Jak funguje dieselový motor?

26. srpna 1801 si Philippe Le Bon, francouzský inženýr a profesor mechaniky na Škole mostů a silnic v Paříži, přihlásil patent na konstrukci plynového motoru. Hnací síla byla generována explozí směsi plynu a vzduchu uvnitř pracovního válce – lidstvo mělo spalovací motor (ICE).

Hledání alternativy k tepelným (parním) strojům začalo téměř okamžitě po jejich vzniku. K tomu vedla už samotná jejich nedokonalá konstrukce. Na jedné straně byly velké co do rozměrů a hmotnosti kvůli použití vnějšího zařízení pro zajištění spalování paliva a udržování tlaku páry. Na druhé straně je funkční část parního stroje (píst a válec) relativně malá. Tento rozpor neustále podněcoval mysli vynálezců k hledání možnosti kombinace procesu spalování paliva s pracovní kapalinou motoru. Lidská mysl konce 18. století si nedokázala představit všechny vyhlídky takového průlomu, ale bylo jasné, že vyřešení problému by výrazně zmenšilo rozměry a hmotnost motoru a zvýšilo jeho užitečnou činnost.

Aby to však bylo proveditelné, bylo nejprve nutné vyřešit problém vhodného paliva. Bez něj je jakýkoli pokrok v oblasti spalovacích motorů jednoduše nemožný. Právě palivo určuje konstrukci motoru, jeho rozměry a vlastnosti, a dokonce i samotnou možnost jeho vzniku. A prvním takovým palivem byl osvětlovací plyn.

Objevil ho francouzský inženýr Philippe Le Bon (1769-1804) (obr. 1), který v roce 1799 získal patent na použití a způsob získávání tohoto plynu suchou destilací dřeva nebo uhlí. Tento objev měl velký význam především pro rozvoj osvětlovací techniky. Velmi brzy ve Francii a poté i v dalších evropských zemích začaly plynové lampy úspěšně konkurovat drahým svíčkám.

Obr. 1. Philippe Le Bon

Le Bon si uvědomil, že jeho osvětlovací plyn by mohl být použit k více než jen osvětlení. Vynálezce přišel s myšlenkou navrhnout motor, který by mohl nahradit parní stroj. Hlavním požadavkem na konstrukci takové jednotky bylo, aby palivo nehořelo ve vnějším topeniště, ale přímo ve válci motoru.

O dva roky později přinesla práce Le Bona, který v té době získal titul profesora mechaniky na Pařížské škole mostů a silnic, výsledky. A 26. srpna 1801 podal patent na konstrukci svého plynového motoru. Princip činnosti tohoto stroje byl založen na již známé vlastnosti plynu, kterou objevil: jeho směs se vzduchem při zapálení explodovala a uvolňovala velké množství tepla.

Produkty spalování se rychle rozpínaly a vyvíjely silný tlak na okolní prostředí. Aby se tento jev co nejlépe využil, byl Le Bonův motor vybaven dvěma kompresory a směšovací komorou. Jeden kompresor měl pumpovat stlačený vzduch do komory a druhý měl pumpovat stlačený osvětlovací plyn z plynového generátoru.

Směs plynu a vzduchu poté vstupovala do pracovního válce, kde se vznítila. Motor byl dvojčinný, tj. střídavě působící pracovní komory byly umístěny na obou stranách pístu. Dvaatřicetiletý francouzský profesor tak měl v rukou první model dvoudobého spalovacího motoru, byť nedokonalý.

Kdyby Prozřetelnost dopřála tomuto talentovanému a vynalézavému francouzskému inženýrovi dlouhý život, je docela možné, že by lidstvo přešlo od koňských povozů k autům a vzlétlo by do vzduchu na prvních letadlech mnohem dříve. Le Bonovi však nebylo souzeno pokračovat v práci na zdokonalování svého výtvoru – v roce 1804 byl zabit.

Práci na motoru pracujícím na osvětlovací plyn pokračoval belgický mechanik Jean Etienne Lenoir. Výrazně vylepšil konstrukci a jako první použil elektrickou jiskru k zapálení směsi plynu a vzduchu uvnitř pracovního válce. Byl také prvním, kdo svůj motor vybavil vodním chladicím systémem a pro lepší zdvih pístu použil mazací systém. Lenoirův motor (obr. 2), který byl nakonec navržen v roce 1860, měl výkon asi 12 koní s účinností asi 3,3 %. Poté, co Lenoir z výroby svého motoru získal značné příjmy, přestal na jeho vylepšování pracovat a později úspěšnější modely tento motor vytlačily z trhu.

Eugenio Barzanti a Fetis Mattocci tuto myšlenku rozvinuli a v roce 1854 představili svůj spalovací motor. Pracoval v třítaktním pořadí (bez kompresního zdvihu) a byl chlazen vodou. Ačkoli se zvažovaly i jiné druhy paliva, jako palivo byla zvolena směs vzduchu a svítiplynu a bylo možné dosáhnout výkonu 5 koní.

V roce 1862 si francouzský vynálezce Alphonse Beau de Rochas nechal patentovat zásadně nové zařízení – první spalovací motor na světě, u kterého se pracovní proces v každém z válců dokončil za dvě otáčky klikového hřídele, tj. za čtyři zdvihy pístu. Ke komerční výrobě čtyřtaktního motoru však nikdy nedošlo.

Na světové výstavě v Paříži v roce 1867 předvedli zástupci továrny na plynové motory Deutz, založené inženýrem Nicholasem Ottem a průmyslníkem Eugènem Langenem, motor (obr. 3) navržený na principu Barzanti-Mattocci. Tato jednotka vytvářela méně vibrací, byla lehčí, a proto brzy nahradila výše zmíněný Lenoirův motor.

Obr. 2. Lenoirův benzínový motor, 1860.

Obr. 3. Ottův benzínový motor z roku 1867.

Válec nového motoru byl svislý, rotující hřídel byla umístěna nad ním na boku. K němu byla podél osy pístu připevněna tyč, spojená s hřídelí. Hřídel zvedala píst, pod ním se vytvořil podtlak a nasávala se směs vzduchu a plynu. Poté se směs zapálila otevřeným plamenem přes trubici (Otto a Langen nebyli specialisté na elektrotechniku a elektrické zapalování odmítli). Během exploze se tlak pod pístem zvyšoval, píst se zvedal, objem plynu se zvyšoval a tlak klesal. Píst se nejprve pod tlakem plynu a poté setrvačností zvedal, dokud se pod ním opět nevytvořil podtlak.

Energie spáleného paliva tak byla v motoru využita s maximální úplností: účinnost tohoto motoru dosáhla 15 %, tj. překonala účinnost nejlepších parních strojů té doby. Tento čtyřtaktní cyklus se dodnes používá jako základ pro provoz většiny benzínových a plynových motorů (obr. 4).

Obr. 4. Schéma činnosti pístového čtyřtaktního spalovacího motoru

Použití světelné elektrárny jako paliva značně omezilo rozsah použití prvních spalovacích motorů. I v Evropě bylo málo plynových elektráren a v Rusku byly pouze dvě – v Moskvě a Petrohradu.

V roce 1883 vynalezli němečtí inženýři Gottlieb Daimler a Wilhelm Maybach, bývalí zaměstnanci firmy Otto, benzínový motor. První model benzínového motoru byl určen pro průmyslovou stacionární instalaci.

A v roce 1885 vyvinuli Daimler a Maybach lehký benzínový karburátorový motor. V roce 1885 ho použili k vytvoření prvního motocyklu a v roce 1886 prvního automobilu. Lidstvo vstoupilo do nové éry.

Automobily s dieselovými motory tvoří téměř polovinu z celkového počtu ročně prodaných vozidel jak u oficiálních dealerů, tak na sekundárním trhu.

Elektrárny tohoto typu se vyznačují účinností, výrazným výkonem a dynamikou. Takové jednotky vykazují vysoký točivý moment a účinnost, která je v zásadě nedostupná pro benzínové motory (35%-35% pro dieselové systémy oproti 25%-35% pro jejich analogy). Tyto výhody, stejně jako nižší hladina hluku při provozu a plné dodržování stále složitějších ekologických bezpečnostních norem, zajistily oblibu vznětových motorů ve třídách osobních i užitkových vozidel.

Jak startuje dieselový motor?

Princip činnosti vznětového motoru je následující: do válců vstupuje čistý vzduch, který se díky vysoké kompresi zahřeje až na 700°C i více. Poté, jak se píst přiblíží k hornímu bodu své trajektorie, je palivo pod tlakem přiváděno do spalovací komory, která se při kontaktu s horkým vzduchem vznítí. Okamžik zážehu je doprovázen prudkým zvýšením tlaku ve válci. Tento princip činnosti umožňuje motoru pracovat s co možná nejchudší směsí, což zajišťuje ekonomický provoz.

Pro studený start dieselového motoru se používá předehřívací systém, jehož hlavním prvkem jsou žhavicí svíčky – topná tělesa umístěná ve spalovacích komorách. Umožňují zvýšit teplotu vzduchu na požadovanou hodnotu během několika sekund. Po zapnutí systému se v kabině rozsvítí kontrolka. Jeho deaktivace znamená, že motor je připraven ke spuštění. Přívod elektřiny ke svíčkám je automaticky přerušen 15 sekund – 25 sekund po spuštění. Tento stav umožňuje stabilní provoz nevyhřívané jednotky. Moderní systémy tohoto typu umožňují snadné nastartování vznětového motoru při teplotách do -30°C za předpokladu dobrého stavu motoru a použití oleje a paliva odpovídající sezónnosti a kvality.

Návrhové prvky

Konstrukce vznětového motoru obecně opakuje mechanismus benzinové pohonné jednotky s tím rozdílem, že podobné díly jsou výrazně zesíleny, aby zohledňovaly vyšší zatížení. Vzhledem k tomu, že ke vznícení dochází v důsledku komprese, jsou součásti zapalovacího systému vyloučeny z okruhu a zapalovací svíčky jsou nahrazeny žhavicími prvky, které nevytvářejí jiskry a jsou určeny k předehřívání vzduchu ve spalovacích komorách.

Charakteristickým znakem konstrukce vznětového motoru, spojeným se samotným principem jeho činnosti, je geometrie dna pístu. Jejich tvar je dán specifiky spalovací komory. V horní části zdvihu pístu je jeho dno výše než krajní bod bloku válců. V některých případech je samotná spalovací komora umístěna ve spodní části pístu. Technické a ekologické vlastnosti konkrétního modelu vznětového motoru závisí na jeho typu a realizovaném způsobu dodávání směsi.

Typy spalovacích komor

V závislosti na jejich geometrii se rozlišují následující typy spalovacích komor.

Oddělené. V tomto případě se primární vstřikování paliva provádí do samostatné dutiny umístěné v hlavě bloku. Tato technologie umožňuje snížit zatížení skupiny pístů a také výrazně snížit hluk z provozu motoru.

V tomto případě může být proces tvorby směsi:

• Předkomora (předkomora). Palivo pod tlakem vstupuje do předkomory, spojené s válcem několika kanály, kde naráží na jeho stěny a mísí se tak se vzduchem. Po zapálení se směs přenese do hlavní komory, kde se zcela spálí. Tlakový rozdíl mezi válcem a předkomůrkou, nutný pro co nejrychlejší proudění plynů kanály, nastává v okamžiku, kdy se píst pohybuje ke kompresi a expanzi.
• Vířivá komora. V tomto případě dochází také k primárnímu zapálení směsi v samostatné komoře mající sférickou geometrii. V okamžiku, kdy se píst pohybuje za účelem stlačení, do něj vstupuje část vzduchu spojovacím kanálem a intenzivně víří a vytváří vírové proudění, díky kterému se v určitém okamžiku dobře mísí s dodávaným palivem.

Charakteristickými nevýhodami agregátů s od sebe vzdálenými spalovacími komorami jsou komplikované startování a zvýšená spotřeba paliva v důsledku ztrát při průchodu části vzduchu do přídavné komory a návratu zapálené směsi do válce.

Nerozdělený. V tomto případě je palivo dodáváno pod tlakem do válce a komora je vybrána ve spodní části pístu. Vzhledem k tomu, že se takové agregáty vyznačují zvýšenou hladinou hluku a vibrací při provozu, zejména při akceleraci, byly donedávna nedělené agregáty používány na pomaloběžných velkoobjemových motorech určených pro užitková vozidla. Nástup elektronických vstřikovacích systémů umožnil optimalizovat spalování směsi v takových motorech a výrazně snížit hladinu hluku z jejich provozu, což zase učinilo nedělené konstrukce nejslibnějším technologickým řešením při navrhování nových typů pohonných jednotek.

Návrh palivového systému dieselového motoru

Na principu činnosti vznětového motoru je důležité dodávat přesně dávkovanou část směsi do spalovacího prostoru v určitém okamžiku a pod jasně vypočítaným tlakem. Vstřikovací systém obsahuje následující hlavní součásti.

Vysokotlaké palivové čerpadlo (HFP). Tento prvek má odebírat část paliva z posilovacího čerpadla umístěného v nádrži a střídavě rozdělovat odměřené dávky do jednotlivých vstřikovacích potrubí pro každý válec. Konstrukce takových trysek předpokládá jejich otevření, když se zvýší tlak v palivovém potrubí. V závislosti na technologických řešeních se rozlišují následující typy vstřikovacích čerpadel:

• Vícepístový in-line. Tato verze čerpadla se skládá ze samostatných sekcí, jedna na válec. Bloky mají zpravidla řadovou sestavu. Každá sekce je vybavena objímkou ​​a plunžrem, který je poháněn motorem přes vačkový hřídel. Tlak v přiváděném palivu závisí na otáčkách klikového hřídele. Specifická konstrukce takového čerpadla způsobuje vysokou hladinu hluku při jeho provozu a potíže s dodržováním současných ekologických norem.
• Rozdělení. Tento typ čerpadla udržuje požadovaný tlak v souladu s provozním režimem motoru a vyznačuje se rovnoměrným přívodem paliva do válců a také stabilním provozem při vysokých otáčkách. Konstrukce tohoto typu mají jeden plunžr, který se pohybuje ve dvou rovinách. Translační pohyby zajišťují vstřikování části paliva a rotační pohyby ji rozdělují mezi trysky. Specifičnost rozvodných čerpadel je činí náročnými na kvalitu paliva, protože slouží k mazání třecích dílů a přesné prvky mají minimální přípustné vůle.

Palivové filtry. Tato část vznětového motoru je určena k oddělení a následnému odvodu vody z paliva naplněného do nádrže, k čemuž slouží výpustná zátka na dně. Vzduch se ze systému odstraňuje pomocí ruční pumpy umístěné na horní straně krytu. Přes relativní jednoduchost konstrukce vyžaduje filtr pečlivý výběr z hlediska parametrů, jako je průchodnost, jemnost čištění atd. Pro zamezení zanášení krystalizujícími parafíny a usnadnění startování v chladném období lze systém vybavit elektrickým ohřevem.

Přeplňování turbodmychadlem. Tento prvek je určen k čerpání dalšího vzduchu do válců, což zvyšuje přívod paliva a zvyšuje výkon pohonné jednotky. Princip činnosti vznětového motoru znamená vysoký tlak výfukových plynů, což umožňuje zajistit efektivní plnění již z nízkých rychlostí a zároveň se vyhnout efektu „turbo pit“. Absence škrticí klapky u pohonných jednotek tohoto typu zjednodušuje řídicí obvod kompresoru a umožňuje udržovat účinné plnění válců v celém rozsahu otáček. Přeplňování v prvé řadě umožňuje optimalizovat spalovací procesy směsi v situacích, kdy bude atmosférická pohonná jednotka pociťovat nedostatek vzduchu. Přítomnost turbíny poskytuje zvýšený výkon s menším zdvihovým objemem a nižší hmotností motoru. Zároveň se snižuje tuhost jeho práce. Instalace přídavného mezichladiče – vzduchového mezichladiče – umožňuje dále zvýšit výkon pohonné jednotky o 15% nebo více zvýšením hmotnostního plnění válců.

Konkrétní provoz turbíny určuje její životnost, která je výrazně kratší než životnost samotného vznětového motoru. Zároveň se vlivem boostu snižuje i životnost pohonné jednotky, v jejíchž spalovacích prostorech se neustále udržuje zvýšená teplota vyžadující chlazení olejem dodávaným přes přídavné vstřikovače. Tento konstrukční prvek s sebou nese kritické požadavky motoru na kvalitu maziv.

Trysky. Tento prvek palivového systému je navržen tak, aby dodal přesně odměřenou dávku paliva v přesně vypočítaném okamžiku. Nástup elektronického řízení dodávky paliva umožnil organizovat jeho dvoustupňovou dodávku v nerovnoměrných částech. Když je primární dávka zapálena, teplota v komoře stoupne, načež do ní vstoupí hlavní „náboj“ pro tento cyklus. Toto schéma umožnilo eliminovat náhlé zvýšení tlaku a snížit hluk motoru. V závislosti na provedení existují dva typy postřikovačů.

• Čerpací vstřikovače. Tato konstrukce kombinuje stříkací pistoli a plunžrové čerpadlo. Tento prvek je instalován jeden na každý válec a je poháněn tlačným zařízením připojeným k vačce vačkového hřídele. Přívodní a odvodní potrubí paliva jsou technologické kanály v hlavě válců, díky kterým lze dosáhnout tlaků až 2200 bar. Elektronická řídicí jednotka je zodpovědná za dávkování palivové části a řízení úhlu předstihu vstřiku vysíláním signálů do uzavíracích piezoelektrických nebo solenoidových ventilů. Konstrukce pumpových vstřikovačů umožňuje jejich provoz v multipulzním režimu, při provádění 2 až 4 vstřiků v jednom cyklu. Tato technologie umožňuje změkčit provoz pohonné jednotky a snížit toxicitu výfukových plynů.
• Vstřikovací systém. Toto provedení je společné palivové potrubí (rampa), ve kterém se akumuluje palivo, po kterém je na příkaz elektronické řídicí jednotky vstřikováno přes piezoelektrické nebo elektromagnetické vstřikovače. Konstrukce tohoto typu předpokládá použití palivového vstřikovacího čerpadla pouze pro čerpání tlaku v akumulátoru, bez jeho použití pro úpravu časování vstřiku a dávkování porcí paliva. Toto konstrukční řešení umožnilo snížit spotřebu paliva až o 20 % při zvýšení točivého momentu v nízkých otáčkách až o 25 %. Elektronická řídicí jednotka trysky řídí dobu trvání fáze vstřiku a optimální okamžik pro její realizaci podle řady senzorů – teplota motoru, aktuální zatížení na něm, tlak v rampě, poloha plynového pedálu , atd.

Kombinace turbíny a systému Common Rail je v současnosti považována za nejefektivnější způsob, jak zvýšit výkon naftového motoru a zároveň snížit toxicitu jeho výfukových plynů.

Související články

YaMZ-6563 lze právem považovat za třetí generaci dieselových motorů Yaroslavl Motor Plant. Předkem rodu je legendární YaMZ-236, který své povinnosti pravidelně plní zhruba půl století.

Spalovací motor YaMZ 7511 vyrábí Yaroslavl Motor Plant od roku 1997. Svým moderním designem a dobrým výkonem si získal uznání jak výrobců automobilů, tak .

Vstřikovač je jednou z nejdůležitějších součástí dieselového automobilu. Jakákoli chyba v jeho provozu má extrémně negativní dopad jak na motor, tak na peněženku majitele vozu, který je k tomu nucen.

Generální oprava dieselových motorů se stává relevantní v případě opotřebení dílů. Zpravidla k tomu dochází po skončení životnosti motoru. Tedy když je průměrný nájezd kilometrů .