Tento článek popisuje hlavní procesy spojené s vnitřním spalováním paliva, hovoří o čtyřdobém cyklu a také o všech podsystémech, díky nimž motor funguje.
Obsah článku
- úvod
- Porovnání dieselových a benzínových motorů
- Systém vstřikování dieselového paliva
- Nafta
- Zlepšení kvality motorové nafty a bionafty
- Další informace
- Čtěte také » Články o všech typech motorů
Tento článek popisuje hlavní procesy spojené s vnitřním spalováním paliva, hovoří o čtyřdobém cyklu a také o všech podsystémech, díky nimž motor funguje.
Historie dieselu začíná vynálezem benzínového motoru. V roce 1876 Nikolaus August Otto vynalezl a patentoval benzínový motor. Jeho model byl založen na čtyřdobém spalovacím cyklu, známém také jako Ottoův cyklus, který se používá ve většině moderních automobilových motorů. Benzinový motor zpočátku nebyl příliš účinný, jako jeho hlavní konkurenti, jako je parní stroj. V takových motorech bylo k pohonu vozidla skutečně spotřebováno pouze 10 % paliva. Zbytek paliva produkoval zbytečné teplo.
V roce 1878 Během vyučování na Vyšší polytechnické škole v Německu (obdoba inženýrské školy) se Rudolf Diesel dozvěděl o nízké účinnosti benzínových a parních strojů. Tento problém ho inspiroval k vytvoření účinnějšího motoru. O mnoho let později, v roce 1892. Diesel si nechal patentovat stejnojmenný „Powerful Internal Combustion Engine“.
Ale pokud jsou dieselové motory účinnější, proč jsou benzinové motory populárnější? Když se řekne dieselový motor, pravděpodobně se vám vybaví obrovský náklaďák, který chrlí špinavý černý dým a dělá spoustu hluku. Právě z těchto důvodů motoristé ve Spojených státech nemají rádi diesel. Přestože je tento typ motoru vynikající pro přepravu zboží na dlouhé vzdálenosti, naftová auta se pro každodenní ježdění pořizují jen zřídka. Pokrok však nestojí a dieselový motor se modernizuje, aby se snížilo znečištění ovzduší a snížila hladina hluku.
Pokud to ještě nevíte, pravděpodobně vás bude zajímat nejprve se naučit „Jak funguje motor automobilu“, abyste získali obecné povědomí o procesu vnitřního spalování paliva. Až si ji přečtete, vraťte se na tuto stránku a dozvíte se vše o tajemstvích vznětového motoru a nejnovějších inovacích.
4,5litrový motor Duramax V-8 je o 25 procent účinnější než benzínové motory a zároveň produkuje mnohem čistší emise.
Rudolf Diesel, vynálezce dieselového motoru.
Porovnání dieselových a benzínových motorů
Vznětové a benzínové motory mají celkově podobnou konstrukci. Oba jsou spalovací motory, které přeměňují chemickou energii paliva na mechanickou energii. Tato mechanická energie pohybuje písty nahoru a dolů uvnitř válců. Písty jsou spojeny s klikovou hřídelí a jejich přímočarý pohyb se převádí na kruhový pohyb, který je nutný pro otáčení kol.
Vznětové i benzínové motory přeměňují palivo na energii řadou explozí nebo spalování. Hlavní rozdíl mezi dieselovými a benzínovými motory je v tom, jak k těmto výbuchům dochází. U benzínových motorů je přiváděná směs paliva a vzduchu během zdvihu pístu stlačena a zapálena zapalovací svíčkou. U vznětového motoru se nejprve stlačí vzduch, poté se dodává palivo. Vzduch ohřátý při kompresi zapálí palivo.
Níže je animace jasně demonstrující dieselový cyklus. Porovnejte s animací cyklu benzínového motoru, abyste viděli hlavní rozdíly.
Dieselový motor, stejně jako benzínový motor, využívá čtyřdobý spalovací cyklus. Čtyři zdvihy provozu:
Sací zdvih – Sací ventil se otevře, vzduch je vpuštěn a píst se pohybuje směrem dolů.
Kompresní zdvih – Píst se pohybuje nahoru a stlačuje vzduch.
Výkonový zdvih – Jakmile píst dosáhne horního bodu, dojde ke vstřiku paliva a zapálení, zatímco píst se pohybuje dolů.
Výfukový zdvih – Píst se opět pohybuje nahoru a vytlačuje spaliny ven výfukovým ventilem.
Je třeba mít na paměti, že zapalovací svíčky se nepoužívají u dieselových motorů, protože. vzduch je vstřikován a stlačován, následně je palivo vstřikováno přímo do spalovací komory (přímé vstřikování). U vznětového motoru dochází ke spalování paliva vlivem tepla stlačeného vzduchu. Další část článku představuje proces vstřikování nafty.
Systém vstřikování dieselového paliva
Významným rozdílem mezi naftovým a benzínovým motorem je proces vstřikování paliva. Většina automobilových motorů používá vstřikování přes port nebo vstřikování karburátoru. Při vstřikování do sacích otvorů vstupuje palivo před začátkem sacího zdvihu (mimo válec). Karburátor mísí vzduch a palivo předtím, než vstoupí do válce. Proto v benzínovém motoru vstupuje palivo do válce během sacího zdvihu, poté dochází ke kompresi. Kompresní poměr směsi paliva a vzduchu určuje kompresi motoru – pokud je vzduch stlačen příliš, směs paliva se vzduchem se samovolně vznítí a způsobí detonaci. To způsobí prudké zvýšení teploty, což může vést k poškození motoru.
Vznětové motory používají systém přímého vstřikování paliva – nafta vstupuje přímo do válce.
Dieselový vstřikovač je nejsložitější částí motoru a prošel četnými změnami. Umístění vstřikovače závisí na konkrétním motoru. Vstřikovač musí odolat vysoké teplotě a tlaku uvnitř válce při rozstřikování paliva. Problémem je také rovnoměrné rozložení rozprášeného paliva ve válci, k tomu jsou některé vznětové motory vybaveny sacími ventily, předspalovacími komorami a dalšími zařízeními, která podporují vytváření vířivého proudu vzduchu pro zlepšení spalovacího procesu.
Některé dieselové motory používají žhavicí svíčky. Ve studeném motoru nemůže proces stlačování vzduchu vždy zajistit teplotu potřebnou k zapálení paliva. Žhavicí svíčka je elektricky vyhřívaný drát (podobný drátům používaným v toustovačích), který zvyšuje teplotu spalovací komory, což pomáhá nastartovat i studený motor. Podle vysoce vyškoleného specialisty na těžké vybavení Claye Brotertora:
Všechny funkce moderních dieselových motorů jsou řízeny elektronickým řídicím systémem, což je banka senzorů, která měří vše od otáček motoru, teploty oleje a chladicí kapaliny až po přesnou polohu pístu (horní úvrať). Žhavicí svíčky se u velkých motorů používají jen zřídka. Elektronický řídicí systém monitoruje okolní teplotu vzduchu a zpožďuje startování motoru za chladného počasí. V tomto případě dojde ke vstřikování paliva později než obvykle. Vzduch ve válci je více stlačen, čímž vzniká více tepla, což napomáhá startování.
Malé motory a motory bez sofistikovaných elektronických řídicích systémů používají žhavicí svíčky k řešení problému se studeným startováním.
Je třeba mít na paměti, že mechanické provedení není jediným rozdílem mezi vznětovým a benzinovým motorem. Samotné palivo je také jiné.
Nafta
Ropa je přírodní útvar. Proces rafinace ropy může produkovat několik druhů paliv, včetně benzínu, leteckého paliva, petroleje a samozřejmě nafty.
Pokud porovnáte benzín a naftu, snadno najdete rozdíly. Mají různé vůně. Motorová nafta je těžší a mastnější. Nafta se odpařuje mnohem pomaleji než benzín – její bod varu je mnohem vyšší než u vody. Diesel připomíná tekutý olej.
K odpařování nafty dochází pomaleji, protože je těžší. Obsahuje více atomů uhlíku v delších řetězcích než benzín (řetězec benzínu je C9H20, zatímco u nafty je již C14H30). Diesel vyžaduje méně rafinace k výrobě, takže je levnější než benzín. Nicméně od roku 2004 Poptávka po motorové naftě vzrostla z několika důvodů, včetně silného průmyslového a stavebního rozvoje v Číně a Spojených státech [Zdroj: US Department of Energy Energy Information Administration].
Energetická hustota nafty je výrazně vyšší než u benzínu. V průměru 1 galon (3,8 l) nafty obsahuje 155 x 10 6 J (147000 1 BTU), zatímco 123 galon benzínu obsahuje 10 x 6 125000 J (XNUMX XNUMX BTU).
Energetická hustota a účinnost dieselových motorů vysvětlují ekonomickou spotřebu paliva ve srovnání s podobnými benzínovými motory.
Motorová nafta se používá v různých oblastech činnosti. Kromě nákladních automobilů, které jedou po dálnici, je také nezbytný v lodích, autobusech, vlacích, jeřábech, zemědělství, nouzových vozidlech a generátorech energie. Nafta je pro ekonomiku tak důležitá, že bez ní by průmysl a zemědělství okamžitě utrpěly kvůli velkým investicím do alternativních paliv s nízkým výkonem a účinností. Asi 94 % nákladní dopravy ve vlacích, kamionech a lodích závisí na naftě.
Pokud jde o otázky životního prostředí, motorová nafta má své výhody a nevýhody. Mezi výhody je třeba poznamenat, že nafta produkuje malé množství oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a uhlovodíků, které přispívají ke globálnímu oteplování. Mezi nevýhody patří vysoké množství uvolňovaných sloučenin dusíku a sazí, které způsobují kyselé deště, smog a špatné zdraví. Na další stránce jsou uvedeny informace o nejnovějším vývoji k odstranění nedostatků naftových motorů.
Zlepšení kvality motorové nafty a bionafty
Během ropné krize v 1970. letech začaly automobilky v Evropě propagovat naftové motory pro užitková vozidla jako alternativu k benzínovým motorům. Kdo zkusil přejít na vznětové motory, byl zklamán – motory byly velmi hlasité a řidiči se vrátili domů a zjistili, že jejich auta jsou celá zanesená sazemi, které ve velkých městech způsobovaly smog.
Za posledních 30-40 let však došlo k výraznému zlepšení výkonu motoru a čistoty paliva. Přímé vstřikování paliva je řízeno sofistikovanými počítači, což zvyšuje účinnost motoru a snižuje škodlivé emise. Vysoce rafinovaná nafta, jako je palivo s ultra nízkým obsahem síry, snižuje škodlivé emise a dosahuje čistší úrovně paliva. Mezi další technologie patří kontinuálně se regenerující eliminátor pevných částic, který využívá filtry a katalyzátor. Saze se spálí a emise oxidu uhelnatého a uhlovodíků se sníží až o 90 % [Zdroj: Diesel Technology Forum]. Díky neustále se zpřísňujícím ekologickým standardům paliv tlačí Evropská unie automobilový průmysl k řešení problematiky snižování emisí.
S největší pravděpodobností každý slyšel o bionaftě. Liší se od běžného dieselu? Bionafta je alternativní palivo nebo aditivum pro vznětové motory, jehož použití nevyžaduje výrazné změny v konstrukci motoru. Bionafta není ropný produkt, získává se z rostlinných olejů nebo živočišných tuků po chemické úpravě. (Zajímavost: Rudolf Diesel původně plánoval pro svůj vynález použít jako palivo rostlinný olej ze semen.) Bionafta se přidává do běžné nafty nebo se používá jako samostatné palivo.
Vznětový motor je spolu s benzínovým motorem jedním ze dvou nejběžnějších typů pístových spalovacích motorů. Princip jeho činnosti je založen na samovznícení směsi vzduch-palivo, která je pod tlakem přiváděna do spalovacích komor.
Palivo se díky tomu zahřívá a samovznítí, což je hlavní rozdíl mezi vznětovým motorem a benzinovým motorem a je hlavním důvodem všech konstrukčních a provozních změn u pohonné jednotky tohoto typu a také přímo ovlivňuje rozsah a četnost jeho používání. Článek podrobně zkoumá historii vzniku a zlepšování dieselového motoru, konstrukci a princip fungování takového zařízení, jakož i jeho hlavní rozdíly a výhody ve srovnání s benzínovou elektrárnou.
Historie tvorby a zlepšování
První vědecké poznatky týkající se možnosti použití paliva stlačeného na vysoký tlak k zapálení paliva v tepelném motoru byly provedeny ve 20. až 30. letech 19. století. V praxi tento princip realizoval vynikající německý vynálezce a inženýr Rudolf Diesel, který si v roce 1892 nechal patentovat vynález motoru originální konstrukce, nazývaného na počest svého tvůrce dieselovým motorem. Po 3 letech byl dokument uznán Spojenými státy. V průběhu několika let si Diesel registroval několik dalších patentů na různé úpravy vznětového motoru.
První pracovní jednotka byla vyrobena koncem roku 1896 a její zkoušky proběhly prakticky okamžitě – 28. ledna následujícího roku. První dieselové motory používaly jako palivo rostlinné oleje a lehké ropné produkty. Elektrárna téměř okamžitě začala vykazovat vysokou účinnost a zároveň byla velmi pohodlná na používání. Ale v prvních letech po jejich vynálezu se dieselové motory používaly hlavně v těžkých parních strojích.
Dvě klíčová vylepšení umožnila výrazně rozšířit rozsah praktického využití dieselových agregátů. Prvním bylo použití petroleje jako paliva, které poprvé použil v roce 1898 další skvělý inženýr té doby, Švéd ruského původu Rudolf Nobel. Druhým zásadním racionalizačním rozhodnutím byl vynález vysokotlakého palivového čerpadla (HPFP), které nahradilo dříve používaný kompresor ke stlačování paliva.
Robert Bosch významně přispěl ke zlepšení palivových vstřikovacích čerpadel ve 20. letech 20. století. Vynalezl a představil model vestavěného čerpadla a bezkompresorové trysky, jejichž použití vedlo k výraznému zmenšení rozměrů vznětového motoru, což následně umožnilo jeho instalaci nejprve na veřejné a nákladní dopravy a ve druhé polovině 30. let – poprvé jej použít na osobních automobilech. Další vylepšení předmětného agregátu, zejména použití speciální motorové nafty, umožnilo elektrárně využívající tento typ paliva úspěšně konkurovat benzinovým motorům a neustále zvyšovat svůj podíl na trhu.
Rozdíl oproti benzínovému motoru
Hlavní rozdíl mezi dieselovým motorem a benzínovým motorem byl zmíněn výše. Spočívá v absenci zapalovacího systému, což je vysvětleno využitím principu samovznícení směsi paliva a vzduchu v důsledku nárůstu tlaku a následného zahřátí paliva. Za zmínku stojí několik klíčových důsledků rozdílu mezi uvažovanými typy elektráren.
Hlavní pozitivní aspekty vznětového motoru jsou následující. Za prvé, absence zapalovacího systému výrazně zjednodušuje konstrukci jednotky, zvyšuje spolehlivost a životnost. Za druhé, kompresní vznícení paliva zajišťuje úplnější a účinnější spalování, což vede ke zvýšení účinnosti elektrárny a snížení škodlivých emisí.
Hlavním negativním důsledkem výše uvedených rozdílů mezi spalovacími motory jsou výraznější požadavky na pevnost a kvalitu výroby ventilů a dalších dílů dieselových agregátů. To je způsobeno tím, že jsou provozovány pod velkým zatížením spojeným se zvýšeným tlakem směsi paliva a vzduchu.
Zařízení
Vznětové i benzinové agregáty patří k pístovým spalovacím motorům, a proto mají podobnou konstrukci. Hlavní konstrukční části elektrárny na naftu jsou:
1. Blok válců. Základ každého motoru. Používá se k umístění všech systémů a součástí pohonné jednotky. Liší se třemi hlavními parametry – počtem válců, jejich uspořádáním a způsobem chlazení. Počet válců je zpravidla sudý, maximální počet je 16. Nejběžnější motory jsou 2, 4, 6 nebo 8 válcové.
Důležitým prvkem příslušné jednotky je tzv. hlava válců neboli hlava válců. Vytváří uzavřený prostor, ve kterém dochází k přímému spalování palivové směsi.
2. Klikový mechanismus. Hlavním účelem této motorové jednotky je převést pohyb pístu uvnitř vložky, který je vratný, na pohyb klikového hřídele, který je rotační. Hlavní částí mechanismu je klikový hřídel, který je pohyblivě spojen s blokem válců, což zajišťuje otáčení hřídele.
Další důležitou součástí je setrvačník, který je připevněn na jednom konci klikové hřídele. Jeho úkolem je přenášet točivý moment na ostatní součásti vozidla. Na druhém konci klikového hřídele je připevněna řemenice a hnací ozubené kolo pro systém distribuce paliva.
3. Skupina pístů válce. Zahrnuje válce nebo vložky, písty nebo plunžry, ojnice a pístní čepy. Zodpovědný za proces spalování paliva s následným předáváním výsledné energie pro další přeměny. Spalovací komora je prostor uvnitř vložky, který je na jedné straně omezen hlavou válce a na druhé straně pístem. Hlavním požadavkem na skupinu válec-píst dieselového motoru je těsnost, pevnost a životnost.
4. Systém distribuce paliva. Funkčním účelem je včasný přísun paliva do spalovacích prostorů a odvod spalin směsi paliva a vzduchu z motoru. V dieselové jednotce je systém založen na dvou čerpadlech. První z nich – nízký tlak – je zodpovědný za přesun paliva z nádrže do motoru.
Účel druhého – vstřikovacího čerpadla – je poněkud širší a spočívá v určení potřebného množství a času vstřiku paliva, jakož i zajištění požadované úrovně tlaku ve spalovacím prostoru. Právě vysokotlaké palivové čerpadlo a na něj napojené vstřikovače jsou klíčovými prvky vznětového motoru a poskytují jeho působivé provozní a technické parametry.
5. Mazací systém. Navrženo pro snížení tření mezi jednotlivými součástmi a částmi elektrocentrály. Jako mazivo se používají jak různé oleje, tak, což je pro jednotlivé mechanismy typické, i samotná motorová nafta. Konstrukce mazacího systému zahrnuje olejové čerpadlo, různé nádoby a spojovací potrubí.
6. Chladicí systém. Hlavní funkční účel tohoto prvku vznětového motoru je zřejmý a spočívá v udržování teplotní úrovně, která je optimální pro provozní jednotku. K tomu se používají dva způsoby – nucený odvod tepla ze součástí motoru a jejich chlazení vzduchem nebo kapalinou. Tím posledním je obvykle voda nebo nemrznoucí směs.
7. Další uzly – turbína a mezichladič. Turbodmychadlo nebo turbodmychadlo zvyšuje tlak ve spalovacím prostoru, což vede ke zvýšení výkonu motoru. Intercooler je určen pro dodatečné a účinnější chlazení proudu horkého vzduchu, který vzniká při provozu naftové jednotky.
Další důležitá součást každého moderního vznětového motoru si zaslouží zvláštní zmínku – elektrické vybavení a automatizace. Právě různá kontrolní a monitorovací zařízení nad provozem bloku umožňují dosáhnout hlavní výhody charakteristické pro takové elektrárny – vysoké účinnosti.
Princip činnosti
Vznětové motory se dělí na dvou- a čtyřdobé. První možnost se v dnešních podmínkách používá velmi zřídka, a proto prostě nemá smysl ji podrobně zvažovat. Standardní princip činnosti běžného čtyřdobého motoru zahrnuje celkem logicky 4 hlavní fáze:
1. Vstup. Klikový hřídel se otáčí mezi 0 a 180 stupni. V této fázi se do válce přivádí vzduch.
2. Komprese. Poloha klikového hřídele se mění ze 180 na 360 stupňů. To zajišťuje pohyb pístu do tzv. horní úvratě (TDC), což vede ke stlačení vzduchu ve válci 16-25krát.
3. Pracovní zdvih následovaný expanzí. Klikový hřídel se pohybuje mezi 360 a 540 stupni. Palivo je vstřikováno do spalovací komory tryskami, které se při smíchání se vzduchem vznítí. K tomu dochází krátce předtím, než píst dosáhne TDC.
4. Otázka. Klikový hřídel dokončí svou rotaci pohybem mezi 540 a 720 stupni. V důsledku dalšího pohybu pístu do horní části válce jsou výfukové plyny odváděny ze spalovacího prostoru. Poté cyklus začíná znovu.
Hlavní odrůdy
Hlavním parametrem používaným pro klasifikaci dieselových motorů je konstrukce spalovací komory. Na základě tohoto parametru jsou uvažovány dva hlavní typy elektráren, které využívají
· dělená spalovací komora. Palivo je přiváděno do speciální komory, která se nazývá vírová komora a je umístěna v hlavě bloku a je připojena k válci pomocí kanálu. Přítomnost takového přídavného prvku umožňuje dosáhnout zvýšení úrovně vstřikování, což má pozitivní vliv na schopnost samovznícení směsi;
· nedělená spalovací komora. Jednodušší a tedy spolehlivější konstrukce, ve které je palivo přiváděno přímo do prostoru nad pístem, který funguje jako spalovací komora. To umožňuje výrazně snížit spotřebu paliva, která se spolu se spolehlivostí mechanismu stala klíčovým důvodem pro široké použití tohoto typu vznětového motoru.
Vznětové agregáty s neděleným spalovacím prostorem se staly oblíbenými zejména po nástupu vstřikovacího čerpadla Common Rail. Jeho použití umožňuje zajistit optimální úroveň tlaku, množství a doby vstřiku paliva pro následné spalování. Tímto způsobem jsou dosaženy všechny hlavní výhody dělených spalovacích motorů bez jejich podstatných nevýhod.
Hlavní výhody a nevýhody
Rozšířená a úspěšná konkurence naftových motorů s benzínovými motory je vysvětlena řadou působivých výhod. Hlavní jsou:
· Účinnost, dosahující 40 % u konvenčních jednotek a 50 % u přeplňovaných vznětových motorů. Takové ukazatele jsou prostě nedosažitelné pro jednotky, které používají jako palivo benzín;
· мощность. Točivý moment vznětového motoru je poskytován i při nízkých rychlostech, což vozu zaručuje jistou a rychlou akceleraci;
· šetrnost k životnímu prostředí. Spalování paliva pod vysokým tlakem vede k poklesu množství výfukových plynů vznikajících při provozu motoru. V dnešních podmínkách je této přednosti dieselových motorů přikládán stále větší význam;
· spolehlivost. Životnost naftového agregátu je zpravidla přibližně jedenapůlkrát až dvakrát větší než u benzínového konkurenta. Kromě toho absence zapalovacího systému vám umožní zbavit se mnoha tradičních problémů benzínových motorů, například slabé jiskry na zapalovacích svíčkách nebo jejich zaplavení.
Mezi nevýhody spojené s dieselovým motorem je třeba nejprve zdůraznit dvě. Prvním jsou mírně vyšší náklady na vozidla vybavená tímto typem elektrárny. Cenový rozdíl se obvykle pohybuje od 10 do 20 %.
Druhou nevýhodou je nutnost značných provozních nákladů. To je vysvětleno vážnými požadavky na kvalitu výroby a úroveň technické údržby automobilů s dieselovými motory. Kontaktování renomované společnosti za účelem nákupu, stejně jako následná údržba, montáž a opravy, minimalizuje nedostatky jednotky a její působivé výhody zůstanou zcela nedotčeny.
