Promlebedka.ru

Авто ДРайв
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В какой момент впрыскивается топливо в дизельном двигателе

Дизельные двигатели

Французский ученый С. Карно в 1824 году создал основы термодинамики. В этой работе он, в числе многого другого, утверждал, что заставить тепловую машину работать наиболее экономично можно, доводя рабочее тело до температуры вспышки топлива сжатием. Фактически он сформулировал принцип, на котором работают дизельные двигатели. Оставалось только взять и сделать такой двигатель. Но этого пришлось ждать еще несколько десятков лет.

В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получает патент на первый двигатель (показан на рисунке), работающий на сжатии воздуха до температуры вспышки. В 1987 году первый «дизель-мотор» (так немцы называют двигатель с воспламенением от сжатия) заработал и доказал свою эффективность.

По сравнению с «отто-мотором» (бензиновый двигатель со свечами зажигания) новый двигатель был более тяжелым и поначалу не внушал большого энтузиазма. Но только поначалу. Устройство дизельного двигателя первых образцов включало воздушный компрессор для впрыскивания топлива.

Сам Дизель вначале предполагал применить совсем уж экзотический вариант: угольная пыль. Смесь угольной пыли и воздуха, конечно, способна работать в двигателе, но за сколько часов абразивные частицы съедят кольца, поршни, седла и тарелки клапанов, об этом как-то не подумали. Да и саму угольную пыль получить не так просто.

Из-за тяжелого компрессора двигатель оказывалось невозможно применить на наземном транспорте. Но в работе он расходовал так мало горючего и работа его была настолько устойчивой, что отказаться от него было уже невозможно. Расчеты показывали, что от двигателя можно ожидать значительно большую мощность, если решить проблему с подачей топлива.

У инженеров возникла идея заменить компрессор плунжерным насосом. Качать топливо в жидком виде было чрезвычайно выгодно, на это уходит гораздо меньше энергии, а насос можно сделать совсем небольшим. Однако, изготовить плунжерную пару было не так просто. Дело в особой точности изготовления — расстояние между деталями составляет 2-3 микрона.

Все же дизелям нашлась работа. Впервые они были установлены на немецких подводных лодках еще при кайзере Вильгельме. (Возможно, с этим как раз связано темная история исчезновения самого изобретателя, утонувшего в Ла-Манше по дороге в Англию.)

В 1920 году Роберт Бош наконец, получает качественный плунжерный насос. В цилиндры двигателя научились подавать больше топлива. Теперь обороты дизельного двигателя и его удельная мощность, становятся достаточными для установки на автотранспорте. Вместе с насосом Бош разрабатывает и очень удачную форсунку для топлива.

Сгорание топлива в дизельном двигателе

Проще всего понять, как работает дизельный двигатель, если посмотреть на сгорание топлива в нем. В дизелях используется тяжелое топливо. Это означает, что двигатель внутреннего сгорания такого типа может работать на керосине (известном как солярка), мазуте, сырой нефти, и даже на некоторых растительных маслах.

Все эти виды топлива более калорийны, чем бензин. Так что, рабочая температура дизельного двигателя заметно выше, чем у бензинового. Но тяжелые виды топлива горят хуже, чем бензин, медленнее и трудно поджигаются. Для их воспламенения требуется большая степень сжатия, воздушно-топливная смесь должна нагреваться до 700-800°С.

Вязкость любого из дизельных видов топлива, даже в подогретом состоянии, выше бензиновой, а распылять его необходимо до мельчайшего состояния, особенно в быстроходных дизелях. Еще экспериментальный двигатель Дизеля работал при впрыске топлива под давлением не менее 50 бар (атм), а практический двигатель требует 100-200 бар.

Однако, у тяжелых калорийных топлив есть свое преимущество перед бензином. Давление в цилиндре дизеля практически постоянно на всем такте расширения, поэтому крутящий момент у них весьма значителен и стабилен. Благодаря постоянному давлению, угол опережения зажигания также остается постоянным и регулировки не требует. Ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензинового. Есть области, где дизель практически незаменим, например в сельскохозяйственном тракторе.

Разновидности дизельных двигателей

Принцип действия дизельного двигателя для всех из них одинаков: сначала производится сжатие свежего заряда рабочего тела (воздуха), затем впрыскивается топливо. От высокой температуры смесь воспламеняется и сгорает, поднимая давление. Под его действием поршень двигается обратно и в нижней точке выпускной клапан цилиндра открывается, выпуская отработанный газ. В основном, это углекислый газ, дизельные двигатели экологически чище бензиновых.

Камеры сгорания дизелей могут выполняться непосредственно в днище поршня — там делается выемка особой формы — или в ряде случаев используют предкамеры (или форкамеры, как это говорят на родине двигателя). Первый вариант — самый экономичный, второй считался оптимальным в прежние годы. Сейчас, когда экономичность, во многих случаях, считается решающей, от предкамерных вариантов снова отказываются.

Рабочий процесс в дизеле может протекать, как и в бензиновом двигателе, в два или четыре такта. Подавляющее большинство дизелей — четырехтактные. Двухтактные проще реверсировать, поэтому они распространены на морских судах, где применяется жесткая связь с гребным валом. Камеры сгорания в двухтактных дизелях не разделяются из-за очевидных проблем с продувкой форкамеры.

Конструкция дизельного двигателя зависит от его мощности и назначения. Наиболее мощные двигатели, применяемые на судах и некоторых электростанциях, имеют крейцкопф — устройство для снижения боковых сил на поршень. Все мощные дизели имеют сложно устроенное дно, потому, что подвергаются высокой температуре.

Читать еще:  Что показывает давление в двигателе камминз на газель

Часть, обращенная в цилиндр, делается стальной, а остальная часть поршня (юбка) — алюминиевой. Кроме того, в поршне сделаны канавки для системы масляного охлаждения.

Типы дизельных двигателей различаются и по расположению цилиндров. Бывает рядовое, V-образное и даже такое, при котором цилиндры располагаются с разворотом на 180 градусов. Это зависит от тех условий, которые имеются на месте установки двигателя. Например, на современном грузовике или автобусе, скорее всего, будет применен двухрядный дизель, установленный под полом кабины водителя. Как устроен дизельный двигатель, будет зависеть и от наличия наддува.

Турбонаддув дизелей

Мощность дизельного двигателя, без увеличения расхода топлива, можно повысить при помощи турбокомпрессора. Тогда можно использовать еще неплохой кусочек диаграммы цикла Карно. Эксплуатация дизельного двигателя с турбокомпрессором имеет то преимущество, что используя энергию выхлопных газов можно раскрутить турбину, и на том же валу установить другую турбину — компрессор.

Этот компрессор будет нагнетать воздух, поступающий через впускной коллектор, увеличится заряд воздуха в цилиндрах, и, таким образом, мощность двигателя заметно возрастет. (Работу таких двигателей легко узнать по характерному свисту в момент раскручивания турбины.)

Плюсы и минусы дизелей

Преимущества дизельного двигателя — это высокий и постоянный крутящий момент в сочетании с высокой экологичностью выхлопных газов (это относится, правда, только к современным двигателям). Также вне конкуренции их высокий КПД, самый высокий среди ДВС. Известны дизели (MAN) дающие свыше 50%, (что считалось «теоретическим» максимумом). Там использован максимум всех современных достижений. Экономичность достигает до 40%, если провести сравнение с бензиновыми.

Проблемы дизельных двигателей, а без них техники не бывает, заключаются в тяжелом пуске, из-за высокой степени сжатия (до 25 в современных двигателях), на автомобилях приходится ставить мощный стартер и аккумулятор. Большая точность изготовления деталей насосов высокого давления и форсунок затрудняет обслуживание.

Дизели крайне чувствительны к механическим загрязнениям топлива, для очистки которого приходится применять даже центрифугу в составе топливной аппаратуры. При равном объеме в литрах, дизельный двигатель уступает бензиновому по мощности, при равной мощности дизель тяжелее. Дизельный двигатель требует более качественных сплавов для своего изготовления и заметно дороже бензинового.

И все же, сравнивая преимущества и недостатки дизельного двигателя, можно сделать выбор в пользу дизеля. Особенно этому способствует технический прогресс в области электроники и блоков управления двигателями. Система «общая магистраль» (common rail) и электромагнитные форсунки позволяет сильно упростить ТВНД, а блок управления доводит экономию топлива до максимума, поскольку работает на любых переходных режимах и успевает все отследить.

Устройство дизельного двигателя, особенности конструкции.

Дизельные двигатели уже давно вошли в автоиндустрию, и в нынешнее время все чаше устанавливаются в автомобилях не только среднего, но и даже малого класса.

Почему же дизельные двигатели стали столь популярны в наше время? Ответ на этот вопрос очень прост. Одним и самых больших плюсов в эксплуатации дизельного двигателя, является его экономное потребление топлива, к тому же цена на дизельное топливо существенно ниже. Согласитесь, это немаловажный фактор при выборе авто для повседневной эксплуатации, особенно когда цены на топливо растут с каждым днем все больше и больше. Еще одним немаловажным и положительным фактором является то, что высокий крутящий момент полого изменяется с увеличением оборотов.

К сожалению, кроме положительных моментов при эксплуатации, водители имеющие автомобиль с дизельным мотором, могут столкнуться с рядом отрицательных моментов, а именно:

  • проблемы с запуском двигателя в условиях низких температур;
  • повышенной шумностью в работе;
  • вследствие повышенных нагрузок на узлы ЦПГ и КШМ значительно меньшим ресурсом, особенно при постоянной эксплуатации в городских условиях;
  • а в силу его сложности, ремонт его владельцу обойдется дороже, чем бензинового двигателя.

К тому же дизельные двигатели обладают меньшей литровой мощностью, приблизительно 25-30 кВт/л.

На рисунке вы можете увидеть основные камеры сгорания, применяемые на дизельных двигателях. На легковых автомобилях в основном устанавливаются раздельные камеры сгорания. Применение данной разновидности камер особенно на легковых авто не случайно, так как используя их, легче всего добиться от двигателя быстроходности и максимальной частоты вращения 4000 -5000.

Теперь более детально рассмотрим вихревые камеры сгорания. На такте впуска в отличие от бензинового двигателя, камера сгорания наполняется не топливной смесью, а воздухом. За тактом впуска следует такт сжатия, здесь также есть существенное отличие, оно заключается в том, что степень сжатия в дизельном двигателе значительно выше и достигает отметки 20-22.

Поршень, поднимаясь в верхнюю мертвую точку, практически подходит в плотную к ГБЦ (головке блока цилиндров), вытесняя тем самым из цилиндра 40-60% воздуха в вихревую камеру. Воздух, вытесненный из цилиндра в вихревую камеру, пройдя через специальный канал, образует вихревой поток. В самой вихревой камере располагается свеча накаливания и топливная форсунка, которая впрыскивает дозированное количество топлива перед приходом поршня в ВМТ, это происходит примерно за 5-10 градусов поворота коленчатого вала, не доходя до ВМТ. Так как в дизельном моторе компрессия на порядок выше, чем у бензинового, чтобы обеспечить стабильную подачу топлива в камеру сгорания, давление топлива должно превосходить давление в цилиндре создаваемое поршнем, поэтому давление на выходе топливной форсунке составляет 12-15 МПа (120-150 атмосфер).

Читать еще:  Что такое рабочая точка в двигателях внутреннего сгорания

Сильно разогретый от высокого давления воздушный поток благодаря геометрической форме вихревой камеры достаточно хорошо перемешивается с впрыснутым топливом и происходит воспламенение топливной смеси. Для стабильно устойчивого испарения и воспламенения топливной смеси, в вихревой камере расположена свеча накаливания, которая в момент запуска двигателя разогревается до 800° с помощью электрической спирали, а в процессе работы уже от продуктов сгорания.

Процессы горения, происходящие в дизельном и бензиновом двигателе сами по себе очень разные, в дизеле процесс горения можно разбить на несколько стадий. В вихревой камере воспламенение и горение смеси идет при коэффициенте избытка воздуха равным примерно 1 (λ = 1), затем горение плавно перемещается в надпоршневое пространство, где процентное отношение воздуха гораздо выше. В итоге такая система организации горения топлива позволяет работать двигателю на очень бедных смесях (λ = 3-4), что значительно сказывается на расходе топлива.

Еще одно яркое отличие дизельного двигателя от бензинового состоит в том, что для управления оборотами двигателя, дроссельная заслонка совсем не обязательна, она может даже совсем отсутствовать. Для управления двигателем достаточно регулировать количество подачи топлива.

Еще одним типом дизелей с разделенной камерой сгорания являются предкамерные. Но они не получили большого распространения так как имеют меньшую литровую мощность, но зато у них более широкие пределы регулирования по составу смеси, что определено сказывается на их высокой экономичности.

Теперь настало время поговорить о дизелях с не разделенной камерой сгорания, двигателях с непосредственным впрыскиванием топлива (такая система, кстати, применима и к бензиновым двигателям), то есть у них отсутствует отдельная камера сгорания, а топливо сразу впрыскивается в цилиндр в надпоршневое пространство. Отличительной особенностью данной системы в сравнении рассмотренных выше лежит в самом поршне. Поршень в системе с непосредственным впрыском имеет углубление в своем днище, в которое и происходит впрыскивания топлива форсункой. Давление подачи топлива форсункой в данной системе значительно выше, чем в дизелях с разделенной камерой и составляет 35МПа (350 атмосфер). В основе развития данной системы лежит их более высокая экономичность и крутящий момент, поэтому на дорогах мы будем встречать все больше легковых автомобилей с дизельными двигателями, оснащенными не разделенной камерой сгорания.

Почему же дизельный двигатель всегда можно отличить от бензинового по шумности? Все дело в том, что в дизельном двигателе создается более высокое давление и нагрузку на все его детали, что вызывает своеобразный характерный шум. Особенно отчетливо шум дизеля слышим на холостых оборотах, с увеличением же частоты вращения шум становится значительно тише. Чем больше опережение впрыска, тем выше максимальное давление при сгорании и тем выше шум дизеля (так называемая «жесткость» сгорания).

Если мы сравним поршни дизельного и бензинового двигателя одного или приближенного рабочего объема, то не вооруженным глазом видно, что поршень дизельного двигателя выглядит более массивным. Во-первых, он выше, его стенки и днище существенно толще, канавки под кольца шире, все это связано с тем, что дизельный двигатель подвержен более сильным нагрузкам, чем бензиновый. Так же более массивно и прочнее выполнены все остальные элементы КШМ (кривошипно-шатунный механизм).

Принцип действия дизельного двигателя

Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с КПД более 50%. Большое значение этому агрегату дают низкий расход топлива и низкая токсичность. Дизельный двигатель адаптирован к наддуву воздуха — за счет этого повышается мощность, кпд и уменьшается содержание вредных веществ в отработанном газе (ОГ). Дизели работают по двухтактному и четырехтактному принципу. Но большинство автомобилей сегодня используют четырехтактный принцип.

Принцип действия

Дизельный двигатель может быть одноцилиндровым или многоцилиндровым. При сгорании дизельного топлива в камере сгорания повышается давление, которое заставляет поршень совершить возвратно-поступательное действие в цилиндре. Этот принцип действия называется «поршневой двигатель». Шатун преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное движение коленвала. Маховик на коленвале сглаживает неравномерное вращение из-за последовательного сгорания топлива в отдельных цилиндрах.

Четырехтактный процесс

Рисунок 1- Четырехтактный процесс

а — такт впуска; б — такт сжатия; в — рабочий ход; г — такт выпуска; 1— впускной клапан; 2 — форсунка; 3 — выпускной клапан; 4 — цилиндр; 5 — поршень; 6 —топливный насос высокого давления

Первый такт — впуск

Поршень, находящийся в верхней точке, начинает движение вниз и увеличивается объем цилиндра. Через открытый впускной клапан в цилиндр засасывается воздух. В нижней мертвой точке поршня, объем цилиндра становится максимально допустимым.

Второй такт — сжатие

Впускной клапан закрыт и поршень, начиная своё движение, сжимает воздух, который от степени сжатия начинает нагреваться до высокой температуры (максимально доходящей до 900 С). В конце процесса сжатия в разогретый воздух форсункой впрыскивается топливо. В верхней мертвой точке поршня объем цилиндра достигает минимальное значение.

Читать еще:  Форд фокус 2 работа вентилятора охлаждения двигателя

Третий такт — рабочий ход

После задержки воспламенения (это связано с углом поворота коленвала) происходит рабочий ход. Топливо в сильно сжатом воздухе воспламеняется и сгорает в камере сгорания. Из-за этого заряд топливовоздушной смеси, созданной ТНВД, разогревается и давление поднимается выше. Количество впрыснутого топлива определяется количество освобожденной при сгорании энергии. Под действием давления поршень опускается вниз и тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Кривошипно-шатунная система переводит кинетическую энергию поршня в энергию вращения коленвала.

Четвертый такт — выпуск

Незадолго до того, как поршень достигнет нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан. Горячий газ находящийся под давлением выходит из цилиндра. Движение поршня вверх позволяет вытеснить остаток газа. Коленвал проходит два оборота и цикл повторяется сначала.

Кулачки впуска и выпуска распредвала отвечают за работу (открытия и закрытия) клапанов. Распредвал приводится от коленвала зубчатым ремнем или шестернями. Рабочий цикл, при четырех вышеописанных тактах, совершается за два оборота коленвала, поэтому распредвал вращается с частотой меньшей вдвое, чем коленчатый.

В момент перехода от такта выпуска к такту впуска — клапаны открыты одновременно. Этот момент называется — перекрытие клапанов. В это время отработавшие газы вытесняются новым воздухом в выпускной коллектор, таким образом охлаждая цилиндр.

Степень сжатия в двигателе оказывает влияние на:

процесс холодного пуска;

эмиссию отработанных газов.

Принцип работы двигателя определил наличие следующих систем:

кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня под воздействием давления газов во вращательное движение коленчатого вала;

механизм газораспределения, предназначенный для своевременного наполнения цилиндров горючей смесью или воздухом и выпуска отработавших газов в атмосферу;

система смазки, предназначенная для очистки и подачи к трущимся сопряженным поверхностям двигателя необходимого для смазки и охлаждения этих поверхностей количества масла;

система охлаждения, служащая для охлаждения всех нагреваемых деталей двигателя путем отвода от них тепла;

система питания, предназначенная для подачи в цилиндры дозированного количества топлива или горючей смеси в распыленном состоянии;

система пуска, предназначенная для быстрого и уверенного запуска двигателя при любых температурных условиях.

Холостым ходом называют режим с мини­мальной частотой вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке. Педаль газа в данном случае находится в свободном со­стоянии. Двигатель не развивает никакого крутящего момента, преодолевая лишь внутреннее трение. В некоторых изданиях вся область с нулевой нагрузкой называет­ся областью холостого хода. Наивысшая частота вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке (т.е. частота, ограничива­емая регулятором) называется максималь­ной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу.

При полной нагрузке педаль газа полно­стью нажата или регулятор работает само­стоятельно, ограничивая максимальное количество подаваемого топлива. Двига­тель в стационарном режиме работы раз­вивает максимально возможный крутя­щий момент. При нестационарном режи­ме (с ограничением давления наддува) ди­зель в зависимости от имеющегося в на­личии воздуха выдает максимально воз­можный (более низкий по сравнению со стационарным режимом) крутящий мо­мент полной нагрузки. Доступен весь диа­пазон частоты вращения — от холостого хода до номинального значения.

Устройство и принцип работы впрыска дизельного топлива

Самая простая топливная аппаратура дизеля с механическим впрыском состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД), топливных трубок и форсунок.

ТНВД и дизельные форсунки.

Главным элементом этой системы является ТНВД. Его задача заключается в том, чтобы подать к форсункам топливо под высоким давлением (обычно от 200 до 300 бар). Для этого в насосе применены плунжеры, который при перемещении резко увеличивает давление в магистрали той или иной форсунки.

Атмосферные дизельные двигатели очень любят поклонники гонок на внедорожниках по пересеченной местности. В этом нет ничего удивительного: для работы этому дизелю не нужен электрический ток

В отличие от бензиновых инжекторных систем питания, дизель с механическими форсунками работает без участия электроники. Момент впрыска определяется механическими настройками и зависит от давления топлива.

При достижении определенного давления игла распылителя поднимается, и топливо впрыскивается в цилиндр. После того, как давление в форсунке падает, игла закрывается, а излишки топлива из магистрали сливаются обратно в бак.

Самое весомое преимущество систем впрыска дизельного топлива перед инжекторами бензиновых двигателей – это высокий КПД

На сегодняшний день механический впрыск почти полностью уступил место более совершенному аккумуляторному впрыску Common Rail. В этих системах впрыск производится под контролем электроники.

Технические неисправности

Причиной неприятных вибраций могут стать и технические неисправности силового агрегата.

На шумность дизеля влияют:

  • неисправность форсунок и топливного насоса высокого давления;
  • загрязненное моторное масло и фильтр;
  • некорректная работа масляного насоса;
  • износ клапанов и увеличение их зазоров;
  • ранний впрыск топлива, приводящий к преждевременной детонации;
  • стук распределительного вала из-за износа подшипников;
  • стук коленчатого вала из-за износа вкладышей;
  • повреждения опорных подушек двигателя.
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector