ДГУ и дизельные двигатели

В представлении у большинства россиян слово дизель как бы означает такой вот чадящий черным дымом КамАЗ с копошащимся рядом его водителем, который пытается зимой отогреть топливный бак паяльной лампой. Если же чуть шире раскрыть ворота истории развития отечественной техники, то можно увидеть в недалеком прошлом широкое применение дизельных двигателей на судах, грузовых автомобилях и на военной технике. То есть, дизельные двигатели использовались там, где, в основном, были нужны надёжность и экономичность. И это соответствовало потребностям нашей реальной жизни. Но время неумолимо двигалось вперед и потребности человечества все более и более расширялись. Кроме вышеназванной техники, дизельные двигатели нашли свое применение при производстве легковых автомобилей, мобильных электростанций и других технических устройств.

Особенно это было отмечено в автомобилестроении. Так, в 1935 году впервые был выпущен серийный автомобиль с дизельным двигателем в Германии, который использовался как такси (модель Mercedes-Benz 260, W170). Прошедший в 70-х годах прошлого столетия бензиновый кризис только подтолкнул стремительный рост популярности дизельных двигателей. Исключительные качества дизельного двигателя такие, как высокий крутящий момент на всем диапазоне оборотов (особенно на низких частотах вращения), экономичность и доступное топливо, делают его самым предпочтительным вариантом для техники, предназначенной для работы в тяжелых условиях. В конце 90-х 20 века получило новое развитие популярности дизельных моторов, которое было связано с совершенствованием их конструкций, широким внедрением электроники в системы, обеспечивающих подачи топлива и управления двигателем, внедрением новейших технологий в их производстве. Сегодня современные дизельные двигатели для ДГУ, особенно последних поколений, вплотную приблизились к бензиновым моторам по показателям шумности и удельным характеристикам (мощность на единицу объема, вес), при этом сохранив преимущества в экономичности и надежности. По прогнозам специалистов в нашем 21 веке старая добрая бензиновая зажигалка начнет уходить в историю, постепенно отдавая пальму первенства дизелю.

Конструктивные особенности дизельного двигателя

Конструкция дизельного двигателя почти не отличается от конструкции обычного бензинового двигателя - те же поршни, цилиндры, шатуны. Правда, у дизеля больший вес и габариты чем у бензинового двигателя. Так, например, клапанные детали в дизеле существенно усилены с целью выдерживания высоких нагрузок на них из-за более высокой степени сжатия топливной смеси (в дизеле 19-24 единиц, против 9-11 – в бензиновом двигателе). Другое отличие состоит в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. Они принципиально отличаются. В бензиновом двигателе смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется благодаря искре свечи зажигания.

Подача же топлива и воздуха в дизельном двигателе происходит раздельно. Сначала в цилиндры поступает чистый воздух, Затем, в конце его сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 градусов по Цельсию, в камеру сгорания под большим давлением (10-30 МПа) впрыскивается форсунками топливо, которое почти мгновенно самовоспламеняется. Из-за сопровождающегося самовоспламенения резко возрастает давление в цилиндре. В результате этого наблюдаются повышенная шумность и жесткость работы дизеля.

Такой способ подачи топливной смеси в дизеле позволяет использовать более дешевое топливо и даже работать на очень бедных смесях, что, в конечном счете, предопределяет более высокую экономичность такого двигателя. С точки зрения экологии характеристики такого двигателя тоже лучше, поскольку при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ (особенно оксида углерода) намного меньше, чем у бензиновых двигателей.

Специфическими недостатками дизельных двигателей являются его повышенная шумность и вибрация, меньшая литровая мощность и трудности холодного пуска. Впрочем, если рассматривать сегодняшние конструкции дизеля, то эти проблемы не являются уже столь очевидными. Скорее всего, это давно забытое прошлое, поскольку такие проблемы наблюдаются только в старых конструкциях дизеля.

Существующие сегодня дизельные двигатели различаются между собой конструкциями камеры сгорания (неразделенная и разделенная камеры сгорания).

Двигатели с непосредственным впрыском

Особенность дизелей с неразделенной камерой сгорания (их еще называют дизелями с непосредственным впрыском) состоит в том, что топливо впрыскивается в надпоршневом пространстве, а сама камера сгорания выполнена в поршне. Раньше такой непосредственный впрыск топлива применялся, в основном, на низкооборотных двигателях с большим рабочим объёмом (из-за повышенных шума и вибрации). Но благодаря внедрению новых топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, а также двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания конструкторам и технологам удалось добиться более устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 оборотов в минутку. Это, в конечном счете, позволило улучшить такие показатели качества дизельного двигателя, как его экономичность, а также снизить шум и вибрацию при его работе.

Вихрекамерные двигатели

Вместе с тем, наиболее распространенным (например, на легковых автомобилях) является другой тип дизельного мотора – это двигатель с раздельной камерой сгорания. В таких двигателях впрыск топлива осуществляется в дополнительную камеру (вихревая камера), а не в цилиндр. Вихревая камера конструктивно установлена на головке блока цилиндров и соединена с цилиндром специальным каналом. В такой конструкции процесс происходит так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что позволяло бы значительно улучшать процесс самовоспламенения и смесеобразования. То есть самовоспламенение в этом случае начинается в вихревой камере, а затем уже продолжается в основной камере сгорания, что, в конечном итоге, снижает темп нарастания давления в цилиндре. Это, в свою очередь, снижает шумность при повышении максимальных оборотов. На легковых автомобилях и джипах сегодня, в основном, установлены вихрекамерные двигатели (где-то около 90 процентов).

Предкамерные дизели

Еще существуют так называемые предкамерные дизели. Конструкция их предусматривает специальную вставную форкамеру, которая соединена с цилиндром несколькими небольшими каналами. Форма и сечение таких каналов подбираются таким образом, чтобы между форкамерой и цилиндром возникал перепад давления, который бы вызывал течение газов с большей скоростью. Такие дизели имеют большой ресурс работы, низкий уровень токсичности и шума.

Ключевые узлы дизеля

Насосы

Система топливоподачи в дизеле является важнейшей системой двигателя, которая определяет эффективность и надежность его работы. Основная ее задача состоит в подаче строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Как правило, топливная система дизеля является достаточно сложной и дорогой. Составными ее частями служат топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр. В зависимости от режима работы двигателя и управляющих действий оператора (водителя – для автомобилей) насос ТНВД обеспечивает подачу топлива к форсункам по строго определенной программе. В настоящее время применяются насосы ТНВД двух типов - распределительного типа и рядные многоплунжерные. Последние (рядные) насосы применяются крайне редко, хотя по своей конструкции являются наиболее надёжными.

К наиболее распространенным относятся насосы ТНВД распределительного типа. В таких насосах система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, который совершает поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное движение, необходимое для распределения топлива по форсункам. Кстати такие насосы получили широкое распространение на легковых дизельных автомобилях. Они достаточно компактны, они отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам, а также отличной работой на высоких оборотах двигателя (благодаря быстродействию регуляторов). Есть один существенный нюанс - такие насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизельного топлива, поскольку зазоры в прецизионных элементах их очень малы.

Форсунки

Форсунка является также важным элементом топливной системы, так как она вместе с насосом ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Как правило, применяются форсунки со шрифтовым распределителем или форсунки с многодырчатым распределителем. Так как условия работы форсунки в дизеле считаются очень тяжелыми, то распылитель форсунки делают из специальных жаропрочных материалов с особой точностью, то есть конструкция форсунки считается достаточно прецизионным элементом.

Фильтры

Топливный фильтр является самым простейшим по виду конструкции элементом дизельного мотора, но, тем не менее, считается очень важным узлом. По его параметрам, таким, как пропускная способность и тонкость фильтрации строго определяется тот или иной двигатель. Кроме очистки топлива от мусора, фильтром осуществляться также отделение и удаление воды с помощью нижней сливной пробке. Для удаления воздуха из топливной системы на верхней части корпуса фильтра часто устанавливается насос ручной подкачки. Кроме того, может быть установлена система электроподогрева топливного фильтра. Такая система обеспечивает более надежный запуск двигателя в зимних условиях, предотвращая тем самым забивание фильтра парафинами, которые образуются при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

Запуск дизельного двигателя

Для холодного пуска дизеля используется система предпускового подогрева. Данная система обеспечивает нагрев двигателя через свечи накаливания, вставленные в камере сгорания. При включении зажигания эти свечи за несколько секунд разогреваются до плюс 800-900 градусов по Цельсию, тем самым, обеспечивая подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива.

Наддув

Для повышения мощности и гибкости работы дизеля применяется еще так называемый турбонаддув, который подает в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличивает подачу топлива на рабочем цикле, тем самым достигается увеличение мощности двигателя.

Другие элементы дизельного двигателя

Разные производители дизельных двигателей решают те или иные проблемы дизельного двигателя по-своему, используя новейшие технологии, удачные инженерные решения. Так, например, некоторыми фирмами используется в конструкции двигателя так называемую думающую рампу, суть работы которой состоит в следующем:

Топливный насос высокого давления подает топливо в общий трубопровод (топливную рампу), который (которая) играет роль ресивера. В этом промежуточном звене размещается как бы постоянный объем солярки, которая находится под постоянным давлением в пределах около 1300 атмосфер. Форсунки же открываются теперь не гидромеханическим способом (от повышения давления в трубопроводе), а электронным способом от сигнала, подаваемого на соленоид форсунки. Датчики сообщают компьютеру, управляющему работой форсунок, соответствующую информацию и на ее основе компьютер назначает нужное для работы мотора количество топлива и момент его подачи.

Новые возможности

Компьютерное управление подачей топлива обеспечивает впрыскивание топлива в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями, чего раньше сделать было невозможно. Сначала поступает крохотная (около миллиграмма, доза), которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный заряд. Для дизеля это очень важным моментом - давление в камере сгорания нарастает более плавно, без рывка, что, соответственно, обеспечивает более мягкой и менее шумной работу двигателя.

Прогрессивные изменения в системе подачи топлива к форсункам дизельных двигателей стали возможны лишь благодаря бурному развитию электроники за последнее время.

Вернуться к советам »