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.

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 впрыском — DI (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.

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 дизельного двигателя

Дизельный двигатель все больше набирает популярность среди автолюбителей, особым спросом эти установки пользуются на европейском рынке. С момента своего первого появления, агрегат, работающий на солярке, претерпел множество изменений и улучшений в своей конструкции.

Сегодня это уже не тот двигатель, который был десять лет назад, современный мотор на солярке ничем не уступает бензиновому по шумности, комфорту, экологическим показателям. А по некоторым, таким как экономичность, крутящий момент, мощность, динамические характеристики даже превосходит.

Делая свой выбор в пользу силовой установки на дизельном топливе, пользователь получает современное устройство, эксплуатация которого, с точки зрения простого обывателя, не будет достаточно сложной. Тем не менее, разница в обслуживании между бензиновым мотором и дизелем есть. Основное отличие между двумя установками, процесс воспламенения рабочей смеси.

Для его нормального осуществления не менее важно эту смесь правильно приготовить. Устройство и работа системы питания в дизельных двигателях намного сложней бензинового, чтобы правильно эксплуатировать агрегат необходимо понимать, как работает каждый её механизм.

Особенности и требование к дизельному топливу

Процесс воспламенения в дизельном агрегате происходит самостоятельно, свеча зажигания из него полностью исключена. Для подогрева воздуха, поступающего в цилиндр, может быть установлена свеча накаливания, сделано это с целью помочь мотору быстрей прогреться, при холодном запуске. При прогреве установки, свечи отключают.

Устройство топливной системы дизельного двигателя, в частности, требования, предъявляемые к ней, в основном зависят от специфических особенностей топлива. Дизель представляет собой смесь фракций, в основном керосина и газойля, полученных после извлечения из нефти бензина.

Солярка, в сравнении с бензином, обладает такими свойствами и требованиями:

• Большой вязкостью, в результате чего процесс воспламенения проходит медленней;
• Высокой температурой кипения, следовательно, испаряемость её ниже;
• Способность самостоятельно воспламеняться, пожалуй, самое главное свойство. Показатель оценивается цетановым числом, в современных видах топлива оно имеет значение 45-50, чем оно выше, тем лучше топливо.
• Чистота, это одно из главных условий нормальной подачи топлива в силовую установку. Она осуществляется посредством топливного насоса, создающего высокого давления (ТНВД), он сжимает солярку, повышая давление, после чего форсунка подаёт и распыляет её в виде тумана непосредственно в камере сгорания. Смешиваясь с горячим воздухом и одновременно сжимаясь до давления от 3 до 5 МПа, топливо само воспламеняется. При несоблюдении чистоты, подача топлива будет сильно усложнена, как результат, вся работа системы нарушена и остановлена. Поэтому в дизельных моторах очень важно использовать качественные фильтры очистки горючего от механических примесей, парафина, воды.
• Высокая плотность;
• Хорошая смазывающая способность, благодаря которой срок службы дизельных силовых установок намного превосходит бензиновые аналоги;
• Температура застывания. Этот показатель позволяет разбить топливную смесь на сорта: летние, зимние, арктические.

Основные положения

Дизельная силовая установка является двигателем внутреннего сгорания, поршневого типа, процесс смесеобразования в котором происходит внутри цилиндра, а воспламенение смеси осуществляется за счет сжатия. Этим агрегат отличается от бензинового, для воспламенения смеси которого, необходимо применение внешнего источника, искровую свечу, либо тепловой элемент.

Ещё один процесс, протекающий в двигателе, с отличаем от его собрата, является процесс смесеобразования. В бензиновом агрегате смесеобразование протекает за пределами цилиндра, в специальном устройстве, смешивающем бензин и воздух, затем перемещается в трубопровод и завершается в цилиндре, во время процессов впуска и сжатия.

Максимальная схожесть с дизельным мотором по смесеобразованию присуща агрегатам с инжектором, в которых подача топлива происходит путем непосредственного впрыска в цилиндр. Однако процесс и результат смешивания в этих установках все равно существенно разнится.

Принцип работы дизельного мотора

Общий принцип работы дизельного агрегата, выполняющего четыре такта в процессе эксплуатации можно описать так:

• Процесс наполнения цилиндра чистым воздухом при движении поршня в положение нижней мертвой точки, воздух проходит через впускной клапан;
• Сжатие воздуха до его максимального нагрева, поршень движется в положение верхней мертвой точки, впускной и выпускной клапана закрыты;
• Впрыск горючего в цилиндр, его смесь с воздухом и самовоспламенение, при этом вырабатывается большое количество теплоты, увеличивается давление;
• Процесс совершения полезной работы за счет движения поршня вниз, стимулирует этот процесс действие давления газов;
• Движение поршня в положение верхней мертвой точки, выброс отработанных газов через выпускной клапан.

Нормальная работа топливной системы, условия

Что бы топливная система дизельного двигателя, включающая в себя аппаратуру и механизмы, работала стабильно, необходимо выполнение определённых требований:

• В камере сгорания должна быть обеспечена высокая температура и давление;
• Топливо и воздух, смешиваясь, должны создавать определённую пропорцию;
• Вращение коленчатого вала с определённой частотой должно соответствовать углу опережения впрыска топлива;
• Параметры воздушного заряда должны соответствовать наиболее оптимальному состоянию. Это требование очень важно, поскольку при попадании топлива в неподготовленную среду работа установки будет сильно осложнена. Параметры, оказывающие сильное влияние на процесс следующие: компрессия, температура головки поршня, количество и пропорция воздуха в камере сгорания.

Что касается степени сжатия, её параметры существенно отличаются от параметров бензинового мотора. В бензиновых силовых установках она имеет значение на уровне 10, тогда как в дизельных агрегатах может быть 20 и выше. Это обусловлено тем, большая степень сжатия позволяет создать большую температуру камеры сгорания, что значительно облегчает воспламенение топливовоздушной смеси и запуск силовой установки.

Назначение топливной системы

Основное назначение системы питания дизельного двигателя, это транспортировка топлива к механизмам дозирования и распыления. Весь процесс происходит в условиях повышенного давления.

Особенностью работы системы является тот факт, что количество топлива должно подаваться строго в определённой норме, необходимой для успешной работы мотора. При увеличении либо уменьшении её возможны сбои и поломки.

Для этих целей на ТНВД устанавливается специальный прибор, всережимный регулятор.

Количество топлива и продолжительность его впрыска определяется положением цилиндра прибора, а начало и завершение процесса, зависит от прохождения определённых отверстий плунжером, которые имеются в цилиндре. Сам же уровень впрыска определяется давлением, при котором начинает открываться форсунка.

Система питания, устройство

Система питания дизельного двигателя характерна сложным строением, она включает в себя целый комплекс различных устройств. Для обеспечения правильного функционирования, топливо надо не просто подать к форсункам, а сделать это, выдержав определённое высокое давление. Это условие необходимо, поскольку только так производится точная регулировка топливной порции впрыска в цилиндр.

Система питания топливом выполняет следующие функции:

• Порционное дозирование топлива в зависимости от нагрузки и режима работы силовой установки;
• Подачу горючего в рабочую камеру с учётом заданного временного промежутка и определённой интенсивностью;
• Максимально эффективное распределение топливного тумана таким образом, что бы он равномерно обволакивал весь объём рабочей камеры;
• Максимальная очистка горючего перед подачей к механизмам и форсункам.

Схема системы питания

Схема системы питания дизельного двигателя включает в себя основные компоненты, в число которых входят:

• Бак для топлива;
• Фильтры очистки топлива (грубой и тонкой);
• Насос топливный, подкачивающий;
• Насос топливный, создающий высокое давление (ТНВД);
• Форсунки;
• Трубопровод для перекачки топлива под низким давлением;
• Трубопровод высокого давления;
• Фильтр воздушный

Схема топливной системы имеет вспомогательные компоненты, к которым можно отнести электрические насосы, детали выпуска отработанных газов, фильтры очистки от сажи, глушители и т.п. Общее устройство системы питания предполагает деление топливной аппаратуры на две группы:

• Аппаратура, подводящая топливо;
• Аппаратура, подводящая воздух.

Топливная аппаратура дизельных двигателей может иметь различное устройство, система разделённого типа, на сегодняшний день является наиболее распространенной. Для этой системы характерно разделение ТНВД и форсунок на отдельно функционирующие устройства. Топливо проходит путь по путепроводам высокого и низкого давления. Проверка шлангов подачи топлива является обязательным условием эксплуатации силовой установки.

Хранение, фильтрация и подача к ТНВД происходит при невысоком давлении. После чего, топливный насос поднимает давление в системе для правильного дозирования и подачи порции топлива в камеру сгорания в нужный момент.

Систему питания дизельного мотора обслуживает два насоса:

• Насос, создающий высокое давление;
• Насос, подкачки топлива.

Насос подкачки топлива осуществляет подачу солярки из бака к фильтрам грубой и тонкой очистки и дальше к насосу, создающему высокое давление. Этот путь жидкость проходит с относительно невысоким показателем давления.

Проходя ТНВД, давление топлива нагнетается до высокого уровня. Порядок работы цилиндров определяет подачу рабочей смеси. Насос, создающий высокое давление имеет несколько секций, каждая из которых отвечает за определённый цилиндр двигателя.

Устройство системы питания дизельного двигателя, осуществляющего два такта, может иметь неразделённый тип. Для таких систем применяется специальное устройство, насос-форсунка. Это своего рода объединение топливного насоса, создающего высокое давление и форсунки в один прибор.

Такие моторы имеют небольшое распространение, поскольку срок службы изделия намного меньше, работа происходит жестко, с большим шумом. Конструкция не предусматривает наличие магистрали высокого давления.

Конструктивный принцип работы системы питания дизельного двигателя, получившего наибольшее распространение, предусматривает расположение форсунок в головке блока цилиндров. Основная задача такого расположения, точное распыление топлива в камере сгорания. К ТНВД, поступает большой объём солярки, её излишки отводятся обратно в бензобак по дренажным трубам.

Форсунки могут быть двух типов:

Более широкое применение имеют форсунки закрытого типа. В устройстве таких форсунок есть специальная запорная игла, которая закрывает отверстие подачи топлива. Поэтому, полость форсунки соединяется с камерой сгорания только при открытии отверстия и впрыске жидкости.

Common Rail

После значительного ужесточения экологических норм для дизельных силовых установок, система питания моторов, работающих на солярке, подверглась изменениям.

Схема подачи топлива, когда смесь воздуха и горючего поступает в рабочую камеру при атмосферном давлении, стала называться Common Rail. Как результат, за счет такого принципа можно снизить расход и увеличить мощность установки. Кроме того, схема получила широкое применение, благодаря снижению шума и увеличению крутящего момента мотора. На сегодня, каждый второй автомобиль оснащен данной системой.

Однако, как и у каждого механизма, есть и недостатки. Например, для этой системы требуется качественное топливо, небольшое загрязнение способно привести к полной остановке агрегата, поскольку работа форсунок будет заблокирована.