По заветам дедушки Дизеля.
Устройство дизельного двигателя. Попробуем разобраться.
Три вида впрыска
Все дизельные двигатели можно условно разбить на три группы по конструкции камеры сгорания.
Первая это дизель с предкамерой. Процесс сгорания топлива в предкамерных дизелях разбивается на две фазы: воспламенение и сгорание около 30% топлива в предкамере, а затем догорание основной порции уже непосредственно в основной камере сгорания.
Суть процесса заключается в том, что мелкое распыление дизельного топлива и его хорошее перемешивание с воздухом, осуществляется за счет энергии частично сгоревшего в предкамере топлива. Не полностью сгоревшее топливо с большой скоростью выбрасывается из предкамеры в камеру сгорания, где оно, перемешиваясь с основной массой воздуха, полностью сгорает. Как правило, объем предкамеры составляет 1/5-1/3 от объема камеры сгорания. При этом впрыск осуществляется под сравнительно небольшим давлением в 80-130 атмосфер, через одно сопловое отверстие.
Преимущества. Во-первых, простая и надежная топливная аппаратура. В-вторых, хорошая приспособляемость двигателя к различным режимам работы без всякой электроники. Можно снизить давление впрыска, в результате чего уменьшается жесткость работы, понижается требование качеству топлива, облегчаются условия работы, и упрощается конструкция ТНВД и форсунок.
Главные недостаток потери тепла в охлаждающую систему из-за увеличения поверхности камеры сгорания. Это, естественно, приводит к уменьшению к.п.д. и повышенному расходу топлива. Кроме того, данная конструкция страдает дополнительными тепловыми потерями при прохождении воздуха через малые отверстия в предкамеру во время такта сжатия, что затрудняет пуск двигателя. А это вынуждает применять дополнительные приспособления для запуска, вплоть до обязательного предпускового подогревателя, декомпрессионного механизма и т.д. И, наконец, самое главное, на таких дизелях трудно добиться полного сгорания топлива на всех режимах. А значит, ни о каком соответствие современным экологическим нормам и речи быть не может.
Модифицированным вариантом предкамерного дизеля является его вихрекамерная разновидность. До появления системы впрыска Common Rail это была одна из самых популярных конструкций. Вихрекамера обычно соединяется с цилиндром при помощи диффузора, через который проходит воздух во время такта сжатия. В результате воздушный поток активно завихряется, благодаря чему топливо хорошо перемешивается с воздухом. Отличается сравнительно небольшим давлением впрыска в 6080 кг/см³
Преимущество данного метода впрыска состоит в следующем: 1) хорошее смесеобразование, обеспечивающее равномерное сгорание, малый расход топлива, мягкая работа без стуков и бездымный выхлоп; 2) отсутствие сильного притока тепла к поршням; 3) подача топлива осуществляется под сравнительно небольшим давлением.
Недостатки в основном те же, что у предкамерного варианта потери тепла через охлаждающую жидкость, а, значит, повышенный в сравнении с непосредственным впрыском расход топлива. В придачу, на подобных конструкциях трудно обеспечить полное сгорания топлива. Кроме того, вихрекамерные дизели отличаются довольно сложной конструкцией головки блока.
И, наконец, самая популярная ныне конструкция дизель с неразделенной камерой сгорания, который часто называют дизелем с «непосредственным впрыском» (от англ. Direct Injection) или сокращенно DI. Термин этот в принципе не особо точен, поскольку у всех без исключения дизельных двигателей впрыск происходит непосредственно в цилиндры, а не во впускной коллектор, как у большинства бензиновых моторов.
Особенность «непосредственного впрыска» необходимость обеспечить подачу топлива под высоким давлением в 200-1400 кг/ смЗ. При этом отверстия в форсунке должны быть размером менее 0.2 мм . К слову, в современных дизелях диаметр распыливающих отверстий форсунок может доходить до 0,174 мм. В придачу, большинство DI снабжены сложной камерой сгорания тороидальной формы, размещенной в поршне. Это может потребовать дополнительного охлаждения поршня маслом.
Преимущества: незначительные потери тепла через стенки камеры сгорания, и как следствие, увеличение КПД. Отсюда плавно вытекает более простой запуск в холодную погоду и большая экономичность. Недостатки: подача топлива под большим давлением удорожает ТНВД и делает его более чувствительным к качеству топлива. В придачу, увеличивается вероятность засорения мелких по диаметру сопел форсунок. И, наконец, в своем традиционном механическом исполнении такая конструкция отличается жесткой работой. Вот почему до недавнего времени ее применяли в основном на тракторах и грузовиках, где комфорт не столь важен, как на легковых авто. Однако, ничто не стоит на месте. Новое поколение дизелей с «непосредственным впрыском» избавилось от большинства конструктивных недостатков. При этом они существенно приблизились к своим бензиновым собратьям по соотношению массы к мощности, по литровой мощности, при этом работает тихо и мягко. Но самое главное, что нынешние дизельные двигатели с «непосредственным впрыском» удовлетворяют всем экологическим нормам, начиная от старого ЕВР02 и заканчивая ЕВР05.
Единственное, в чем они проигрывают, так это в надежности. По крайне мере, так считает значительная часть как механиков автосервиса, так и рядовых владельцев легковых и коммерческих автомобилей.
Новый порядок
Прогресс был достигнут благодаря новой топливной аппаратуре, сочетающей высокую точность дозирования топлива и точность регулировки угла опережения впрыска с высоким давлением впрыска, от которого, как известно, зависит если не все, то очень многое. Чем выше давление, тем больше подача топлива в цилиндры, соответственно и выше мощность. Но главное то, что повышение давления улучшает смесеобразование. Ведь с повышением давления впрыска отверстия распылителя форсунки можно сделать уменьшенного диаметра, что скажется на размере капелек впрыскиваемой солярки. Они станут меньше, а их количество наоборот увеличится. Результат: повышение мощности, экономия топлива, а главное почти полностью устраняется характерный дым, состоящий из частичек углерода (сажа) - остатков недогоревшего топлива. Остатки сажи поглощаются особыми нейтрализаторами накопителями.
«Командование», наводящее свой новый электронный порядок, у современных дизельных двигателей с разными типами ТНВД весьма похоже (см. схему). У всех компьютер обрабатывает информацию, снятую с множества датчиков. После обработки он подает соответствующие команды исполнительным механизмам ТНВД или (для CommonRail) и управляемым электромагнитами или пьезоэлементами форсункам.
При этом электронный блок управления дизеля может активно взаимодействовать с остальными системами автомобиля при условии, что они тоже управляются электроникой. А это и АБС со всеми вспомогательными функциями, и электронная блокировка дифференциалов (включая межосевой), и рулевое управление с электроусилителем, и автоматическая коробка и т.д.
Количество датчиков их тип может колебаться в зависимости от конструкции. Но, как правило, в «джентльменский набор» всегда входит лямбда-зонд (экология!), датчик педали газа, датчик оборотов двигателя, а также наиболее важный термопленочный датчик массового расхода воздуха или, сокращенно, расходомер воздуха. Он расположен за воздушным фильтром и состоит из пластиковой трубы и собственно датчика. Измерительный элемент представляет собой два подогреваемых резистором пленкообразных термосопротивления. Масса воздуха измеряется по разнице температур на сопротивлениях, показания с которых обрабатываются встроенной в датчик микросхемой, а затем отсылаются к блоку управления. К слову, практически такой же расходомер применяется на большинстве современных бензиновых двигателей с электронным впрыском топлива.
Если же рассматривать условно механическую часть, то здесь мнения разделились. Можно выделить шесть основных способов подачи топлива в цилиндры, каждому из которых соответствует своя конструкция ТНВД.
Система впрыска с рядным ТНВД
Ровно через год старому доброму рядному ТНВД исполнится 80 лет. В 1927 году Bosch впервые представила первый насос серии РЕ модель А с четырьмя плунжерами, на которые воздействовал кулачковый вал, и управляющей рейкой. С той поры принцип действия самого насоса не претерпел существенных изменения. Чего нельзя сказать о системе управления. Проверенный десятилетиями механический регулятор (двухрежимный, всережимный и комбинированный или ступенчатый) ныне активно заменяется исполнительными электромагнитными механизмами. Последние, получив команды компьютера, перемещает зубчатую рейку, которая поворачивает плунжеры и тем самым изменяет величину цикловой подачи.
Более продвинутые модели рядных ТНВД ныне лишились еще и механической муфты опережения впрыска. Вместо нее установлен еще один исполнительный механизм, воздействующий на дополнительные втулки, подвижно установленные на плунжерах. Перемещая их вверх-вниз, а значит, меняя расположение впускных отверстий плунжеров, можно уменьшить или увеличить ход плунжеров до закрытия оных отверстий. Благодаря чему можно регулировать момент начала подачи топлива в форсунки независимо от оборотов двигателя.
ТНВД распределительного типа
Еще его можно назвать аксиально-поршневым и одноплунжерным. И все это будет верно. Возвратно-поступательное движение обеспечивалось за счет воздействия вращающегося роликового кольца на кулачковую шайбу. Число кулачков, естественно, соответствует числу цилиндров. При этом плунжер совершает непрерывное вращательное движение, распределяя топливо по каналам высоко давления, ведущего к форсункам. Количество впрыснутого в цилиндры топлива можно изменять при помощи регулирующей втулки (см. схему). Момент начала впрыска регулируется поворотом роликового кольца.
Управление может быть трех типов: механическое, электронное, и электронное с электромагнитными клапанами. Первое уже практически вышло из употребления. Суть его в том, что механический регулятор воздействует на регулирующую втулку. А роль муфты опережения впрыска рядного ТНВД здесь исполняет гидравлическое устройство, перемещающее роликовое кольцо.
В ТНВД с электронным регулятором втулку перемещает электромагнитный исполнительный механизм, а гидравлическое устройство опережения впрыска получило электромагнитный клапан. Это гидравлическое устройство в общих чертах сохранено и в ТНВД с клапанным регулированием. А вместо втулки применена комбинация «клапан-датчик поворота приводного вала ТНВД».
ТНВД распределительного типа с радиальным движением плунжеров
Главное отличие от аксиально-поршневого насоса это кольцевая кулачковая шайба, воздействующая на радиально расположенные плунжеры. Их количество может колебаться от 2 до 4. Регулировка момента впрыска производится перемещением шайбы. Момент начала впрыска, а также его продолжительность регулируется электромагнитными клапанами. Механизм опережение впрыска почти такой же, как и у ТНВД аксиально-поршневого типа. Очень похож и принцип распределение топлива по форсункам при помощи поворотного вала-распределителя. Особенность конструкции блок управления ТНВД часто совмещен с блоком управления двигателем и располагается на крышке насоса.
Common Rail
В настоящее время эта система лидирует среди новейших разработок в области топливной аппаратуры дизелей. Суть ее состоит в том, что насос высокого давления больше не занимается подачей определенной дозы топлива к каждой конкретной форсунке. Эту задачу решают теперь электромагнитные клапана самих форсунок, сигналы которым подает компьютер. Как и на электронно-управляемых рядных и распределительных ТНВД он руководствуется информацией, снимаемой с нескольких датчиков (см. схему). Это расходомер воздуха, датчик педали газа, температурный датчик охлаждающей жидкости, датчик скорости вращения коленчатого вала и датчик давления топлива в гидроаккумуляторе.
Если же рассматривать только механическую часть, то и здесь можно проследить определенное сходство с бензиновым мотором. Особенно с двигателями, оснащенными непосредственным впрыском топлива. Правда, есть одно очень существенное отличие в давлении впрыска.
Неудивительно, что для того, дабы подать топливо бака к форсункам в системе Common Rail приходится использовать до трех насосов различного типа. Первый насос, расположенный при включенном зажигании, создает требуемое давление подкачки. К слову, если двигатель не запускается в течение трех секунд, он приостанавливает работу. Далее топливо попадает в уравнительный резервуар. Его назначение поддерживать постоянное давление топлива во всех режимах работы двигателя. После горючее попадает в топливный фильтр, а уж от него в шестеренчатый насос, сблокированный с ТНВД.
Насос, нагнетающий топливо в гидроаккумулятор-рейку, он же распределительный трубопровод-накопитель (rail), принципиально отличается от всех остальных ТНВД. Начнем с того, что он не имеет ни механического, ни электронного регулирования. Кроме того, он качает топливо тремя плунжерами, расположенными звездообразно под углом 120 градусов вокруг эксцентрикового кулачка сложной формы. Последний сообщает плунжерам насоса возвратно-поступательное движение. Вращательного движения плунжеры не выполняют, что положительно сказывается на ресурсе насоса при условии работы на качественном топливе.
При ходе плунжера вниз надплунжерное пространство заполняется топливом. При ходе вверх, закрывает впускной клапан, и как только давление, создаваемое ТНВД, превысит давление в рейке, открывается выпускной клапан и топливо подается в гидроаккумулятор.
Последний, кроме распределения топлива по форсункам, выполняет еще две важнейшие функции. Во-первых, топливопровод-накопитель поддерживает постоянно высокое давление, позволяя компьютеру управления впрыском рассчитать совершенно одинаковые дозы горючего для всех инжекторов. Во-вторых, он убирает пульсацию давления, возникающую из-за работы форсунок. А чтобы накопитель случайно не взорвался, в него вмонтированы специальные датчики, следящие за давлением, и клапан ограничения давления. Кроме того, ТНВД снабжен собственным редукционным клапаном.
Высокое давление впрыска резко увеличивает скорость капелек топлива на выходе. Это позволяет уменьшить размеры отверстий распылителей форсунок и тем самым резко улучшить смесеобразование, а, значит, снизить содержание вредных веществ в отработавших газах. Собственно, ради этого все и затевалось. В современных системах Common Rail фирмы Bosch давление достигает 1800 бар.
Форсунки с электромагнитными клапанами или пьезоуправлением, кроме основного впрыска, производят еще и так называемый предвпрыск в объеме менее 1мг. Он позволяет смягчить работу двигателя за счет постепенного нарастания давления продуктов сгорания. И, таким образом, избавиться от основного недостатка дизельных двигателей с непосредственным впрыском жесткой шумной работы с сильными вибрациями на малых оборотах.
Кроме того, и основная порция топлива может подаваться в камеру сгорания двумя порциями. Это позволяет снизить температуру и добиться плавного сгорания и постепенного, а не резкого повышения давления в цилиндрах. Отсюда и тихая, и плавная работа. А, кроме того, уменьшается содержания оксидов азота (NOx) в отработавших газах. Но и это еще не все. Ранний порционный впрыск позволяет избавиться от значительной части несгоревших частиц углерода (содержание сажи снижается на 20-70%). Поздний последующий впрыск можно использовать для нагревания фильтра-уловителя сажи для его регенерации. Этот впрыск происходит в конце рабочего хода или даже во время такта выпуска!
Для того, чтобы осуществить впрыск порциями, требуются прецизионные исполнительные механизмы, способные подать в нужный момент строго отмеренное небольшое количество топливо. Для справки: при 4000 об/мин. полный оборот коленчатого вала происходит за 15 мсек. Рабочий ход продолжается примерно половину этого времени, т.е. около 7,5 мсек. Для того, чтобы за сей весьма незначительный промежуток времени впрыснуть в камеру сгорания 5 разных порций топлива, форсунка должна откликаться на команды компьютера не более, чем за 0.1 мсек. Такой скоростью реакции на сегодняшний день могут похвастаться пьезофорсунки, впервые
установленные на дизельных двигателях Audi в конце 2004 года.
Насос-форсунки
Все новое это хорошо забытое старое. И одно из подтверждений сей избитой истины современные насос-форсунки, которые ныне можно встретить на легковых автомобилях Volkswagen и на многих моделях тяжелых грузовиков. А ведь каких-то 60 лет назад насос-форсунки Ленкарз-бО-АР-20 с механическим управлением украшали собой двухтактные дизели ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 (точные копии довоенных американских универсальных GMC 4-71 и 6-71). К слову, ярославские двухтактники и поныне можно встретить на малых буксирных катерах, железнодорожных мотриссах и прочей неавтомобильной технике. Давление впрыска американо-советских форсунок впечатляет даже по нынешним временам: 150 мПа (1500 кг/см²).
Нынешняя система Bosch IMS (Unit Injector Systems) по-прежнему прежнему как бы является частью газораспределительного механизма. А подача топлива к насос-форсункам производится не через ненадежные трубки, как было раньше, а по особым каналам в головке блока.
Основное преимущество насос-форсунок состоит в том, что они способны создать необходимое высокое давление 205 мПа (2050 бар). При этом время, потраченное на впрыск у них меньше на 25-30%, чем у систем с ТНВД. Нагнетательный элемент, раньше бывший частью насоса высокого давления, теперь установлен непосредственно над форсункой в головке цилиндров. Он по-прежнему имеет плунжер, приводимый в действие кулачком на распредвале через коромысло. Плунжер, перемещаясь вниз, создает высокое давление, а электромагнитный клапан, помимо всего прочего, регулирует его величину. Однако его основная функция это обеспечить впрыск точно отмерянного количества дизельного топлива в нужный момент и за расчетное время. Он состоит из катушки (10), иглы 8, якоря 9, сердечника и пружины 26. Расположение клапана зависит от конструкции двигателя. К примеру, на легковых авто (Volkswagen) он установлен сбоку от форсунки. На грузовиках под клапан выделили особую консоль (см. рисунки). Этот же клапан обеспечивает безопасность конструкции, поскольку закрывается он только тогда, когда к катушке электромагнита подведен ток. Если клапан открыт, топливо в камеру высокого давления не поступает, а отправляется по сливной магистрали обратно в бак. Сам процесс впрыска принципиально не отличается от CommonRail. Как и там, форсунки дробят основную подачу на порции (предвпрыск и впрыск), обеспечивая тем самым тихую работу и приемлемый уровень чистоты отработавших газов.
Индивидуальные ТНВД
По существу это разновидность насос-форсунок. Разница только в том, что насос и форсунку связывает короткая магистраль высокого давления. Применяются они на тяжелых грузовиках, оснащенных двигателями с клапанным механизмом OHV (нижний распределительный вал). Появление таких конструкций вызвано преимущественно компоновочными соображениями.
Ведь индивидуальные ТНВД не требуют изменений в конструкции головки блока, им не нужны собственные коромысла (привод осуществляется непосредственно от кулачков распредвала через роликовые толкатели). Кроме того, при подобном компоновочном решении, сильно упрощается ТО и ремонт.
Управление же, как обычно, осуществляется электроникой через электромагнитые клапаны, встроенные в насосы.
Автосервис 01-2010 Украина