Дизельный двигатель: устройство, принцип работы

Вторым по популярности двигателей внутреннего сгорания является дизельный двигатель, который раньше устанавливался только на грузовые машины. КПД дизеля больше, чем у самого распространенного ДВС — бензинового. При более высоком коэффициенте полезного действия, дизель расходует топлива намного меньше. Такие преимущества инженеры-конструкторы автомобильной промышленности смогли сделать за счет уникальной конструкции.

История создания дизельного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания бензинового типа постоянно модифицируются. Конструкторы добиваются улучшения эксплуатационных технических характеристик. Даже с новым прямым впрыском бензиновый ДВС выдает 30% КПД, а дизельный ДВС без турбонаддвува выдает 40% КПД, с турбонаддувом — около 50%.

Поэтому дизельные моторы становятся все более популярными и в Европе, и, вообще, по миру. Бензин дорожает чаще, чем дизтопливо. Все больше людей перед покупкой автомобиля оценивают, какой расход у этого авто. Основной существенный минус дизельных моторов — это большие габариты и большой вес. Поэтому они устанавливались только на грузовики.

Изготовление и обслуживание диз двигателя сложнее, потому что конструкция должна быть такой, чтобы все детали были сделаны с высокой точностью.

История создания

Дизельный двигатель, он же дизель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива, распыляющегося сжатым и горячим воздухом. До конца 20 века такой тип ДВС устанавливался на корабли, тепловозы, автобусы, грузовые машины, трактора. С конца 20 века после успешных испытаний начал массово устанавливаться на легковые авто.

Название этого двигателя соответствует фамилии изобретателя Дизеля. Рудольф Дизель создал ДВС в 1897 году. Ему удалось создать устройство, где топливо возгорает от сжатия, а не от подачи искры.

По информации из википедии, в 1824 году Сади Карно придумал и сформулировал идею цикла Карно, суть которого заключалось возможности доводить топливо до температуры самовоспламенения резким сжатием.

Спустя 66 лет, Рудольф Дизель в 1890 году предложил реализовать эту идею на практике. 23 февраля 1892 года получил патент (разрешение) на свой двигатель, а в на следующий год выпустил брошюру по своего агрегату. Он запатентовал несколько вариантов.

Успешное испытание дизель-мотора удалось сделать только 28 января 1987 года (до этого попытки были неудачными). После этого Р.Дизель начал продавать лицензии на свое изобретение.Хоть и КПД, и удобство использования нового двигателя было на высоко уровне по сравнению с паровыми агрегатами, новые дизель-устройства были большими по габаритам и тяжелыми (они были больше и тяжелее паровых машин тех времен).

Первоначальной задумкой было то, что топливом должна была быть каменноугольная пыль. Но после испытаний такого вида топлива, оказалось, что каменноугольная пыль очень быстро изнашивает детали двигателя из-за своих абразивных свойств и из-за золы, которая получалась в результате сгорания этой пыли.

Далее, в качестве топлива было использовалось растительное масло и легкие нефтепродукты. Именно на этих видах топлива, испытания ДВС Дизеля прошли успешно.

Инженер Экрой Стюард построил в 1896 году работающий двигатель — полудизель. В этой варианте конструкции ДВС было решено, чтобы воздух втягивался в цилиндр, после чего сжимался поршнем и нагнетался в конце такта сжатия в емкость, в которую распылялось топливо. Чтобы запустить такой мотор, емкость нагревалась лампой снаружи и после запуска двигатель работал сам. Экрой Стюард экспериментировал со сжатием топлива и воздуха в цилиндре. Он хотел исключить свечи зажигания.

Русские в изобретениях не отставали. Вне зависимости от успехов создания ДВС Дизелем, в 1989 году в Петербурге на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер придумал и создал первый в мире бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления, то есть это был двигатель с форкамерой (форкамера — это предварительная камера сгорания, которая по объему составляет 30% от общего объема камеры сгорания). Такой двигатель получил название «Тринклер-мотор».

После сравнения немецкого варианта Дизель-мотора и русского Тринклер-мотора, русский вариант оказался более эффективным. В Тринклер-моторе использовалась гидросистема для нагнетания и распыления топлива — это позволило отказаться от установки дополнительного воздушного компрессора и позволило увеличить число оборотов вала двигателя. В русском варианте в конструкции двигателя не устанавливался воздушный компрессор. Тепло подводилось медленно и дольше, по сравнению с немецким мотором Рудольфа Дизеля. Тринклер-мотор был проще и эффективнее. Но, теми, у кого были лицензии на Дизель-двигатели Рудольфа и Нобелями были вставлены «палки в колеса», чтобы остановить распространение конкурентного варианта мотора. В 1902 году работы по созданию Тринклер-мотора были остановлены.

В 1989 году Эммануил Нобель получил лицензию на двигатель Рудольфа Дизеля. Двигатель был доработан и теперь он мог работать на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель», расположенный в Петербурге, начал массовый выпуск таких моторов. В 1900 году в Париже на Всемирной выставке дизельный ДВС получил ГРАН-ПРИ. Перед Всемирной выставкой в Париже, появилась новость, что Нобелевский завод в Петербурге выпускает ДВС, которые работают на сырой нефти. Такой ДВС в Европе начали называть «Русский дизель». Русский инженер по фамилии Аршаулов первым сконструировал и внедрил в систему топливный насос высокого давления (ТНВД). Приводом для ТНВД служил сжимаемый поршнем воздух. ТНВД работал с бескомпрессроной форсункой.

В 20-е годы ХХ века, Роберт Бош доработал встроенный ТНВД. Это устройство используется и в наши дни. Бош также усовершенствовал бескомпрессорную форсунку.

С 50-60 годов 20 века дизельный моторы успешно устанавливаются на грузовые машины и автофургоны.

С 70-х годов из-за удорожания бензинового топлива, на дизельные моторы стали обращать внимание производители легковых автомобилей.

В настоящее время, почти каждая марка авто имеет модификацию с дизельным аппаратом под своим капотом.

Устройство системы дизельного двигателя

Основными элементами диз мотора являются:

• цилиндро-поршневая группа (цилиндры, поршни, шатуны);
• топливные форсунки;
• впускные и выпускные клапана;
• турбина;
• интеркулер.

Современный дизельный двигатель в разрезе

Принцип работы дизельного мотора

Основная особенность дизельного ДВС в том, что он воспламенение топливно-воздушной смеси в камерах сгорания происходит за счет сжатия и нагрева. Распыление диз топлива осуществляется через форсунки.

Подача солярки осуществляется только в момент, при котором воздух максимально сжат и имеет максимальную температуру.

Когда воздух горячий, дизельное топливо легко воспламеняется. Перед попаданием топлива в камеры сгорания цилиндров ДВС, оно проходит очищающие фильтры, которые очищают от механических примесей, которые быстро нанесли бы ущерб всему устройству.

Порядок работы дизельной системы:

1. 1. Воздух подается через впускной клапан при движении поршня вниз.
   2. Далее поршень поднимается вверх и сжимает воздух в 20 раз. Давление в этот момент составляет 40 килограмм на 1 сантиметр. Температура воздуха в этот момент достигает 500 градусов по Цельсию.
   3. Когда воздух сжат и нагрет, форсунки этого цилиндра впрыскивают и распыляют топливо. За счет очень сильно нагретого воздуха дизтопливо воспламеняется. Такой способ работы исключает присутствие в системе свечей зажигания. Также в дизельных агрегатах отсутствует система зажигания. Процесс самовоспламенения солярки с воздухом от свечи накаливания.

   

   Также, в устройстве нет дроссельной заслонки, благодаря чему обеспечивается большой крутящий момент. Но, число оборотов в это время находится на низком уровне.За один цикл работы дизеля форсунки могут подавать топливо несколько раз.

2. При воспламенении горючей смеси, взрывная волна толкает поршень вниз. Поршень, который соединен с коленвалом посредством шатуна и вращает коленвал.
3. Далее, от нижней мертвой точки (НМТ) поршень движется вверх и выталкивает отработанные газы через выпускные клапана.Такой процесс в работе двигателя называют циклом.

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:

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

Цикл далее повторяется.

При охлаждении воздуха, его плотность увеличивается. Если плотность воздуха стала больше, значит можно закачать воздух большим объемом. Чем больший поток воздуха подается в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.

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.

Форсунки дизеля работают в импульсном режиме.

Вывод

За счет постоянных инженерных внедрений и испытаний, современные дизельные двигатели выдают очень хорошие технические характеристики. Качество сгорания отличное за счет использования турбонагнетателя. Качество сгорания, примерно, выше в 2 раза, чем у бензинового двигателя.

В последние годы идет постоянное усовершенствование не только для улучшения эксплуатационных показателей, но и за счет современных требований мировых экологов. Сначала было требование двигатели Евро-2, потом 3, 4, 5.

Видео

В этом видео показывается принцип работы дизеля.

Строение системы дизельного двигателя.

Принцип работы турбонагнетателя (турбонаддува, турбины).

Отличия ДВС евро 5 от евро 4.

Системы управления дизельным двигателем

Базовый проект системы защиты от включения с обратной полярностью и от повышенного напряжения для применения в автомобильных системах

PMP10737 представляет собой базовый проект, который обеспечивает защиту от включения с обратной полярностью (с помощью контроллера интеллектуального диода LM74610) и от повышенного напряжения с использованием дискретных компонентов.

Диапазон входного напряжения составляет от 7 В до 35 В при пороге защиты от повышенного напряжения на уровне 25 В. LM74610, в котором используется схема накачки заряда для управления N-канальным полевым транзистором с целью создания резистивного контура, по которому будет течь ток в байпасном режиме, используется для защиты от подключения к батарее с обратной полярностью

Данный базовый проект имеет характер аппаратного решения.

• Защиту от включения с обратной полярностью посредством интеллектуального диода
• Защита от повышенного напряжения с использованием дискретных компонентов
• Крайне низкий уровень рассеиваемой мощности
• Ток потребления отсутствует

Базовый проект устройства защиты от включения автомобильной батареи с обратной полярностью с функциями отключения при повышенном токе и повышенном напряжении

Проект PMP9498 представляет собой полноценное аппаратное решение устройства защиты для автомобильных систем, нуждающихся в защите от включения батареи с обратной полярностью, повышенного напряжения и повышенного тока. Также в данном проекте для цифрового управления подключением и отключением нагрузки к / от входного напряжения питания используется выключатель нагрузки. Данный проект соответствует требованиям по низкому значению потребляемого тока в выключенном состоянии при применении в автомобильной технике и имеет источник высокого тока затвора (типовое значение тока 30 мА) для управления высокомощными полевыми транзисторами в системах с высоким током.

Данный базовый проект имеет характер аппаратного решения.

• Защита от включения батареи с обратной полярностью с малым временем активации
• Защита от повышенного напряжения и повышенного тока
• Низкий потребляемый ток (90 нА) в выключенном состоянии
• Широкий диапазон постоянного входного напряжения от -17 В до 40 В
• Типовое значение тока управления затворами высокомощных полевых транзисторов 30 мА

Базовый проект привода двигателя с входным напряжением 48 В и мощностью 1 кВт для автомобильных применений

Проект TIDA-00281 от TI представляет собой привод управления 3-фазным вентильным двигателем постоянного тока, который был разработан для автомобильных применений с напряжением 48 В. Данная плата разработана для управления двигателями мощностью до 1 кВт, и она способна выдерживать токи до 30 А. В данном проекте аналоговые схемы работают в связке с платой C2000 LaunchPad для раскручивания 3-фазного BLDC-двигателя без необходимости в обратной связи при позиционировании от датчиков Холла или квадратурного датчика углового положения.

Данный базовый проект имеет характер аппаратно-программного решения.

• Управление скоростью вращения 3-фазных вентильных двигателей постоянного тока (BLDC) без необходимости в датчиках положения
• Отмасштабированная и отфильтрованная обратная связь с измерением напряжения и тока каждой фазы двигателя для управления 3-фазным питанием
• Работает в широком диапазоне напряжений питания от батарейной системы с напряжением 48 В
• Защита от включения с обратной полярностью при работе с батареей с напряжением 12 В

Базовый проект источника питания системного уровня мощностью 15 Вт для автомобильного контроллера бортовой электроники

TIDA-00745 представляет собой оптимизированный на системном уровне (CISPR25, класс 4) проект импульсного стабилизатора напряжения для автомобильного контроллера бортовой электроники. Все понижающие преобразователи, использованные в данном проекте, работают на частоте переключения 2,1 МГц.

Проект разбит на четыре основных блока.

1. Фильтр ЭМП: синфазный и дифференциальный фильтр для подавления наведённых ЭМП.
2. Предусилитель (TPS40210-Q1): бюджетный несинхронный предусилитель с высоким КПД для систем с мощностью 15 Вт. Выходное напряжение сохраняется на уровне 7,5 В, а при его превышении входным напряжением (отключение запрограммированного повышения напряжения) оно повторяет входное, тем самым активируется байпасное включение (посредством P-канального полевого транзистора, открывающегося при входном напряжении свыше запрограммированного повышенного выходного напряжения 7,5 В).
3. Понижающие преобразователи (LM53603-Q1, LM53601-Q1 и LM26420-Q1): все преобразователи работают на частоте переключения 2,1 МГц с целью непопадания в AM-полосу частот и достижения малых размеров решения. LM53603-Q1 и LM53601-Q1 входят в состав аппаратного средства и оба являются синхронными понижающими преобразователями с широким диапазоном входного напряжения и высоким уровнем интеграции для применения в автомобильной промышленности.
4. Последующие LDO с отслеживаемым выходным напряжением.

Данный базовый проект имеет характер аппаратного решения.

https://autostuk.ru/dizelnyj-dvigatel-ustrojstvo-princip-raboty.html
https://www.terraelectronica.ru/rd/11212