Что такое степень сжатия для дизельного двигателя

Степень сжатия дизельного двигателя

В любом автомобиле двигатель является очень сложной системой, и дизельный не исключение. Они состоят из различных механизмов и сложных систем.
Когда происходит взаимодействие всех систем и механизмов, в двигателе образуется энергия, которая преобразуется во время сгорания смеси, образуемой из воздуха и топлива и далее кривошипно-шатунный механизм преобразует поступательно-возвратное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Содержание:

Что такое степень сжатия дизельного двигателя

Степенью сжатия является соотношение между полным объемом цилиндра, когда поршень располагается в нижней мертвой точке (НМТ) и объемом камеры сгорания во время достижения поршнем верхней мёртвой точки (ВМТ).


Такое соотношение показывает разницу в давлении, которое образуется в цилиндре мотора при попадании в него топлива. В документах, которые идут вместе с двигателем, такое соотношение указывается при помощи математических расчетов, например 18:1. Наилучшая степень сжатия в таком двигателе располагается в диапазоне от 18:1 до 22:1.

Принцип работы

В дизельных моторах в процессе сжатия, то есть когда происходит движение поршня к ВМТ, происходит очень быстрое сокращение объёма цилиндра. В итоге в камере сгорания располагается только воздушная масса, именно она сжимается, такой процесс носит название такт сжатия.
Когда к ВМТ подходит поршень, сжатие воздуха происходит на необходимую степень, происходит подача топлива в камеру сгорания под высоким давлением.

Топливо-воздушная смесь при образованном высоком давлении мгновенно воспламеняется и создает повышенное давление в камере, поршень в такой момент как раз проходит ВМТ. Одним из преимуществ дизеля является то, что смесь возгорается только от давления, нет необходимости в сложной и высокоточной системе зажигания. Но роз без шипов не бывает — обратной стороной повышенного давления является особое внимание к герметизации соединений и наличие топливного насоса высокого давления (ТНВД), штуки прецизионной и очень капризной. В процессе сгорания смеси образуется сильное давление, которое начинает давить на поршень и вести его к НМТ. При помощи шатуна все поршневые движения преобразуются во вращение коленчатого вала.

Процесс образования давления при возгорании смеси, которое заставляет передвигаться поршень к НМТ, носит название рабочий ход.
Степень сжатия играет особую роль в такте сжатия. Чем больше степень, тем быстрее и легче воспламеняется смесь, которая полностью сгорает и образует требуемое давление.

Если степень сжатия дизельного двигателя имеет высокий показатель, то она будет создавать высокую мощность при низком заборе топлива. Но у них степень сжатия способна варьироваться в оптимальном диапазоне, который нарушать не стоит, и это не просто так:

  • Если образовалась степень сжатия ниже допустимого диапазона, то значительно понижается мощность показателя, а объем потребляемого топлива начнет расти;
  • Если образовалась степень сжатия выше необходимого диапазона, то образуется сильная нагрузка на цилиндры и поршни, в результате они быстро изнашиваются.
  • Если произошло сильное увеличение степени сжатия, поршень начинает прогорать, а шатун изгибаться.

Зафиксированы случаи, когда при сильном повышении сжатия происходил взрыв всей системы без возможности ее восстановления.

Разница степени сжатия бензинового и дизельного двигателей

Степень сжатия и количество расхода топлива считаются основными показателями в обоих видах двигателей. Так как между сжатием и мощностью существует прямая зависимость.

В двигателях на бензине показатель сжатия находится на отметке 12 единиц, а у дизельных моторов данное число варьируется от 13 до 25 единиц.
Показателем экономичности является удельный расход топлива. Его прямой функцией является определение объема сжигаемого топлива во время работы при мощности 1 кВт за один час.
Бензиновые двигатели за час сжигают около 305 граммов топлива, в то время как дизельные всего 200 граммов.
К тому же у бензиновых моторов существует один существенный недостаток, у них низкая тяга во время работы на холостых оборотах. Очень часто двигатель глохнет, если совершается попытка движения на низких оборотах. А вот у дизельных двигателей такого недостатка нет.

Степень сжатия в двигателе играет очень важную роль, и за этим показателем рекомендуется следить, чтобы мотор работал долгое время, а основные запчасти не изнашивались за короткое время. Вмешиваться в систему, которая создана производителем, нежелательно, но если такая необходимость возникла, то лучше предоставить это дело специалисту.

Устройство автомобиля –
«Разговор о дизеле»

Почему дизельные двигатели экономичны? За счет чего у них такой большой крутящий момент и низкие максимальные обороты? Попробуем разобраться

История моторов с воспламенением от сжатия началась в конце XIX века. Именно тогда Рудольф Дизель загорелся идеей создания эффективного двигателя, коэффициент полезного действия которого смог бы превысить 10–12%, то есть показатель паровых машин. С конструкцией и принципом работы будущего мотора Дизель определился достаточно быстро – это двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива от высокой температуры сжимаемого газа. Однако в процессе создания рабочего экземпляра возникли трудности: высокое давление и температура в камере сгорания мотора приводили к прогоранию поршней, поломкам газораспределительного механизма, а иногда и к взрывам. В итоге на доработку и придание агрегату достаточной надежности ушло несколько лет. Но в 1897 году цель наконец была достигнута, огромный 5-тонный двигатель развивал 20 л.с. при 173об/мин и обладал КПД в 26%. Даже перспективный двигатель Отто с принудительным зажиганием обеспечивал всего 20%!

Больше – меньше

Итак, отчего же дизельные моторы получились настолько экономичнее? Тому есть две фундаментальные причины.

Первая заключается в более высокой степени сжатия дизелей – от 13 до 25 против 12 у лучших бензиновых представителей. Эти цифры не стоит недооценивать, ведь от них зависит КПД мотора: чем они выше, тем в большей степени расширяются раскаленные отработавшие газы и, соответственно, тем полнее их тепловая энергия преобразуется в механическую. Если сравнить современные дизельные и бензиновые моторы, то первые способны усвоить 38–50% процентов теплоты, выделившейся при сгорании топлива, а вторые – лишь 25–38%.

Возникает вопрос: что мешает поднять степень сжатия бензиновых агрегатов? Мешает детонация, то есть самопроизвольное воспламенение топливно-воздушной смеси от сильного нагрева при излишне большом сжатии. При этом мало того что сгорание происходит не в тот момент, когда нужно, так оно еще и сопровождается чрезвычайно резким нарастанием давления в цилиндре, что приводит к стукам, перегреву и высокой токсичности выхлопа.

В дизеле же поднятие степени сжатия лишь увеличивает надежность воспламенения впрыскиваемого топлива: чем горячее будет воздух в цилиндре, тем быстрее оно испарится и начнется процесс сгорания. Но кроме степени сжатия есть и второе, не менее важное обстоятельство – низкое сопротивление впускной системы дизеля. Ведь в отличие от бензинового мотора ему не требуется «перекрывать кислород» дроссельной заслонкой, управление мощностью осуществляется простым дозированием впрыскиваемого горючего: нужна большая отдача – подаем больше топлива. А уж насколько избыточно количество воздуха в цилиндре, дело десятое, главное, чтобы его хватало для окисления.

С бензиновым мотором такой трюк не пройдет. Если воздуха окажется слишком много (то есть концентрация паров бензина в нем будет очень низкой), то от искры смесь просто не вспыхнет. Вот и приходится ставить на впуске заслонку, регулирующую расход воздуха и, опосредованно, количество подаваемого топлива. Поэтому при небольших нагрузках (например, в пробках), бензиновые автомобили тратят силы на всасывание воздуха сквозь чуть приоткрытую дроссельную заслонку, создавая огромное разряжение во впускном коллекторе. «Дыхание» же дизеля всегда свободно!

Мощность? Момент!

Часто можно слышать, как в оправдание небольшой мощности дизеля приводят впечатляющие цифры его крутящего момента. Цифры эти, конечно, свидетельствуют о совершенстве мотора, но отнюдь не означают, что крутящий момент на колесах бензинового автомобиля окажется меньше! Ведь дизельные двигатели низкооборотные, из-за чего приходится применять более растянутые передаточные отношения в узлах трансмиссии, что и ведет к снижению конечного крутящего момента. Сравним, например, Mercedes E280 и E280CDI. Мотор первого выдает 300Нм, второго – 440Нм, при этом автоматические коробки у них одинаковые, а редукторы разные, с передаточными отношениями 3,27 и 2,47 соответственно. В итоге на первой передаче на колеса бензиновой модели передается 4300 Нм, а дизельной – 4760. То есть вместо изначальной разницы в 1,5 раза остается превосходство всего в 1,1 раза.

Влияние этого фактора на общую экономичность оценить легко, достаточно сравнить расход бензиновых и дизельных моторов в различных режимах движения. Окажется, что наибольшее превосходство дизеля (почти двукратное) проявляется в городском цикле, когда на его стороне и высокая степень сжатия, и низкие потери во впускной системе. В загородном же режиме, на скорости, когда нагрузка на мотор больше, дроссельная заслонка открыта сильнее и бензиновому двигателю становится легче «дышать», у дизеля остается только один козырь – степень сжатия. В результате тает и его преимущество в расходе топлива.

Читать еще:  Что такое детонация дизельного двигателя common rail

Впрочем, в начале XX века все эти тонкости не особо волновали автопроизводителей. Нефть стоила дешево, и от двигателя требовалась простота конструкции и изготовления, а не экономичность. И дизели с их сложными механизмами подачи топлива пришлись не ко двору. Правда, благодаря большому ресурсу и неприхотливости к качеству горючего эти моторы все же нашли применение в сельской технике и грузовом транспорте. Пригодились они и военным – баки с соляркой не так пожароопасны, как плещущийся за спиной бензин. Первый же легковой автомобиль на тяжелом топливе – Mercedes-Benz 260D – появился лишь в 1936 году, а к 1970-му общее число выпущенных дизельных легковушек едва превысило 100 тыс.

В поисках выхода

Так бы и пылился дизель на задворках отрасли, если бы не подскочившие в 70-х годах цены на нефть. И тогда на пути массовой дизелизации осталась только одна преграда – низкая мощность таких моторов. А от этого, как известно, существуют два средства: расширение диапазона допустимых оборотов коленвала и увеличение крутящего момента.

Но первый вариант оказывается неэффективным, высокие обороты лишь углубляют и без того насущную для дизеля проблему нехватки времени на смесеобразование. Ведь чтобы топливо активно испарялось, оно должно впрыскиваться при температуре воздуха в цилиндре не менее 500 °C, то есть почти в конце такта сжатия. При 5000 об/мин это означает, что на испарение распыленных частиц топлива и дальнейшую химическую подготовку к воспламенению отводится не более одной тысячной секунды!

Не терпит суеты и процесс сгорания. За резким первоначальным всплеском следует растянутый период догорания, продолжающийся уже на такте расширения. А торопить мотор в таких условиях – это в буквальном смысле слова выбрасывать горючее в трубу.

Поэтому сделать дизель мощнее можно лишь за счет увеличения крутящего момента. А для этого нужно развить как можно большее давление в цилиндрах, то есть сжечь больше топлива. Но опять незадача, приготовленная наспех горючая смесь дизеля отличается значительной неравномерностью распределения топлива по объему. Поэтому во время сгорания в смеси может возникать локальная нехватка воздуха, из-за чего часть топлива не сгорает, а разлагается под воздействием высокой температуры.

Вам приходилось видеть, как дизельные автомобили дымят под нагрузкой? Та сажа, что они выбрасывают, и есть продукт крекинга, то есть разложения несгоревшего топлива. Но это лишь визуальный эффект, а есть еще и сугубо практический в виде снижения мощности, увеличения расхода топлива и вредных выбросов.

Как с этим бороться? Можно так плотно заполнять цилиндры воздухом, чтобы его гарантированно хватало для сгорания даже в зонах максимальной концентрации топлива. Однако процесс распыления горючего оказался столь несовершенен, что возросшие требования к объему воздуха не смог удовлетворить и наддув с интеркулером, в результате чего турбодизели проигрывали в крутящем моменте даже атмосферным бензиновым моторам!

Так что задача увеличения мощности дизеля естественно свелась к процессу оптимизации смесеобразования, в котором решающее значение имеет давление впрыска. Разумеется, поначалу топливные насосы не могли им похвастать, приходилось прибегать к различным ухищрениям, улучшающим распыление горючего. Например, воспользоваться завихрением сжимаемого воздуха, как было сделано в вихрекамерных дизелях. Или поделить камеру сгорания на две части и использовать для смесеобразования энергию газа, перетекающего из одной половины камеры в другую вследствие предварительного сгорания части топлива.

Все эти решения позволяли немного снизить требования к давлению впрыска, но отличались увеличенными тепловыми и гидравлическими потерями вследствие сложной и большой поверхности камеры сгорания. Это, конечно, вело и к ухудшению топливной экономичности моторов. И лишь в начале 90-х годов появились системы, позволившие поднять давление до 1500 бар, что положило конец массовому производству вихрекамерных и предкамерных дизелей, заменив их более экономичными моторами с непосредственным впрыском.

С этого момента и началась увлекательная погоня дизеля за бензиновым конкурентом. Системы питания Сommon Rail, рекордно высокие давления впрыска, сверхбыстрые пьезоэлектрические форсунки, распыляющие топливо до пяти раз за такт. Благодаря всем этим изобретениям ныне дизельные двигатели уже конкурируют с турбированными бензиновыми моторами. Впечатляющий прогресс!

Какие бывают дизели

В последние годы растет интерес автомобилестроителей к дизельным двигателям. Сейчас почти все крупные фирмы оснащают ими часть своих легковых моделей. О грузовых машинах, автобусах, фургонах и говорить не приходится: на подавляющем большинстве западноевропейских, японских американских стоят дизели. Все значительнее их доля и в производстве наших грузовиков и автобусов. В ряде стран практически не встретишь такси с бензиновым двигателем, хотя автомобиль с дизелем дороже и тяжелее, более дымен и шумен, у него хуже скоростные и динамически качества.

Но все эти недостатки дизеля «искупаются» тем, что он потребляет меньше топлива, которое вдобавок часто стоит дешевле бензина. Так не идет ли дело к постепенному вытеснению бензинового мотора? Нет. При выборе типа двигателя решающее значение имеют условия эксплуатации, в первую очередь годовой пробег: чем он больше — тем быстрее покрывается разница в цене автомобилей с дизелем и бензиновым мотором. Так, в некоторых странах более высокие затраты на приобретение автомобиля с дизелем компенсируются уже за 20 тысяч километров: после этого эксплуатация дизельного автомобиля становится выгоднее. Отсюда и предпочтение дизелям для такси, грузовиков, автобусов, фургонов: все они имеют большие годовые пробеги.

Конечно, в разных странах величина «компенсирующего» пробега колеблется. Она зависит от разницы цен на дизельное топливо и бензин, а также от налоговой политики. Поэтому и доля легковых автомобилей с дизелями в разных странах неодинакова.

Предкамерный дизель. Объем предкамеры — 20-40% от общего объема камеры сгорания; степень сжатия — 20-21.

Чтобы разобраться, почему дизельный двигатель экономичнее бензинового, надо сравнить особенности их конструкции и рабочие процессы. Как известно, в двигателях обоих типов после такта сжатия сгорает смесь топлива с воздухом. В бензиновом эта смесь приготавливается в карбюраторе или во впускной трубе, куда топливо впрыскивается форсункой, и воспламеняется в камере сгорания от искры.

Таким образом, в цилиндр бензинового двигателя всасывается смесь топлива с воздухом. В дизеле всасывается чистый воздух, а в конце такта сжатия, когда температура сжатого воздуха становится достаточно высокой, в камеру сгорания впрыскивается топливо. Здесь оно должно успеть распылиться, смешаться с воздухом и воспламениться. На эти процессы в дизеле отведен очень короткий промежуток времени: он соответствует повороту коленчатого вала на 20-40° против почти 360° в бензиновом. При этом надо учесть, что вал вращается с частотой 4500-4800 об/мин: на таких оборотах работают современные дизели легковых автомобилей. Становится ясно, что их топливная аппаратура должна удовлетворять весьма высоким требованиям. Здесь мы подошли к самому сложному этапу создания дизельного двигателя — к организации его рабочего процесса.

Итак, за очень короткий отрезок времени топливо необходимо впрыснуть в камеру сгорания и смешать с воздухом, а для этого — тонко распылить. Если капли топлива будут слишком крупными, они не успеют сгореть за отводимое им для этого время. Несгоревшее топливо вылетит в выхлопную трубу в виде темного дыма, а также напомнит о себе повышенным расходом. Но недостаточно хорошо распылить топливо: его, как уже говорилось, нужно тщательно перемешать с воздухом, чтобы обеспечить полное сгорание. Для этого используют разные методы. В основном они сводятся к завихрению воздуха, в который и подают топливо. Организовать интенсивное движение воздуха в цилиндре оказывается не так просто. В современных двигателях для этого, например, камеру сгорания разделяют на несколько частей, обычно на две. Такие камеры называют двухполостными. При этом одна часть является основной, а другая — дополнительной. В последней и происходит интенсивное перемешивание топлива с воздухом и его воспламенение.

Вихрекамерный дизель. Объем вихревой камеры — 50-80% от общего объема камеры сгорания; степень сжатия — 20-23.

Дело в том, что при сжатии давление воздуха в основной камере сгорания нарастает быстрее, чем в дополнительной, поэтому воздух перетекает из основной в дополнительную камеру. В автомобильных двигателях в основном применяют два варианта дополнительных камер. В первом она представляет собой тело вращения. Воздух подается в нее вдоль оси вращения, а топливо впрыскивается навстречу воздуху. При этом происходит интенсивное перемешивание топлива с воздухом и воспламенение. Такие двигатели называют предкамерными (форкамерными). Камеры другого типа имеют форму сферы, куда воздух подводится по каналу (или каналам), направление которого касательно к сферической поверхности. При этом в дополнительной камере происходит интенсивное вращательное движение воздуха, а топливо впрыскивается (в большинстве случаев) перпендикулярно к направлению движения воздуха. При этом также происходит интенсивное перемешивание топлива с воздухом и воспламенение. Эти двигатели называют вихрекамерными. В результате воспламенения резко повышается давление в дополнительной камере, и горящие газы перетекают в основную, где и происходит их догорание и расширение, то есть рабочий ход. Как вихрекамерные так и предкамерные двигатели надежны в работе, обладают неплохой экономичностью и требуют сравнительно невысокого (120-150 кгс/см2/12-15 МПа) давления впрыска. Это очень важно: создаются условия для использования сравнительно простой топливной аппаратуры, в частности, одно дырчатых форсунок. Практически все выпускаемые в настоящее время дизели легковых автомобилей являются вихрекамерными или предкамерными.

Читать еще:  Шерхан 5 двигатель продолжает работать

Другой тип дизелей — с камерой сгорания, образованной полостью между днищем поршня и головкой цилиндра (при положении поршня в верхней мертвой точке). Такие камеры называют однополостными, поскольку они представляют собой единый объем, в который и впрыскивают топливо, и вот почему сами дизели именуют также двигателями с непосредственным впрыском топлива. Основной объем камеры сгорания здесь образует, как правило, выемка в днище поршня.

Дизель непосредственным впрыском топлива. Степень сжатия — 13-18.

У однополостных камер при одинаковом с двухполостными объеме меньше площадь поверхности, через которую тепло, образовавшееся в процессе сгорания, уходит в охлаждающую среду. У них не теряется энергия на перекачивание газа из одной полости в другую.

Благодаря этому дизели с непосредственным впрыском имеют более высокий КПД и, следовательно, лучшую (примерно на 15%) экономичность, чем вихрекамерные и предкамерные.

Для организации рабочего процесса с непосредственным впрыском необходимо решить уже известные нам задачи подать топливо в камеру сгорания достаточно тонко его распылить и хорошо перемешать с воздухом.

Качество распыливания и «дальнобойность» топливного факела обеспечивают более высоким, чем при разделенных камерах, давлением впрыска (200—1500 кгс/см2 /20—150 МПа), а для равномерного распределения топлива по объему форсунки делают с несколькими (пятью—семью) отверстиями. Аппаратура, рассчитанная на большее давление, несколько сложнее и дороже, чем для предкамерных и вихрекамерных дизелей.

Дизель с пленочным смесеобразованием. Степень сжатия — 13-18.

Но процесс, давно освоенный на двигателях среднего и большого литража (грузовиков, тракторов, судов), оказывается непросто осуществить на моторе со сравнительно малым объемом камеры сгорания и цилиндра. В однополостной камере одновременно воспламеняется больший объем смеси, чем в разделенной, быстрее нарастает давление газов, а значит, и нагрузки на детали шатунно-поршневой группы. Такую работу двигателя называют жесткой. Она сопровождается повышенным шумом. Из-за высоких нагрузок поршни, шатуны коленчатый вал приходится делать более массивными, поэтому двигатель получается тяжелее. Из-за этих недостатков он неприемлем для легкового автомобиля.

Разработаны такие однополостные камеры, где перемешивание топлива с воздухом и его воспламенение происходит не во всем объеме одновременно. Часть топлива направляется на стенку камеры и растягивается воздухом в тонкую пленку. По мере испарения оно подхватывается воздушными вихрями и последовательно вводится в очаг сгорания. Вначале воспламеняется небольшое количество топлива; благодаря этому давление нарастает постепенно и дизель работает мягче. Если на стенки направляется почти все впрыскиваемое топливо, смесеобразование называют пленочным, если часть его — объемно-пленочным.

Но для легковых автомобилей достигнутая таким путем экономичность еще недостаточна. Поэтому ищут новые способы организовать турбулентное движение воздуха в камере: устанавливают по два впускных клапана на цилиндр, создают новые типы форсунок и распылителей — специально для малолитражных дизелей. Вместо четырехцилиндровых двигателей предлагают трехцилиндровые: у них больше объем одного цилиндра (при равном суммарном) значит, легче организовать рабочий процесс Задача создания малолитражного двигателя с непосредственным впрыском, конечно, будет решена, но потребует немалых усилий.

Познакомившись с особенностями конструкции дизелей, вернемся к вопросу о том, почему они более экономичны, чем бензиновые двигатели. Тут несколько причин. Основные — различия в системах регулирования и величинах степени сжатия.

Сравнение топливной экономичности легковых автомобилей с различными двигателями: 1 — типичный бензиновый; 2 — бензиновый с улучшенным рабочим процессом; 3 — вихрекамерный дизель; 4 — дизель с непосредственным впрыском.

Регулирование работы дизеля (изменение его мощности) осуществляется увеличением или уменьшением подачи топлива в цилиндр. Работа бензинового двигателя регулируется прикрытием или открытием дроссельной заслонки карбюратора. 3десь необходимо напомнить, что сжатие воздуха в цилиндре дизеля или рабочей смеси в бензиновом двигателе начинается при давлении ниже атмосферного, то есть при некотором разрежении. Оно возникает в результате того, что во время всасывания впускной клапан и впускной тракт оказывают значительное сопротивление потоку смеси или воздуха. Поэтому когда поршень находится в нижней мертвой точке перед тактом сжатия в цилиндре — разрежение. В итоге фактическая степень сжатия всегда ниже геометрической (той, которая должна быть, если бы сопротивление впускного тракта равнялось нулю и сжатие начиналось с давления, равного атмосферному). У бензинового двигателя очень большое сопротивление создает дроссельная заслонка. Когда она прикрыта, то есть водителю не нужна полная мощность двигателя, разрежение в цилиндре достаточно велико, оно даже используется например, для работы усилителя тормозов. При этом действительная степень сжатия намного ниже геометрической, указанной в технической характеристике. А именно от степени сжатия прежде всего зависят мощность и экономичность двигателя. Вот на этих, так называемых частичных режимах и выигрывает дизель: у него нет дроссельной заслонки и фактическая степень сжатия меньше отличает от геометрической. Вдобавок у дизеля она выше по условиям сгорания — 18—23, тогда как у бензинового не превышает, как правило, 10. Чтобы получить практически такие высокие степени сжатия, необходимо изготовлять детали кривошипно-шатунного механизма, полости в поршне и головку блока дизеля с большой точностью, а это требует дополнительных производственных затрат, что сказывается на стоимости двигателя. На нее оказывает влияние и топливная аппаратура она сложнее, требует очень высокой точности изготовления и потому дорога.

Таким образом, дизельные двигатели более экономичны, но и более дороги, чем бензиновые. Существенно и то, что регулировка и ремонт дизельной аппаратуры (насосов, форсунок) требуют большой точности и трудовых затрат и возможны только в специально оборудованных мастерских и СТО. Целесообразность применения дизелей зависит от условий эксплуатации автомобилей, на которых они установлены. И выбор того или иного типа двигателя диктуется в основном экономическими расчетами.

Разумеется, мы смогли коснуться лишь основных проблем, связанных с этим выбором. Более подробно конструктивные особенности различных двигателей освещены в специальной литературе.

П. Белов, В. Бурячко, Е Акатов. Двигатели армейских машин. Ч. 1. М., Воениздат, 1971.

Двигатели внутреннего сгорания Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А. Орлина, М. Круглова, 4-е изд. М., Машиностроение, 1983.

И. Ленин, К. Попык, О. Малашкин и др. Автомобильные и тракторные двигатели (теория, системы питания, конструкции и расчет). М., Высшая школа, 1969.

А. Орлин, В. Алексеев, Н. Костыгов и др. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. 2-е изд. М., Машиностроение, 1970.

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели

Без искры пламя

Автомобили Май 2008

Прогресс дизеля за последние десятилетия впечатляет. Из нерасторопного работяги он превратился в мощного атлета, готового потеснить бензиновых снобов, став новым эталоном современного двигателя. Какой путь проделали дизельные моторы, чем они отличаются от бензиновых, какие задачи должны были решить инженеры?

История моторов с воспламенением от сжатия началась в конце XIX в. Именно тогда Рудольф Дизель загорелся идеей создания эффективного двигателя, коэффициент полезного действия которого смог бы превысить 10–12% – показатель паровых машин. С конструкцией и принципом работы будущего мотора Дизель определился достаточно быстро: двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива от высокой температуры сжимаемого газа. Однако в процессе создания рабочего экземпляра возникли трудности: высокое давление и температура в камере сгорания мотора приводили к прогоранию поршней, поломкам газораспределительного механизма, а иногда и к взрывам. В итоге на доработку и придание агрегату достаточной надежности ушло несколько лет. Но в 1897 г. цель, наконец, была достигнута: огромный пятитонный двигатель развивал 20 л.с. при 173 об./мин и обладал КПД в 26%. Даже перспективный двигатель Отто с принудительным зажиганием обеспечивал всего 20%!

Читать еще:  Двигатель k7m расход топлива

Отчего же дизельные моторы получились настолько экономичнее? По двум фундаментальным причинам.

Первая заключается в более высокой степени сжатия: от 13 до 25 против 12 у лучших бензиновых представителей. Эти цифры не стоит недооценивать, ведь от них зависит КПД мотора: чем они выше, тем в большей степени расширяются раскаленные отработавшие газы, и, соответственно, тем полнее их тепловая энергия преобразуется в механическую. Поэтому, если сравнивать современные дизельные и бензиновые моторы, то первые способны усвоить 38–50% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, а вторые – лишь 25–38%.

Возникает резонный вопрос: а что же мешает поднять степень сжатия бензиновых моторов? Мешает детонация, то есть самопроизвольное воспламенение топливно-воздушной смеси от сильного нагрева при излишне большом сжатии. При этом мало того, что сгорание происходит не в тот момент, когда нужно, так еще оно сопровождается чрезвычайно резким нарастанием давления в цилиндре, что приводит к стукам, перегреву и высокой токсичности выхлопа.

То ли дело дизель, в котором поднятие степени сжатия лишь увеличивает надежность воспламенения впрыскиваемого топлива: ведь чем горячее будет воздух в цилиндре – тем быстрее оно испарится и тем скорее начнется процесс сгорания. Хотя, конечно, пределы совершенству есть и здесь. Только обусловлены они уже требованиями к чистоте отработавших газов да механической прочностью элементов двигателя.

Но помимо степени сжатия есть и второе не менее важное обстоятельство – низкое сопротивление впускной системы дизеля. Ведь, в отличие от бензинового мотора, ему не требуется «перекрывать кислород» дроссельной заслонкой – управление мощностью в дизеле осуществляется простым дозированием впрыскиваемого горючего: нужна большая отдача – подаем больше топлива. А уж насколько избыточно количество воздуха в цилиндре – дело десятое, главное, чтобы его хватало для окисления.

С бензиновым же мотором такой трюк не пройдет: если воздуха окажется слишком много, то есть концентрация паров бензина в нем будет очень низкой, то от искры смесь просто не вспыхнет. Из-за этого и приходится ставить на впуске заслонку, регулирующую расход воздуха, и, опосредованно, количество подаваемого топлива. А потому, при небольших нагрузках, например, в толчее пробок, бензиновые автомобили вынуждены тратить силы на всасывание воздуха сквозь едва приоткрытую дроссельную заслонку, создавая огромное разряжение во впускном коллекторе. «Дыхание» же дизеля всегда свободно!

Влияние этого фактора на общую экономичность оценить легко. Сравним цифры расхода дизельных и бензиновых моторов одного объема. Например, двухлитровые Mazda6. В городском цикле, когда нагрузка на двигатель невелика, дизель экономичнее почти в полтора раза: 6,7 л/100 км против 9,5 л/100 км! Неудивительно, ведь на его стороне и высокая степень сжатия, и низкие потери во впускной системе. А вот в загородном режиме, на скорости, когда нагрузка на мотор побольше, дроссельная заслонка открыта сильнее, и бензиновому двигателю становится полегче дышать, у дизеля остается только один козырь – степень сжатия. В результате и тает его преимущество в расходе топлива: лишь 5,0 л/ 100 км против 5,2 л/100 км.

Впрочем, в начале ХХ в. все эти тонкости не слишком волновали автопроизводителей. Нефть стоила дешево, и от двигателя требовалась простота конструкции и изготовления, а не чудеса экономичности. И, конечно, дизели с их сложными механизмами подачи топлива пришлись не ко двору. Правда, благодаря большому ресурсу и неприхотливости к качеству горючего эти моторы все же нашли применение в сельской технике, грузовом автотранспорте. Пригодились они и военным – ведь баки с соляркой не так пожароопасны, как плещущийся за спиной бензин, готовый взорваться от любой искры.

Первый же легковой автомобиль на тяжелом топливе – Mercedes-Benz 260D – появился лишь в 1936 г., а к 1970 г. общее число выпущенных дизельных легковушек едва превысило 100 000.

В общем, так бы и пылился этот двигатель на задворках автомобилестроения, если бы не подскочившие в 70-х цены на нефть. И тогда на пути массовой дизелизации осталась только одна преграда – низкая мощность дизельных моторов. А с этим, как известно, можно бороться двумя средствами: расширением диапазона допустимых оборотов коленчатого вала и увеличением развиваемого крутящего момента.

Но первый вариант оказывается неэффективным – высокие обороты лишь углубляют и без того насущную для дизеля проблему нехватки времени на смесеобразование. Ведь чтобы топливо активно испарялось, оно должно впрыскиваться при температуре воздуха в цилиндре не менее 500°C, то есть почти в конце такта сжатия. При 5000 об./мин это означает, что на испарение распыленных частиц топлива и дальнейшую химическую подготовку к воспламенению отводится не более одной тысячной секунды!

Не терпит суеты и процесс сгорания: за резким первоначальным всплеском следует растянутый период догорания, продолжающийся уже на такте расширения. Разумеется, торопить мотор в таких условиях – это в буквальном смысле слова выбрасывать горючее в трубу.

Поэтому сделать дизель мощнее можно только за счет увеличения крутящего момента. А для этого нужно развить как можно большее давление в цилиндрах – сжечь больше топлива. Но опять незадача: приготовленная наспех горючая смесь дизеля отличается значительной неравномерностью распределения топлива по объему. Из-за этого во время сгорания в смеси может возникать локальная нехватка воздуха, в результате которой часть топлива не сгорает, а разлагается под воздействием высокой температуры.

Приходилось видеть, как дизельные автомобили дымят под нагрузкой? Та сажа, что они выбрасывают – как раз продукт крекинга, разложения несгоревшего топлива. Но это лишь визуальный эффект, а есть еще и сугубо практический – в виде снижения мощности, увеличения расхода и вредных выбросов.

Как же с этим бороться? Можно так плотно заполнять цилиндры воздухом, чтобы его гарантированно хватало для сгорания даже в зонах максимальной концентрации топлива. Однако процесс распыления горючего оказался столь несовершенен, что возросшие требования к количеству воздуха не смог удовлетворить даже наддув с интеркулером, в результате чего турбодизели проигрывали в крутящем моменте даже атмосферными бензиновым моторам!

Таким образом, задача увеличения мощности дизеля естественно свелась к процессу оптимизации смесеобразования, в котором решающее значение имеет давление впрыска. Разумеется, поначалу топливные насосы не могли им похвастать, из-за чего приходилось прибегать к различным ухищрениям, улучшающим распыление горючего. Например, воспользоваться завихрением сжимаемого воздуха, как было сделано в вихрекамерных дизелях. Или поделить камеру сгорания на две части и использовать для смесеобразования энергию газа, перетекающего из одной половины камеры (предкамеры, где начинался процесс сгорания) в другую вследствие предварительного сгорания части топлива.

Все эти решения позволяли немного снизить требования к давлению впрыска, но в то же время отличались увеличенными тепловыми и гидравлическими потерями вследствие сложной и большой поверхности камеры сгорания. Это, конечно, вело и к ухудшению топливной экономичности моторов.

Однако в начале 90-х появились системы, позволившие поднять давление до 1500 бар, что положило конец массовому производству вихрекамерных и предкамерных дизелей, и замены их более экономичными моторами с непосредственным впрыском.

С этого момента и началась увлекательная погоня дизеля за бензиновым конкурентом. Системы питания common rail, сверхбыстрые пьезоэлектрические форсунки, рекордные давления впрыска – и спустя всего 15 лет дизельные моторы сравнялись по мощности с бензиновыми! Правда, в этом споре дизелю дана существенная фора – турбонаддув. Но и предел совершенствования еще не исчерпан – на походе системы впрыска под давлением в 2000 бар, а за ними еще более эффективные схемы. Так что можно быть уверенным – победное шествие дизеля продолжится

Сравнивая бензиновые и дизельные модели автомобилей, очень часто можно услышать, как в оправдание небольшой мощности дизеля приводят впечатляющие цифры его крутящего момента. Цифры эти, конечно, свидетельствуют о совершенстве мотора, но отнюдь не означают, что крутящий момент на колесах бензинового автомобиля окажется меньше! Ведь дизельные двигатели низкооборотные, из-за чего приходится применять более растянутые передаточные отношения в узлах трансмиссии, что и ведет к снижению конечного крутящего момента. Сравним, например, Mercedes E280 и E280CDI. Мотор первого выдает 300 Нм, второго – 440 Нм, при этом автоматические коробки у них одинаковые, а редукторы разные, с передаточными отношениями 3,27 и 2,47 соответственно. В итоге на первой передаче на колеса бензиновой модели передается 4300 Нм, а дизельной – 4760 Нм. Т.е. вместо изначальной полуторакратной разницы остается превосходство всего в 1,1 раза.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector