Повышение прочности, надежности и срока службы – одна из основных задач, которую ставят перед собой производители дизельных двигателей. Вопросы эксплуатации дизелей можно разделить на две основные группы. Первую составляют вопросы, относящиеся непосредственно к двигателю: собственные характеристики, влияние различных факторов на его рабату и экономичность, особенности режимов работы дизельного двигателя, такие как пуск и прогрев. Вторую составляю качество топливо и все, что с этим связано. Вот о том, какими бывают режимы работы дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.
Режим пуска дизельного двигателя
Пуск двигателя охватывает следующие процессы: прокручивание стартером кривошипно-шатунного механизма, воспламенение смеси в цилиндрах и увеличение оборотов коленчатого валя до режима холостого хода. Разогретый в ходе сжатия воздух должен воспламенить впрыснутое топливо (начало сгорания). Необходимая для воспламенения дизельного топлива минимальная температура составляет около 250°С.
Эта температура должна гарантироваться с необходимой надежностью при низкой частоте вращения коленчатого вала, низких температурах окружающей среды и низкой температуре охлаждающей жидкости (холодный двигатель).
Рис.1 Рис.2
Рис.1 : Двигатель: 6 цилиндровый дизель грузового автомобиля с системой впрыска Common Rail. Режим эксплуатации: n -1400 об/мин-1, нагрузка — 50 %. Изменение продолжительности впрыска в данном случае производится путем изменения давления впрыскивания. Рис. 2 : ta — температура окружающей среды; tz — температура воспламенения дизельного топлива; at — угол термодинамических потерь n — 200 мин-1
Чаще всего быстрый пуск дизеля осложняется нижеперечисленными причинами.
- Чем ниже частота вращения коленчатого вала, тем ниже конечное давление сжатия и соответственно конечная температура (рис. 1 «Зависимость давления и температуры окончания сжатия от частоты вращения коленчатого вала«). Причинами этого являются утечки заряда, которые происходят в зазорах поршневых колец между поршнем и стен- кип цилиндра, а также из-за еще не образовавшейся первоначальной 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 «Зависимость текущей температуры сжатия от утла поворота коленчатого вала«).
- На холодном двигателе происходят значительные потери тепла на 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 в кривошипно-шатунном механизме.
- 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 кристаллизоваться парафин.
Чтобы компенсировать эти проблемы, желательно предпринять некоторые действия.
Решение проблем с дизельным топливом
При помощи подогрева фильтра или непосредственно самого топлива можно решить проблему образования кристаллов парафина.
Рис. 3 Рис. 4
Рис. 3 : 1. Топливный бек 2. Устройство для подогрева топлива 3. Топливный фильтр 4. Топливный насос высокого давления (ТНВД). Рис. 4 : Материал спирали свечей: 1. Никель (свеча накаливания S-RSK) 2. Железо кобальтовый сплав (свеча накаливания GSK2 второго поколения)
Кроме того, нефтяная промышленность выпускает топливо, предназначенное для использования в условиях холодного времени года. При использовании такого «зимнего» топлива нет необходимости добавлять в него керосин, обычный бензин или специальные добавки (см. главу «Дизельное топливо»).
Системы предпускового 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 предварительного нагрева, что делает возможным быстрый пуск (рис. 4 «Протекание по времени кривых температуры двух свечей накаливания в неподвижном воздухе«) 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 отработавших газов, так и уровень шума работы прогретого двигателя.
Изменение параметров впрыска
Одним из условии облегчения пуска является увеличение стартовой цикловой подачи топлива для компенсации потерь на конденсацию и утечки, а также для повышения крутящего момента 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.
При слишком позднем впрыскивании топлива воспламенение происходит на такте расширения, и поршень приобретает слишком малое ускорение. Для наилучшего распыливания топлива и распределения его по камере сгорания система впрыска должна обеспечить соответствующую дисперсность распыления для быстрого и качественного смесеобразования (см. статью «Основы дизельного впрыскивания»).
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 употребляемый 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 в 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 (т.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 наддува) 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 возможными величинами.
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 «Пуск» — при низкой частоте вращения коленчатого вала и небольшой нагрузке сравнительно мала. По сравнению с режимом полной нагрузки камера сгорания 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 разделенными камерами сгорании, так как в этих 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 масса 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 воспламенения основной доли цикловой подачи практически к нулю и тем самым существенно уменьшает шум сгорания (см. главу «Основы дизельного впрыскивания»).
Принудительный холостой ход
В принудительном режиме двигатель приводится трансмиссией (например, при движении под уклон).
Стационарный режим
Развиваемый двигателем крутящий момент соответствует требуемому. Частота вращения коленчатого вала остается неизменной.
Нестационарный режим
Развиваемый двигателем крутящий момент 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 «Пример характеристики цикловой подачи топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и положения педали газа» показывает пример того, как изменяется частота вращения, если усилие нажатия педали газа изменяется с 40% до 70%.
Рис. 5
В данном поле характеристик работа двигателя переходит из рабочей точки А через полную нагрузку (В-С) в новую рабочую точку L), соответствующую частичной нагрузке. Там потребная и отданная двигателем мощность сравниваются. Частота вращения коленчатого вала повысилась с величины nA до величины nD.
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ:
