Дизельный двигатель

Чтобы узнать о локомотиве, см. Тепловоз . Чтобы узнать об игровом движке, см. Diesel (игровой движок) .

Дизельный двигатель, построенный компанией Langen & Wolf по лицензии, 1898 г.

Duration: 18 minutes and 11 seconds.18:11

1952 Shell Oil film showing the development of the diesel engine from 1877

Дизель , названный в честь Рудольфа Дизеля , — двигатель внутреннего сгорания в котором воспламенение топлива ; вызывается повышенной температурой воздуха в цилиндре вследствие механического сжатия , таким образом, дизельный двигатель называется двигателем с воспламенением от сжатия (двигатель CI). Это контрастирует с двигателями, использующими свечное зажигание топливно-воздушной смеси, такими как бензиновый двигатель ( бензиновый двигатель) или газовый двигатель (использующий газообразное топливо, такое как природный газ или сжиженный нефтяной газ ).

Введение

Дизельные двигатели работают путем сжатия только воздуха или воздуха плюс остаточных продуктов сгорания из выхлопных газов (известная как рециркуляция выхлопных газов , «EGR»). Воздух всасывается в камеру во время такта впуска и сжимается во время такта сжатия. Это повышает температуру воздуха внутри цилиндра, так что распыленное дизельное топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, воспламеняется. Поскольку топливо впрыскивается в воздух непосредственно перед сгоранием, его распыление происходит неравномерно; это называется гетерогенной топливно-воздушной смесью. Крутящий момент, создаваемый дизельным двигателем, контролируется путем изменения соотношения воздух-топливо (λ) ; вместо дросселирования всасываемого воздуха дизельный двигатель полагается на изменение количества впрыскиваемого топлива, а соотношение воздух-топливо обычно высокое.

The diesel engine has the highest thermal efficiency (engine efficiency) of any practical internal or external combustion engine due to its very high expansion ratio and inherent lean burn which enables heat dissipation by the excess air. A small efficiency loss is also avoided compared with non-direct-injection gasoline engines since unburned fuel is not present during valve overlap and therefore no fuel goes directly from the intake/injection to the exhaust. Low-speed diesel engines (as used in ships and other applications where overall engine weight is relatively unimportant) can reach effective efficiencies of up to 55%. The combined cycle gas turbine (Brayton and Rankine cycle) is a combustion engine that is more efficient than a diesel engine, but it is, due to its mass and dimensions, unsuited for vehicles, watercraft, or aircraft. The world's largest diesel engines put in service are 14-cylinder, two-stroke marine diesel engines; they produce a peak power of almost 100 MW each.

Diesel engines may be designed with either two-stroke or four-stroke combustion cycles. They were originally used as a more efficient replacement for stationary steam engines. Since the 1910s, they have been used in submarines and ships. Use in locomotives, buses, trucks, heavy equipment, agricultural equipment and electricity generation plants followed later. In the 1930s, they slowly began to be used in a few automobiles. Since the 1970s energy crisis, demand for higher fuel efficiency has resulted in most major automakers, at some point, offering diesel-powered models, even in very small cars. According to Konrad Reif (2012), the EU average for diesel cars at the time accounted for half of newly registered cars. However, air pollution emissions are harder to control in diesel engines than in gasoline engines, so the use of diesel auto engines in the U.S. is now largely relegated to larger on-road and off-road vehicles.

Though aviation has traditionally avoided diesel engines, aircraft diesel engines have become increasingly available in the 21st century. Since the late 1990s, for various reasons—including the diesel's normal advantages over gasoline engines, but also for recent issues peculiar to aviation—development and production of diesel engines for aircraft has surged, with over 5,000 such engines delivered worldwide between 2002 and 2018, particularly for light airplanes and unmanned aerial vehicles.

History

Diesel's idea

Rudolf Diesel's 1893 patent on a rational heat motor

Diesel's second prototype. It is a modification of the first experimental engine. On 17 February 1894, this engine ran under its own power for the first time.

Effective efficiency 16.6%
Fuel consumption 519 g·kW⁻¹·h⁻¹

First fully functional diesel engine, designed by Imanuel Lauster, built from scratch, and finished by October 1896.

Rated power 13.1 kW
Effective efficiency 26.2%
Fuel consumption 324 g·kW⁻¹·h⁻¹.

In 1878, Rudolf Diesel, who was a student at the "Polytechnikum" in Munich, attended the lectures of Carl von Linde. Linde explained that steam engines are capable of converting just 6–10% of the heat energy into work, but that the Carnot cycle allows conversion of much more of the heat energy into work by means of isothermal change in condition. According to Diesel, this ignited the idea of creating a highly efficient engine that could work on the Carnot cycle. Diesel was also introduced to a fire piston, a traditional fire starter using rapid adiabatic compression principles which Linde had acquired from Southeast Asia. After several years of working on his ideas, Diesel published them in 1893 in the essay Theory and Construction of a Rational Heat Motor.

Diesel was heavily criticised for his essay, but only a few found the mistake that he made; his rational heat motor was supposed to utilise a constant temperature cycle (with isothermal compression) that would require a much higher level of compression than that needed for compression ignition. Diesel's idea was to compress the air so tightly that the temperature of the air would exceed that of combustion. However, such an engine could never perform any usable work. In his 1892 US patent (granted in 1895) #542846, Diesel describes the compression required for his cycle:

pure atmospheric air is compressed, according to curve 1 2, to such a degree that, before ignition or combustion takes place, the highest pressure of the diagram and the highest temperature are obtained-that is to say, the temperature at which the subsequent combustion has to take place, not the burning or igniting point. To make this more clear, let it be assumed that the subsequent combustion shall take place at a temperature of 700°. Then in that case the initial pressure must be sixty-four atmospheres, or for 800° centigrade the pressure must be ninety atmospheres, and so on. Into the air thus compressed is then gradually introduced from the exterior finely divided fuel, which ignites on introduction, since the air is at a temperature far above the igniting-point of the fuel. The characteristic features of the cycle according to my present invention are therefore, increase of pressure and temperature up to the maximum, not by combustion, but prior to combustion by mechanical compression of air, and there upon the subsequent performance of work without increase of pressure and temperature by gradual combustion during a prescribed part of the stroke determined by the cut-oil.

By June 1893, Diesel had realised his original cycle would not work and he adopted the constant pressure cycle. Diesel describes the cycle in his 1895 patent application. Notice that there is no longer a mention of compression temperatures exceeding the temperature of combustion. Now it is simply stated that the compression must be sufficient to trigger ignition.

1. In an internal-combustion engine, the combination of a cylinder and piston constructed and arranged to compress air to a degree producing a temperature above the igniting-point of the fuel, a supply for compressed air or gas; a fuel-supply; a distributing-valve for fuel, a passage from the air supply to the cylinder in communication with the fuel-distributing valve, an inlet to the cylinder in communication with the air-supply and with the fuel-valve, and a cut-oil, substantially as described.

In 1892, Diesel received patents in Germany, Switzerland, the United Kingdom and the United States for "Method of and Apparatus for Converting Heat into Work". In 1894 and 1895, he filed patents and addenda in various countries for his engine; the first patents were issued in Spain (No. 16,654), France (No. 243,531) and Belgium (No. 113,139) in December 1894, and in Germany (No. 86,633) in 1895 and the United States (No. 608,845) in 1898.

Diesel was attacked and criticised over a time period of several years. Critics claimed that Diesel never invented a new motor and that the invention of the diesel engine is fraud. Otto Köhler and Emil Capitaine were two of the most prominent critics of Diesel's time. Köhler had published an essay in 1887, in which he describes an engine similar to the engine Diesel describes in his 1893 essay. Köhler figured that such an engine could not perform any work. Emil Capitaine had built a petroleum engine with glow-tube ignition in the early 1890s; he claimed against his own better judgement that his glow-tube ignition engine worked the same way Diesel's engine did. His claims were unfounded and he lost a patent lawsuit against Diesel. Other engines, such as the Akroyd engine and the Brayton engine, also use an operating cycle that is different from the diesel engine cycle. Friedrich Sass says that the diesel engine is Diesel's "very own work" and that any "Diesel myth" is "falsification of history".

The first diesel engine

Diesel sought out firms and factories that would build his engine. With the help of Moritz Schröter and Max Gutermuth, he succeeded in convincing both Krupp in Essen and the Maschinenfabrik Augsburg. Contracts were signed in April 1893, and in early summer 1893, Diesel's first prototype engine was built in Augsburg. On 10 August 1893, the first ignition took place, the fuel used was petrol. In winter 1893/1894, Diesel redesigned the existing engine, and by 18 January 1894, his mechanics had converted it into the second prototype. During January that year, an air-blast injection system was added to the engine's cylinder head and tested. Friedrich Sass argues that, it can be presumed that Diesel copied the concept of air-blast injection from George B. Brayton, albeit that Diesel substantially improved the system. On 17 February 1894, the redesigned engine ran for 88 revolutions – one minute; with this news, Maschinenfabrik Augsburg's stock rose by 30%, indicative of the tremendous anticipated demands for a more efficient engine. On 26 June 1895, the engine achieved an effective efficiency of 16.6% and had a fuel consumption of 519 g·kW⁻¹·h⁻¹. However, despite proving the concept, the engine caused problems, and Diesel could not achieve any substantial progress. Therefore, Krupp considered rescinding the contract they had made with Diesel. Diesel was forced to improve the design of his engine and rushed to construct a third prototype engine. Between 8 November and 20 December 1895, the second prototype had successfully covered over 111 hours on the test bench. In the January 1896 report, this was considered a success.

In February 1896, Diesel considered supercharging the third prototype. Imanuel Lauster, who was ordered to draw the third prototype "Motor 250/400", had finished the drawings by 30 April 1896. During summer that year the engine was built, it was completed on 6 October 1896. Tests were conducted until early 1897. First public tests began on 1 February 1897. Moritz Schröter's test on 17 February 1897 was the main test of Diesel's engine. The engine was rated 13.1 kW with a specific fuel consumption of 324 g·kW⁻¹·h⁻¹, resulting in an effective efficiency of 26.2%. By 1898, Diesel had become a millionaire.

Timeline

1890s

• 1893: Rudolf Diesel's essay titled Theory and Construction of a Rational Heat Motor appears.
• 1893: February 21, Diesel and the Maschinenfabrik Augsburg sign a contract that allows Diesel to build a prototype engine.
• 1893: February 23, Diesel obtains a patent (RP 67207) titled "Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungsmaschinen" (Working Methods and Techniques for Internal Combustion Engines).
• 1893: April 10, Diesel and Krupp sign a contract that allows Diesel to build a prototype engine.
• 1893: April 24, both Krupp and the Maschinenfabrik Augsburg decide to collaborate and build just a single prototype in Augsburg.
• 1893: July, the first prototype is completed.
• 1893: August 10, Diesel injects fuel (petrol) for the first time, resulting in combustion, destroying the indicator.
• 1893: November 30, Diesel applies for a patent (RP 82168) for a modified combustion process. He obtains it on 12 July 1895.
• 1894: January 18, after the first prototype was modified to become the second prototype, testing with the second prototype begins.
• 1894: February 17, The second prototype runs for the first time.
• 1895: March 30, Diesel applies for a patent (RP 86633) for a starting process with compressed air.
• 1895: June 26, the second prototype passes brake testing for the first time.
• 1895: Diesel applies for a second patent US Patent # 608845
• 1895: November 8 – December 20, a series of tests with the second prototype is conducted. In total, 111 operating hours are recorded.
• 1896: April 30, Imanuel Lauster completes the third and final prototype's drawings.
• 1896: October 6, the third and final prototype engine is completed.
• 1897: February 1, Diesel's prototype engine is running and finally ready for efficiency testing and production.
• 1897: October 9, Adolphus Busch licenses rights to the diesel engine for the US and Canada.
• 1897: 29 October, Rudolf Diesel obtains a patent (DRP 95680) on supercharging the diesel engine.
• 1898: February 1, the Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft is registered.
• 1898: March, the first commercial diesel engine, rated 2×30 PS (2×22 kW), is installed in the Kempten plant of the Vereinigte Zündholzfabriken A.G.
• 1898: September 17, the Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. is founded.
• 1899: The first two-stroke diesel engine, invented by Hugo Güldner, is built.

1900s

An MAN DM trunk piston diesel engine built in 1906. The MAN DM series is considered to be one of the first commercially successful diesel engines.

• 1901: Imanuel Lauster designs the first trunk piston diesel engine (DM 70).
• 1901: By 1901, MAN had produced 77 diesel engine cylinders for commercial use.
• 1903: Two first diesel-powered ships are launched, both for river and canal operations: The Vandal naphtha tanker and the Sarmat.
• 1904: The French launch the first diesel submarine, the Aigrette.
• 1905: January 14: Diesel applies for a patent on unit injection (L20510I/46a).
• 1905: The first diesel engine turbochargers and intercoolers are manufactured by Büchi.
• 1906: The Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft is dissolved.
• 1908: Diesel's patents expire.
• 1908: The first lorry (truck) with a diesel engine appears.
• 1909: March 14, Prosper L'Orange applies for a patent on precombustion chamber injection. He later builds the first diesel engine with this system.

1910s

• 1910: MAN starts making two-stroke diesel engines.
• 1910: November 26, James McKechnie applies for a patent on unit injection. Unlike Diesel, he successfully built working unit injectors.
• 1911: November 27, the Allgemeine Gesellschaft für Dieselmotoren A.-G. is dissolved.
• 1911: The Germania shipyard in Kiel builds 850 PS (625 kW) diesel engines for German submarines. These engines are installed in 1914.
• 1912: MAN builds the first double-acting piston two-stroke diesel engine.
• 1912: The first locomotive with a diesel engine is used on the Swiss Winterthur–Romanshorn railway.
• 1912: MS Selandia is the first ocean-going ship with diesel engines.
• 1913: NELSECO diesels are installed on commercial ships and US Navy submarines.
• 1913: September 29, Rudolf Diesel dies mysteriously while crossing the English Channel on SS Dresden.
• 1914: MAN builds 900 PS (662 kW) two-stroke engines for Dutch submarines.
• 1919: Prosper L'Orange obtains a patent on a precombustion chamber insert incorporating a needle injection nozzle. First diesel engine from Cummins.

1920s

Fairbanks Morse model 32

• 1923: At the Königsberg DLG exhibition, the first agricultural tractor with a diesel engine, the prototype Benz-Sendling S6, is presented.
• 1923: December 15, the first lorry with a direct-injected diesel engine is tested by MAN. The same year, Benz builds a lorry with a pre-combustion chamber injected diesel engine.
• 1923: The first two-stroke diesel engine with counterflow scavenging appears.
• 1924: Fairbanks-Morse introduces the two-stroke Y-VA (later renamed to Model 32).
• 1925: Sendling starts mass-producing a diesel-powered agricultural tractor.
• 1927: Bosch introduces the first inline injection pump for motor vehicle diesel engines.
• 1929: The first passenger car with a diesel engine appears. Its engine is an Otto engine modified to use the diesel principle and Bosch's injection pump. Several other diesel car prototypes follow.

1930s

• 1933: Junkers Motorenwerke in Germany start production of the most successful mass-produced aviation diesel engine of all time, the Jumo 205. By the outbreak of World War II, over 900 examples are produced. Its rated take-off power is 645 kW.
• 1933: General Motors uses its new roots-blown, unit-injected two-stroke Winton 201A diesel engine to power its automotive assembly exhibit at the Chicago World's Fair (A Century of Progress). The engine is offered in several versions ranging from 600–900 hp (447–671 kW).
• 1934: The Budd Company builds the first diesel–electric passenger train in the US, the Pioneer Zephyr 9900, using a Winton engine.
• 1935: The Citroën Rosalie is fitted with an early swirl chamber injected diesel engine for testing purposes. Daimler-Benz starts manufacturing the Mercedes-Benz OM 138, the first mass-produced diesel engine for passenger cars, and one of the few marketable passenger car diesel engines of its time. It is rated 45 PS (33 kW).
• 1936: March 4, the airship LZ 129 Hindenburg, the biggest aircraft ever made, takes off for the first time. It is powered by four V16 Daimler-Benz LOF 6 diesel engines, rated 1,200 PS (883 kW) each.
• 1936: Manufacture of the first mass-produced passenger car with a diesel engine (Mercedes-Benz 260 D) begins.
• 1937: Konstantin Fyodorovich Chelpan develops the V-2 diesel engine, later used in the Soviet T-34 tanks, widely regarded as the best tank chassis of World War II.
• 1938: General Motors forms the GM Diesel Division, later to become Detroit Diesel, and introduces the Series 71 inline high-speed medium-horsepower two-stroke engine, suitable for road vehicles and marine use.

1940s

• 1946: Clessie Cummins obtains a patent on a fuel feeding and injection apparatus for oil-burning engines that incorporates separate components for generating injection pressure and injection timing.
• 1946: Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) introduces an air-cooled mass-production diesel engine to the market.

1950s

Piston of an MAN M-System centre sphere combustion chamber type diesel engine (4 VD 14,5/12-1 SRW)

• 1950s: KHD becomes the air-cooled diesel engine global market leader.
• 1951: J. Siegfried Meurer obtains a patent on the M-System, a design that incorporates a central sphere combustion chamber in the piston (DBP 865683).
• 1953: First mass-produced swirl chamber injected passenger car diesel engine (Borgward/Fiat).
• 1954: Daimler-Benz introduces the Mercedes-Benz OM 312 A, a 4.6 litre straight-6 series-production industrial diesel engine with a turbocharger, rated 115 PS (85 kW). It proves to be unreliable.
• 1954: Volvo produces a small batch series of 200 units of a turbocharged version of the TD 96 engine. This 9.6 litre engine is rated 136 kW (185 PS).
• 1955: Turbocharging for MAN two-stroke marine diesel engines becomes standard.
• 1959: The Peugeot 403 becomes the first mass-produced passenger sedan/saloon manufactured outside West Germany to be offered with a diesel engine option.

1960s

Mercedes-Benz OM 352, one of the first direct injected Mercedes-Benz diesel engines. It was introduced in 1963, but mass production only started in summer 1964.

• 1964: Summer, Daimler-Benz switches from precombustion chamber injection to helix-controlled direct injection.
• 1962–65: A diesel compression braking system, eventually to be manufactured by the Jacobs Manufacturing Company and nicknamed the "Jake Brake", is invented and patented by Clessie Cummins.

1970s

• 1972: KHD introduces the AD-System, Allstoff-Direkteinspritzung, (anyfuel direct-injection), for its diesel engines. AD-diesels can operate on virtually any kind of liquid fuel, but they are fitted with an auxiliary spark plug that fires if the ignition quality of the fuel is too low.
• 1976: Development of the common rail injection begins at the ETH Zürich.
• 1976: The Volkswagen Golf becomes the first compact passenger sedan/saloon to be offered with a diesel engine option.
• 1978: Daimler-Benz produces the first passenger car diesel engine with a turbocharger (Mercedes-Benz OM617 engine).
• 1979: First prototype of a low-speed two-stroke crosshead engine with common rail injection.

1980s

• 1981/82: Uniflow scavenging for two-stroke marine diesel engines becomes standard.
• 1982: August, Toyota introduces a microprocessor-controlled engine control unit (ECU) for Diesel engines to the Japanese market.
• 1985: December, road testing of a common rail injection system for lorries using a modified 6VD 12,5/12 GRF-E engine in an IFA W50 takes place.
• 1987: Daimler-Benz introduces the electronically controlled injection pump for lorry diesel engines.
• 1988: The Fiat Croma becomes the first mass-produced passenger car in the world to have a direct injected diesel engine.
• 1989: The Audi 100 is the first passenger car in the world with a turbocharged, intercooled, direct-injected, and electronically controlled diesel engine. It has a BMEP of 1.35 MPa and a BSFC of 198 g/(kW·h).

1990s

• 1992: 1 July, the Euro 1 emission standard comes into effect.
• 1993: First passenger car diesel engine with four valves per cylinder, the Mercedes-Benz OM 604.
• 1994: Unit injector system by Bosch for lorry diesel engines.
• 1996: First diesel engine with direct injection and four valves per cylinder, used in the Opel Vectra.
• 1996: First radial piston distributor injection pump by Bosch.
• 1997: First mass-produced common rail diesel engine for a passenger car, the Fiat 1.9 JTD.
• 1998: BMW wins the 24 Hours Nürburgring race with a modified BMW E36. The car, called 320d, is powered by a 2-litre, straight-four diesel engine with direct injection and a helix-controlled distributor injection pump (Bosch VP 44), producing 180 kW (240 hp). The fuel consumption is 23 L/100 km, only half the fuel consumption of a similar Otto-powered car.
• 1998: Volkswagen introduces the VW EA188 Pumpe-Düse engine (1.9 TDI), with Bosch-developed electronically controlled unit injectors.
• 1999: Daimler-Chrysler presents the first common rail three-cylinder diesel engine used in a passenger car (the Smart City Coupé).

2000s

Audi R10 TDI, 2006 24 Hours of Le Mans winner.

• 2000: Peugeot introduces the diesel particulate filter for passenger cars.
• 2002: Piezoelectric injector technology by Siemens.
• 2003: Piezoelectric injector technology by Bosch, and Delphi.
• 2004: BMW introduces dual-stage turbocharging with the BMW M57 engine.
• 2006: The world's most powerful diesel engine, the Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, is produced. It is rated 80,080 kW.
• 2006: Audi R10 TDI, equipped with a 5.5-litre V12-TDI engine, rated 476 kW (638 hp), wins the 2006 24 Hours of Le Mans.
• 2006: Daimler-Chrysler launches the first series-production passenger car engine with selective catalytic reduction exhaust gas treatment, the Mercedes-Benz OM 642. It is fully complying with the Tier2Bin8 emission standard.
• 2008: Volkswagen introduces the LNT catalyst for passenger car diesel engines with the VW 2.0 TDI engine.
• 2008: Volkswagen starts series production of the biggest passenger car diesel engine, the Audi 6-litre V12 TDI.
• 2008: Subaru introduces the first horizontally opposed diesel engine to be fitted to a passenger car. It is a 2-litre common rail engine, rated 110 kW.

2010s

• 2010: Mitsubishi developed and started mass production of its 4N13 1.8 L DOHC I4, the world's first passenger car diesel engine that features a variable valve timing system.
• 2012: BMW introduces dual-stage turbocharging with three turbochargers for the BMW N57 engine.
• 2015: Common rail systems working with pressures of 2,500 bar launched.
• 2015: In the Volkswagen emissions scandal, the US EPA issued a notice of violation of the Clean Air Act to Volkswagen Group after it was found that Volkswagen had intentionally programmed turbocharged direct injection (TDI) diesel engines to activate certain emissions controls only during laboratory emissions testing.

Operating principle

Overview

The characteristics of a diesel engine are

• Use of compression ignition, instead of an ignition apparatus such as a spark plug.
• Internal mixture formation. In diesel engines, the mixture of air and fuel is only formed inside the combustion chamber.
• Quality torque control. The amount of torque a diesel engine produces is not controlled by throttling the intake air (unlike a traditional spark-ignition petrol engine, where the airflow is reduced in order to regulate the torque output), instead, the volume of air entering the engine is maximised at all times, and the torque output is regulated solely by controlling the amount of injected fuel.
• High air-fuel ratio. Diesel engines run at global air-fuel ratios significantly leaner than the stoichiometric ratio.
• Diffusion flame: At combustion, oxygen first has to diffuse into the flame, rather than having oxygen and fuel already mixed before combustion, which would result in a premixed flame.
• Heterogeneous air-fuel mixture: In diesel engines, there is no even dispersion of fuel and air inside the cylinder. That is because the combustion process begins at the end of the injection phase, before a homogeneous mixture of air and fuel can be formed.
• Preference for the fuel to have a high ignition performance (Cetane number), rather than a high knocking resistance (octane rating) that is preferred for petrol engines.

Thermodynamic cycle

Diesel engine model, left side

Diesel engine model, right side

See also: Diesel cycle and Reciprocating internal combustion engine

The diesel internal combustion engine differs from the gasoline powered Otto cycle by using highly compressed hot air to ignite the fuel rather than using a spark plug (compression ignition rather than spark ignition).

In the diesel engine, only air is initially introduced into the combustion chamber. The air is then compressed with a compression ratio typically between 15:1 and 23:1. This high compression causes the temperature of the air to rise. At about the top of the compression stroke, fuel is injected directly into the compressed air in the combustion chamber. This may be into a (typically toroidal) void in the top of the piston or a pre-chamber depending upon the design of the engine. The fuel injector ensures that the fuel is broken down into small droplets, and that the fuel is distributed evenly. The heat of the compressed air vaporises fuel from the surface of the droplets. The vapour is then ignited by the heat from the compressed air in the combustion chamber, the droplets continue to vaporise from their surfaces and burn, getting smaller, until all the fuel in the droplets has been burnt. Combustion occurs at a substantially constant pressure during the initial part of the power stroke. The start of vaporisation causes a delay before ignition and the characteristic diesel knocking sound as the vapour reaches ignition temperature and causes an abrupt increase in pressure above the piston (not shown on the P-V indicator diagram). When combustion is complete the combustion gases expand as the piston descends further; the high pressure in the cylinder drives the piston downward, supplying power to the crankshaft.

As well as the high level of compression allowing combustion to take place without a separate ignition system, a high compression ratio greatly increases the engine's efficiency. Increasing the compression ratio in a spark-ignition engine where fuel and air are mixed before entry to the cylinder is limited by the need to prevent pre-ignition, which would cause engine damage. Since only air is compressed in a diesel engine, and fuel is not introduced into the cylinder until shortly before top dead centre (TDC), premature detonation is not a problem and compression ratios are much higher.

pV diagram for the ideal diesel cycle (which follows the numbers 1–4 in clockwise direction). The horizontal axis is the cylinder volume. In the diesel cycle the combustion occurs at almost constant pressure. On this diagram the work that is generated for each cycle corresponds to the area within the loop.

The pressure–volume diagram (pV) diagram is a simplified and idealised representation of the events involved in a diesel engine cycle, arranged to illustrate the similarity with a Carnot cycle. Starting at 1, the piston is at bottom dead centre and both valves are closed at the start of the compression stroke; the cylinder contains air at atmospheric pressure. Between 1 and 2 the air is compressed adiabatically – that is without heat transfer to or from the environment – by the rising piston. (This is only approximately true since there will be some heat exchange with the cylinder walls.) During this compression, the volume is reduced, the pressure and temperature both rise. At or slightly before 2 (TDC) fuel is injected and burns in the compressed hot air. Chemical energy is released and this constitutes an injection of thermal energy (heat) into the compressed gas. Combustion and heating occur between 2 and 3. In this interval the pressure remains constant since the piston descends, and the volume increases; the temperature rises as a consequence of the energy of combustion. At 3 fuel injection and combustion are complete, and the cylinder contains gas at a higher temperature than at 2. Between 3 and 4 this hot gas expands, again approximately adiabatically. Work is done on the system to which the engine is connected. During this expansion phase the volume of the gas rises, and its temperature and pressure both fall. At 4 the exhaust valve opens, and the pressure falls abruptly to atmospheric (approximately). This is unresisted expansion and no useful work is done by it. Ideally the adiabatic expansion should continue, extending the line 3–4 to the right until the pressure falls to that of the surrounding air, but the loss of efficiency caused by this unresisted expansion is justified by the practical difficulties involved in recovering it (the engine would have to be much larger). After the opening of the exhaust valve, the exhaust stroke follows, but this (and the following induction stroke) are not shown on the diagram. If shown, they would be represented by a low-pressure loop at the bottom of the diagram. At 1 it is assumed that the exhaust and induction strokes have been completed, and the cylinder is again filled with air. The piston-cylinder system absorbs energy between 1 and 2 – this is the work needed to compress the air in the cylinder, and is provided by mechanical kinetic energy stored in the flywheel of the engine. Work output is done by the piston-cylinder combination between 2 and 4. The difference between these two increments of work is the indicated work output per cycle, and is represented by the area enclosed by the pV loop. The adiabatic expansion is in a higher pressure range than that of the compression because the gas in the cylinder is hotter during expansion than during compression. It is for this reason that the loop has a finite area, and the net output of work during a cycle is positive.

Efficiency

The fuel efficiency of diesel engines is better than most other types of combustion engines, due to their high compression ratio, high air–fuel equivalence ratio (λ), and the lack of intake air restrictions (i.e. throttle valves). Theoretically, the highest possible efficiency for a diesel engine is 75%. However, in practice the efficiency is much lower, with efficiencies of up to 43% for passenger car engines, up to 45% for large truck and bus engines, and up to 55% for large two-stroke marine engines. The average efficiency over a motor vehicle driving cycle is lower than the diesel engine's peak efficiency (for example, a 37% average efficiency for an engine with a peak efficiency of 44%). That is because the fuel efficiency of a diesel engine drops at lower loads, however, it does not drop quite as fast as the Otto (spark ignition) engine's.

Emissions

See also: Diesel exhaust

Diesel engines are combustion engines and, therefore, emit combustion products in their exhaust gas. Due to incomplete combustion, diesel engine exhaust gases include carbon monoxide, hydrocarbons, particulate matter, and nitrogen oxides pollutants. About 90 per cent of the pollutants can be removed from the exhaust gas using exhaust gas treatment technology. Road vehicle diesel engines have no sulfur dioxide emissions, because motor vehicle diesel fuel has been sulfur-free since 2003. Helmut Tschöke argues that particulate matter emitted from motor vehicles has negative impacts on human health.

The particulate matter in diesel exhaust emissions is sometimes classified as a carcinogen or "probable carcinogen" and is known to increase the risk of heart and respiratory diseases.

Electrical system

In principle, a diesel engine does not require any sort of electrical system. However, most modern diesel engines are equipped with an electrical fuel pump, and an electronic engine control unit.

However, there is no high-voltage electrical ignition system present in a diesel engine. This eliminates a source of radio frequency emissions (which can interfere with navigation and communication equipment), which is why only diesel-powered vehicles are allowed in some parts of the American National Radio Quiet Zone.

Torque control

To control the torque output at any given time (i.e. when the driver of a car adjusts the accelerator pedal), a governor adjusts the amount of fuel injected into the engine. Mechanical governors have been used in the past, however electronic governors are more common on modern engines. Mechanical governors are usually driven by the engine's accessory belt or a gear-drive system and use a combination of springs and weights to control fuel delivery relative to both load and speed. Electronically governed engines use an electronic control unit (ECU) or electronic control module (ECM) to control the fuel delivery. The ECM/ECU uses various sensors (such as engine speed signal, intake manifold pressure and fuel temperature) to determine the amount of fuel injected into the engine.

Due to the amount of air being constant (for a given RPM) while the amount of fuel varies, very high ("lean") air-fuel ratios are used in situations where minimal torque output is required. This differs from a petrol engine, where a throttle is used to also reduce the amount of intake air as part of regulating the engine's torque output. Controlling the timing of the start of injection of fuel into the cylinder is similar to controlling the ignition timing in a petrol engine. It is therefore a key factor in controlling the power output, fuel consumption and exhaust emissions.

Classification

There are several different ways of categorising diesel engines, as outlined in the following sections.

RPM operating range

Günter Mau categorises diesel engines by their rotational speeds into three groups:

• High-speed engines (> 1,000 rpm),
• Medium-speed engines (300–1,000 rpm), and
• Slow-speed engines (< 300 rpm).

High-speed diesel engines

High-speed engines are used to power trucks (lorries), buses, tractors, cars, yachts, compressors, pumps and small electrical generators. As of 2018, most high-speed engines have direct injection. Many modern engines, particularly in on-highway applications, have common rail direct injection. On bigger ships, high-speed diesel engines are often used for powering electric generators. The highest power output of high-speed diesel engines is approximately 5 MW.

Medium-speed diesel engines

Stationary 12 cylinder turbo-diesel engine coupled to a generator set for auxiliary power

Medium-speed engines are used in large electrical generators, railway diesel locomotives, ship propulsion and mechanical drive applications such as large compressors or pumps. Medium speed diesel engines operate on either diesel fuel or heavy fuel oil by direct injection in the same manner as low-speed engines. Usually, they are four-stroke engines with trunk pistons; a notable exception being the EMD 567, 645, and 710 engines, which are all two-stroke.

The power output of medium-speed diesel engines can be as high as 21,870 kW, with the effective efficiency being around 47-48% (1982). Most larger medium-speed engines are started with compressed air direct on pistons, using an air distributor, as opposed to a pneumatic starting motor acting on the flywheel, which tends to be used for smaller engines.

Medium-speed engines intended for marine applications are usually used to power (ro-ro) ferries, passenger ships or small freight ships. Using medium-speed engines reduces the cost of smaller ships and increases their transport capacity. In addition to that, a single ship can use two smaller engines instead of one big engine, which increases the ship's safety.

Low-speed diesel engines

The MAN B&W 5S50MC, a two-stroke, low-speed, inline five-cylinder marine diesel engine on board a 29,000 tonne chemical carrier

Low-speed diesel engines are usually very large in size and mostly used to power ships. There are two different types of low-speed engines that are commonly used: Two-stroke engines with a crosshead, and four-stroke engines with a regular trunk-piston. Two-stroke engines have a limited rotational frequency and their charge exchange is more difficult, which means that they are usually bigger than four-stroke engines and used to directly power a ship's propeller.

Four-stroke engines on ships are usually used to power an electric generator. An electric motor powers the propeller. Both types are usually very undersquare, meaning the bore is smaller than the stroke. Low-speed diesel engines (as used in ships and other applications where overall engine weight is relatively unimportant) often have an effective efficiency of up to 55%. Like medium-speed engines, low-speed engines are started with compressed air, and they use heavy oil as their primary fuel.

Combustion cycle

Schematic of a two-stroke diesel engine with a roots blower

Detroit Diesel timing

Four-stroke engines use the combustion cycle described earlier. Most smaller diesels, for vehicular use, for instance, typically use the four-stroke cycle. This is due to several factors, such as the two-stroke design's narrow powerband which is not particularly suitable for automotive use and the necessity for complicated and expensive built-in lubrication systems and scavenging measures. The cost effectiveness (and proportion of added weight) of these technologies has less of an impact on larger, more expensive engines, while engines intended for shipping or stationary use can be run at a single speed for long periods.

Two-stroke engines use a combustion cycle which is completed in two strokes instead of four strokes. Filling the cylinder with air and compressing it takes place in one stroke, and the power and exhaust strokes are combined. The compression in a two-stroke diesel engine is similar to the compression that takes place in a four-stroke diesel engine: As the piston passes through bottom centre and starts upward, compression commences, culminating in fuel injection and ignition. Instead of a full set of valves, two-stroke diesel engines have simple intake ports, and exhaust ports (or exhaust valves). When the piston approaches bottom dead centre, both the intake and the exhaust ports are "open", which means that there is atmospheric pressure inside the cylinder. Therefore, some sort of pump is required to blow the air into the cylinder and the combustion gasses into the exhaust. This process is called scavenging. The pressure required is approximately 10-30 kPa.

Due to the lack of discrete exhaust and intake strokes, all two-stroke diesel engines use a scavenge blower or some form of compressor to charge the cylinders with air and assist in scavenging. Roots-type superchargers were used for ship engines until the mid-1950s, however since 1955 they have been widely replaced by turbochargers. Usually, a two-stroke ship diesel engine has a single-stage turbocharger with a turbine that has an axial inflow and a radial outflow.

Scavenging in two-stroke engines

In general, there are three types of scavenging possible:

• Uniflow scavenging
• Crossflow scavenging
• Reverse flow scavenging

Crossflow scavenging is incomplete and limits the stroke, yet some manufacturers used it. Reverse flow scavenging is a very simple way of scavenging, and it was popular amongst manufacturers until the early 1980s. Uniflow scavenging is more complicated to make but allows the highest fuel efficiency; since the early 1980s, manufacturers such as MAN and Sulzer have switched to this system. It is standard for modern marine two-stroke diesel engines.

Fuel used

Main article: Bi-fuel vehicle § Diesel conversions

So-called dual-fuel diesel engines or gas diesel engines burn two different types of fuel simultaneously, for instance, a gaseous fuel and diesel engine fuel. The diesel engine fuel auto-ignites due to compression ignition, and then ignites the gaseous fuel. Such engines do not require any type of spark ignition and operate similar to regular diesel engines.

Fuel injection

The fuel is injected at high pressure into either the combustion chamber, "swirl chamber" or "pre-chamber," unlike petrol engines where the fuel is often added in the inlet manifold or carburetor. Engines where the fuel is injected into the main combustion chamber are called direct injection (DI) engines, while those which use a swirl chamber or pre-chamber are called indirect injection (IDI) engines.

Direct injection

Different types of piston bowls

Main article: Direct fuel injection

Most direct injection diesel engines have a combustion cup in the top of the piston where the fuel is sprayed. Many different methods of injection can be used. Usually, an engine with helix-controlled mechanic direct injection has either an inline or a distributor injection pump. For each engine cylinder, the corresponding plunger in the fuel pump measures out the correct amount of fuel and determines the timing of each injection. These engines use injectors that are very precise spring-loaded valves that open and close at a specific fuel pressure. Separate high-pressure fuel lines connect the fuel pump with each cylinder. Fuel volume for each single combustion is controlled by a slanted groove in the plunger which rotates only a few degrees releasing the pressure and is controlled by a mechanical governor, consisting of weights rotating at engine speed constrained by springs and a lever. The injectors are held open by the fuel pressure. On high-speed engines the plunger pumps are together in one unit. The length of fuel lines from the pump to each injector is normally the same for each cylinder in order to obtain the same pressure delay. Direct injected diesel engines usually use orifice-type fuel injectors.

Electronic control of the fuel injection transformed the direct injection engine by allowing much greater control over the combustion.

Common rail

Системы непосредственного впрыска Common Rail (CR) не имеют функций дозирования, повышения давления и подачи топлива в одном блоке, как, например, в случае с насосом распределительного типа Bosch. Насос высокого давления питает CR. Потребности форсунок каждого цилиндра подаются из общего резервуара с топливом под высоким давлением. Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) контролирует давление в рампе и впрыск в зависимости от условий работы двигателя. Форсунки старых систем CR имеют плунжеры с электромагнитным приводом для подъема инъекционной иглы, тогда как в новых форсунках CR используются плунжеры, приводимые в движение пьезоэлектрическими приводами, которые имеют меньшую движущуюся массу и, следовательно, позволяют делать еще больше инъекций за очень короткий период времени. Early common rail system were controlled by mechanical means.

Давление впрыска современных систем CR колеблется от 140 МПа до 270 МПа.

Непрямой впрыск

Камера непрямого впрыска Ricardo Comet

Основная статья: Непрямой впрыск

Двигатель с системой непрямого впрыска дизельного топлива (IDI) подает топливо в небольшую камеру, называемую вихревой камерой, камерой предварительного сгорания, предварительной камерой или предкамерой, которая соединена с цилиндром узким воздушным проходом. Как правило, целью камеры предварительного охлаждения является создание повышенной турбулентности для лучшего смешивания воздуха и топлива. Эта система также обеспечивает более плавную и тихую работу двигателя, а поскольку смешиванию топлива способствует турбулентность, давление в форсунках может быть ниже. В большинстве систем IDI используется инжектор с одним отверстием. Недостаток форкамеры заключается в снижении эффективности из-за увеличения теплопотерь в систему охлаждения двигателя, что ограничивает процесс сгорания и тем самым снижает эффективность на 5–10%. Двигатели IDI также сложнее запустить и обычно требуют использования свечей накаливания. Двигатели IDI могут быть дешевле в изготовлении, но обычно требуют более высокой степени сжатия, чем аналоги DI. IDI также упрощает производство плавных и тихих двигателей с простой механической системой впрыска, поскольку точный момент впрыска не так важен. Большинство современных автомобильных двигателей являются двигателями с прямым впрыском, преимущества которых заключаются в большей эффективности и более легком запуске; однако двигатели IDI все еще можно найти во многих квадроциклах и небольших дизельных двигателях. В дизельных двигателях с непрямым впрыском топлива используются топливные форсунки игольчатого типа.

Воздушно-струйная инъекция

Типичный дизельный двигатель с впрыском воздуха начала 20-го века мощностью 59 кВт.

Основная статья: Воздушно-струйная инъекция

Ранние дизельные двигатели впрыскивали топливо с помощью сжатого воздуха, который распылял топливо и подавал его в двигатель через сопло (принцип аналогичен аэрозольному распылению). Отверстие форсунки закрывалось штифтовым клапаном, приводимым в действие распределительным валом . Хотя двигатель также требовался для привода воздушного компрессора, используемого для впрыска воздуха, эффективность, тем не менее, была выше, чем у других двигателей внутреннего сгорания того времени. Однако система была тяжелой и медленно реагировала на изменение требований к крутящему моменту, что делало ее непригодной для дорожных транспортных средств.

Насос-форсунки

Основная статья: Инжектор агрегата

Система насос-форсунок , также известная как «Pumpe-Düse» ( по-немецки «насос-форсунка ») объединяет форсунку и топливный насос в единый компонент, который расположен над каждым цилиндром. Это устраняет необходимость использования топливопроводов высокого давления и обеспечивает более равномерный впрыск. При полной нагрузке давление впрыска может достигать 220 МПа. Насосы-форсунки приводятся в действие кулачком , а количество впрыскиваемого топлива регулируется механически (рейкой или рычагом) или электронным способом.

Из-за возросших требований к производительности насос-форсунки в значительной степени были заменены системами впрыска Common Rail .

Особенности дизельного двигателя

Масса

Средний дизельный двигатель имеет худшее соотношение мощности к массе, чем эквивалентный бензиновый двигатель. Более низкие обороты двигателя (об/мин) типичных дизельных двигателей приводят к снижению выходной мощности . Кроме того, масса дизельного двигателя обычно выше, поскольку более высокое рабочее давление внутри камеры сгорания увеличивает внутренние силы, что требует более прочных (и, следовательно, более тяжелых) деталей, чтобы противостоять этим силам.

Шум («стук дизеля»)

Шум MWM AKD 112 Z 1950-х годов на холостом ходу двухцилиндрового дизельного двигателя

Характерный шум дизельного двигателя, особенно на холостом ходу, иногда называют «дизельным грохотом». Этот шум во многом вызван внезапным воспламенением дизельного топлива при впрыске в камеру сгорания, что вызывает волну давления, похожую на стук.

Разработчики двигателей могут уменьшить стук дизельного топлива за счет: непрямого впрыска; пилотный или предварительный впрыск; время впрыска; скорость впрыска; степень сжатия; турбонаддув; и рециркуляция выхлопных газов (EGR). Системы впрыска дизельного топлива Common Rail допускают несколько впрысков, что способствует снижению шума. Благодаря подобным мерам шум дизельного двигателя в современных двигателях значительно снижается. Дизельное топливо с более высоким цетановым числом более склонно к воспламенению и, следовательно, снижает шум дизельного двигателя.

Начало холодов

В более теплом климате дизельным двигателям не требуется никаких вспомогательных средств для запуска (кроме стартера ). Однако многие дизельные двигатели включают в себя некоторую форму предварительного подогрева камеры сгорания, чтобы облегчить запуск в холодных условиях. Двигатели с рабочим объемом менее 1 литра на цилиндр обычно имеют свечи накаливания , тогда как более крупные двигатели большой мощности имеют системы факельного запуска . Минимальная температура запуска, при которой возможен запуск без предварительного подогрева, составляет 40 °C (104 °F) для двигателей с камерой сгорания, 20 °C (68 °F) для двигателей с вихревой камерой и 0 °C (32 °F) для двигателей с прямым впрыском топлива. двигатели.

Раньше использовалось более широкое разнообразие методов холодного запуска. Некоторые двигатели, такие как двигатели Detroit Diesel, используются система подачи небольшого количества эфира во впускной коллектор для начала сгорания. Вместо свечей накаливания некоторые дизельные двигатели оснащены системами помощи при запуске, которые изменяют фазы газораспределения. Самый простой способ сделать это — использовать рычаг декомпрессии. Активация рычага декомпрессии блокирует выпускные клапаны в небольшом нижнем положении, в результате чего двигатель не испытывает сжатия и, таким образом, позволяет проворачивать коленчатый вал со значительно меньшим сопротивлением. маховика Когда коленчатый вал достигает более высокой скорости, возврат рычага декомпрессии в нормальное положение резко повторно активирует выпускные клапаны, что приводит к сжатию — момент инерции массы затем запускает двигатель. Другие дизельные двигатели, такие как двигатель с форкамерой XII Jv 170/240 производства Ganz & Co., имеют систему изменения фаз газораспределения, которая приводится в действие путем регулировки распределительного вала впускных клапанов, перемещая его в небольшое «позднее» положение. Это заставит впускные клапаны открываться с задержкой, заставляя входящий воздух нагреваться при попадании в камеру сгорания.

Наддув и турбонаддув

1980-х годов BMW M21 Турбодизельный двигатель легкового автомобиля

См. Также: Турбодизель.

Принудительная индукция , особенно турбонаддув, обычно используется в дизельных двигателях, поскольку она значительно увеличивает эффективность и выходной крутящий момент. Дизельные двигатели хорошо подходят для установок с принудительной индукцией благодаря принципу работы, характеризующемуся широкими пределами воспламенения. и отсутствие топлива во время такта сжатия. Поэтому детонация, преждевременное зажигание или детонация возникнуть не могут, а обедненная смесь, вызванная избытком наддувочного воздуха внутри камеры сгорания, не оказывает отрицательного влияния на сгорание.

Основные производители

• ЧЕЛОВЕК
• МУЖЧИНА
• Вартсила
• Роллс-Ройс
• Сименс
• Коломенский КДЗ ТМХ БМЗ и УДМЗ
• Дженерал Электрик Джи Транспортейшн
• Вольво Пента
• Зульцер (производитель)
• Doosan Doosan infracore, Doosan Marine
• ЯМЗ ВАЗ , КМЗ - РД Невский, СТМ ГАЗ ВМЗ ВМЗ
• Mitsubishi , Mitsui Mazda IHI Kawasaki Honda Suzuki Subaru Isuzu Nissan и другие
• Катерпиллар и Камминс
• AO Zvezda and Zvezda Energetika
• Bergen Engines MaK Deutz AG MWM BMW VW , MAPNA BHEL DESA Steyr Motors GmbH Иран Khodro Diesel Isotta Fraschini , EMD Fairbanks Morse , Shanxi Henan Diesel SDM

Характеристики топлива и жидкости

Основная статья: Дизельное топливо

Дизельные двигатели могут сжигать огромное количество видов топлива, в том числе несколько видов мазута, которые имеют преимущества перед такими видами топлива, как бензин. Эти преимущества включают в себя:

• Низкие затраты на топливо, поскольку мазут относительно дешев.
• Хорошие смазывающие свойства
• Высокая плотность энергии
• Низкий риск возгорания, так как они не образуют легковоспламеняющихся паров.
• Биодизель — это легко синтезируемое топливо, не основанное на нефти (посредством переэтерификации ), которое может работать непосредственно во многих дизельных двигателях, в то время как бензиновые двигатели либо нуждаются в адаптации для работы на синтетическом топливе , либо используют его в качестве добавки к бензину (например, этанол, добавляемый в бензин). газохол ).

В дизельных двигателях система механических форсунок распыляет топливо непосредственно в камеру сгорания (в отличие от жиклёра Вентури в карбюраторе или топливной форсунки в системе впрыска в коллектор, распыляющей топливо во впускной коллектор или впускные каналы, как в бензиновом двигателе). ). Поскольку в дизельном двигателе в цилиндр всасывается только воздух, степень сжатия может быть намного выше, поскольку отсутствует риск преждевременного зажигания при условии, что процесс впрыска точно рассчитан. Это означает, что температура цилиндров дизельного двигателя намного выше, чем бензинового, что позволяет использовать менее летучие виды топлива.

на MAN 630 Дизельный двигатель M-System представляет собой бензиновый двигатель (предназначен для работы на бензине НАТО F 46/F 50), но он также работает на реактивном топливе (NATO F 40/F 44) и керосине (NATO F 58). , и дизельное моторное топливо (НАТО F 54/F 75)

Поэтому дизельные двигатели могут работать на огромном разнообразии различных видов топлива. В общем, топливо для дизельных двигателей должно иметь подходящую вязкость , чтобы ТНВД мог перекачивать топливо к форсункам, не вызывая повреждений самого себя или коррозии топливопровода. При впрыске топливо должно образовывать хорошую топливную струю и не должно оказывать закоксовывающего действия на форсунки. Чтобы обеспечить правильный запуск двигателя и плавную работу, топливо должно легко воспламеняться и, следовательно, не вызывать большой задержки воспламенения (это означает, что топливо должно иметь высокое цетановое число ). Дизельное топливо также должно иметь высокую низшую теплоту сгорания .

Рядные механические инжекторные насосы обычно лучше переносят низкокачественное или биотопливо, чем насосы распределительного типа. Кроме того, двигатели с непрямым впрыском обычно более удовлетворительно работают на топливе с высокой задержкой воспламенения (например, бензине), чем двигатели с прямым впрыском. Частично это связано с тем, что двигатель с непрямым впрыском имеет гораздо больший эффект «завихрения», улучшая испарение и сгорание топлива, а также потому, что (в случае топлива на основе растительного масла) липидные отложения могут конденсироваться на стенках цилиндров двигателя с прямым впрыском. двигатель, если температура сгорания слишком низкая (например, запуск двигателя из холодного состояния). В двигателях с непосредственным впрыском топлива и камерой сгорания MAN с центральной сферой топливо конденсируется на стенках камеры сгорания. Топливо начинает испаряться только после того, как происходит зажигание, и сгорает относительно плавно. Следовательно, такие двигатели также допускают использование топлива с плохими характеристиками задержки воспламенения и, в целом, могут работать на бензине с октановым числом 86 .

Виды топлива

В своей работе 1893 года «Теория и конструкция рационального теплового двигателя » Рудольф Дизель рассматривает возможность использования угольной пыли в качестве топлива для дизельного двигателя. Однако компания Diesel только что рассмотрела возможность использования угольной пыли (а также жидкого топлива и газа); его настоящий двигатель был разработан для работы на бензине , который вскоре был заменен обычным бензином и керосином для дальнейших испытаний, поскольку нефть оказалась слишком вязкой. Помимо керосина и бензина двигатель Дизеля мог работать и на лигроине .

До того, как топливо для дизельных двигателей было стандартизировано, использовались такие виды топлива, как бензин , керосин , газойль , растительное масло и минеральное масло , а также смеси этих топлив. Типичными топливами, специально предназначенными для использования в дизельных двигателях, были дистилляты нефти и дистилляты каменноугольной смолы, такие как следующие: эти виды топлива имеют удельную низшую теплотворную способность:

• Дизельное топливо: 10 200 ккал·кг. ⁻¹ (42,7 МДж·кг ⁻¹ ) до 10250 ккал·кг ⁻¹ (42,9 МДж·кг ⁻¹ )
• Печное топливо: 10 000 ккал·кг. ⁻¹ (41,8 МДж·кг ⁻¹ ) до 10200 ккал·кг ⁻¹ (42,7 МДж·кг ⁻¹ )
• каменноугольной смолы Креозот : 9150 ккал·кг. ⁻¹ (38,3 МДж·кг ⁻¹ ) до 9250 ккал·кг ⁻¹ (38,7 МДж·кг ⁻¹ )
• Керосин : до 10 400 ккал·кг. ⁻¹ (43,5 МДж·кг ⁻¹ )

Источник:

Первыми стандартами дизельного топлива были DIN 51601 , VTL 9140-001 и НАТО F 54 , появившиеся после Второй мировой войны. Современный европейский EN 590 стандарт дизельного топлива был установлен в мае 1993 года; современная версия стандарта НАТО F 54 во многом идентична ему. Стандарт на биодизельное топливо DIN 51628 стал устаревшим с появлением версии EN 590 2009 года; Биодизельное топливо FAME соответствует стандарту EN 14214 . Дизельные двигатели плавсредств обычно работают на дизельном топливе, соответствующем стандарту ISO 8217 ( Бункер C ). Кроме того, некоторые дизельные двигатели могут работать на газах (например, СПГ ).

Свойства современного дизельного топлива

Свойства современного дизельного топлива

	EN 590 (по состоянию на 2009 г.)	EN 14214 (по состоянию на 2010 г.)
Характеристики зажигания	≥ 51 CN	≥ 51 CN
Плотность при 15 °C	820...845 кг·м −3	860...900 кг·м −3
Содержание серы	≤10 мг·кг −1	≤10 мг·кг −1
Содержание воды	≤200 мг·кг −1	≤500 мг·кг −1
Смазывающая способность	460 мкм	460 мкм
Вязкость при 40 °C	2,0...4,5 мм 2 ·с −1	3,5...5,0 мм 2 ·с −1
ФЕЙМ- контент	≤7.0%	≥96.5%
Молярное соотношение H/C	–	1.69
Низкая теплотворная способность	–	37,1 МДж·кг −1

Желирование

Дизельное топливо DIN 51601 склонно к образованию воска или гелеобразования в холодную погоду; оба термина обозначают затвердевание дизельного топлива в частично кристаллическое состояние. Кристаллы накапливаются в топливной системе (особенно в топливных фильтрах), в конечном итоге лишая двигатель топлива и вызывая его остановку. Для решения этой проблемы были использованы электронагреватели малой мощности в топливных баках и вокруг топливопроводов. Кроме того, большинство двигателей имеют систему возврата пролитого топлива , с помощью которой излишки топлива из ТНВД и форсунок возвращаются в топливный бак. После прогрева двигателя возврат теплого топлива предотвращает образование парафина в баке. Перед дизельными двигателями с непосредственным впрыском некоторые производители, такие как BMW, рекомендовали смешивать до 30% бензина с дизельным топливом, заправляя дизельные автомобили бензином, чтобы предотвратить загущение топлива при падении температуры ниже -15 ° C.

Безопасность

Воспламеняемость топлива

Дизельное топливо менее огнеопасно , чем бензин, поскольку его температура вспышки составляет 55°С. что приводит к снижению риска возгорания топлива в автомобиле, оснащенном дизельным двигателем.

Дизельное топливо при определенных условиях может создать взрывоопасную смесь воздуха и пара. Однако по сравнению с бензином он менее склонен к испарению из-за более низкого давления паров , которое является показателем скорости испарения. Паспорт безопасности материала для дизельного топлива со сверхнизким содержанием серы указывает на опасность взрыва паров дизельного топлива в помещении, на открытом воздухе или в канализации.

Рак

Выхлопы дизельных двигателей классифицируются как канцероген IARC группы 1 . Он вызывает рак легких и связан с повышенным риском рака мочевого пузыря .

Разгон двигателя (неконтролируемое превышение оборотов)

См. разгон дизельного двигателя .

Приложения

Характеристики дизельного топлива имеют разные преимущества для разных применений.

Легковые автомобили

Смотрите также: История дизельного автомобиля.

Дизельные двигатели уже давно популярны в больших автомобилях и с 1980-х годов используются в небольших автомобилях, таких как супермини , в Европе. Раньше они были популярны в более крупных автомобилях, поскольку снижение веса и стоимости было менее заметным. Плавная работа, а также высокий крутящий момент на низких оборотах считаются важными для легковых автомобилей и небольших коммерческих автомобилей. Внедрение системы впрыска топлива с электронным управлением значительно улучшило плавность формирования крутящего момента, и, начиная с начала 1990-х годов, производители автомобилей начали предлагать свои автомобили класса люкс класса люкс с дизельными двигателями. Дизельные двигатели легковых автомобилей обычно имеют от трех до двенадцати цилиндров и рабочий объем от 0,8 до 6,0 литров. Современные силовые установки обычно имеют турбонаддув и непосредственный впрыск.

Дизельные двигатели не страдают от дросселирования всасываемого воздуха, что приводит к очень низкому расходу топлива, особенно при низкой частичной нагрузке. (например: езда на городской скорости). Пятая часть всех легковых автомобилей в мире оснащена дизельными двигателями, причем многие из них находятся в Европе, где примерно 47% всех легковых автомобилей оснащены дизельными двигателями. Начиная с 1936 года компания Daimler-Benz совместно с Robert Bosch GmbH производила легковые автомобили с дизельным двигателем. Популярность легковых автомобилей с дизельным двигателем на таких рынках, как Индия, Южная Корея и Япония, растет (по состоянию на 2018 год).

Коммерческий транспорт и грузовые автомобили

Срок службы дизельных двигателей Mercedes-Benz

В 1893 году Рудольф Дизель предположил, что дизельный двигатель может приводить в движение «фургоны» (грузовики). Первые грузовики с дизельными двигателями появились на рынке в 1924 году.

Современные дизельные двигатели для грузовых автомобилей должны быть одновременно чрезвычайно надежными и экономичными. Непосредственный впрыск Common Rail, турбонаддув и четыре клапана на цилиндр входят в стандартную комплектацию. Объем рабочего объема варьируется от 4,5 до 15,5 литров, удельная мощность 2,5–3,5 кг·кВт. ⁻¹ для тяжелого режима работы и 2,0–3,0 кг·кВт ⁻¹ для двигателей средней мощности. Двигатели V6 и V8 раньше были распространены из-за относительно небольшой массы двигателя, которую обеспечивает конфигурация V. Недавно от V-образной конфигурации отказались в пользу прямых двигателей. Обычно это рядные шестицилиндровые двигатели для тяжелых и средних условий эксплуатации и рядные четырехцилиндровые двигатели для средних условий эксплуатации. Их квадратная конструкция приводит к снижению общей скорости поршня, что приводит к увеличению срока службы до 1 200 000 километров (750 000 миль). По сравнению с дизельными двигателями 1970-х годов ожидаемый срок службы современных дизельных двигателей грузовых автомобилей увеличился более чем вдвое.

Железнодорожный подвижной состав

Дизельные двигатели для локомотивов рассчитаны на непрерывную работу между дозаправками, и в некоторых обстоятельствах, возможно, потребуется спроектировать их для использования топлива низкого качества. На некоторых локомотивах используются двухтактные дизельные двигатели. Дизельные двигатели заменили паровые машины на всех неэлектрифицированных железных дорогах мира. Первые тепловозы появились в 1913 году. и дизельные агрегаты вскоре после этого . Почти все современные тепловозы правильнее называть дизель-электрическими локомотивами, поскольку в них используется электрическая трансмиссия: дизельный двигатель приводит в движение электрический генератор, который приводит в действие тяговые электродвигатели. Хотя электровозы заменили тепловозы для пассажирских перевозок, во многих регионах дизельная тяга широко используется для перевозки грузовых поездов и на путях, где электрификация экономически нецелесообразна.

В 1940-х годах дизельные двигатели дорожных транспортных средств мощностью 150–200 лошадиных сил (110–150 кВт; 150–200 л.с.) считались приемлемыми для DMU. Обычно использовались обычные грузовые силовые установки. Высота этих двигателей должна была быть менее 1 метра (3 футов 3 дюйма), чтобы обеспечить возможность установки под полом. Обычно двигатель комплектовался механической коробкой передач с пневматическим приводом из-за небольших габаритов, массы и стоимости производства этой конструкции. Вместо этого в некоторых DMU использовались гидравлические преобразователи крутящего момента. Дизель-электрическая трансмиссия не подходила для таких небольших двигателей. В 1930-х годах Deutsche Reichsbahn стандартизировала свой первый двигатель DMU. Это был 12-цилиндровый оппозитный двигатель объемом 30,3 литра (1850 куб. Дюймов) и мощностью 275 лошадиных сил (202 кВт; 271 л.с.). Некоторые немецкие производители выпускали двигатели по этому стандарту.

Водный транспорт

Один из восьмицилиндровых дизелей 3200 IHP Harland and Wolff – Burmeister & Wain, установленных на теплоходе Glenapp . Это был самый мощный дизельный двигатель (1920 г.), установленный на корабле. Обратите внимание на мужчину, стоящего внизу справа для сравнения размеров.

Продолжительность: 34 секунды. 0:34

Ручной запуск дизельного двигателя лодки на озере Инле ( Мьянма )

Требования к судовым дизельным двигателям различаются в зависимости от применения. Для военного использования и лодок среднего размера наиболее подходят среднеоборотные четырехтактные дизели. Эти двигатели обычно имеют до 24 цилиндров и имеют выходную мощность в пределах одной цифры мегаватт. На небольших лодках могут использоваться дизельные двигатели грузовых автомобилей. На больших кораблях используются чрезвычайно эффективные тихоходные двухтактные дизельные двигатели. Они могут достигать эффективности до 55%. В отличие от большинства обычных дизельных двигателей, в двухтактных двигателях плавсредств используется высоковязкое мазут . Подводные лодки обычно дизель-электрические.

Первые дизельные двигатели для кораблей были произведены компанией AB Diesel Motorer Stockholm в 1903 году. Эти двигатели представляли собой трехцилиндровые двигатели мощностью 120 л.с. (88 кВт) и четырехцилиндровые двигатели мощностью 180 л.с. (132 кВт) и использовались на российских кораблях. Во время Первой мировой войны особенно быстро развивалась разработка дизельных двигателей для подводных лодок. К концу войны для морского использования были созданы поршневые двухтактные двигатели двойного действия мощностью до 12 200 л.с. (9 МВт).

Авиация

Основная статья: Авиационный дизельный двигатель

Рано

Дизельные двигатели использовались в самолетах до Второй мировой войны, например, в жестком дирижабле LZ 129 Hindenburg , оснащенном четырьмя Daimler-Benz DB 602 . дизельными двигателями или в нескольких самолетах Юнкерс, на которых были установлены двигатели Jumo 205 .

В 1929 году в США компания Packard Motor Company разработала первый в Америке авиационный дизельный двигатель Packard DR-980 с воздушным охлаждением — 9-цилиндровый радиальный двигатель . Они устанавливали его на различные самолеты той эпохи, некоторые из которых использовались в полетах на рекордные расстояния или на выносливость. и в первой успешной демонстрации радиотелефонной связи «земля-воздух» (ранее голосовое радио было неразборчиво в самолетах, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, из-за электромагнитных помех ). Дополнительные преимущества, упоминавшиеся в то время, включали меньший риск возгорания после крушения и превосходные характеристики на больших высотах.

6 марта 1930 года двигатель получил сертификат утвержденного типа — впервые для авиационного дизельного двигателя — от Министерства торговли США . Однако ядовитые выхлопные газы, проблемы с холодным запуском и вибрацией, структурные неисправности двигателя, смерть его разработчика и экономический спад Великой депрессии в совокупности положили конец программе.

Современный

С тех пор и до конца 1970-х годов дизельный двигатель в авиации применялся нечасто. В 1978 году Piper Cherokee Карл Х. Берджи утверждал, что «вероятность появления дизеля для авиации общего назначения в ближайшем будущем маловероятна». соразработчик

Однако в связи с энергетическим кризисом 1970-х годов и экологическим движением , а также, как следствие, необходимостью большей экономии топлива, снижения выбросов углерода и свинца в атмосферу, а также других проблем, интерес к дизельным двигателям для самолетов возродился. Поршневые авиационные двигатели высокой степени сжатия, работающие на авиационном бензине (« авиационном газе »), обычно требуют добавления токсичного тетраэтилсвинца к авиационному газу, чтобы избежать преждевременного зажигания и детонации двигателя ; но дизельные двигатели не требуют этилированного топлива. Кроме того, биодизель теоретически может обеспечить чистое сокращение выбросов углерода в атмосферу по сравнению с авиационным газом. По этим причинам авиационное сообщество начало опасаться возможного запрета или прекращения использования этилированных бензинов.

Кроме того, авиационное топливо является специальным топливом, спрос на который очень низкий (и падает) по сравнению с другими видами топлива, и его производители подвержены дорогостоящим судебным искам в связи с авиационными катастрофами, что снижает интерес нефтеперерабатывающих заводов к его производству. За пределами Соединенных Штатов авиационное топливо уже становится все труднее найти в аэропортах (и вообще), чем менее дорогое, совместимое с дизельным топливом, такое как Jet-A и другое топливо для реактивных двигателей .

К концу 1990-х – началу 2000-х годов дизельные двигатели начали появляться в легких самолетах. В частности, Франк Тилерт и его австрийское предприятие по производству двигателей начали разработку дизельных двигателей для замены бензиновых/поршневых двигателей мощностью 100 л.с. (75 кВт) — 350 л.с. (260 кВт), обычно используемых в легких самолетах. Первым успешным применением Theilerts на серийных самолетах стал легкий двухместный самолет Diamond DA42 Twin Star , который продемонстрировал исключительную топливную экономичность, превосходящую все в своем классе. и его одноместный предшественник Diamond DA40 Diamond Star .

В последующие годы несколько других компаний разработали авиационные дизельные двигатели или начали — в первую очередь Continental Aerospace Technologies , которая к 2018 году сообщила, что продала более 5000 таких двигателей по всему миру.

США Федеральное управление гражданской авиации сообщило, что «к 2007 году различные поршневые самолеты с реактивными двигателями наработали более 600 000 часов». В начале 2019 года AOPA сообщила, что модель дизельного двигателя для самолетов авиации общего назначения «приближается к финишу». К концу 2022 года компания Continental сообщила, что количество ее двигателей, работающих на топливе Jet-A, превысило «2000... в эксплуатации сегодня», наработав более «9 миллионов часов», и что они «специализировались крупными OEM-производителями» для Cessna , Piper , Diamond , Mooney , Tecnam , Glasair и Robin . Самолеты

В последние годы (2016 г.) дизельные двигатели нашли применение и в беспилотной авиации (БПЛА) благодаря своей надежности, долговечности и низкому расходу топлива.

Внедорожные дизельные двигатели

Дизельный двигатель воздушного охлаждения Porsche 218 1959 года выпуска.

Внедорожные дизельные двигатели обычно используются в строительной и сельскохозяйственной технике . Для таких двигателей очень важны топливная экономичность, надежность и простота обслуживания, тогда как высокая мощность и бесшумность работы незначительны. Поэтому механически управляемый впрыск топлива и воздушное охлаждение по-прежнему очень распространены. Общая выходная мощность внедорожных дизельных двигателей сильно различается: самые маленькие агрегаты начинаются с 3 кВт, а самые мощные двигатели - это двигатели большегрузных грузовиков.

Стационарные дизельные двигатели

Три дизель-генераторных установки English Electric 7SRL устанавливаются на электростанции Саатени; Занзибар , 1955 год.

Стационарные дизельные двигатели обычно используются для выработки электроэнергии, а также для питания компрессоров холодильников или других типов компрессоров или насосов. Обычно эти двигатели работают либо непрерывно с частичной нагрузкой, либо периодически с полной нагрузкой. Стационарные дизельные двигатели, питающие электрогенераторы, вырабатывающие переменный ток, обычно работают с переменной нагрузкой, но фиксированной частотой вращения. Это связано с фиксированной частотой сети 50 Гц (Европа) или 60 Гц (США). Частота вращения коленчатого вала двигателя подбирается так, чтобы частота сети была кратна ей. По практическим соображениям это приводит к частоте вращения коленчатого вала либо 25 Гц (1500 в минуту), либо 30 Гц (1800 в минуту).

Двигатели с низким отводом тепла

Особый класс прототипов поршневых двигателей внутреннего сгорания разрабатывался в течение нескольких десятилетий с целью повышения эффективности за счет снижения тепловых потерь. Эти двигатели по-разному называют адиабатическими двигателями; за счет лучшего приближения адиабатического расширения; двигатели с низким отводом тепла или двигатели с высокой температурой. Обычно это поршневые двигатели с деталями камеры сгорания, покрытыми керамическим термобарьерным покрытием. Некоторые используют поршни и другие детали из титана, который имеет низкую теплопроводность. и плотность. Некоторые конструкции способны вообще исключить использование системы охлаждения и связанные с ней паразитные потери. Разработка смазочных материалов, способных выдерживать более высокие температуры, стала основным препятствием для коммерциализации.

Будущие разработки

В литературе середины 2010-х годов основные цели разработки будущих дизельных двигателей описываются как снижение выбросов выхлопных газов, снижение расхода топлива и увеличение срока службы (2014). Говорят, что дизельный двигатель, особенно дизельный двигатель для коммерческих автомобилей, останется важнейшей силовой установкой транспортного средства до середины 2030-х годов. Редакторы предполагают, что сложность дизельного двигателя и дальше будет возрастать (2014 г.). Некоторые редакторы ожидают в будущем сближения принципов работы дизельных двигателей и двигателей Отто благодаря шагам в разработке двигателей Отто, предпринятым в направлении воспламенения от сжатия однородного заряда (2017).

См. также

• Авиационный дизельный двигатель
• Тепловоз
• Дизельные автогонки
• Дизель-электрическая трансмиссия
• Дизельный цикл
• Дизельный выхлоп
• ДизельДом
• Дизельный генератор
• Дизельизация
• История двигателя внутреннего сгорания
• Непрямой впрыск
• Частичное предварительное сжигание
• Воспламенение от сжатия с контролем реактивности

Внешние ссылки

• «Информационный центр Дизеля» . Ассоциация по контролю выбросов Catalyst. Архивировано из оригинала 24 февраля 2020 года . Проверено 25 июля 2018 г.
• Короткометражный фильм «Дизельная история» (1952) доступен для бесплатного просмотра и скачивания в Интернет-архиве .
• «Введение в двухтактный морской дизельный двигатель» на YouTube
• Документальный фильм BBC "Двигатель, который движет миром" на YouTube

Патенты

• Метод и устройство для преобразования тепла в работу. № 542846, подано в 1892 г. Архивировано 26 апреля 2021 г. в Wayback Machine.
• Двигатель внутреннего сгорания № 608845, поданная в 1895 г.