Как работает система питания дизеля
Перейти к содержимому

Как работает система питания дизеля

  • автор:

Как работает система питания дизеля

1. Описание устройства и работы систем питания дизельного

Система питания дизельного двигателя служит для раздельной подачи в цилиндры двигателя очищенного жидкого топлива и воздуха, распыливания топлива в камере сгорания и выпуска отработавших газов.

Состоит (рис. 1) из топливо и воздухоподводящей аппаратуры, выпускного газопровода и глушителя шума отработавших газов. В 4-ех тактных дизелях обычно применяется аппаратура раздельного типа. В этом случае топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки конструктивно выполнены раздельно. Топливо подача осуществляется по двум основным магистралям: низкого и высокого давления. Назначение механизмов и узлов: магистраль низкого давления (МНД) – хранение, фильтрация и подача топлива к ТНВД, механизмы и узлы магистрали высокого давления МВД обеспечивают подачу и впрыскивание необходимого количества топлива в цилиндры двигателя. Конструктивные элементы: топливный бак – 13, топливозаборник – 14, фильтр грубой очистки – 15, топливоподкачивающий насос – 4, фильтр тонкой очистки – 2, насос высокого давления – 11, форсунка -9, воздушный фильтр – 8, камера сгорания – 10, М.Н.Д. – 16,12,5, М.В.Д. – 6, магистрали сливные – 1,7.

В некоторых топливных системах дизелей топливный насос высокого давления и форсунка объединены в одном узле – насос-форсунке, приводимой в действие от отдельного кулачка распределительного вала. Применение насос-форсунок позволяет избавиться от трубопроводов высокого давления, обеспечить более стабильную подачу топлива на различных режимах работы двигателя, достичь более высокого давления впрыска (до 150-200 МПа).

Топливо подается в цилиндры в конце такта сжатия, при этом давление в цилиндре достигает 2,5…5,0 МПа. Поэтому для хорошего распыливания топлива давление его впрыска должно быть значительно больше. Существует несколько способов подачи топлива: компрессорный – подача топлива осуществляется с помощью сжатого воздуха при давлении 6,0 – 8,0 МПа (сложность конструктивная и большие размеры, но качественное распыливание); бескомпрессорный – механическим способом с помощью насоса высокого давления, который должен обеспечить тонкое и равномерное распыливание (распределение) частиц топлива в камере сгорания.

Топливом для дизелей служат продукты переработки нефти: газойль, соляровое масло и основной вид – дизельное топливо, обладающее следующими свойствами:

  1. Низкой температурой самовоспламенения (350…380)˚С.
  2. Малым периодом задержки воспламенения – 0,005 с.

Период задержки воспламенения оценивается «цетановым числом», определяемым по % содержанию цетана в смеси с α – метилнафталином, эквивалентной по воспламеняемости данному топливу. Цетан16Н34) – углеводород, обладающий высокой склонностью к воспламенению, которая условно принята за 100 единиц. Альфаметилнафталин11Н10) в отличие от цетана обладает низкой склонностью к самовоспламененю (условно принята за 0 единиц). Установлена следующая связь между цетановым числом и поведением топлива в дизеле. С повышением цетанового числа топлива процесс сгорания протекает более плавно, двигатель работает экономичнее и не так жестко, как на низкоцетановом топливе. Мягкая работа дизельных двигателей обеспечивается 65 ≥ ц.ч. ≥40. При дальнейшем повышении цетанового числа топливо начинает сгорать не полностью, усиливается дымление и повышается расход топлива. Цетановое число топлива оказывает большое влияние на легкость пуска двигателя: чем оно выше, тем при более низкой температуре возможно запустить дизель. Выпускают топливо трех типов: ДЛ(летнее), ДЗ(зимнее), ДА – арктическое t ˚ C < -30 .

По способу смесеобразования : с неразделенными камерами (непосредственный впрыск) и раздельными камерами. Не разделенные обычно располагаются в поршне, хорошее смесеобразование достигается за счет большого давления впрыска (до 200 МПа ), применения многодырчатых форсунок, формы днища поршня и т.п., (рис. 2, А, В, С). В неразделенных камерах сгорания возможно объемное, пристеночное и объемно — пристеночное смесеобразование, При объемном смесеобразовании – более жесткая работа двигателя. Двигатели с неразделенными камерами имеют высокую экономичность, но и высокую стоимость топливной аппаратуры.

Двигатели с разделенными камерами (рис. 2, D ) обеспечивают мягкую работу, но высокий расход топлива, повышенная теплоотдача, увеличенная степень сжатия, затрудненный запуск (из-за повышенной теплоотдачи) и необходимость применения специальных пусковых устройств.

Рис. 2. Типы камер сгорания дизеля

Система питания дизельного двигателя

Когда в 1897 г. Рудольф Дизель создал первый работоспособный двигатель, он не мог предвидеть, какие изменения претерпит его идея. Особенно большие изменения в системе питания дизелей произошли в последние годы, что сделало эти двигатели более пригодными для применения не только на грузовых, но и на современных легковых автомобилях. Более дешевое топливо, высокая экономичность дизельных двигателей, по сравнению с бензиновыми, всегда привлекали автомобилистов, но широкое применение дизелей сдерживалось присущими им недостатками — шумностью при работе, повышенным дымлением и сложностью пуска холодного двигателя. Современные конструкции дизелей в большинстве не имеют этих недостатков.
Система питания дизеля обеспечивает подачу очищенного дизельного топлива к цилиндрам, сжимает его до высокого давления, подает его в мелкораспыленном виде в камеру сгорания и смешивает с горячим (700–900 °С) от сжатия в цилиндрах (3–5 МПа) воздухом так, чтобы оно самовоспламенилось. После завершения рабочего хода необходимо очистить цилиндры от продуктов сгорания.
Дизельное топливо отличается от бензина более высокой плотностью и смазывающей способностью. Для оценки способности дизельного топлива к самовоспламенению служит цетановое число. Существующие дизельные топлива имеют цетановое число 45–50; при этом для современных дизельных двигателей предпочтительнее более высокие числа.

Система питания впрыск 86.jpg

Варианты впрыска топлива в камеру сгорания дизеля.
Разделенная (а) и неразделенные (б, в) камеры сгорания:
а — вихревая (фирма «Перкинс»);
б — дельтавидная (двигатель Д-245);
в — тороидальная (двигатель КамАЗ);
1 — вставка вихревой камеры;
2 — головка цилиндров;
3 — форсунка;
А — полость вихревой камеры;
Б — полость в поршне

Существует два варианта процесса смесеобразования в дизелях, обусловленных формой камеры сгорания. В первом варианте топливо впрыскивается в предварительную камеру (предкамеру), а во втором варианте впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания, выполненную в поршне.
Двигатели, выполненные по первому варианту, называются дизелями с разделенной камерой сгорания и обозначаются IDI (In Direct Injection), а выполненные по второму варианту — дизелями с непосредственным впрыскомDI (Direct Injection). Дизели с разделенной камерой сгорания мягче работают и меньше шумят. Тем не менее, двигатели с непосредственным впрыском все более широко используются на автомобилях, потому что их топливная экономичность примерно на 20 % выше.
Основной функциональной задачей систем питания двигателей обоих типов является подача точного количества топлива в соответствующий цилиндр и в точно определенное время. В высокооборотных дизелях легковых автомобилей процесс впрыска занимает всего тысячную долю секунды, и при этом впрыскивается только небольшая доза топлива.

Система питания впрыск 87.jpg

Схема системы питания дизеля:
1 — топливный бак;
2 — подкачивающий насос;
3 — топливный фильтр;
4 — топливный насос высокого давления;
5 — форсунка;
6 — сливная магистраль

Для облегчения пуска дизеля в холодное время часто применяются свечи накаливания, которые отличаются от искровых свечей зажигания тем, что они являются просто электрическими нагревателями и подогревают холодный воздух перед подачей его в цилиндры двигателя в процессе пуска. Топливный бак должен удовлетворять требованиям безопасности. Топливо из бака поступает в нагнетательный трубопровод, а затем к топливному фильтру, с помощью подкачивающего насоса. Топливный фильтр должен очистить топливо от возможных загрязнений, чтобы механические примеси не попали в ТНВД и далее. К топливному баку присоединяется также сливной трубопровод, по которому в бак сливаются излишки топлива из ТНВД и форсунок.
Самым сложным и дорогим устройством системы питания дизеля является топливный насос высокого давления (ТНВД). При создании первых стационарных двигателей Рудольф Дизель выяснил, что для надежного самовоспламенения топлива оно должно подаваться в цилиндр под высоким давлением. В его конструкциях для этого использовался мощный и громоздкий компрессор. В 20-е годы. Роберт Бош разработал компактный и надежный ТНВД. Первый серийный ТНВД для грузового автомобиля был выпущен фирмой Bosch еще в 1927 году, а в 1936 был налажен выпуск ТНВД для легковых автомобилей.
ТНВД не только создает давление топлива, но и распределяет его по форсункам соответствующих цилиндров в соответствии с порядком работы двигателя. Форсунки соединяются с ТНВД трубопроводами высокого давления. Форсунки входят своей нижней частью — распылителями — в камеры сгорания. Распылители имеют очень маленькие отверстия, необходимые для того, чтобы топливо поступало в камеру сгорания в мелко распыленном виде и легко воспламенялось.
Воздушный фильтр устанавливается на впускном трубопроводе двигателя и очищает поступающий в цилиндры воздух. Выпускная система содержит трубопроводы, глушитель и часто оборудуется каталитическими нейтрализаторами и другими устройствами для снижения количества вредных веществ в отработавших газах.

Система питания дизеля

Система питания дизеля обеспечивает раздельную подачу в цилиндры двигателя воздуха и топлива и выпуск отработавших газов. По экономичности дизели значительно превосходят карбюраторные двигатели. Удельный расход топлива карбюраторного бензинового двигателя 154—182 г/(кВт ч), дизеля — 112—140 гДкВт ч).

Устройство системы питания дизельного двигателя:

Система питания дизеля топливом состоит из топливного бака, фильтра грубой очистки топлива, топливоподкачивающего насоса, фильтра тонкой очистки, топливного насоса высокого давления, автоматической муфты опережения впрыска топлива, всережимного регулятора, форсунки, топливопроводов (высокого давления, низкого давления и сливного).

Система питания дизеля воздухом состоит из воздухоочистителя, впускного трубопровода, турбокомпрессора. Система выпуска отработавших газов включает в себя выпускной трубопровод, приемные трубы, глушитель.

Устройство автомобилей

Дизельные двигатели относятся к тепловым двигателям внутреннего сгорания поршневого типа с внутренним смесеобразованием и самовоспламенением рабочей смеси. По принципу работы они существенно отличаются от бензиновых двигателей, использующих для воспламенения рабочей смеси внешние тепловые источники – искровое электрическое зажигание или специальный тепловой элемент.

Кроме того, у многих бензиновых двигателей смесеобразование протекает вне цилиндров двигателя – в специальном смесителе (карбюраторе), продолжается во впускном трубопроводе, и заканчивается в цилиндрах во время тактов впуска и сжатия.
У инжекторных двигателей с центральным и распределенным впрыском смесеобразование осуществляется во впускном трубопроводе, продолжаясь в цилиндрах вплоть до воспламенения смеси свечой. И лишь инжекторные двигатели с непосредственным впрыском принципиально схожи по характеру смесеобразования с дизельными двигателями, но, тем не менее, тоже имеют ряд отличий в процедуре и результатах смешивания топлива с воздухом.

система питания дизеля

Общий принцип работы четырехтактного дизельного двигателя можно описать следующим сценарием:

  • всасывание чистого воздуха в цилиндр через впускной клапан при движении поршня к нижней мертвой точке;
  • быстрое и сильное сжатие воздуха до раскаленного состояния при закрытых клапанах и перемещении поршня к верхней мертвой точке;
  • впрыск топлива в цилиндр, смешивание его с воздухом в камере сгорания и последующее самовоспламенение рабочей смеси с выделением теплоты, повышающей давление в цилиндре;
  • движение поршня вниз под действием высокого давления газообразных продуктов сгорания топлива, в результате чего совершается полезная механическая работа;
  • выброс отработавших газов в атмосферу при открытом выпускном клапане и перемещении поршня к верхней мертвой точке.

Далее описанный сценарий повторяется.

Двухтактный дизель работает по сокращенному «сценарию» — очистка цилиндров от продуктов сгорания (отработавших газов) и впуск свежего заряда воздуха осуществляется в период, когда поршень движется от ВМТ к НМТ и продолжается еще некоторое время после прохождения поршнем нижней мертвой точки (перекладки поршня) и движения его к ВМТ.
Затем впускное и выпускное окно в цилиндре перекрываются боковой поверхностью поршня, и начинается резкое сжатие воздуха, поступившего в цилиндр.
После сжатия и сильного разогрева воздуха осуществляется впрыск топлива, его перемешивание с воздухом, и самовоспламенение рабочей смеси. При перемещении поршня к НМТ под действием давления продуктов сгорания смеси выполняется полезная работа, и после того, как выпускное и затем впускное окна откроются, выполняется продувка цилиндра свежим зарядом воздуха.

Итак, основные отличия двигателя от классического бензинового двигателя – внутреннее смесеобразование и самовоспламенение рабочей смеси. Эти различия имеют и положительные, и отрицательные стороны.

Так, внутреннее смесеобразование позволяет эффективно использовать наддув, а у двухтактных двигателей – исключить потери топлива при продувке цилиндров, поскольку впускается чистый воздух, а не горючая смесь. Но с другой стороны, — при внутреннем смесеобразовании отводится лишь краткий миг для перемешивания топлива с воздухом, а без этого горение невозможно либо будет протекать малоэффективно.

Самовоспламенение смеси в дизелях позволяет отказаться от достаточно сложной системы зажигания, применяемой в бензиновых двигателях.
Но, если перефразировать известную пословицу, — не бывает добра без худа — для подачи топлива в цилиндры под высоким давлением (а это крайне необходимо для качественного распыливания топлива) применяется чрезвычайно дорогостоящая аппаратура — насосы высокого давления и форсунки.

Высокая степень сжатия, используемая в дизельных двигателях, тоже приводит к отрицательным последствиям, поскольку влечет за собой применение массивных деталей цилиндропоршневой группы, способных выдержать колоссальные давления.
Кроме того, из-за высоких рабочих давлений дизели работают жестче и шумнее, чем их бензиновые «собратья».

Но, как бы то ни было, дизели по сравнению с бензиновыми двигателями имеют ряд существенных преимуществ, и основным из них является высокая топливная экономичность. Так, расход топлива для получения единицы мощности у дизелей на 25…30% меньше, чем, например, у карбюраторных двигателей.

Кроме того, с учетом более высокой плотности дизельного топлива по сравнению с бензином, запас хода по топливу у дизельных автомобилей на 35…45% выше, чем у бензиновых «собратьев».
Себестоимость дизельного топлива меньше, чем себестоимость бензина, поскольку оно получается прямой перегонкой.

Немаловажно и то, что в продуктах сгорания дизельного топлива содержится меньше токсичных веществ, чем в отработавших газах бензиновых двигателей. Да, дизели зачастую сильно дымят, чадят и коптят при работе, особенно, если система питания плохо отрегулирована, но, как это ни парадоксально звучит, в этой копоти меньше яда, чем в безобидном сизом дымке из выхлопной трубы карбюраторного двигателя.

Но не только топливная экономичность и относительная экологичность выгодно отличает дизель от бензинового двигателя. Дизели надежнее. Для них характерны стабильная экономичность во всем диапазоне нагрузок, лучшая приемистость и возможность работы с нагрузкой без полного прогрева.
Дизельный двигатель «довезет» свое колесное чадо вместе с водителем и грузом до места назначения, даже если откажет бортовая электросеть – в своей работе дизель полностью автономен, если не считать пускового устройства.

Преимущества дизеля над бензиновым двигателем с точки зрения термодинамики подробнее описаны в разделе сайта, посвященном теплотехнике.

Как уже указывалось выше, слабым звеном двигателей с внутренним смесеобразованием, в том числе – дизельных двигателей, является слишком короткий отрезок времени, в течение которого топливо должно перемешаться с воздухом. Конструкторам приходится решать сложную задачу – как в течение сотых долей секунды получить топливовоздушную смесь высокого качества, способную быстро и эффективно сгореть и отдать тепло для преобразования в механическую энергию.

Это возможно применением специальных камер и объемов для смешивания топлива с воздухом, которые зачастую приводят к замысловатой форме камеры сгорания и днища поршней, для того, чтобы обеспечить завихрение и перемешивание компонентов горения.
Второй путь повышения эффективности смесеобразования – применение впрыска под очень высоким давлением, что приводит к интенсивному распыливанию порции топлива по всему объему камеры сгорания.

В результате изысканий в указанных направлениях конструкторы разработали различные устройства и технологии, значительно повышающие качество и скорость смесеобразования в дизелях и бензиновых двигателях с непосредственным впрыском, о которых будет рассказано в других статьях сайта.

Здесь мы рассмотрим классическую схему системы питания дизельного двигателя, которая включает следующие основные механизмы, приборы и устройства ( см. рис. 1 ):

общее устройство системы питания дизельного двигателя

  • топливный бак;
  • топливопроводы низкого давления;
  • топливоподкачивающий насос;
  • топливные фильтры грубой и тонкой очистки;
  • топливный насос высокого давления (ТНВД);
  • топливопроводы высокого давления;
  • форсунки;
  • топливопроводы системы отвода излишков топлива от форсунок и ТНВД.

Кроме перечисленных элементов, предназначенных для подачи топлива из бака в цилиндры, система питания дизеля (как и бензинового двигателя) включает:

  • воздушный фильтр с впускным трубопроводом для воздуха;
  • трубопроводы удаления отработавших газов;
  • приборы для очистки продуктов сгорания от вредных веществ и примесей;
  • устройства для снижения уровня шума при выхлопе отработавших газов (глушители, резонаторы и т. п.).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *