Vidaus degimo variklis (VDV) yra šiluminis variklis, kurio darbinėje ertmėje degant degalams susidaro aukštos temperatūros ir didelio slėgio deginiai. Šie deginiai, plėsdamiesi, šiluminę energiją verčia veleno sukimosi arba iš tūtos ištekančio deginių srauto energija.
Dyzelinis variklis - tai stūmoklinis vidaus degimo variklis, kuriame kuras užsidega dėl slėgio ir aukštos temperatūros, be išorinio uždegimo šaltinio, tokio kaip uždegimo žvakė.
Dyzelinio variklio veikimo principas
Pagrindinis benzininio ir dyzelinio variklio skirtumas - darbinio mišinio padavimas į cilindrą ir jo uždegimas. Dyzeliniuose varikliuose oras paduodamas atskirai nuo kuro, o vėliau suslegiamas. Dėl didelio suspaudimo laipsnio (paprastai 20:1), oras įkaista iki +700°C. Kai stūmoklis pakyla į viršutinį mirtiną tašką (slėgio takto pabaigoje), veikiant labai dideliam slėgiui, paduodamas ir išpurškiamas kuras. Jis susimaišo su įkaitusiu oru ir savaime užsidega. Degant mišiniui susidaro energija, kuri judina stūmoklį žemyn.
Keturtakčio dyzelinio variklio darbo ciklas
Keturtakčio dyzelinio variklio darbas susideda iš keturių pagrindinių taktų, per kuriuos alkūninis velenas apsisuka du kartus:
- Įsiurbimas: Įleidimo vožtuvas atidarytas, stūmoklis juda žemyn, į cilindrą patenka grynas oras.
- Suspaudimas: Įleidimo ir išleidimo vožtuvai uždaryti, stūmoklis juda aukštyn, suspausdamas oro tūrį apie 17 kartų. Suspausto oro temperatūra pakyla iki +700°C.
- Darbo taktas (degimas/plėtimasis): Kuras įpurškiamas į degimo kamerą, išskaidomas į mažas dalelytes, kurios susimaišo su karštu oru ir sudaro degų mišinį. Kuras savaime užsidega dėl aukštos temperatūros. Degimo metu išlaisvinta energija plečia dujas ir stumia stūmoklį žemyn, atlikdama darbą.
- Išmetimas: Išmetimo vožtuvas atidarytas, stūmoklis juda aukštyn, išstumdama sudegusius deginius iš cilindro.
Po išmetimo takto šie dyzelinio variklio darbo taktai kartojasi tokia pat tvarka. Pirmiausia alkūninis velenas pasukamas starteriu ar rankena, o vėliau velenas sukasi iš inercijos, judindamas stūmoklį. Ketvirto takto metu stūmoklis perduoda energiją alkūniniam velenui.
Degimo fazės dyzeliniame variklyje
Dyzelyje yra keturios degimo fazės:
- Indukcinio degimo fazė: Prasideda įpurškus degalus. Šios fazės metu įpurškiami degalai garuoja, maišosi su oru, oksiduojasi. Dėl oksidavimosi kaupiasi nepatvarūs oksidai ir peroksidai, skiriasi šiluma, kyla temperatūra. Dėl to pagreitėja cheminės reakcijos ir degalai užsiliepsnoja. Indukcijos fazės trukmė priklauso nuo degalų savybių ir temperatūros cilindre. Varikliui dirbant su didesne apkrova, padidėja jo suslėgimo laipsnis, dėl to temperatūra degimo kameroje tampa aukštesnė ir degalai lengviau užsiliepsnoja.
- Intensyviojo degimo fazė (aktyvusis degimas): Pasibaigus indukciniam degimui, prasideda aktyviojo degimo fazė. Jos metu išsiskiria apie 70% šiluminės degalų energijos. Kuo ilgiau trunka indukcinio degimo fazė, tuo daugiau degalų suspėjama įpurkšti į cilindrą iki prasidedant aktyviajam degimui.
- Lėtojo degimo fazė: Šios fazės metu degimo procesas tęsiasi, bet intensyvumas mažėja.
- Baigiamojo degimo fazė: Degimo procesas baigiasi, o susidarę deginiai plečiasi, stumdami stūmoklį.
Į cilindrą įpurškus daugiau degalų, pakyla slėgio jame didėjimo greitis ir didžiausias pasiekiamas slėgis. Tačiau kuo daugiau degalų iškart užsiliepsnoja, tuo greičiau kyla slėgis cilindre. Dėl to dyzelinis variklis dirba trankiau, sparčiau dyla. Norint sumažinti skleidžiamą garsą, stengiamasi, kad pradžioje užsiliepsnotų nedidelis degalų kiekis, o paskui, tęsiant degalų įpurškimą, slėgis didėja ne taip sparčiai.
Kuro tiekimo sistemos dyzeliniuose varikliuose
Šiuolaikiniuose dyzeliniuose varikliuose naudojamos sudėtingos kuro tiekimo ir dozavimo sistemos, užtikrinančios efektyvų degimą.
"Siurblio ir purkštuko" sistema (TDI)
Prieš 25 metus vokiečių automobilių gamintojas „Volkswagen“ siurblio ir purkštuko sistemos pagrindu sukūrė naują TDI (Turbocharged Direct Injection) dyzelinį variklį. Šioje sistemoje kiekvienas purkštukas turi savo aukšto slėgio siurblį, integruotą į purkštuką.
"Common Rail" sistema
Moderniausia tiesioginio kuro įpurškimo sistema yra dyzelinė „Common Rail“. Nuo įprastų dyzelinių variklių, kur kuras paduodamas žemu slėgiu, ši sistema skiriasi tuo, kad turi bendrą kuro rampą, į kurią dyzelinas paduodamas labai dideliu slėgiu. Kuro siurblys iš bako per kuro šildytuvą ir filtrą tiekia kurą į aukšto slėgio siurblį. Jis veikia dirbant varikliui ir kurą aukštu slėgiu paduoda į kuro rampą. Kai kurių sistemų normaliam veikimui nebūtina visada palaikyti aukštą slėgį. Rampos vamzdeliai baigiasi purkštukais ir yra vienodo ilgio. Ant rampos sumontuotas slėgio valdiklis per aušintuvą į baką grąžina kuro perteklių.
„Common Rail“ degalų įpurškimo sistemos veikimas
Dyzelino savybės ir eksploatacija šaltuoju oru
Oro temperatūrai mažėjant, dėl susidariusio parafino mažėja dyzelinio kuro lakumas. Taip jis tampa tirštesnis ir užkemša kuro filtrus. Būtent dėl to dyzelinio kuro gamintojai žiemą į jį pila specialius priedus, kurie didina kuro lakumą ir garantuoja, jog varikliai užsives esant ir -22°C. Jeigu oro temperatūra -10°С, o bake - vasarinis kuras, reikia supilti specialų priedą. Šaltu oru suslėgto oro temperatūros cilindre gali neužtekti mišiniui uždegti, todėl tinkamas kuro pasirinkimas ir priedų naudojimas yra labai svarbus.
Dyzelinių variklių privalumai ir trūkumai
Dyzeliniai varikliai pasižymi didesniu suspaudimo laipsniu, aukštesniu šiluminiu efektyvumu ir geresnėmis ekonominėmis charakteristikomis.
Palyginimas su benzininiais varikliais
Dyzelis yra ekonomiškesnis už benzinu varomą keturtaktį vidaus degimo variklį. Tačiau jo paties masės ir išvystomos galios santykis yra blogesnis. Padėtį galima pagerinti panaudojus įpūtimą (pvz., turbokompresorių), tačiau tai dar labiau pabrangina jų gamybą. Palyginti su benzininiais, dyzeliai yra daug sudėtingesni ir brangesni dėl sudėtingos degalų įpurškimo ir dozavimo sistemos. Be to, dyzeliai labiau teršia orą, ypač didelė jų tarša suodžiais. Tai svarbus trūkumas atsižvelgiant į griežtėjančius ekologijos reikalavimus.
Taikymas aviacijoje
Dyzelinis variklis lengvai pritaikomas darbui su reaktyvinių variklių degalais - žibalu. Dėl to supaprastėja lėktuvų su dyzeliniais varikliais eksploatacija oro uostuose. Žibalo, skirto aviaciniams varikliams, kaina žemesnė nei aviacinio benzino. Įvertinus dyzelio ekonomiškumą, gaunama nemaža eksploatacijos sąnaudų ekonomija, palyginti su Otto varikliu. Ypač tai juntama aktyviai eksploatuojant lėktuvą. Dėl šių priežasčių aviacinių dyzelių variklių pardavimas didėja.
Vidaus degimo variklių klasifikacija
Vidaus degimo varikliai gali būti klasifikuojami pagal įvairius kriterijus, apimant ir dyzelinius variklius:
- Pagal degimo proceso eigą cilindre: Slėginio uždegimo variklis (CI - Compression Ignition) - degalai savaime užsidega dėl aukšto suspaudimo ir aukštos temperatūros cilindre. Būdingas dyzeliniams varikliams.
- Pagal naudojamus degalus: Dyzeliniai varikliai - naudoja dyzeliną (arba žibalą).
- Pagal darbo ciklą (taktų skaičių):
- Dvitakčiai varikliai: Darbo ciklą sudaro du taktai, per kuriuos alkūninis velenas apsisuka 1 kartą. Cilindro pripildymas, slėgimas, degimas, plėtimasis ir deginių šalinimas vyksta per dvi stūmoklio eigas. Dvitakčių variklių naudingumo koeficientas paprastai mažesnis, tačiau didesnė galia vienam tūrio vienetui. Dažniausiai naudojami dideliuose laivuose ir rečiau - sunkvežimiuose.
- Keturtakčiai varikliai: Darbo ciklą sudaro keturi taktai. Per 1 ciklą alkūninis velenas apsisuka 2 kartus. Keturtakčiai varikliai montuojami į daugelį transporto priemonių ir yra plačiausiai naudojami automobilių varikliuose.
- Pagal aušinimo metodą: Vandeniu aušinami varikliai (plačiai naudojami šiuolaikinėse transporto priemonėse) ir oru aušinami varikliai.
- Pagal cilindrų skaičių: Vieno cilindro varikliai, kelių cilindrų varikliai (pvz., dviejų, trijų, keturių, šešių, aštuonių, dvylikos cilindrų ir kt.).
- Pagal cilindrų išdėstymą: Vienaeiliai, dvieiliai, V tipo varikliai (cilindrai išdėstyti kampu), priešingų cilindrų varikliai (Boxer), W tipo varikliai (4 cilindrų eilės, esančios kampu į 1 alkūninį veleną).
- Pagal įsiurbimo sistemą: Natūralaus įsiurbimo varikliai (atmosferiniai) ir priverstinio įsiurbimo varikliai (perkrautieji), naudojantys turbokompresorius arba mechaninius kompresorius, kurie priverstinai tiekia didesnį kiekį oro į cilindrus, taip padidindami variklio galią ir efektyvumą.
- Pagal sukimosi dažnumą: Ramios eigos, padidinto sukimosi dažnumo, greitaeigiai.
- Pagal paskirtį: Traktorių, laivų, lėktuvų, automobilių ir kt.
Dyzelinių variklių evoliucija ir istorinė apžvalga
Pirmieji vidaus degimo variklio principai siekia XVII a., tačiau esminis proveržis įvyko XIX a. viduryje, kai mokslininkai ištobulino šiluminės konversijos mechaninės galios, gaunamos deginant anglies dujas, benziną ir dyzeliną, teoriją. Tai padėjo pagrindą vidaus degimo variklio išradimui.
Svarbiausi įvykiai dyzelinių variklių istorijoje:
- 1794 m.: Anglas Streitas pasiūlė energiją gauti deginant kurą ir pirmą kartą pasiūlė kuro maišymo su oru koncepciją.
- 1892 m.: Vokiečių inžinierius Rudolfas Dyzelis (Rudolf Diesel) buvo įkvėptas dulkių sprogimo miltų malūne ir įsivaizdavo, kad į cilindrą įsiurbtas oras labai suspaudžiamas, todėl jo temperatūra viršija degalų savaiminio užsidegimo temperatūrą.
- 1897 m.: Rudolfas Dyzelis sėkmingai sukūrė savo novatorišką slėginio uždegimo vidaus degimo variklį, kuris dabar vadinamas dyzeliniu varikliu. Šis išradimas atvėrė naujas vidaus degimo variklių kūrimo galimybes. Dyzelis siekė pasiekti Carnot ciklą vidaus degimo varikliuose, kad pasiektų didžiausią šiluminį efektyvumą. Iš pradžių jo variklis pasiekė apytikslį izobarinį degimą, kurio šiluminis efektyvumas buvo 26%. Kompresinio uždegimo vidaus degimo variklio atsiradimas sukėlė didelį susidomėjimą pasaulinėje mašinų pramonėje.
Nuo pat atsiradimo 1860-aisiais stūmokliniai vidaus degimo varikliai buvo nuolat tobulinami ir tapo gana išbaigta mašina. Jie plačiai naudojami dėl didelio šiluminio efektyvumo, plataus galios ir greičio diapazono, patogaus derinimo ir gero manevringumo. Visų tipų automobiliai, traktoriai, žemės ūkio technika, inžinerinė technika, nedidelės mobilios elektrinės, cisternos visame pasaulyje varomi vidaus degimo varikliais.
Šiuolaikinės tobulinimo kryptys ir iššūkiai
Vidaus degimo variklių konstrukcija nuolat tobulinama. Vienas iš esminių šuolių įvyko, kai buvo pristatytos „Common-Rail“ aukšto slėgio degalų įpurškimo sistemos dyzeliniams varikliams maždaug 2000-aisiais. Šiuo šuoliu buvo pastebimai padidintas dyzelinių variklių naudingumo koeficientas.
XX a. pabaigoje ir XXI a. pradžioje pastebima tendencija mažinti variklių darbinį tūrį, siekiant didesnio ekonomiškumo. Mažesni varikliai turi mažesnius mechaninius nuostolius ir, esant didesniam energijos kiekiui cilindre, gali atlikti tą patį darbą kaip ir didesni varikliai, būdami ekonomiškesni. Tačiau tai atsiliepia variklio resursui, nes variklio detalės yra kur kas labiau apkraunamos, cilindruose susidaro didesnis slėgis. Dėl to keliami kitokie reikalavimai medžiagoms - cilindrų apdirbimo paviršiai, stūmokliai ir alkūniniai velenai gaminami naudojant tobulesnes technologijas, yra jonizuojami ir padengiami specialiomis medžiagomis.
Kitas svarbus VDV parametras - stūmoklio eigos santykis su cilindro skersmeniu. Dyzeliniuose varikliuose stūmoklio eiga paprastai didesnė. Kuo didesnė stūmoklio eiga, tuo didesnis sukimo momentas ir žemesnis apsukų diapazonas. DOHC (Dual Overhead Camshaft) tipo varikliai su dviem paskirstymo velenėliais virš cilindro leidžia padidinti vožtuvų skaičių virš kiekvieno cilindro (dažnai iki keturių), gerinant deguonies pritekėjimą ir deginių šalinimą.
Variklių kūrėjai nuolat ieško būdų, kaip padidinti naudingumo koeficientą. Nors šiuolaikinių dyzelinių variklių naudingumo koeficientas siekia apie 0,45, vis dar egzistuoja rezervai, lyginant su teoriniais idealiais skaičiavimais. Dėl to vystomos naujos technologijos, siekiant toliau didinti efektyvumą ir mažinti emisijas.
Pasaulinės tyrimų ir plėtros institucijos
Variklių gamintojai ir mokslo institucijos visame pasaulyje aktyviai dirba vidaus degimo variklių tobulinimo srityje. Tarp žinomiausių yra:
- Austrijos AVL įmonė: Įkurta 1948 m., ji yra aukštųjų technologijų įmonė, turinti didelį matomumą ir gerą reputaciją pasaulinėje automobilių ir variklių pramonėje.
- FEV Vokietijoje: Viena iš keturių autoritetingų vidaus degimo variklių tyrimų ir plėtros institucijų pasaulyje.
- „Ricardo Company“: Įkurta 1915 m. sero Harry Ricardo, ji turi 106 metų istoriją. Vienas iš pagrindinių jos tyrimų projektų yra susijęs su variklio uždegimo pasukimo kampu ir kuro degimo charakteristikomis.
- Southwest Research Institute® (SwRI): Įkurta 1947 m. kaip nepriklausoma, pelno nesiekianti taikomųjų tyrimų ir plėtros organizacija, besispecializuojanti technologijų kūrimo ir perdavimo srityje. Instituto mokslinių tyrimų ir plėtros verslas apima aplinkos mokslą, variklių projektavimą ir eksperimentavimą, kurą, medžiagas, tepalus, emisijas, skysčių inžineriją ir kt.
Nors automobilių pramonėje pastebima tendencija pereiti prie elektrinių transporto priemonių, vidaus degimo varikliai, ypač dyzeliniai, dar ilgai išliks svarbūs dėl savo privalumų, tokių kaip didelis veikimo nuotolis ir greitas degalų papildymas. Variklis yra esminis elementas, užtikrinantis pagrindinę transporto priemonės savybę - judėti.
tags: #vidaus #degimo #variklis #dyzelis