Dyzeliniai varikliai – atsiradimas ir evoliucija (2 dalis)

7 spalio 2013, 20:20

Šiame straipsnyje tęsiame pasakojimą apie dyzelinių variklių atsiradimą ir evoliuciją.

Veikimo principas – keturių taktų ciklas

Pamėginsime aprašyti, kaip veikia keturių taktų dyzelinis variklis:

1-as taktasįpurškimas. Atitinka alkūninio veleno apsisukimą 0°—180°. Per atidarytą 345°—355° įsiurbimo vožtuvą oras patenka į cilindrą, o esant 190°—210°, vožtuvas užsidaro. Mažiausiai 10°–15° iki alkūninio veleno apsisu­kimo būna atidarytas ir išmetimo vožtuvas, o laiko tarpas, per kurį yra atidaryti abu vožtuvai, vadinamas vožtuvų persidengimu.

2-as taktassuslėgimas. Atitinka alkūninio veleno apsisukimą 180°—360°. Stūmoklis, judėdamas link VRT (viršutinio rimties taško), suslegia orą 16 (lėtaeigiuose) arba 25 (greitaeigiuose) kartus.

3-as taktasdarbinė eiga, išsiplėtimas. Ati­tinka alkūninio veleno apsisukimą 360°—540°. Įpurškiant kurą į karštą orą, įvyksta savaiminis jo užsiliepsnojimas, tai yra dalinis jo išgarinimas, laisvųjų radikalų susidarymas viršutiniuose lašelių sluoksniuose ir garuose, būtent tuomet jis užsiliepsnoja bei tiekiamas iš purkštuko palaipsniui sudega, o degi­mo produktai plėsdamiesi stumia stūmoklį žemyn. Įpurškimas ir kuro užsiliepsnojimas dėl tam tikro degimo proceso inertiškumo įvyksta kiek anksčiau, nei stūmoklis pasiekia viršutinį rimties tašką. Skirtumas, lyginant su degimo momentu benzininiuose varikliuose, yra toks, kad vėlavimas reikalingas tik dėl pir­minio įsiliepsnojimo laikotarpio, kuris kiekviename konkrečiame dyzeliniame variklyje yra pastovus dydis ir darbo procese negali būti keičiamas. Todėl kuras dega dyzeliniame variklyje ilgiau, tai yra tiek laiko, kiek trunka jo dozės įpurškimas iš kuro purkštuko. Dėl šios priežasties darbinis procesas vyksta esant sąlyginai pastoviam dujų slėgiui, o tai leidžia varikliui išvystyti didelį sukimo momentą. Taigi galima daryti dvi svarbiausias išvadas:

1 išvadadegimo procesas dyzeliniame varik­lyje trunka lygiai tiek laiko, kiek reikia kuro dozei įpurkšti, bet ne ilgiau, nei trunka darbinė stūmoklio eiga;

2 išvadakuro ir oro santykis dyzelinio variklio cilindre gali smarkiai skirtis nuo ste­chiometrinio; be to, labai svarbu užtikrinti oro perteklių, nes deglo liepsna užima nedidelę degimo kameros tūrio dalį, todėl kameroje iki pat degimo proceso pabaigos turi būti užtikrinamas reikiamas deguonies kiekis. Jei tai nėra užtikrinama, įvyksta masy­vus nesudegusių angliavandenilių ir suodžių išmetimas — „variklis išspjauna juodą dūmą“;

4-as taktasišmetimas. Atitinka alkūninio veleno apsisukimą 540°—720°. Stūmoklis juda į viršų ir per atidarytą 520°—530° išmetimo vožtuvą stūmoklis išstumia panaudotas dujas iš cilindro. Toliau ciklas kartojasi.

Pagal degimo kameros konstrukciją dyzeliniai varikliai skirstomi į kelis tipus:

·         Dyzelinis variklis su neperskirta kamera: degimo kamera daroma stūmoklyje, o kuras įpurškiamas į virš stūmoklio esančią erdvę. Pagrindinis privalumas — minimalios kuro sąnaudos. Trūkumas — didesnis triukšmas („kietas darbas“), ypač tuščios eigos režimu. Šiuo metu daugelis gamintojų vykdo inten­syvius darbus nurodytam trūkumui pašalinti. Pavyzdžiui, „Common Rail“ sistemoje „kieta­jam darbui“ sumažinti naudojamas pirminis įpurškimas (dažnai kelių stadijų).

·         Dyzelinis variklis su perskirta kamera: kuras tiekiamas į papildomą kamerą. Dauge­lyje dyzelinių variklių tokia kamera (ji va­dinama sūkurine arba pirmine) sujungta su cilindru specialiuoju kanalu taip, kad suslegiamas oras, patekdamas į šią kamerą, sudarytų intensyvų sūkurį. Tai turi įtakos ge­resniam įpurškiamo kuro susimaišymui su oru ir kartu – didesnės kuro dalies sudegimui. Ši schema ilgą laiką buvo laikoma optima­lia lengviems dyzeliniams varikliams ir buvo plačiai taikoma lengvuosiuose automobiliuose. Tačiau dėl mažesnio ekonomiškumo per pastaruosius du dešimtmečius vyksta aktyvus tokių dyzelinių variklių išstūmimas – tai daro varikliai su neperskirtomis degimo kameromis ir „Common Rail“ kuro tiekimo sistemomis.

Veikimo principas – dviejų taktų cilindras

Be anksčiau minėto keturių taktų ciklo, dyzeliniuose varikliuose gali būti naudoja­mas dviejų taktų ciklas. Darbinės eigos metu stūmoklis juda žemyn, atidarydamas išmetimo langus, esančius cilindro sienelėse, pro šiuos langus pašalinamos išmetamosios dujos, tuo pačiu metu arba kiek vėliau atsidaro ir įsiurbimo langai. Cilindras, naudojant orapūtę, prapučiamas grynu oru – vykdo­mas prapūtimas, kuris atitinka išmetimo ir įsiurbimo taktus. Kai stūmoklis kyla, visi langai uždaromi. Užsidarius įsiurbimo langams, pra­sideda suslėgimas. Stūmokliui dar nepasiekus VRT, iš purkštuko įpurškiamas kuras, kuris netrukus užsiliepsnoja. Vyksta išsiplėtimas — stūmoklis, judėdamas žemyn, vėl atidaro visus langus ir t. t.

Prapūtimas – nuo pat pradžių silpnoji dviejų taktų ciklo vieta. Prapūtimo trukmė, lyginant su kitais taktais, yra nedidelė ir nėra galimybės jos padidinti, priešingu atveju dėl sutrumpėjusios darbinės eigos mažės jos efektyvumas. Keturių taktų cikle šiems procesams skiriama pusė ciklo. Taip pat neįmanoma visiškai atskir­ti išmetimo nuo gryno oro įsiurbimo, todėl dalis oro prarandama ir išmetama tiesiogiai į išmetimo vamzdį. Jei taktų kaitą užtikrina tas pats stūmoklis, tai kyla problema, susijusi su langų atidarymo ir uždarymo simetrija. Geres­nei dujų kaitai pravartu turėti išmetimo langų atidarymo ir uždarymo paankstinimą. Tuomet išmetimas, prasidėdamas anksčiau, užtikrina mažesnį liekamąjį slėgį cilindre prapūtimo ciklo pradžioje. Anksčiau uždarius išmetimo langus, bet dar tebeturint atidarytus įsiurbimo langus, vykdomas papildomas oro įpūtimas į cilindrą, ir jei orapūtė sukuria papildomą slėgį, tai galima naudoti turboįpūtimą.

Langai gali būti naudojami tiek panaudotoms dujoms pašalinti, tiek grynam orui įsiurbti. Toks prapūtimas vadinamas plyšių arba langų prapūtimu. Jei panaudotos dujos pašalinamos pro cilindro galvutės išmetimo vožtuvą, o langai naudojami tik grynam orui įsiurbti, toks prapūtimas vadinamas vožtuvų – langų prapūtimu. Pasitaiko variklių, kuriuose kiekviename cilindre priešpriešiais dirba du stūmokliai: kiekvienas stūmoklis valdo savo langus: vienas – įsiurbimo, kitas – išmetimo (sistema „Fairbanks-Morse“ — „Junkers“ — „Koreivo“: šios sistemos D100 šeimos dy­zeliai buvo naudojami šilumvežiuose ТЭ3, ТЭ10, tankų varikliuose 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), aviacijoje — bombonešiuose „Junkers“, modeliuose „Jumo 204“ bei „Jumo 205“).

Dviejų taktų variklyje darbinės eigos dvigubai dažnesnės nei keturių taktų, tačiau dėl prapūtimo ciklo dvitaktis dyzelinis variklis yra vos 1,6 – 1,7 karto galingesnis už tokio pat tūrio keturtaktį variklį.

Šiuo metu lėtaeigiai dvitakčiai dyzeliniai varikliai plačiai naudojami dideliuose jūriniuose laivuose, turinčiuose tiesioginį (be reduktoriaus) pavaros perdavimą sraigtui. Dėl dvigubo darbinių taktų skaičiaus, esant toms pačioms apsukoms, dvitaktis ciklas yra naudingesnis tais atvejais, kai nėra galimybės padidinti apsisukimų dažnio, be to, dvitaktis dyzelinis variklis techniniu požiūriu lengviau reversuojamas. Tokių lėtaeigių dyzelinių variklių galia gali siekti net iki 100 000 AG.

Kadangi atlikti sūkurinės kameros prapūtimą dvitakčiame cikle yra labai sudėtinga, todėl dvitakčiai dyzeliniai varikliai gaminami tik su neperskirtomis degimo kameromis.

Tęsinys kitame straipsnyje.

Komentarai

Komentarų nėra. Būkite pirmas!