Bosch Системы управления дизельными двигателями Первое издание Перевод с немецкого. Страница 1


Конструкция дизельных двигателей и, в первую очередь, их топливная аппаратура активно совершенствуются. Этот процесс нашел свое отражение в данном издании, созданном специалистами фирмы Bosch и впервые переведенном на русский язык. В книге представлены: системы наполнения цилиндров воздухом; рядные ТНВД; распределительные ТНВД; индивидуальные механические ТНВД; насос-форсунки; индивидуальные ТНВД с электромагнитным клапаном; система Common Rail; электронное упраа1ение работой дизельного двигателя — датчики и исполнительные механизмы, блок управления, электронное регулирование; электронная диагностика и оснащение станций технического обслуживания; методы снижения токсичности отработавших газов; стандарты, регламентирующие ^руиснь вредных выброси н; предметный указатель; список сокращений, принятых в литературе по устройству систем питания дизелей на английском, немецком и русском языках. Книга предназначена: *    инженерам-двигателистам; *    работн и ка м тран с порти ых п редп риятий; *    работникам станций технического обслуживания; *    преподавателям и студентам технических учебных заведений; *    водителям и ападельцам автомобилей; *    всем, кто интересуется системами управления дизелей. ISBN 5-85907-348-8
ISBN 5-859 9 785859
7-3
теория И ПРАКТИКА
173
481 >
Robert Bosch GmbH Dieselmotor-Management vollstandig uberarbeitete und erweiterte Auflage
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ Первое издание Перевод с немецкого ИЗДАТЕЛЬСТВО
http://knigi.zr.ru OK 005-93, т. 2; 953750 УДК 621.4:629.113.01 ББК 39.35 С40 Книжно-журнальное издательство «За рулем» Директор А,В, Васин Заместитель директора Ф>В* Илюхин Департамент непериодических изданий и каталогов Директор В.Б. Волынский Заместитель директора С.А. Минин Главный редактор книжной редакции В, В, Аверкиев Заведующий отделом|В.И+ Лапшин Научным редактор кл.н. ЮЛ . Грудский Ведущий редактор В.В. Маслов Редактор Е.В. Певзнер Перевод ЮТ, Груде кого, А.Г. Иванова Рецензент д.т.н. Б,А, Марков Системы управления дизельными двигателями. Перевод с немецкого* С40 Первое русское издание. — М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. — 480 с,: ил. ISBN 5-85907-348-8 Книга содержит подробные описания систем впрыска топлива, механического и электронного регулирования дизельных двигателей, дает представление о методах диагностики и специальном оборудовании для регулировки систем питания дизелей, а также о методах снижения токсичности отработавших газов. Многие разделы сопровождаются историческими сведениями. Издание адресовано инженерам двигателистам* работникам транспортных предприятий и станций техническою обслуживания, преподавателям и студентам технических учебных заве дений. Подробный предметный указатель и список сокращений делают это издание хорошим справочным пособием для всех, кто интересуется устройством и работой топливной аппаратуры дизелей. Воспроизведение в любой форме настоящего издания или любой его части запрещается без предварительного разрешения обладателя авторских прав. УДК 621.4:629.113.01 ББК 39*35 Dieselmotor-Management 3rd Edition © Robert Bosch GmbH, 2002 P.O. Box 10 60 50, D-70049 Stuttgart, Federal Republic of Germany ® ЗАО «КЖИ «За рулем», перевод на русский язык, 2004
ISBN 5-85907-348-8 (рус.) ISBN 3-528-13873-4 (нем.)
► Or российского издателя «Мой двигатель все еще имеет большой успех».». Фраза Рудольфа Дизеля, произнесенная им в 1895 году, по-прежнему актуальна. Сегодня конструкция двигателя Дизеля и, в первую очередь, его топливная аппаратура активно совершенствуются. Этот процесс нашел свое отражение в данном издании» появившемся через 75 лет после создания первого серийного топливного насоса высокого давления марки Bosch для бы-строходн ы х дизолей. Первое русское издание книги, написанной специалистами фирмы Bosch, содержит подробные описания систем впрыска топлива дизелей и их комплектующих. Некоторые разделы содержат наглядные исторические справки. В первой части рассматриваются устройство и принципы работы: •    рядных топливных насосов высокого давления {ТНВД) серии РЕ с регуляторами; •    всех вариантов распределительных ТНВД серий VE... EVE,.. EDC VE... MV (VP29, VP30) и VR (YT44); •    индивидуальных механических ТНВД серии PF; •систем насос-форсунок (UIS); •систем индивидуальных ТНВД с электромагнитными клапанами (UPS); •аккумуляторной системы впрыска топлива Common Rail, Перед рассмотрением систем впрыска и общем обзоре перечисляются их особенности и области применения. Во второй части книги представлена система электронного регулирования работы дизеля вместе с относящимися к ней датчиками и исполнительными механизмами. Технологии и конструкции, описанные в книге, настолько новы, что авторам перевода нередко приходилось вводить в оборот и согласовывать с ведущими специалистами отрасли новейшие термины. Раздел, посвященный оснащению станций технического обслуживания, дает представление о методах диагностики и о специальном оборудовании для регулировки систем питания дизелей. Завершают книгу главы, посвященные методам и технике снижения токсичности отработавших газов. Здесь же перечислены основные стандарты разных стран, регламентируют не уровень вредных выбросов. Оглавление и предметный указатель* а также список сокращений делают это издание хорошим справочным пособием для инженеров-двнгателистов, работников транспортных предприятий и станций технического обслуживания, преподавателей и студентов технических учебных заведений. Данное издание будет полезным также для всех, кто интересуется устройством и работой топливной аппаратуры дизелей, тем более что в последнее десятилетие в нашей стране появилось множество зарубежных автомобилей с этим типом двигателя. Содержание Области применения дизельных двигателей.....*. * *......********* *10 Основные параметры . .........*.... 10 Применение . *....................10 Сравнительные параметры .........14 Основы работы дизельного двигателя......................... Л6 Принцип действия ................16 Мощность и крутящий момент +«*, Л9 Коэффициент полезного действия .. .20 Режимы работы .................. .23 Условия эксплуатации .....*...... . 27 Система впрыска ................. .30 Камеры сгорания ................. Л Дизельное топливо ................34 Альтернативные топлива ...........38 Системы наполнения цилиндров воздухом ..........*.......40 Обзор . . > т...................... г .40 Воздушный фильтр ............... .41 Заслонки регулирования завихриванин ....... ........... . , .44 Наддув воздуха .........* *....... .44 Рециркуляция ОГ    ,55 OfHftRW прпцеггя НИрЫГкИКЯНИЯ ____56 Смесеобразование ,............... .56 Начало подачи и момент начала впрыскивания ....................58 Цикловая подача топлива ..........60 Протекание впрыскивания ........ ,61 Давление впрыскивания............66 Направление и количество факелов впрыскивания *... *.............. .67 Обзор систем впрыска * *..............68 Требования .............. . ...... . ,68 Типы конструкций * *.. *.......... .70 Система подачи топлива (контур низкого давления) * * *.............. .76 Топливный бак .........*..*«»*+*, ,76 Топливные магистрали низкого давления .........................76 Топливные фильтры , * *........* - - .77 Топливоподкачивающий насос ......78 Распределительная рампа.....♦.....80 Редукционный клапан низкого давления    .................81 Радиатор блока управления ......,. .8! Радиатор системы охлаждения топлива    ............. .81 Дополнительные клапаны для рядных ТНВД    ........ ,82 Системный обзор рядных ТНВД ... .84 Области применения ..............84 Модели ..........................84 Конструкция .......... . ....................+8 5 Регулирование * *.. *.............. ,85 Тон л ивопод качи ва ющие н асосы для рядных ТНВД *********......*. .88 Применение ......................88 Конструкция и принцип действия .. .89 Ручные помпы * *. *.........91 Предварительная грубая очистка топлива    ..........*... *91 Подача топлива самотеком из бака ., .91 Стандартные рядные ТНВД серии РЕ ................*.,........92 Монтаж и привод    *93 Конструкция и принцип действия .. .93 Конструктивные особенности * * * * * Л02 Версии для работы на альтернативном топливе . *......112 Экс плуатация рядных ТНВД .......113 Регуляторы частоты вращения для рядных ТНВД .................114 Управление и регулирование .......114 Работа регулятора ................116 Термины и определения ...........116 Характеристика регулятора ........117 Функции регулятора .............,..118 Виды регуляторов ..........................121 Обзор регуляторов ...............126 Механическое регулирование частоты вращения .........................Л32 Дополнительные приспособления . .158 Муфта опережения впрыскивания . Л 72 Электромагнитное управление .....174 Рядный ТНВД с дополнительной втулкой **********.................176 Конструкция и принцип действия , Л 77 Системный обзор распределительных ТНВД * * * *. * * * * *180 Область применения «.*+..**......180 Виды конструкций .............. .180 Системы с управлением регулирующей кромкой ............**«.»*<»**. Л82 Системы управления с электромагнитным клапаном.....184 Распределительные ТНВД с управлением регулирующей кромкой ..........................188 Применяемость и устройство ......189 Конструкция .................... 190 Нагнетание топлива ........... . . Л 92 Модули распределительных ТНВД * .202 Обзор .............................202 Регулятор частоты вращения коленчатого вала    -------------204 Механизм опережения впрыскивания ...................211 Меха н 114 еск не коррект м руад iц не устройства .......................214 Переключатель нагрузки . * + * +.....227 Потенциометр    .....-......227 Датчик подачи ...................228 Устройства останова дизеля ........ .229 Электронное управление работой дизеля ..........................230 Система защиты от несанкционированного пуска дизеля 233 Распределительные ТНВД с электронным управлением *.....-234 Типы конструкций    .234 Способы применения и конструкция 234 Распределительный ТНВД серии VE..MV с аксиальным движением плунжера ., ,236 Распределительный ТНВД серии VR с радиальным движением плунжеров . ,23§ Общий обзор индивидуальных систем впрыска ......—.....* * * *. .252 Индивидуальные механические ТНВД серии PF.....................252 Нас ос-форсунки и механические ТНВД с электромагнитным клапаном .......................> * .254 Схема системы насос-форсунок для легковых автомобилей ........ - <25$ Схема работы систем U1S и UPS для грузовых автомобилей    ,260 Индиви дуальные механические ТНВД серии PF .........***...**♦* ,262 Конструкция и принцип действия . *262 Типоразмеры .....................264 Насос-форсунки------------------*266 Размещение и привод ..........*, .266 Конструкция .....................267 Принцип действия . *.............270 Эле кт ром а г н ит н ы й кл ап а н высокого давления ............ . * .274 Индивидуальные ТНВД с электромагнитным клапаном .. * ♦ *276 Конструкция ....................276 И иди в идуалъ н ы и Т Н ВД для тяжелых транспортных дизелей ,278 Система Common Rail <*++*...»***. .280 Применение ..................* - .280 Конструкция ................280 Принцип действия ,.........*.. *. .281 Системная схема: для легкового автомобиля    .284 для грузового автомобиля ....... Агрегаты контура высокого давления системы Common Rail * * . .288 . ,293 , .296 . .300 , .302 , .304
Топливный насос высокого давления Аккумулятор высокого давления (Rail) Форсунка ...................... Распылители + + + + + + Штифтовые распылители ..-------. Бесит 1 фтов ые рас ныл ители ..... Дальнейшее развитие конструкции распылителей . .320 . .320 . .321 . ,322 - .327 * ,328 , 332 . .337 *    *340 *    *340 , .341 . 342 , 345 . 346
Корпус форсунки ♦ *...... *....... Стандартный корпус форсунки ... Ступенчатый корпус форсунки ... Двух пружинный корпус форсунки Корпус форсунки с датчиком хода иглы .................. Магистрали высокого давления •. Соединение магистралей высокого давления ...................... Магистрали высокого давления .. Электронное управление работой дизельною двигателя............ Требования ,.................... Системный обзор * ......*...... Системные блоки ............... Рядные ТНВД .................... Рас п редел итель н ые Т Н ВД с аксиальным движением плунжера н регулирующими кромками . ►«., + Распределительные ТНВД с аксиальным н радиальным движением плунжеров и управляющими электромагнитными клапанами .,, Система Common Rail ............. Система насос-форсунок (UI3) для легковых автомобилей ....... Системы насос-форсунок (UIS) и индивидуальных ТНВД (UPS) для грузовых автомобилей ,,,.*-, Адаптация двигателей легковых автомобилей ................... А да 11 таци н ды 11 а геле й i р у зовы а автомобилей ................. Оборудование для адаптации Датчики ___________* * * *..»*.*..»» ♦ Установка на автомобиле ..... Датчики температуры ........... Микромеха ни чес кие датч икн давления ..... .......... Датчики давления топлива системы Common Rail .................. Индуктивный датчик частоты вращения коленчатого вала ...... Датчик частоты вращения/угла поворота .........................347 Фазовые датчики Холла .......... .348 П о л удифферен циа я ьн ы й дат* i и к с короткозамкнутым кольцом ..... 350 Датчик положения педали газа .... .352 Термопленочный датчик массового расхода воздуха модели HFM5 .....354 Планарный широкополосныи лямбда-зонд LSU4    .356 Блок управления + *,. +.+***+.* +«* * 358 Применение    ----......... 358 Устройства ..................... 358 Обработка данных ................358 Электронное управление и регулирование    364 Управление и регулирование ...... ,364 Обработка данных............... .364 Обмен данными с другими системами .........................366 Регулирование впрыскивания .,... 368 Регулирование состава смеси в дизельных двигателях легковых автомобилей ..........*,.+***+♦. 377 До п о л и и тел ьн ые специал ьн ые приспособления ...........................383 Управление системами впрыска с регулирующими кромками ......383 Уп рав лен не си сте м а м и в пр ы ска с электромагнитными клапанами .. .386 Ре гул иро ва н ие и у t ip а в л ен и е исполнительными маханизмами . .. .393 Переход на аварийный режим ------ .394 Система электронного управления крутящим моментом дизеля ...... .395 Обмен данными между электронным и системами ***.**.,* ,398 Системный обзор ............... .398 П ос л едовате л ь н ая п среда ч а дан н ы х с использованием шины CAN ..... .398 Перспективы .................... .403 Ишшшишхьные механизмы ...... .404 Электро п н евмат и чеек ие преобразователи ................ .404 Тормоза-замедлители .............405 Угтравление электровентилятором системы охлаждения ..............405 Система облегчения пуска дизеля .. .406 Система электронной диагностики .408 Принцип действия .......................408 Бортовая диагностика ........ .... .411 Оборудование станций технического обслуживания    .412 Обзор .................* *412 Диагностика системы электронного управления работой дизеля ....... ,414 Стенды для испытания ТНВД ......418 Испытание рядных ТНВД *.,*+<,* +420 Исп ыта ни е ра спреде л ител ьн ы х ТНВД с регулирующей кромкой ... .424 Испытания форсунок .............428 Принцип измерения состава ОГ ,, , ,430 Измерение дымности .............432 Эмиссия отработавших газов . * *.. .434 Обзор .......................... .434 Основные компоненты ........... .434 Продукты неполного сгорания (вредные вещества) . ..............436 Сокращение вредных выбросов ... .438 Системы очистки ОГ    .440 Окислительный нейтрализатор .... .440 Фильтр твердых частиц ............440 Накопительный нейтрализатор NOx 441 Принцип SCR ....................443 Комбинированные системы    ,443 Законодательство по 01 ....... * * * .444 Обзор ...........................444 За конодател ьство Кал и фо рн и и (л е г ков ые/лег к ие грузов ы е автомобили)    ......446 Стандарт ЕРА (легковые/легкие грузовые автомобили) ........... .450 Законодательство ЕС (легковые/ легкие грузовые автомобили) ......452 Законодательство Японии (легковые/ легкие грузовые автомобили) .................. ,, *455 За ко н одател ьст в о СШ А (грузовы с автомобили) *,.*♦*......... . ... . .456 Законодательство ЕС (грузовые автомобили) .................... .457 За конодател ьство Я и он ии (грузовые автомобили) ............459 Испытательные циклы США для легковых и лег ких грузовых автомобилей .....................460 Ев puntm км А ци к л i j i. 11 ы i ани й для легковых и легких грузовых автомобилей ....................,462 Испытательный цикл Японии для легковых и легких грузовых автомобилей .................... .463 Испытательные циклы для грузовых автомобилей    .464 Испытание ОГ для одобрения типа . .466 Предметный указатель_____..______.470 Сокращения, принятые в литературе по устройству систем питания дизелей    .475 Со крашен ия на русском языке * + *. .478 Области применения дизельных двигателей Dipl.-lng. (FH) Hermann Grieshaber; Dipl.-Ing. Joachim Lackner; Drying, Herbert Schumacher Основы работы дизельного двигателя Dipl.-lng. (FH) Hermann Grieshaber Системы наполнения цилиндров воздухом Dr.-Ing. Michael Durst, Filterwerk Mann + Hummel; Dr.-Ing. Thomas Wintrich Система подачи топлива DipL-Ing, (FH) Rolf Ebert; Dr.-Ing, Ulrich Projahn; Ing. Dipl.-Betr.-Wirt (FH) Matthias Schmid]; Dr. tech. Theodor Stiрек Рядные ТНВД и их регуляторы частоты вращения Henri Bruognolo; DipL-lng. Ernst Ritter Распределительные ТНВД с управлением регулирующей кромкой и их модули uipl.-Ing. (FH) Helmut Simon; Prof Dr.-Ing, Helmut Tschoke Распределител ьные ТНВД с электронным управлением Ing, (grad.) Heinz No I d u г ft; Dr,-Ing, Uwe Reuter; Dipl.-lng. Nestor Rodriguez-Amaya; DipL-lng, (FH) Karl-Friedrich ROsseler; DipL-Ing.- Werner Vallon; Dip I,-Ing. Burkhard Veldtcn. Система Common Rail Dipl.-Ing. Ralf Isenburg; Dipl.-lng. (FH) Michael MGnzenmay, STZ-System und Simulationstechn i k „ Prof, H. Kull, Esslingen И н д и в и ду а л ьные м е ха н и ч е с к ие ТНВД, насос-форсунки и индивидуальные ТНВД с электромагнитным клапаном Dr.-Ing, Ulrich Projahn; Dipl,-Ing, Nestor Rodriguez-Amaya; Dr. tech. Theodor Stipek Распылители и корпуса форсунок DipL-lng. Thomas Kiigler Магистрали высокого давления Kurt Sprenger Электронное управление работой дизельного двигателя и блок управления Dr.-Ing. Stefan Bedier; Dipl.-lng. Johannes Feger; Dipl.-lng. Lutz-Martin Fink; Dipl.-lng. Wolfram Gerwing; Dip!.-Ing. (BA) Klaus Grabmaier; Dipl,-Ing. Martin Grosser; Dipl,-Inform. Michael Hemzelmann; DipL-Math. techn. Bernd Illg; Dipl,-Ing. (FH) Joachim Kurz; DipL-Ing, Felix LandhauGer; Dipl.-lng. Rainer Mayer; DipL-Ing. Thomas Nickels, MAN Nutzfahrzeuge AG Dr, rer- nat Diet mar Ottenbacher; DipL-lng. (FH) Andreas Wemer; Dipl,-lng. Jens Wiesner Датчики DipL-lng, Joachim Berger Обмен данными между электронными системами Dr.-Ing, Michael Walther Исполнительные механизмы DipL-lng. Werner Pape Оборудование станций технического обслуживания Hans Binder; DipL-Ing, Rainer Rehage; Rolf Wdrner Эмиссия отработавших газов DipL-lng. Eberhard Schnaibel Dipl.-lng. (FH) Hermann Grieshaber Системы очистки ОГ Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes K, Schaller Законодательство по ОГ Dr.-Ing, Stefan Becher; Dr,-Ing, Michael Eggers Школа сервиса Bosch Gunter Haupt; Albert Lienbacher В подготовке киш и принимали участие и другие сотрудники фирмы Robert Bosch GmbH. Области применения дизельных двигателей Основные параметры Никакие другие двигатели внутреннего сгорания не применяются так широко, как дизели". Такая популярность объясняется, прежде всего, их высокой эффективностью и связанной с этим экономичностью. Наиболее важны следующие области пр имeiiei Iи я дизелей: *    стацио и арн ые силон ые а грегат ы; *    легковые и легкие грузовые автомобили; *    тяжелые грузовые автомобили; *    строительная и сельскохозяйственная техника; *    тепловозы; *    суда. Дизели имеют рядную или V-образ-ную компоновку. Они очень хорошо сочетаются с системами наддува воздуха, так как* в отличие от бензинового двигателя, здесь не возникает детонации (см. главу «Система подачи воздуха»). 1 Названы по имени Рудольфа Дизепя (1858-1913). который в 1В92 г. полечил свой первый патент на -новый рациональный тепловой двигатель*. Тем не менее потребовалось провести много экспериментов, прежде чем □ 1S97 г. в Аугсбурге устойчиво заработал первый дизель.
При использовании дизеля имеют значение следующие основные параметры: *    мощность двигателя; *    удельная мощность; *    безопасность и надежность эксплуатации; *    эксплуатационные расходы; *    экономичность в эксплуатации; *    совместимость с окружающей средой; *    комфорт; *    удобство компоновки в силовом отсеке. Конструкции дизелей меняются в зависимости от области их применения. Применение Стационарные силовые агрегаты Стационарные силовые агрегаты (например, для дизель-генераторов) в основном работают с фиксированной частотой вращения коленчатого вала. Двигатель и система питания в этом случае должны быть оптимально согласованы дли работы в постоянном режиме. Дизель для легкового автомобиля, оснащенный системой насос форсунок ^пример) 1.    Привод клепаное 2,    Hatoc-форсун ка 3.    Поршень с пальцем и шатуном 4,    Охладитель маддч вечного воздуха 5,    Нзсос системы охлаждения 6.    Цилиндр

|24С
* 1СЮ0 2000 3000 4000 мнН’1 Частота вращения коленчатого вала п
Регулятор частоты вращения коленчатого вала изменяет величину подачи топлива в зависимости от требуемой нагрузки, Чаще всего на стационарных агрегатах используется аппаратура впрыска топлива с механическим регулятором* В кач ест к*4 ста ци пн л р н ы \ м п гут та к же применяться двигатели легковых и грузовых автомобилей. В этом случае регулятор должен быть настроен соответствующим образом. Легковые автомобили и легкие грузовики Двигателю легкового автомобиля особенно необходимы плавность работы и хорошая «эластичность»* т. е. способность развивать высокий крутящий момен т в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (рис. 1). В этой области больших успехов разработчики дизелей достигли как модернизацией самих двигателей „так и применением новых систем впрыска с электронным управлением. Таким образом, зависимости кривых мощности и крутящего момента в начале 90-х годов существенно изменились. Благодаря этому на легковых автомобилях используются быстроходные дизели с частотой вращения коленчатого вала до 5500 мим \ гамма которых простирается от 10-цилиндрового двигателя рабочим объемом 5000 см* для автомобилей высшего класса до 3-цилиндрового рабочим объемом 800 см' для малолитражных автомобилей. Сегодня дизели легковых автомобилей в Европе оснащаются только системами непосредственного впрыска топлива, так как расход горючею у них примерно на 15..20% меньше, чем у дизелей с разделенными камерами стран и я. Дизепь тяжелого грузового автомобиля, оснаще-чный системой Common fiaii (пример) 1,    Генератор 2.    Форсунка 3,    Аккумулятор топлива 4.    ТНВД 1000 1500 2000 2500 мин-1 Частота вращения коленчатого вала п
Эти агрегаты, почти повсеместно снабженные турбонагнетателями* развивают более высокий крутящий момент» чем аналогичные по рабочему объему бензиновые двигатели. Максимально возможная величина крутящего момента зависит в большинстве случаев от трансмиссии автомобиля и не определяется параметрами двигателя. Все более жесткие ограничения по нормам токсичности отработавших газов (ОГ) и постоянный рост мощности обусловили применение систем впрыска топлива сочень высоким рабочим давлением. Растущие ограничения содержания вредных веществ в ОГ требуют от разработчиков дизелей дальнейшего совершенство-вания конструкции, поэтому в будущем» особенно в области нейтрализации О П. следует ожидать новых изменений. Тяжелые грузовые автомобили Для тяжелых грузовых автомобилей прежде всего важна экономичность, поэтому здесь необходимо применять только дизели с системой непосредственного впрыска топлива (рис, 2), Частота вращения коленчатого вала этих двигателей достигает величины 3500 мин Ограничения норм токсичности ОГ для грузовых автомобилей также становятся все более жесткими. Это означает кяк кыгок и? требования к существующим системам впрыска, так и необходимость разработки новых систем очистки и нейтрализации ОГ. Строительная и сельскохозяйственная техника Б области строительных и сельскохозяйственных машин дизель давно нашел многообразное применение. При определении параметров этих моторов» кроме особенно высокого значения экономичности, разработчики обращают внимание на прочность» надежность и удобство обслуживания, Максимальная мощность и оптимизация шума здесь имеют меньшее значение, чем, например» на легковых автомобилях. На строительной и сельскохозяйственной технике используются дизели самой разнообразной мощности — от 3 кВт до величин, превышающих значения, характерные для тяжелых грузовых автомобилей. В строительных и сельскохозяйственных машинах по многих случаях jdvc еще применяются системы впрыска с механи- ЕГ Судовой дизель с индивидуальными ТНВД ческим регулятором, В отличие от других областей, где используются преимущественно двигатели жидкостного охлаждения, здесь широко распространена надежная и простая в эксплуатации система возду ш но го охлажден ия. Тепловозы Двигатели тепловозов конструктивно похожи на более крупные корабельные дизели, что обусловлено» в частности, длительным сроком их эксплуатации. Кроме того, они должны в крайнем случае работать на дизельном топливе худшего качества. Их типоразмеры охватывают область от больших дизелей грузовых автомобилей до средних судовых силовых агрегатов. Требования к судовым дизелям сильно различаются в зависимости от области применения. Имеются агрегаты высокой мощности» например для морских или спортивных катеров. В этом случае применяются четырехтактные среднеоборотные двигатели с частотой вращения коленчатого вала до 1500 мин , имеющие до 24 цилиндров (рис. 3). С другой стороны, большие двухтактные двигатели» имеющие вы-лышимичпииь» нахидят применение в условиях длительной эксплуатации. 1.    Нагнетатель воздуха 2.    Маковин а - мощность двигателя Ь - кривая сопротивления движению v - граница полной нагрузки
В1892 г. Рудольф Дизель (1858-1913) начал в Аугсбурге исследовательские работы, в основе которых лежала идея создания совершенно нового двигателя с воспламенением горючей смеси от сжатия, Через пять лет упорного труда, в 1897 г., был создан первый в мире действующий мотор такого типа, развивавший мощность 20 д. с. при 175 мин-1. Этот агрегат имел ряд преимуществ по сравнению с уже нашедшими распространение паровыми машинами и поршневыми двига* теля ми с воспламенением смеси от искры. Он расходовал заметно меньше относительно дешевого топлива и мог развивать значительно более высокую мощность. Изобретение Дизеля было быстро внедрено на судах и стационарных силовых агрегатах. Однако чем большее распространение находил дизельг тем более высокие требования предъявлялись к небольшим быстроходным двигателям с воспламенением топлива от сжатия. Самую большую проблему в создании высокооборотного дизеля представлял применявшийся в то время процесс подачи топлива, при котором оно вдувалось в камеру сгорания сжатым воздухом. Это ограничивало требуемое повышение частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, был необходим очень дорогой дополнительный компрессор, который не позволял уменьшить габариты и массу силового агрегата.
В конце 1922 г Роберт Бош решил замяться разработкой новой системы впрыска дизельного топлива. Уже в начале 1923 г. появилось более десяти различных проектов топливных насосов высокого давления (ТНВД). С середины 1923 г. проводились первые моторные испытания. Летом 1925 г. был наконец принят окончатель ный проект топливного насоса. В 1927 г. первые серийные ТНВД покинули завод в Штутгарте. Разработанная Бошем топливная аппаратура открыла перспективы широкого внедрения дизелей и позволила освоить новые области применения. В Германии, а затем и во всем мире стали очень популярными дизельные грузовики. Первым серийным легковым автомобилем с дизелем стал Mercedes-Benz 260D1936 г. (2580 см-1, 50 л. с.). Предвидение Рудольфа Дизеля сбылось. Этот ТНВД был создан й 1927 г. для опытном эксплуатации легкового автомобиля Stoewer. Двигатель рабочим объемам 2580 CMi; развивал мощность 27 л. с. (почти 20 кВт)
Эти большие низкооборотные дизели [п < 300 мин ') имеют нанвысший среди поршневых двигателей эффективный коэффициент полезного действия (КПД) — до 55%. В большинстве случаев они могут работать на недорогом мазуте, для чего, однако* ни борту судна требуется специальная подготовка топлива, В зависимости от качества его следует подогревать до высокой температуры (порядка !60аСК Только при таких условиях вязкость мазута уменьшается до значений, которые обеспечивают необходимую работу фильтров и насосов. На судах среднего водоизмещения часто применяются двигатели» которые, собственно, создавались для тяжелых грузовых автомобилей. В результате получается экономичный силовой агрегат» не требующий дополнительных затрат на разработку. При этом регулировки и настройки топливного оборудования должны быть изменены в соответствии с новыми условиями эксплуатации, Многотопливные дизели Для специального применения (например, использования на местности с нестабильной поставкой топлива или в военных целях) разрабатывались дизели, способные работать как на дизельном топливе, так и на бензине либо других альтернативных заменителях. К настоящему времени такие ди- яр л и утр а т и л и с r о т а кт у я п к н ос т кт п о -скольку они совершенно не укладываются в сегодняшние требования к эмиссии ОГ* а также не отличаются совершенными мощностными характеристиками. Сравнительные параметры Таблица 1 позволяет сравнить важнейшие параметры различных дизелей и бензи новых дви гател ей. У последних, оснащенных системами непосредственного впрыска топлива, среднее эффективное давление примерно на 10% больше, чем у приведенных в таблице двигателей со впрыском топлива во впускной трубопровод. При этом удельный расход горючего уменьшается на 25%. Степень сжатия у этих двигателей доходит до 13. Таблица 1 Sl Из среднего давле ИИЯ Р МОЖНО ВЫЧИСЛИТЬ удельный крутящий момент (Нм> по следующей формуле: СрайннТ&Льний ijpjMU’i -•-1-1 дн^с^лдй 4 бопщни.'ВДЫЧ до1*гогто/1ой Тип системы впрыска Т V р к х Е I 4! “ л fill ЭЕ i- ч с « С £ m f a n . j % ? Дизели Дпя легковых автомобилей: без наддува воздуха51 е наддувом воздуха* без наддува воздуха*' 220... 240 с наддувом воздуха4-5' Дли грузовых автомобилей без наддува воздуха4. с наддувом воздуха'” с наддувом воздуха^ Дпя строительной и сельскохозяйственной техники Дпя тепловозов 7 50... 1000 Судовые, 4-зактные 400.., 1500 Судовые, 2-тактные 160.,. 180 ! бензиновые двигатели Дпя легковых автомобилей; без наддува воздуха 4500... 7 500 с надувом воздуха 250. ..380 Для грузовых з&томобнлнзй 2500...5000 » Наименьший рас код топлива, 51 Двигатель с разделенным и камера ми сгораний. 41 Двигатель с системой непосредственного впрыска топлива. 51 Промежуточное о:*, лщждение наддувочного воздуха.
^ Аяиацион ные дизельные двигатели 20-м. - 30 * годов В 20-е — 30-е годы прошлого века предпринималось множество попыток адаптировать двух* и четырехтактные дизели для применения в авиации. Преимуществами дизелей наряду со сравнительно набольшим расходом топлива и низкой его стоимостью считались также меньшая пожароопасность и упрощенное обслуживание, связанное с отсутствием карбюраторов и системы зажигания. Применение воспламенения топлива от сжатия позволяло ожидать меньшую потерю мощности двигателя на больших высотах. При использовании бензиновых двигателей существовала опасность возникновения перебоев в искрообразова-нии. Основные проблемы при разработке авиационного дизеля заключались в его высокой механической и тепловой на гружен н ости, а также в сложности достижения стабильного качества горючей смеси на разных высотах. Самым удачным оказался авиационный двухтактный шестицилиндровый дизель junkers Jumo 205 с противоположно движущимися поршнями (см. рис.). После своего первого появления в 1933 г. он устанавливался на многих самолетах. Этот дизель, развивая взлетную мощность 645 кВт (880 л. с.,)г чаще всего применялся для перелетов на большие расстояния, например в Трансатлантической почтовой службе. В Двухтактный авиационный дизель Junlsers Jumo 205 С противоположно движущимися поршнями
Всего было изготовлено около 900 экземпляров этого надежного двигателя.
Система впрыска Jumo 206 для каждого цилиндра состояла из 2 секций топливного насоса и 2 форсунок, Давление впрыскивания составляло более 500 бар. Такая система впрыска во многом способствовала внедрению Jumo 205. С использованием этого опыта в 30-е годы началась разработка авиационного бензинового мотора с непосредственным впрыском топлива. На основе Jumo 205 в 1939 г. был создан двигатель Jumo 207 той же взлетной мощности, предназначенный для полетов на больших высотах. Благодаря турбонаддуву самолеты с этими моторами достигали высот до 14 ООО м. Вершиной технического развития авиационных дизелей стал созданный в начале 40-х годов экспериментальный 24-цилиндровый двигатель Jumo 224 с противоположно движущимися поршнями развивавший взлетную мощность 3330 кВт (4400 л. с,). В этом Х-обрэзном двигателе блоки цилиндров были расположены и форме креста, а поршни действовали на четыре коленчатых вала. Другие производители также создали ряд авиационных дизелей, которые, однако, так и не вышли из экспериментальной стадии. Позже интерес к авиационным дизелям уменьшился из-за совершенствования бензиновых двигателей вы со кой мощности с системами впрыска бензина, Дизель — это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от сжатия* Необходимый для процесса сгорания воадух сильно сжимается в камере сгорания, в результате чего в ней создается высокая температура. Под ее действием впрыскиваемое н камеру сгорания дизельное топливо воспламеняется и запасенная в нем химическая энергия преобразуется в цилиндре через теплоту в механическую работу, Основы работы дизельного двигателя
Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с высокоэффективным КПД (более 50% в крупных низко оборотных версиях). Связанные с этим низкий расход топлива и низкая токсичность О Г и уменьшенный предварительным впрыском шум придают этим силовым агрегатам большое значение. Дизель особенно адаптирован к наддуву воздуха, что не только повышает выходную мощность и коэффициент полезного действия, но иг кроме того» уменьшает содержание вредных веществ в ОГ и снижает шум сгорания. Для сокращения эмиссии NQX в легковых и грузовых автомобилях часть О Г возвращается во впускной тракт двигателя (рециркуляция ОГ), Чтобы получить еще более низкие выбросы NOx+ возвращаемые ОГ могут охлаждаться. Дизели работают как по двухтактному, так и по четырехтактному принципу. Сегодня на автомобилях использукжн преимущественно четырехтактные дизели. Принцип действия Дизельный двигатель может быть одно-или многоцилиндровым. При сгорании тошшвовоздушиой смеси в камере сгорания повышается давление, под действием которого поршень 3 (рис. 1) начинает возвратно-поступательное движение в цилиндре 5. Этот принцип действия дал мотору наименование «поршневой двигатель». Шатун 11 превращает возврат но-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала 14. Маховик 15 на коленчатом валу облегчает переход поршней через мертвые точки и сглаживает неравномерность вращения, возникающую из-за последовательного сгорания топливовоздушной смеси в отдельных цилиндрах. Чегырехцилиндровый дизель без вспомогательных агрегатов <сяеада|
1.    Распределитель НЫЙ БЕЛ 2.Клапан
3.    Поршень 4.    Система впрыска 5.    Цилиндр 6.    Система |>ецирн.у лйции ОГ 1. йпу^кмпй трубопровод 8,    Нагнетатель наздука |в данном случае — турбонагнетатель;' 9.    Бып>ч:кной колле ктрр 10.    Система охлаждения 11.    Шатун 12.    Система смазки 13.    Блон цилиндров 14.    Коленчатый вал 15.. Мама и ч а впуск D смятие q - рабочий ход <1 выпуск 1.    Впускной раелре делительный вел 2.    Форсунка 3.    йпугкнпй кгаялян 4.    Выпускной клапан 5.    Выемка в днище поршни 6.    Поршень 7.    Стенка цилиндра 8.    Шатун 9.    Коленчатый вал 10. Выпускной распре делительный вал а - угол поворота копенчашго вала й - диаметр цилиндра М - крутящий момент s - ход поршня V. - СИ&ЬвМ камеры сгорания ¥ь - рабочий D&bttM ВМТ - верхняя мереная точка поршня НМТ - нинчня-р мертвая точна поршня
Рабочий цикл четырёхтактного дизеля
НМТ
вт

Четырехтактный процесс В четырехтактном дизеле (рис. 2) клапаны механизма газораспределения управляют впуском воздуха и выпуском ОГ, Они открывают или закрывают впускные и выпускные каналы головки цилиндров, Каждый впускной и выпускной канал может иметь один, два или три клапана. Первый такт - впуск (а) поршень находящийся в верхней мертвой точке (ВМТ), движется вниз и увеличивает объем цилиндра. Дроссельная заслонка отсутствует, и воздух через открытый впускной клапан 3 поступает непосредственно в цилиндр, В нижней мертвой точке (НМТ) поршня объем цилиндра достигает своего максимального значения (V'h+VVh Второй такт - сжатие (Ь) Клапаны механизма газораспределения закрыты. Движущийся поршень сжимает заключенный в цилиндре воздух, который» сообразно степени сжатия (от 6 у больших двигателей до 24 у двигателей легковых автомобилей), нагревается до высокой температуры, максимально доходящей до 900°С В конце процесса сжатия форсунка впрыскивает топливо в разогретый воздух под высоким давлением (в настоящее время приблизительно до 2000 бар).
В ВМТ поршня объем цилиндра достигает минимального значения (объем камеры сгорания V ). Третий такт - рабочий ход (с) После задержки воспламенения (несколько градусов угла поворота коленчатого вала) начинается рабочий ход. Тонко распыленное дизельное топливо воспламеняется в сильно сжатом горячем воздухе в камере сгорания и сгорает. Вследствие этого заряд топливовоздушной смеси в цилиндре продолжает разогреваться дальше и давление в цилиндре поднимается еще выше. Освобожденная при сгорании энергия определяется ко-л и чество м в пр ысн у то го toi г л и на (качественное регулирование). Иод действием давления поршень движется вниз, при этом тепловая энергия преобразуется в к и нет i \ ческ ую. К рнвош ипно- шаг у н и ы й меха и изм преобраз у ет к и не ти ч еск ую энергию поршня и энергию вращения коленчатого вала. Четвертый такт - выпуск (d) Уже незадолго до НМТ поршня открывается выпускной клапан 4. Находящиеся под давлением горячие газы начинают выходить из цилиндра. Движущийся вверх поршень вытесняет остальные ОГ После двух оборотов коленчатого вала новый рабочий цикл начинается с такта впуска.

Кулачки впуска и выпуска распределительного вала служат для открытия и закрытия клапанов. У двигателей с одним распределительным валом движение от кулачков чаще всего передается на клапаны с помощью коромысел. Фазы газораспределения и ключ а ют к себя моменты открытия и закрытия клапанов по отношению к положению коленчатого кала (рис, 4)» поэтому они указываются в градусах угла поворота коленчатого вала. Распределительный вал приводится от коленчатого вала зубчатым ремнем» цепью или набором шестерен. При четырехтактном процессе рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому распределительный вал вращается с вдвое меньшей частотой* чем коленчатый, 11ередаточное отношение между коленчатым и распределительным валами составляет, таким образом, 2:1* При переходе от такта выпуска к такту впуска все клапаны некоторое время открыты одновременно — этот момент называется перекрытием клапанов. При этом оставшиеся в камере сгорания ОГ вытесняются свежим зарядом воздуха в выпускной коллектор* одновременно ох- ЛАЖДАЯ ЦШШПДр.
Диаграмма фаз газораспределения 4 - тактного дизел я
АО выпускной клапан открыт AS выпускной клапан закрыт ВВ - нача.гю сгорании Eb впускной клапан открыт Е$ впускной клапан закрыт EZ - момент начала впрыскивания СЭ перекрытие клапанов А выпускной клапан Е - впускной кпапан
Диаграмма повышения тнмперагуры при сжатии ВМТ Ход поршня НМТ Сжатие Зная рабочий объем Vh и объем камеры сгорания V. можно определить степень сжатия г:: Величина степени сжатия н двигателе оказывает решающее влияние на: •    процесс холодного пуска; •    развиваемый крутящий момент; •    расход топлива; •    шумность работы дизеля; •    эмиссию ОГ. В зависимости от конструкции двигателя и типа смесеобразования степень сжатия дизелей для легковых и грузовых автомобилей составляет £ = 16...24. Эта величина значительно выше, чем у бензинового мотора (с = 7..ЛЗ), Из-за ограниченных антидетонационных свойств бен-зина топливовозлушная смесь при высоком давлении сжатия в камере сгорания и возникающей при этом высокой температуре самовоспламенялась бы неконтролируемым образом. Воздух к дизелях сжимается до 30...50 бар в двигателях без наддува и до 70..Л50 бар в двигателях с наддувом. Температура при этом достигает 700,..900°С (рис. 3). Температура вое» пламенения для легковоспламеняющихся компонентов дизельного топлива составляет около 250°С, Мощность и крутящий момент Крутящий момент Шатун благодаря конфигурации колен-чат о го вала п ревращает возв рат н о - п о-ступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Таким образом, сила, с которой расширяющаяся смесь газов давит на поршень, создает и а кр и в о ш и пс к ру тя щ и й мо -мент. Развиваемы и четырехтактным двигателем крутящий момент М определяется уравнением: где Уи - рабочий объем двигателя,^ - среднее эффективное давление на поршень, л 3 Л 4159. Среднее эффективное давление у небольших дизелей с наддувом* применяемых на легковых автомобилях, достигает величины 8.,.22 бар. Для сравнения: бензин ов ы е д в и гател и хара ктери з у юте я уровнем среднего эффективного давления 7..J 1 бар. М а кс и ма л ь н ы и к руггя щи и м оме i \ т М|Ш> который может развить двигатель, и 1 Аределн fi к. я cl и кин l 1 р у к ц| it: л (не;! ич J1 * ной рабочего объема, наличием системы наддува воздуха и т. д.). Соответствие крутящего момента условиям дорожного движения обеспечивается в основном изменением расходов воздуха, топлива и качеством смесеобразования. Пример зависимости мощности и крутящего моглента от частоты вращения коленчатого вала для дизелей рабочим объемом 2,2 л дву* легковых автомобилей /'-fi.:-'--.;: а кривая мощности ь кривая крутящего момента 1.1968 г. выпуска 2.1998 г. выпуска Мим максимальный крутящий МО мент Р.,_ - номинальная мощность пм>и - номинальная частоте враще ния коленчатого вала
Крутящий момент возрастает с увеличением частоты п вращения коленчатого вала до максимальной величины крутящего момента ,W г (рис. 1), С да л к н ей 111 и м л о вы 11 и е м част оты вра -щення крутящий момент снова уменьшается . Модернизаци я л ни гателей на -п рак ле на на то* ч то б ы м а кс и м а л ь и ы й крутящий момент развивался при частотах вращения менее 2000 мин :, так как в этих границах расход топлива уменьшается, а езда становится более ко мф ортн о и бла г одаря ул уч ш ei г 11 ю динамики разгона. Мощность Развиваемая двигателем мощность Р(.работа, произведенная за определенное время) увеличивается с ростом крутящего момента М и частоты п вращения коленчатого вала: Р = 2 • л ■ и ■ М. На рис. 1а показано сравнение дизелей выпуска 1968 и 1998 годов с типичной зависимостью мощности от частоты вращения коленчатого нала. Мощность двигателя возрастает с увеличением частоты вращения до тех пор, пока не достигнет номинальной величины Р при иоми- 1ШМ *■ налы i он часто те и HOw., Ха рактер! ictxikji мощности и крутящего момента двигателя внут ре н него с гора ни я обус ла в л j i ва ют необходимые в эксплуатации параметры коробки передач. Из-за более низких номинальных частот вращения коленчатого вала дизели имеют более низкую литровую мощность (без наддува. — Ред.Х чем бензиновые двигатели. Современные дизели для легковых автомобилей поддерживают номинальную частоту вращения коленчатого вала в диапазоне 3500.., 5000 мин . В
4 ВМТ    НМТ Объ^м над поршнем
Рис. з W
^зознтроличе ■ стае сжатие изохорический подвод теппр изобарический подвод тепла изоэнтропиче-ское расширение иэокоричесний теплоотвод тёпло, уходящее при газообмене теплота сгорания при постоянном давлении теплота сгорания при постоянном объеме ■ теоретическая работа
Коэффициент полезного действия Рабочая диаграмма (p-V-диаграмма) Работа W дизеля является функцией давления и соответствующего изменения рабочего объема. Она изображается в виде рабочей диаграммы в координатах давления и объема (сокращенно p-V-диаграмма). Цикл Зайлигера Цикл Зайлигера (рис. 1) описывает идеальный термодинамический цикл и тем самым определяет теоретически достижимую работу дизеля. Целью совершенствования двигателя является максимальное приближение реального процесса к циклу Зайлигера, В этом идеальном цикле используются следующие допущения:
идеальный газ; постоянная теплоемкость; мгновенный подвод и отвод теплоты; отсутствие потерь на газообмен.
Термодинамический цикл Зайлигера для дизеля
V
Площадь в p-V-диаграмме соответствует теоретической работе W, которая производится в рабочем цикле. Б частности, протекают следующие процессы: Изоэ н троп и нес те сжат ие (1 -2) При изоэнтропическом сжатии (сжатие при постоянной энтропии, т е, без теплообмена) давление в цилиндре возрастает, в то время как объем уменьшается, Изохорический подвод теплоты (2-3) Смесь начинает гореть. При этом происходит подвод теплоты при постоянном объеме (изохора). Давление возрастает. Изобарический подвод теплоты (3-3*) Дальнейший подвод теплоты (qBp) происходит, когда поршень уже движется вниз (объем увеличивается), давление при этом остается постоянным (изобара). Изознтропическое расширение (3'—4) Поршень идет дальше к нижней мертвой точке. Теплообмена нет. Объем увеличивается, Изохорический отвод теплоты (4-1) П pjrl 1 лдиибмсмс UL i d, 1 ич nut 1 си ли О WDO-дится [qj. Эго происходит при постоянном объеме (бесконечно быстро и полно). Вместе с тем снова наступает исходное состояние и начинается новый рабочий цикл. Действительный никл Действительный цикл также может быть представлен в виде p-V-ди а граммы (индикаторная диаграмма» рис* 2). Индикаторная работа — это плошадь внутри верхней кривой (WM). К ней у двигателей с наддувом необходимо добавить площадь газообмена (WJ* так как сжатый нагнетателем воздух давит на поршень в направлении его НМТ. Часто находит применение и отображение давления по углу поворота коленчатого вала (рис. 3).
Действительный цикл работы дизеля с наддувом воздуха на индикаторной р-^-диаграмме (зарегистрировано датчиком давлений) АО - аы пуснной клапан открыт AS - выпускной клапан закрыт ВВ начало сгорания ЕО впускной клапан открыт ES - впускной клапан закрыт ри - давление окружающей ВМТ Объем над поршнем
СРЕДЫ pL - давление наддува воздуаа рг - максимальное давлениен цилиндре Ve - объем камеры сжатий Vj. - рабочий ойъем Ww - полезная рыбо^ W,, - работа газообмена (при наддуве воздуха i В Протекание кривой давления в цилиндре дизеля с наддувом воздуха, в координатах «давление — угол поворота коленчатого вдлв> (р-а-диаграмма) Угол поворота коленчатого вала 180е    360°    540*    720' Рис, 3
АО - выпускной клапан открыт AS - выпускной клапан закрыт 08 - начале сго-рани-и ЕО - впускной клапан открыт ES впускной кла<пан закрыт р„ - давление окружающей среды рл максимальное давление в цилиндре ЕО
Коэффициент полезного действия Эффективный КПД дизеля определяется следующим образом: где IV - эффективная работа на махови-ке двигателя, VVH - энергосодержание вп р ыск и ваемого то пли ва. Этот общий КПД может быть определен как произведение отдельных КПД (рис, 4), которыми описываются все потери: V. = % ’ % ’ Теоретический КПД qlb ?/lh является теоретическим КПД цикла Зайлигера и описывает теоретическую работу, отнесенную к теплотворной способности топлива, которая у дизеля составляет 42,5 МДж/кг. Уже указывались граничные условия этого идеального цикла: •    идеальный газ; *    постоянная теплоемкость; •    бесконечно быстрый подвод и отвод теплоты; *    отсутствие потерь на газообмен. Относительный КПД дейишикзлыил и цикле! и выииким давлением КПД f]Q описывает отношение реально замеряемой работы в цилиндре (индикаторный цикл), совершаемой в результате создання давления в цилиндре* к работе теоретического цикла (рис. 2). Этот КПД включает потерн теплоты и потери на га Дизели онень сильно различаются по размерам и области применение. Отсюда следуют различия в их эффентивгюсти. Наи больший КПД достига ется большими тихо годными дизелями ?7(, - теоретичесний КПД (изменяется в зависимо сти от степени сжатия г и ноэф фициента избыт ка воздуха к) - относительный КПД дейстеи тельного цикла с высоним давлением ут, - механический КПД
В
Диаграмма потерь и полезной работы автомобильного дизеля при полной нагрузке
Полезная работа1 30-„45% /;т=75...90% /7В=75.. .81}% ^7№*5О...60% зообмен. Граничными условиями являются: •    реальный газ; •    тепловые потери; •    конечная скорость подвода и отвода теплоты; •    переменная теплоемкость. Все параметры смесеобразования сильно влияют на процесс сгорания и, таким образом» на его совершенство. Механический КПД ifm Механический КПД учитывает механические потери на трение, включая потери на привод вспомогательных агрегатов, относительно индикаторного цикла. Он,таким образом, отражает картину работы реального двигателя. Трение и потерн на привод агрегатов возрастают с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Потери при номинальной частоте вращения коленчатого вала состоят из потерь на трение: •    поршней и поршневых колец (около 50%); •    в подшипниках (около 20%); •    в насосе системы смазки (около 10%); •    в насосе системы охлаждения (около 5%); •    в приводе клапанов (около шчь), •    в насосах системы питания (около 5%). К этому также необходимо добавить потери на привод механического нагнетателя, вентилятора, генератора и прочего навесного оборудования. Сравнение дизельного и бензинового двигателей Более высокий эффективный КПД дизеля по сравнению с обычным бензиновым двигателем вызван следующими причинами: •    более высокая степень сжатия (соответственно большая площадь индикаторной диаграммы); •    высокий коэффициент избытка воздуха (с возможностью гетерогенного внутреннего смесеобразования); •    отсутствие дроссельной заслонки — т. е. отсутствие потерь на дросселирование в режиме частичных нагрузок. Режимы работы Пуск двигателя охватывает следующие 11 ро I j,ec с ы: г I ро к ру ч и н а н ие с тартером кривошипно-шатунного механизма, воспламенение смеси it цилиндрах и увеличение оборотов коленчатого валя до режима холостого хода. Разогретый в ходе с жат 11 я воздух до л же н вое п л а мен и т ь впрыснутое топливо (начало сгорания). Необходимая для воспламенения дизельного топлива минимальная температура составляет около 250°С. Эта температура должна гарантироваться с необходимой надежностью при н из ко й ч а стоте вра щен ия колен ч ато го вала» низких температурах окружающей среды и низкой температуре охлаждающей жидкости (холодный двигатель). Чаще всего быстрый пуск дизеля ос-лож ня ется н ижепере ч и слен и ым и при чинами, * Чем ниже частота вращения коленчатого вала, тем ниже конечное давление сжатия и соответственно конечная температура (рис, П. Причинами этого являются утечки заряда, которые происходят в зазорах поршневых колец между поршнем и стен-шй цшшндр» а нпчже из-за еще не обра зов а вшей ся первой ач ал ьной масляной пленки. Из-за потери тепла во время сжатия максимум температуры сжатия приходится на угол за несколько градусов до ВМТ (угол термодинамических потерь, рис. 2). *    На холодном двигателе происходят л н л ч и тел h н hie потерн тепля ня такте сжатия* У двигателей с разделенными камерами сгорания эти потери особенно высоки из-за большей поверхности камер сгорания, *    Из-за увеличенной вязкости моторного масла при низкой температуре пуск осложняется повышенным механическим трением н кри-к охв I и п но-1 пату н и ом меха ! i j гзм е, *    Частота вращения вала стартера особенно снижается из-за падающего на холоде напряжения аккумуляторной батареи. *    При низких температурах в неподготовленном к зимним условиям эксплуатации топливе может криста лл и зов ать ся i гарафи н, Чтобы компенсировать эти проблемы, желательно предпринять некоторые действия. Решение проблем с топливом При пимощи пидшрева филы ра или непосредственно самого топлива (с 24, рис, 3) Зависимость давления и температуры окончания сжатий от частоты вращении колончатого вала
Зависимость текущей температуры сжатия от угла поворота коленчатого нала £ 100 100” 80* 60* 40° 20* ШТ Угол поворота коленчатого вала до ВМТ
Двигатель: 6-цилиндровый дизель гргузовога автомобиля с системой влрысна Common Rail. Режим эксплуатации: л *1-400 об/мин--, нагрузка — 50 %. Изменение- продолжительности впрыскиваний а дайнам случае производится путем изменений давлений впрыскивания.
t9 - температура окружающей среды (г - температура воспламенений дизельного топлива ат угол термодика мически* потерь и« 200 мин-- можно решить проблему образования к ристал лов j I ара фи на. Кроме того, нефтяная промышленность выпускает топливо, предназначенное для использования в условиях холодного времени года. При использовании такого «ЗИМНЕГО» ТПП.ПИЛЯ НГЧ Н№бхОрМОС1И добавлять в него керосин, обычный бензин или специальные добавки (см. главу «Дизельное топливо»). Системы пред пуск ного подогрева При непосредственном впрыске топлива облегчение пуска дизеля частично достигается подогревом воздуха во впускном тракте (грузовые автомобили) или применением свечей накаливания (легковые автомобили), У двигателей с разделенными камерами сгорания в предварительных и вихревых камерах применяются исключительно свечи накаливания. Во всех случаях облегчаются испарение топлива и подготовка рабочей смеси, а также обеспечивается надежное ее воспламенение. Исправные свечи накаливания требуют нескольких секунд п р ед ва ри тел ь но го и а гре в а „ ч то делает возможным быстрый пуск (рис, 4) дизеля. Кроме того, последнее поколение свечей накаливания имеет более низкую температуру нагретого состояния, что позволяет им дольше сохранять эту температуру. Это снижает как уровень эмиссии О Г* так и уровень шума работы прогретого двигателя. Материал спирали свечей: 1г Николь (саеча нанв л*ивания S RSK) 2. Железо кобальтовый еллав (свеча накапиаания GSK2 второго поколения)
1,    Топливный бак 2,    Устройство для подог рейв топлива 3,    Топливный фильтр 4,    Топливный насос высокого давления (ТНВД)
Изменение параметров впрыскивания Одним из условий облегчения пуска является увеличение стартовой цикловой подачи топлива для компенсации потерь на конденсацию и утечки, а также д л я п о в ы ш евин кру тя ще го м о м е и т а двигателя в прогретом состоянии. Другим условием является установка раннего момента начала впрыскивания для компенсации задержки воспламенения и обеспечения воспламенения в области ВМТ поршня, т, е. при наибольшей температуре конца сжатия. Оптимальный момент начала впрыскивания по возможности необходимо устанавливать с максимальной точностью. Слишком рано впрыснутое топливо осаждается на холодных стенках цилиндра, Из этого количества испаряется лишь малая доля» так как температура заряда воздуха еще слишком низка, |П|Х>те*ание па вымени кривых температурь) двухенеч^й накали нання ® неподвижном воздухе Время f При слишком позднем впрыскивании топлива воспламенение происходит на такте расширения, и поршень приобретает слишком малое ускорение. Для наи лучшего распыли ван и я топлива и распределения его по камере сгорания система впрыска должна обеспечить соответствующую дисперсность распиливания для быстрого и качественного смесеобразования (см. также главу «Основы д из ель н ого в «1 ры ски ван и я »). Нулевая нагрузка Нулевой нагрузкой называют все рабочие режимы двигателя, при которых он преодолевает только свое внутреннее трение и не развивает никакого крутящего момента, В этом случае педаль подачи топлива (в дальнейшем будет использоваться. более употребимый термин «педаль газа») может занимать любое положение. Возможна также любая частота вращения коленчатого вала* вплоть до срабатывания ограничителя частоты вращения. Холостой ход Холостым ходом называют режим с минимальной частотой вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке. Педаль газа в данном случае находится к свободном состоянии. Двигатель не развивает никакого крутящего момента» преодолевая лишь внутреннее трение. В некоторых изданиях вся область с нулевой нагрузкой называется областью холостого хода. Наивысшая частота вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке (г. е. частота» ограничиваемая регулятором) называется максимальной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу. Полная нагрузка При полной нагрузке педаль газа полностью нажата или регулятор работает самостоятельно, ограничивая максимальное количество подаваемого топлива. Двигатель в стационарном режиме работы развивает максимально возможный крутящий момент. При нестационарном режиме (с ограничением давления надцува) дизель в зависимости от имеющегося в наличии воздуха выдает максимально возможный (более низкий по сравнению со стационарным режимом) крутящий момент полной нагрузки. Доступен весь диапазон частоты вращения — от холостого хода до номинального значения. Частичная нагрузка Частичная нагрузка охватывает все области между нулевой и полной нагрузками. Двигатель выдает крутящий момент между нулевым значением и максимально возможн ыми в ели чинами. Частичная нагрузка в режиме холостого хода В этом особенном случае регулятор поддерживает частоту вращения холостого хода. Двигатель развивает крутящий момент, величина которого может доходить до значения полной нагрузки. Нижняя область частичных нагрузок В данном рабочем диапазоне величины расхода топлива особенно благоприятны по сравнению с бензиновым двигателем. Стук, который отмечался на более ранних моделях, особенно на холодном двигателе» у дизелей с предварительным впрыском топлива практически отсутствует. Конечная температура сжатия — как описано в разделе «I Гуск> — при низкой частоте вращения коленчатого вала и небольшой нагрузке сравнительно мала. По сравнению с режимом полной нагрузки камера сгорании относительно холодная (даже на прогретом двигателе), так как тепловыделение и вместе с этим повышение температуры невелики. Разогрев камеры сгорания происходит медленно. Особенно это касается дизелей с вихревой камерон и с разделенным и камерами сгорания, так как к лтнх случаях потери тепла особенно велики из-за большой поверхности теплоотвода. При небольшой нагрузке и предварительном впрыскивании топлива за один цикл в камеру сгорания подается несколько кубических миллиметров топлива, В этом случае особенно высоки требования к точности задания момента начала впрыскивания. Так же, как и при пуске, наибольшая температура сгорания в режиме холостого хода возникает только вблизи ВМТ поршня. Момент начала впрыскивания должен определяться очень точно. Во время фазы задержки воспламенения следует впрыскивать лишь небольшую часть цикловой подачи, так как мае-са топлива, находящегося в камере сгорания к моменту воспламенения» определяет скорость повышения давления в цилиндре. Шум сгорания непосредственно зависит от степени повышения давления. Чем она выше, тем отчетливее проявляется шум. Предварительный впрыск около 1 мм- топлива сводит задержку вое п л а м с нения ос нов н о й дол и ц и к л он ой подачи практически к нулю и тем самым существенно уменьшает шум сгорания (см. главу «Основы дизельного впрыскивания»). Принудительный холостой ход В прин удI !тель но м режи ме дыггатель приводится трансмиссией (например, при движении под уклон). Стационарный режим Развиваемый двигателем крутящий момент соответствует требуемому. Частота вращения коленчатого вала остается неизменной. Нестационарный режим Развиваем ы й двигателем к р утя щ j гй м о -мент не соответствует требуемому. Частота вращения коленчатого вала изменяется. Переход между режимами Работа двигателя может описываться полями характеристик. Если изменяются, например, нагрузка, частота вращения коленчатого вала или положение педали газа, двигатель изменяет свое рабочее состояние (например, частоту вращения коленчатого вала, крутящий момент и т.д.). Поле характеристик на рис. 5 показывает пример того, как изменяется частота вращения, если усилие нажатия педали газа изменяется с 40% до 70%.
<<< Предыдущая страница  1  2  3    Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я