Вопрос 1. Что поступает в цилиндры дизельного двигателя при такте «Впуск»? — КиберПедия

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рабочий цикл авто с дизельным двигателем отличается тем, что при такте впуска в цилиндр двигателя поступает очищенный  воздух, а не горючая смесь, как в карбюраторном двигателе.

Первый такт — впуск.

Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление  0.08—0. 09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.

Работа четырехтактного одноцилиндрового дизельного  двигателя:

а — впуск воздуха; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1— цилиндр; 2 — топливный насос, 3 — поршень: 4 — форсунка, 5 — впускной клапан, 6 — выпускной клапан

Второй такт — сжатие.

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Четвертый такт — выпуск.

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200.   После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы выпуска и впуска совмещены по времени с процессами сжатия и рабочего хода. Рабочий цикл происходит за 360 градусов (один оборот коленчатого вала).

При движении поршня от ВМТ к НМТ одновременно происходят процессы расширения и выпуска с продувкой цилиндра, а при обратном движении от НМТ к ВМ1 впуск и сжатие. Изменения параметров цикла (давление и температура) соответствуют изменениям параметров четырехтактного двигателя.
Сравнение рабочих циклов четырех- , двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения коленчатого вала мощность двухтактных двигателей выше в 1.5—1,7 раза. Он проще по конструкции и компактнее.
К недостаткам двухтактного двигателя следует отнести ограниченное время газообмена, что ухудшает очистку цилиндра от отработавших газов, увеличивает потери части свежею заряда, снижает экономичность.

Работа дизельного двигателя, подробнее

Объяснение работы двигателей с воспламенением от сжатия

Дизельные двигатели — это рабочие лошадки как в промышленности, так и в производительности. Но чтобы по-настоящему оценить их, важно понять, как они работают.

Дизельные двигатели являются основными силовыми установками в промышленности. Для тяжелых условий эксплуатации, требующих высокого крутящего момента, долговечности и превосходной топливной экономичности, повсеместно используются дизельные двигатели. Автомобильные, морские и железнодорожные перевозки в значительной степени зависят от дизельных двигателей, а не от двигателей, работающих на бензине. Даже многие электростанции вырабатывают электроэнергию с помощью больших дизельных двигателей. И, конечно же, почти вся тяжелая строительная, сельскохозяйственная и горнодобывающая техника работает на дизельном топливе. Мировая торговля эффективно работает на дизельном топливе. Несмотря на внешнее сходство, критические различия отличают дизельные и бензиновые двигатели друг от друга и определяют, какой тип двигателя лучше всего подходит для любого конкретного применения, включая грузовики и автомобили.

В отличие от обычного бензинового двигателя, в дизельном двигателе топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр во время рабочего такта, после чего топливо воспламеняется из-за высокой температуры цилиндра.

Дизельные и бензиновые двигатели являются двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Топливо и воздух объединяются и сжигаются внутри двигателя для получения энергии. Как и бензиновый двигатель, дизельный двигатель имеет цилиндры, коленчатый вал, шатуны и поршни для передачи энергии топлива от линейного движения к вращательному. Основное различие заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси. Бензиновые двигатели относятся к двигателям с искровым зажиганием, а дизельные двигатели — к двигателям с воспламенением от сжатия.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, циклы

• Впуск
• Сжатие
• Горение (расширение)
• Выхлоп

Эти циклы практически одинаковы для обоих типов двигателей, за исключением цикла сгорания, в котором бензиновый двигатель запускается от искры, а дизельный двигатель запускается от сжатия. Это различие играет ключевую роль в превосходстве дизельного двигателя в условиях, требующих высокой эффективности и высокого крутящего момента при хорошей экономии топлива.

СГОРАНИЕ

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания всасывает предварительно смешанные топливо и воздух через систему впуска, сжимает их в каждом цилиндре с помощью поршня и воспламеняет смесь с помощью свечи зажигания. Топливо добавляется во время такта впуска, чтобы создать желаемую воздушно-топливную смесь, готовую к сгоранию. Последующий цикл сгорания расширяет горящую смесь и повышает давление в цилиндре, чтобы толкнуть поршень вниз и создать крутящий момент.

В дизельном двигателе воздух и топливо предварительно не смешиваются. Воздух подается в цилиндры и сжимается поршнем до гораздо более высокого давления, чем в бензиновом двигателе; до 25:1 в некоторых случаях. Это механическое или адиабатическое сжатие перегревает воздух до 400° и более. В этот момент топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух, что приводит к мгновенному воспламенению. Создается более высокое давление в цилиндре, создавая больший крутящий момент для привода автомобиля.

Деталь, которой нет в дизельном двигателе. В отличие от бензиновых двигателей, которым требуется триггерное событие — сильный электрический разряд — для инициирования сгорания, дизельные двигатели полагаются исключительно на температуру сжатого воздуха в верхней мертвой точке.

КАЧЕСТВО СМЕСИ

Дизельные двигатели обеспечивают более высокий уровень эффективности по нескольким причинам. Одна веская причина заключается в том, что более высокое давление в цилиндре во время впрыска топлива создает гораздо более плотную смесь, которая дает более сильный удар; плотность смеси имеет первостепенное значение для создания мощности. Более высокая степень сжатия также приводит к более полному сгоранию топлива, высвобождая больше энергии, поскольку дизельное топливо дает более высокую плотность энергии. Кроме того, уникальная способность дизеля впрыскивать топливо в течение более длинного такта рабочего хода помогает создать более высокое среднее давление в цилиндре, чем у сопоставимого бензинового двигателя. Дизельное топливо также содержит смазывающий компонент, который помогает уменьшить трение в цилиндрах.

Камера сгорания в головке поршня дизельного двигателя представляет собой неглубокую камеру с центральным конусом, помогающим распределять смесь из топлива под высоким давлением, впрыскиваемого непосредственно над ней. «В высокопроизводительных приложениях сочетание угла впрыска и конструкции тарелки имеет решающее значение», — отмечает Дж. Дж. Циммерман из Diamond Pistons. «Большая часть нашего инженерного времени уходит на эту конкретную арену, поскольку именно здесь выигрываются или проигрываются гонки».

Хотя инициирование сгорания отличается от типичного бензинового двигателя, принципиальное отличие также заключается в конструкции камеры сгорания для оптимизации распыления топлива. Большинство бензиновых двигателей имеют камеру сгорания в головке блока цилиндров, но в дизельном двигателе камера сгорания находится в центре днища поршня. Поршень дизельного двигателя имеет контурное углубление или чашу в центре днища поршня, где происходит сгорание. В центре чаши конусообразный выступ находится прямо под топливной форсункой.

Конус и захваченная поршневая камера под головкой блока цилиндров способствуют оптимизированному распылению топлива в камере сгорания высокого давления. Эта форма камеры «конус в короне» обычно называется конструкцией «мексиканской шляпы» (сомбреро), и она почти универсальна для дизельных поршней. Высокоэффективная камера в центре поршня концентрирует большую часть силы, создаваемой циклом расширения (сгорания), и направляет ее прямо вниз по шатуну к коленчатому валу.

Сменные поршни Diamond Pistons из кованого сплава 2618 для двигателей Cummins, Duramax и Power Stroke (на фото) заполняют нишу для ремонтников, которым требуются высококачественные сменные поршни, соответствующие степени сжатия OEM, с полным покрытием поршня и штифтами из инструментальной стали DLC h23.

Еще одно отличие заключается в том, что дизельный двигатель дросселируется за счет подачи топлива, а бензиновый двигатель дросселируется за счет подачи воздуха. Поскольку поток воздуха не дросселируется, дизельный двигатель также не создает вакуум. Подача топлива осуществляется непосредственным впрыском в цилиндр, направленным прямо в верхнюю часть поршня. Это имеет большое значение для качества топливной смеси и последующей эффективности сгорания.

Непосредственный впрыск делает процесс сгорания проще и эффективнее. Дизельные двигатели работают при значительно более обедненной смеси воздух-топливо, чем бензиновые двигатели, обычно от 25:1 до 40:1 по сравнению с нормальным бензиновым диапазоном от 12:1 до 15:1. Современные дизельные двигатели с непосредственным впрыском топлива впрыскивают топливо под давлением, приближающимся (или, в некоторых случаях, превышающим) 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Это обеспечивает наилучшее возможное распыление не только для эффективного сжигания, но и для сжигания с низким уровнем отходящего тепла. А обедненные смеси являются ключевой причиной того, почему дизели настолько экономичны.

СИНХРОНИЗАЦИЯ

Еще одно интересное различие между дизельными и бензиновыми двигателями — синхронизация форсунок и синхронизация зажигания. В бензиновых двигателях синхронизация зажигания относится к моменту, когда сгорание инициируется свечой зажигания. В дизельном двигателе синхронизация относится к началу впрыска топлива, которое рассчитано на использование точки максимального сжатия смеси.

Несмотря на то, что дизельные двигатели в основном используются в грузовиках, они нашли большой успех и в драгкарах. 6,8-литровый двигатель Райана Милликена ’66 ​​Nova с двигателем Cummins — это автомобиль с радиальными шинами, который доказывает многогранность дизельного топлива. В двигателе используются алмазные поршни и турбонаддув Massive Garrett GTX5533R, что позволяет совершать дымные заезды на четверть мили.

ТУРБОНАДДУВ

Дизельные двигатели требуют значительно более прочных компонентов в первую очередь из-за более высокого давления в цилиндрах и высокого крутящего момента. Давление в цилиндрах увеличивается до 3600 фунтов на квадратный дюйм в современных двигателях с турбонаддувом и более 8000 фунтов на квадратный дюйм в высокопроизводительных двигателях. Для 4-дюймового отверстия это может составлять 45 000 фунтов давления, толкающего поршень вниз. Следовательно, блок двигателя, коленчатый вал, шатуны, поршни, головки цилиндров и клапаны значительно прочнее, чем у бензинового двигателя. Поскольку они предназначены для работы под высоким давлением, большая часть дизельных двигателей оснащена турбонаддувом.

Турбокомпрессоры идеально подходят для дизелей, потому что они перенаправляют отработанные выхлопные газы для эффективного наддува двигателя, который уже предназначен для работы при высоком давлении в цилиндрах. Термический КПД дизельного двигателя эффективно улучшается за счет турбонаддува, поскольку он существенно увеличивает объем воздуха, поступающего в двигатель, что позволяет впрыскивать больше топлива. Топливо создает энергию, но для ее разблокировки требуется воздух.

Отношение крутящего момента к мощности дизельных двигателей обычно составляет около 2:1, но многие промышленные двигатели достигают соотношения 3:1 или 4:1, в отличие от типичного соотношения 1:1, генерируемого бензиновым двигателем. Дизели эффективны по крутящему моменту, потому что они создают высокое давление в цилиндре за счет очень эффективного сгорания и применяют его к длинному ходу коленчатого вала, что увеличивает рычаг. Турбокомпрессор добавляет совершенно новый фактор к уравнению крутящего момента, поскольку он снижает насосные потери во время такта впуска и резко увеличивает давление в цилиндре в такте рабочего хода. Дизели любят давление наддува. Давление наддува дизельных двигателей нередко в два, три или более раз превышает давление наддува, обычно используемое в бензиновых двигателях.

На внутреннем дизельном рынке доминируют двигатели GM Duramax, Dodge Cummins и Ford PowerStroke.

УПРАВЛЕНИЕ ВПРЫСКОМ

Среди других распространенных методов настройки удлинение события впрыска и его более раннее начало создает большее давление в цилиндре. Множественные события впрыска (пилотный впрыск) за цикл питания теперь также являются обычным явлением. Таким образом, сгорание инициируется и усиливается дополнительными впрысками во время каждого цикла. Это максимально использует преимущества более высоких уровней наддува с эффективностью сгорания для создания более высокого давления в цилиндрах.

Процесс сгорания в дизельном двигателе по своей природе не является плавным и однородным, главным образом из-за изменений нагрузки и температуры. Важнейшей целью ужесточения контроля над процессом впрыска является уменьшение колебаний сгорания от цикла к циклу. Современные датчики и система управления двигателем помогают сгладить ситуацию, а современные дизели работают тише и мощнее, чем когда-либо. Системы управления и система впрыска Common Rail под более высоким давлением теперь могут осуществлять до трех впрысков за один акт сгорания, и они могут варьировать каждый впрыск с большим или меньшим количеством топлива и более высоким или более низким давлением в зависимости от того, что необходимо для оптимального сгорания.

Diamond предлагает поршни для популярных дизелей в кованых конфигурациях 2618. Они также предлагают термическое покрытие и покрытие юбки и поршневые пальцы из инструментальной стали.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОРШНЯ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Все это делает поршень ответственным за повышение давления сгорания. В то время как дизели обычно имеют очень надежную конструкцию, поршень — это игрок, которому необходимо постоянно усиливать свою игру.

Diamond Pistons представляет полную линейку сменных кованых алюминиевых поршней для всех распространенных дизельных платформ последних моделей. Из них основными игроками являются Dodge Cummins, GM Duramax и Ford Power Stroke. Эти поршни поддерживают рынок восстановления дизельных двигателей благодаря стандартным и увеличенным поршням из сплава 2618, которые имеют твердое анодирование и поставляются с DLC (алмазоподобным покрытием) поршневыми пальцами из инструментальной стали h23 — большой шаг в обеспечении высококачественных поршней для соревнований и гоночных дизельных двигателей. Приложения.

Рынок дизельного топлива стремительно развивается уже более десяти лет. OEM-производители и энтузиасты развивают эту технологию с бешеной скоростью. Diamond быстро реагирует на растущий рыночный спрос, чтобы убедиться, что они могут поставлять поршни, которые удовлетворят все потребности клиентов.

Сгорание в дизельных двигателях

Сгорание в дизельных двигателях

Ханну Яаскеляйнен, Магди К. Хайр

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

• Приготовление и смешивание дизельного топлива
• Исследовательские двигатели для оптической диагностики

Abstract : В дизельных двигателях топливо впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия. Во время фазы, известной как задержка воспламенения, топливная струя распыляется на мелкие капли, испаряется и смешивается с воздухом. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке, температура смеси достигает температуры воспламенения топлива, вызывая воспламенение некоторого количества предварительно перемешанного количества топлива и воздуха. Остаток топлива, не участвовавший в предварительном сгорании, расходуется на фазе сжигания с регулируемой скоростью.

• Компоненты процесса сгорания
• Скорость тепловыделения в двигателях с прямым впрыском
• Три фазы сгорания дизельного топлива
• Концептуальная модель сжигания дизельного топлива
• Шум, создаваемый горением

Сгорание в дизельных двигателях очень сложное, и до 1990-х годов его подробные механизмы не были хорошо изучены. В течение десятилетий его сложность, казалось, не позволяла исследователям раскрыть его многочисленные секреты, несмотря на доступность современных инструментов, таких как высокоскоростная фотография, используемая в «прозрачных» двигателях, вычислительная мощность современных компьютеров и множество математических моделей, разработанных для имитации сгорания в дизельном топливе. двигатели. Применение лазерной визуализации к обычному процессу сгорания дизельного топлива в 1990-е годы стали ключом к значительному расширению понимания этого процесса.

В этой статье будет рассмотрена наиболее известная модель сгорания для обычного дизельного двигателя . Это «обычное» дизельное сгорание в первую очередь контролируется смешиванием с, возможно, сгоранием с предварительным смешиванием, которое может происходить из-за смешивания топлива и воздуха перед воспламенением. Это отличается от стратегий сжигания, которые пытаются значительно увеличить долю происходящего сжигания предварительно смешанного топлива, например, различные ароматы низкотемпературного сгорания.

Основной предпосылкой дизельного сгорания является его уникальный способ высвобождения химической энергии, содержащейся в топливе. Чтобы выполнить этот процесс, кислород должен быть доступен для топлива определенным образом, чтобы облегчить горение. Одним из наиболее важных аспектов этого процесса является смешивание топлива и воздуха, которое часто называют приготовлением смеси .

В дизельных двигателях топливо часто впрыскивается в цилиндр двигателя ближе к концу такта сжатия, всего за несколько градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки 9. 0136 [391] . Жидкое топливо обычно впрыскивается с высокой скоростью в виде одной или нескольких струй через небольшие отверстия или форсунки в наконечнике форсунки. Он распыляется на мелкие капли и проникает в камеру сгорания. Распыленное топливо поглощает тепло окружающего нагретого сжатого воздуха, испаряется и смешивается с окружающим высокотемпературным воздухом высокого давления. По мере того, как поршень продолжает двигаться ближе к верхней мертвой точке (ВМТ), температура смеси (в основном воздуха) достигает температуры воспламенения топлива. Быстрое воспламенение некоторых предварительно смешанного топлива и воздуха происходит после периода задержки воспламенения. Это быстрое воспламенение считается началом сгорания (а также концом периода задержки воспламенения) и характеризуется резким повышением давления в цилиндре по мере того, как происходит сгорание топливно-воздушной смеси. Повышенное давление, возникающее в результате сжигания предварительно смешанной смеси, сжимает и нагревает несгоревшую часть заряда и сокращает время задержки перед его воспламенением. Это также увеличивает скорость испарения оставшегося топлива. Распыление, испарение, смешение паров топлива с воздухом и горение продолжаются до тех пор, пока не сгорит все впрыскиваемое топливо.

Сгорание дизельного топлива характеризуется обедненным общим соотношением A/F. Самое низкое среднее отношение A/F часто наблюдается в условиях максимального крутящего момента. Чтобы избежать чрезмерного дымообразования, соотношение A/F при пиковом крутящем моменте обычно поддерживается на уровне выше 25:1, что значительно выше стехиометрического (химически правильного) отношения эквивалентности, равного примерно 14,4:1. В дизельных двигателях с турбонаддувом соотношение A/F на холостом ходу может превышать 160:1. Поэтому избыточный воздух, находящийся в цилиндре после сгорания топлива, продолжает смешиваться с горящими и уже сгоревшими газами на протяжении всего процесса сгорания и расширения. При открытии выпускного клапана избыток воздуха вместе с продуктами сгорания выбрасывается, что объясняет окислительный характер дизельного выхлопа. Хотя сгорание происходит после того, как испарившееся топливо смешивается с воздухом, образуя локально богатую, но горючую смесь, и достигается надлежащая температура воспламенения, общее соотношение воздух/топливо обеднено. Другими словами, большая часть воздуха, поступающего в цилиндр дизельного двигателя, сжимается и нагревается, но никогда не участвует в процессе сгорания. Кислород в избыточном воздухе помогает окислять газообразные углеводороды и окись углерода, уменьшая их концентрацию в выхлопных газах до чрезвычайно малых концентраций.

Следующие факторы играют основную роль в процессе сгорания дизельного топлива:

• Модель инжектировала наддувочный воздух , его температуру и кинетическую энергию в нескольких измерениях.
• Распыление впрыскиваемого топлива , проникновение распыления, температура и химические характеристики.

Хотя эти два фактора являются наиболее важными, существуют и другие параметры, которые могут сильно на них влиять и, следовательно, играть второстепенную, но все же важную роль в процессе горения. Например:

• Конструкция впускного отверстия , которая оказывает сильное влияние на движение наддувочного воздуха (особенно когда он входит в цилиндр) и, в конечном счете, на скорость смешивания в камере сгорания. Конструкция впускного отверстия также может влиять на температуру наддувочного воздуха. Это может быть достигнуто за счет передачи тепла от водяной рубашки к наддувочному воздуху через площадь поверхности впускного отверстия.
• Впускной клапан размера , который регулирует общую массу воздуха, поступающего в цилиндр за конечное время.
• Степень сжатия , которая влияет на испарение топлива и, следовательно, на скорость смешивания и качество сгорания.
• Давление впрыска , которое определяет продолжительность впрыска для заданного размера отверстия сопла.
• Геометрия отверстия сопла (длина/диаметр), которая контролирует проникновение струи, а также распыление.
• Геометрия распыления , которая напрямую влияет на качество сгорания за счет использования воздуха. Например, больший угол конуса распыления может поместить топливо на верхнюю часть поршня и за пределы камеры сгорания в дизельных двигателях с прямым впрыском с открытой камерой сгорания. Это условие привело бы к чрезмерному дымлению (неполному сгоранию) из-за лишения топлива доступа к воздуху, находящемуся в камере сгорания (камере). Большие углы конуса также могут привести к распылению топлива на стенки цилиндра, а не внутрь камеры сгорания, где это требуется. Топливо, распыляемое на стенку цилиндра, в конечном итоге будет стекать в масляный картер, что сократит срок службы смазочного масла. Поскольку угол распыления является одной из переменных, влияющих на скорость смешивания воздуха с топливной струей вблизи выходного отверстия форсунки, он может оказывать значительное влияние на общий процесс сгорания.
• Конфигурация клапана , который управляет положением форсунки. Двухклапанные системы заставляют форсунку располагаться под наклоном, что подразумевает неравномерное распыление, что приводит к ухудшению смешивания топлива и воздуха.