Циклический характер работы двс один из его недостатков, но вместе с тем именно благодаря ему в двс реализуются высокие максимальные температуры и давления (стр. 2 из 27)
Поскольку в дизелях 45…50% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, уносится с выпускными газами и рассеивается в окружающем пространстве теплообменниками системы охлаждения, то широко используется (особенно в судовых, тепловозных и стационарных двигателях) различные системы вторичного использования теплоты (силовые газовые турбины, другие типы расширительных машин, и др.). В комбинированных силовых установок с дизелем и системами вторичного использования теплоты коэффициент использования теплоты достигает 80. .. 90%. Совершенствование показателей качества транспортных дизелей в последние десятилетия XX века происходило в направлении непрерывного повышения их удельной мощности, снижения выбросов токсичных веществ с отработавшими газами, ограничения уровня виброакустического излучения и повышения надежности. Главным средством для повышения удельной мощности по-прежнему являлся наддув дизелей и в меньшей степени удельная мощность увеличивалась путем повышения частоты вращения. Наддув двигателей обеспечил транспортным дизелям высокие мощностные показатели, превосходные показатели по маневренности ( прежде всего улучшил их внешние характеристики), а повышение частоты вращения легких дизелей до 4000-5000 мин -1 несколько сократил разрыв в литровой мощности между бензиновыми двигателями и дизелями. Характерно, что фирмы для достижения высоких показателей решительно пошли на внедрение технических решений, связанных со значительным усложнением конструкции двигателей и их систем. В конструкции двигателей внедрены системы воздухоснабжения с управляемым вихревым движением заряда цилиндра, агрегаты наддува с разнообразнейшими средствами регулирования турбин и компрессоров, управляемые фазы газораспределения, интегрированные электронные системы управления топливоподачей, воздухоснабжением, нейтрализации выпускных газов, бортовые системы диагностирования и др. Произошло значительное форсирование двигателей по параметрам рабочего процесса. Например, максимальное давление сгорания в автомобильных дизелях достигло 16-18 МПа и выше, создается топливная аппаратура с максимальным давлением впрыскивания 160-200 МПа. При этом достижение высоких показателей дизелей по показателям функционирования, экологическим показателям и надежности неразрывно связано с повышением качества изготовления деталей, применением новых конструкционных и композитных материалов. Эта политика является единственно правильной в условиях жесточайшей конкуренции на рынке сбыта, поэтому все фирмы ведут интенсивный поиск новых путей в создании двигателей для автомобилей и энергоустановок XXI века, объединяя свои усилия на государственном и международном уровнях с привлечением новейших технологий. В качестве основных энергетических установок для автомобилей нового поколения рассматриваются двигатели внутреннего сгорания с непосредственным впрыскиванием топлива в цилиндр.
Десять лет назад количество дизелей в автомобилестроении Западной Европы составляло около 14%. В настоящее время эта величина выросла до 45 %, что объясняется внедрением топливной системы с непосредственным впрыском топлива, разработкой для дизелей фирмой БОШ электронной системы управления Motronic MED7, применение которой уменьшило расход топлива на 15-40% (особенно на частичных нагрузках). Стимулируют широкое применение дизелей и выбросы CO2 , которые должны быть уменьшены со 186 г/км в 1998 г. до 140 г/км в 2008 г.
Центральным при разработке дизелей нового поколения является достижение ведущих показателей качества – удовлетворение перспективным требованиям по удельной мощности (50-60 кВт/л), экономичности (185-195 г/(кВт.ч)), экологическим показателям выброс токсичных веществ не хуже Евро-4, маневренности и надежности, а также удовлетворение ряду дополнительных требований, вытекающих из требований старшей системы – транспортного средства. К числу этих требований следует отнести низкую удельную массу, приемлемые габаритные показатели, стоимость изготовления, а также требования по обеспечению комфорта и безопасности.
Видное место в обосновании концепции транспортного двигателя принадлежит средствам снижения эмиссии токсичных веществ двигателями. Все известные на сегодня методы можно разделить на три группы. К первой группе следует средства, обеспечивающие уменьшение образования токсичных веществ в двигателе (совершенствование конструкции двигателя, систем топливоподачи, процессов смесеобразования и сгорания, турбонаддув и управляемое воздухоснабжение , рециркуляция отработавших газов, комплексное электронное управление топливоподачей и воздухоснабжением, рециркуляция отработавших газов). Ко второй группе относят мероприятия химмотологического характера, такие как уменьшение содержания серы в топливе (до величин 50 ppm и в перспективе до величины 30 ppm), ограничение содержания в топливе ароматических углеводородов (не более 10%), увеличение цетанового числа, обогащение топлива кислородом, применение антидымных и других присадок к топливу, применение смазочных материалов с повышенными экологическими свойствами. Третья группа мероприятий связана с нейтрализацией вредных веществ в выпускном коллекторе (фильтры твердых частиц, каталитические окислительные и восстановительные нейтрализаторы). К этой же группе следует отнести и средства ограничения акустического излучения (глушители, капсулирование, экранирование).
Качество смесеобразования в дизелях с непосредственным впрыскиванием топлива определяется интенсивностью вихревого движения заряда в камере сгорания, уровнем мелкомасштабной турбулентности и характером распространения топливных струй в камере сгорания. Движение воздушного заряда в камере зависит от взаимодействия потоков, создаваемых во впускных каналах и потока от вытеснительного движения поршня, а также от возмущений, вносимых в движение заряда топливными струями. Известно, что требуемое по условиям смесеобразования и показателей токсичности вихревое отношение уменьшается с ростом диаметра цилиндра и в диапазоне диаметра цилиндра 80-100 мм лежит в пределах 3,0-1,0.
Большое значение для смесеобразования и последующего сгорания имеет камера в поршне. Для непосредственного впрыскивания наибольшее распространение получила омегообразная камера сгорания, выполненная с таким расчетом, чтобы 70-80% объема камеры сгорания были сосредоточены в поршне. Предварительная оптимизация формы камеры сгорания должны выполняться методом компьютерной оптимизации с моделированием движения потоков рабочего тела и распространением топливных струй. Существенное значение на качество смесеобразования имеют соотношения характерных размеров камеры в поршне (диаметра горловины камеры к диаметру поршня и диаметра горловины к максимальному диаметру камеры в поршне). Однако ключевым моментом в организации качественного рабочего процесса является топливоподача и согласование характеристик топливных факелов с формой камеры сгорания и аэродинамической обстановкой.
Наибольшая эффективность при решении комплексной проблемы повышения экономичности, снижения токсичности и улучшения внешней характеристики может быть достигнута при совместном управлении топливоподачей и воздухоснабжением. Это управление позволяет целенаправленно изменять коэффициент избытка воздуха
путем согласования подачи воздуха с величиной цикловой подачи топлива в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Увеличение давления наддува 
k с низкими α дает возможности уменьшать угол опережения впрыскивания с целью снижения эмиссии оксидов азота NOx без заметного снижения экономичности и увеличения выбросов CO и CHx и сажи. Требуемый закон управления давлением наддувочного воздуха может быть реализован с использованием различных способов воздействия на процессы воздухоснабжения: регулирование компрессора поворотными лопатками на входе и выходе, дросселирование воздуха после компрессора; выпуск в атмосферу части сжатого воздуха; дросселирование воздуха на входе в компрессор; подвод дополнительной энергии к турбокомпрессору; перепуск части сжатого в компрессоре воздуха в турбину; дросселирование газа на выходе из турбины; регулирование турбины поворотом сопловых лопаток (РСА); регулирование проходного сечения турбины; перепуск части газов мимо турбины; применение дополнительной (форсажной) камеры сгорания перед турбиной; управляемый привод клапанов. Эти способы имеют различную эффективность, надежность и технические трудности при реализации. Наименьшую эффективность имеют способы управления с применением дросселирования воздуха на входе в компрессор и газа на выходе из турбины. Это обусловлено значительными потерями энергии при дросселировании и соответствующим снижением экономических и экологических показателей дизеля. В частности, дросселирование на выходе из турбины приводит к ухудшению очистки цилиндров, снижению α, повышению температур сгорания и увеличению содержания основных токсичных компонентов в выпускных газах. Наибольшей сложностью и необходимостью тщательной отработки на надежность отличаются способы с применением поворотных лопаток диффузора компрессора и соплового аппарата турбины. Кроме того, этим способам присущи утечки воздуха и газа через зазоры и возможность закоксовывания лопаток РСА. Тем не менее в последнее время ряд зарубежных фирм разработали для транспортных двигателей турбины с РСА либо турбины с регулируемым сечением соплового аппарата (Гаррет, ККК, Холсет, Хино, Альфа Ромео, Швитцер, Аэродайн Даллас и др.). Внедрение турбокомпрессоров с таким способом регулирования позволило снизить эксплуатационные расходы топлива на 7-12%.