Давление при подаче дизельного топлива в дизельных двигателях

Вся правда о дизельных двигателях

На постсоветском пространстве у людей при произнесении слова «дизель» на ум приходит КамАЗ, который вечно чадит, и водитель, одетый в телогрейку, стоящий с паяльной лампой над баком машины и производящий ремонт грузовика или пытающийся отогреть бак. Однако наука и техника развиваются, и на наших дорогах появляется все больше и больше машин, современных и мощных. По их внешнему виду нельзя сказать, какого типа двигатель стоит у машины под капотом, пока не проведешь диагностику дизеля. Выдает «дизель» только постукивание характерного типа, которое ни с чем не спутаешь.

Исторически сложилось так, что сначала дизели ставили только на грузовики, корабли и технику для военных — во всех этих случаях важна экономичность и надежность, а размерами, весом и комфортом можно пренебречь. Да и ремонт грузового автомобиля тогда мог произвести каждый.

Наука не стоит на месте, технологии, применяемые в моторостроении все время совершенствуются. Именно по этой причине появились двигатели, пригодные к работе на легковом автомобиле, ремонт которых профессионально осуществляет Бош Дизель Сервис. Впервые такую машину автопром произвел еще в 1935 году. Эта машина называлась Mercedes-Benz 260 (W170). Пик популярности дизельных моторов приходится на 70-е годы прошлого столетия: именно в это время по всему миру разразился очередной бензиновый кризис, и ремонт ДВС данного типа стал затруднителен. С этого времени дизели начали устанавливать на легковушках и внедорожниках всех ценовых категорий.

Дизель — идеал для внедорожника

На автомобилях-внедорожниках устанавливают дизельные двигатели. Объясняется этот факт такими характеристиками дизеля: экономичностью, высоким крутящим моментом, как на высоких, так и на низких частотах, а также доступностью топлива и ремонта топливной аппаратуры. Именно поэтому практически каждая фирма, которая производит джипы, имеет и его дизельную модификацию, и, как правило, не одну. Новый виток популярности дизельных моторов приходится на 90-е года прошлого столетия. На это время приходится совершенствование конструкции дизелей, в топливную систему и систему управления производители активно внедряют электронику, усложняется ремонт Bosch. Новые дизельные двигатели практически не отличаются от бензиновых по таким параметрам, как вес, удельная мощность, и т.д. И что самое замечательное — при всем этом дизели остаются надежными и экономичными.

Ученые и технологи прогнозируют, что в текущем столетии бензиновые двигатели уйдут в «небытие», уступив место дизельным двигателям, что спровоцирует повышение спроса на ремонт ТНВД, ДВС и другую дизельную аппаратуру. Рассмотрим, какие же особенности дизельных двигателей позволили сделать такие выводы.

Конструктивные особенности дизелей

Конструктивно дизель практически не отличается от бензинового двигателя – у обоих есть цилиндры, шатуны и поршни. Но клапанные детали у дизеля усилены, это нужно для того, чтобы дизель воспринимал большие нагрузки (степень сжатия горючего у дизеля 19-24 единиц, а у бензинового двигателя — 9-11). Именно поэтому дизельный двигатель тяжелее и больше, чем бензиновый, а ремонт топливной аппаратуры данного типа сложнее.

Отличие между двумя видами двигателей состоит в том, что у них по-разному формируется топливно-воздушная смесь, она по-разному воспламеняется и сгорает, по-разному производится ремонт ДВС. Если двигатель бензиновый, то горючая смесь у него образуется во впускной системе. В цилиндре же происходит воспламенение смеси от искры свечи зажигания. В дизеле топливо и воздух поступают отдельно. Сначала происходит подача воздуха. В конце такта сжатия воздух нагревается до высокой температуры 700-800 градусов. После этого через форсунки в камеру сгорания поступает под большим давлением топливо, которое воспламеняется от горячего воздуха. Поэтому так необходим своевременный ремонт насос-форсунки.

По причине быстрого расширения горючей смеси резко возрастает давление в цилиндре: именно этим и можно объяснить шумность и жесткость работы дизеля. Благодаря такой организации процесса сгорания топлива дизельные двигатели могут работать на более дешевом топливе, то есть являются более экономичными. Дизельные двигатели не только более экономичные – они меньше, чем бензиновые, загрязняют окружающую среду.

Не лишены дизельные двигатели и недостатков: это шумность и вибрация, меньшая литровая мощность и проблемы с запуском холодного двигателя. Нужно сказать, что данные недостатки дизелей относятся скорее к старым моделям, а у новых эти проблемы более «завуалированы».

Непосредственный впрыск топлива

Дизельные двигатели отличаются друг от друга конструкцией камеры сгорания. Есть дизели с неразделенной камерой сгорания (второе их название — дизели с непосредственным впрыском – топлива). В двигателях такого типа топливо поступает в пространство над поршнем, плюс ко всему камера сгорания находится прямо в поршне.

Раньше непосредственный впрыск топлива применяли только на больших дизелях с низкими оборотами. Причина этого – проблемы с организацией питания, большим шумом и вибрацией. Но благодаря прогрессу, который заключается в широком внедрении топливных насосов высокого давления, 2-х ступенчатой системы впрыска и улучшении качества сгорания топлива, производители добились более устойчивой работы двигателя. Повысилось количество оборотов до 4500 об/мин, двигатель стал более экономичным, менее шумным.

Вихрекамерные двигатели

Наиболее популярным среди всех дизельных моторов является дизель, имеющий раздельную камеру сгорания. Конструктивная особенность этих двигателей заключается в том, что топливо в них поступает не в цилиндр, а в специальную камеру. Как правило, это вихревая камера, которая расположена в головке блока цилиндров и соединена с помощью специального канала с цилиндром. В вихревой камере воздух, сжимаясь, быстро закручивается – это улучшает процессы воспламенения, и образования горючей смеси. Преимущество раздельной камеры сгорания заключается в том, что давление в цилиндре нарастает постепенно, не резко. Именно поэтому вихрекамерные двигатели обладают меньшей шумностью и позволяют достичь более высокого числа оборотов. Согласно статистике, вихрекамерные двигатели устанавливают на 90 процентов легковых автомобилей и джипов. Кроме вихрекамерных двигателей, распространение получили и предкамерные дизели. Эти двигатели оборудованы специальной вставнойфоркамерой, которая соединяется с цилиндром с помощью нескольких небольших каналов. Эти каналы должны быть такой формы и сечения, чтобы в форкамере и цилиндре было разное давление, а благодаря перепаду давлений газ может двигаться с большой скоростью. Такая конструкция двигателя имеет несомненные плюсы: больший срок службы, небольшую шумность, плавное нарастание крутящего момента двигателя.

Ключевые узлы дизельного двигателя

Одной из самых важных систем дизельного двигателя является система подачи топлива. Задача топливной системы состоит в том, чтобы подавать в определенные моменты времени дозированное количество топлива при заданном давлении. Топливная система дизеля довольно сложна в исполнении и дорога по цене. В топливную систему дизельного двигателя входит: ТНВД — топливный насос высокого давления, топливный фильтр, а также форсунки.ТНВД должен подавать топливо к форсункам по заданной программе: эта программа будет зависеть от того, в каком режиме работает двигатель, а также от действий водителя.

Топливные насосы дизеля

Современный топливный насос высокого давления – это одновременно и сложная система, автоматически управляющая двигателем, и главный исполнительный механизм, отрабатывающий команды водителя. Нажатие ногой по педали газа не является непосредственной причиной увеличения подачи топлива: водитель, таким образом, лишь вносит некоторые коррективы в работу регуляторов. Регуляторы самостоятельно меняют подачу топлива, в зависимости от числа оборотов, положения рычага регулятора, давления наддува, и т.д.

Современные внедорожники оборудованы двумя типами ТНВД. Первый вид насосов высокого давления — это рядные многоплунжерные, а второй вид – насосы распределительного типа. На данный момент рядные насосы практически не применяются, хотя и обладают большей надежностью. Большее распространение получили топливные насосы высокого давления распределительного типа. В нагнетательной системе таких насосов имеется один плунжер-распределитель, который совершает поступательное движение, качая топливо, и вращательное движение, распределяя топливо по форсункам. Насосы распределительного типа устанавливают в легковых машинах. Преимущества таких насосов: компактность, высокая равномерность подачи топлива, отличная работа на больших оборотах, благодаря быстродействующим регуляторам. Не лишены распределительные насосы и минусов: они очень требовательны к качеству поступающего топлива.

В 90-х годах прошлого столетия на производстве стали внедрять электронные системы управления дизельным двигателем. Плюсы электронной системы очевидны: она делает подачу топлива более эффективной во всех режимах работы двигателя, это значительно улучшает его экономические и экологические характеристики. Современная электроника заменила механические регуляторы на более точные и простые, оставив при этом неизменной нагнетательную часть ТНВД.

Форсунки дизельного мотора

Кроме топливного насоса, в топливной системе важна еще и форсунка. Благодаря форсунке и ТНВД в камеру сгорания дизеля поступает строго определенное количество топлива. Форсунка определяет не только давление в топливной системе, но и какую форму будет иметь факел топлива – это очень важно для правильного самовоспламенения и сгорания топлива. Форсунки бывают со шрифтовым распределителем или многодырчатым. Можно сказать, что форсунке очень «не повезло», так как она вынуждена работать в тяжелых внешних условиях. Так, игла распылителя двигается возвратно-поступательно, при этом частота движения всего вполовину меньше, чем обороты двигателя. Кроме того, распылитель контактирует с камерой сгорания, в которой очень высокие температуры. Именно поэтому при изготовлении на заводе к распылителю форсунки предъявляются повышенные требования: материал распылителя должен отличаться большой жаропрочностью, тугоплавкостью.

Фильтры дизельного двигателя

Топливный фильтр – это достаточно простой, но от этого не менее важный элемент дизельного мотора. Топливный фильтр должен строго соответствовать тому типу двигателя, на котором установлен. Среди множества функций топливного фильтра есть отделение воды от топлива и ее удаление (для этого предусмотрена нижняя сливная пробка). Во многих дизельных моторах на корпусе фильтра часто устанавливают насос для ручной подкачки топлива — это нужно для того, чтобы удалить воздух из топливной системы. В некоторых моделях топливных фильтров есть системаэлектроподогрева, которая позволяет завести двигатель в зимних условиях.

Старт дизеля

В дизельных двигателях предусмотрена система предпускового подогрева. В камеру сгорания вставлены свечи накаливания, которые всего за несколько секунд могут разогреться до 800-900 градусов Цельсия: топливо, встретившись с нагретым воздухом, воспламеняется намного легче. Водитель в кабине знает о работе системы предпускового подогрева благодаря специальной контрольной лампе: когда она гаснет, значит, двигатель можно запускать. Спустя 15-25 секунд после этого прекращается электропитание свечи накаливания.

Наддув

Современные дизельные двигатели оснащены системой турбонаддува: она предназначена для того, чтобы подать в цилиндры дизеля большее количество воздуха, тем самым увеличив подачу топлива на рабочем цикле, а это, в свою очередь, приводит к увеличению мощности двигателя. Выхлопные газы дизеля имеют давление в 2 раза больше, чем у бензинового мотора: это обстоятельство позволяет подавать в цилиндры воздух, начиная с низких оборотов, без так называемой «турбоямы», которая свойственна бензиновым двигателям. На многих моделях дизельных авто устанавливают устройство для промежуточного охлаждения наддуваемого воздуха – интеркулер. Интеркулерпозволяет улучшить наполнение цилиндров и мощность до 20%. Кроме того, дизели с турбонаддувом, могут без особых проблем работать и в высокогорной местности, то есть там, где атмосферный дизель «задыхается» без воздуха. Наддув значительно улучшает процесс сгорания топлива, уменьшает жесткость его работы и помогает предотвратить потерю мощности.

Система «Common-Rail»

Обычный дизельный двигатель работает так: каждая секция насоса качает топливо в «свой» топливопровод (который идет к определенной форсунке). Внутренний диаметр такой трубки 1,6—2 мм, а внешний 6—7 мм, то есть стенки трубки являются достаточно толстыми. Топливо по «топливопроводу» проходит под большим давлением (1300—2000 атмосфер), поэтому трубка раздувается. Солярка идет в форсунку, а топливопровод сжимается снова. Именно поэтому каждый раз в форсунку закачивается небольшая лишняя доза горючего, которая увеличивает его расход. Благодаря этому уменьшается общий КПД двигателя, увеличивается дымность и шумность мотора.

«Думающая» рампа

Однако удачное решение проблемы все-таки было найдено. Теперь топливный насос подает солярку в топливную рампу (общий трубопровод), давление в котором не переменное, как раньше, а строго постоянное — 1300 атмосфер. Рампа играет роль промежуточного звена, в котором всегда находится постоянный объем горючего. Каждая форсунка теперь открывается не механически (от увеличения давления), а с помощью электронного сигнала, который поступает на катушку форсунки. Датчики передают на компьютер информацию о положении акселератора, давлении топлива в рампе, температуре двигателя. Компьютер на основе этой информации «принимает решение», сколько нужно подавать топлива и когда его подавать.

Новые возможности топливных двигателей

Управление подачей топлива с помощью компьютера позволяет подавать в камеру сгорания строго определенное количество солярки, не больше и не меньше. Сначала в цилиндры поступает очень маленькая доза солярки (примерно миллиграмм) – это топливо повышает температуру в камере сгорания, а уже потом «досылается» основная доза горючего. Для дизеля это дает более плавное нарастание давления в камере сгорания, а это ощутимо скажется на качестве работы всего мотора (он будет работать более плавно, без рывков). С помощью системы «Common-Rail» удалось исключить поступление в камеру сгорания «лишней» порции горючего. Результат от применения новой системы: уменьшение расхода солярки на 20%, увеличение крутящего момента двигателя (на малых оборотах) на 25%.

Версия для печати

Как с нами связаться

ООО «Чистодел-Дизель»

г. Арамиль, ул. Гарнизон, д. 17В

Географические координаты:

8 800 200 0921

(звонок по РФ бесплатный)

+7 (343) 302-00-43

infoek-ar.ru

Устройство автомобилей

Устройства и приборы высокого давления

Трубки высокого давления

Трубопроводы высокого давления дизеля

Топливный насос высокого давления подает топливо к форсункам посредством специальных трубопроводов, к которым предъявляются очень строгие требования. Это связано не только с тем, что трубопроводы (трубки) подвержены воздействию значительных механических перегрузок динамического характера, но и с необходимостью строгого дозирования топлива, подаваемого от нагнетательной секции насоса к форсунке.

Условия работы трубок высокого давления, действительно, очень напряженные. Топливо поступает в трубки под давлением до 20 МПа (и даже более), при этом давление на стенки трубок имеет импульсный характер, связанный с особенностью впрыска дизеля.
В системах питания Common Rail топливопроводы высокого давления менее подвержены импульсным нагрузкам, поскольку в них давление выдерживается относительно постоянным, равным давлению в рампе, а вот в классической системе питания дизеля трубки напряжены колоссальными динамическими (переменными) нагрузками, сопровождающимися гидравлическими ударами различной интенсивности.

Импульсное перемещение топлива по трубкам – не единственный негативный фактор, влияющий на долговечность трубопроводов высокого давления. При определенных условиях, зависящих от длины трубок и частоты импульсов подачи топлива, в трубках могут возникнуть резонансные явления, которые способны разорвать даже трубопровод, выполненный с многократным запасом прочности.

Чтобы исключить или свести к минимуму вероятность резонанса в трубках, конструкторы производят сложные расчеты, связанные, в первую очередь, с подбором оптимальной длины трубок и их внутреннего диаметра. По этой причине все трубки высокого давления в дизеле конкретной модели имеют одинаковую длину, наименее склонную к резонансу с импульсными толчками топлива.

Технология изготовления трубок высокого давления тоже достаточно сложная. К требованиям повышенной прочности прилагаются и требования к точному дозированию перемещаемого по трубкам топлива. Для выполнения этого условия трубки должны иметь калиброванное проходное сечение, а также минимальную шероховатость внутренней поверхности.

По этим причинам трубки изготавливаются из специальных сталей, канал в них выполняется сверлением с последующим упрочнением. Внутренний диаметр трубок и их длина строго дозируются.

Следует отметить, что трубопроводы высокого давления являются паразитическим звеном в системе подачи топлива дизельных двигателей. Они ограничивают давление подачи топлива к форсункам, и часто становятся причиной отказа системы питания из-за механических разрушений (разрывы, трещины и т. п.). Этих недостатков лишены системы питания типа насос-форсунка, в которых отпадает необходимость в трубопроводах высокого давления.

Плунжерная пара

Под плунжерной парой понимается один из основных рабочих узлов ТНВД (топливного насоса высокого давления), широко применяемого в дизельных двигателях. Кроме того, аналогичные механизмы используются в различных гидромашинах, обычных насосах, гидрокомпенсаторах и другом подобном оборудовании. Популярность и востребованность плунжерной пары объясняется сочетанием впечатляющих эксплуатационных характеристик, в числе которых надежность, долговечность и простота конструкции.

Определение и история появления

Плунжерная пара представляет собой механизм, состоящий из двух элементов. Первый из них, давший наименование всему узлу, называется плунжер или поршень, а второй – так называемая гильза или втулка. Принцип работы пары основан на том, что плунжер совершает возвратно-поступательное движение внутри втулки. В результате, при помощи каналов, расположенных внутри механизма, топливо или другая рабочая жидкость под высоким давлением подается в пространство, расположенное над поршнем.

Необходимость в разработке ТНВД на основе одной или нескольких плунжерных пар появилась после изобретения дизельного двигателя, совершенного Рудольфом Дизелем. В число ключевых особенностей агрегата входила подача топлива в камеры внутреннего сгорания под давлением, что выступало обязательным условием его гарантированного самовоспламенения. На первых моделях для решения этой задачи использовался громоздкий и тяжелый компрессор, наличие которого заметно снижало общий КПД дизельного двигателя.

Разработка в 20-х годах прошлого века Робертом Бошем ТНВД, использующего в качестве основного рабочего узла плунжерную пару, позволило значительно сократить габариты дизельного двигателя, сохранив его впечатляющие эксплуатационные характеристики в виде экономичности, эффективности и высокого уровня мощности. Дальнейшее совершенствование плунжерной пары состояло в повышении качества изготовления поршня и гильзы, а также использовании более современных материалов.

Устройство и требования к изготовлению

Как уже было отмечено выше, плунжерная пара состоит из двух элементов, каждый из которых предназначен для выполнения четко определенных функций:

1. Плунжер. Изготавливается в виде металлического цилиндра, длина которого существенно превосходит диаметр. Основное назначение детали – возвратно-поступательное движение внутри втулки.
2. Втулка. Также изготавливается из высокопрочного металла в виде полого цилиндра. Внутри детали располагаются отверстия, предназначенные для подачи или отвода топлива (для ТНВД дизельного двигателя) или других рабочих жидкостей (для обычного насоса и различных гидромашин).

Ключевое требование к плунжерной паре состоит в обеспечении герметичности узла при одновременном свободном перемещении плунжера внутри поршня. Для решения задачи при изготовлении деталей требуется тщательно соблюдать геометрические размеры, а в дополнение к этому поверхности обоих элементов тщательно обрабатываются, благодаря чему достигается плотность примыкания друг к другу. Стандартным считается зазор между поршнем и втулкой составляющий 1-3 мкм. Сказанное объясняет, почему плунжерную пару нередко называют прецизионной, что буквально означает «высокоточная».

Эксплуатация рассматриваемого узла сопровождается высоким давлением и серьезным уровнем сопутствующих нагрузок. Поэтому, помимо герметичности, к плунжерной паре предъявляются серьезные требования в части прочности и устойчивости к различным физическим воздействиям. Как следствие – для изготовления узла применяются высокопрочные и износоустойчивые марки стали и современное оборудование, способное обеспечить нужную степень точности геометрических размеров деталей и необходимые технологии обработки металла. Долговечность и надежность плунжерной пары являются одним из ключевых факторов, благодаря которым обеспечиваются впечатляющие характеристики дизельного двигателя в целом.

Принцип работы и разновидности

Стандартная схема работы плунжерной пары выглядит следующим образом:

1. Стартовое положение плунжера – в нижней части гильзы. Оно достигается за счет действия пружин.
2. Кулачковый вал оказывает давление на поршень.
3. Плунжер перемещается по втулке в верхнее положение, что вызывает увеличение давления топлива в пространстве над поршнем, куда оно поступает через специальные каналы в гильзе.
4. Повышение уровня давления приводит к открыванию клапана, следствием чего выступает дальнейшее перемещение горючего через форсунки в камеры внутреннего сгорания.
5. Завершает рабочий цикл перемещение плунжера в стартовую позицию, осуществляемое за счет действия пружин.

Простота описанного принципа действия плунжерной пары выступает важным объяснением надежности и долговечности основного рабочего узла ТНВД. В настоящее время применяются две основные разновидности рассматриваемого механизма. Отличие между ними заключается в наличии в плунжере специальной кольцеобразной просечки. Она используется для сбора и возврата утечек горючего в основную магистраль топливного насоса. Изготовление плунжерной пары в этом случае требует несколько больших расходов, которые компенсируются повышением эффективности работы двигателя.

Область применения и функциональное назначение

Основной сферой применения плунжерной пары является ТНВД, используемый в дизельных двигателях. Функциональное назначение механизма в данном случае заключается в следующем:

• подача дизельного топлива к форсункам с одновременным нагнетанием давления;
• определение необходимого количества горючего, которое требуется переместить к форсункам;
• установление оптимального режима впрыска дизельного топлива в камеры сжигания двигателя.

Эффективное выполнение указанных функций достигается за счет совместной работы плунжерной пары и современных систем автоматизации и контроля, повсеместно используемых в ТНВД. Рабочий узел предназначен для физического воплощения в практической деятельности параметров и характеристик, определяемых при помощи автоматики.

Помимо дизельных двигателей, плунжерные пары часто применяются в различных по устройству и назначению насосах, а также гидромашинах и другом подобном оборудовании. Настолько широкое использование рассматриваемого механизма связано с сочетанием относительной простоты конструкции и принципа действия с надежностью, эффективностью и долговечностью узла.

Основные достоинства и недостатки

Появление ТНВД, использующего в качестве основного рабочего узла плунжерную пару, стало одной из ключевых причин стремительного роста популярности дизельных двигателей. Такое развитие событий стало возможным, благодаря впечатляющим эксплуатационным и техническим характеристикам агрегата, значительная часть которых является непосредственным результатом применения рассматриваемого механизма. Ключевыми достоинствами плунжерной пары в частности и ТНВД в целом выступают:

• надежность. Нередко именно это слово выступает в качестве первой ассоциации при упоминании дизельного двигателя. Данная характеристика вполне заслуженно считается одной из визитных карточек агрегата;
• универсальность. Наличие ТНВД и плунжерной пары позволяет разом решить многочисленные задачи, обеспечивающие эффективную работу дизельного двигателя. К ним относятся: подача топлива под высоким давлением, его дозировка и определение наиболее подходящего режима впрыска горючего для последующего сжигания;
• высокий КПД. Ключевое преимущество агрегатов на дизельном топливе, которое в сочетании с экономичностью приобретает в современных условиях особенно важное значение;
• экологичность. Двигатель внутреннего сгорания достаточно сложно назвать полностью безопасным для состояния окружающей среды механизмом. Тем не менее, современные дизельные агрегаты отвечают самым строгим экологическим стандартам, что достигается за счет полного сжигания топлива, его небольшого расхода и, как следствие, минимального количества вредных выбросов.

По сути, единственным существенным недостатком плунжерной пары в современном дизельном двигателе выступает износ механизма, связанный со сложными условиями его эксплуатации. Важно отметить, что качественное изготовление и использование высокопрочных марок стали позволяет существенно увеличить нормативный срок службы основного рабочего узла ТНВД. Тем не менее, полностью исключить износ, конечно же, невозможно.

Признаки неисправности

Возникновение проблем, вызванных износом плунжерной пары, обнаружить достаточно просто. Основными симптомами их появления становятся:

• трудности с запуском двигателя;
• уменьшение мощности агрегата или плавающее значение параметра, характеризующего количество оборотов;
• посторонние шумы при работе двигателя;
• повышенный расход горючего.

Частой причиной повышенного износа плунжерной пары становится использование некачественного топлива. При этом необходимо помнить, что своевременное выявление проблем и грамотно проведенный квалифицированными специалистами ремонт, который заключается в замене обоих элементов рабочего узла, могут обеспечить дальнейшую длительную и беспроблемную эксплуатацию дизельного двигателя. Главное при этом – обратиться к профессиональным и опытным специалистам. Такой подход является вполне оправданным, так как небольшая экономия на стадии диагностики и ремонта нередко оборачивается намного более серьезными финансовыми потерями в ближайшем будущем, связанными с необходимостью замены или полного перебора агрегата.

Управление подачей топлива дизельного двигателя

Образование топливо-воздушной смеси влияет на расход топлива, состав выхлопных газов и шумы дизельного двигателя. Система впрыска топлива оказывает влияние на смесеобразование и процесс сгорания в камере сгорания двигателя. К параметрам, влияющим на смесеобразование и процесс сгорания относятся:

• начало подачи (перекрытие канала) и начало впрыска;
• продолжительность впрыска и кривая (график) интенсивности подачи;
• давление впрыска;
• направление впрыска и количество отверстий для впрыска;
• избыточный воздух.

Начало подачи (перекрытие канала) и начало впрыска

Термин «начало подачи» относится к действительному началу подачи насоса высокого давления. Вместе с началом подачи (FB) действительное начало впрыска (SB) также имеет большое значение для оптимальной отдачи двигателя. Так как начало подачи (перекрытие канала) может быть определено более просто, чем действительное начало впрыска для двигателя при его остановке, то установка (настройка) топливного насоса высокого давления (ТНВД) производится при начале подачи топлива. Это возможно, т.к. между началом подачи и началом впрыска (4) существует определенное соотношение. Начало впрыска определяется с помощью угла поворота коленчатого вала (5) в области верхней мертвой точки (ВМТ) поршня, при котором о ткрывается форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Начало впрыска топлива в камеру сгорания имеет значительное влияние на начало сгорания топливо-воздушной смеси. Максимальная конечная температура сжатия возникает в ВМТ. Если сгорание начинается раньше ВМТ, то давление сгорания резко возрастает и тормозит движение поршня вверх, уменьшая, таким образом, эффективную мощность двигателя. Резкий рост давления сгорания также приводит к «жесткой» работе двигателя. Сгорание, тем не менее, должно закончиться до того, как откроется выпускной клапан. Имеет место также и понижение расхода топлива, если сгорание начинается в области ВМТ.

Если начало сгорания опережается (2), то температура в камере сгорания возрастает, что приводит также и к увеличению выбросов NOx (1). Если начало впрыска слишком запаздывает (3), то это может привести к неполному сгоранию и к выбросу не полностью сгоревших углеводородов.

Мгновенное положение поршня влияет на движение воздуха в камере сгорания, его плотность и температуру. Соответственно, скорость движения и качество смешивания топливо-воздушной смеси зависят от начала впрыска. Таким образом, начало впрыска также влияет на выбросы сажи и продуктов неполного сгорания. Такая взаимная зависимость удельного расхода топлива и выбросов углеводородов с одной стороны и выбросов черного дыма и N0 с другой стороны требует минимально возможных допусков для начала впрыска, чтобы добиться оптимальных величин (а — оптимальное начало впрыска).

Различные периоды задержки воспламенения при различных температурах требуют температурной коррекции начала впрыска. При подаче топлива, время распространения топлива зависит от длины магистрали. При высоких оборотах это имеет результатом задержку впрыска (т.е. время от начала подачи до начала впрыска). Вдобавок к этому, чем выше обороты двигателя, тем выше задержка воспламенения (т.е. время от начала впрыска до начала воспламенения). Оба этих фактора должны быть скомпенсированы, и это является причиной того, почему в систему впрыска топлива должно быть встроено устройство корректировки момента впрыска, зависящего от числа оборотов двигателя опережения и момента начала впрыска. Из соображений шумности и уменьшения выбросов, различные характеристики начала впрыска для режима полной нагрузки (2) требуются чаще, чем для режима частичной нагрузки (3). Характеристика начала впрыска показывает схематически зависимость начала впрыска (4) от температуры, нагрузки и оборотов двигателя (5). (1 — запуск холодного двигателя).

Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи (впрыска)

Термин «интенсивность подачи» описывает кривую характеристику количества впрыснутого в камеру сгорания топлива как функцию угла поворота коленчатого или кулачкового вала (соответственно углы поворота коленчатого или кулачкового вала).

Одним из главных параметров, влияющих на кривую интенсивности подачи, является продолжительность впрыска. Она измеряется в углах поворота коленчатого или кулачкового вала или в миллисекундах и является периодом, в течение которого открыта форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания, На рисунке показано, как подача количества впрыскиваемого топлива начинается с помощью кулачкового вала насоса и как топливо впрыскивается из форсунки (как функция угла поворота кулачкового вала). Можно видеть, что характеристика давления и кривая интенсивности подачи сильно изменяются между элементом насоса и форсункой, и что на них влияют детали, которые определяют впрыск (кулачок, элемент насоса, нагнетательный клапан, топливопровод (магистраль подачи) и форсунка).

Рис. Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи

Рис. rl — период задержки воспламенения; 1. Подъем кулачка, скорость подъема; 2. Давление в камере элемента насоса; 3. Подъем клапана; 4. Давление в топливопроводе на стороне насоса; 5. Давление в топливопроводе на стороне форсунки; 6. Подъем иглы форсунки; 7. Кривая интенсивности подачи; 8. Угол поворота кулачка, град.

Различные системы дизельных двигателей требуют различной продолжительности впрыска в каждом из случаев. Двигатели с непосредственным впрыском требуют примерно 25 — 30° поворота коленчатого вала при определенном числе оборотов, а двигатели с предкамерой — угла поворота коленчатого вала в 35 — 40°. Продолжительность впрыска при 30°- повороте коленчатого вала, соответствующем повороту на 15° кулачкового вала, означает продолжительность впрыска в 1,25 миллисекунд для числа оборотов ТНВД, равному 2000 об/мин.

Для поддержания расхода топлива и выбросов серы на низком уровне, продолжительность впрыска должна быть определена как функция рабочей точки и зависит от начала впрыска. При начале впрыска должно протекать лишь малое количество топлива, тогда как в конце требуется большое количество топлива. Форсунка затем должна закрыться как можно быстрее. Такая кривая интенсивности подачи приведет к медленному повышению давления сжатия. Сгорание, таким образом, будет «мягким». В двигателях с непосредственным впрыском шум от сгорания заметно меньшается, если малая часть топлива, впрыснутого в камеру сгорания, мелко распылена перед основным впрыском.

Рис. as — начало впрыска в градусах поворота коленчатого вала до ВМТ; 1. Расход топлива; 2. г/кВт-ч; 3. Продолжительность впрыска; 4. Сера; 5. Градусы поворота коленчатого вала; 6. Окислы азота (NOx); 7. Углеводороды (НС); 8. г/ч.

Такой метод впрыска остается очень дорогим. В двигателях с разделенной камерой сгорания (с предкамерой или вихревой камерой) используются игольчатые дросселирующие форсунки. Эти форсунки образуют одну струю топлива и определяют кривую интенсивности подачи. Форсунки управляют поперечным сечением выхода как функцией хода клапана впрыска (нагнетательного клапана).

Вторичный впрыск (или так называемое «капание») особенно нежелателен и происходит из-за быстрого повторного открывания форсунки после ее закрывания, и она впрыскивает плохо подготовленное топливо позже в процессе сгорания. Эго топливо сгорает не полностью или вообще не сгорает и выходит через выхлопные газы как несгоревшие углеводороды.

Быстрозакрывающиеся форсунки предотвращают такое «капание». «Мертвый объем» в нижней части у седла форсунки производит эффект, подобный «капанью». Пары топлива, накапливающиеся в этом объеме, выходят в камеру сгорания после окончания сгорания и также поступают в выхлопные газы, где увеличивают выбросы несгоревших углеводородов. Наименьший «мертвый объем» получается у форсунок с седлом с отверстиями.

Влияние конструкции форсунки на выбросы углеводородов

Рис. Влияние конструкции форсунки на выбросы углеводородов: а ) Форсунка без глухого отверстия; б) Форсунка с миниатюрным глухим отверстием; 1. Двигатель с удельным рабочим объемом 1,3 л на цилиндр; 2. Двигатель с удельным рабочим объемом 2,0 л на цилиндр; 3. Выбросы НС; 3. Объем отверстия для впрыска и объем глухого отверстия; 5. г/кВт-ч; 6. мм3.

Давление впрыска

Чем выше относительные скорости топлива и воздуха, чем выше плотность воздуха в камере сгорания, тем мельче распыление дизельного топлива. Высокое давление топлива приводит к высокой его скорости. Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания работают при высоких скоростях воздуха в вихревой камере или в дополнительной камере сгорания (предкамере) или в соединительном канале между вихревой и основной камерами сгорания. Здесь рабочее давление превышает примерно 350 бар. Для дизельных двигателей с непосредственным впрыском скорость воздуха в камере сгорания относительно низка и смешивание является нормальным.

Смешивание существенно улучшается, если топливо впрыскивается в камеру сгорания под высоким давлением. Выбросы сажи могут быть существенно снижены, особенно на низких оборотах двигателя, используя давления впрыска вплоть до 1000 бар. Повышенные давления впрыска заметно увеличивают расход топлива, т.к. помимо прочего возрастает нагрузка на двигатель для привода ТНВД.

Рис. Давление впрыска: OCs — начало впрыска после ВМТ; 1. Черный дым; 2. г/кВт-ч; 3. Расход топлива, в,; 4. Окислы азота NOx.

Направление впрыска

Дизельные двигатели с предкамерой или с вихревой камерой работают только с одной струей (факелом) топлива, направление которого подбирается для соответствующей камеры сгорания. Отклонение приводят к худшему использованию воздуха и, таким образом, к увеличению выбросов черного дыма и несгоревших углеводородов.

Дизельные двигатели с непосредственным впрыском обычно работают с 4 — 6 распылительными отверстиями в форсунке, направление впрыска которых очень точно подбирается для соответствующей камеры сгорания. Отклонения в пределах 2° от оптимального направления приводят к заметному увеличению выбросов черного дыма и расхода топлива.

Избыточный воздух и «поведение» выхлопных газов

Дизельные двигатели обычно работают без дросселирования поступающего воздуха. Если имеется много избыточного воздуха, то топливо сгорает «чище» в камере сгорания. Компоненты выхлопных газов, такие как окись углерода, СО и сажа образуются в очень низких концентрациях. Избыток воздуха в камере сгорания уменьшается с увеличением количества впрыскиваемого топлива. Если принимать во внимание низкий вес двигателя и его стоимость, то для конкретного двигателя существует определенный объем для получения максимально возможной мощности. Двигатель поэтому должен работать с небольшим избытком воздуха при высоких нагрузках. Если избыток воздуха мал, то выбросы должны быть ограничены, т.е. количество топлива должно быть точно дозировано для данного количества воздуха и в зависимости от оборотов двигателя. Низкое давление воздуха (например, на большой высоте) требует адаптации количества впрыснутого топлива к уменьшившемуся количеству воздуха.

Турбонаддув

В случае двигателей с турбонаддувом количество впрыскиваемого топлива ограничивается в зависимости от давления во впускном коллекторе двигателя.

Рециркуляция выхлопных газов (EGR)

У двигателей с EGR выпускаемый воздух может смешиваться с поступающим воздухом при работе в режиме частичной нагрузки для уменьшения выбросов NOx. Эта мера уменьшает концентрацию кислорода в выхлопе и к тому же выхлопные газы обладают большей теплоемкостью, чем воздух. Оба этих фактора уменьшают температуру сгорания (и вместе с ней образование NOx). Увеличение скорости EGR (2) уменьшает расход свежего воздуха для двигателя и, таким образом, количество избыточного воздуха (3 — коэффициент избытка воздуха). Следовательно, выбросы (1 — концентрация выбросов) углеводородов и сажи (4) в выхлопных газах возрастают, если поступающий воздух содержит избыточную долю выхлопных газов.

Попытки существенно снизить выбросы NOx с помощью рециркуляции выхлопных газов также требуют точной регулировки количества впрыскиваемого топлива (5) для требуемого количества воздуха при работе в области частичных нагрузок. Другими словами, количество рециркулирующих выхлопных газов должно быть ограничено так, чтобы для сгорания впрыснутого топлива в камере сгорания имелось достаточное количество кислорода.

Рис. Рециркуляция выхлопных газов