Дизель Опции

[Dimansion]

У наших соотечественников со словом "дизель" обычно ассоциируется чадящий КамАЗ и водитель в телогрейке, пытающийся зимой паяльной лампой отогреть его бак. Но время и техника неумолимо идут вперед, и все больше появляется у нас на дорогах красивых и современных автомобилей, у которых лишь характерное постукивание из-под капота выдает тип установленного мотора.

Действительно вначале дизельные двигатели устанавливались исключительно на грузовые автомобили, суда и военную технику - то есть туда, где нужна надежность и экономичность, а размеры, вес и комфорт можно принести в жертву.

Совершенствование технологий в моторостроении привело к появлению двигателей, которые стало возможно установить и на легковой автомобиль. Первый такой серийный автомобиль появился давно - в 1935 году. Это было такси Mercedes-Benz 260 (W170). Стремительный рост популярности дизельных моторов пришелся на бензиновый кризис 70-х годов, с этого времени дизель прочно завоевал себе место под капотом легковых машин и внедорожников - от самых массовых до представительского класса.

Идеал для внедорожника

Такие особенности дизеля, как экономичность, высокий крутящий момент во всем диапазоне оборотов, и особенно на низких частотах вращения, а также доступное топливо, делают его предпочтительным вариантом для внедорожника, предназначенного для работы в тяжелых условиях. Поэтому в программе любой фирмы, производящей джипы, присутствует дизельная модификация, и чаще всего не одна.

С конца 90-х годов начался новый рост популярности дизельных моторов, связанный с совершенствованием их конструкции, внедрением электроники в системы топливопередачи и управления двигателем. Современные дизели последних поколений вплотную приблизились к бензиновым моторам по шумности и удельным характеристикам (вес, мощность на единицу объема), сохраняя при этом преимущества в экономичности и надежности.

По прогнозам ученых и технологов, в XXI веке старая добрая "бензиновая зажигалка" начнет уходить в историю, постепенно отдавая пальму первенства дизелю. Какие же особенности дизельного двигателя позволяют ему вести столь успешную борьбу за место под капотом?

Конструктивные особенности

По конструкции дизельный двигатель не отличается от обычного бензинового - те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки - ведь степень сжатия у него намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового). Именно этим объясняется большой вес и габариты дизельного двигателя в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 град. С, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением (10-30 МПа) впрыскивается топливо, которое почти мгновенно самовоспламеняется.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре - отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность.

Экологические характеристики такого двигателя тоже лучше - при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода, заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

К специфическим недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Стоит отметить, что это относится в большей степени к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Непосредственный впрыск

Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания - их называю дизелями с непосредственным впрыском - топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне.

До недавнего времени непосредственный впрыск применялся в основном на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией. Но в последние годы благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить его экономичность, снизить шум и вибрацию.



Вихрекамерные двигатели

Наиболее распространенным на легковых автомобилях пока является другой тип дизельного мотора - с раздельной камерой сгорания. В них впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что значительно улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение в этом случае начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания. При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Вихрекамерные двигатели составляют подавляющее большинство среди устанавливаемых на легковые автомобили и джипы (около 90 %). Менее распространены предкамерные дизели, имеющие специальную вставную форкамеру, соединенную с цилиндром несколькими небольшими каналами. Их форма и сечение подбираются так, чтобы между цилиндром и форкамерой возникал перепад давления, вызывающий течение газов с большой скоростью. Такая конструкция позволяет обеспечить большой ресурс, низкий уровень шума и токсичности, а также пологую характеристику крутящего момента.

Ключевые узлы

Важнейшей системой дизеля, определяющей надежность и эффективность его работы, является система топливоподачи. Основная ее функция - подача строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Высокое давление топлива и требования к точности делают топливную систему дизеля сложной и дорогой. Главными ее элементами являются: топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр. ТНВД предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и управляющих действий водителя.

Топливные насосы

По своей сути современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера. Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД двух типов: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядные насосы в настоящее время применяются редко, хотя по своей конструкции являются наиболее надежными. Наиболее распространены ТНВД распределительного типа. В этих ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Насосы этого типа получили широкое распространение на легковых дизелях. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время эти насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы. С начала 90-х годов стала внедряться электронная система управления дизельным двигателем, позволяющая оптимизировать подачу топлива на всех режимах и за счет этого повысить экономичность, снизить количество вредных выбросов и шумность работы моторов. Электроника позволяет заменить на всех перечисленных типах насосов сложные механические регуляторы более простыми и точными. Нагнетательная часть ТНВД при этом обычно остается неизменной.


Форсунки

Другим важным элементом топливной системы является форсунка. Она вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем. Форсунка на двигателе работает в очень тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Фильтры

Топливный фильтр, несмотря на его простоту, является важнейшим элементом дизельного мотора. Его параметры, такие, как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его функций является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы. Иногда устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

На старт!

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. Для этого в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы - свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900 град. С, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа. Погасание контрольной лампы свидетельствует о готовности к запуску. Электропитание со свечи снимается автоматически, но не сразу, а через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предпускового подогрева обеспечивают легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30 град С, разумеется, при условии соответствия сезону масла и дизтоплива.

Наддув

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала - "турбоямы". Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха - интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность. Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для внедорожника средством повышения "высотности" двигателя - в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности. В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя и не превышает обычно 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования.

Система «Common-Rail» — новое слово в двигателестроении

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel1.jpg)

В обычном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления нагнетает солярку в «индивидуальный» топливопровод (идущий к определенной форсунке). Внутренний его диаметр обычно составляет 1,6—2 мм, а наружный — 6—7 мм, то есть стенки достаточно толстые. Но когда под высоким давлением в 1300—2000 атмосфер по нему «прогоняется» порция топлива, трубка раздувается подобно удаву, заглатывающему жертву. И как только эта солярка уходит в форсунку, топливопровод снова сжимается. Поэтому вслед заданной порции топлива к форсунке непременно «подкачивается» крохотная лишняя доза. Эта капля, сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность мотора, да и процесс ее сжигания далеко не полноценный. Вдобавок сами пульсации отдельных трубопроводов повышают шумность работы двигателя. С ростом оборотистости современных дизелей (до 4000—5000 об/мин) это стало доставлять ощутимые неудобства.

Думающая рампа

Несколько фирм со временем нашли удачное инженерное решение проблемы. По разработанной ими схеме, топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая играет роль ресивера. В этом промежуточном звене помещается постоянный объем солярки, которая находится не под пульсирующим давлением, а под постоянным — около 1300 атмосфер. Что же касается форсунок, то они открываются теперь не гидромеханическим способом (от повышения давления в трубопроводе), а электронным — от сигнала, подаваемого на соленоид форсунки. Датчики сообщают компьютеру, управляющему работой форсунок, информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На ее основе компьютер назначает нужное для работы мотора количество топлива и момент его подачи. Таким образом «змея» не судорожно проталкивает по пищеводу «еду», а работает в строгом соответствии с решениями, принимаемыми ее электронным мозгом.

Новые возможности

Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями, чего раньше сделать было невозможно. 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. Но главное — система «Common-Rail» полностью исключает впрыск в камеру сгорания «досыльной» порции горючего. В результате расход топлива двигателем сокращается примерно на 20%, а крутящий момент на малых оборотах коленвала возрастает на 25%. Также уменьшается содержание в выхлопе сажи и снижается шумность работы мотора. Прогрессивные изменения в системе подачи топлива к форсункам дизелей стали возможны лишь благодаря развитию электроники.



СТАТЬЯ 2 Дизельные двигатели


Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах заметно дешевле бензина.

К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателями относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.

Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные. Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel2.gif)

Разделенная вихрекамерная камера сгорания

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel3.gif)

Разделенная форкамерная камера сгорания

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel4.gif)

Полуразделенная камера сгорания

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel5.gif)

Неразделенная камера сгорания

Дизелные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду 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 сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума.

Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.

Способы создания вихревого движения заряда во время впуска:

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel6.gif)

Тангенциальное расположение канала

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel7.gif)

Установка на клапане ширмы

(IMG:http://www.avtonov.svoi.info/images/disel8.gif)

Винтовой канал

Пуск дизельного двигателя:

У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой.
Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском.

Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.

В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.

Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:

Первый из них - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов. Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.
Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах, особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели - ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.

Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие:

- низкое качество топлива,
- нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива),
- повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы,
- в двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува.

Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению.

Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.

www.avtonov.svoi.info

[Автобот]