Motorul diesel se pierde treptat pe fondul evoluțiilor moderne din industria auto globală, pierzând teren în fața numeroaselor interdicții și restricții. Dar motorul diesel a devenit o adevărată descoperire în industria auto și merită să ne amintim din nou de vechiul nostru prieten, datorită căruia distanțele uriașe au încetat să mai fie o problemă pentru omenire.
Istoria creării motorului diesel.
Pentru început, să reamintim că un motor diesel este un mecanism unic care vizează obținerea de energie din arderea internă. Gama de carburanți utilizați pentru motoarele diesel este foarte largă și include chiar și opțiuni de combustibili vegetali (uleiuri și grăsimi).
Condiția prealabilă pentru crearea unui motor diesel a fost ideea ciclului Carnot (1824), care a constat în procesul de schimb de căldură cu eficiență maximă la ieșire. Această idee a primit un aspect mai modern în 1890, când celebrul Rudolf Diesel a creat un exemplu practic al ciclului Carnot, iar în 1892, a primit deja un brevet pentru crearea acestui tip de motor. Primul prototip funcțional al motorului a fost creat de Diesel la începutul anului 1897, iar la sfârșitul lunii ianuarie a fost deja testat.
La începutul călătoriei sale, motorul diesel era semnificativ inferior motorului cu abur în ceea ce privește dimensiunea și nu a avut succes în utilizare practică. Primele mostre de motoare au lucrat exclusiv pe produse petroliere ușoare și uleiuri. Dar au existat încercări de pornire a motorului cu combustibil de cărbune, ceea ce a dus la o defecțiune completă, din cauza problemelor cu alimentarea cu praf de cărbune a cilindrilor.
În 1898, la Sankt Petersburg a fost proiectat și un motor, care în principiu era complet asemănător cu unul diesel. În Rusia, acest tip de mecanism a fost numit „Trinkler-motor”, care, conform caracteristicilor sale, conform testelor, era mult mai perfect decât omologul său german. Avantajul motorului Trinkler a fost utilizarea sistemului hidraulic, care a îmbunătățit semnificativ performanța în comparație cu un compresor de aer. În plus, designul în sine a fost de multe ori mai simplu și mai fiabil decât cel german.
În același an 1898, Emmanuel Nobel a cumpărat drepturile de a produce un motor diesel, care a fost îmbunătățit și deja lucra la petrol. Și la începutul secolului, genialul inginer rus Arshaulov a inventat un sistem unic - o pompă de combustibil de înaltă presiune, care a devenit, de asemenea, o descoperire în procesul de îmbunătățire a motorului diesel.
În anii douăzeci ai secolului XX, omul de știință german Robert Bosch a realizat o altă îmbunătățire a pompei de combustibil de înaltă presiune și, de asemenea, a creat un design unic cu un design fără compresor. De atunci, motoarele diesel au început să câștige distribuție în masă și au fost folosite în transportul public și căi ferate, iar în anii 50 și 60, motoarele diesel au fost utilizate masiv în asamblarea mașinilor obișnuite.
Principiul de funcționare al motoarelor diesel.
Există două opțiuni pentru motoarele diesel:
- Ciclu în doi timpi;
- Ciclu în patru timpi.
Cel mai popular este ciclul în patru timpi al motoarelor diesel: admisie (aerul care intră în cilindru), compresie (aerul este comprimat în cilindru), cursă de lucru (procesul de ardere a combustibilului în cilindru), evacuare (ieșirea gazelor de eșapament din cilindrul). Acest ciclu este nesfârșit și se repetă în mod constant cu precizie mecanică în timp ce motorul funcționează.
Ciclul în doi timpi al motorului se distinge prin procese scurtate, în care schimbul de gaze se realizează în purjare, un singur proces al mecanismului. Astfel de motoare sunt utilizate în navele maritime și transportul feroviar. Motoarele în doi timpi sunt construite exclusiv cu camere de ardere nedivizate.
Avantaje și dezavantaje.
Eficiența energetică a motoarelor diesel moderne este de 40-45%, iar unele mostre - 50%. Avantajul incontestabil al unor astfel de motoare este cerințele scăzute pentru calitatea combustibilului, ceea ce permite utilizarea produselor petroliere nu cele mai scumpe pentru funcționarea mecanismului.
Atunci când se utilizează motoare diesel în mașini, un astfel de motor oferă un cuplu mare, la viteze mici ale mecanismului în sine, ceea ce face ca mașina să fie confortabilă în mișcare. Datorită acestui fapt, acest tip de motor este popular în vehiculele industriale, unde este apreciată puterea mecanismului.
Motoarele diesel sunt mult mai puțin probabil să ia foc, datorită combustibilului nevolatil, care le face să fie operate cât mai sigur. Motoarele diesel au devenit cheia progresului echipamentelor blindate militare, făcându-l cât mai sigur posibil pentru echipaj.
Motorul diesel are, de asemenea, destule dezavantaje, iar acestea se află în combustibil, care tinde să stagneze iarna și dezactivează mecanismul. În plus, motoarele diesel produc prea multe emisii nocive în atmosferă, ceea ce a fost motivul luptei ecologiștilor cu acest tip de mecanism. Producția unui motor diesel în sine este mai scumpă pentru producători decât pentru un motor pe benzină, ceea ce se reflectă vizibil în costurile bugetare de producție.
Aceste puncte principale au fost motivul pentru care numărul de motoare diesel din industria globală de inginerie va scădea și, cu un grad ridicat de probabilitate, va fi limitat doar la industria auto industrială, unde motorina este o unitate indispensabilă. Dar, motorina a fost cea care a lăsat o amprentă adâncă în procesul de creare a industriei auto, ca atare, și va rămâne întotdeauna cea mai importantă descoperire în ingineria auto globală.
In contact cu
Prof. dr. Franz K. Moser, AVL List GmbH (Prof. Dr. Franz X. Moser, AVL List GmbH)
Introducere
În ultimii zece până la douăzeci de ani, a existat o dezvoltare accelerată a motoarelor diesel atât pentru autoturisme, cât și pentru camioane. Capacitatea a crescut semnificativ, toxicitatea gazelor de evacuare a scăzut brusc, în principal datorită reducerii emisiilor de NOx și funingine. S-au realizat reduceri semnificative ale zgomotului și consumului de combustibil, fiabilitatea s-a îmbunătățit, iar intervalele de întreținere au fost prelungite, în special pentru motoarele de camioane. Ca urmare a tuturor acestora, motoarele diesel au devenit indispensabile pentru toate tipurile de vehicule și au ocupat o cotă semnificativă din piața motorului (mai mult de 50% în Europa).
În prezent, întrebarea se pune peste tot în lume: ce cale va urma dezvoltarea ulterioară a motorinei sub presiunea legislației privind toxicitatea vehiculelor care devine din ce în ce mai strictă în fiecare an? Poate că dieselurile vor dispărea cu totul în segmentul autoturismelor, așa cum prevăd unii experți? La urma urmei, motoarele pe benzină nu stau pe loc și își ajung din urmă concurentul diesel în ceea ce privește consumul de combustibil. Și în viitor, motoarele diesel vor fi și mai scumpe decât cele pe benzină: costul unui motor diesel deja mai scump va crește din cauza sistemelor complexe de tratare a gazelor de eșapament. Ce măsuri sunt necesare pentru a face dieselurile viitorului competitive? Cum vor arăta dieselurile viitorului pentru mașini și camioane? Pentru autoturisme, un motor pe benzină îmbunătățit cu injecție directă și un turbocompresor poate deveni, fără îndoială, o alternativă la motorină. Pentru camioane și industrie, acest lucru este mai puțin probabil.
Astăzi, un motor diesel are cel mai extins domeniu de aplicare și cel mai mare spectru de putere dintre toate motoarele existente în general, prin urmare este imposibil să-l înlocuiască (Figura 1). În plus, trebuie remarcat faptul că eficiența motoarelor diesel, așa cum se vede în figură, ajunge la peste 40% pentru unitățile mici și peste 50% pentru cele mai mari motoare marine și staționare, ceea ce nu poate fi atins de niciun alt tip de motor cu combustie interna.
Figura 1. Domeniul de aplicare și eficiența motoarelor diesel.
În ultimii 20 de ani, a existat o dublare a puterii specifice și a cuplului specific al motoarelor diesel ale autoturismelor (Figura 2).
Figura 2. Raportul dintre puterea specifică și cuplul specific al motoarelor diesel pentru autoturisme.
Pentru camioanele diesel, densitatea de putere aproape sa triplat din 1970, deși emisiile de eșapament au scăzut semnificativ în ultimii cincisprezece ani (Figura 3).
Figura 3. Creșterea puterii specifice a motoarelor diesel pentru camioane.
Paralel cu această evoluție, are loc o creștere constantă a presiunii maxime în camera de ardere de la 90 bar la 220 bar (figura 4). O tendință similară se observă în sectorul diesel pentru autoturisme, unde în viitorul apropiat sunt așteptate presiuni maxime în intervalul de 180 până la 200 bar.
Figura 4. Creșterea presiunii maxime în camera de ardere a motoarelor diesel ale camioanelor.
Cerințe viitoare pentru autoturisme diesel
Dintre numeroasele cerințe diferite, patru merită să se acorde o atenție deosebită: consumului de combustibil, toxicității, confortului de condus (de exemplu, tracțiune, performanță de condus, acustică) și costul motorului. Datorită consumului redus de combustibil și caracteristicilor bune de tracțiune rezultate din cuplul mare la turații reduse ale motorului, motorina cu injecție directă a ocupat o cotă mare de piață în Europa. Dar deja acum, și mai ales în viitor, implementarea viitoarei legislații privind toxicitatea, precum și un preț de cost relativ ridicat, reprezintă un obstacol, depășirea care va fi direcția principală a lucrărilor ulterioare (Figura 5).
Figura 5. Cerințele pieței pentru motoarele diesel pentru autoturisme.
Legislația de evacuare care începe cu EU4 este prezentată în Figura 6. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că pentru a atinge EU6 sau US Tier2, Bin5, care sunt încă în discuție, trebuie dezvoltate și implementate multe măsuri.
Figura 6. Legislația diferitelor regiuni privind emisia de substanțe toxice pentru mașini.
Va fi și mai dificil să se respecte limitele viitoare de CO2, mai ales având în vedere starea actuală a produselor de la diverși producători (Figura 7). În primul rând, producătorii de vehicule mai grele trebuie să depună multă muncă pentru a-și atinge obiectivul de 120-130 g/km în 2012.
Figura 7. Legislația privind limitarea emisiilor de CO2 – stimularea dezvoltării tehnologiilor ICE.
Direcții speciale de dezvoltare a motoarelor diesel pentru autoturisme
Ținând cont de problemele de mai sus ale motoarelor diesel pentru autoturisme, sunt necesare strategii speciale de dezvoltare, sunt necesare soluții și abordări tehnice noi. Există trei modalități posibile de a îndeplini în continuare cerințele legislației privind toxicitatea, prezentate schematic în Figura 8. În toate cele trei opțiuni, este necesar un filtru de particule pentru a atinge limite de emisie foarte strânse. Pentru a reduce emisiile de NOx, este posibil să utilizați:
Figura 8. Strategii de reducere a toxicității gazelor de eșapament ale motoarelor diesel ale autoturismelor.
1) Sistem DeNOx cu rate de conversie foarte mari;
2) o organizare specială a fluxului de lucru (flux de lucru normal îmbunătățit sau alternativă);
3) combinații ale opțiunilor de mai sus 1) și 2).
Probabil că în 2015, toate cele trei opțiuni vor fi implementate.
În acest moment, specialiștii AVL preferă o metodă bazată în întregime pe optimizarea fluxului de lucru numit EmIQ (Intelligente Emissionsreduzierung), Figura 9.
Figura 9. Abordarea generală a AVL pentru reglarea fină a fluxului de lucru al unui motor diesel pentru autoturisme.
În același timp, pe de o parte, fluxul de lucru este optimizat în sensul clasic pentru a obține emisii mai mici de NOx (Figura 10), pe de altă parte, se efectuează un control special al procesului de ardere (Figura 11).
Figura 10. EmIQ Partea 1, procesul de ardere.
Figura 11. EmIQ Partea 2, managementul fluxului de lucru.
Pentru a optimiza fluxul de lucru de ardere pentru a obține consumul de combustibil și densitatea de putere necesare, este posibilă utilizarea presurizării în două etape (Figura 12) și reglarea fină a gradului de recirculare a gazelor de eșapament (sub formă de gaze de eșapament „externe” recirculare - gaze de joasă presiune din galeria de evacuare), Figura 13.
Figura 12. Supraalimentare în două etape: concept și efect.
Figura 13. Recircularea gazelor de evacuare de joasă presiune pe motoarele diesel pentru diverse scopuri.
Pentru a controla procesul de ardere optimizat, AVL a dezvoltat un algoritm de control CYPRESS™ bazat pe fizică, bazat pe presiunea combustibilului ca semnal de intrare, prezentat schematic în Figura 14.
Figura 14. Pe baza presiunii combustibilului ca intrare în procesul de ardere în buclă închisă, AVL CYPRESSTM.
Această abordare asigură, printre altele, nu doar emisia scăzută de substanțe nocive, ci și limitarea răspândirii rezultate din erorile de fabricație, ceea ce garantează stabilitatea procesului de ardere pe o perioadă lungă de funcționare. Pe lângă aceste efecte principale, se obțin și o serie de alte beneficii, așa cum se arată în Figura 15. Un vehicul demonstrativ a fost în funcțiune de mult timp, arătând fezabilitatea obținerii rezultatelor așteptate.
Figura 15. Rezultatele controlului procesului de ardere ca ciclu închis AVL CYPRESSTM
Pentru atingerea obiectivelor stabilite până în 2015, pe lângă abordările de mai sus, sunt necesare soluții suplimentare (Figura 16).
Figura 16. Tehnologii pentru viitorul motoarelor diesel pentru autoturisme.
Prin optimizarea diverselor soluții și tehnologii, va fi posibilă nu numai satisfacerea tuturor cerințelor legislației globale privind toxicitatea, dar, în același timp, menținerea sau chiar îmbunătățirea indicatorilor de consum de combustibil și nu în detrimentul deteriorării calităților de conducere, care sunt importantă pentru consumator, „plăcerea” de a conduce și de a conduce... Cel mai mare obstacol pe această cale este costul de producție. Soluțiile descrise mai sus vor presupune o creștere suplimentară a costului motorului diesel, deși, în comparație cu costul unui motor pe benzină modificat, diferența de cost poate scădea, deoarece este de așteptat o creștere a prețului pentru motoarele pe benzină.
În concluzie, Figura 17 prezintă o cronologie generalizată pentru implementarea celor de mai sus și câteva soluții tehnice suplimentare. Devine evident că, pentru a îndeplini în mod fiabil cerințele pentru motoarele de producție în serie în 2015, este necesar nu numai să combinați multe dintre aceste soluții în același timp, ci și să începeți să lucrați la dezvoltarea / implementarea lor astăzi.
Figura 17. Modalități de dezvoltare a tehnologiei motoarelor diesel pentru autoturisme.
Cerințe viitoare pentru camioanele diesel
În ciuda faptului că o serie de cerințe viitoare pentru motoarele diesel pentru camioane sunt similare cu cele pentru autoturisme, pentru motoarele pentru camioane și introducerea de soluții de compensare. În figura 18, spre deosebire de diagrama pentru motoarele diesel ale autoturismelor, criteriul „plăcerea de a conduce” este înlocuit cu criteriul „fiabilitate și durabilitate”.
Figura 18. Cerințele pieței pentru motoarele diesel ale camioanelor medii și grele.
Principalul obiectiv al dezvoltării va fi compensarea deteriorării așteptate care va apărea în urma introducerii restricțiilor de toxicitate. Aceasta înseamnă că trebuie căutate soluții pentru a contracara: consumul crescut de combustibil, fiabilitatea și durabilitatea reduse și costul crescut al produsului. Pe acest segment, consumatorul nu va face niciodată compromisuri, mai ales în ceea ce privește consumul de combustibil și durabilitatea.
Având în vedere aceste condiții, restricțiile globale de toxicitate reprezintă un obstacol special. Figura 19 prezintă valorile maxime admise pentru emisiile de funingine și NOx în SUA, Japonia și Europa, care vor fi în vigoare din aproximativ 2010, precum și valorile necesare pentru emisiile „brute”. Această evaluare se bazează pe valoarea eficienței sistemului de tratare a gazelor de eșapament, care este posibilă cu sistemele disponibile astăzi.
Figura 19. Limitări ale toxicității gazelor de eșapament pentru motoarele diesel ale vehiculelor comerciale și emisiile „brute” necesare pentru aceasta.
Devine evident că ar trebui atinse emisii de funingine de aproximativ 0,08 g / kWh și emisii de NOx de 1,5 g / kWh. Acest lucru este valabil și pentru Japonia, deși emisiile maxime admise de NOx acolo sunt mai puțin stricte decât în SUA și Europa (0,7 g/kWh). Motivul pentru aceasta este specificul funcționării vehiculelor în Japonia, care rareori permite atingerea temperaturii necesare a gazelor de eșapament pentru a asigura eficiența sistemului de posttratare. Eficiența sistemului de posttratare a gazelor de eșapament, care ajunge la 65-70% în Japonia, este mult mai mică decât în SUA și Europa, ceea ce necesită în cele din urmă un nivel adecvat de emisii „brute”.
Spre deosebire de autoturisme, procedura de testare a certificării diesel este efectuată la bancul de testare a motoarelor. În acest caz, atât staționar, cât și non-staționar, se efectuează așa-numitele teste tranzitorii, în care motorul, spre deosebire de testele motoarelor autoturismelor, funcționează mult timp la sarcină maximă. Acest lucru complică foarte mult sarcina, deoarece la sarcină maximă, este deosebit de dificil să se obțină și să controleze gradul necesar de EGR.
Camioanele sunt clasificate în ușoare, medii și grele. De obicei, aceste trei clase folosesc motoare cu o cilindree de aproximativ 0,8-1,2-2,0 l / cilindru, cărora, în funcție de clasă, se aplică cerințe diferite. Figura 20 prezintă cerințele de bază pentru motoarele din aceste clase, cu cât este mai mare deplasarea motorului (adică motorul însuși), cu atât se acordă mai multă importanță consumului de combustibil, fiabilității și durabilității.
Figura 20. Cerințe pentru motoarele diesel ale camioanelor.
În ceea ce privește costul motorului, situația este exact inversă, deoarece camioanele ușoare pentru livrarea mărfurilor către destinații sunt deosebit de scumpe de exploatat, iar consumul de combustibil nu este important aici din cauza kilometrajului anual relativ scăzut. Având în vedere specificațiile viitoare (Figura 21), merită evidențiați parametri precum densitatea puterii, presiunea maximă de ardere, durabilitatea și intervalele de întreținere.
Figura 21. Cerințe tehnice viitoare pentru motoarele diesel pentru camioane.
Valorile acestor parametri cresc semnificativ odată cu creșterea cilindrului motorului. De asemenea, este de interes și distribuția costurilor totale de exploatare, unde pentru camioanele grele consumul de combustibil este de o treime, ceea ce explică accentuarea sporită a acestui parametru.
Caracteristici ale dezvoltării motoarelor diesel ale camioanelor
După cum sa menționat deja mai sus, testele de certificare ale motoarelor diesel ale camioanelor sunt efectuate la standul de motoare. Pe lângă testele staționare în toate modurile, sunt necesare și teste tranzitorii, care diferă unele de altele în funcție de țară în funcție de tipurile de moduri de încărcare selectate. Pe lângă testele tranzitorii europene, japoneze și americane, se discută și se pregătește un test generalizat, așa-numitul „Cicl tranzitoriu armonizat mondial” - WHTC. Figura 22 prezintă aceste patru tipuri de încercări (pe graficele cu axele „cuplu” / „turația arborelui cotit”).
Figura 22. Analiza diferitelor cicluri tranzitorii
Devine evident că distribuția principalelor moduri de încărcare este foarte diferită, ceea ce face aproape imposibilă unificarea motoarelor. Implementarea studiului WHTC ar rezolva această problemă, dar este îndoielnic dacă va fi implementat. Îndeplinirea cerințelor pe diferite cicluri de testare este dificilă pentru fiecare dintre ele, deoarece modurile nestaționare în funcționare sunt din ce în ce mai mult o piatră de poticnire.
Este deosebit de dificil să treci testele, care sunt efectuate în moduri de sarcini și revoluții mici, cum ar fi, de exemplu, pe ciclul japonez sau pe ciclul WHTC. Cerințele ciclului USTC, unde predomină turații mari ale motorului, sunt cel mai ușor îndeplinite.
În ultimii ani, AVL a obținut rezultate remarcabile în modurile staționare (Figura 23).
Figura 23. Rezultatele dezvoltării pentru a atinge emisiile minime de funingine și NOx.
Aceasta a implicat procese de ardere îmbunătățite și rafinate, rate mari sau foarte mari de recirculare a gazelor de eșapament și presiuni extrem de ridicate de injecție a combustibilului, de până la 2.500 bar. Emisiile „brute” de NOx - 1,0 g / kW * h și funingine - 0,02 g / kW * h au fost obținute în același timp menținând un consum de combustibil destul de acceptabil.
Pentru a atinge aceste valori de emisie „brute”, sunt necesare presiuni de injecție de combustibil foarte mari, de până la 2500 bar (Figura 24). Și pentru a realiza o densitate de putere mai mare de 28 kW / l pe un motor care îndeplinește cerințele EU6, nu puteți face fără utilizarea turboalimentării în două trepte.
Figura 24. Presiunea maximă a gazelor în camera de ardere în funcție de densitatea puterii și gradul de recirculare a gazelor de eșapament pentru diferite niveluri de emisie/standarde de emisie.
Necesitatea unor astfel de presiuni ridicate se explică prin gradul ridicat de recirculare a gazelor de eșapament, care este, de asemenea, necesar la sarcină maximă, deoarece în acest caz, pentru a asigura raportul de aer în exces necesar? sunt necesare presiuni semnificativ mai mari la galeria de admisie. Prin urmare, devine necesar un design complet nou, foarte rigid și robust al blocului și chiulasei, de preferință din fontă ductilă (grafit vermicular), precum și o aranjare „paralelă” a orificiilor de admisie.
La rândul său, acest design special al chiulasei, cuplat cu cerința de eficiență ridicată a frânei de motor, face necesară amplasarea arborilor de distribuție a supapelor, unul sau doi, în chiulasele (OHC sau DOHC).
Dificultatea de funcționare tranzitorie a motorului pentru diferite cicluri de testare este prezentată în Figura 25. În acele teste în care accelerația are loc frecvent de la turații mici, și anume testele JPTC și WHTC, există o creștere semnificativă a emisiilor de NOx și funingine în comparație cu condițiile de echilibru. .
Figura 25. Creșterea emisiilor tranzitorii.
Astfel, cerințele viitoare de toxicitate pot fi îndeplinite doar prin dezvoltarea intensivă și îmbunătățirea performanței tranzitorii ale motorului, iar abordarea veche, predominant staționară, a optimizării motorului cu piston este depășită.
O caracteristică a motoarelor diesel ale vehiculelor de marfă este necesitatea monitorizării simultane a parametrilor interdependenți „presiunea aerului în galeria de admisie” și „gradul de recirculare a gazelor de eșapament”. În loc de două controlere separate, AVL a dezvoltat așa-numitul controler MMCD™: un controler cu mai multe variabile, care, pe baza modelului fizic, compensează interferența ambelor variabile (Figura 26).
Figura 26. Conceptul și rezultatele unui algoritm bazat pe fizică pentru controlul presiunii aerului în galeria de admisie și procentul EGR.
Astfel, este posibilă o reducere semnificativă a emisiilor de NOx în modul tranzitoriu, menținând în același timp nivelul emisiilor de funingine neschimbat (Figura 27).
Figura 27 Reducerea emisiilor tranzitorii cu controlerul AVL MMCDTM.
Figura 28 prezintă tehnologiile și soluțiile care vor ajuta la îndeplinirea cerințelor viitoare de motorină a camioanelor diesel. Trebuie prevăzute un filtru de particule și un sistem SCR (injecție cu uree). Utilizarea sistemelor de combustibil care asigură presiuni mari de injecție poate fi suficientă și are avantaje față de utilizarea unui filtru, desigur, dacă acesta este compatibil cu tendințele generale „politice”.
Figura 28. Tehnologii pentru viitoarele motoare diesel de mare capacitate
Diesel în 2015
Sunt cunoscute tehnologiile diesel necesare pentru autoturisme și camioane pentru a îndeplini cerințele din 2015.
În ambele domenii, dezvoltarea se va desfășura într-un mod evolutiv, „salturi” tehnologice nu sunt așteptate, și nu sunt necesare.
Având în vedere numărul mare de tehnologii noi care vor trebui introduse în producția de masă, lucrările la dezvoltarea lor ar trebui să înceapă astăzi.
Ca întotdeauna, cea mai mare parte a lucrărilor va trebui să fie efectuată de producătorii de motoare pentru a atinge obiectivele.
Astăzi situația este evaluată în așa fel încât motoarele pentru țările în curs de dezvoltare cu greu vor diferi fundamental în ceea ce privește nivelul lor tehnologic de motoarele pentru țările dezvoltate industrial.
Motorul și sistemul de posttratare a gazelor de eșapament trebuie considerate ca un întreg.
Motorina pentru autoturisme în 2015 va avea următoarele proprietăți:
Presiunea maximă a gazelor în camera de ardere este de 180-200 bar, construcție ușoară, în principal utilizarea fontei pentru blocul cilindri și chiulasa.
Densități de putere de până la 75 kW/l, turboalimentare în două trepte cu sau fără intercooration a aerului de alimentare.
Sistem flexibil de injecție de combustibil Common Rail, abilitatea de a furniza o presiune de injecție de până la 2000 bar.
Un sistem optimizat, de înaltă tehnologie, pentru controlul fluxului de aer și recircularea gazelor de eșapament, bazat pe un model fizic al algoritmului de control.
Pe baza presiunii amestecului de lucru ca semnal de intrare, un ciclu închis al procesului de ardere și un algoritm de model fizic pentru controlul procesului de ardere. În modurile de încărcare parțială, procese de lucru alternative mixte (omogene - eterogene) (ex. HCCI).
Filtru de particule ca versiune de bază, conversia NOx în principal prin SCR (injecție de uree), este posibilă și adsorbția NOx.
Motorina pentru camioane în 2015 va avea următoarele proprietăți:
Presiunea maximă a gazului în camera de ardere 220-250 bar, design optimizat al capului și blocului cilindric din fontă.
Densitate de putere 35-40 kW/l, turbocompresor în două trepte cu sau fără răcire intercalată a aerului de alimentare, supraalimentare combinată.
Sistem de injecție flexibil, care asigură o presiune de injecție de până la 2500 bar, de preferință Common Rail, injectoare standardizate.
Acționarea arborilor cu came din partea volantului, locația arborilor cu came, unul sau doi, în chiulasă (OHC sau DOHC).
Frână de motor încorporată de înaltă performanță.
Sistem optimizat, de înaltă tehnologie, pentru controlul fluxului de aer și recircularea gazelor de eșapament, bazat pe un model fizic al algoritmului de control; rata de recirculare la sarcina maxima de pana la 30%.
Filtru de particule ca echipament de bază, este posibil să utilizați un filtru „deschis”, SCR (injecție de uree).
Pentru mai multe informații, vă rugăm să contactați adresele de mai jos:
prof. dr. Franz. K. Moser Vicepreședinte executiv AVL LIST GMBH A-8020 Graz, Hans-List-Platz 1 e-mail: [email protected] Tel.: +43 316 787 1200, Fax: +43 316 787 965 www.avl.com
Domnul Levit Semyon Moiseevich Director de dezvoltare a afacerilor „Centrale electrice ale vehiculelor” în Rusia și CIS LLC „AVL” Rusia, 127299, Moscova, st. B. Akademicheskaya, 5, clădirea 1 e-mail: [email protected] Tel.: +7 495 937 32 86, Fax: +7 495 937 32 89
Foarte frecvente în mașinile de pasageri. Multe modele au cel puțin o opțiune de motor. Și aceasta nu include camioanele, autobuzele și echipamentele de construcții, unde sunt folosite peste tot. În plus, sunt discutate ce este un motor diesel, design, principiul de funcționare și caracteristicile.
Definiție
Această unitate este a cărei funcționare se bazează pe aprinderea spontană a combustibilului atomizat din încălzire sau compresie.
Caracteristici de design
Motorul pe benzină are aceleași elemente structurale ca și motorina. Schema generală de funcționare este, de asemenea, similară. Diferența constă în procesele de formare a amestecului aer-combustibil și arderea acestuia. În plus, motoarele diesel se disting prin piese mai durabile. Acest lucru se datorează raportului de compresie de aproximativ dublu al motoarelor pe benzină (19-24 față de 9-11).
Clasificare
Prin proiectarea camerei de ardere, motoarele diesel sunt împărțite în variante cu cameră de ardere separată și cu injecție directă.
În primul caz, camera de ardere este separată de cilindru și conectată la acesta printr-un canal. Când este comprimat, aerul care intră în camera de tip vortex se învârte, ceea ce îmbunătățește formarea amestecului și autoaprinderea, care începe acolo și continuă în camera principală. Motoarele diesel de acest tip erau anterior larg răspândite pe autoturismele datorită faptului că se deosebeau printr-un nivel de zgomot mai scăzut și o gamă largă de rotații de opțiunile discutate mai jos.
La injecția directă, camera de ardere este situată în piston, iar combustibilul este furnizat în spațiul de deasupra pistonului. Acest design a fost folosit inițial pe motoare de viteză mică și de volum mare. Acestea prezentau niveluri ridicate de zgomot și vibrații și un consum redus de combustibil. Mai târziu, odată cu apariția combustiei controlate electronic și optimizate, designerii au obținut performanțe stabile până la 4500 rpm. În plus, eficiența a crescut, nivelurile de zgomot și vibrații au scăzut. Printre măsurile de reducere a rigidității muncii - pre-injectare în mai multe etape. Datorită acestui fapt, motoarele de acest tip au devenit larg răspândite în ultimele două decenii.
Conform principiului de funcționare, motoarele diesel sunt împărțite în patru timpi și în doi timpi, precum și motoare pe benzină. Caracteristicile lor sunt discutate mai jos.
Principiul de funcționare
Pentru a înțelege ce este un motorină și ce determină caracteristicile sale funcționale, este necesar să se ia în considerare principiul de funcționare. Clasificarea de mai sus a motoarelor cu ardere internă cu piston se bazează pe numărul de curse incluse în ciclul de lucru, care se disting prin valoarea unghiului de rotație al arborelui cotit.
Prin urmare, include 4 faze.
- Admisie. Apare atunci când arborele cotit este rotit de la 0 la 180 °. În acest caz, aerul curge în cilindru printr-o supapă de admisie deschisă la 345-355 °. Simultan cu acesta, în timpul rotației arborelui cotit cu 10-15 °, supapa de evacuare este deschisă, ceea ce se numește suprapunere.
- Comprimare. Pistonul, care se deplasează în sus la 180-360 °, comprimă aerul de 16-25 de ori (raport de compresie), iar supapa de admisie se închide la începutul cursei (la 190-210 °).
- Cursa de lucru, expansiune. Apare la 360-540 °. La începutul cursei, înainte ca pistonul să atingă punctul mort superior, combustibilul este introdus în aer cald și este aprins. Aceasta este o caracteristică a motoarelor diesel care le diferențiază de motoarele pe benzină, unde are loc momentul aprinderii. Produșii de ardere eliberați în timpul acestei împing pistonul în jos. În acest caz, timpul de ardere a combustibilului este egal cu timpul în care este furnizat de duză și nu durează mai mult decât durata cursei de lucru. Adică, în timpul procesului de lucru, presiunea gazului este constantă, drept urmare motoarele diesel dezvoltă mai mult cuplu. De asemenea, o caracteristică importantă a acestor motoare este necesitatea de a asigura un exces de aer în cilindru, deoarece flacăra ocupă o mică parte a camerei de ardere. Adică, proporția amestecului aer-combustibil este diferită.
- Eliberare. La 540-720 ° de rotație a arborelui cotit, supapa de evacuare deschisă, pistonul, mișcându-se în sus, deplasează gazele de eșapament.
Ciclul în doi timpi se distinge prin faze scurtate și un singur proces de schimb de gaze în cilindru (purjare), care are loc între sfârșitul cursei de lucru și începutul compresiei. Când pistonul se mișcă în jos, produsele de ardere sunt îndepărtate prin supapele sau orificiile de evacuare (în peretele cilindrului). Ulterior, orificiile de admisie sunt deschise pentru a aduce aer proaspăt. Când pistonul se ridică, toate ferestrele sunt închise și începe compresia. Puțin mai devreme decât atingerea PMS, combustibilul este injectat și aprins, începe expansiunea.
Din cauza dificultății de a asigura purjarea camerei vortex, motoarele în doi timpi sunt disponibile doar cu injecție directă.
Performanța unor astfel de motoare este de 1,6-1,7 ori mai mare decât caracteristicile unui motor diesel în patru timpi. Creșterea acestuia este asigurată de implementarea de două ori mai frecventă a curselor de lucru, dar este parțial redusă datorită dimensiunilor mai mici și a suflarii acestora. Datorită numărului dublat de curse, ciclul în doi timpi este deosebit de relevant dacă este imposibil să măriți viteza.
Problema principală a unor astfel de motoare este suflarea din cauza duratei sale scurte, care nu poate fi compensată fără reducerea eficienței din cauza scurtării cursei de lucru. În plus, este imposibil să se separe evacuarea și aerul proaspăt, motiv pentru care o parte din acesta din urmă este îndepărtată odată cu gazele de evacuare. Această problemă poate fi rezolvată prin asigurarea avansului porturilor de ieșire. Într-un astfel de caz, gazele încep să se evacueze înainte de purjare, iar după închiderea orificiului de evacuare, cilindrul este reumplut cu aer proaspăt.
În plus, la utilizarea unui singur cilindru, apar dificultăți cu sincronizarea deschiderii / închiderii ferestrelor, prin urmare există motoare (MAP), în care fiecare cilindru are două pistoane care se deplasează în același plan. Unul dintre ele controlează admisia, celălalt controlează evacuarea.
În funcție de mecanismul de implementare, purjarea este împărțită în fantă (fereastră) și fantă de supapă. În primul caz, ferestrele servesc atât ca deschideri de intrare, cât și ca deschideri de evacuare. A doua opțiune implică utilizarea lor ca admisii, iar o supapă în chiulasă servește pentru evacuare.
De obicei, motoarele diesel în doi timpi sunt utilizate pe vehicule grele, cum ar fi nave, locomotive diesel și tancuri.
Sistem de alimentare
Echipamentul cu combustibil al motoarelor diesel este mult mai complex decât cel al motoarelor pe benzină. Acest lucru se datorează cerințelor ridicate pentru precizia livrării combustibilului în termeni de timp, cantitate și presiune. Principalele componente ale sistemului de combustibil sunt pompa de injecție, injectoare, filtru.
Sistemul de alimentare cu combustibil controlat de computer (Common-Rail) este utilizat pe scară largă. Îl injectează în două porții. Primul este mic, servind la cresterea temperaturii in camera de ardere (pre-injectie), ceea ce reduce zgomotul si vibratiile. În plus, acest sistem mărește cuplul la turații mici cu 25%, reduce consumul de combustibil cu 20% și reduce conținutul de funingine din gazele de eșapament.
Turboalimentare
Turbinele sunt utilizate pe scară largă pe motoarele diesel. Acest lucru se datorează presiunii mai mari (1,5-2) ori a gazelor de eșapament, care rotesc turbina, ceea ce evită întârzierea turbo prin furnizarea de impuls de la turații mai mici.
Pornire la rece
Puteți găsi multe recenzii că la temperaturi scăzute Dificultatea de a porni astfel de motoare în condiții de frig se datorează faptului că aceasta necesită mai multă energie. Pentru a facilita procesul, acestea sunt echipate cu un preîncălzitor. Acest dispozitiv este reprezentat de bujii incandescente amplasate in camerele de ardere, care la punerea contactului incalzesc aerul din ele si lucreaza inca 15-25 de secunde dupa pornire pentru a asigura stabilitatea motorului rece. Din acest motiv, motoarele diesel pornesc la temperaturi de -30 ...- 25 ° C.
Caracteristici ale serviciului
Pentru a asigura durabilitatea în timpul funcționării, trebuie să știți ce este un motorină și cum să îl întrețineți. Prevalența relativ scăzută a motoarelor luate în considerare în comparație cu benzina se explică, printre altele, prin întreținere mai complexă.
În primul rând, acesta se referă la sistemul de combustibil extrem de complex. Din acest motiv, motoarele diesel sunt extrem de sensibile la conținutul de apă și particule mecanice din combustibil, iar repararea acestuia este mai costisitoare, precum și motorul în ansamblu în comparație cu benzina de același nivel.
În cazul unei turbine, cerințele pentru calitatea uleiului de motor sunt de asemenea ridicate. Resursa sa este de obicei de 150 de mii de km, iar costul este mare.
În orice caz, uleiul ar trebui schimbat la motoarele diesel mai des decât la motoarele pe benzină (de 2 ori conform standardelor europene).
După cum s-a menționat, aceste motoare au probleme de pornire la rece atunci când sunt la temperaturi scăzute. În unele cazuri, acest lucru este cauzat de utilizarea combustibilului nepotrivit (în funcție de sezon, se folosesc diferite grade pe astfel de motoare, deoarece combustibilul de vară se solidifică la temperaturi scăzute).
Performanţă
În plus, multora nu le plac astfel de calități ale motoarelor diesel, cum ar fi puterea redusă și intervalul de viteză de funcționare, niveluri mai mari de zgomot și vibrații.
Motorul pe benzină depășește de obicei dieselul în ceea ce privește performanța, inclusiv capacitatea de litri. Un motor de tipul în cauză are o curbă de cuplu mai mare și mai uniformă. Raportul de compresie mai mare, care oferă un cuplu mai mare, forțează utilizarea unor piese mai puternice. Pe măsură ce sunt mai grele, puterea este redusă. În plus, acest lucru afectează greutatea motorului și, prin urmare, a mașinii.
Intervalul mic de viteză de funcționare se explică prin aprinderea mai lungă a combustibilului, drept urmare nu are timp să se ardă la viteze mari.
Nivelul crescut de zgomot și vibrații determină o creștere bruscă a presiunii în cilindru în timpul aprinderii.
Principalele avantaje ale motoarelor diesel sunt considerate tracțiune mai mare, eficiență și respectarea mediului.
Cuplul ridicat la turații mici este atribuit arderii combustibilului pe măsură ce acesta este injectat. Acest lucru oferă mai multă capacitate de răspuns și ușurează utilizarea eficientă a energiei.
Eficiența se datorează atât consumului redus, cât și faptului că motorina este mai ieftină. În plus, este posibil să se utilizeze uleiuri grele de calitate scăzută, datorită absenței cerințelor stricte privind volatilitatea. Și cu cât combustibilul este mai greu, cu atât eficiența motorului este mai mare. În cele din urmă, motoarele diesel funcționează cu amestecuri mai slabe în comparație cu motoarele pe benzină și la rapoarte de compresie ridicate. Acesta din urmă asigură mai puține pierderi de căldură cu gazele de eșapament, adică o eficiență mai mare. Toate aceste măsuri reduc consumul de combustibil. Diesel, datorită acestui lucru, o cheltuiește cu 30-40% mai puțin.
Ecologicul motorinelor se explică prin faptul că gazele lor de eșapament conțin mai puțin monoxid de carbon. Acest lucru se realizează prin utilizarea unor sisteme de curățare sofisticate, datorită cărora motorul pe benzină îndeplinește acum aceleași standarde de mediu ca și motorina. Un motor de acest tip era anterior semnificativ inferior unui motor pe benzină în acest sens.
Aplicație
După cum reiese din ce este un diesel și care sunt caracteristicile sale, astfel de motoare sunt cele mai potrivite pentru acele cazuri în care este necesară o tracțiune mare la turații mici. Prin urmare, aproape toate autobuzele, camioanele și echipamentele de construcții sunt echipate cu acestea. În ceea ce privește vehiculele private, astfel de parametri sunt cei mai importanți pentru SUV-uri. Datorita randamentului lor ridicat, modelele urbane sunt echipate si cu aceste motoare. În plus, sunt mai convenabil să funcționeze în astfel de condiții. Test drive-urile diesel mărturisesc acest lucru.
A fost testat cu succes în același an. Diesel este implicată activ în vânzarea licențelor pentru noul motor. În ciuda eficienței ridicate și ușurinței de operare în comparație cu un motor cu abur, utilizarea practică a unui astfel de motor a fost limitată: era inferioară motoarelor cu abur din acea vreme în ceea ce privește dimensiunea și greutatea.
Primele motoare diesel funcționau cu uleiuri vegetale sau produse petroliere ușoare. Interesant este că inițial a oferit praf de cărbune drept combustibil ideal. Experimentele au arătat imposibilitatea utilizării prafului de cărbune ca combustibil, în primul rând din cauza proprietăților abrazive ridicate atât ale prafului în sine, cât și ale cenușii rezultate din ardere; au existat si mari probleme cu alimentarea cu praf a cilindrilor.
Principiul de funcționare
Ciclu în patru timpi
- prima masura. Admisie... Corespunde la 0 ° - 180 ° rotație a arborelui cotit. Printr-o supapă de admisie deschisă ~ de la 345-355 °, aerul intră în cilindru, la 190-210 ° supapa se închide. Cel puțin până la 10-15 ° de rotație a arborelui cotit, supapa de evacuare este deschisă simultan, timpul de deschidere a îmbinării supapelor se numește supape suprapuse .
- a 2-a masura. Comprimare... Corespunde la 180 ° - 360 ° rotație a arborelui cotit. Pistonul, deplasându-se la PMS (centrul mort superior), comprimă aerul de 16 (în viteză mică) -25 (în viteză mare).
- a 3-a masura. Cursa de lucru, extensie... Corespunde la 360 ° - 540 ° rotație a arborelui cotit. Când combustibilul este pulverizat în aer fierbinte, se inițiază arderea combustibilului, adică evaporarea parțială a acestuia, formarea de radicali liberi în straturile de suprafață ale picăturilor și în vapori, în cele din urmă, arde și arde când intră din duză, produse de ardere, expansiunea, mișcă pistonul în jos. Injecția și, în consecință, aprinderea combustibilului are loc puțin mai devreme decât momentul în care pistonul ajunge în punctul mort din cauza unei anumite inerții a procesului de ardere. Diferența față de momentul aprinderii la motoarele pe benzină este că întârzierea este necesară numai datorită prezenței timpului de inițiere, care în fiecare motor diesel specific este o valoare constantă și nu poate fi modificată în timpul funcționării. Arderea combustibilului într-un motor diesel durează mult timp, atâta timp cât durează alimentarea unei părți de combustibil de la injector. Ca urmare, procesul de lucru are loc la o presiune a gazului relativ constantă, datorită căreia motorul dezvoltă un cuplu mare. De aici rezultă două concluzii importante.
- 1. Procesul de ardere într-un motor diesel durează exact cât este nevoie pentru a injecta o anumită porțiune de combustibil, dar nu mai mult decât timpul de cursă de lucru.
- 2. Raportul combustibil / aer din cilindrul de motorină poate diferi semnificativ de stoichiometric și este foarte important să se asigure un exces de aer, deoarece flacăra pistoletului ocupă o mică parte din volumul camerei de ardere și atmosfera din camera trebuie să asigure până la ultimul conţinutul necesar de oxigen. Dacă acest lucru nu se întâmplă, există o eliberare masivă de hidrocarburi nearse cu funingine - „locomotiva” dă „un urs.).
- a 4-a masura. Eliberare... Corespunde la 540 ° - 720 ° rotație a arborelui cotit. Pistonul urcă, prin supapa de evacuare deschisă la 520-530 °, pistonul împinge gazele de evacuare din cilindru.
În funcție de designul camerei de ardere, există mai multe tipuri de motoare diesel:
- Diesel cu camera neseparata: camera de ardere se realizeaza in piston, iar combustibilul este injectat in spatiul de deasupra pistonului. Principalul avantaj este consumul minim de combustibil. Dezavantajul este zgomotul crescut („munca grea”), mai ales la ralanti. În prezent, se lucrează intens pentru a elimina această deficiență. De exemplu, în sistemul Common Rail, o pre-injecție (adesea în mai multe etape) este utilizată pentru a reduce rigiditatea muncii.
- Diesel cu camera despicata: combustibilul este alimentat în camera suplimentară. La majoritatea motoarelor diesel, o astfel de cameră (numită vortex sau pre-camera) este conectată la cilindru printr-un canal special, astfel încât, atunci când este comprimat, aerul care intră în această cameră se învârte intens. Acest lucru promovează o bună amestecare a combustibilului injectat cu aerul și o ardere mai completă a combustibilului. Această schemă a fost mult timp considerată optimă pentru motoarele diesel ușoare și a fost utilizată pe scară largă în mașinile de pasageri. Cu toate acestea, din cauza celei mai slabe eficiențe, ultimele două decenii au înlocuit în mod activ astfel de motoare diesel cu motoare cu cameră integrală și cu sisteme de alimentare cu combustibil Common Rail.
Ciclu în doi timpi
Purjarea unui motor diesel în doi timpi: în partea de jos - porturile de purjare, supapa de evacuare din partea de sus este deschisă
În plus față de ciclul în patru timpi descris mai sus, un ciclu în doi timpi poate fi utilizat într-un motor diesel.
În timpul cursei de lucru, pistonul coboară, deschizând orificiile de evacuare din peretele cilindrului, gazele de evacuare scapă prin ele, orificiile de admisie sunt deschise simultan sau ceva mai târziu, cilindrul este suflat cu aer proaspăt din suflantă - se efectuează epurare , combinând cursele de admisie și evacuare. Când pistonul se ridică, toate ferestrele sunt închise. Din momentul în care orificiile de admisie sunt închise, începe compresia. Aproape că atinge PMS, combustibilul este pulverizat și aprins de la duză. Are loc expansiunea - pistonul coboară și redeschide toate ferestrele etc.
Epurarea este o verigă slabă inerentă în ciclul push-pull. Timpul de purjare, în comparație cu alte curse, este mic și nu poate fi mărit, altfel eficiența cursei de lucru va scădea din cauza scurtării acesteia. Într-un ciclu în patru timpi, jumătate din ciclu este alocată acelorași procese. De asemenea, este imposibil să separați complet evacuarea și încărcarea de aer proaspăt, astfel încât o parte din aer se pierde direct în conducta de evacuare. Dacă schimbarea curselor este asigurată de același piston, apare o problemă asociată cu simetria deschiderii și închiderii ferestrelor. Pentru un schimb mai bun de gaz, este mai avantajos să fii înaintea deschiderii și închiderii ferestrelor de evacuare. Apoi, evacuarea, începând mai devreme, va reduce presiunea gazelor reziduale din cilindru până la începutul purjării. Cu orificiile de evacuare închise anterior și admisia deschisă - încă -, cilindrul este reîncărcat cu aer, iar dacă suflanta oferă o presiune în exces, devine posibilă presurizarea.
Geamurile pot fi folosite atât pentru evacuare, cât și pentru admisia de aer proaspăt; o astfel de suflare se numește suflare cu slot sau fereastră. Dacă gazele de eșapament sunt evacuate printr-o supapă din chiulasa, iar orificiile sunt utilizate numai pentru admisia de aer proaspăt, purjarea se numește purjare cu supapă. Există motoare în care există două pistoane care se mișcă opus în fiecare cilindru; fiecare piston își controlează propriile ferestre - o admisie, cealaltă evacuare (sistemul Fairbanks-Morse - Junkers - Koreyvo: motoarele diesel ale acestui sistem din familia D100 au fost utilizate pe locomotive diesel TE3, TE10, motoarele cu rezervor 4TPD, 5TD (F) ( T-64), 6TD (T -80UD), 6TD-2 (T-84), în aviație - pe bombardiere Junkers (Jumo 204, Jumo 205).
Într-un motor în doi timpi, cursele de lucru apar de două ori mai des decât într-un motor în patru timpi, dar datorită prezenței purjării, un motor diesel în doi timpi este de 1,6-1,7 ori mai puternic decât un motor în patru timpi al unui motor în patru timpi. acelasi volum.
În prezent, motoarele diesel cu viteză mică în doi timpi sunt utilizate pe scară largă pe nave maritime mari cu o propulsie directă (fără viteze). Datorită dublării numărului de timpi de lucru la aceleași rotații, ciclul în doi timpi se dovedește a fi avantajos dacă este imposibilă creșterea vitezei, în plus, motorina în doi timpi este tehnic mai ușor de inversat; astfel de motoare diesel de viteză mică au o capacitate de până la 100.000 CP.
Datorită faptului că este dificil să se organizeze suflarea camerei vortex (sau a precamerelor) într-un ciclu în doi timpi, motoarele diesel în doi timpi sunt construite numai cu camere de ardere nedivizate.
Opțiuni de proiectare
Motoarele diesel medii și grele în doi timpi se caracterizează prin utilizarea pistoanelor compuse, care folosesc un cap de oțel și o fustă din duraluminiu. Scopul principal al acestei complicații a designului este de a reduce masa totală a pistonului, menținând în același timp rezistența maximă posibilă la căldură a fundului. Foarte des sunt folosite modele răcite cu ulei.
Un grup separat include motoarele în patru timpi care conțin traverse în designul lor. La motoarele cu cruce, tija este atașată la cruce - un glisor conectat la piston printr-o tijă (sucitoare). Crucea funcționează de-a lungul propriului ghid - traversa, fără expunere la temperaturi ridicate, eliminând complet efectul forțelor laterale asupra pistonului. Acest design este tipic pentru motoarele maritime mari cu cursă lungă, adesea cu dublă acțiune, cursa pistonului în ele poate ajunge la 3 metri; pistoanele portbagaj de această dimensiune ar fi supraponderali, pistoanele portbagajului cu o astfel de zonă de frecare ar reduce semnificativ eficiența mecanică a unui motor diesel.
Motoare reversibile
Arderea combustibilului injectat în cilindrul de motorină are loc în timpul injecției. Din această cauză, un motor diesel oferă un cuplu mare la turații mici, ceea ce face ca o mașină diesel să reacționeze mai mult decât o mașină pe benzină. Din acest motiv și având în vedere eficiența mai mare, majoritatea camioanelor sunt acum echipate cu motoare diesel.... De exemplu, în Rusia în 2007, aproape toate camioanele și autobuzele erau echipate cu motoare diesel (tranziția finală a acestui segment de vehicule de la motoare pe benzină la motoare diesel era planificată să fie finalizată până în 2009). Acesta este un avantaj și la motoarele marine, deoarece cuplul mare la turații mici face mai ușoară utilizarea eficientă a puterii motorului, iar eficiența teoretică mai mare (vezi ciclul Carnot) are ca rezultat o eficiență mai mare a combustibilului.
În comparație cu motoarele pe benzină, evacuarea motorului diesel conține în general mai puțin monoxid de carbon (CO), dar acum, datorită utilizării convertoarelor catalitice pe motoarele pe benzină, acest avantaj nu este atât de vizibil. Principalele gaze toxice care sunt prezente în evacuare în cantități vizibile sunt hidrocarburile (HC sau CH), oxizii de azot (oxizi) (NOx) și funinginea (sau derivații acesteia) sub formă de fum negru. Motoarele diesel ale camioanelor și autobuzelor, care sunt adesea vechi și nereglementate, poluează cel mai mult atmosfera din Rusia.
Un alt aspect important de siguranță este că motorina este nevolatilă (adică nu se evaporă ușor) și astfel motoarele diesel sunt mult mai puțin probabil să ia foc, mai ales că nu folosesc un sistem de aprindere. Împreună cu eficiența ridicată a combustibilului, acesta a devenit motivul pentru utilizarea pe scară largă a motoarelor diesel pe rezervoare, deoarece în operațiunile de zi cu zi fără luptă, riscul de incendiu în compartimentul motorului din cauza scurgerilor de combustibil a fost redus. Pericolul mai mic de incendiu al unui motor diesel în condiții de luptă este un mit, deoarece atunci când armura este străpunsă, proiectilul sau fragmentele sale au o temperatură mult mai mare decât punctul de aprindere al vaporilor de motorină și sunt, de asemenea, capabili să aprindă destul de ușor scurgerile. combustibil. Detonarea unui amestec de vapori de motorină cu aer într-un rezervor de combustibil perforat în consecințele sale este comparabilă cu o explozie de muniție, în special, în tancurile T-34, a dus la ruperea cusăturilor sudate și la distrugerea părții frontale superioare. a carenei blindate. Pe de altă parte, un motor diesel din construcția rezervorului este inferior unui motor cu carburator în ceea ce privește densitatea puterii și, prin urmare, în unele cazuri (putere mare cu un volum mic al compartimentului motor) poate fi mai avantajos să se utilizeze o unitate de putere cu carburator ( deși acest lucru este tipic pentru unitățile de luptă prea ușoare).
Desigur, există și dezavantaje, printre care se numără ciocănirea caracteristică a unui motor diesel atunci când funcționează. Cu toate acestea, ele sunt observate în principal de proprietarii de mașini cu motoare diesel și sunt practic invizibile pentru un străin.
Dezavantajele evidente ale motoarelor diesel sunt necesitatea de a folosi un starter de mare putere, turbiditatea și solidificarea (depilare) a motorinei de vară la temperaturi scăzute, complexitatea și costul mai mare al reparației echipamentelor de alimentare cu combustibil, deoarece pompele de înaltă presiune sunt dispozitive de precizie. De asemenea, motoarele diesel sunt extrem de sensibile la contaminarea combustibilului cu particule mecanice și apă. Reparația motoarelor diesel, de regulă, este mult mai costisitoare decât repararea motoarelor pe benzină dintr-o clasă similară. Puterea în litri a motoarelor diesel este, de regulă, de asemenea inferioară celei a motoarelor pe benzină, deși motoarele diesel au un cuplu mai fin și mai mare în cilindree. Indicatorii de mediu ai motoarelor diesel au fost semnificativ mai mici decât motoarele pe benzină până de curând. La motoarele diesel clasice cu injecție controlată mecanic, este posibil să se instaleze numai convertoare de gaze de eșapament oxidante care funcționează la temperaturi ale gazelor de eșapament peste 300 ° C, care oxidează doar CO și CH la dioxid de carbon (CO 2) și apă inofensivă pentru oameni. Tot mai devreme, acești neutralizatori au eșuat din cauza otrăvirii cu compuși cu sulf (cantitatea de compuși cu sulf din gazele de eșapament depinde direct de cantitatea de sulf din motorină) și depunerea particulelor de funingine pe suprafața catalizatorului. Situația a început să se schimbe abia în ultimii ani în legătură cu introducerea motoarelor diesel ale așa-numitului sistem Common Rail. La acest tip de motor diesel, injecția de combustibil este efectuată de injectoare controlate electronic. Impulsul electric de control este furnizat de unitatea electronică de control, care primește semnale de la un set de senzori. Senzorii monitorizează diverși parametri ai motorului care afectează durata și sincronizarea impulsului de combustibil. Deci, din punct de vedere al complexității, un motor modern - și ecologic la fel de curat ca un motor pe benzină - un motor diesel nu este în niciun fel inferior omologul său pe benzină, iar în o serie de parametri (complexitate) îl depășește semnificativ. Deci, de exemplu, dacă presiunea combustibilului în injectoarele unui motor diesel convențional cu injecție mecanică este de la 100 la 400 de bari (aproximativ echivalent cu „atmosfere”), atunci în cele mai noi sisteme Common-rail este în intervalul de la 1000 la 2500 bar, ceea ce presupune probleme nu mici. De asemenea, sistemul catalitic al motoarelor diesel de transport moderne este mult mai complicat decât motoarele pe benzină, deoarece catalizatorul trebuie să „pote” să funcționeze în condiții de compoziție instabilă a gazelor de eșapament și, în unele cazuri, introducerea așa-numitelor „particule. filtru" (DPF - filtru de particule) este necesar. Un „filtru de particule” este o structură asemănătoare unui catalizator care este instalată între galeria de evacuare diesel și catalizatorul din fluxul de evacuare. În filtrul de particule se dezvoltă o temperatură ridicată, la care particulele de funingine pot fi oxidate de oxigenul rezidual din gazele de eșapament. Cu toate acestea, o parte din funingine nu se oxidează întotdeauna și rămâne în „filtrul de particule”, prin urmare programul unității de control comută periodic motorul în modul „curățare filtru de particule” prin așa-numitul „post-injecție”, care este, injectarea unei cantități suplimentare de combustibil în cilindri la sfârșitul fazei de ardere pentru a crește temperatura gazelor și, în consecință, curățarea filtrului prin arderea funinginei acumulate. Standardul de facto în proiectarea motoarelor diesel de transport a devenit prezența unui turbocompresor, iar în ultimii ani – și un „intercooler” – un dispozitiv care răcește aerul. după compresie cu un turbocompresor - pentru a obține un mare masa aer (oxigen) în camera de ardere cu același debit al colectoarelor și Supraalimentătorul a făcut posibilă creșterea caracteristicilor de putere specifice ale motoarelor diesel de masă, deoarece permite trecerea unei cantități mai mari de aer prin cilindri în timpul ciclului de lucru.
Practic, construcția unui motor diesel este similară cu cea a unui motor pe benzină. Cu toate acestea, piesele similare dintr-un motor diesel sunt mai grele și mai rezistente la presiuni mari de compresie care apar într-un motor diesel, în special, șlefuirea de pe suprafața oglinzii cilindrului este mai grosier, dar duritatea pereților blocului de cilindri este mai mare. Capetele pistonului sunt însă special concepute pentru caracteristicile de ardere ale motoarelor diesel și sunt aproape întotdeauna proiectate pentru rapoarte de compresie mai mari. În plus, capetele pistonului dintr-un motor diesel sunt situate deasupra (pentru un motor diesel de automobile) planul superior al blocului de cilindri. În unele cazuri - la motoarele diesel mai vechi - capetele pistonului conțin o cameră de ardere ("injecție directă").
Aplicații
Motoarele diesel sunt folosite pentru a conduce centrale electrice staționare, pe șină (locomotive diesel, locomotive diesel, trenuri diesel, vagoane de cale ferată) și vehicule fără șenile (mașini, autobuze, camioane), mașini și mecanisme autopropulsate (tractoare, role de asfalt, raclete, etc.) ), precum și în construcțiile navale ca motoare principale și auxiliare.
Mituri ale motoarelor diesel
Motor diesel turbo
- Motorul diesel este prea lent.
Motoarele diesel moderne cu un sistem de supraalimentare sunt mult mai eficiente decât predecesorii lor și, uneori, depășesc chiar și omologii lor aspirați natural (neturbo) cu aceeași cilindree. Acest lucru este dovedit de prototipul diesel Audi R10, care a câștigat cursa de 24 de ore de la Le Mans, și de noile motoare BMW, care nu sunt inferioare ca putere față de motoarele pe benzină cu aspirație naturală (fără turbocompresor) și, în același timp, au uriașe. cuplu.
- Motorul diesel merge prea tare.
Funcționarea puternică a motorului indică o funcționare necorespunzătoare și posibile defecțiuni. De fapt, unele motoare mai vechi cu injecție directă au o treabă foarte grea. Odată cu apariția sistemelor de stocare a combustibilului de înaltă presiune ("Common-rail"), motoarele diesel au reușit să reducă semnificativ zgomotul, în primul rând datorită împărțirii unui impuls de injecție în mai multe (de obicei - de la 2 la 5 impulsuri).
- Motorul diesel este mult mai economic.
Eficiența principală se datorează eficienței mai mari a motorului diesel. În medie, un motor diesel modern consumă cu până la 30% mai puțin combustibil. Durata de viață a unui motor diesel este mai lungă decât a unui motor pe benzină și poate ajunge la 400-600 mii de kilometri. Piesele de schimb pentru motoarele diesel sunt ceva mai scumpe, costul reparațiilor este și el mai mare, în special pentru echipamentele cu combustibil. Din motivele de mai sus, costurile de operare ale unui motor diesel sunt ceva mai mici decât cele ale unui motor pe benzină. Economiile în comparație cu motoarele pe benzină cresc proporțional cu puterea, ceea ce determină popularitatea motoarelor diesel în vehiculele comerciale și vehiculele grele.
- Un motor diesel nu poate fi convertit pentru a utiliza gaz mai ieftin drept combustibil.
Din primele momente ale construcției motoarelor diesel, au fost construite și sunt construite un număr foarte mare dintre ele, concepute pentru a funcționa pe gaz de compoziție diferită. Practic, există două moduri de a converti motoarele diesel în gaz. Prima metodă este că un amestec sărac aer-gaz este furnizat cilindrilor, comprimat și aprins cu un mic jet pilot de motorină. Un motor care funcționează în acest mod se numește motor diesel-gaz. A doua metodă constă în transformarea unui motor diesel cu o scădere a raportului de compresie, instalarea unui sistem de aprindere și, de fapt, construirea unui motor pe gaz pe baza acestuia în locul unui motor diesel.
Deținători de recorduri
Cel mai mare/cel mai puternic motor diesel
Configurație - 14 cilindri la rând
Volumul de lucru - 25 480 litri
Diametrul cilindrului - 960 mm
Cursa pistonului - 2500 mm
Presiune efectivă medie - 1,96 MPa (19,2 kgf / cm²)
Putere - 108.920 CP. la 102 rpm. (putere pe litru 4,3 CP)
Cuplu - 7.571.221 Nm
Consum de combustibil - 13 724 litri pe oră
Greutate uscată - 2300 de tone
Dimensiuni - lungime 27 metri, inaltime 13 metri
Cel mai mare motor diesel pentru un camion
MTU 20V400 proiectat pentru instalare pe un autobasculant minier BelAZ-7561.
Putere - 3807 CP la 1800 rpm. (Consum specific de combustibil la puterea nominală 198 g / kWh)
Cuplu - 15728 Nm
Cel mai mare/cel mai puternic motor diesel produs în serie pentru o mașină de pasageri produsă în serie
Audi 6.0 V12 TDI instalat pe Audi Q7 din 2008.
Configurație - 12 cilindri în formă de V, unghi de cambra 60 de grade.
Volumul de lucru - 5934 cm³
Diametrul cilindrului - 83 mm
Cursa pistonului - 91,4 mm
Raport de compresie - 16
Putere - 500 CP la 3750 rpm. (putere pe litru - 84,3 CP)
Cuplu - 1000 Nm în intervalul 1750-3250 rpm.
V-ați întrebat vreodată, dragi șoferi, de ce europenii economici cumpără cel mai des mașini cu motoare diesel? La urma urmei, nivelul de trai și venitul pe cap de locuitor în Europa le permite oamenilor să nu se gândească prea mult la costul combustibilului. Dar, în ciuda bunăstării normale a cetățenilor europeni, aceștia continuă să cumpere cel mai adesea mașini cu motoare diesel. Și motivul aici, apropo, nu este doar în economia de combustibil. Numai din cauza economiei, europenii pedanți nu ar cumpăra niciodată mașini diesel în masă. De fapt, în Uniunea Europeană însăși, este asociat cu o serie de alte avantaje pe care aceste vehicule diesel le au în comparație cu omologii pe benzină. Lasă-ne prieteni cu noi (voi) vei afla în detaliu, și care sunt avantajele pe lângă economia de combustibil, motoarele diesel au.
1. Motoarele diesel sunt mai economice.
După cum știm cu toții de mult timp, cel mai important și semnificativ avantaj al oricărui motor diesel în comparație cu omologii pe benzină este cel mai mic. Consumul redus al unității diesel este asociat cu caracteristica sa de a transforma acest combustibil diesel în energie. De exemplu, o astfel de unitate de putere diesel arde combustibilul (combustibilul) mai eficient, ceea ce îi permite să primească aproximativ 45-50% din toată energia dintr-un volum de combustibil ars. Motorul pe benzină primește aproximativ 30% din energie din același volum. Adică 70% din benzină este pur și simplu irosită !!!
În plus, motoarele diesel au un raport de compresie mai mare decât motoarele pe benzină. Și deoarece raportul acestei compresii este influențat de timpul de aprindere al combustibilului, se dovedește, în consecință, că cu cât raportul de compresie este mai mare, cu atât eficiența motorului este mai mare.
De asemenea, toate motoarele diesel moderne, din cauza lipsei unei supape de accelerație pe galeria de admisie, sunt mai eficiente, care, de regulă, a fost folosită și este folosită și astăzi în toate mașinile pe benzină. Acest lucru permite motorinelor (motoarelor) să evite pierderea de energie prețioasă asociată cu admisia de aer, care este necesară pentru aprinderea combustibilului în motoarele pe benzină.
2. Motoarele diesel sunt mai fiabile decât motoarele pe benzină.
În ultimii 50 de ani, motoarele diesel s-au dovedit a fi mai fiabile decât omologii lor pe benzină. Principala caracteristică a acestei unități diesel este absența unui sistem de aprindere de înaltă tensiune în mașină. Ca urmare, se dovedește că într-o mașină cu motor diesel nu există interferențe de radiofrecvență de la linia de înaltă tensiune, care este adesea vinovată de problemele cu electronica mașinii.
De asemenea, se crede că majoritatea componentelor interne ale unui motor diesel au o durată de viață mai lungă, iar acest lucru este adevărat. Și totul din cauza raportului de compresie mai mare, unde componentele unei astfel de unități de putere diesel sunt deja mai durabile de la început.
Din acest motiv important, există o mulțime de mașini diesel în lume cu un kilometraj de aproximativ și nu atât de multe cu același kilometraj de mașini pe benzină.
Există, totuși, un dezavantaj semnificativ al motoarelor diesel, care anterior îi bântuia pe toți fanii mașinilor puternice. Ideea este că motoarele diesel de generație veche aveau o putere foarte mică pe litru de volum al motorului. Dar, din fericire pentru noi, inginerii au rezolvat această problemă odată cu apariția mașinilor cu turbine pe piața auto. Drept urmare, aproape toate motoarele diesel moderne de astăzi sunt echipate cu turbine, care le permit să fie egale în putere (și uneori chiar să depășească) cu omologii pe benzină. În special, odată cu dezvoltarea noilor tehnologii în motoarele diesel moderne, inginerii au reușit să minimizeze aproape toate deficiențele sale, care urmăresc aceste motoare diesel de mult timp.
3. Motorul diesel arde automat combustibilul în sine.
Un alt avantaj principal al tuturor motoarelor diesel este că mașinile diesel, așa cum ar fi, automat de la sine, ard combustibil în interiorul lor, fără a cheltui efectiv nicio energie suplimentară pentru asta. Să le reamintim cititorilor noștri următoarele, în ciuda faptului că motorul diesel utilizează un ciclu în patru timpi (admisie, compresie, ardere și evacuare) pentru sine, arderea motorinei are loc ca și cum spontan chiar în interiorul motorului de la o compresie ridicată. raport. pentru aceeași ardere a combustibilului sunt necesare (sunt necesare) bujii care sunt în permanență sub tensiune înaltă și produc o scânteie care aprinde benzina în camera de ardere.
La motoarele diesel, nu este nevoie de bujii și, de asemenea, nu are nevoie de fire de înaltă tensiune etc. componente. Din acest motiv, costul întreținerii vehiculelor cu unități diesel este semnificativ redus în comparație cu aceleași vehicule pe benzină în care bujiile, firele de înaltă tensiune și alte componente aferente trebuie înlocuite periodic.
4. Costul motorinei este comparabil cu costul aceleiași benzine, sau chiar mai mic.
În ciuda faptului că în Rusia costul motorinei este aproape la același nivel cu prețul benzinei, trebuie remarcat faptul că costul motorinei în multe țări ale lumii, inclusiv în țările europene, în comparație cu țara noastră, este vizibil mai mică decât aceeași benzină. Adică, se dovedește că, pe lângă consumul mai mic de combustibil, proprietarii acestor vehicule diesel din alte țări ale lumii cheltuiesc mult mai puțini bani pe motorină decât alți proprietari de vehicule pe benzină.
Dar chiar și cu condiția ca în țara noastră motorina să coste la fel ca benzina (sau chiar mai scump), avantajul aceleiași eficiențe a acestor mașini diesel este evident pentru mulți. La urma urmei, rezerva de putere a unei mașini cu un rezervor plin de motorină se dovedește a fi mult mai mare decât la aceeași mașină echipată cu o unitate de alimentare pe benzină.
5. Costuri mai mici de proprietate.
Desigur, este dificil de argumentat cu un astfel de avantaj (deținerea unei mașini cu motor pe benzină), deoarece în anumite cazuri chiar costul de întreținere și reparare a mașinilor diesel poate depăși semnificativ costul MOT (întreținere) al mașinilor pe benzină. Și acesta este într-adevăr un fapt indiscutabil și dovedit. Dar, pe de altă parte, dacă luăm costurile totale, atunci costul deținerii unei mașini diesel în total se dovedește a fi mult mai mic decât cel al aceluiași analog cu benzină. Mai ales pe acele piețe auto mondiale unde există o cerere crescută pentru vehicule diesel. Să le explicăm cititorilor noștri, adevărul este că costul deținerii unei mașini trebuie întotdeauna luat în considerare în piața folosită și pierderea specifică a prețului de piață a mașinii și uzura naturală a tuturor pieselor auto în perioada funcţionarea vehiculului (vehiculului). De regulă, mașinile diesel pierd din preț mult mai puțin (și mai lent) decât aceleași omologii pe benzină. De asemenea, datorită durabilității mai mari a pieselor de motor diesel, aceste mașini au o durată de viață mai lungă, ceea ce vă permite în mod natural să cheltuiți mult mai puțini bani.
Astfel, putem spune că pe termen lung (de la 5 ani și mai mult), a deține o mașină diesel este mai profitabilă decât o mașină cu o unitate pe benzină. Adevărat, prieteni de aici, trebuie menționat că costul modelelor de mașini diesel este de obicei mult mai mare decât al celor pe benzină. Dar, dacă în viitor veți deține o astfel de mașină diesel pentru o lungă perioadă de timp și veți conduce 20.000 - 30.000 de mii de km pe an pe ea, atunci o astfel de plată în exces vă va plăti datorită aceleiași economii de combustibil.
6. Vehiculele diesel sunt mai sigure.
De-a lungul anilor, s-a dovedit că motorina este semnificativ mai sigură decât aceeași benzină din mai multe motive. În primul rând, motorina este mai puțin susceptibilă la aprindere rapidă și ușoară (foc) în comparație cu benzina. De exemplu, același combustibil diesel nu se aprinde de obicei atunci când este expus la o sursă mare de căldură.
În al doilea rând, motorina nu emite vapori periculoși, ca aceeași benzină. Ca urmare, probabilitatea de aprindere a vaporilor de salyarka, care poate provoca un incendiu de mașină, la vehiculele diesel este mult mai mică decât la aceleași pe benzină.
Toți acești factori fac ca mașinile diesel de pe drumurile din întreaga lume să fie mult mai sigure decât mașinile pe benzină. De exemplu, în cazul unui accident.
7. Evacuarea unei mașini diesel are mai puțin monoxid de carbon decât benzina.
Încă de la începutul apariției acestor turbine, inginerii s-au confruntat cu o problemă specifică care a fost asociată cu alimentarea cu energie a acestor turbocompresoare. De regulă, rotorul turbinei în sine se rotește datorită energiei obținute din gazele de eșapament ale mașinii. Dacă comparăm mașinile cu benzină și diesel între ele, atunci turbinele din motoarele diesel funcționează mult mai eficient, deoarece într-o mașină diesel cantitatea de gaze de eșapament pe volumul generat este mult mai mare decât într-o unitate pe benzină. Din acest motiv, turbocompresoarele diesel furnizează putere maximă mult mai rapid și mai devreme decât vehiculele pe benzină. Adică, deja la turații mici, încep să simtă puterea maximă a mașinii și cuplul acesteia.
9. Motoarele diesel pot funcționa cu combustibil sintetic fără modificări suplimentare.
Un alt avantaj major al motoarelor diesel este că pot funcționa cu combustibil sintetic fără modificări semnificative în designul unității de putere. Motoarele pe benzină, pe de altă parte, pot funcționa de fapt cu combustibili alternativi. Dar pentru aceasta au nevoie de schimbări semnificative în chiar designul unității de alimentare. În caz contrar, un motor pe benzină care funcționează cu un combustibil alternativ pur și simplu se va defecta rapid.
În prezent, el experimentează cu biobutanol (combustibil), care este un excelent biocombustibil sintetic pentru toate vehiculele pe benzină. Probabil că acest tip de combustibil nu va provoca daune semnificative mașinilor pe benzină fără a aduce modificări designului motorului.