Системи упорскування дизеля. Дизайн, переваги та недоліки

На відміну від бензинових двигунів, дизельні двигуни від початку мали впорскування палива. Змінювалися тільки системи впорскування, штуцери і тиск палива, що подається в циліндри.

Принцип роботи дизельного двигуна широко відомий як дизельний двигун повністю відрізняється від принципу роботи бензинового двигуна. У бензовозах паливно-повітряна суміш надходить у камеру згоряння над поршнем. Після стиснення суміш спалахує за рахунок пробою електричної іскри на електродах свічки запалювання. Ось чому бензинові двигуни називають двигунами з іскровим запаленням (SI).

У дизелях поршень у камері згоряння стискає лише повітря, яке під дією величезного тиску (не менше 40 бар — звідси і назва «високий тиск») нагрівається до температури 600—800°С. Упорскування палива в таке гаряче повітря призводить до негайного самозаймання палива в камері згоряння. З цієї причини дизельні силові агрегати також називають двигунами із запаленням від стиснення (CI). З самого початку вони подавалися шляхом упорскування палива в камеру згоряння, а не у впускний колектор, який лише подає повітря у двигун. Залежно від того, чи була камера згоряння розділена, дизелі ділилися на силові агрегати з непрямим або безпосереднім упорскуванням.

непрямий впорскування

Дизель хоч і дебютував із системою безпосереднього упорскування, але застосовували її недовго. Це рішення викликало занадто багато проблем і в автомобілебудуванні його замінив запатентований у 1909 непряме упорскування. Безпосереднє упорскування залишилося у великих стаціонарних та суднових двигунах, а також у деяких вантажних автомобілях. Конструктори легкових автомобілів віддавали перевагу дизелям з непрямим упорскуванням, з більш м'якою роботою та меншою шумністю.

Термін «непрямий» у дизельних двигунах означає щось зовсім інше, ніж у бензинових двигунах, де непряме упорскування – це впорскування повітряно-паливної суміші у впускний колектор. У дизелях з непрямим упорскуванням, як і в конструкціях з прямим упорскуванням, паливо, що розпорошується форсункою, також потрапляє в камеру згоряння. Просто він розділений на дві частини – допоміжну частину, у яку впорскується паливо, і основну частину, тобто. простір безпосередньо над поршнем, у якому відбувається основний процес згоряння палива. Камери з'єднані між собою каналом чи каналами. За формою та функціями камери діляться на попередні, вихрові та повітрозховища.

Останні можна використовувати, оскільки їх виробництво практично припинено. У разі форкамер та вихрових камер форсунка встановлюється поруч із допоміжною камерою та впорскує в неї паливо. Там відбувається запалення, потім паливо, що частково згоріло, потрапляє в основну камеру і там догоряє. Дизелі з форкамерою або вихровою камерою працюють м'яко та можуть мати легкі системи кривошипу. Вони не чутливі до якості палива та можуть мати форсунки простої конструкції. Однак вони менш ефективні, ніж дизелі з прямим упорскуванням, споживають більше палива та мають проблеми із запуском холодного двигуна. Сьогодні дизельні двигуни з непрямим упорскуванням у легкових автомобілях залишилися у минулому і більше не виробляються. Вони рідко зустрічаються у сучасних автомобілях, представлених сьогодні на ринку. Їх можна зустріти тільки в таких конструкціях, як індійські Hindustan і Tata, російські УАЗи, Mitsubishi Pajero старого покоління, що продаються в Бразилії, або Volkswagen Polo, які пропонуються в Аргентині. Вони використовуються в набагато більшій кількості автомобілів з вторинного ринку.

безпосередній впорскування

Все почалось із нього. Проте спочатку переваги прямого упорскування не використовувалися. Важливість відповідного завихрення палива була відома, та її згоряння був оптимальним. Утворилися паливні грудки, які сприяли утворенню нагару. Процеси на поршні йшли надто швидко, двигуни працювали важко, швидко руйнуючи підшипник коленвала. З цієї причини від прямого упорскування відмовилися, віддаючи перевагу непрямому впорскування.

Повернення до витоків, але вже в сучасному виконанні, відбулося лише в 1987 році, коли до серійного виробництва надійшов Fiat Croma 1.9 TD. Для прямого впорскування палива потрібне ефективне обладнання для впорскування, високий тиск упорскування, паливо гарної якості та дуже міцна (і, отже, важка) кривошипно-шатунна система. Однак він забезпечує високий ККД та легкий запуск холодного двигуна. Сучасні рішення дизельних двигунів з безпосереднім упорскуванням засновані в основному на повністю плоских головках та поршнях з камерами (порожнинами) відповідної форми. Камери відповідають за правильну турбулентність палива. Пряме впорскування широко використовується сьогодні в дизельних двигунах легкових автомобілів.

Пряме впорскування - насос-форсунки

У традиційних дизельних двигунах за подачу палива відповідають різні типи насосів. У новаторські часи упорскування палива здійснювалося стисненим повітрям, у 20-х роках це робилося за допомогою перероблених масляних насосів. У 300-х роках широко використовувалися спеціальні насоси, призначені для дизельних двигунів. Спочатку він базувався на серійних насосах, що утворюють низький тиск (до 60 бар). Тільки в 1000-х роках з'явилися ефективніші насоси з осьовим розподільником (понад 80 бар). У середині сімдесятих вони отримали механічне управління упорскуванням, а в середині вісімдесятих – електронне (BMW 524td, 1986).

Дещо іншим способом здійснення упорскування палива були насос-форсунки, що використовувалися у вантажних автомобілях вже в 30-х роках, широко їх застосував у легкових автомобілях концерн Volkswagen, вперше в 1998 (Passat B5 1.9 TDI). Коротше кажучи, насос-форсунка це форсунка з власним насосом, який отримує привід від розподільного валу. Таким чином, весь процес створення тиску та впорскування в циліндр обмежується головкою блоку циліндрів. Система дуже компактна, паливопроводів, що з'єднують насос із форсунками, немає. Тому відсутня пульсація патрубків, що ускладнює регулювання дози палива та витоків. Оскільки паливо частково випаровується в камері насос-форсунки, момент упорскування може бути невеликим (легкий запуск). Найголовніше, однак, це дуже високий тиск упорскування 2000-2200 бар. Доза палива в циліндрі швидко поєднується з повітрям і згоряє дуже ефективно.

Загалом дизель із насос-форсунками характеризується високим ККД, малою витратою палива, високою швидкістю та можливістю отримання високих питомих потужностей. Але двигун із насос-форсунками доріг у виробництві, в основному через складність головки блоку циліндрів. Його робота важка та гучна. При живленні від насос-форсунок також виникають проблеми із токсичністю вихлопних газів, що значною мірою сприяло відмові VW від цього рішення.

Пряме впорскування - Common Rail

Найважливішим елементом системи упорскування Common Rail є "Common Rail", тип бака, також відомий як "акумулятор палива під тиском", який насос перекачує дизельне паливо. Він надходить на форсунки не безпосередньо від насоса, а з бачка, при цьому зберігається однаковий тиск для кожного циліндра.

Образно можна сказати, що кожна з форсунок не чекає на порцію палива від насоса, а все ще має паливо під дуже високим тиском. Електричних імпульсів, що приводять у дію форсунки, достатньо, щоб паливо надійшло до камер згоряння. Така система дозволяє створювати багатофазні впорскування (навіть 8 фаз на один упорскування), що призводить до дуже точного згоряння палива з поступовим наростанням тиску. Дуже високий тиск упорскування (1800 бар) дозволяє використовувати форсунки з дуже маленькими отворами, які подають паливо практично у вигляді туману.

Все це доповнюється високим ККД двигуна, плавністю ходу та низьким рівнем шуму (попри безпосереднє упорскування), гарною маневреністю та низьким вмістом вихлопних газів. Однак двигуни з системою Common Rail вимагають використання палива найвищої якості та найкращих фільтрів. Забруднення в паливі можуть зруйнувати форсунки та призвести до поломки, усунення якої буде надзвичайно дорогим.