У дизеля наряду с впрыскиваемой массой топлива определяющей величиной является поступающая масса воздуха, также необходимая для получения заданных параметров крутящего момента, мощности и состава отработавших газов. Поэтому наряду с системой впрыска топлива большое значение придается также системам, влияющим на наполнение цилиндра воздухом. Эти системы очищают подаваемый воздух и влияют на движение, плотность и состав (например, содержание кислорода) заряда» цилиндра.
Для сгорания топлива необходим кислород, который поступает в цилиндр двигателя в составе воздуха. Важно отметить, что чем больше кислорода находится в камере сгорания при сжатии, тем большее количество топлива может быть впрыснуто при полной нагрузке. Существует непосредственная зависимость между наполнением цилиндра и максимально возможной мощностью двигателя.
Конструкция клапанов и камеры сгорания оказывает большое влияние на наполнение цилиндра. Наряду с этим системы впуска имеют задачу предварительно обрабатывать подаваемый воздух и обеспечивать хорошее наполнение цилиндров.
Рис. «Система управления наполнения цилиндров воздухом» 1. Воздушный фильтр 2. Нагнетатель воздуха с промежуточным его охлаждением 3. Электронный блок управления работой дизеля 4. Контур рециркуляции отработавших газов с промежуточным их охлаждением 5. Заслонка регулирования завихрения 6. Цилиндр дизеля 7. Впускной клапан 8. Выпускной клапан
Системы наполнения (рис. «Система управления наполнения цилиндров воздухом») состоят из:
- Воздушного фильтра 1 очистки воздуха;
- Заслонки 5 регулирования завихрения;
- Нагнетателя 2 воздуха;
- Контура 4 рециркуляции отработавших газов.
Наддув воздуха с помощью нагнетателей различной конструкции находит все большее применение. Рециркуляция отработавших газов применяется на всех наиболее распространенных дизелях легковых автомобилей и на некоторых грузовиках. Системы наполнения цилиндров воздухом для легковых автомобилей не могут применяться на грузовиках.
На дизелях, кроме очень больших низкооборотных судовых, в настоящее время используется только четырехтактный цикл, когда клапаны механизма газораспределении приводятся в действие кулачковым валом. Разрабатываются также системы с регулируемым газораспределением.
Воздушный фильтр дизеля
Воздушный фильтр уменьшает количество твердых частиц, содержащихся в подаваемом воздухе. Речь идет преимущественно об объемных фильтрах, которые, в отличие от поверхностных, задерживают частицы в структуре фильтрующего элемента. Объемные фильтры с высокой пылеемкостью имеют преимущество там, где нужно экономно фильтровать большие потоки воздуха с незначительными концентрациями частиц.
Рис. Виды и размеры составляющих загрязнения атмосферного воздуха
Виды и размеры составляющих загрязнения атмосферного воздуха представлены на рис. «Виды и размеры составляющих загрязнения атмосферного воздуха». При этом речь идет о частицах естественных и искусственных источников, которые имеют сильно различающиеся размеры. Попадающие в двигатель вместе с воздухом частицы пыли имеют диаметр от 0,01 мкм (преимущественно частицы сажи) до 2 мм (песчинки). Около 75% частиц имеют размер от 5 до 100 мкм. Массовая концентрация содержащихся во всасываемом воздухе частиц очень сильно зависит от покрытия, по которому движется транспортное средство (например, шоссе или песчаная дорога). За 10 лет эксплуатации через двигатель легкового автомобиля проходит от нескольких граммов до нескольких килограммов пыли.
Фильтр для очистки воздуха предотвращает проникновение минеральной пыли и частиц в двигатель и моторное масло, уменьшая износ, например, цилиндропоршневой группы. Он защищает также чувствительный измеритель массового расхода воздуха и предотвращает образование в нем пылевых отложений, которые могут привести к ошибкам в измерениях. Специальные исполнения высококачественных элементов воздушного фильтра в сочетании с соответствующим исполнением корпуса могут предотвращать попадание во впускной тракт воды при сильном дожде. Фильтры для очистки воздуха, которые соответствуют современному состоянию техники, имеют массовый коэффициент очистки от 99, 8% (легковые автомобили) до 99,95% (грузовые автомобили). Эти значения должны сохраняться при любых условиях, в том числе и при переменной скорости (пульсации) потока воздуха, как это происходит во впускном тракте двигателя. При недостаточном качестве фильтров возможно повышенное содержание пыли в поступающем в двигатель воздухе.
Определение параметров элементов фильтра осуществляется индивидуально для каждого типа двигателя. При этом, независимо от пропускной способности, падение давления во впускном трубопроводе должно быть минимальным, а коэффициент очистки высоким. Чтобы в малом объеме поместить фильтр с максимально полезной площадью, фильтрующей поверхности как плоского, так и цилиндрического фильтров придают гофрированную форму. Фильтрующие материалы, которые преимущественно получаются из волокон целлюлозы, при помощи гофрирования и соответствующих пропиток получают необходимую механическую прочность, достаточную влагостойкость и устойчивость по отношению к химикалиям.
Замена фильтрующих элементов производится через интервал времени или пробега, установленный фирмой-производителем транспортного средства (у легковых автомобилей между вторым и четвертым годом, а иногда и после шестого года эксплуатации, т. е. после 40,60, а иногда даже после 90 тысяч км пробега или при повышении сопротивления воздуха выше 20 мбар).
Рис. Синтетический элемент очистки воздуха под микроскопом
Потребность в небольших фильтрах, имеющих высокую очищающую способность при одновременном длительном сроке службы, требует создания новых материалов для фильтрации воздуха. Новые улучшенные воздушные фильтры с наполнителями из синтетических волокон уже выпускаются серийно. На рис. «Синтетический элемент очистки воздуха под микроскопом» изображен фильтр из синтетического текстильного материала с высокими показателями очистки. По направлению движения поступающего воздуха в структуре этого элемента возрастает плотность при одновременном уменьшении поперечного сечения волокон.
Наилучшие результаты достигаются композитными материалами, например бумагой с покрытием Meltblown, или специальными нановолоконными материалами, которые представляют собой относительно грубый несущий слой целлюлозы, на который нанесены ультратонкие волокна с диаметром ячеек от 30 до 40 нм.
Вскоре на рынке должны появиться новые элементы, изготовленные таким образом, что внутри образуются многократно пересекающиеся замкнутые каналы. Подобной структурой отличаются дизельные сажевые фильтры.
Для оптимального использования все более компактного пространства моторного отсека разрабатываются фильтры конической, овальной, ступенчатой или трапециевидной формы.
Раньше корпуса фильтров очистки воздуха почти всегда изготавливались как фильтры-глушители. Большие объемы в таких корпусах использовались для акустических целей. Теперь же функции фильтрации и акустического снижения шума всасывания все больше разделяются и резонаторы шума изготавливаются отдельно. Таким образом, корпус фильтра очистки воздуха уменьшается в размерах. Получаются очень плоские фильтры, которые могут, например, встраиваться в крышку головки блока цилиндров, в то время как резонаторы могут размещаться в любых свободных местах моторного отсека.
Воздушный фильтр легкового автомобиля
Полный модуль очистки воздуха для легкового автомобиля показан на рис. «Пример модуля очистки воздуха легкового автомобиля». Он включает в себя корпус 3 и крышку 1 с цилиндрическим фильтрующим элементом 2 для очистки воздуха, подводящие патрубки 5 и 6, а также модуль 4 впуска, между которыми располагаются резонатор Гельмгольца и четвертьволновая акустическая труба. С помощью этой комплексной системы можно успешно согласовывать друг с другом отдельные компоненты фильтра и выполнять все более строгие требования по уровню шума. В данном случае во впускной тракт интегрирован модуль управления двигателем. Это сделано для того, чтобы входящий воздух охлаждал конструктивные элементы электроники.
рис. «Пример модуля очистки воздуха легкового автомобиля» 1. Крышка корпуса 2. Фильтрующий элемент 3. Корпус фильтра 4. Модуль впуска 5. Подводящий патрубок 6. Подводящий патрубок
Воздушный фильтр грузового автомобиля
рис. «Пример устройства фильтра очистки воздуха с бумажным фильтрующим элементом для грузовых автомобилей». 1. Канал выхода воздуха 2. Канал входа воздуха 3. Фильтрующий элемент 4. Распорная труба 5. Корпус фильтра 6. Крышка пылесборник
На рис. «Пример устройства фильтра очистки воздуха с бумажным фильтрующим элементом для грузовых автомобилей» показан пригодный для обслуживания и оптимальный по весу пластмассовый фильтр очистки воздуха для грузовых автомобилей. Наряду с более высокой степенью фильтрации размеры фильтра определены исходя из интервала между сменами фильтрующего элемента порядка 100 000 и более км. В местностях с высокой запыленностью, а также при строительных работах и в сельском хозяйстве к фильтру подсоединяется предварительный сепаратор. Он отделяет грубую фракцию крупной пыли и таким образом значительно повышает долговечность фильтрующего элемента тонкой очистки. В самом простом случае используется так называемый фильтр-циклон — свободно вращающийся многолопастный венец. Проходящий через него воздух благодаря специальной форме лопастей раскручивает венец и завихряется сам, а возникающая при этом центробежная сила отделяет грубые частицы пыли.
Заслонки регулирования завихрения
В процессе смесеобразования существенную роль играют условия перемещения компонентов топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Под вихрем понимают вращательное движение воздуха, вошедшего в цилиндр двигателя. С помощью этого вращательного движения может быть достигнуто лучшее смешивание топлива с воздухом.
Изменяя конструкции клапанов и каналов, можно изменить параметры вихревого движения сообразно требованиям двигателя. Показанная для примера на рис. 1 заслонка 6 при низкой частоте вращения коленчатого вала закрыта. Благодаря этому при достаточном наполнении цилиндра возникает сильный вихрь, создаваемый специально направленным впускным каналом 2. На высоких частотах вращения заслонка открывается и делает свободным «спокойный» канал 5. Таким образом, повышается коэффициент наполнения цилиндра и мощность двигателя возрастает. Это отключение «спокойного» впускного канала применяют в настоящее время на некоторых двигателях легковых автомобилей.
