Дизельный двигатель: принцип работы, устройство

Принцип работы двигателя Дизеля

Принцип действия мотора дизельного типа отличается от бензиновых моторов. Здесь отсутствуют свечи зажигания, а топливо подается в цилиндры отдельно от воздуха.

Цикл работы такого силового агрегата можно представить в следующем виде:

• в камеру сгорания дизеля подается порция воздуха;
• поршень поднимается, сжимая воздух;
• от сжатия воздух нагревается до температуры около 800˚C;
• в цилиндр впрыскивается топливо;
• ДТ воспламеняется, что приводит к опусканию поршня и выполнению рабочего хода;
• продукты горения удаляются с помощью продувки через выпускные окна.

От того, как работает дизельный двигатель, зависит его экономичность. В исправном агрегате используется бедная смесь, что позволяет сэкономить количество топлива в баке.

От чего зависит компрессия

Как уже сказано, компрессия дизельного двигателя, и не только его, а всех силовых установок, зависит от состояния цилиндро-поршневой группы и газораспределительного механизма.

Но помимо этого компрессия двигателя еще и зависит от количества оборотов коленвала. Чем ниже его обороты, тем больше времени у воздуха, находящегося внутри цилиндра найти место, где он может выйти из нее.

Поэтому при замере компрессии важно проследить о том, чтобы стартер обеспечил хотя бы минимальных 200-250 оборотов коленчатого вала в минуту. Иначе показания компрессометра не будут соответствовать реальному значению этого показателя.

Это конечно, не все факторы, влияющие на компрессию, но перечисленные являются одними из основных.

Как устроен дизельный двигатель

Основным отличием конструкции дизеля от бензиновых моторов является наличие топливного насоса высокого давления, дизельных форсунок и отсутствие свечей зажигания.

Общее устройство этих двух разновидностей силового агрегата не различается. И в том, и в другом имеются коленчатый вал, шатуны, поршни. При этом у дизельного мотора все элементы усилены, так как нагрузки на них более высокие.

На заметку: некоторые движки дизельного типа имеют свечи накаливания, которые ошибочно принимаются автолюбителями за аналог свечей зажигания. На самом деле, это не так. Свечи накаливания используются для нагрева воздуха в цилиндрах в мороз.

При этом дизель легче заводится. Свечи зажигания в бензиновых моторах применяются для воспламенения топливовоздушной смеси в процессе работы двигателя.

Систему впрыска на дизелях делают прямой, когда топливо поступает непосредственно в камеру, или непрямой, когда воспламенение происходит в предкамере (вихревая камера, фор-камера). Это небольшая полость над камерой сгорания, с одним или несколькими отверстиями, через которые туда поступает воздух.

Такая система способствует лучшему смесеобразованию, равномерному нарастанию давления в цилиндрах. Зачастую именно в вихревых камерах применяются калильные свечи, призванные облегчить холодный пуск. При повороте замка зажигания, автоматически запускается процесс нагрева свечей.

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси. Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода. Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

   Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

3. Тип камеры сгорания, который оказывает влияние на задержку воспламенения, гак как в зависимости от типа камеры по разному будет проходить распространение топлива по объему воздушного заряда и в пристеночной зоне. Кроме того температура стенок камеры сгорания также будет зависеть от ее типа.
4. Интенсивность направленного движения заряда в камере. Увеличение интенсивности движения заряда несколько сокращает период задержки воспламенения. На рисунке показаны способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске.
5. Тип распылителя форсунки. Форсунка закрытого типа сокращает период задержки воспламенения. Разделенные камеры сгорания имеют основную и вспомогательную полости, соединенные горловиной. В настоящее время применяют в основном вихревые камеры сгорания и предкамеры, где ось соединительной горловины направлена по касательной к внутренней поверхности камеры сгорания. Разделенные камеры сгорания обеспечивают более полное сгорание топлива и менее жесткую работу за счет сокращения времени задержки воспламенения.
6. Нагрузка. С ростом нагрузки увеличивается давление и температура цикла, что приводит к повышению теплового режима двигателя, а это к свою очередь вызывает сокращение времени задержки воспламенения.
7. Частота вращения коленчатого вала. Увеличение частоты вращения коленчатого вала приводит к улучшению распыления, увеличению давления и температуры конца сжатия, что способствует сокращению первой фазы горения, особенно в дизелях с разделенными камерами сгорания. Продолжительность первой фазы горения при этом растет.

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой.

При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна.

Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
3. Нагрузка.

   С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.

4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения.

В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.
3. Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано.

Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие четвертой фазы горения

1. Турбулентное движение заряда, которое улучшает контакт топлива и воздуха и, следовательно, улучшает догорание.
2. Качество распыления в конце подачи топлива. Чем больше диаметр капель, тем продолжительнее процесс догорания Нечеткость отсечки топлива в конце впрыска, как и продолжительное снижение давления в конце впрыска не только снижают тепловыделение, но и вызывают закоксовывание сопел форсунок.
3. Попадание топлива на холодные стенки внутри цилиндрового пространства приводит к увеличению времени догорания, поэтому увеличение нагрузки дизеля до его прогрева нежелательно.
4. Наддув. Используя наддув, увеличивают количество подаваемого топлива, в том числе и путем затяжного впрыска, что приводит к увеличению времени догорания.

Устройство топливной системы дизельного мотора

Топливная система отвечает за подачу строго определенного количества топлива с определенным давлением по определенному графику. Поэтому это достаточно сложный и дорогой узел дизельного двигателя. Топливная система включает следующие основные элементы:

1. Топливный насос высокого давления. Подает топливо к форсункам в зависимости от действий водителя, режима работы мотора и инструкций управляющей программы. Современные топливные насосы представляют собой главный исполнительный механизм, который отрабатывает директивы шофера и управляет двигателем. На последних моделях легковых дизельных авто устанавливают топливные насосы распределительного типа, которые равномернее подают топливо, хорошо работают на высоких оборотах, имеют компактный размер.
2. Форсунки. Совместно с топливным насосом подают дозированное количество топлива в камеру сгорания. Тип распылителя форсунки задает форму факела сгорания топлива, давление её открытия – рабочее давление топливной системы. В настоящее время используются форсунки с многодырчатым и шрифтовым распылителем. Распылители форсунок обычно изготавливают из жаропрочных материалов, поскольку они непосредственно контактируют с камерой сгорания.
3. Топливный фильтр. Отделяет засоры и воду в топливной смеси. Насос ручной подкачки позволяет удалить воздух из топливной системы. Дополнительная установка электрического подогрева на топливном фильтре позволяет облегчить запуск мотора при низких температурах, избежать забивания фильтра парафином после кристаллизации дизельного топлива.

Плюсы и минусы дизельного мотора

Как и любой другой тип силового агрегата, дизельный мотор имеет положительные и отрицательные черты. К «плюсам» современного дизеля относят:

• экономичность;
• хорошую тягу в широком диапазоне оборотов;
• больший, чем у бензинового аналога, ресурс;
• меньшее количество вредных выбросов.

Дизель не лишен и недостатков:

• моторы, не оснащенные свечами накаливания, плохо заводятся в мороз;
• дизель дороже и сложнее в обслуживании;
• высокие требования к качеству и своевременности обслуживания;
• высокие требования к качеству расходных материалов;
• большая, чем у бензиновых движков, шумность работы.

Что такое Common Rail

Common Rail – современная система впрыска топлива, разработанная компанией Bosch и использующая принцип подачи солярки к форсункам от топливной рампы, являющейся аккумулятором высокого давления. Common Rail позволяет сделать агрегат тише, при этом более экономичным и экологичным. Еще одним преимуществом использования общей топливной рампы являются широкие возможности регулировки давления топлива и момента его впрыска, поскольку эти процессы разделены.

Система включает в себя ТНВД (топливный насос высокого давления), пьезоэлектрические форсунки, топливную рампу, регулятор давления топлива и клапан дозирования топлива. Интересно, что на заре своей эволюции дизельные агрегаты имели не в пример более простую топливную аппаратуру с механическими форсунками и несопоставимо более низким давлением солярки на фоне современных систем.

Дизельный двигатель с турбонаддувом

Принцип работы турбины на дизельном двигателе практически не отличается от такового на бензиновых моторах. Суть заключается в нагнетании в цилиндры дополнительного воздуха, что закономерно увеличивает количество поступающего топлива. За счет этого отмечается серьезный прирост мощности мотора.

Устройство турбины дизельного двигателя также не имеет существенных отличий от бензинового аналога. Устройство состоит из двух крыльчаток, жестко связанных между собой, и корпуса, внешне напоминающего улитку. На корпусе турбокомпрессоров имеется 2 входных и 2 выходных отверстия. Одна часть механизма встраивается в выпускной коллектор, вторая во впускной.

Схема работы проста: газы, выходящие из работающего мотора, раскручивают первую крыльчатку, которая вращает вторую. Вторая крыльчатка, вмонтированная во впускной коллектор, нагнетает атмосферный воздух в цилиндры. Увеличение подачи воздуха приводит к увеличению подачи топлива и росту мощности. Это позволяет мотору быстрее набирать скорость даже на низких оборотах.

Турбина и интеркуллер

Турбина позволяет повысить производительность ДВС. Топливо полностью перегорает в камере, в результате повышается мощность мотора. Турбокомпрессор обеспечивает большое поступление воздуха с самых низких оборотов. Благодаря тому, что дроссельная заслонка попросту отсутствует в этой конструкции, это позволяет полнее наполнить цилиндры.

В двигателях с турбиной сжатый воздух сильно нагревается. Это не очень хорошо сказывается на турбонадуве – снижается эго эффективность, происходит потеря мощности. Интеркуллер – промежуточный охладитель воздуха, который охлаждает воздух, что способствует повышению его плотности и большей наполняемости цилиндров.

Благодаря слаженной работе турбины и интеркуллера мощность мотора возрастает на 15-20%.

Конструкция

Особенности

Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки – ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень.

Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода.

Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.

Поршни и свечи дизеля

Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.

Типы камер сгорания

Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные.

Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.

Камеры сгорания дизельного двигателя

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в
цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Системы питания

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.

Система питания дизельного двигателя

Топливный насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции солярки в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.

Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название – рядные ТНВД. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.

Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, нежели насосы рядные, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам.

Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сразу же стало ясно, что с устаревшей механической системой питания эту задачу не решить. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима.

Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности отработанных газов.

Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса горения топливо – воздушной смеси. Для чего надо заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь необходима высокая точность дозы и точность момента впрыскивания. Сделать это можно, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи. Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом.

В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, а значит и уменьшению вредных веществ в выхлопе. Хорошо, спросите вы, а почему бы не сделать такое же повышенное давление в обычном ТНВД и всей этой системе? Увы, не получится. Потому что есть такое понятие, как “волновое гидравлическое давление”. При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, “бегающие” по топливопроводу. И чем сильнее давление, тем сильнее эти волны. И если далее повышать давление, то в какой-то момент может произойти обыкновенное разрушение трубопроводов. Ну, а о точности дозирования механической системы впрыска даже и говорить не приходится.

Насос-форсунка дизельного двигателя

В результате были разработаны два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел (насос-форсунка), а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы.

Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. За счет этого насос-форсунка может развить давление до 2200 бар. Дозированием топлива, сжатого до такой степени и управлением угла опережения впрыска занимается электронный блок управления, выдавая сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок.

Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.

Система питания Common Rail

Система питания Common Rail используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска.

Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам.

Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могуть быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок – высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд».

Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота- одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля.

Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска. В системах третьего поколения оно составляет 2000 бар. В ближайшее время в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.

Турбояма

В процессе работы турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Раскрутить ее до необходимой скорости вращения моментально невозможно. Это приводит к появлению т.н. турбоямы, когда с момента нажатия на педаль газа до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).

Проблема решается доработкой турбинного механизма и установкой нескольких крыльчаток разного размера. При этом маленькие крыльчатки раскручиваются моментально, после чего их догоняют элементы большого размера. Такой подход позволяет практически полностью ликвидировать турбояму.

Также производятся турбины с изменяемой геометрией, VNT (Variable Nozzle Turbine), призванные решать те же проблемы. В настоящий момент существует большое количество модификаций подобного типа турбин. Коррекция геометрии успешно справляется и с обратной ситуацией, когда оборотов и воздуха становится слишком много и необходимо притормозить обороты крыльчатки.

Volkswagen 1.6 TDI

Вне конкуренции по расходу топлива остаётся дизель TDI, разработанный инженерами компании Volkswagen. Он самый экономичный. При объёме в 1,6 литров конструкторам удалось заметно снизить аппетиты мотора, сохранив мощность, 90-120 л. с. в разных модификациях.

В моторе 1.6 TDI используются система впрыска Common Rail, инжекторы Bosh и турбонагнетатель с изменяемой геометрией. Благодаря увеличенному давлению в системе подачи топлива и усовершенствованной турбине удалось добиться расхода топлива всего в 4,5 л/100 км. И это при неторопливой езде по городу. На трассе этот мотор показывает гораздо лучший результат – 3,5 л/100 км по паспорту, а в действительности он может приближаться вплотную к 3 литрам.

Дизель 1.6 TDI использовался во многих автомобилях марок Volkswagen, Audi, Scoda. Его расчётный ресурс – 350 000 километров.

Дополнительные компоненты двигателя

Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, есть еще дополнительные детали и узлы, которые улучшают характеристики и работу ДВС.

Принцип работы турбины

Турбина — это устройство, которое создает дополнительного нагнетание топлива. Двигатель с турбиной имеет большую производительность.

Идея создания турбины появилась при обнаружении такого факта, что при движении поршня вверх, солярка не успевает полностью сгорать.

С помощью турбины, сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего уменьшается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

• подшипники — служит опорой дает возможность вращаться валу;
• кожух на турбине;
• кожух на компрессоре;
• стальная сетка.

Цикл работы турбонаддува:

1. Компрессор создает вакуум и всасывается воздух внутрь системы.
2. Ротор турбины передает вращение ротору.
3. Интеркулер охлаждает воздух.
4. Через впускной коллектор осуществляется подача воздуха, предварительно воздух проходит степени очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха, впускной клапан закрывается.
5. Отработанные газы движутся через турбину ДВС и создают давление на ротор.
6. В этот момент скорость вращения турбины вала турбины очень высока, достигает 1500 оборотов в секунду. От этого начинает вращаться ротор компрессора.

Цикл далее повторяется.

При охлаждении воздуха, его плотность увеличивается. Если плотность воздуха стала больше, значит можно закачать воздух большим объемом. Чем больший поток воздуха подается в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.

Типы камер сгорания

В зависимости от их геометрии различают следующие виды камер сгорания.

Разделенные. В этом случае первичный впрыск горючего производится в отдельную полость, расположенную в головке блока. Такая технология позволяет снизить нагрузку на поршневую группу, а также значительно уменьшить шум от работы двигателя.

При этом процесс образования смеси может быть:

• Форкамерным (предкамерным). Топливо под давлением поступает в предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими каналами, где ударяется о ее стенки и таким образом смешивается с воздухом. После воспламенения смесь передается в основную камеру, где и дожигается полностью. Необходимый для максимально быстрого истечения газов через каналы перепад давления между цилиндром и форкамерой возникает в момент хода поршня на сжатие и на расширение.
• Вихрекамерным. В этом случае первичное возгорание смеси также производится в отдельной камере, имеющей сферическую геометрию. В момент хода поршня на сжатие порция воздуха поступает в нее по соединительному каналу и интенсивно закручивается, образуя вихревой поток, за счет чего хорошо смешивается с горючим, поданным в определенный момент.

Характерными недостатками агрегатов с разнесенными камерами сгорания является усложненный запуск и повышенный расход топлива в связи с потерями при переходе порции воздуха в дополнительную камеру и обратного хода воспламененной смеси – в цилиндр.

Неразделенные. В этом случае горючее под давлением подается в цилиндр, а камерой служит полость, выбранная в донце поршня. В силу того, что такие агрегаты характеризуются повышенным уровнем шума и вибраций в процессе работы, особенно – при разгоне, до недавнего времени неразделенные агрегаты использовались на низкооборотистых моторах большого объема, предназначенных для коммерческого транспорта. Появление электронных систем впрыска позволило оптимизировать сгорание смеси в таких двигателях и значительно снизить уровень шума от их работы, что в свою очередь сделало неразделенные конструкции наиболее перспективным технологическим решением при проектировании новых типов силовых агрегатов.

Интеркуллер

Было замечено, что если при смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркуллера – дополнительного элемента турбин, повышающего эффективность работы.

После всасывания воздуха он проходит через радиатор, и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой можно подробно ознакомиться со схемой работы интеркуллера.

За турбиной современного автомобиля необходимо должным образом ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и перегреву. Поэтому смазочный материал рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров пробега.

Кроме того, после остановки машины следует оставлять ДВС включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (при резком прекращении циркуляции масла она перегревается). К сожалению, даже при грамотной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.

На заметку: оптимальным решением проблемы перегрева турбины на дизельных моторах является установка турботаймера. Устройство оставляет двигатель запущенным на протяжении необходимого времени после выключения зажигания. После окончания необходимого периода электроника сама выключает силовой агрегат.

Строение и принцип действия дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом на тяжелом транспорте, которому необходима хорошая тяга «на низах». Современные дизели с равным успехом работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым: приемистость и время набора скорости.

Сложный уход за дизелем компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.

Что еще стоит почитать

Система питания дизельного двигателя

Топливно воздушная смесь

Впускной коллектор с изменяемой геометрией

Принцип работы двигателя автомобиля

Принцип работы инжектора

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
3. Нагрузка. С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.
4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.