Дизельний двотактний двигун

8

Міністерство освіти і науки України

Вінницький коледж НУХТ

Реферат

З предмету «Будова автомобіля»

на тему

Дизельний двотактний двигун

Студента

Групи 2АМ- 6

Гнаповського Олександра

Сергійовича

Вінниця 2009

ЗМІСТ

1. Поняття дизельного двотактного двигуна

2. Історія дизельного двигуна

3. Принцип роботи двотактного циклу дизельного двигуна

4. Переваги та недоліки дизельного двигуна

5. Сфери застосування дизельних двигунів

Висновок

Перелік використаної літератури

1. ПОНЯТТЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВОТАКТНОГО ДВИГУНА

Дизельний двигун - поршневий двигун внутрішнього згоряння, що працює за принципом запалення палива від стискання. Основна відмінність дизельного двигуна від бензинової полягає в способі подачі палива і повітря в циліндр, і способі займання суміші. У карбюраторному бензиновому двигуні паливо змішується з всмоктуваному повітрям до попадання в циліндр, одержувана суміш підпалюється в необхідний момент свічкою запалення. Існують також бензинові двигуни з безпосереднім вприскуванням (наприклад, системи D-4 у Toyota, FSI у Volkswagen, GDI у Mitsubishi, Neo-Di у Nissan і т.д.). На всіх режимах, за винятком режиму повністю відкритій дросельної заслінки, дросельна заслонка обмежує повітряний потік, і наповнення циліндрів відбувається меншою кількістю паливно-повітряної суміші, але з великим вмістом палива ( «багатою сумішшю»).

У дизельному двигуні повітря подається в циліндр окремо від палива і потім стискається. Через високий ступінь стиснення (від 14:1 до 24:1), повітря нагрівається до температури самозаймання дизельного палива (800-900 ° С). Паливо впорскується в камери згоряння форсунками під великим тиском (від 10 до 220 МПа) з високою швидкістю (за кілька мілісекунд) і запалюється з малою затримкою. Свічки у дизеля теж можуть бути, але вони є свічками розжарювання і розігрівають повітря в камері згорання, щоб полегшити запуск. Таким чином, найбільш поширеним визначенням дизельного двигуна є: "Поршневий двигун внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення". Дизельний двигун використовує у своїй роботі термодинамічний цикл з Ізохоричний-Ізобаричний підведенням теплоти (цикл Тринклера-Сабате), завдяки дуже високому ступені стиснення вони відрізняються більшим ККД (30-42%) у порівнянні з бензиновими двигунами (ККД 22-30% [1] , за винятком бензинових двигунів з безпосереднім упорскуванням, ККД яких М.Б. до 35%).

2. ІСТОРІЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГУНА

У 1890 році Рудольф Дизель розвинув теорію «економічного термічного двигуна», який завдяки сильному стиску в циліндрах значно покращує свою ефективність. Він отримав патент на свій двигун 23 лютого 1893.

Цікаво, що в написаній ним книзі як ідеальний палива пропонувалася кам'яновугільна пил. Експерименти ж показали неможливість використання вугільного пилу в якості пального - насамперед через високі абразивних властивостей як самої пилу, так і золи, що виходить при згорянні, а також великі проблеми з подачею пилу в циліндри. Зате була відкрита дорога до використання як палива важких нафтових фракцій. Хоча Дизель і був першим, який запатентував такий двигун із запалюванням від стиснення, інженер по імені Екройд Стюарт висловлював раніше схожі ідеї. Він запропонував двигун, в якому повітря втягувався в циліндр, стискався, а потім нагнітався (наприкінці такту стиснення) в ємність, в яку впорскується паливо. Для запуску двигуна ємність нагрівалася лампою зовні, і після запуску самостійна робота підтримувалася без підведення тепла в квартирі.

Екройд Стюарт не розглядав переваги роботи від високого ступеня стиснення, він просто експериментував з можливостями виключення з двигуна свічок запалювання, тобто. він не звернув уваги на найбільша перевага - паливну ефективність. Може, це і було причиною того, що використовується термін «двигун Дизеля», «дизельний двигун» або просто «дизель», тому що теорія Рудольфа Дизеля стала основою для створення сучасних двигунів із запалюванням від стиснення. Надалі близько 20-30 років такі двигуни широко застосовувалися в стаціонарних механізми і силових установках морських суден, однак існуючі тоді системи вприскування палива не дозволяли застосовувати дизелі у високо-спритних агрегатах. Невелика швидкість обертання, значну вагу повітряного компресора, необхідного для роботи системи вприскування палива унеможливили застосування першого дизелів на автотранспорті.

У 20-і роки XX століття німецький інженер Роберт Бош удосконалив вбудований паливний насос високого тиску, пристрій, який широко застосовується і в наш час. Використання гідравлічної системи для нагнітання і вприскування палива дозволило відмовитися від окремого повітряного компресора і зробило можливим подальше збільшення швидкості обертання. Затребуваний в такому вигляді високоспритний дизель став користуватися дедалі більшою популярністю як силовий агрегат для допоміжного та громадського транспорту, однак доводи на користь двигунів з електричним запалюванням (традиційний принцип роботи, Легкість і невелика ціна виробництва) дозволяли їм користуватися великим попитом для встановлення на пасажирських і невеликих вантажних автомобілях, В 50 - 60-і роки дизель встановлюється у великих кількостях на вантажні автомобілі та автофургони, а в 70-ті роки після різкого зростання цін на паливо, На нього звертають серйозну увагу світові виробники недорогих маленьких пасажирських автомобілів.

У подальші роки відбувається зростання популярності дизеля на легкових і вантажних автомобілях, не тільки з-за економічності і довговічності дизеля, але також через меншу токсичності викидів в атмосферу. Всі провідні європейські виробники автомобілів в даний час пропонують як мінімум по одній моделі з дизельним двигуном.

Дизельні двигуни застосовуються також на залізниці. Локомотиви, що використовують дизельний двигун - тепловози є основним видом локомотивів на неелектріфіцірованних ділянках, конкурують з електровозами за рахунок автономності, перевозять до 40% вантажів і пасажирів в Росії і виконують 98% маневрової роботи. Дизель-поїзда використовуються замість електропоїздів на неелектріфіцірованних ділянках залізниць. Існують також поодинокі автомотриси, які використовуються на малонавантажених неелектріфіцірованних ділянках. Іноді автомотриси і невеликі дизель-поїзда називають рейковими автобусами.

3. ПРИНЦИП РОБОТИ ДВОТАКТНОГО ЦИКЛУ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГУНА

Нехай поршень перебуває в нижній мертвій точці і циліндр наповнений повітрям. Під час руху поршня вгору повітря стискується; поблизу верхньої мертвої точки відбувається вприскування палива, яке самозаймається. Потім відбувається робочий хід - продукти згоряння розширюються і передають енергію поршня, що рухається вниз. Поблизу нижньої мертвої точки відбувається продування - продукти згоряння заміщаються свіжим повітрям. Цикл завершується.

Рис. 1. Схема дизельного двотактного двигуна

Для здійснення продувки в нижній частині циліндра влаштовуються продувні вікна. Коли поршень знаходиться внизу, вікна відкриті. Коли поршень піднімається, він перекриває вікна.

Вікна можуть використовуватися і для випуску відпрацьованих газів, і для впуску свіжого повітря; така продування називається щелевой. Існує також клапанно - щелевая продування, коли відпрацьовані гази випускаються через клапан в головці циліндра, а вікна використовуються тільки для впуску свіжого повітря. Є ще двигуни, де в кожному циліндрі знаходяться два зустрічно рухаються поршня (опозитний схема); кожен поршень управляє своїми вікнами - один впускними, інший випускними (така система використовувалася на тепловозах ТЭ3 і ТЕ10, танкових двигунах 4ТПД, 5ТД (Ф) (Т - 64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авіації - на бомбардувальниках Юнкерс).

Оскільки в двотактному циклі робочі ходи відбуваються вдвічі частіше, то можна очікувати двократного підвищення потужності в порівнянні з чотиритактним циклом. На практиці ж це не вдається реалізувати, і двотактні дизель могутніше такого ж за обсягом чотиритактного всього в 1,6 - 1,7 разу як максимум.

В даний час двотактні дизелі широко застосовуються тільки на великих морських суднах з безпосереднім (безредукторним) приводом гребного гвинта. При неможливості підвищення частоти обертання двотактний цикл виявляється вигідним, а також вони тихохідні дизелі мають потужність до 100.000 л.с.

У зв'язку з тим, що організувати продувку вихровий камери (або передкамери) при двотактному циклі складно, двотактні дизелі будують тільки з нерозділеним камерами згоряння.

4. ПЕРЕВАГИ ТА НЕДОЛІКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГУНА

Бензиновий двигун є досить неефективним і здатний перетворювати всього лише близько 20-30% енергії палива в корисну роботу. Стандартний дизельний двигун, однак, звичайно має коефіцієнт корисної дії в 30-40%, дизелі з турбонаддувом і проміжним охолодженням до 50%.

Дизельний двигун через використання впорскування високого тиску не пред'являє вимог до летючості палива, що дозволяє використовувати в ньому низькосортні важкі масла.

Дизельний двигун не може розвивати високі обороти - суміш не встигає догоріти в циліндрах. Це призводить до зниження питомої потужності двигуна на 1л обсягу, а значить, і до зниження питомої потужності на 1кг маси двигуна. Це послужило причиною малого розповсюдження дизелів в авіації (тільки деякі бомбардувальники Юнкерс, а так само радянський важкий бомбардувальник Пе-8, оснащувався авіаційними дизелями АЧ-30 і АЧ-40 конструкції А. Д. Чаромского та Т. М. Мелькумова). На максимальної експлуатаційної потужності суміш у дизель не догорає, приводячи до викиду хмар сажі ( "тепловоз дає ведмедя").

Дизельний двигун не має дросельної заслінки, регулювання здійснюється регулюванням кількості уприскуваного палива. Це призводить до відсутності зниження тиску в циліндрах на низьких оборотах. Тому дизель видає високий крутний момент при низьких оборотах, що робить автомобіль з дизельним двигуном більш «чуйним» в русі, ніж такий же автомобіль з бензиновим двигуном. З цієї причини в даний час більшість вантажних автомобілів обладнуються дизельними двигунами. Це є перевагою також і в двигунах морських суден, так як високий крутний момент при низьких оборотах робить більш легким ефективне використання потужності двигуна.

У порівнянні з бензиновими двигунами, у вихлопних газах дизельного двигуна, як правило, менше окису вуглецю (СО), але тепер, у зв'язку із застосуванням каталітичних конверторів на бензинових двигунах, ця перевага не так помітно. Основні токсичні гази, які присутні у вихлопі в помітних кількостях-це вуглеводні (НС або СН), оксиди (оксиди) азоту (NOх) і сажа (або її похідні) у формі чорного диму. Вони можуть призвести до астми і раку легенів. Найбільше забруднюють атмосферу дизелі вантажівок і автобусів, які часто є старими і неврегульованою.

Іншим важливим аспектом, що стосуються безпеки, є те, що дизельне паливо нелетучих (тобто легко не випаровується) і, таким чином, вірогідність спалаху у дизельних двигунів набагато менше, тим більше що в них не використовується система запалювання. Разом з високою паливною економічністю це стало причиною широкого застосування дизелів на танках, оскільки в повсякденному небойові експлуатації зменшувався ризик виникнення пожежі в моторному відділенні із-за витоку палива. Менша пожежонебезпека дизельного двигуна в бойових умовах є міфом, оскільки під час пробиття броні снаряд або його осколки мають температуру, сильно перевищує температуру спалаху парів дизельного палива і також здатні досить легко підпалити що витекла пальне. Детонація суміші парів дизельного палива з повітрям в пробитому паливному баці за своїми наслідками можна порівняти з вибухом боєкомплекту, зокрема у танків Т-34 вона приводила до розриву зварних швів і вибивання верхньої лобової деталі бронекорпуса. З іншого боку, дизельний двигун в танкобудуванні поступається карбюраторному в плані питомої потужності (потужності, що знімається з одиниці маси мотора), а тому в ряді випадків (висока потужність при малому обсязі моторного відділення) більш виграшним може бути використання саме карбюраторного силового агрегату.

Звичайно, існують і недоліки, серед яких характерний стукіт дизельного двигуна при його роботі і масляниста паливо. Однак вони помічаються в основному власниками автомобілів з дизельними двигунами, а для стороннього людини практично непомітні.

Явними вадами дизельних двигунів є необхідність використання стартера великої потужності, помутніння та застигання річного дизельного палива при низьких температурах, складність у ремонті паливної апаратури, так як насоси високого тиску є пристроями, виготовленими з високою точністю. Також дизель-мотори вкрай чутливі до забруднення палива механічними частинками і водою. Дані забруднення дуже швидко виводять з ладу паливну апаратуру. Ремонт дизель-моторів, як правило, значно дорожче ремонту бензинових моторів аналогічного класу. Літрова потужність дизельних моторів також, як правило, поступається аналогічним показникам бензинових моторів, хоча дизель-мотори мають більш рівним крутний момент у своєму робочому діапазоні. Екологічні показники дизельних моторів значно поступалися до останнього часу моторів бензиновим. На класичних дизелях з механічно керованим упорскуванням можливе встановлення тільки окисних нейтралізаторів відпрацьованих газів ( «каталізатор» у просторіччя), що працюють при температурі відпрацьованих газів вище 300 ° С, що окислюють тільки CO і CH до нешкідливих для людини вуглекислого газу (CO2) і води. Також раніше дані нейтралізатори виходили з ладу внаслідок отруєння їх сполуками сірки (кількість з'єднань сірки у відпрацьованих газах безпосередньо залежить від кількості сірки в дизельному паливі) і відкладенням на поверхні каталізатора частинок сажі. Ситуація почала змінюватися лише в останні роки у зв'язку з впровадженням дизелів так званої «Common-rail» системи. У даному типі дизелів впорскування палива здійснюється електрично керованими форсунками. Подачу керуючого електричного імпульсу здійснює електронний блок керування, який отримує сигнали від набору датчиків. Датчики ж відстежують різні параметри двигуна, що впливають на тривалість і момент подачі паливного імпульсу. Так що за складністю сучасний - і екологічно таке ж чисте, як і бензин - дизель-мотор нічим не поступається своєму бензинової товариша, а по ряду параметрів складності і значно його перевершує. Так, наприклад, якщо тиск палива в форсунках звичайного дизеля з механічним упорскуванням становить від 100 до 400 бар, то в новітніх «Common-rail» воно перебуває в діапазоні від 1000 і до 2500 бар, що тягне за собою чималі проблеми. Також каталітична система сучасних транспортних дизелів значно складніше бензинових моторів, так як каталізатор повинен «уміти» працювати в умовах нестабільного складу вихлопних газів, а в частині випадків потрібно введення так званого «фільтр сажі». «Фільтр сажі» являє собою подібну звичайному каталітичного нейтралізатора структуру, що встановлюється між вихлопним колектором дизеля і каталізатором в потоці вихлопних газів. У фільтр сажі розвивається висока температура, при якій частинки сажі здатні окислитися залишковим киснем, що містяться у вихлопних газах. Однак частина сажі не завжди окислюється, і залишається в «фільтр сажі», тому програма блоку управління періодично перекладає двигун в режим очищення «фільтр сажі» шляхом так званої «постінжекціі», тобто вприскування додаткової кількості палива в циліндри в кінці фази згоряння з метою підняти температуру газів, і, відповідно, очистити фільтр шляхом спалювання накопичилася сажі. Стандартом де-факто в конструкціях транспортних дизель-моторів стала наявність турбонагнітача, а в останні роки - і так званого «інтеркулера» - тобто пристрої, охолоджує стислий турбонагнітачем повітря. Нагнітач дозволив підняти питомі потужності характеристики масових дизель-моторів, тому що дозволяє пропустити за робочий цикл більшу кількість повітря через циліндри.

В основі своїй конструкція дизельного двигуна подібна до конструкції бензинового двигуна. Однак аналогічні деталі у дизеля зазвичай важче і більш стійкі до більш високих тисків стиснення, які мають місце у дизеля. Головки поршнів, однак, спеціально розроблені під особливості згоряння в дизельних двигунах і часто (але не завжди) під підвищений ступінь стиснення, і головки поршнів знаходяться вище верхньої площини блоку циліндрів, коли поршень знаходиться у верхній точці свого ходу. У багатьох випадках головки поршнів містять у собі камеру згоряння.

5. СФЕРИ ЗАСТОСУВАННЯ ДИЗЕЛЬНИХ ДВИГУНІВ

Дизельні двигуни застосовуються для приводу стаціонарних силових установок, на рейкових (тепловози, дізелевози) і безрейковими (автомобілі, автобуси, вантажівки) транспортних засобах, самохідних машинах і механізмах (трактори, асфальтові катки, скрепери і т.д.).

ВИСНОВОК

Сучасні дизельні двигуни з системою турбонаддува набагато ефективніше своїх попередників, а іноді і перевершують своїх бензинових атмосферних (без турбонаддува) побратимів з таким же об'ємом двигуна. Про це говорить дизельний прототип Audi R10, який виграв 24-х годинну гонку в Ле-Мані, і нові двигуни BMW, які не поступаються за потужністю атмосферним (без турбонаддува) бензиновим і при цьому володіють величезним моментом, що крутить.

Правильно налаштований дизель лише трохи «голосніше» бензинового, що помітно лише на холостих обертах. У робочих режимах різниці практично немає. Голосно працюючий двигун свідчить про неправильної експлуатації і можливі несправності. Насправді старі дизелі з механічним упорскуванням дійсно відрізняються досить жорсткою роботою. Тільки з появою акумуляторних паливних систем високого тиску (common rail) у дизельних двигунів вдалося значно знизити шум перш за все за рахунок розділення одного імпульсу впорскування на кілька (типово - від 2-х до 5-ти імпульсів).

Часи, коли дизельне паливо коштувало в три рази дешевше бензину, давно пройшли. Зараз різниця становить не більше 10-20 відсотків за ціною палива, але основна економічність обумовлена більш високою теплотворною здатністю дизельного палива. У середньому дизель витрачає палива на 30% менше. Термін служби дизельного двигуна дійсно набагато більше бензинового і може досягати 400-600 тисяч кілометрів. Запчастини для дизельних двигунів також дещо дорожче, як і вартість ремонту. Незважаючи на всі перераховані вище причини, дизельний двигун при правильній експлуатації буде кілька економічніше бензинового.

При правильній експлуатації і підготовки до зими проблем з двигуном не виникне. Наприклад дизельний двигун VW-Audi 1,9 TDI (77 кВт/105 к.с..) Оснащений системою швидкого запуску: нагрів свічок розжарювання до 1000 градусів здійснюється за 2 с. Система дозволяє заводити двигун в будь-яких кліматичних умовах без передпускового розігріву.

Першими прикладами роботи дизельних двигунів на більш дешевому паливі - газі порадували ще в 2005 році італійські тюнінговиє фірми, які використовували як паливо метан. В даний час успішно зарекомендували себе варіанти застосування Газодизель на пропані, а також - кардинальні рішення з переобладнання дизеля в газовий двигун, який має перевагу перед аналогічним мотором, переобладнаним з бензинового, за рахунок спочатку більш високого ступеня стиснення.

ПЕРЕЛІК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова, Москва "Машиностроение", 1983, стр. 186.

2. Кутовой В.А. Впрыск топлива в дизелях.- М.: Машиностроение, 1981.- 119с.

3. Современные подходы к созданию дизелей для легковых автомобилей и малотоннажных грузовиков / А.Д. Блинов, П.А. Голубев, Ю.Е. Драган и др. Под ред. В.С. Папонова и А.М. Минеева.- М.: НИЦ «Инженер», 2000.- 332с

4. Разлейцев Н.Ф. Моделювання та оптимізації процесу згоряння в дизелях .- Харків: Вища школа. Изд-во при Харьк. ун-ті, 1980 .- 169 с.

5. Новый словарь автотехнических терминов. -- Изд-во «ANTIOPE»: Рига, 1997. -- 477с.