Устройство Дизельного Двигателя

Дизельные двигатели: устройство и эксплуатация в зимний период

устройство дизельного двигателя

Стационарный одноцилиндровый дизельный Патент, выданный Рудольфу Дизелю на

двигатель, Германия, Аугсбург, 1906. его изобретение .

Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные (в г/(кВтЌч)) расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах, кроме России, заметно дешевле бензина.

К числу недостатков по сравнению с бензиновыми двигателями относятся. сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.

Причем уровень шума порою настолько высок, что для выполнения современных жестких законодательных норм приходится "капсулировать" двигатель, помещая его под капотом в камеру из шумопоглощающего материала.

Приход зимы предполагает немалые хлопоты для тех, кто так или иначе связан с ремонтом самоходной техники: одни машины встают на зимнюю консервацию, другие готовятся к активной работе, третьи переоборудуются. Да, и та техника, которая работает всегда в одном качестве, должна пройти подготовку к зиме. И поскольку сердце самоходной машины - это чаще всего дизель, о них и пойдет речь.

Экономические и экологические показатели автомобильных и тракторных дизелей в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива.

Камеры сгорания делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные .

Двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.

Дизельные двигатели. Устройство и конструктивные особенности

устройство дизельного двигателя

У наших соотечественников со словом "дизель" обычно ассоциируется чадящий КамАЗ и водитель в телогрейке, пытающийся зимой паяльной лампой отогреть его бак. Но время и техника неумолимо идут вперед, и все больше появляется у нас на дорогах красивых и современных автомобилей, у которых лишь характерное постукивание из-под капота выдает тип установленного мотора.

Такие особенности дизеля, как экономичность, высокий крутящий момент во всем диапазоне оборотов, и особенно на низких частотах вращения, а также доступное топливо. делают его предпочтительным вариантом для внедорожника, предназначенного для работы в тяжелых условиях. Поэтому в программе любой фирмы, производящей джипы, присутствует дизельная модификация, и чаще всего не одна.

С конца 90-х годов начался новый рост популярности дизельных моторов, связанный с совершенствованием их конструкции, внедрением электроники в системы топливопередачи и управления двигателем. Современные дизели последних поколений вплотную приблизились к бензиновым моторам по шумности и удельным характеристикам (вес, мощность на единицу объема), сохраняя при этом преимущества в экономичности и надежности.

Конструктивные особенности

По конструкции дизельный двигатель не отличается от обычного бензинового - те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки - ведь степень сжатия у него намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового). Именно этим объясняется большой вес и габариты дизельного двигателя в сравнении с бензиновым.

Принципиально отличие заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800 град. С, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением (10-30 МПа) впрыскивается топливо, которое почти мгновенно самовоспламеняется.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре - отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Экологические характеристики такого двигателя тоже лучше - при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода, заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

К специфическим недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Стоит отметить, что это относится в большей степени к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Непосредственный впрыск

Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания - их называю дизелями с непосредственным впрыском - топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне.

До недавнего времени непосредственный впрыск применялся в основном на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией. Но в последние годы благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить его экономичность, снизить шум и вибрацию.

Вихрекамерные двигатели

Наиболее распространенным на легковых автомобилях пока является другой тип дизельного мотора - с раздельной камерой сгорания. В них впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что значительно улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение в этом случае начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания. При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Вихрекамерные двигатели составляют подавляющее большинство среди устанавливаемых на легковые автомобили и джипы (около 90 %).

Менее распространены предкамерные дизели, имеющие специальную вставную форкамеру, соединенную с цилиндром несколькими небольшими каналами. Их форма и сечение подбираются так, чтобы между цилиндром и форкамерой возникал перепад давления, вызывающий течение газов с большой скоростью. Такая конструкция позволяет обеспечить большой ресурс, низкий уровень шума и токсичности, а также пологую характеристику крутящего момента.

Важнейшей системой дизеля, определяющей надежность и эффективность его работы, является система топливоподачи. Основная ее функция - подача строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Высокое давление топлива и требования к точности делают топливную систему дизеля сложной и дорогой. Главными ее элементами являются: топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр. ТНВД предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и управляющих действий водителя.

Топливные насосы ТНВД

По своей сути современный всережимный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера. Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД двух типов: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядные насосы в настоящее время применяются редко, хотя по своей конструкции являются наиболее надежными.

Наиболее распространены ТНВД распределительного типа. В этих ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Насосы этого типа получили широкое распространение на легковых дизелях. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время эти насосы предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

С начала 90-х годов стала внедряться электронная система управления дизельным двигателем, позволяющая оптимизировать подачу топлива на всех режимах и за счет этого повысить экономичность, снизить количество вредных выбросов и шумность работы моторов. Электроника позволяет заменить на всех перечисленных типах насосов сложные механические регуляторы более простыми и точными. Нагнетательная часть ТНВД при этом обычно остается неизменной.

Форсунки

Другим важным элементом топливной системы является форсунка. Она вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем.

Форсунка на двигателе работает в очень тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Топливный фильтр, несмотря на его простоту, является важнейшим элементом дизельного мотора. Его параметры, такие, как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его функций является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы. Иногда устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

Холодный пуск дизеля

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. Для этого в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы - свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900 град. С, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа. Погасание контрольной лампы свидетельствует о готовности к запуску. Электропитание со свечи снимается автоматически, но не сразу, а через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предпускового подогрева обеспечивают легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30 град С, разумеется, при условии соответствия сезону масла и дизтоплива.

Турбонаддув дизеля

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала - "турбоямы". Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха - интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность.

Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для внедорожника средством повышения "высотности" двигателя - в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности. В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя и не превышает обычно 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла.

Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования.

Система «Common-Rail» — новое слово в двигателестроении

устройство дизельного двигателя

В обычном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления нагнетает солярку в «индивидуальный» топливопровод (идущий к определенной форсунке). Внутренний его диаметр обычно составляет 1,6—2 мм, а наружный — 6—7 мм, то есть стенки достаточно толстые. Но когда под высоким давлением в 1300—2000 атмосфер по нему «прогоняется» порция топлива, трубка раздувается подобно удаву, заглатывающему жертву. И как только эта солярка уходит в форсунку, топливопровод снова сжимается. Поэтому вслед заданной порции топлива к форсунке непременно «подкачивается» крохотная лишняя доза. Эта капля, сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность мотора, да и процесс ее сжигания далеко не полноценный. Вдобавок сами пульсации отдельных трубопроводов повышают шумность работы двигателя. С ростом оборотистости современных дизелей (до 4000—5000 об/мин) это стало доставлять ощутимые неудобства.

Думающая рампа

Несколько фирм со временем нашли удачное инженерное решение проблемы. По разработанной ими схеме, топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая играет роль ресивера. В этом промежуточном звене помещается постоянный объем солярки, которая находится не под пульсирующим давлением, а под постоянным — около 1300 атмосфер.

Что же касается форсунок, то они открываются теперь не гидромеханическим способом (от повышения давления в трубопроводе), а электронным — от сигнала, подаваемого на соленоид форсунки. Датчики сообщают компьютеру, управляющему работой форсунок, информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На ее основе компьютер назначает нужное для работы мотора количество топлива и момент его подачи. Таким образом «змея» не судорожно проталкивает по пищеводу «еду», а работает в строгом соответствии с решениями, принимаемыми ее электронным мозгом.

Новые возможности — система Common-Rail

Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями, чего раньше сделать было невозможно. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно.

Но главное — система «Common-Rail» полностью исключает впрыск в камеру сгорания «досыльной» порции горючего. В результате расход топлива двигателем сокращается примерно на 20%, а крутящий момент на малых оборотах коленвала возрастает на 25%. Также уменьшается содержание в выхлопе сажи и снижается шумность работы мотора. Прогрессивные изменения в системе подачи топлива к форсункам дизелей стали возможны лишь благодаря развитию электроники.

В последнее десятилетие дизельные технологии развиваются впечатляющими темпами. Модификации легковых авто с дизельными моторами составляют половину новых автомобилей, продаваемых в Европе. Густой черный дым из выхлопной трубы, громкое тарахтение и неприятный запах остались далеко в прошлом. Дизельные моторы сегодня – это не только экономичность, но также высокая мощность и достойные динамические характеристики. Современный дизель стал тихим и экологически чистым. Как же удалось этому типу ДВС соответствовать постоянно ужесточающимся нормам токсичности и при этом не только не проигрывать в тяговитости и экономичности, но и улучшать эти показатели? Рассмотрим все по порядку.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового - те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.

Рабочий процесс в дизеле происходит следущим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре - отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки - ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.

устройство дизельного двигателя

Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.

ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ

Форма камеры сгорания значительно 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.

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.

устройство дизельного двигателя

При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.

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. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее 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 существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.

СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.

устройство дизельного двигателя

Топливный насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции солярки в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.

Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит 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. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название - рядные ТНВД. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.

Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, нежели насосы рядные, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сразу же стало ясно, что с устаревшей механической системой питания эту задачу не решить. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима. Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности отработанных газов.

Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса горения топливо - воздушной смеси. Для чего надо заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь необходима высокая точность дозы и точность момента впрыскивания. Сделать это можно, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи. Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом. В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, а значит и уменьшению вредных веществ в выхлопе. Хорошо, спросите вы, а почему бы не сделать такое же повышенное давление в обычном ТНВД и всей этой системе? Увы, не получится. Потому что есть такое понятие, как "волновое гидравлическое давление". При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, "бегающие" по топливопроводу. И чем сильнее давление, тем сильнее эти волны. И если далее повышать давление, то в какой-то момент может произойти обыкновенное разрушение трубопроводов. Ну, а о точности дозирования механической системы впрыска даже и говорить не приходится.

устройство дизельного двигателя

В результате были разработаны два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел (насос-форсунка), а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы.

Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. За счет этого насос-форсунка может развить давление до 2200 бар. Дозированием топлива, сжатого до такой степени и управлением угла опережения впрыска занимается электронный блок управления, выдавая сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок. Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.

Система питания Common Rail используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска. Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам. Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могуть быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок - высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота- одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля. Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска. В системах третьего поколения оно составляет 2000 бар. В ближайшее время в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы дизеля является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала - "турбоямы". Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха - интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность. Наддув позволяет добиться одинаковой мощности с атмосферным мотором при меньшем рабочем объеме, а значит, снизить массу двигателя. Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для автомобиля средством повышения "высотности" двигателя - в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности. В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.

Прогресс дизельных двигателей сегодня преследует две основные цели: увеличение мощности и уменьшение токсичности. Поэтому все современные легковые дизели имеют турбонаддув (самый эффективный способ увеличения мощности) и Соmmоn Rail.

Устройство дизельного двигателя

Ди?зельный двиѓатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения топлива от сжатия и высокой температуры. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе

Принцип работы

Четырёхтактный цикл

При первом такте (такт впуска, поршень идет вниз) свежая порция воздуха втягивается в цилиндр через открытый впускной клапан.

При втором такте (такт сжатия, поршень идет вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и воздух сжимается в объёме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т. е. объём становится меньше в 17 раз по сравнению с общим объёмом цилиндра, и воздух становится очень горячим.

Непосредственно перед началом третьего такта (такт рабочего хода, поршень идет вниз) топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые равномерно перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняющейся смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода.

Выпускной клапан открывается, когда начинается четвёртый такт (такт выпуска, поршень идет вверх), и выхлопные газы проходят через выпускной клапан.

В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:

  • Дизель с неразделённой камерой («дизель с непосредственным впрыском»): камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Главное достоинство — минимальный расход топлива. Недостаток — повышенный шум. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка.
  • Дизель с разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Такая схема считалась оптимальной и широко использовалась. Однако, вследствие худшей экономичности последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких дизелей двигателями с непосредственным впрыском топлива.

Двухтактный цикл

Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, возможно использование двухтактного цикла.

Поршень находится в нижней мёртвой точке и цилиндр наполнен воздухом. Во время хода поршня вверх воздух сжимается; вблизи верхней мёртвой точки происходит впрыск топлива, которое самовоспламеняется. Затем происходит рабочий ход — продукты сгорания расширяются и передают энергию поршню, который движется вниз. Вблизи нижней мёртвой точки происходит продувка — продукты сгорания замещаются свежим воздухом. Цикл завершается.

Для осуществления продувки в нижней части цилиндра устраиваются продувочные окна. Когда поршень находится внизу, окна открыты. Когда поршень поднимается, он перекрывает окна.

Окна могут использоваться и для выпуска отработавших газов, и для впуска свежего воздуха; такая продувка называется щелевой. Существует также клапанно-щелевая продувка, когда отработавшие газы выпускаются через клапан в головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха. Есть ещё двигатели, где в каждом цилиндре находятся два встречно двигающихся поршня (оппозитная схема); каждый поршень управляет своими окнами — один впускными, другой выпускными (такая система использовалась на тепловозах ТЭ3 и ТЭ10, танковых двигателях 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авиации — на бомбардировщиках Юнкерс).

Поскольку в двухтактном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще, то можно ожидать двукратного повышения мощности по сравнению с четырёхтактным циклом. На практике же это не удаётся реализовать, и двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного максимум в 1,6 — 1,7 раз

В настоящее время двухтактные дизели широко применяются только на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. При невозможности повышения частоты вращения двухтактный цикл оказывается выгодным; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100.000 л.с.

В связи с тем, что организовать продувку вихревой камеры (или предкамеры) при двухтактном цикле сложно, двухтактные дизели строят только с неразделёнными камерами сгорания.

Варианты конструкции

Двигатели могут быть тронковыми (когда шатун непосредственно присоединяется к поршню) и крейцкопфными (когда верхняя часть шатуна присоединяется к крейцкопфу — специальной скользящей конструкции, которая соединяется с поршнем штоком). Крейцкопфные двигатели позволяют снизить износ цилиндра и поршня, поскольку они освобождены от боковых усилий; зато тронковые двигатели намного меньше по размеру и весу. В настоящее время крейцкопфные двигатели используются только на больших морских судах.

Крейцкопфные двигатели могут быть двойного действия, когда рабочие полости устраиваются с обеих сторон поршня или 2 поршня движутся навстречу. Из-за сложности конструкции двигатели двойного действия почти не используют.

Реверсивные двигатели

Большинство ДВС рассчитаны на вращение только в одну сторону; если требуется получить на выходе вращение в разные стороны, то используют передачу заднего хода в коробке перемены передач или отдельный реверс-редуктор. Электрическая передача также позволяет менять направление вращения на выходе

Однако на судах с жёстким соединением двигателя с гребным винтом фиксированного шага приходится применять реверсивные двигатели, чтобы иметь возможность двигаться задним ходом. Для этого нужно изменять фазы открытия клапанов и впрыска топлива. Обычно распределительные валы снабжаются двойным количеством кулачков; при остановленном двигателе специальное устройство приподнимает толкатели клапанов, что даёт возможность передвинуть распредвалы в новое положение. Встречаются также конструкции с реверсивным приводом распределительного вала — здесь при изменении направления вращения коленчатого вала сохраняется направление вращения распределительного вала. Двухтактные двигатели с контурной продувкой, когда газораспределение осуществляется поршнем, не нуждаются в специальных реверсивных устройствах (однако в них всё же требуется корректировка момента впрыска топлива).

Реверсивные двигатели также применялись на ранних тепловозах с жёстким соединением вала двигателя с колёсами.

Преимущества и недостатки

Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 20-30 % энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 30-40 %, дизели с турбонаддувом и промежуточным охлаждением свыше 50 % (например, MAN S80ME-C7 тратит только 155 гр на кВт, достигая эффективности 54,4 %).[2] Дизельный двигатель из-за использования впрыска высокого давления не предъявляет требований к летучести топлива, что позволяет использовать в нём низкосортные тяжелые масла.

Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — смесь не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя на 1л объёма, а значит, и к снижению удельной мощности на 1 кг массы двигателя. Это послужило причиной малого распространения дизелей в авиации (только некоторые бомбардировщики Юнкерс, а так же советский тяжелый бомбардировщик Пе-8 и Ер-2, оснащавшиеся авиационными дизелями АЧ-30 и АЧ-40 конструкции А. Д. Чаромского и Т. М. Мелькумова). На максимальной эксплуатационной мощности смесь в дизеле не догорает, приводя к выбросу облаков сажи («тепловоз дает медведя»).

Дизельный двигатель не имеет дроссельной заслонки, регулирование мощности осуществляется регулированием количества впрыскиваемого топлива. Это приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий крутящий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя.

По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах — это углеводороды (НС или СН). оксиды(окислы) азота (NOх) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Они могут привести к астме и раку лёгких. Больше всего загрязняют атмосферу дизели грузовиков и автобусов, которые часто являются старыми и неотрегулированными.

Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более, что в них не используется система зажигания. Вместе с высокой топливной экономичностью это стало причиной широкого применения дизелей на танках, поскольку в повседневной небоевой эксплуатации уменьшался риск возникновения пожара в моторном отделении из-за утечек топлива. Меньшая пожароопасность дизельного двигателя в боевых условиях является мифом, поскольку при пробитии брони снаряд или его осколки имеют температуру, сильно превышающую температуру вспышки паров дизельного топлива и также способны достаточно легко поджечь вытекшее горючее. Детонация смеси паров дизельного топлива с воздухом в пробитом топливном баке по своим последствиям сравнима со взрывом боекомплекта, в частности у танков Т-34 она приводила к разрыву сварных швов и выбиванию верхней лобовой детали бронекорпуса. С другой стороны, дизельный двигатель в танкостроении уступает карбюраторному в плане удельной мощности (мощности, снимаемой с единицы массы мотора), а потому в ряде случаев (высокая мощность при малом объёме моторного отделения) более выигрышным может быть использование именно карбюраторного силового агрегата.

Конечно, существуют и недостатки, среди которых характерный стук дизельного двигателя при его работе и маслянистость топлива. Однако, они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.

Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартера большой мощности, помутнение и застывание летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Такие загрязнения очень быстро выводят топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своём рабочем диапазоне. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов («катализатор» в просторечии), работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой «Common-rail» системы. В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электрически управляемыми форсунками. Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный — и экологически такой же чистый, как и бензиновый — дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров сложности и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар, то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра». «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим очистки «сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы — и так называемого «интеркулера» — то есть устройства, охлаждающего сжатый турбонагнетателем воздух. Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.

В своей основе конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако, аналогичные детали у дизеля обычно тяжелее и более устойчивы к высокому давлениям сжатия, имеющим место у дизеля. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и часто (но не всегда) рассчитаны на повышенную степень сжатия. Кроме того, головки поршней в дизельном двигателе находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Во многих случаях головки поршней содержат в себе камеру сгорания.

Сферы применения

Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, на рельсовых (тепловозы, дизелевозы) и безрельсовых (автомобили, автобусы, грузовики) транспортных средствах, самоходных машинах и механизмах (тракторы, асфальтовые катки, скреперы и т. д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей.

Устройство для пуска дизельного двигателя (патент РФ № 2301353)

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть применено для запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности дизельных двигателей. Устройство для пуска дизельного двигателя содержит камеру внутреннего сгорания, систему, создающую первоначальное сжатие для воспламенения горючего, топливный насос и механизм, передающий движение на рабочий орган. Система, создающая первоначальное сжатие, выполнена в виде цилиндра, расположенного над камерой внутреннего сгорания, содержащая в верхней части цилиндра пусковую камеру с жидкостью и связанную с емкостью, заполненной жидкостью. Внутрь пусковой камеры введены электроды, соединенные с источником импульсного высоковольтного напряжения. Пусковая камера отделена от полости цилиндра разделительным поршнем. Разделительный поршень пусковой камеры и поршень сжатия жестко соединены между собой. Между верхней поверхностью крышки камеры сгорания и подвижным поршнем пусковой камеры установлена пружина сжатия. Механизм, передающий движение на рабочий орган, содержит кривошипно-шатунный элемент и пневматическую пружину в виде цилиндра с воздушными камерами, разделенными поршнем. А поршень пневматической пружины снабжен штоком, который шарнирно сочленен с шатунной шейкой кривошипно-шатунного элемента. Цилиндр пневматической пружины шарнирно сочленен с неподвижной частью двигателя, камеры цилиндра пневматической пружины снабжены воздушными карманами. Источник импульсного высоковольтного напряжения электрически соединен с датчиком детонации, установленным на камере сгорания, и дифференциальным мембранным датчиком давления, сочленным трубками с воздушными карманами. Изобретение обеспечивает повышение надежности и безопасности системы пуска ДВС, увеличение ресурса работы, а также расширение области применение двигателя. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. устройство дизельного двигателя

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть применено для запуска двигателей внутреннего сгорания (ДВС), в частности дизельных двигателей.

Известно устройство для пуска двигателей внутреннего сгорания, содержащее баллон со сжатым воздухом, подключенный к цилиндрам двигателя, сообщенный с воздушным компрессором и подсоединенный к цилиндрам пороховой газогенератор с пиропатроном-воспламенителем, включенным в электрическую цепь бортового источника питания, и механизм, передающий движение на рабочий орган. См. например, а.с. СССР №983299, МПК F02N 13/00 «Устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания», опубл. 23.12.82, Б.И. №47.

Недостаток известного устройства заключается в том, что для пуска двигателя применено сложное устройство, состоящее из двух элементов, а именно из воздушного компрессора и пиропатрона. К тому же использование пиропатрона небезопасно.

Известно также устройство для пуска двигателя внутреннего сгорания, содержащее камеру внутреннего сгорания с твердотопливным зарядом, подключенную к пусковой турбине, кинематически связанной с коленчатым валом двигателя, и механизм, передающий движение на рабочий орган. См. например, а.с. СССР №985391, МПК F02N 13/00 «Устройство для запуска двигателя внутреннего сгорания», опубл. 30.12.1982 г. Б.И. №48.

Недостаток известного устройства заключается в том, что в нем, по существу, имеется два пускателя, состоящих из газовой турбины и камеры сгорания. Кроме того, так же как и приведенный выше аналог, устройство небезопасно из-за наличия в нем твердотопливного заряда, который может взорваться и повредить двигатель и персонал.

Наиболее близким и принятым за прототип является устройство для пуска дизельного двигателя, описанный в а.с. СССР №832102, МПК F02N 13/00 «Трубчатый дизель-молот» опубл. 23.03.1981, Б.И. №19.

Устройство содержит камеру внутреннего сгорания, систему для пуска двигателя, создающую первоначальное сжатие для воспламенения горючего, топливный насос и механизм, передающий движение на рабочий орган.

Известное устройство имеет простую конструкцию, может использоваться для одноцилиндрового дизельного двигателя.

Недостатки известного устройства для пуска дизельного двигателя заключаются в том, что при пуске в нем используются пороховые разряды, что небезопасно. Кроме того, известный ДВС не может быть применен для широкого внедрения, поскольку в нем не предусмотрен элемент, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение рабочего вала. Надежность таких двигателей и ресурс работы невелики.

Целью данного изобретения является повышение надежности и безопасности системы пуска ДВС, увеличение ресурса работы, а также расширение области применения двигателя.

Указанная цель достигается за счет того, что в известном устройстве для пуска дизельного двигателя, содержащем камеру внутреннего сгорания, систему первоначальноого сжатия для воспламенения горючего, топливный насос и механизм, передающий движение на рабочий орган, согласно изобретению система первоначального сжатия выполнена в виде объемного цилиндра, расположенного над камерой внутреннего сгорания, в верхней части цилиндра имеется пусковая камера с жидкостью, связанной с емкостью, заполненной жидкостью, внутрь пусковой камеры введены электроды, соединенные с источником импульсного высоковольтного напряжения, пусковая камера отделена от полости цилиндра разделительным поршнем, в верхней части камеры сгорания имеется поршень сжатия, в крышке камеры сгорания имеется отверстие, снабженное сальником, разделительный поршень пусковой камеры и поршень сжатия жестко соединены между собой стержнем круглого сечения, проходящим через отверстие в верхней крышке камеры сгорания, между верхней поверхностью крышки камеры сгорания и поршнем пусковой камеры установлена пружина сжатия, механизм, передающий движение на рабочий орган, содержит кривошипно-шатунный элемент и пневматическую пружину в виде цилиндра с воздушными камерами, разделенными поршнем, поршень пневматической пружины снабжен штоком, шток шарнирно сочленен с шатунной шейкой кривошипно-шатунного элемента, цилиндр пневматической пружины шарнирно сочленен с неподвижной частью двигателя, камеры пневматической пружины снабжены воздушными карманами, причем источник импульсного высоковольтного напряжения электрически соединен с датчиком детонации, установленным на камере сгорания и дифференциальным мембранным датчиком давления, сочлененным трубками с воздушными карманами.

В варианте технического решения объемный цилиндр и камера внутреннего сгорания выполнены в виде единой детали.

В варианте технического решения камеры пневматической пружины соединены патрубком, в котором установлен управляемый редукционный клапан, реле, включающее клапан, блок управления реле, причем схема управления реле состоит из системы сравнения, электрически соединенной с датчиком положения рабочего вала двигателя и мембранным дифференциальным датчиком давления.

Наличие в устройстве для пуска дизельного двигателя системы, создающей первоначальное сжатие для воспламенения горючего, выполненной в виде объемного цилиндра, расположенного над камерой внутреннего сгорания, в верхней части которого имеется пусковая камера, связанная с емкостью, заполненной жидкостью, а внутрь камеры введены электроды, соединенные с источником импульсного высоковольтного напряжения, позволяет формировать электрогидравлические удары, имеющие высокие внутренние давления. Поскольку пусковая камера отделена от полости цилиндра первоначального сжатия подвижным поршнем, который, в свою очередь, механически связан с поршнем сжатия верхней части камеры сгорания, то в результате создается мощное сжатие горючей в камере сгорания. При этом отпадает необходимость иметь специальную пусковую систему, обычно выполненную либо в виде специального пускового двигателя, либо в виде стартера, либо в виде пиропатронов, как у прототипа. Данное устройство позволяет снизить габаритные размеры пускового устройства, его вес и стоимость. Кроме того, повышается надежность двигателя и безопасность обслуживания ДВС. Использование в кривошипно-шатунном механизме, передающем движение на рабочий орган, пневматической пружины обеспечивает строго определенное направление вращения рабочего вала при пуске двигателя. Датчик детонации, установленный на камере сгорания, обеспечивает контроль за началом работы двигателя и прекращением подачи высоковольтных импульсов. В свою очередь дифференциальный мембранный датчик давления, сочлененный трубками с воздушными карманами, гарантирует начало пуска в таком положении кривошипно-шатунной системы, когда вращение вала происходит только в определенном направлении.

Выполнение цилиндра первоначального сжатия и камеры внутреннего сгорания в виде одной детали упрощает конструкцию ДВС.

Соединение камер пневматической пружины патрубком, в котором установлен управляемый редукционный клапан, реле и блок управления реле, состоящий из системы сравнения, электрически соединенной с датчиком положения рабочего вала двигателя и датчиком давления, позволит обеспечить стабильность нулевой точки пружины в заданном положении вала.

Изобретение иллюстрируется двумя фигурами.

На фиг.1 изображена конструкция устройства для пуска ДВС.

На фиг.2 показана принципиальная схема установки нулевой рабочей точки пневматической пружины.

Устройство для пуска дизельного двигателя выполнено следующим образом. Камера внутреннего сгорания 1 (фиг.1) содержит рабочий поршень 2, связанный через шатунную шайбу 3, шатун 4, шатунную шайбу 5 и кривошип 6 с рабочим валом (не показан). Система, создающая первоначальное сжатие, выполнена в виде цилиндра 7, расположенного над камерой внутреннего сгорания 1. В верхней части цилиндра 7 имеется пусковая камера 8, заполненная жидкостью 9. В свою очередь, пусковая камера 8 связана с емкостью 10 шлангом 11, также заполненной той же жидкостью. В шланге 11 имеется электроуправляемый клапан 12. Предполагается использование незамерзающей жидкости, применяемой, например, для смывания лобового стекла автомобиля. Внутрь камеры 8 введены электроды 13, соединенные с системой управления и генерирования импульсов высоковольтного напряжения 14. Электроды 1 и 2 разделены между собой зазором (не обозначен). Пусковая камера отделена от полости цилиндра 7 разделительным поршнем 15. В верхней части камеры сгорания 1 имеется поршень сжатия 16. В крышке (не обозначена) камеры сгорания имеется отверстие 17, снабженное сальником. Разделительный поршень 15 и поршень сжатия 16 жестко соединены между собой стержнем 18 круглого сечения, проходящим через отверстие 17 в верхней крышке камеры сгорания 1. Между верхней поверхностью крышки камеры сгорания и разделительным поршнем 15 установлена пружина сжатия 19. Механизм, передающий движение на рабочий орган, содержит пневматическую пружину 20 в виде цилиндра с воздушными камерами 21 и 22, разделенными поршнем 23. Воздушные камеры через патрубки соединены с воздушными карманами соответственно 24 и 25. Поршень 23 снабжен штоком 26, который шарнирно сочленен с шатунной шейкой 5 кривошипно-шатунного элемента. Цилиндр пневматической пружины 20 на торцевой поверхности, т.е. на стороне, противоположной выходу штока, имеет шарнир 27, с помощью которого он сочленен с неподвижной частью двигателя. Положение поршня 23 в цилиндре пневматической пружины 20 выбрано так, чтобы ее нейтральное положение соответствовало такому состоянию кривошипно-шатунного элемента, когда кривошип 6 располагается перпендикулярно направлению движения рабочего поршня в одном из положений рабочего вала двигателя. На фиг. показано возможное расположение кривошипа 6 при остановке двигателя, который находится в пределах - ÷+ .

Система управления и генерирования импульсов высоковольтного напряжения 14 электрически соединена с источником электроэнергии 28. Кроме того, система высоковольтного напряжения 14 соединена с датчиком детонации 29, установленным на внешней поверхности камеры внутреннего сгорания 1, и с дифференциальным мембранным датчиком давления 30. Последний сочленен трубками 31 с воздушными карманами 22.

В варианте технического решения цилиндр первоначального сжатия и камера внутреннего сгорания выполнены в виде единой детали.

Схема установки нулевой рабочей точки пневматической пружины 20 состоит из патрубка 32, соединяющего между собой камеры 21 и 22 (или карманы 24 и 25). В патрубке 32 установлен управляемый редукционный клапан 33, который включается с помощью реле 34. Блок управления реле 34 состоит из системы сравнения 35, электрически соединенной с датчиком положения рабочего вала (не показан) двигателя и датчиком давления 30.

Устройство для пуска дизельного двигателя действует следующим образом. В спокойном состоянии за счет воздействия пневматической пружины (пружины растяжения) 20 рабочий вал займет положение, которое показано на фиг.1, при котором кривошип 6 будет находиться в пределах - ÷+ от линии, перпендикулярной оси движения поршня 2. Соответственно этому будет располагаться и поршень 2 и шатун 4. В то же время за счет пружины сжатия 19 разделительный поршень 15 и поршень сжатия 16 будут находиться в верхнем положении, оставляя свободное пространство в пусковой камере 8. Клапан 12 открыт. За счет того, что емкость 10 с жидкостью расположена выше камеры 8 жидкость 9 из емкости 10 заполнит пространство пусковой камеры 8. Мембранный датчик давления 29 стоит в нейтральном положении, его контакт замкнут. Соответствующий сигнал от мембранного датчика 29 поступает в систему управления и генерирования импульсов высоковольтного напряжения 14, что свидетельствует о том, что рабочий вал двигателя находится в положении, когда пуск двигателя возможен.

Перед началом пуска включается запорный клапан 12, перекрывая сообщение между емкостью 10 и пусковой камерой 8. Подается топливо в камеру внутреннего сгорания 1. При подаче высоковольтного напряжения на электроды 13 в пусковой камере возникает электрогидравлический удар, в результате которого давление в пусковой камере 8 резко возрастает. За счет высокого давления разделительный поршень 15 вместе с поршнем сжатия 16 начнут двигаться вниз, сжимая топливо в камере 1. Клапан 12 открывается, позволяя жидкости 9 свободно перетекать из емкости 10 в пусковую камеру 8 и обратно. Если воспламенение топлива не произошло, то процесс будет повторяться. Каждый раз при этом перед началом подачи импульса клапан 12 закрывается, а на систему управления и генерирования импульсов высоковольтного напряжения 14 должен поступать сигнал от датчика давления 30. Под действием электрогидравлического удара рабочий поршень будет двигаться вниз, приводя в движение кривошипно-шатунный механизм и вращая рабочий вал. При этом каждый раз по окончании пускового цикла пневматическая пружина 20 будет совершать колебательные движения вокруг шарнира 27 и устанавливать рабочий вал в положение, при котором кривошип 6 будет возвращаться в первоначальное положение (фиг.1), а пружина сжатия 19 будет возвращать разделительный поршень 15 и вместе с ним поршень сжатия 16 в исходное верхнее положение. Если произошло воспламенение топлива в камере 1, то по сигналу датчика детонации 29 режим подачи высоковольтных импульсов прекращается и начинается рабочий процесс работы двигателя. При этом пневматическая пружина каждый раз по окончании процесса работы двигателя будет стремиться останавливать рабочий вал в положение согласно фиг.1. Пневматическая пружина 20 выполняет несколько функций. С одной стороны, она обеспечивает предпусковое положение рабочего вала в одно определенное положение, не допуская остановку вала на состоянии верхней или нижней мертвой точки. С другой стороны, она обеспечивает начало вращения вала только в определенном, заранее выбранном направлении. И, наконец, она обеспечивает большую равномерность работы машины за счет распределения рабочего давления во времени. Воздушные камеры в пневматической пружине позволяют снизить длину цилиндра и обеспечить регулировку усилия пружины путем изменения их объема.

Однако пневматическая пружина 20, по существу, является пружиной одностороннего растяжения. Сила пружины имеет нулевое значение (нулевая точка пружины), когда она устанавливается в определенном положении рабочего вала (см. фиг.1). Из-за возможных зазоров между поршнем 21 и стенками ее цилиндра воздух может частично перетекать через эти зазоры из камеры 21 в камеру 22. При этом смещается нулевая точка пружины, т.е. ее положение, когда она не растянута. Для восстановления нулевой точки пружины необходимо включать на очень короткие промежутки времени, исчисляемые тысячными долями секунды, редукционный клапан 33. Этот клапан включается только в том момент времени, когда при подходе к точке, в которой пружина должна обеспечивать нулевое давление, а мембранный датчик 30 не включается. Это свидетельствует о смещении нулевой точки пружины 20. Момент времени включения клапана 33 контролируется стандартным датчиком положения вала (не показан), сформированным, например, на эффекте Холла. Система сравнения 35 будет включать реле 34 до тех пор, пока не начнет включаться контакт мембранного датчика давления 30 в момент, соответствующий положению рабочего вала, указанному на фиг.1. Поскольку реле 34 может обладать некоторой инерцией при включении, то возможно применение системы опережения включения реле наподобие системы опережения зажигания.

Таким образом, предложенная система пуска не нуждается в каком-либо вращательном приводе для пуска, в ней нет опасных пиропатронов, она проста в изготовлении и надежна в работе. По результатам проведенных в ИПУ РАН РФ испытаний система электрогидравлического удара, аналогичная описанной, обладает достаточной энергией для обеспечения пуска, КПД системы гидравлического удара, при этом достигает 80% и она способна надежно работать в течение длительного времени. Предложенная система пуска вместе с пневмопружиной и системой восстановления ее нулевой точки может быть применена на большинстве ДВС, где традиционно используется электростартер.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для пуска дизельного двигателя, содержащее камеру внутреннего сгорания, систему первоначального сжатия для воспламенения горючего, топливный насос и механизм, передающий движение на рабочий орган, отличающееся тем, что система первоначального сжатия выполнена в виде объемного цилиндра, расположенного над камерой внутреннего сгорания, в верхней части объемного цилиндра имеется пусковая камера с жидкостью, связанная с емкостью, заполненной жидкостью, внутрь пусковой камеры введены электроды, соединенные с источником импульсного высоковольтного напряжения, пусковая камера отделена от полости цилиндра разделительным поршнем, в верхней части камеры сгорания имеется поршень сжатия, в крышке камеры сгорания имеется отверстие, снабженное сальником, разделительный поршень пусковой камеры и поршень сжатия жестко соединены между собой стержнем круглого сечения, проходящим через отверстие в верхней крышке камеры сгорания, между верхней поверхностью крышки камеры сгорания и разделительным поршнем установлена пружина сжатия, механизм, передающий движение на рабочий орган, содержит кривошипно-шатунный элемент и пневматическую пружину в виде цилиндра с воздушными камерами, разделенными поршнем пневматической пружины, который снабжен штоком, шток шарнирно сочленен с шатунной шейкой кривошипно-шатунного элемента, цилиндр пневматической пружины шарнирно сочленен с неподвижной частью двигателя, камеры пневматической пружины снабжены воздушными карманами, причем источник импульсного высоковольтного напряжения электрически соединен с датчиком детонации, установленным на камере сгорания, и дифференциальным мембранным датчиком давления, сочлененным трубками с воздушными карманами.

2. Устройство для пуска дизельного двигателя по п.1, отличающееся тем, что объемный цилиндр и камера внутреннего сгорания выполнены в виде единой детали.

3. Устройство для пуска дизельного двигателя по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что камеры пневматической пружины соединены патрубком, в котором установлен управляемый редукционный клапана с реле, включающим клапан, блок управления реле, причем блок управления реле состоит из системы сравнения, электрически соединенной с датчиком положения рабочего вала двигателя и мембранным дифференциальным датчиком давления.

Устройство дизельного двигателя

Описание:

Описание отсутствует.

Оставьте комментарий!

Комментарий будет опубликован после проверки

Имя и сайт используются только при регистрации

Выберите человечка с поднятой рукой!