.
- Большинство дизелей работают по четырехтактному циклу (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск); очень крупные судовые двигатели и некоторые более старые конструкции используют двухтактный цикл.
- У дизельных двигателей нет свечей зажигания; многие оснащены свечами накаливания или подогревателем впускного воздуха, которые служат лишь для облегчения холодного пуска.
- Рудольф Дизель получил патент в Германии в 1893 году, а его первый работоспособный двигатель был продемонстрирован в Аугсбурге в 1897 году с КПД около 26 процентов.
- Современные дизели для тяжёлых условий эксплуатации достигают эффективного термического КПД в середине диапазона 40 с лишним процентов, а у крупных малооборотных судовых дизелей этот показатель превышает 50 процентов.
Как работает дизельный двигатель: шаг за шагом?
Четырехтактный дизель выполняет один рабочий цикл за два оборота коленчатого вала. Каждый поршень совершает четыре такта, а топливная система обеспечивает впрыск в конце такта сжатия.
- Такт впуска. Поршень движется вниз при открытом впускном клапане и засасывает только воздух. В двигателе с турбонаддувом воздух поступает под давлением, что позволяет подать в цилиндр больше кислорода.
- Такт сжатия. Оба клапана закрываются, и поршень поднимается, уменьшая объем воздуха до небольшой доли первоначального. При сжатии температура воздуха становится значительно выше температуры самовоспламенения дизельного топлива.
- Рабочий ход. Вблизи верхней точки хода форсунка впрыскивает тонкораспыленное топливо в горячий воздух. После очень короткой задержки топливо воспламеняется, газ расширяется, и давление толкает поршень вниз, вращая коленчатый вал.
- Такт выпуска. Выпускной клапан открывается, и поднимающийся поршень выталкивает отработавшие газы, подготавливая цилиндр к следующему впуску.
Так в общих чертах работает дизельный двигатель в каждом цикле. Главное отличие от бензинового двигателя заключается в этапах 1 и 3. Бензиновый двигатель засасывает смесь воздуха и топлива и воспламеняет ее искрой, тогда как дизель засасывает только воздух и регулирует мощность исключительно количеством впрыскиваемого топлива.
Есть ли у дизельных двигателей свечи зажигания?
Нет. Дизельные двигатели не используют свечи зажигания, поскольку топливо воспламеняется от тепла, возникающего при сжатии. При этом многие дизели оснащены средствами облегчения холодного пуска: свечами накаливания, нагревающими камеру сгорания, или решетчатым подогревателем впускного воздуха.
Эти устройства особенно важны в холодную погоду и на небольших двигателях, где стенки цилиндров поглощают больше тепла при сжатии. После запуска тепла сгорания становится достаточно и свечи накаливания отключаются, хотя в некоторых современных двигателях они продолжают кратковременно работать после пуска, чтобы уменьшить белый дым и шум.
Как запускается дизельный двигатель?
Дизель запускается, когда стартер вращает коленчатый вал достаточно быстро, чтобы при сжатии воздух нагрелся выше температуры воспламенения. Затем система управления или топливный насос подает топливо, в первых цилиндрах начинается сгорание, и двигатель самостоятельно набирает обороты.
В крупных двигателях вместо электрического стартера может применяться пуск сжатым воздухом. Затрудненный пуск обычно указывает на одну из нескольких причин: низкую частоту прокрутки из-за слабого аккумулятора, воздух в топливной системе, износ форсунок, низкую компрессию из-за изношенных колец или клапанов либо неисправность устройства облегчения холодного пуска. После каждой замены топливного фильтра необходимо удалить воздух из топливной системы или прокачать ее, чтобы обеспечить надежный запуск двигателя; этот этап описан в руководстве по замене топливного фильтра дизельного двигателя.
Каковы основные компоненты дизельного двигателя?
По основному устройству дизельный двигатель схож с любым поршневым двигателем, но имеет более массивную конструкцию, способную выдерживать повышенное давление в цилиндрах. Таблица представляет собой простую словесную схему дизельного двигателя.
| Компонент | Назначение | Особенности дизельного двигателя |
|---|---|---|
| Блок цилиндров и гильзы | Вмещает цилиндры и каналы охлаждающей жидкости | В двигателях для тяжелых условий эксплуатации часто используются сменные мокрые или сухие гильзы |
| Головка блока цилиндров | Вмещает клапаны, форсунки и каналы | Рассчитана на высокие пиковые давления; может содержать свечи накаливания |
| Поршни и кольца | Герметизируют камеру сгорания и передают усилие | В днище поршня часто выполнена камера сгорания |
| Шатуны и коленчатый вал | Преобразуют движение поршней во вращение | Массивнее, чем у бензинового двигателя того же размера |
| Распределительный вал и клапанный механизм | Открывают и закрывают впускные и выпускные клапаны | Тот же принцип, что и у бензиновых двигателей |
| Система впрыска топлива | Дозирует и впрыскивает топливо под высоким давлением | Механический насос или электронная система Common Rail |
| Турбокомпрессор и охладитель наддувочного воздуха | Подают больше воздуха в цилиндры | Устанавливаются на большинстве современных дизелей, кроме самых небольших |
| Система охлаждения | Отводит тепло с помощью охлаждающей жидкости или воздуха | Наиболее распространено жидкостное охлаждение; небольшие двигатели могут иметь воздушное охлаждение |
| Система очистки отработавших газов | Очищает отработавшие газы | DPF, SCR с мочевиной (DEF) и окислительные катализаторы на современных двигателях дорожной и внедорожной техники |
Какие системы впрыска топлива используются в дизелях?
Системы впрыска дизельного топлива прошли путь от полностью механических насосов до систем высокого давления с электронным управлением. Оба типа по-прежнему эксплуатируются, особенно в промышленности и на судах.
- Механические рядные или распределительные насосы дозируют топливо с помощью кулачков и плунжеров и подают его к каждой форсунке в нужный момент. Они просты и пригодны для ремонта в полевых условиях, поэтому остаются популярными на двигателях генераторов и рабочих катеров, таких как шестицилиндровый двигатель типа 6BT.
- Насос-форсунки объединяют насосный элемент и форсунку в одном корпусе для каждого цилиндра.
- Система впрыска Common Rail накапливает топливо под очень высоким давлением в общей рампе, а форсунки с электронным управлением могут выполнять несколько впрысков за цикл. Это обеспечивает более тихое сгорание, снижение выбросов и лучшую топливную экономичность, но требует чистого топлива и диагностического оборудования.
Двигатели также различаются местом впрыска топлива. Большинство современных дизелей используют непосредственный впрыск в камеру сгорания в днище поршня. В некоторых старых и небольших двигателях применяется непрямой впрыск в предкамеру: он тише, но менее эффективен и обычно требует свечей накаливания.
Почему дизельные двигатели настолько эффективны?
Эффективность дизеля обусловлена тремя факторами: высокой степенью сжатия, сгоранием при избытке воздуха и отсутствием потерь на дросселирование. Более высокая степень сжатия и расширения позволяет получить больше работы из того же количества тепла, а поскольку дизель не дросселирует впускной воздух, он избегает насосных потерь, характерных для бензинового двигателя при частичной нагрузке.
Кроме того, дизельное топливо содержит больше энергии на галлон. По данным Управления энергетической информации США, дизельное топливо содержит около 137381 Btu на галлон против примерно 120214 Btu у автомобильного бензина, то есть приблизительно на 14 процентов больше. Правительственный сайт США по экономии топлива сообщает, что дизельные автомобили обычно примерно на 30–35 процентов экономичнее сопоставимых бензиновых автомобилей.
| Тип двигателя | Типичный максимальный эффективный термический КПД |
|---|---|
| Небольшие бензиновые двигатели | Примерно 25–35% |
| Современные автомобильные дизели | Примерно 35–42% |
| Дизели тяжелых грузовиков и промышленные дизели | Примерно 40–46% |
| Крупные малооборотные судовые двухтактные дизели | Более 50% |
Эти значения представляют собой ориентировочные максимумы; реальный КПД зависит от нагрузки, частоты вращения и технического обслуживания. Прямое сравнение двух типов двигателей приведено в статье «Дизельные и бензиновые двигатели».
Кто и когда изобрел дизельный двигатель?
Дизельный двигатель изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель. Он подал заявку на патент в 1892 году и получил его в 1893 году, а после нескольких лет разработки на заводе Maschinenfabrik Augsburg (позднее MAN) в 1897 году заработал первый практически пригодный двигатель. Его КПД составил около 26 процентов, что значительно превосходило паровые машины того времени.
Изначально Дизель предполагал использовать в двигателях различные виды топлива, включая угольную пыль и растительное масло. За несколько десятилетий дизели распространились на судах, подводных лодках, локомотивах и стационарных электростанциях, а позднее — на грузовиках и сельскохозяйственных тракторах.
Какие бывают типы дизельных двигателей?
Дизельные двигатели обычно классифицируют по рабочему циклу, частоте вращения и назначению. Для покупателей наиболее полезно деление по частоте вращения, поскольку она связана с размерами, массой и долговечностью.
- Высокооборотные дизели (свыше примерно 1000 rpm) используются на грузовиках, генераторных установках, строительных машинах и малых и средних судах.
- Среднеоборотные дизели (примерно от 300 до 1000 rpm) приводят в движение более крупные суда, локомотивы и оборудование электростанций.
- Малооборотные дизели (ниже примерно 300 rpm), почти всегда двухтактные, напрямую приводят гребные винты крупных торговых судов.
Дизель-электрические системы объединяют дизель с генератором и электродвигателями, как на локомотивах, многих паромах и судах обеспечения морских работ. О семействах двигателей, применяемых в промышленности, читайте в руководстве по промышленным дизельным двигателям, а о небольших агрегатах с воздушным и жидкостным охлаждением — в руководстве по малым дизельным двигателям.
Надежнее ли дизельные двигатели?
В тяжелых условиях эксплуатации дизели обычно служат дольше бензиновых двигателей сопоставимой мощности. Они имеют более прочные блоки, коленчатые валы и подшипники, рассчитанные на высокое давление в цилиндрах, работают на более низких оборотах и не имеют системы зажигания, которая могла бы выйти из строя.
Надежность по-прежнему зависит от качества топлива, фильтрации воздуха, охлаждения и соблюдения сроков замены масла. Современные дизели с системами снижения выбросов оснащаются дополнительными компонентами, такими как сажевые фильтры и системы SCR, которым требуется отдельное обслуживание. Shanghai Mars Industrial (MARS) поставляет дизельные двигатели для судов, генераторных установок, грузовиков и техники, причем каждый двигатель может пройти испытание в работе перед отправкой с предоставлением письменного отчета и видеозаписи; запросите технические характеристики для конкретного применения.
Часто задаваемые вопросы
Есть ли у дизельных двигателей свечи зажигания?
Нет. Дизельное топливо воспламеняется от тепла сжатого воздуха, поэтому свечи зажигания нет. Многие дизели оснащены свечами накаливания или подогревателем впускного воздуха, которые служат лишь для облегчения холодного пуска.
Какова степень сжатия дизельного двигателя?
У большинства современных дизелей она составляет примерно от 14:1 до 22:1, тогда как у некоторых более старых конструкций с непрямым впрыском достигает примерно 23:1 или выше. У бензиновых двигателей она обычно составляет примерно от 8:1 до 12:1.
Может ли дизельный двигатель работать на бензине?
Нет. У бензина очень низкое цетановое число, поэтому в дизеле он не самовоспламеняется должным образом; кроме того, ему не хватает смазывающей способности, необходимой системе впрыска. Попадание бензина в бак дизельного двигателя может повредить насосы и форсунки, поэтому перед запуском топливо следует слить из системы.
Что такое дизель-электрический привод?
Это система, в которой дизельный двигатель приводит генератор, а электродвигатели — колеса или гребные винты. Она используется на локомотивах, многих паромах, судах обеспечения морских работ и круизных судах, поскольку обеспечивает гибкость размещения двигателей и эффективную работу при частичной нагрузке.
Почему дизельные двигатели развивают больший крутящий момент?
Дизели обычно имеют большой ход поршня, высокое давление в цилиндрах и турбонаддув, что обеспечивает высокий крутящий момент на низких оборотах. Благодаря этому они хорошо подходят для тяжелых нагрузок, буксировки и привода гребных винтов.
