Устройство и конструктивные особенности дизельного двигателя

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность – это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель

Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель

Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу

Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии

Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем

Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры. Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1где η – КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, ВтP1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 – это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 – 0,95 . Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами. Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность – это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия . Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье . При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей .

Электродвигатели появились достаточно давно, но большой интерес к ним возник тогда, когда они стали представлять собой альтернативу двигателям внутреннего сгорания. Особо интересен вопрос КПД электродвигателя, который является одной из главных его характеристик.

Каждая система обладает каким-либо коэффициентом полезного действия, который характеризует эффективность ее работы в целом. То есть он определяет, насколько хорошо система или устройство отдает или преобразовывает энергию. По значению КПД величины не имеет, и чаще всего оно представляется в процентном соотношении или числе от нуля до единицы.

Устройство

И дизельный, и бензиновый агрегаты относятся к поршневым двигателям внутреннего сгорания, а потому имеют сходное устройство. Основными конструктивными частями силовой установки на дизельном топливе являются такие:

1. Блок цилиндров. Основа любого двигателя. Используется для размещения всех систем и узлов силового агрегата. Различаются по трем основным параметрам – числу цилиндров, схеме их расположения и способу охлаждения. Как правило, количество цилиндров является четным, максимальное их число составляет 16. Чаще всего встречаются двигатели с 2-я, 4-я, 6-ю или 8-ю цилиндрами.

Важным элементом рассматриваемого узла является так называемая ГБЦ или головка блока цилиндров. Она создает закрытое пространство, в котором происходит непосредственное сжигание топливной смеси.

2. Кривошипно-шатунный механизм. Основное назначение этого узла двигателя – преобразование перемещения поршня внутри гильзы, являющегося возвратно-поступательным, в движение коленвала, которое относится к вращательным. Главной деталью механизма считается коленвал, подвижно соединенный с блоком цилиндров, что обеспечивает вращение вала.

Другая важная деталь – маховик, который крепится к одному из концов коленвала. Его задача – передать крутящий момент к другим узлам транспортного средства. Ко второму концу коленвала крепится шкив и приводная шестерня топливно-распределительной системы.

3. Цилиндропоршневая группа. Включает в себя цилиндры или гильзы, поршни или плунжеры, шатуны и поршневые пальцы. Отвечает за процесс сжигания топлива с последующей передачей образовавшейся энергии для дальнейших преобразований. Камера сжигания представляет собой пространство внутри гильзы, которое с одной стороны ограничивается ГБЦ, а с другой — поршнем. Главное требование к цилиндропоршневой группе дизельного двигателя – герметичность, прочность и долговечность.

4. Топливно-распределительная система. Функциональное назначение – своевременная подача горючего в камеры сгорания и отвод из двигателя продуктов сжигания топливно-воздушной смеси. В дизельном агрегате основу системы составляют два насоса. Первый из них – низкого давления – отвечает за перемещение горючего из бака к двигателю.

Назначение второго – ТНВД – несколько шире и заключается в определении нужного количества и времени впрыска топлива, а также в обеспечении необходимого уровня давления в камере сгорания. Именно топливный насос высокого давления и соединенные с ним форсунки являются ключевыми элементами дизельного двигателя, обеспечивающими его впечатляющие эксплуатационные и технические параметры.

5. Система смазки. Предназначается для уменьшения показателей трения между отдельными узлами и деталями силовой установки. В качестве смазочного материала используются как различные масла, так и, что характерно для отдельных механизмов, непосредственно дизельное топливо. Устройство системы смазки предусматривает наличие масляного насоса, различных емкостей и соединяющих трубопроводов.

6. Система охлаждения. Основное функциональное назначение данного элемента дизельного двигателя очевидно и состоит в поддержании такого уровня температуры, который является оптимальным для работающего агрегата. Для этого используются два метода – принудительный отвод тепла от узлов двигателя и охлаждение их при помощи воздуха или жидкости. В качестве последней обычно используется вода или антифриз.

7. Дополнительные узлы – турбина и интеркулер. Турбонаддув или турбонагнетатель позволяет увеличить давление в камере сгорания, что ведет к росту производительности двигателя. Интеркулер предназначен для дополнительного и более эффективного охлаждения горячего воздушного потока, который создается в процессе эксплуатации дизельного агрегата.

Отдельного упоминания заслуживает еще одна важная часть любого современного дизельного двигателя – электрооборудование и автоматика. Именно различные приборы управления и контроля над работой агрегата позволяют добиться главного преимущества, характерного для подобных силовых установок – высокого КПД.

Свечи зажигания и свечи накала

Использование свечей зажигания и накаливания зависит от химических свойств топлива. Свеча зажигания дает электродугу — искру, — от которой в цилиндрах загорается смесь бензина и воздуха.

Дизель не горит от открытого огня: его нужно смешать с воздухом, нагреть и сжать. Свеча накала разогревает топливо в момент впрыска. Воспламенение происходит самостоятельно, при сжатии; поджигать топливовоздушную смесь не требуется.

Резюмируем:

В бензиновом двигателе — свечи зажигания воспламеняют топливовоздушную смесь.
В дизельном — свечи накала нагревают воздух или топливо в момент впрыска, а при сжатии топливовоздушная смесь самовоспламеняется.

Бензиновые и дизельные двигатели грузовых автомобилей

Для начала разберемся, какой вариант больше подходит для грузового автомобиля — бензиновый или дизельный двигатель. Чтобы ответить на этот вопрос, приведем небольшую сравнительную характеристику таких моторов, а после сделаем вывод.

Экономичность

Опыт эксплуатации показывает, что силовые агрегаты на дизельном топливе позволяют сэкономить на 30-35% больше горючего, чем аналогичные бензиновые агрегаты. Кроме того, сама стоимость ДТ в России и других странах ниже. Экономия позитивно сказывается на рентабельности грузовых перевозок, уменьшает их себестоимость и, соответственно, повышает скорость окупаемости. Не удивительно, что многие компании отдают предпочтение именно «дизелям».

Безопасность

В вопросе выхлопа СО в атмосферу бензиновый мотор более вредный. Но при сгорании солярки в воздух выбрасывается сажа. Она считается более опасной для здоровья человека. Такой элемент оседает в легких, а после попадает в кровь. Как результат, повышается вероятность сердечных приступов, астмы, инсульта и других проблем. В современных «дизелях» предусмотрены фильтры, но они задерживают не весь объем вредных веществ.

Расходы на обслуживание

Причина состоит в большей сложности «дизеля», у которого много дополнительных деталей. К примеру фильтры топлива нуждаются в более частой замене. Кроме того, бензиновые моторы имеют более длительные интервалы замены моторного масла, охлаждающей жидкости и свечей зажигания.

Ресурс

Дизельные моторы имеют ресурс не менее 500 000 км, а зарубежные грузовики и вовсе могут похвастаться параметром в 1 000 000 км. Одна из причин — менее агрессивный выхлоп и большая надежность силового агрегата. В этом отношении бензиновые силовые узлы проигрывают.

Промежуточный итог

Во многих показателях дизельные моторы выигрывают. Что касается шумности, слабой динамики и характерного запаха, водители грузовых автомобилей считают их не критичными. Главным минусом остается высокая цена ремонта ТНВД и сложность конструкции.

В немалую копеечку влетает и замена форсунок. В пользу бензиновых двигателей на грузовиках говорит динамика, более легкий пуск зимой, меньшие расходы на обслуживание и более доступные цены на запасные части. 

Топливо

Первая особенность, с которой вам придется столкнуться при эксплуатации дизельного автомобиля – это дизтопливо. Именно солярка стала прародителем появления опаски отечественных автолюбителей к дизельным моторам. В прошлом качество этого вида топлива было ужасным (большое количество серы, смол, наличие воды), что становилось причиной многих неприятностей:

• снижение мощности;
• плохого запуска в зимний период. Дизтопливо, несоответствующее температурному режиму, имеет свойство изменять свою плотность (запарафиниваться). Отложения забивают фильтр, что приводит к ухудшению пропускной способности либо и вовсе к прекращению подачи топлива к ТНВД;
• ускоренный износ ЦПГ. Большое количество серы, которое при сгорании образовывает оксид, оказывает коррозионное воздействие на детали ЦПГ. Также сера окисляет моторное масло, что привод ухудшению его смазывающей способности. Повышенное содержание в дизтопливе серы приводит к образованию нагара и лаковых отложений;
• поломка дизельной аппаратуры. Топливо, которое заливали в первые пригнанные дизельные машины, было слишком «тяжелым». Люди не понимали жестких требований, которые предъявляет к топливу двигатели цикла Дизеля, поэтому могли заправить машину даже паровозной соляркой. Разумеется, «переварить» такую пищу детища зарубежных инженеров не могли.

Современные реалии

К счастью, ситуация с тех пор изменилась. На всех АЗС заправиться топливом, которое полностью соответствует высоким европейским нормам экологичности, вы не сможете, но найти ряд проверенных заправок с хорошим дизелем у вас точно получится. Поскольку общий уровень качества топлива далек от идеала, можно обозначить первые минусы эксплуатации дизельного мотора:

• засорение клапана EGR. Клапан рециркуляции отработавших газов используется для подмешивания к чистому воздуху части выхлопных газов, что позволяет улучшить экологические показатели мотора. Подобная система применяется и на бензиновых моторах, но вследствие особенностей сгорания дизельного топлива, засорение происходит быстрей. К последствиям можно отнести падение мощности и появление знака Check Engine на приборной панели;
• ускоренный износ сажевого фильтра, который на дизельных автомобилях забивается гораздо быстрей бензиновых аналогов. Забитый катализатор приведет к падению мощности и появлению Check Engine. Стоимость сажевого фильтра нельзя назвать демократичной. Удаление сажевика в обязательном порядке сопровождается корректировкой прошивки ЭБУ. Не во всех районных центрах найдутся специалисты, которые смогут прошить редкие либо новые дизельные моторы.

Что с железом

Внутри камеры сгорания дизельное топливо воспламеняется от контакта с горячим воздухом, температура которого повышается вследствие сжатия поршнем. Иными словами, происходит самовоспламенение и последующий взрыв. Для нагнетания высокой температуры нормальная степень сжатия мотора, работающего на дизтопливе, составляет 19:1, что на практике дает 18-22 Атм компрессии. (более подробно об устройстве и работе дизельных “сердец”)

Все это выливается в огромные ударные нагрузки, прилагаемые к деталям ЦПГ. Отчасти поэтому дизельные двигатели более шумные и вибронагруженные. Но минусы двигателя цикла Дизеля от этого не увеличиваются, поскольку в конструкцию заложен повышенный уровень прочности.

Особенности устройства и стоимость обслуживания

В конструкции дизельных двигателей отсутствуют:

• свечи зажигания;
• высоковольтные провода;
• катушки зажигания либо модуль зажигания.

Соответственно, средства на замену этих расходников тратить не нужно.

Принципиальные отличия в устройстве двигателя обозначены наличием:

• топливного насоса высокого давления (далее ТНВД), который нагнетает давление, необходимое для создания топливного «тумана» и полноценного сгорания топливно-воздушной смеси;
• форсунки, с помощью которых происходит распыление дизтоплива. Дизель – это всегда прямой впрыск топлива;
• свечи накаливания. Они подогревают воздух в камере сгорания перед холодным пуском. Родные свечи без проблем ходят до 100 тыс. км.

Сложно говорить о ресурсе других элементов. На данный момент на просторах нашей отчизны колесят как старые дизельные авто с полностью механической регулировкой продолжительности и угла впрыска, так и машины с электронно-управляемой топливной аппаратурой. Наиболее часто встречается система Common Rail.

Подавляющее большинство моторов цикла Дизеля оснащены турбиной. При правильных интервалах замены масла система турбонаддува «ходит» минимум 100-150 тыс. км. Ресурс ТНВД, форсунок зависит от сложности устройства, а также фирмы изготовителя (Bosch, Siemens, Delphi, Denso и т.д).

Преимущества и недостатки каждого из типов двигателей

Разобравшись с отличием основных параметров, можно подвести итоги и разобрать основные достоинства и недостатки каждого из типов двигателей.

Двигатель дизель — плюсы и минусы

Достоинства

• Невысокий расход топлива. Какими бы экономичными ни были современные бензиновики, по параметру расхода топлива они ещё долго будут уступать дизелям, которые обладают большим КПД и обеспечивают более высокий вращательный момент.
• Меньший транспортный налог. Поскольку дизельные двигатели при сравнимых характеристиках имеют меньшую мощность, величина транспортного налога для них на порядок ниже.
• Экологичность. Ни для кого не будет секретом тот факт, что дизели являются более экологически чистыми, чем бензиновики, уступая по данному параметру лишь гибридам и электрокарам.
• Долговечность. Современным бензиновым моторам требуется пройти от 150 до 200 тыс. км, прежде чем им понадобиться капремонт, при этом для дизеля эта величина как минимум в два раза больше, что свидетельствует об их большей долговечности и надёжности.

Недостатки

• Более высокая требовательность к качеству топлива, что особенно актуально в условиях российских реалий. Если заправлять дизель низкокачественным горючим, то он очень скоро потребует ремонта, который, в сравнении с бензиновиком, обойдётся в более круглую сумму.
• Возможны проблемы с запуском мотора при низких температурах.
• Более длительный прогрев, так что при езде зимой необходимо быть готовым к тому, что живительное тепло появится в салоне машины лишь спустя несколько километров.
• Более высокая стоимость обслуживания, причём количество автосервисов, обслуживающих дизельные моторы, заметно ниже, чем аналогичных для бензиновиков. Правда, если разбросить стоимость ремонта и ТО на более длительный срок эксплуатации дизеля, то экономия на бензиновом двигателе будет выглядеть не столь существенной.
• Заметно более высокая стартовая цена автомобиля с дизельным мотором, которая может достигать 10-20% в сравнении с аналогичным бензиновым авто.

Достоинства

• Простота конструкции и распространённость. Бензиновый двигатель имеет более простую конструкцию, чем дизель, и более распространён на территории России, что позволяет осуществить ремонт и настройку практически в любом автосервисе.
• Уверенный запуск практически при любых погодных условиях. Если двигатель не имеет неисправностей, запустить его не составит труда даже при температуре ниже 40 градусов Цельсия, в то время как с дизелем при сравнимых условиях могут наблюдаться проблемы со стартом.
• Доступная цена. Автомобили с бензиновыми ДВС обойдутся заметно дешевле, чем их дизельные аналоги, правда, это правило не распространяется на машины, бывшие в употреблении.
• Более широкий выбор комплектаций, причём это касается практически каждого представленного в России автопроизводителя.

Недостатки

• Частые проблемы с системой зажигания. В сравнении с дизельными, в бензиновых моторах чаще выходит из строя система зажигания, что сулит дополнительными и более регулярными материальными затратами.
• Низкие рабочие диапазоны. Чтобы получить максимальную отдачу от бензиновика, его приходится долго и усердно «крутить», в то время как дизель имеет максимальную отдачу, практически с холостого хода.
• Экономичность. Как мы уже говорили, каким бы современным ни был бензиновый двигатель, его расход все равно будет превышать таковой у дизеля.

В итоге, выбирать тип двигателя необходимо, исходя из условий эксплуатации, а также манеры езды, поэтому если вы любите быстро разгоняться, не планируете перевозить тяжёлые грузы и не используете машину в коммерческих целях, больше подойдёт автомобиль с бензиновым мотором. В противном случае, лучше выбирать дизельный двигатель.

Предпусковой топливоподкачивающий насос

Перед пуском двигателя заполнение системы топливом и подача его к ТНВД осуществляются с помощью предпускового топливоподкачивающего насоса 70. Ранее были широко распространены насосы плунжерного и диафрагменного (мембранного) типов с ручным приводом. Однако в настоящее время все чаще применяются центробежные крыльчатые насосы с приводом от электродвигателя, питаемого электрической энергией аккумуляторной батареи. Они обеспечивают более быструю прокачку топлива, не требуют затрат мускульной энергии механика-водителя и могут использоваться в качестве аварийных при отказе основного топливоподкачивающего насоса.

История создания и совершенствования

Первые научные разработки, касающиеся возможности использовать для воспламенения горючего в тепловой машине сжатого до высокого давления топлива, были осуществлены в 20-30-х годах 19-го века. На практике этот принцип был реализован выдающимся немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем, который в 1892 году оформил патент на изобретение двигателя оригинальной конструкции, получивший название дизель-мотор в честь его создателя. Через 3 года документ был признан США. В течение нескольких лет Дизель зарегистрировал еще несколько патентов на различные модификации дизельного двигателя.

Первый работающий агрегат был изготовлен в конце 1896 года, а его испытания прошли практически сразу – 28 января следующего года. В качестве горючего первые дизельные двигатели использовали растительные масла и легкие нефтепродукты. Силовая установка практически сразу же стала показывать высокий КПД, будучи еще и очень удобной в эксплуатации. Но в первые годы после изобретения дизельные двигатели применялись, главным образом, в тяжелых паровых машинах.

Существенно расширить сферу практического использования дизельных агрегатов позволили два ключевых усовершенствования. Первое заключалось в применении в качестве топлива керосина, что первым использовал в 1898 году другой великий инженер того времени – родившийся в России швед Рудольф Нобель. Вторым серьезным рационализаторским решением стало изобретение топливного насоса высокого давления (ТНВД), который заменил используемый ранее для сжатия горючего компрессор.

Серьезный вклад в усовершенствования ТНВД внес в 20-е годы 20-го века Роберт Бош. Он изобрел и внедрил модель встроенного насоса и бескомпрессорной форсунки, применение которых привело к существенному уменьшению габаритов дизельного двигателя, что, в свою очередь, позволило устанавливать его сначала на общественный и грузовой транспорт, а во второй половине 30-х годов – впервые использовать на легковых машинах. Дальнейшие улучшения рассматриваемого агрегата, в частности использование специального дизельного топлива, позволили силовой установке на этом типе горючего успешно конкурировать с бензиновыми двигателями, постоянно увеличивая занимаемую долю рынка.

Отличия в работе двигателей

С точки зрения механики, моторы одинаковы. Цилиндр, поршень, шатун и коленвал. Главное отличие в топливе, точнее – в способе его воспламенения. Именно от этого отталкиваются при разработке остальных технологий.

Свойства топлива определяют следующие характеристики:

1. Мощность двигателя. При одинаковом объеме цилиндров, у дизеля меньше лошадиных сил. Однако это не сильно влияет на общие впечатления от езды.
2. Крутящий момент. Несмотря на высокую мощность, бензиновый мотор не может обеспечить такую тягу как ДВС, работающий на тяжелом топливе. Это компенсирует недостаток мощности дизеля.
3. Экономичность. В отличие от бензинового двигателя, дизельный мотор потребляет до 30% меньше топлива. В ряде случаев это становится решающим фактором при покупке.
4. Экология. Современные нормы Евро 5 и 6 практически уравнивают различные моторы в степени воздействия на окружающую среду. Тем не менее, при сгорании солярки выделяется намного меньше токсичных и синтетических веществ. Иными словами, дизельный мотор имеет более «природный» выхлоп. Если такое определение подходит к ситуации.

Если свести работу разных типов двигателя к потребительским качествам, получается, что дизель экономичнее и тяговитей бензинового. Оппонент может похвастать разгонной динамикой и высокой скоростью.

Расход топлива

Экономичность дизельных двигателей — их преимущество перед бензиновыми. Сравним паспортный расход на примере BMW 320 и 320d с бензиновым и дизельным двигателями 2.0 мощностью 184 л.с. (оба — с автоматической коробкой):

Бензиновая версия (B48B20)

9 л в городе
5.5 на трассе
6.8 в смешанном режиме.

Дизельная версия (B47D20)

5.3 л в городе
3.9 на трассе
4.4 в смешанном режиме.

Важный момент: про автомобили с дизелем справедливо говорят, что это — экономия в долг. Резонно использовать дизель в коммерческом транспорте, он выгоден при частых междугородних поездках. Но если годовой пробег автомобиля менее 30 тысяч км, положительного влияния на кошелек вы не увидите.