О конструктивных особенностях дизелей, в сравнении с бензомоторами
И дизель, и бензиновый мотор являются двигателями внутреннего сгорания. В глобальном смысле, по своей конструкции дизель не отличается от бензомотора: и там, и здесь – цилиндры, поршни и шатуны в них. Однако в дизелях степень сжатия гораздо выше (19-24 единицы, а у бензинового – 9-11). Потому и все детали, и клапаны в значительной степени усилены (чтобы противостоять намного более высоким нагрузкам). Потому и вес, и габариты дизельного мотора гораздо более внушительны, чем бензинового.
Главное же различие состоит в способах формирования топливно/воздушной смеси, её воспламенения и сгорания. В бензиновых моторах смесь топлива с воздухом формируется во впускной системе, а воспламеняется она от искры свечи зажигания. В дизельных же моторах горючее и воздух подаются в рабочие полости цилиндров по отдельности. Сначала воздух. Он накаляется до семи-восьми сотен градусов и сжимается. Когда затем в камеру сгорания под большим давлением впрыскивается топливо, то оно самовоспламеняется, практически мгновенно.
Таким образом, искры никакой не требуется. А свечи накаливания, которые установлены в цилиндрической головке представляют собой нагревательные элементы, типа паяльника, и предназначены они для быстрого обогрева воздуха в камере сгорания, покуда мотор ещё не прогрелся. Это называется системой предпускового подогрева.
Когда включается зажигание, свечи накаливания за несколько мгновений разогреваются до 800-900 градусов, прогревая воздух и обеспечивая процесс самовоспламенения. Сигналы о работе данной системы подаёт водителю контрольная лампа. Электропитание снимается со свечей в автоматическом режиме, спустя 15-20 секунд после запуска непрогретого двигателя, когда его устойчивая и стабильная работа уже вполне обеспечена. Решающая же роль в обеспечении подобных показателей работы мотора принадлежит его топливной системе, об устройстве которой и пойдёт речь.
Как происходит запуск дизельного двигателя?
Принцип работы дизельного двигателя следующий: в цилиндры поступает чистый воздух, который вследствие высокого сжатия нагревается до 700°С и более. После этого, при приближении поршня к верхней точке его траектории в камеру сгорания под давлением подается горючее, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Момент воспламенения сопровождается резким повышением давления в цилиндре. Такой принцип работы позволяет мотору работать на максимально обедненных смесях, что обеспечивает экономичность его эксплуатации.
Для холодного старта дизеля используется система предпускового нагрева, основным элементом которой являются свечи накаливания –нагревательные элементы, размещенные в камерах сгорания. Они позволяют за несколько секунд поднять температуру воздуха до требуемого значения. При включении системы в салоне загорается лампочка. Ее обесточивание свидетельствует о готовности двигателя к запуску. Подача электроэнергии к свечам прерывается автоматически, спустя 15сек – 25 сек после старта. Это условие позволяет обеспечить стабильную работу непрогретого агрегата. Современные системы данного типа делают возможным легкий запуск дизеля при температурах до -30°С при условии исправности мотора и использования масла и топлива соответствующей сезонности и качества.
Конструктивные особенности
Схема дизельного двигателя в целом повторяет механизм бензинового силового агрегата с той разницей, что аналогичные детали значительно усиливаются с учетом более высоких нагрузок. Поскольку воспламенение происходит в результате сжатия, из схемы исключаются компоненты системы зажигания, а свечи заменяются на элементы накаливания, не дающие искры и предназначенные для предварительного прогревания воздуха в камерах сгорания.
Характерной особенностью конструкции дизельного двигателя, связанной с самим принципом его работы, является геометрия днища поршней. Их форма определяется спецификой камеры сгорания. В верхней точке хода поршня, его днище оказывается выше самой крайней точки блока цилиндров. В некоторых случаях, в донышке поршня и располагается сама камера сгорания. От ее типа и реализованного способа подачи смеси и зависят технические и экологические характеристики конкретной модели дизельного двигателя.
Принцип и общая схема работы топливной системы
Последовательность работы топливной системы дизельного двигателя следующая. Солярка закачивается из топливного бака при помощи топливоподкачивающего насоса (шестерёнчатого, либо помпового типа), а после фильтрации она подаётся топливным насосом высокого давления (ТНВД) на форсунки. Топливо после закачки из бака проходит сначала через фильтр грубой очистки, избавляясь от крупных включений. Далее, уже непосредственно перед топливным насосом высокого давления – сквозь фильтр тонкой очистки. В связке с ТНВД работают форсунки, через которые солярка в распылённом состоянии и впрыскивается в цилиндры.
Схему топливной системы дизельного двигателя двигателя можно не условно, а вполне чётко разделить на два отсека: высокого давления и низкого. На участке низкого давления осуществляется предварительная подготовка, фильтрация топливной смеси, перед его отправкой в отдел высокого давления. Отсек высокого давления, в свою очередь, дорабатывает смесь до конца и переводит её в рабочую камеру.
Основная функция топливной системы, описание её работы
Предназначение топливной системы дизельного двигателя состоит в том, чтобы подавать в цилиндры чётко отмеренный объём дизтоплива, в конкретный момент времени и под определённым давлением. Поэтому, из-за необходимости обеспечения постоянно высокого давления, а также за счёт высоких требований к точности работы, топливная система дизельного двигателя будет посложнее в конструкции, чем у бензинового, и достаточно дорого стоит.
Теперь попробуем представить себе бесперебойную работу топливной системы в поэтапном режиме, а для этого разберём по порядку отдельные её составные части. Итак, топливный бак служит для размещения солярки и обеспечения бесперебойной её подачи в систему. Эту функцию выполняют трубопроводы. Вначале топливоподкачивающий насос высасывает из бака горючее и через фильтры подаёт его в распределительную магистраль низкого давления. При этом в системе поддерживается стабильное давление в три атмосферы. Топливо дважды проходит фильтрацию, проходя через фильтры грубой и тонкой очистки.
В задачу топливных фильтров входит контроль за чистотой горючего и избавлением его от возможных посторонних примесей – от частичек грязи, воды, песчинок. Прошли те времена, когда дизели были весьма непритязательными к качеству топлива. Современные дизельные моторы требуют очень чистой солярки для сохранения достойных показателей своей работы. Чистота горючего сейчас – одно из основных и непременных условий эффективной работы двигателя. Топливо подаётся только в том случае, если в системе нет воздуха.
После фильтрации солярка попадает в магистраль высокого давления. Эта часть топливной системы обеспечивает подачу и впрыскивание необходимого количества топлива в цилиндры двигателя в определённые моменты. Топливный насос высокого давления, в соответствии с порядком работы цилиндров, по топливопроводам высокого давления подаёт солярку к форсункам.
Форсунки, размещённые в головках цилиндров, впрыскивают и распыляют горючее в камеры сгорания двигателя. Так как топливоподкачиваюший насос постоянно подаёт топливному насосу высокого давления топлива «с запасом», то есть несколько больше, чем нужно, то его избыток, а с ним – и попавший в систему воздух, по специальным дренажным трубопроводам, отводится обратно в бак.
Для обеспечения синхронного впрыска горючего устроена специальная топливная рамка, к которой и подсоединяются форсунки. Они своими головками находятся во впускной трубе и распыляют топливо, сразу же в момент его подачи.
ТНВД создаёт необходимый для впрыска показатель давления, и топливо распределяется по всем цилиндрам мотора. Количество впрыскиваемого топлива, а вместе с ним – и мощностной режим работы двигателя, варьируются нажатиями на педаль акселератора. В современных дизельных двигателях просто нажатием педали «газа» объём подаваемого топлива не увеличивается, а меняется лишь программа, по которой работают регуляторы.
Да, нажимая на педаль, водитель или механизатор уже не увеличивает этим непосредственную подачу топлива, как это было в карбюраторных движках прошлых лет. А только изменяет тем самым программы работы регуляторов, которые уже сами варьируют объём единовременной подачи горючего, по строго определённым зависимостям от числа оборотов, давления наддува, от положения рычага регулятора и т.п.
Главные составные части топливной системы дизельного двигателя
Итак, помимо топливного бака и магистральных топливопроводов, с которыми всё более или менее ясно, основными составными частями топливной системы дизельного мотора являются: топливоподкачивающий насос, фильтры грубой и тонкой очистки горючего, топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки.
Топливоподкачивающий насос
Устройство подкачивающего насоса дизельного топлива довольно несложное. Оно представляет собою две находящиеся в постоянном зацеплении шестерни. Когда происходит процесс вращения, зубья этих шестерней выполняют функцию лопастей, создавая и поддерживая ток горючего по направлению к ТНВД. Главным же действующим элементом подкачивающего насоса, который и непосредственно нагнетает топливо, является поршень. Как уже было отмечено, производительность топливоподкачивающего насоса устроена превышающей производительность насоса высокого давления, поэтому и оборудованы специальные топливопроводы для слива излишков обратно в топливный бак.
Топливный насос высокого давления
ТНВД предназначается для подачи топлива к форсункам под давлением, в соответствии со строго определенной программой, в зависимости от заданных режимов работы двигателя и от управляющих действий водителя. По своей сути, современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления работой двигателя и, в то же время, главного исполнительного механизма, реагирующего на команды шофера.
Благодаря внедрению в производство топливных насосов высокого давления с электронными системами управлением, а также 2-хступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания, получилось добиться достаточно устойчивой работы дизеля с неразделённой камерой сгорания на оборотах до 4500 в минуту, оптимизировать его экономичность, снизить показатели шума и вибрации.
Далее: по всей длине насоса, во внутренней его полости, расположен вращающийся вал, снабжённый специальными кулачками. Этот вал ТНВД получает энергию вращения от распределительного вала двигателя. Его кулачки при движении воздействуют на толкатели, которые, в свою очередь, и стимулируют нагнетающую работу поршня-плунжера. При своём продвижении вверх этот плунжер создаёт высокое давление топлива внутри цилиндра. Сила этого давления и выталкивает горючее, которое направляется по топливной магистрали к форсункам.
Для сравнения: на участке топливной системы низкого давления, где топливоподкачивающий насос гонит солярку через фильтры к ТНВД, давление составляет 3 атмосферы. А топливный насос высокого давления толкает горючее к форсункам с силой давления до 2000 атмосфер! Это нужно для того, чтобы обеспечить качественные впрыск и распыление топливной смеси в камеры сгорания цилиндров мотора.
Внутри корпуса, или гильзы, топливного насоса высокого давления расположен плунжер, иначе – специальный поршень, обладающий диаметром, значительно меньшим, чем его длина. Это называется плунжерной парой. Её детали притёрты друг к другу таким образом, что зазор не превышает 4-х мкм.
Поскольку работа дизеля в разных режимах и на разных оборотах требует, соответственно, и разного количества горючего, устройство плунжера было немного изменено: по его поверхности «пустили» специальную спиральную выточку, позволяющую менять величину активного хода при помощи механизма поворота плунжеров.
Это сделано было для того, чтобы плунжер мог не только нагнетать топливо под давлением по направлению к форсункам, но и регулировать количество, объём этой подачи. Для этого служит подвижная часть плунжера, которая, в зависимости от изменения параметров, может открывать или закрывать канавки внутри него. Данная подвижная часть соединена с педалью «газа» в кабине механизатора.
В зависимости от того, каков угол поворота плунжера, устанавливается и соответствующая степень открытия каналов прохождения топлива, и его непосредственное количество, подаваемое на форсунки.
Форсунки
Другой важнейший элемент топливной системы дизельного двигателя – это форсунки, на каждом из его цилиндров. Они, совместно с ТНВД, обеспечивают подачу строго дозированного количества топлива в камеры сгорания. Регулировки давления открытия форсунки формируют рабочее давление в топливной системе, а типы распылителей определяют форму факела топлива, которая имеет важное значение для активизации процессов самовоспламенения и сгорания. В современных дизельных моторах обычно применяются форсунки двух типов: со шрифтовым, или с многодырчатым распределителем.
Форсункам на двигателе приходится работать в очень тяжёлых условиях: игла распылителя совершает возвратно/поступательные движения с частотою в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель всё время непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из специальных, высоко-жаропрочных сплавов, делается с особой точностью и является прецизионным элементом.
Распределитель форсунок выполняет функцию равномерного поступления топлива в камеры сгорания и наиболее эффективное его воспламенение. Чем более мелко распыляется топливная смесь, тем устойчивее, в целом, получается работа силового агрегата. Не менее важный фактор – это равномерность распыления горючего, во всех возможных направлениях. Современные форсунки производятся с многочисленными мельчайшими отверстиями, как раз для того, чтобы распыление топливной смеси происходило во всех направлениях, и в равномерном режиме.
Кроме того, работа форсунок поддерживает следующие процессы, с которыми напрямую связана эффективная работа двигателя:
- Обеспечение высокого давления и температуры в камерах сгорания;
- Смешивание солярки с воздухом в оптимальном объёме;
- Соответствие угла опережения впрыска частоте вращения коленчатого вала мотора.
Форсунки бывают с механическим, либо с электромагнитным управлением. В обычных форсунках открытие отверстия распылителя связано с тем давлением, которое имеется на тот момент в топливной магистрали. Отверстие форсунки перекрывается иглой, соединённой со специальным поршнем вверху форсунки. Пока давления нет, игла перекрывает выход топлива через отверстие распылителя. Когда происходит поступление топлива под давлением, поршень перемещается вверх и тянет за собою иглу. Отверстие раскрывается, и распыление начинается.
В современных дизельных двигателях используются форсунки с электромагнитной системой управления. Их работа регулируется уже не по механическому принципу, а с помощью электромагнитных импульсов, поступающих от блока управления. Каждая из форсунок снабжена электромагнитным клапаном, открывающим либо закрывающим распыление топлива.
На эти электромагнитные элементы форсунок поступают сигналы от электронного бока управления (ЭБУ), который, в соответствии с информацией от целого ряда датчиков, подаёт ту или иную команду на установку нужной степени распыления.
Работа системы питания двигателя
Если вкратце рассмотреть работу системы питания двигателя, то выглядит она следующим образом.
Топливо (в данном случае бензин) за счет разрежения воздуха, создаваемого в системе при движении поршня от ВМТ к НМТ, а также с помощью топливного насоса, поступает в карбюратор автомобиля, проходя через фильтры. Топливный насос подает бензин из бака. Топливные насосы подразделяются на электрические и механические. Механические топливные насосы устанавливаются на автомобилях с карбюраторными силовыми агрегатами. Автомобили, оборудованные электронным впрыском, оснащены электрическим насосом. В карбюраторе пары бензина смешиваюется с поступающим воздухом, образуя топливно-воздушную смесь, которая и направляется в цилиндр. После совершения рабочего цикла (сгорания смеси), поршень, двигаясь вверх, выдавливает отработавшие газы через выпускной клапан, которые в конечном итоге выпускаются в атмосферу.
Работа системы питания двигателя с системой впрыска (инжекторной) происходит аналогичным образом.
Рабочие режимы системы питания двигателя
В зависимости от дорожных условий и целей водитель может использовать разные режимы езды. Им соответствуют и определенные рабочие режимы системы питания двигателя, каждому из которых принадлежит топливно-воздушная смесь особого состава. Для каждого режима работа системы питания двигателя будет иметь свои особенности.
- Качество смеси будет богатым при запуске холодного мотора. Потребление воздуха при этом минимальное. В данном режиме возможность движения категорически исключается. В противном случае это вызовет повышенное потребление топлива и износ деталей двигателя.
- Состав смеси будет достаточно обогащенным при использовании «холостого хода», который применяется во время движения «накатом» или работе включенного мотора в прогретом состоянии.
- Состав смеси будет обедненным при передвижении с частичными нагрузками.
- Состав смеси также будет обогащенным в режиме полных нагрузок при езде на высокой скорости.
- Состав смести будет обогащенным, максимально приближенным к богатому, при езде в условиях резкого ускорения.
Выбор рабочих условий системы питания двигателя должен быть оправдан потребностью движения в определенном режиме.
Несколько слов о системе «КоммонРэйл»
Говоря о топливной системе современных дизельных двигателей, нельзя не упомянуть такую её модификацию, как «Аккумуляторная топливная система CommonRail» («Общая рамка», или «Общая магистраль» в переводе с английского). Она проявляет очень хорошие показатели экономичности и эффективности, и вполне заслуженно завоёвывает всё большую популярность. В первую очередь – на дизельных двигателях коммерческого автотранспорта, разумеется.
В ней также используется ТНВД, подающий горючее в напорную магистраль, которая играет роль аккумулятора давления. Электронный блок управления регулирует производительность насоса, для поддержания необходимого давления в магистрали по мере расхода топлива.
В «КоммонРэйл» управляемые электроникой электрогидравлические форсунки с электромагнитным или пьезоэлектрическим приводом управляющих клапанов впрыскивают выверенные дозы дизельного топлива под высоким давлением в рабочие полости цилиндров.
Компьютерная система управления подачей горючего позволяет впрыскивать его в камеры сгорания цилиндров максимально точно дозированными дозами. Сначала впрыскивается микроскопическая, всего лишь в районе миллиграмма, порция, которая своим сгоранием накаляет температуру в камере, а за ней следует основной «заряд». Как результат – дизельные двигатели, оснащённые системой «КоммонРэйл», показывают лучшую экономичность (до 20 процентов). Доля новых дизельных двигателей, оснащённых системой «CommonRail», год от года неуклонно растёт.
Аккумуляторная система питания топливом
Современные жесткие требования к уровню выбросов вредных веществ двигателями внутреннего сгорания вынудили конструкторов дизелей искать новые решения в области топливной аппаратуры для них. Дело в том, что даже самые совершенные ТНВД не могут обеспечить такого давления топлива, при котором оно распылялось бы настолько мелко, что могло бы полностью сгореть в камере сгорания.
Неполное сгорание приводит к большему расходу топлива, а самое главное — к повышению в отработавших газах концентрации вредных веществ, в частности сажи. В связи с этим в настоящее время для дизелей с непосредственным впрыском все чаще применяется так называемая аккумуляторная система питания топливом.
Основное отличие такой системы от «классической» заключается в наличии общей топливной рампы (аккумулятора давления), в которой во время работы двигателя создается очень высокое давление.
Топливная рампа соединена трубопроводами высокого давления с электронно-управляемыми топливными форсунками, иглы которых перемещаются с помощью электромагнитов по сигналам от компьютера (электронного блока) управления двигателем. Такая система питания топливом позволяет оптимизировать работу двигателя практически по всем параметрам.
