Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Управление работой дизельного двигателя

В дизельном двигателе топливо всегда впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под давлением от 200 до 2200 бар. В зависимости от конструкции, в двигателях с непрямым впрыском топливо впрыскивается в форкамеру под относительно низким дав­лением (менее 350 бар). В системах прямого впрыска топлива, получивших наибольшее распространение, топливо впрыскивается в неразделенную камеру сгорания под высо­ким давлением (до более чем 2200 бар). Вот о том, как происходит управление работой дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

Управление работой дизельного двигателя

Конструктивные требования к работе дизельного двигателя

Вырабатываемая дизельным двигателем мощ­ность Р определяется крутящим моментом на коленчатом вале, передаваемым сцеплению, и частотой вращения коленчатого вала. Кру­тящий момент на коленчатом вале равняется крутящему моменту, создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, газообмен и привод вспомо­гательных агрегатов. Крутящий момент созда­ется в процессе силового цикла, и при наличии достаточного количества воздуха определятся следующими переменными: массой пода­ваемого топлива, моментом начала сгорания топлива, определяемым началом впрыска, и процессами впрыска и сгорания топлива.

Кроме того, максимальный, зависящий от частоты вращения коленчатого вала кру­тящий момент ограничен требованиями к ограничению дымности выхлопа, давлением в цилиндрах, тепловой нагрузкой различных компонентов и величиной механической на­грузки всей кинематической цепи привода.

Основная функция системы управления дизельным двигателем

Основной функцией системы управления дви­гателем является регулирование создаваемого двигателем крутящего момента или, при некото­рых условиях, регулирование частоты вращения коленчатого вала в пределах допустимого диа­пазона (например, оборотов холостого хода).

В дизельном двигателе очистка отработав­ших газов и подавление шума осуществляются в значительной степени внутри самого двига­теля, т.е. путем управления процессом сгорания топлива. Это, в свою очередь, осуществляется системой управления двигателем посредством управления следующими переменными:

• Заряд смеси в цилиндре;
• Объем заряда смеси, подаваемого во время такта впуска;
• Состав заряда смеси (рециркуляция отра­ботавших газов);
• Движение заряда (завихрения на впуске);
• Момент начала впрыска;
• Давление впрыска;
• Распределение впрыска топлива (напри­мер, предварительный впрыск, разделен­ный впрыск топлива и т.д.).

До начала 1980-х годов управление впры­ском топлива и зажиганием осуществлялось исключительно при помощи механических устройств. Например, в топливном насосе вы­сокого давления количество подаваемого то­плива регулируется в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала путем поворота плунжера насоса, имею­щего спиральную канавку. В случае механиче­ского регулирования начало впрыска/подачи топлива регулируется при помощи центробеж­ного регулятора (зависимого от скорости вра­щения). Также применялись гидравлические системы регулирования, в которых количество топлива менялось посредством регулирова­ния давления в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.

Точность регулирования

В настоящее время, в связи со строгими требованиями законодательства в отношении ограничения токсичности выбросов, требуется очень точное регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска в зависимости от таких переменных, как темпе­ратура, частота вращения коленчатого вала, на­грузка и высота над уровнем моря. Это может быть обеспечено только при помощи электрон­ных систем управления. Сегодня электронные системы управления полностью вытеснили механические. Это единственный метод управ­ления, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг функций системы впрыска топлива, влияющих на содержание вредных веществ в выбросах автомобиля. В некоторых случаях законодательство требует также нали­чия системы бортовой диагностики.

Регулирование количества впрыскиваемого топлива и момента начала впрыска осуществля­ется системами EDC (электронная система управ­ления дизельным двигателем) при помощи электромагнитных клапанов высокого или низкого давления, или иных исполнительных устройств. Регулирование подачи топлива, т.е. количества топлива на один градус поворота коленчатого вала, может осуществляться косвенным образом, например, при помощи сервоклапана и регулиро­вания величины подъема игольчатого клапана.

Электронная система управления дизельным двигателем

Электронная система управления дизель­ным двигателем позволяет осуществлять точную и дифференцированную модуляцию параметров процесса впрыска топлива. Это единственный способ удовлетворить самые разные требования, предъявляемые к совре­менному дизельному двигателю.

Обзор электронной системы управления дизельным двигателем

Конструктивные требования

Снижение расхода топлива и содержания вред­ных веществ (NO_x, СО, НС, твердых частиц) в отработавших газах с одновременным повы­шением эффективной мощности двигателя являются главными задачами, стоящими перед разработчиками дизельных двигателей. За по­следние годы это привело ко все большему рас­пространению систем прямого впрыска топлива (DI), в которых давление впрыска значительно больше, чем в системах непрямого впрыска (IDI) с вихрекамерами или форкамерами. Кроме того, большое влияние оказывают возросшие требования к уровню комфорта современных автомобилей. Все более строгие требования предъявляются к уровню шума. В результате также значительно возросли требования, предъ­являемые к системам управления двигателем и впрыска топлива, в частности в отношении:

• Высоких давлений впрыска;
• Формирования параметров;
• Предварительного и, при необходимости, последующего впрыска топлива;
• Регулирования количества впрыскивае­мого топлива, давления наддувочного воз­духа и момента начала впрыска, в зависи­мости от условий работы двигателя;
• Подачи дополнительного, зависимого от температуры, количества топлива при пу­ске двигателя;
• Независимого от нагрузки регулирования частоты вращения коленчатого вала при работе двигателя на холостом ходу;
• Регулируемой рециркуляции отработав­ших газов;
• Системы круиз-контроля;
• Высокой точности регулирования момента начала впрыска топлива и количества впрыскиваемого топлива на протяжении всего срока службы двигателя.

В обычных механических системах регули­рования частоты вращения коленчатого вала используется ряд регулирующих устройств, назначением которых является адаптация к различным условиям работы двигателя. Тем не менее, такие системы ограничиваются простым контуром регулирования, и существует ряд важ­ных переменных величин, которых они не могут учитывать или не могут достаточно быстро реа­гировать на их изменения. В связи с возросшими требованиями, относительно простые системы управления с использованием электрических исполнительных устройств развились в слож­ные электронные системы управления двигате­лем, способные обрабатывать большие объемы данных в режиме реального времени. Они могут составлять часть общей электронной системы управления автомобилем. Благодаря возросшей степени интеграции электронных компонентов, блоки управления чрезвычайно компактны.

Принципы действия системы ЕДС на дизельном двигателе

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) способна обеспечивать вы­полнение всех вышеуказанных требований, благодаря применению микропроцессоров.

В отличие от автомобилей с дизельными двигателями с обычным рядным или распреде­лительным топливным насосом высокого дав­ления, водитель автомобиля с EDC не оказывает прямого влияния на количество впрыскивае­мого топлива при помощи педали акселератора и троса управления дроссельной заслонкой. Вместо этого количество впрыскиваемого то­плива определяется рядом переменных величин. Это, например, команды водителя (положение педали подачи топлива), условия работы дви­гателя, температура двигателя, вмешательства других систем (например, системы управления тяговым усилием) и состав отработавших газов.

Момент начала впрыска также может регулиро­ваться. Все это требует наличия всеобъемлющей концепции системы мониторинга, определяющей несоответствия и инициирующей соответствую­щие действия (например, ограничение крутящего момента или переход на аварийный режим в диапазоне оборотов холостого хода). Отсюда следует, что электронная система управления ди­зельным двигателем должна содержать большое количество контуров регулирования.

Электронная система управления дизель­ным двигателем может осуществлять обмен данными с другими электронными системами, такими как система регулирования тягового усилия (TCS), электронная система управле­ния трансмиссией (ЕТС) или система курсо­вой устойчивости (ESP). Отсюда следует, что система управления двигателем может быть встроена в общую систему управления авто­мобилем, приобретая новые функции, такие как снижение крутящего момента двигателя во время переключения передач автоматической трансмиссией или регулирование крутящего момента для компенсации пробуксовки колес.

Система EDC полностью интегрирована в си­стему диагностики автомобиля. Она отвечает всем требованиям OBD (система бортовой диа­гностики) и E0BD (европейские нормы OBD).

Блоки системы управления дизельным двигателем

Электронная система управления дизельным двигателем (EDC) разделена на три блока (см. рис. «Компоненты электронной системы управления дизельным двигателем (EDC)» ).

Датчики и генераторы управляющих сигна­лов определяют условия работы двигателя (на­пример, частоту вращения коленчатого вала) и значения управляющих сигналов (например, по­ложение выключателей). Они преобразуют фи­зические переменные в электрические сигналы.

Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и генераторов управляю­щих сигналов в соответствии с заложенными в нем алгоритмами вычислений (алгоритмами управления с обратной связью и без обрат­ной связи). Посредством электрических вы­ходных сигналов он осуществляет управление исполнительными механизмами. Кроме того, блок управления двигателем действует в ка­честве интерфейса с другими системами и с системой диагностики автомобиля.

Исполнительные механизмы (такие как электромагнитный клапан системы впрыска топлива) преобразуют электрические сиг­налы в механические параметры.

Обработка данных

Основная функция электронной системы управ­ления дизельным двигателем (EDC) — регули­рование количества впрыскиваемого топлива, момента начала впрыска и продолжительности впрыска. Система впрыска топлива с общей топливной магистралью также регулирует дав­ление топлива. Кроме того, блок управления дви­гателем осуществляет управление большим ко­личеством других исполнительных механизмов.

Для эффективной работы всех компонентов функции системы EDC на дизельном двигателе должны быть точно со­гласованы с каждым автомобилем и каждым двигателем. Это единственный способ оптими­зировать взаимодействие компонентов (см. рис. «Основные последовательности функционирования элементов электронной системы управления дизельным двигателем» ). Блок управления двигателем обрабатывает сигналы датчиков и ограничивает их до допусти­мого уровня напряжения. Некоторые входные сигналы также проверяются на предмет досто­верности. Используя эти входные данные и хра­нящиеся в памяти программы, микропроцессор вычисляет момент и продолжительность впры­ска топлива. Затем эта информация преобразуется в сигналы, согласованные с положениями поршней цилиндров двигателя. Эта программа вычислений имеет название «программное обеспечение блока управления».

Необходимая большая точность вместе с вы­сокими динамическими качествами двигателя требуют высокой вычислительной мощности. Выходные сигналы подаются на выходные каскады, обеспечивающие достаточную элек­трическую мощность для приведения в дей­ствие исполнительных механизмов (например, клапанов высокого давления системы впрыска топлива, клапана системы рециркуляции от­работавших газов или регулятора давления наддува). Кроме того, система осуществляет управление рядом вспомогательных компо­нентов (например, реле свечей накаливания и системой кондиционирования воздуха).

Отклонения характеристик сигналов опреде­ляются системой диагностики электромагнит­ных клапанов. Кроме того, блок управления осуществляет обмен сигналами и другими си­стемами автомобиля через соответствующие интерфейсы. Блок управления двигателем производит мониторинг всей системы впрыска топлива, являющийся частью общей стратегии обеспечения безопасности.

Дизельный двигатель: устройство, принцип работы

Вторым по популярности двигателей внутреннего сгорания является дизельный двигатель, который раньше устанавливался только на грузовые машины. КПД дизеля больше, чем у самого распространенного ДВС — бензинового. При более высоком коэффициенте полезного действия, дизель расходует топлива намного меньше. Такие преимущества инженеры-конструкторы автомобильной промышленности смогли сделать за счет уникальной конструкции.

История создания дизельного двигателя

Двигатели внутреннего сгорания бензинового типа постоянно модифицируются. Конструкторы добиваются улучшения эксплуатационных технических характеристик. Даже с новым прямым впрыском бензиновый ДВС выдает 30% КПД, а дизельный ДВС без турбонаддвува выдает 40% КПД, с турбонаддувом — около 50%.

Поэтому дизельные моторы становятся все более популярными и в Европе, и, вообще, по миру. Бензин дорожает чаще, чем дизтопливо. Все больше людей перед покупкой автомобиля оценивают, какой расход у этого авто. Основной существенный минус дизельных моторов — это большие габариты и большой вес. Поэтому они устанавливались только на грузовики.

Изготовление и обслуживание диз двигателя сложнее, потому что конструкция должна быть такой, чтобы все детали были сделаны с высокой точностью.

История создания

Дизельный двигатель, он же дизель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива, распыляющегося сжатым и горячим воздухом. До конца 20 века такой тип ДВС устанавливался на корабли, тепловозы, автобусы, грузовые машины, трактора. С конца 20 века после успешных испытаний начал массово устанавливаться на легковые авто.

По информации из википедии, в 1824 году Сади Карно придумал и сформулировал идею цикла Карно, суть которого заключалось возможности доводить топливо до температуры самовоспламенения резким сжатием.

Спустя 66 лет, Рудольф Дизель в 1890 году предложил реализовать эту идею на практике. 23 февраля 1892 года получил патент (разрешение) на свой двигатель, а в на следующий год выпустил брошюру по своего агрегату. Он запатентовал несколько вариантов.

Успешное испытание дизель-мотора удалось сделать только 28 января 1987 года (до этого попытки были неудачными). После этого Р.Дизель начал продавать лицензии на свое изобретение.Хоть и КПД, и удобство использования нового двигателя было на высоко уровне по сравнению с паровыми агрегатами, новые дизель-устройства были большими по габаритам и тяжелыми (они были больше и тяжелее паровых машин тех времен).

Первоначальной задумкой было то, что топливом должна была быть каменноугольная пыль. Но после испытаний такого вида топлива, оказалось, что каменноугольная пыль очень быстро изнашивает детали двигателя из-за своих абразивных свойств и из-за золы, которая получалась в результате сгорания этой пыли.

Далее, в качестве топлива было использовалось растительное масло и легкие нефтепродукты. Именно на этих видах топлива, испытания ДВС Дизеля прошли успешно.

Инженер Экрой Стюард построил в 1896 году работающий двигатель — полудизель. В этой варианте конструкции ДВС было решено, чтобы воздух втягивался в цилиндр, после чего сжимался поршнем и нагнетался в конце такта сжатия в емкость, в которую распылялось топливо. Чтобы запустить такой мотор, емкость нагревалась лампой снаружи и после запуска двигатель работал сам. Экрой Стюард экспериментировал со сжатием топлива и воздуха в цилиндре. Он хотел исключить свечи зажигания.

Русские в изобретениях не отставали. Вне зависимости от успехов создания ДВС Дизелем, в 1989 году в Петербурге на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер придумал и создал первый в мире бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления, то есть это был двигатель с форкамерой (форкамера — это предварительная камера сгорания, которая по объему составляет 30% от общего объема камеры сгорания). Такой двигатель получил название «Тринклер-мотор».

После сравнения немецкого варианта Дизель-мотора и русского Тринклер-мотора, русский вариант оказался более эффективным. В Тринклер-моторе использовалась гидросистема для нагнетания и распыления топлива — это позволило отказаться от установки дополнительного воздушного компрессора и позволило увеличить число оборотов вала двигателя. В русском варианте в конструкции двигателя не устанавливался воздушный компрессор. Тепло подводилось медленно и дольше, по сравнению с немецким мотором Рудольфа Дизеля. Тринклер-мотор был проще и эффективнее. Но, теми, у кого были лицензии на Дизель-двигатели Рудольфа и Нобелями были вставлены «палки в колеса», чтобы остановить распространение конкурентного варианта мотора. В 1902 году работы по созданию Тринклер-мотора были остановлены.

В 1989 году Эммануил Нобель получил лицензию на двигатель Рудольфа Дизеля. Двигатель был доработан и теперь он мог работать на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель», расположенный в Петербурге, начал массовый выпуск таких моторов. В 1900 году в Париже на Всемирной выставке дизельный ДВС получил ГРАН-ПРИ. Перед Всемирной выставкой в Париже, появилась новость, что Нобелевский завод в Петербурге выпускает ДВС, которые работают на сырой нефти. Такой ДВС в Европе начали называть «Русский дизель». Русский инженер по фамилии Аршаулов первым сконструировал и внедрил в систему топливный насос высокого давления (ТНВД). Приводом для ТНВД служил сжимаемый поршнем воздух. ТНВД работал с бескомпрессроной форсункой.

В 20-е годы ХХ века, Роберт Бош доработал встроенный ТНВД. Это устройство используется и в наши дни. Бош также усовершенствовал бескомпрессорную форсунку.

С 50-60 годов 20 века дизельный моторы успешно устанавливаются на грузовые машины и автофургоны.

С 70-х годов из-за удорожания бензинового топлива, на дизельные моторы стали обращать внимание производители легковых автомобилей.

В настоящее время, почти каждая марка авто имеет модификацию с дизельным аппаратом под своим капотом.

Устройство системы дизельного двигателя

Основными элементами диз мотора являются:

• цилиндро-поршневая группа (цилиндры, поршни, шатуны);
• топливные форсунки;
• впускные и выпускные клапана;
• турбина;
• интеркулер.

Современный дизельный двигатель в разрезе

Принцип работы дизельного мотора

Основная особенность дизельного ДВС в том, что он воспламенение топливно-воздушной смеси в камерах сгорания происходит за счет сжатия и нагрева. Распыление диз топлива осуществляется через форсунки.

Подача солярки осуществляется только в момент, при котором воздух максимально сжат и имеет максимальную температуру.

Когда воздух горячий, дизельное топливо легко воспламеняется. Перед попаданием топлива в камеры сгорания цилиндров ДВС, оно проходит очищающие фильтры, которые очищают от механических примесей, которые быстро нанесли бы ущерб всему устройству.

Порядок работы дизельной системы:

1. 1. Воздух подается через впускной клапан при движении поршня вниз.
   2. Далее поршень поднимается вверх и сжимает воздух в 20 раз. Давление в этот момент составляет 40 килограмм на 1 сантиметр. Температура воздуха в этот момент достигает 500 градусов по Цельсию.
   3. Когда воздух сжат и нагрет, форсунки этого цилиндра впрыскивают и распыляют топливо. За счет очень сильно нагретого воздуха дизтопливо воспламеняется. Такой способ работы исключает присутствие в системе свечей зажигания. Также в дизельных агрегатах отсутствует система зажигания. Процесс самовоспламенения солярки с воздухом от свечи накаливания.

   Также, в устройстве нет дроссельной заслонки, благодаря чему обеспечивается большой крутящий момент. Но, число оборотов в это время находится на низком уровне.За один цикл работы дизеля форсунки могут подавать топливо несколько раз.

2. При воспламенении горючей смеси, взрывная волна толкает поршень вниз. Поршень, который соединен с коленвалом посредством шатуна и вращает коленвал.
3. Далее, от нижней мертвой точки (НМТ) поршень движется вверх и выталкивает отработанные газы через выпускные клапана.Такой процесс в работе двигателя называют циклом.

Дополнительные компоненты двигателя

Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, есть еще дополнительные детали и узлы, которые улучшают характеристики и работу ДВС.

Принцип работы турбины

Турбина — это устройство, которое создает дополнительного нагнетание топлива. Двигатель с турбиной имеет большую производительность.

Идея создания турбины появилась при обнаружении такого факта, что при движении поршня вверх, солярка не успевает полностью сгорать.

С помощью турбины, сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего уменьшается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

• подшипники — служит опорой дает возможность вращаться валу;
• кожух на турбине;
• кожух на компрессоре;
• стальная сетка.

Цикл работы турбонаддува:

1. Компрессор создает вакуум и всасывается воздух внутрь системы.
2. Ротор турбины передает вращение ротору.
3. Интеркулер охлаждает воздух.
4. Через впускной коллектор осуществляется подача воздуха, предварительно воздух проходит степени очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха, впускной клапан закрывается.
5. Отработанные газы движутся через турбину ДВС и создают давление на ротор.
6. В этот момент скорость вращения турбины вала турбины очень высока, достигает 1500 оборотов в секунду. От этого начинает вращаться ротор компрессора.

Цикл далее повторяется.

При охлаждении воздуха, его плотность увеличивается. Если плотность воздуха стала больше, значит можно закачать воздух большим объемом. Чем больший поток воздуха подается в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.

Интеркулер и форсунка

При сжатии плотность воздуха и температура увеличиваются. Это негативно сказывается на межремонтном периоде деталей двигателя. В связи с чем была разработано устройство, которое охлаждает горячий воздушный поток.

В зависимости от модификации дизельных двигателей, в цилиндре топливо может распыляться одной или двумя форсунками.

Форсунки дизеля работают в импульсном режиме.

Вывод

За счет постоянных инженерных внедрений и испытаний, современные дизельные двигатели выдают очень хорошие технические характеристики. Качество сгорания отличное за счет использования турбонагнетателя. Качество сгорания, примерно, выше в 2 раза, чем у бензинового двигателя.

В последние годы идет постоянное усовершенствование не только для улучшения эксплуатационных показателей, но и за счет современных требований мировых экологов. Сначала было требование двигатели Евро-2, потом 3, 4, 5.

Видео

В этом видео показывается принцип работы дизеля.

Строение системы дизельного двигателя.

Принцип работы турбонагнетателя (турбонаддува, турбины).

Отличия ДВС евро 5 от евро 4.