Дизель на легковом автомобиле ч

Дизель на легковом автомобиле ч.1

По конструкции дизель мало отличается от обычного бензинового мотора — те же коленчатый вал, шатуны, клапаны… Правда, детали усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки, возникающие при сгорании топлива — ведь степень сжатия у дизеля в два с лишним раза выше (около 19-24).

Принципиальное отличие дизеля заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового двигателя, как известно, смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. У дизеля, напротив, в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры самовоспламенения топлива (700-800°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением (10-30 МПа). Для создания такого давления применяются специальные топливные насосы высокого давления (ТНВД), приводимые от коленчатого вала двигателя. Свечи у дизеля тоже есть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск.

Подобная организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность дизельного двигателя. Управление осуществляется не дроссельной заслонкой (ее может просто не быть), а только изменением подачи топлива.

Дизель из-за особенностей своего рабочего процесса имеет высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения, что делает его гибким в управлении, особенно при работе в тяжелых дорожных условиях. Да и в экологическом плане дизель лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода, заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

Разумеется, дизель имеет и недостатки. Главные — повышенные шум и вибрация. Они обусловлены высокой степенью сжатия и быстрым нарастанием давления в цилиндре при самовоспламенении смеси. Дизель трудно запустить в холодное время года. Мощность дизельного двигателя ниже, чем бензинового того же рабочего объема, в основном, из-за пониженной максимальной частоты вращения (обычно она не превышает 4500-4800 об/мин.), а масса дизеля больше. Впрочем, применение многоклапанных головок, развитие систем топливоподачи, в том числе электронного управления впрыском топлива, постепенно сглаживают эти недостатки.

Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции

камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой (рис.1а) — их также называют дизелями с непосредственным впрыском (Direct Injection), топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. До недавнего времени подобные решения применялись, в основном, на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также с повышенным шумом, особенно на непрогретом двигателе.

В последние годы благодаря применению ТНВД с электронным управлением и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой на частотах вращения до 4500 об/мин, улучшить на 15-20% его экономичность, существенно снизив шум и вибрацию. И теперь такие двигатели для легковых автомобилей широко применяют фирмы AUDI, Ford, Toyota и даже известный своей осторожностью Mercedes. В России наиболее распространены следующие автомобили с такими дизелями: Ford Transit (2,5 л), AUDI 1,9 TDI (1,9 л) и Audi 100 (2,5 л).

В дизелях с разделенной камерой подача топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. В наиболее распространенных вихрекамерных дизелях (рис.1б) такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Именно такая схема первоначально позволила без больших трудностей добиться высокой частоты вращения, необходимой для двигателей легковых автомобилей. Поэтому вихрекамерные дизели пока составляют большинство (около 90%) среди устанавливаемых на легковые автомобили.

Другой тип дизеля — предкамерный, имеет специальную вставную форкамеру (рис.1в), связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями. Их сечение подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью. Это определяет целый ряд преимуществ предкамерного дизеля. Среди них большой ресурс, низкий шум, более полное сгорание топлива и низкая токсичность выхлопных газов, а также малое изменение крутящего момента по частоте вращения.

Данная схема широко применяется фирмой Mercedes для легковых автомобилей. Преимущества этой схемы, помноженные на традиционную надежность, фактически делают дизельные двигатели Mercedes лучшими. И это — несмотря на то, что по экономичности предкамерные дизели обычно несколько уступают вихрекамерным и с непосредственным впрыском, а их конструкция, как правило, сложнее и дороже. Последние модели дизелей Mercedes — ОМ 604, 605 и 606 — имеют четырехклапанные головки цилиндров и электронное управление впрыском топлива. Это позволило поднять их мощность на 25% и улучшить экономичность на 8-10%, приблизив эти параметры к лучшим образцам дизелей других типов.

Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Он существенно усилен по сравнению с бензиновым двигателем, его стенки значительно толще, поршневой палец имеет увеличенный диаметр, а поршневые кольца — высоту. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Различия других узлов и деталей не столь существенны и обусловлены требованиями надежности, компоновочными соображениями и традициями фирмы. Правда, следует заметить, что наиболее надежны в эксплуатации те двигатели, у которых привод газораспределительного механизма и ТНВД осуществляется цепью или шестернями (все двигатели Mercedes, BMW M51, Peugeot XD2, XD3, Nissan TD23, 25,27 и другие). Ремень, как показывает практика, несмотря на определенные достоинства, снижает надежность дизеля, так как при его обрыве двигатель обычно выходит из строя.

Очень эффективен для повышения мощности дизелей наддув. В отличие от бензиновых двигателей у дизеля турбонаддув работает во всем диапазоне частот вращения — ведь благодаря высокой степени сжатия давление отработавших газов здесь в 1,5-2 раза выше. Особенно высокое форсирование достигается промежуточным охлаждением воздуха, сжатого в компрессоре, перед его поступлением в двигатель. Для этого используют специальные радиаторы-охладители или интеркулеры (intercooler). Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.

Особое место в конструкции дизелей занимает система подачи топлива. Высокие давления впрыска делают ее достаточно сложной, от нее во многом зависят мощность и экономичность двигателя, а также его экологические характеристики. В эксплуатации с нарушениями в работе системы подачи топлива связано много различных неисправностей. Поэтому системам питания дизелей приходится уделять большое внимание и в обслуживании, и в ремонте.

Основным узлом топливной системы дизеля является топливный насос высокого давления. Его главные функции — нагнетание топлива в форсунки в строго дозированном количестве и обеспечение необходимого момента начала впрыскивания (он определяется углом опережения впрыска по аналогии с углом опережения зажигания у бензиновых двигателей).

На дизелях легковых автомобилей применяются три типа ТНВД. Рассмотрим их более подробно.

Плунжерные рядные насосы типа М или MW фирмы Bosch применяются сейчас, в основном, только фирмой Mercedes. Эти насосы сложны по конструкции, но обладают, пожалуй, максимальными надежностью и долговечностью. Конструктивно плунжерные ТНВД имеют отдельные нагнетательные секции на форсунку каждого цилиндра с приводом от кулачкового вала насоса. Каждая секция состоит из двух прецизионных (т. е. сверхточно выполненных) элементов — плунжера и нагнетательного клапана. Плунжер служит для нагнетания топлива в форсунку и установлен в корпусе насоса с очень малым зазором — менее 1 мкм. Кроме того, плунжер управляет количеством топлива, подаваемого к форсунке. Нагнетательный клапан необходим для быстрого запирания топливопровода, соединяющего насос и форсунку, и поддержания небольшого остаточного давления в топливопроводе между впрысками.

В распределительном насосе типа VE фирмы Bosch (подобные насосы производятся также японской фирмой Diesel KiKi по лицензии Bosch) система нагнетания имеет только один плунжер-распределитель, который совершает поступательные движения для нагнетания топлива и вращение для распределения топлива по форсункам. Поступательно-вращательное движение плунжера обеспечивается за счет его контакта с шаговым диском через ролики, при этом плунжер выполняет за один оборот диска столько циклов нагнетания, сколько цилиндров у двигателя.

В распределительных насосах типа DPC французской фирмы Lucas Rotodiesel и DPA, DPS английской фирмы Lucas-CAV систему нагнетания составляет пара противолежащих поршней, выполняющих поступательные движения навстречу друг другу. Нагнетание топлива происходит здесь в результате действия на поршни роликовых толкателей, набегающих на кулачки обоймы подшипника ротора. Распределение топлива по форсункам выполняется за счет разделителя, вращающегося вместе с поршнем и соединяющего или разъединяющего в определенных положениях насос с форсунками.

Чтобы ТНВД создавал необходимое давление впрыскивания, топливо должно поступать к плунжерной паре под небольшим давлением. Для этого используют насосы предварительной подкачки (низкого давления). В рядных ТНВД такой насос вынесен наружу и приводится от кулачкового вала двигателя, в то время как в распределительных насосах он установлен внутри корпуса самого ТНВД.

Конечным элементом топливной системы дизеля является форсунка. Она обычно заворачивается в головку блока цилиндров, но в некоторых дизелях прижимается специальным зажимом. Поскольку со стороны распылителя на форсунку воздействуют горячие газы, между ней и головкой устанавливают противопригарную шайбу, уплотняющую соединение и способствующую отводу тепла от форсунки.

Распылитель является основной деталью форсунки. В дизелях легковых автомобилей обычно применяют многоструйные или штифтовые распылители. Первый тип применяется в дизелях с непосредственным впрыском, второй — в дизелях с разделенной камерой сгорания.

Давление впрыска определяется усилием пружины распылителя. Под действием давления топлива в топливопроводе игла распылителя поднимается, и происходит впрыск. В момент, когда плунжер ТНВД прекращает нагнетание, давление резко падает, и игла распылителя садится на седло, отсекая подачу.

Еще одна специфическая принадлежность дизеля — система предпускового подогрева. У большинства дизелей в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900°С, о чем водителю сигнализирует специальная контрольная лампа. Как только лампа погаснет, двигатель готов к запуску. Электропитание со свечей снимается автоматически после запуска. В холодное время года это происходит не сразу, а через 15-20 с, чтобы обеспечить устойчивость работы непрогретого двигателя.

На некоторых дизелях (например Ford Transit) в виде пускового устройства применен электрофакельный подогрев. Он включает свечу накаливания, объединенную со специальной форсункой. Топливо к пусковому устройству подается из отдельного поплавкового механизма. После запуска, как только снимается напряжение со свечи, прекращается и подача топлива к форсунке.

Современные системы предпускового подогрева в сочетании с усовершенствованной конструкцией двигателей обеспечивают устойчивый пуск исправного дизеля при температуре до -25°С, а иногда и до -30°С.

В процессе эксплуатации в дизелях возникает целый ряд неисправностей, характерных только для этого типа двигателей. Не вдаваясь в подробности (это темы наших будущих материалов), отметим, что значительными ресурсом и надежностью обладают дизели Mercedes, причем всех категорий. В то же время в наших российских условиях (а они являются, как известно, неплохим полигоном для испытаний) заметно уступают многим фирмам дизели VW, хотя при этом они имеют отличную ремонтопригодность. В любом случае оценка качеств того или иного автомобиля с дизельным двигателем всегда носит оттенок субъективности. То же можно сказать о сравнении бензинового двигателя с дизельным — каждый имеет собственные преимущества и недостатки.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Предкамерный дизель

Предкамерные дизели имеют разделенные камеры сгорания Соотношение между Vnp — объемом предкамеры и Vc — объемом пространства сжатия выбирается от 0 25 до 0 40 ( фиг. Впрыснутое в предкамеру топливо частично сгорает и полученная энергия используется для распыливания несгоревшей части топлива в объеме надпоршневого пространства. Предкамера соединяется с надпоршневым пространством одним или несколькими отверстиями. Для предкамерного процесса применяется однодырчатый распылитель, имеющий небольшой угол конуса распыла ( в 10 — 15) во избежание оседания частиц топлива на боковых стенках предкамеры. [1]

У предкамерных дизелей ( см. рис. 34 — 8) объем предкамеры составляет 25 — 40 % общего объема камеры. [2]

У предкамерных дизелей камера сгорания состоит из двух частей. Основная ее часть, занимающая более 70 % общего объема камеры сгорания, расположена непосредственно над поршнем, а меньшая ее часть вынесена в предкамеру. Дизельные двигатели предкамерного типа работают устойчиво без дымления в широком диапазоне оборотов. [3]

Недостатком предкамерных дизелей является затрудненный пуск в холодном состоянии, повышенный расход топлива и более низкий коэффициент полезного действия. [4]

В предкамерных дизелях для смесеобразования используется вихревое движение газов, создающееся в результате предварительного частичного сгорания топлива в предкамере. [5]

На некоторых предкамерных дизелях применяют запальники из тлеющей пропитанной селитрой бумаги. Перед пуском непрогретого дизеля в предкамеру ввертывают стержни с тлеющим запальником. Соприкасаясь со впрыснутым мелкораспыленным топливом, запальники воспламеняют его и происходит вспышка. [7]

Наихудший пуск имеют предкамерные дизели , как имеющие самые высокие скорости воздуха в перепускных каналах и наибольшие тепловые потери. Без свечи накаливания или какого-либо иного подогревательного устройства предкамерный дизель вообще не может быть пущен. После длительной стоянки обязательно требуется достаточное предварительное накаливание пусковой свечи. Вихрекамер-ные дизели с их просторным перепускным каналом, соединяющим камеру с цилиндровым пространством, при удачном расположении форсунки и при температуре окружающего воздуха выше 0 пускаются в большинстве случаев без приспособления для калильного зажигания. [8]

Параметры процесса сгорания предкамерного дизеля следующие: / n0 5; tz0 01407 сек. [9]

Давление впрыскиваемого топлива в предкамерных дизелях составляет 8 0 — 12 5 Мн / м2, расход топлива на 10 — 20 % превышает расход в двигателях с неразделенными камерами. [10]

Для улучшения пусковых качеств у предкамерных дизелей повышают степени сжатия ( Е 20 — н 21) по сравнению с дизелями с неразделенными камерами сгорания. Кроме того, предкамеры оборудуют обычно калильными свечами. [11]

На рис. 11.106 показана схема предкамерного дизеля . Камера сгорания разделена здесь на две части: предкамеру 1 и основную камеру 3 над-поршнем. Объем предкамеры составляет 25 — 35 % общего объема камеры сгорания. Воздух, сжимаемый движущимся вверх поршнем, заполняет основную камеру и предкамеру. Ввиду сравнительно небольшого объема предкамеры в ней сгорает лишь часть топлива, впрыскиваемого на один цикл работы. В результате сгорания топлива давление в предкамере растет, и образующиеся газы вместе с несгоревшим топливом выбрасываются в основную камеру сгорания. При этом благодаря большим скоростям истечения топливо дополнительно распыливается, хорошо смешивается с воздухом и сгорает в основной камере сгорания 3 над поршнем. Образующиеся газы производят работу и затем удаляются. [13]

Несколько меньше среднее эффективное давление получается у предкамерных дизелей из-за увеличенных потерь при осуществлении рабочего цикла. [14]

Кривые изменения ре и ge в зависимости от числа оборотов для ряда предкамерных дизелей при полной нагрузке приведены на фиг. [15]

Особенности работы дизельных двигателей

Самое большое преимущество автомобиля с дизельным двигателем – его экономичность. Для подтверждения этого мнения рассмотрим основные отличия в работе бензинового и дизельного двигателей.

Особенности сгорания.

Дизельный двигатель – двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива вследствие сжатия. В бензиновом двигателе происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от искры. Такие двигатели очень чувствительны к детонации. Процесс сгорания в дизельном двигателе начинается с втягивания воздуха, затем происходит его сжатие до уровня, превышающего уровень сжатия в бензиновом двигателе, в результате чего возникает воспламенение топлива. Коэффициент полезного действия (КПД) дизельного двигателя выше, чем у любого другого двигателя внутреннего сгорания. Для низкооборотных двигателей с большим рабочим объемом КПД достигает 0,5 и выше. Как результат: автомобили с дизельными двигателями потребляют меньше топлива, количество вредных отбросов в выхлопных газах также значительно ниже, что является одним из главных преимуществ дизельного двигателя в сравнении с бензиновым.

Рабочий цикл.

В дизельном двигателе используется как двух-, так и четырехтактный рабочий цикл. В первом такте поршень движется вниз и через открытый впускной клапан втягивает воздух. Во втором такте, так называемом такте сжатия, происходит сжатие воздуха вследствие обратного движения поршня вверх. Степень сжатия — от 14:1 до 24:1. В конце такта происходит впрыскивание топлива форсункой под очень высоким давлением ( до 1500 кгс/см2). Температура воздуха при этом достигает 8000С. Происходит воспламенение мелко распыленного топлива (третий такт), которое сгорает почти полностью. Энергия, высвобождаемая при этом, давит на поршень, который снова начинает двигаться вниз. Происходит преобразование химической энергии в механическое движение. Четвертый такт – выпуск отработавших газов. Поршень движется вверх и вытесняет их через открытый выпускной клапан. Затем начинается новый цикл.

Камеры сгорания и турбонаддув.

В дизельном двигателе внутреннего сгорания может использоваться как разделенная (двигатель с предкамерой), так и неразделенная камера сгорания (двигатель с непосредственным впрыском). Двигатели последнего типа считается более экономичными и эффективными, чем двигатели с предкамерой, поэтому чаще устанавливаются на грузовых и грузопассажирских автомобилях. Двигатели с предкамерой дешевле, преимуществами их являются более низкие уровни шума и вредных выбросов в выхлопных газах. Такие двигатели используются в легковых автомобилях. Если сравнить с бензиновым двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от искры, оба вышеописанные типа дизельных двигателей более экономичны, в том числе в диапазоне частичных нагрузок. Дизельные двигатели внутреннего сгорания подходят для применения турбонагнетателей (турбокомпрессора) механического наддува или с приводом от выхлопных газов. Использование турбонагнетателя (турбокомпрессора) повышает мощность и коэффициент полезного действия (КПД) двигателя, снижает содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Типы камер сгорания дизельного двигателя:

• Системы с предкамерой. Эта система используется в дизельных двигателях на легковых автомобилях. Топливо впрыскивается в горячую предкамеру, где происходит дополнительное воспламенение. В результате образуется качественная смесь и снижается задержка воспламенения в основном процессе сгорания.
• Система с вихревой предкамерой. Такая система также используется в дизельных двигателях на легковых автомобилях. Как и в предыдущей системе, сгорание начинается в дополнительной камере. Однако такая камера сгорания имеет форму шара или диска (вихревая камера). Горловина (вырез) расположена тангенциально в основной камере сгорания.
• Система с непосредственным впрыском. Большей частью используются в грузовых автомобилях и в различных стационарных дизельных двигателях. Топливо под давлением впрыскивается сразу в камеру внутреннего сгорания, расположенную над поршнем. Образование топливной смеси происходит без дополнительной вихревой камеры.
• М-система или система непосредственного смешивания топлива с дальнейшим распылением его по стенкам. Эта система чаще используется в стационарных дизельных двигателях разного размера. Для испарения топлива используется теплоемкость стенок углубления в поршне. Топливовоздушная смесь образуется в результате управления воздухом в процессе сжатия.

Выхлопные газы дизельных двигателей внутреннего сгорания.

Состав выхлопных газов, образующихся в результате сгорания дизельного топлива, во многом зависит от конструкции самого двигателя, его мощности и заданной нагрузки. Чем более полно происходит сгорание топлива, тем ниже концентрация вредных веществ. Полнота сгорания зависит от точной поддержки состава тепловоздушной смеси, абсолютной точности впрыскивания и оптимального завихрения топливовоздушной смеси. Выхлопные газы большей частью состоят из воды (Н2О) и безвредной двуокиси углерода (СО2). Следующие соединения находятся в составе выхлопных газов в относительно небольшом количестве: несгоревшие углеводороды (НС или СН), окись углерода (СО), окись азота (NOx), серная кислота (Н2SО4) и окись серы (SO2), частички сажи. Если же двигатель холодный, в состав выхлопных газов поступают неокисленные или частично окисленные углеводы, различаемые как голубой или белый дым с характерным резким запахом.

Что такое предкамерный дизельный двигатель

Главное меню

• Главная
• Паровые машины
• Двигатели внутреннего сгорания
• Электродвигатели
• Автоматическое регулирование двигателей
• Восстановление и ремонт двигателей СМД
• Топливо для двигателей
• Карта сайта

Судовые двигатели

• Судовые двигатели внутреннего сгорания
• Судовые паровые турбины
• Судовые газовые турбины
• Судовые дизельные установки

Предкамерный способ смесеобразования осуществляется в предкамерных дизелях. У этих двигателей камера сгорания состоит из основной камеры 1 (фиг. 68) и предкамеры 2. Предкамера сооб­щается с основной камерой одним или несколькими узкими кана­лами. Процесс смесеобразования происходит так: в период хода сжатия давление в цилиндре возрастает, вследствие чего воздух с боль­шой. скоростью через соединительные каналы входит в предкамеру, где и происходит его завихрение. Примерно за 15° до в. м. т. по углу поворота колена топливо впрыскивается в предкамеру, где происходит его воспламенение. При этом топливо сгорает час­тично, так как количество воздуха в пред­камере недостаточно для всего поданного топлива (объем предкамеры составляет примерно 20—25% объема пространства сжатия). Сгорание в предкамере совер­шается с резким повышением давления; вследствие этого продукты сгорания с боль­шой скоростью устремляются в основную камеру сгорания, увлекая за собой боль­шую часть топлива и подвергая его даль­нейшему распыливанию и перемешиванию с воздухом. Полное сгорание происходит, таким образом, в цилиндре при всевозрас­тающем его объеме; процесс сгорания протекает примерно при неиз­менном давлении.

Таким образом, и этот тип дизеля работает по сме­шанному циклу. Благодаря добавочному

Таким образом, и этот тип дизеля работает по сме­шанному циклу. Благодаря добавочному распыливанию топлива газовой струей в предкамерных дизелях не обязательно такое же тонкое распыливание топлива, как в дизелях со струйным распылом. Поэтому для них возможно применение форсунок с одним сопловым отверстием при более низком давлении впрыска топлива, порядка 80—120 аm. Наличие сравнительно малых давлений топлива ведет к упрощению конструкции топливного насоса. Качество топлива здесь не имеет столь решающего значения, как при струйном распыливании; поэтому для предкамерных дизелей можно пользоваться более тяжелыми сортами топлива и без особенно тщательной фильтрации.

Однако дополнительные тепловые потери в предкамере, потери энергии при двухкратном проталкивании газовых масс в предкамеру и обратно приводят к увеличению удельного расхода топлива и сни­жают эффективный к. п. д. двигателя. Кроме того, у этих двигателей затруднителен пуск в ход, так как сжимаемый воздух, проходя через отверстия еще холодной предкамеры, отдает ей часть своего тепла, в результате чего температура воздуха в предкамере не обеспечивает интенсивного воспламенения топлива. Вследствие этого в предкамерных дизелях обычно применяются пусковые приспособления, облегчающие запуск двигателей (электри­ческая спираль накаливания, патрон с тлеющей селитровой бумагой и пр.). Наконец, к числу недостатков предкамерных двигателей относится ус­ложнение конструкции крышки ци­линдра.