Как работает дизельный двигатель? | Как работает дизельный цикл?

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) наиболее распространены в наших повседневных автомобилях. Это самые эффективные и высокопроизводительные двигатели. Двигатели внутреннего сгорания имеют несколько типов, и дизельный двигатель является одним из них. Дизельный двигатель также известен как двигатель с воспламенением от сжатия (CI).

Дизельный двигатель — это компрессионный двигатель, в котором процесс смешивания топлива и воздуха происходит в карбюраторе двигателя. В этом двигателе процесс сжатия происходит за счет высокого сжатия воздуха. В этой статье мы подробно рассмотрим различные аспекты дизельного двигателя.

Что такое дизельный двигатель?

Двигатель, в котором дизельное топливо воспламеняется из-за высокого сжатия воздуха в камере сгорания, называется дизельным двигателем. Дизельный двигатель также известен как двигатель с воспламенением от сжатия, потому что в этом двигателе воспламенение происходит из-за высокого сжатия воздуха. В этом двигателе для зажигания не используется свеча зажигания. В 1893 году Рудольф Дизель изобрел первый дизельный двигатель.

Дизельный двигатель имеет большую эффективность, чем другие двигатели внутреннего сгорания (т.е. бензиновые двигатели). Это объясняется тем, что он имеет самый высокий коэффициент сгорания и расширения, что позволяет отводить тепло за счет избытка воздуха.

Эти двигатели имеют два типа — 4-тактные и 2-тактные дизельные двигатели. Эти типы дизельных двигателей использовались вместо стационарных паровых двигателей для повышения производительности.

В 1910 году эти двигатели стали использоваться на кораблях и подводных лодках. Через некоторое время они стали использоваться в таких областях, как электростанции, производящие электроэнергию, сельскохозяйственное оборудование, тяжелая техника, грузовики и локомотивы.

В 1970-х годах дизельные двигатели чаще всего использовались в больших внедорожных и дорожных транспортных средствах.

Низкооборотный двигатель CI (используемый в тех областях, где общий вес судов и других двигателей относительно невелик) может достигать эффективного КПД до 55%.

История дизельного двигателя

Рудольф Дизель изобрел 1-й дизельный двигатель в 1878 году. Он был студентом Политехникума в Мюнхене. Дизельный двигатель назван по имени Рудольфа Дизеля.

Проработав много лет, Дизель опубликовал свои идеи о дизельном двигателе в 1893 году в сочинении «Теория и конструкция рационального теплового двигателя».

Дизельный двигатель, построенный компанией Langen & Wolf по лицензии, 1898 год

Рудольф Дизель, когда изобрел дизельный двигатель, в качестве эффективного и действенного способа сжигания топлива использовал компрессорную зажигалку.

Для изобретения своего первого двигателя Дизель использовал масла, например, растительное, так как в то время у него не было формулы для дизельной инфраструктуры. Очень высокая степень сжатия использовалась для создания высокого давления и высокой температуры, необходимых для автоматического сгорания. Это была главная особенность двигателя с воспламенением от сжатия.

Также требовался метод впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания. Со временем инфраструктура нефтяного загрязнения превратилась в такие виды топлива, как бензин (для обеспечения работы бензиновых двигателей), нефть и мазут (котельная), дизельное топливо.

Цикл дизеля

Цикл дизельного двигателя совершает рабочий ход за два или четыре хода поршня. Ниже приводится объяснение работы цикла двигателя Дизеля с помощью T-S и P-V диаграммы:

• Для всасывания воздуха поршень перемещается от TDC до BDC (ход вниз). При движении вниз свежий воздух начинает поступать из атмосферы в цилиндр сжатия или камеру сгорания.
• Во время этого процесса выпускной клапан остается закрытым, а всасывающий клапан открывается.

• После всасывания всасывающий клапан закрывается, и поршень движется вверх (от BDC до TDC).
• Во время движения поршня вверх он сжимает воздух внутри цилиндра.
• В процессе сжатия температура воздуха повышается от T₁ до T₂а объем уменьшается с V₁ до V₂а давление увеличивается от P₁ до P₂.
• Однако во время всего этого процесса не происходит изменения энтальпии (S₁ = S₂).
• Этот процесс известен как изэнтропический, поскольку в нем не происходит изменения энтальпии.
• При изэнтропическом сжатии воздух сжимается до такой высокой температуры и давления, что воздушно-топливная смесь воспламеняется сама по себе, и ей не нужен дополнительный внешний источник тепла или свеча зажигания.

• Когда сжатый воздух достигает точки 2 (как показано на диаграмме PV и TS), топливная форсунка впрыскивает дизельное топливо в цилиндр, которое смешивается со сжатым воздухом.
• Когда дизельное топливо соприкасается со сжатым воздухом, топливовоздушная смесь воспламеняется из-за высокого сжатия воздуха. Этот процесс воспламенения добавляет тепло в сжатую воздушно-топливную смесь.
• Во время этого процесса поршень становится постоянным, и давление также остается постоянным (P₂=P₃). Однако энтальпия увеличивается от S₂ до S₃, температура увеличивается от T₂ до T₃а также объем увеличивается от V₂ до V₃.

4) Изэнтропическое расширение (3-4)

• В этом процессе смесь расширяется в цилиндре.
• В результате расширения тепло воспламенившейся воздушно-топливной смеси действует на поршень и заставляет его двигаться вниз, что приводит к вращению коленчатого вала. Вращение коленчатого вала приводит к дальнейшему движению автомобиля.
• Во время всего этого процесса давление смеси падает с P₃ до P₄а объем увеличивается с V₃ до V₄а температура также уменьшается от T₃ до T₄. Однако энтропия не изменяется S₃=S₄.

• После процесса расширения поршень продолжает двигаться вниз для отвода тепла из цилиндра.
• В этом процессе энтропия падает с S₄ до S₁, температура повышается до T₁, а давление падает до P₁. Однако объем остается неизменным (т.е. V4 = V1).
• После отвода всего тепла поршень снова всасывает воздух, и весь процесс повторяется.

Принцип работы дизельного двигателя

Работа дизельного двигателя отличается от работы бензинового двигателя или двигателя SI. Дизельный двигатель работает по основному принципу дизельного цикла. Цикл дизельного двигателя состоит из четырех процессов, а именно:

1) Всасывающий ход

• На начальной стадии поршень движется вниз внутри камеры сгорания и создает вакуум внутри цилиндра.
• Вследствие создания вакуума возникает разность давлений снаружи и внутри цилиндра.
• Из-за разницы давлений впускной клапан открывается, выпускной клапан закрывается, и воздух из атмосферы поступает в камеру сгорания.

2) Такт сжатия

• После такта всасывания впускной и выпускной клапаны закрываются, и поршень начинает двигаться вверх (от BDC до TDC) для сжатия воздуха. В процессе сжатия воздуха давление и температура воздуха увеличиваются, но объем уменьшается.
• В конце такта сжатия поршень начинает двигаться с постоянной скоростью в течение некоторого времени, и в камеру сгорания впрыскивается топливо, которое смешивается со сжатым воздухом.
• Вследствие высокого сжатия воздуха топливно-воздушная смесь воспламеняется, и внутреннее тепло смеси увеличивается. Во время этого процесса выделения тепла давление топливовоздушной смеси остается постоянным (как показано на приведенной выше PV-диаграмме цикла дизельного двигателя).

3) Ударная мощность

• В результате воспламенения воздушно-топливной смеси выделяется тепло.
• Выделяемое тепло воздействует на поршень и толкает его вниз.
• При движении поршня вниз сгоревшая смесь расширяется в камере сгорания. Это движение поршня вниз вращает коленчатый вал и приводит в движение автомобиль.

4) Выхлопной ход

• После такта мощности поршень достигает точки BDC, открывает выпускной клапан и выталкивает выхлопные газы из камеры.
• После такта выхлопа поршень снова движется вверх и повторяет весь цикл.

Компоненты дизельного двигателя

1. Топливная система
2. Система охлаждения
3. Топливные фильтры
4. Топливная система
5. Доохладитель
6. Топливная форсунка
7. Картер
8. Турбокомпрессор

1) Топливная система

Топливная система состоит из сепаратора, инжектора, топливного насоса, топливных направляющих, регулятора давления топлива, насоса впрыска топлива и многих других узлов. В этой системе также имеются топливные фильтры, используемые для фильтрации топлива и очистки его от пыли и других загрязнений.

2) Топливный сепаратор

Эта часть дизельного двигателя используется для того, чтобы некачественное топливо не выводило двигатель из строя.

3) Топливные фильтры

Фильтры играют жизненно важную роль в безопасности двигателя. Они фильтруют топливо и удаляют из него пыль и другие загрязнения. Таким образом, они также продлевают срок службы двигателя.

4) Топливный инжектор

Инжектор играет важную роль в процессе сгорания топлива. Она работает таким образом, что впрыскивает топливо в камеру сгорания при поступлении в нее сжатого воздуха и смешивает топливо со сжатым воздухом.

5) Турбокомпрессор

Турбокомпрессор позволяет двигателю всасывать больше воздуха в камеру сгорания и увеличивает мощность двигателя.

6) Доохладитель

Используется для снижения температуры всасываемого воздуха.

7) Система смазки

1. Устраняет инородные материалы из двигателей.
2. Обеспечивает связь между поршневым кольцом и цилиндром.
3. Уменьшает износ и останавливает заедание трущихся поверхностей.
4. Устраняет нагрев поршней и других компонентов.
5. Снижает мощность, необходимую для отключения сопротивления трения.

В масляной системе смазки различные детали дизельного двигателя смазываются под высоким давлением. Масло для смазки деталей двигателя хранится в масляном картере. Масляный насос перекачивает масло и передает его в фильтр.

Пройдя через фильтр, масло попадает в главную галерею. Масло из главной галереи используется для смазки коренных подшипников.

После смазки подшипников часть масла возвращается в поддон, часть масла используется для смазки стенок цилиндра, а оставшееся масло поступает в шатун. Масло смазывает поршневое кольцо, перетекая от шатуна к поршневому пальцу через отверстие шатуна.

8) Система охлаждения

• Она поддерживает идеальную температуру для наилучшей эффективности работы двигателя в любых ситуациях.
• Эта система сохраняет смазывающие свойства масла.
• Она позволяет избежать перегрева и предотвращает повреждение деталей двигателя, таких как клапаны, поршни, головка блока цилиндров и цилиндр.

• Водяное охлаждение
• Воздушное охлаждение

Цилиндр двигателя окружает водяная рубашка. В этой рубашке находится вода, которая поглощает тепло от цилиндра.

• Метод принудительной циркуляции
• Термосифонный метод
• Непрямой или прямой метод

Эффективность дизельного двигателя

Дизельный двигатель имеет высокий КПД благодаря высокой степени сжатия. Отсутствие дроссельной заслонки означает очень малые потери на воздухообмен, что позволяет расходовать меньше топлива, особенно при средних и низких нагрузках. По этим причинам дизельные двигатели очень экономичны.

По мнению Рудольфа Дизеля, фактическая производительность дизельного двигателя должна составлять от 43,2% до 50,4% и более.

Фактическая эффективность дизельного двигателя в новейших легковых автомобилях может достигать 43%, а двигатели тяжелых дизельных автобусов и грузовиков достигают максимальной эффективности до 45%. Однако в ездовом цикле средний КПД меньше, чем максимальный.

Максимальный КПД дизельного двигателя составляет около 55%, которого может достичь большой 2-тактный судовой дизельный двигатель.

Теоретический КПД дизельного двигателя

Такт сжатия и такт мощности дизельного двигателя являются обратимыми адиабатическими. Поэтому эффективность цикла Дизеля может быть измерена на основе процессов постоянного объема и постоянного давления.

Приведенная ниже формула позволяет рассчитать КПД цикла Дизеля:

Как мы уже говорили,

Произведенная работа = Тепло, добавленное в систему, — Тепло, отведенное системой.

КПД равен:

Коэффициент сжатия (r) приведен ниже:

Коэффициент отсечки приведен ниже:

Коэффициент расширения приведен ниже;

После расчета всех параметров, теперь рассчитаем процесс добавления тепла при постоянном давлении (1-2),

Итак, в случае адиабатического сжатия (4-1),

В случае адиабатического расширения (2-3),

Подставив значение T1 в уравнения (v) и (iv),

Теперь подставим значения T3, T2 и T1 в вышеприведенное уравнение (iii),

Типы дизельных двигателей

1. 4-тактный дизельный двигатель
2. 2-тактный дизельный двигатель

1) 2-тактный дизельный двигатель

Двухтактный дизельный двигатель — это тип двигателя с воспламенением от сжатия, который завершает цикл мощности только за два хода поршня. Топливо воспламеняется благодаря высокой степени сжатия топлива.

2) 4-тактный дизельный двигатель

Он завершает цикл мощности после двух оборотов коленчатого вала или четырех ходов поршня. Эти двигатели можно встретить в тяжелых транспортных средствах, таких как автобусы, междугородние автобусы, тракторы, автомобили и т.д.

Преимущества и недостатки 4-тактного дизельного двигателя: —

Разница между дизельным и бензиновым двигателем

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

Преимущества и недостатки дизельных двигателей приведены ниже:

Преимущества дизельного двигателя

• Основным преимуществом использования двигателя с воспламенением от сжатия является прямой впрыск топлива в камеру сгорания. Для его сгорания не требуется свеча зажигания. Кроме того, для работы двигателя с воспламенением от сжатия не требуется газ.
• Дизельный двигатель имеет более высокий КПД, чем двигатель SI.
• Он имеет высокую скорость.
• В нем используется дымовая ловушка для улучшения крутящего момента. При работе только на уменьшение СВ и защиту, можно уменьшить мощность насоса и насоса, а также увеличить пропускную способность впускного канала. HC и CO также могут быть уменьшены.
• Дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия также потребляет меньше топлива по сравнению с двигателем SI.
• Этот тип двигателя потребляет малое количество топлива.
• Эти двигатели требуют низкого технического обслуживания по сравнению с бензиновыми двигателями.
• Двигателю CI не нужна свеча зажигания для воспламенения топлива.

Недостатки дизельных двигателей

• Эти двигатели требуют высокой степени сжатия для создания условий, необходимых для автоматического зажигания.
• Дизельный двигатель имеет высокую вероятность поломки по сравнению с бензиновым двигателем.
• Если этот двигатель не будет контролироваться должным образом, то в условиях сильного пожара он может необратимо повредить свои компоненты.
• Высокая степень сжатия влияет на его производительность.
• Эти двигатели имеют высокую стоимость обслуживания.
• Автомобили с дизельными двигателями стоят дороже.
• Дизельное топливо имеет высокую цену по сравнению с бензином.
• Они дороже двигателей с искровым зажиганием.

Применение дизельного двигателя

1. Двигатель с воспламенением от сжатия используется в тяжелом промышленном оборудовании.
2. Двигатели внутреннего сгорания используются для питания различных компрессоров, насосов и больших двигателей.
3. Эти двигатели внутреннего сгорания используются в гидроэлектростанциях.
4. Они используются вместе с турбинами для выработки электроэнергии.
5. Они используются для приведения в движение судов.
6. Высокоскоростные двигатели используются для приведения в движение автомобилей, автобусов, яхт, грузовиков, тракторов и других машин.
7. Они также используются для приведения в движение железнодорожных составов.

Раздел часто задаваемых вопросов

Какой двигатель лучше — дизельный или бензиновый?

Дизельный двигатель лучше бензинового, потому что он выбрасывает меньше CO2 по сравнению с бензиновым двигателем. Дизельные двигатели более эффективны, чем бензиновые, но они имеют высокую стоимость.

Дизельные двигатели обладают высокой способностью перемещать тяжелые грузы, поскольку они производят больший крутящий момент, чем бензиновые двигатели. Поэтому дизельные двигатели чаще всего используются в автомобилях с большой нагрузкой.

Какие проблемы существуют у дизельных двигателей?

1. Дизельные двигатели трудно запустить.
2. Они имеют высокую стоимость.
3. Тяжелый вес
4. В дизельном двигателе используется дизельное топливо, которое имеет очень высокую густоту, чем бензиновое топливо. Из-за этого дизельное топливо имеет высокую вероятность загрязнения.

По какому циклу работает дизельный двигатель?

Дизельный двигатель работает по циклу дизеля.

Какие бывают типы дизельных двигателей?

1. 4-тактный двигатель
2. 2-тактный двигатель

Из каких частей состоит дизельный двигатель?

1. Доохладитель
2. Система охлаждения
3. Топливные фильтры
4. Топливная форсунка
5. Картер
6. Топливная система
7. Поршень

Есть ли у дизельных двигателей свечи зажигания?

У дизельного двигателя нет свечи зажигания. Причина в том, что в этом двигателе воспламенение происходит за счет высокого сжатия воздуха.

Кто изобрел дизельный двигатель?

Рудольф Дизель открыл дизельный двигатель в 1890-х годах.

Что произойдет, если залить газ в дизельный двигатель?

Дизельное топливо сконструировано таким образом, что для его воспламенения не требуется внешний источник тепла (например, свеча зажигания), в то время как бензиновое топливо не может воспламениться без свечи зажигания. Поэтому, если вы зальете газ в дизельный двигатель, он не воспламенится, и двигатель не заведется.

Заключение

Дизельные двигатели наиболее широко используются во всем мире. Причина их популярности в том, что они более эффективны, чем бензиновые двигатели. Эти двигатели используются для приведения в движение различных тяжелых транспортных средств, а также для приведения в действие промышленного тяжелого оборудования.

Двигатель CI потребляет меньше топлива по сравнению с бензиновым двигателем. Таким образом, дизельный двигатель имеет большую мощность и скорость, чем двигатель SI. Но эти двигатели имеют высокую стоимость по сравнению с бензиновыми двигателями.