2.1 Конструкция основных элементов системы питания дизельного двигателя

Форма камеры сгорания сильно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные. Соответственно, моторы с камерами первого типа называются дизелями с непосредственным впрыском, а второго - с предварительным. На рисунке 2.1 представлены схемы впрыска топлива.

Рисунок 2.1 Схемы впрыска топлива дизельных двигателей

До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на тихоходных дизелях большого объема. Хотя такие двигатели экономичнее (до 20%) моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.

Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и снизить шумность до уровня современных требований к двигателю легкового автомобиля. В наше время уже невозможно представить себе сходящий с конвейера внедорожник с дизелем без непосредственного впрыска. При непосредственном впрыске топливо сразу поступает в камеру сгорания, расположенную в днище поршня. При этом предъявляются высокие требования к подаче топлива и воздуха. Топливо должно равномерно распределяться по объему камеры сгорания и интенсивно перемешиваться с воздухом. Для этого используют форсунки с многоструйным распылителем, а давление открытия в зависимости от системы впрыска достигает 1700 бар. Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает по специальным каналам в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью.

Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Но, как мы уже упоминали, экономичность такого дизеля хуже, чем у мотора с непосредственным впрыском. Поэтому последние все чаще занимают достойное место под капотом легковых автомобилей и внедорожников, хотя предкамерные дизели все еще выпускаются. Новые же дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания. Главными ее составляющими являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки.

ТНВД, как это следует из названия, предназначен для создания требуемого высокого давления топлива и подачи его на всех режимах работы двигателя к форсункам, которые в свою очередь впрыскивают его в камеру сгорания. Форсунки и нагнетающие секции ТНВД являются прецизионными деталями, изготовленными с высокой точностью и имеющими микронные зазоры. Поэтому системе питания дизеля приходится уделять большое внимание в обслуживании и ремонте.

ТНВД. Данные насосы довольно сложны по конструкции, но являются самыми надежными. Состоят они из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Начало и окончание цикла нагнетания топлива, а соответственно и подачи в цилиндры, управляется рейкой. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название - рядные ТНВД. Подобные насосы, несмотря на их надежность, в настоящее время уже практически не устанавливаются на легковые автомобили, хотя их все еще можно встретить на двигателях Mercedes ОМ-606 или Nissan TD-42. К сожалению, даже использование электронного управления рейкой подачи не позволяет этим ветеранам соответствовать современным нормам по токсичности и дымности отработавших газов, предъявляемым к небольшим двигателям. Кроме того, дизели, имеющие рядные ТНВД, не отличаются тихой работой.

Форсунки. Рассмотрев системы создания высокого давления топлива, стоит сказать несколько слов о форсунках. От исправности этого элемента дизельного двигателя во многом зависит качество подготовленной для воспламенения смеси.

Обычно применяются форсунки с распылителями двух основных типов: штифтовым или многодырчатым. Первые используются в дизелях с разделенной камерой сгорания, а вторые - в моторах с непосредственным впрыском. Распылитель форсунки - очень сложный и высоконагруженный элемент. Мало того, что он должен точно впрыскивать топливо, подающееся под давлением до 2000 бар, так он еще и подвергается высокому нагреву в камере сгорания (до 900°С). Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных сталей с прецизионной точностью.

Турбины. Как уже было сказано выше, экономичность дизеля обусловлена тем, что он может работать на достаточно обедненных смесях. Для сгорания топлива необходим чистый воздух (идеально - кислород), который на фазе впуска поступает в цилиндр двигателя. Чем больше воздуха поместится в камере сгорания, тем больше топлива можно в ней сжечь. При этом выделится больше энергии, которая преобразуется в поступательное движение поршня - мощность на выходном валу двигателя возрастет.

Воздух в цилиндр может попадать либо путем всасывания на впуске у атмосферных дизелей, либо под давлением, создаваемым нагнетателем. Наддув воздуха давно используется на грузовых автомобилях для повышения мощности, так как давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить наддув с самых низких оборотов. Сейчас и легковой дизель нельзя представить себе без турбины.

Устроен этот непременный атрибут современных дизельных моторов следующим образом. Поток горячих выхлопных газов из двигателя направляется на лопатки турбинной части компрессора, раскручивая их до сотен тысяч оборотов, и проходит дальше в выпускной тракт. Турбинная часть жестко закреплена на валу компрессорной части нагнетателя, которая имеет лопатки обратного направления. Раскручиваясь, они создают давление чистого воздуха во впускном коллекторе, а значит и в камере сгорания. Для того чтобы избыточное давление нагнетаемого в цилиндры воздуха не превышало расчетных величин (порядка 1000-1500 бар), нагнетатели оборудуют специальным клапаном, перепускающим выхлопные газы мимо турбинной части, тем самым, снижая ее обороты. Небольшим недостатком турбокомпрессоров этого типа является провал по мощности. Пока двигатель не наберет 2200-2500 об/мин, достаточных для раскручивания нагнетателя, наддув воздуха в цилиндры происходит не слишком эффективно. Чтобы избежать этого, на современных дизелях устанавливаются нагнетатели с изменяемой геометрией турбины. Ее подвижные направляющие лопатки преобразуют сечение каналов, по которым движутся отработавшие газы, что обеспечивает ускорение турбины при малых оборотах двигателя. Но применение данного нагнетателя стало возможным только после внедрения электронного управления дизельным двигателем. У такого турбокомпрессора, несмотря на его высокую эффективность по сравнению с простым, есть и существенный недостаток. В процессе работы мотора постепенно происходит закоксовывание лопаток турбины изменяемой геометрии, что неизбежно ведет к постепенному выходу механизма из строя.

Рисунок 2.2 Схема турбокомпрессора с изменяемой геометрией турбины:

Компрессорная часть нагнетателя.

Лопатки турбинной части нагнетателя.

3. Лопатки изменяемой геометрии.

Мембранный клапан управления лопатками изменяемой геометрии.

Вакуумная магистраль.

Охладители надувочного воздуха (INTERCOOLER).

Кажется, что охладитель надувочного воздуха существует уже целую вечность и каждый знает, для чего он предназначен. Однако опыт показывает, что многие владельцы дизельных автомобилей всерьез считают, что это радиатор охлаждения турбокомпрессора. Внесем ясность. При нагнетании воздуха в цилиндры двигателя при помощи турбокомпрессора он сжимается и, соответственно, нагревается. Как известно, горячий воздух имеет меньшую плотность, чем холодный. Значит, в камере сгорания его поместится меньше. Кроме того, повышение температуры негативно сказывается на наполнении цилиндров в целом. Установленный после турбокомпрессора радиатор охлаждения надувочного воздуха, который и называется intercooler, позволяет устранить эти негативные эффекты. Масса воздуха для приготовления рабочей смеси увеличивается, за счет чего могут быть достигнуты более высокие мощностные характеристики, а также меньший расход топлива и дымление.

Современный дизельный автомобиль невозможно представить себе без электронного управления всеми системами. Основными задачами электронного управления двигателем являются регулирование подачи топлива и угла впрыска во всем диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала, а также управление турбокомпрессором. Электроника дизеля состоит из трех основных блоков: датчики и устройства для сбора информации, микропроцессорный блок для ее обработки и исполнительные механизмы. В общих чертах работает эта тройка следующим образом. Блок управления считывает и оценивает сигналы с датчиков сбора информации (датчик оборотов двигателя, температурный, подъема иглы форсунки и прочее). Исходя из полученных данных, микропроцессор рассчитывает количество топлива для впрыскивания и момент начала впрыска. После этого расчетные величины преобразуются в сигналы для исполнительных механизмов (в основном - электромагнитных клапанов).

В отличие от механических дизелей, в которых от педали "газа" к ТНВД подходит трос, в моторах с электронным управлением педаль акселератора - это всего лишь задающее устройство, показывающее блоку управления степень ее нажатия. Электронная система управления способна к самодиагностике. Микропроцессор постоянно сравнивает уровни сигналов от датчиков с нормативными, заложенными в память, и в случае несоответствия немедленно сигнализирует об этом. Естественно, применение таких систем значительно облегчает поиск неисправностей.

Описание системы питания COMMON RAIL.

Постоянно возрастающие требования к системам впрыска дизельных двигателей привели к появлению системы, опережающей предшественников по большинству показателей и имеющей значительные возможности для дальнейшего развития. Главными ее отличиями от конкурентов являются способность изменения момента впрыска топлива и высокого давления в широком диапазоне, а также применение многоступенчатого впрыска. В результате повышается мощность двигателя при сокращении расхода топлива, падают шум и вибрации силового агрегата.

Принцип действия этой системы следующий. Топливоподкачивающий насос низкого давления (электрический или механический) подает топливо в ТНВД. Последний постоянно нагнетает топливо в магистраль, называемую рампой. Имея значительный объем, рампа является аккумулятором высокого давления. Его величина чутко отслеживается датчиками, передающими сигнал на электронный блок, который управляет работой электромагнитных клапанов, сбрасывающих давление в системе или, наоборот, запирающих ее в зависимости от режима работы двигателя.

По коротким магистралям топливо из рампы поступает к форсункам, которые впрыскивают его в камеру сгорания.

Рисунок 2.3 Схема размещения элементов системы Common Rail на двигателе:

Датчик массового расхода воздуха.

Электронный блок управления двигателем.

ТНВД

Рампа (аккумулятор давления).

Форсунка.

Датчик оборотов двигателя.

Датчик давления масла.

Топливный фильтр,

Датчик положения педали акселератора.

Рисунок 2.4 Принципиальная схема системы Common Rail:

1. ТНВД.

2. Клапан отключения плунжерной секции.

3. Редукционный клапан.

4. Магистраль высокого давления.

5. Рампа (аккумулятор давления).

6. Датчик давления.

7. Клапан ограничения давления.

8. Ограничитель пропускной способности.

9. Форсунка.

10. Электронный блок управления двигателем.

В этой системе наиболее сложным элементом является форсунка с электромагнитным клапаном. Зато постоянно подведенное к форсункам высокое давление дает возможность им многократно приоткрываться перед основным впрыском, делая процесс сгорания оптимальным. Многие крупные автопроизводители считают такую систему топливоподачи наиболее перспективной. Видимо, она будет находить все большее применение. Сейчас ее можно встретить на автомобилях BMW Х5 3.0, Toyota LC Prado с двигателем 1KD, Mercedes G400.