Использование дизеля основывается на нескольких типичных для процесса зависимостях. Топливо впрыскивается непосредственно в горячий и сильно сжатый воздух, где самовоспламеняется. Поэтому, в отличие от бензинового двигателя, процесс работы дизеля связан не с границами воспламеняемости (т.е. с заданным коэффициентом избытка воздуха λ), а с гетерогенностью топливовоздушной смеси. При имеющемся постоянном воздушном заряде в цилиндре двигателя регулируется только количество подаваемого топлива.
Системе впрыска отводится главная роль в функционировании двигателя. Она должна обеспечивать дозирование и равномерное распределение топлива по всему заряду, к тому же при любых нагрузках. Кроме того, должны учитываться давление и температура поступающего воздуха. Таким образом, каждый рабочий режим требует фиксированной цикловой подачи топлива:
- В нужный момент;
- При соответствующем давлении;
- С соответствующим протеканием по времени;
- В определенных зонах камеры сгорания.
При дозировании топлива вместе с требованием оптимального смесеобразования должны учитываться также обусловленные двигателем и соответственно транспортным средством эксплуатационные ограничения:
- По выбросу вредных веществ (например, граница дымления);
- По давлению сгорания;
- По температуре отработавших газов;
- По частоте вращения коленчатого вала и крутящему моменту двигателя;
- По границам нагрузки, специфичным для данного транспортного средства или определяемым прочностью деталей дизеля.
| Сравнение зависимости мощности и крутящего момента от частоты вращения коленчатого вала для бензинового двигателя и дизеля |
 |
|
Частота вращения коленчатого вала n а — кривая мощности |
Ограничение дымности и вредных выбросов
Законодатель предписывает ограничения по эмиссии вредных веществ и максимальной непрозрачности отработавших газов. Эти ограничения различны в зависимости от типа транспортного средства (например, для легковых или грузовых автомобилей) и государства, где они применяются. В то время как у легкового автомобиля сертифицируется только нижняя область нагрузки, у грузовиков рассматриваются почти вес режимы.
Основная часть вредных выбросов состоит из частиц сажи (черный дым). Так как значительная часть процесса смесеобразования протекает во время сгорания, локальное переобогащение уже при среднем избытке воздуха приводит к усилению образования дыма. Состав смеси на законодательно установленной границе дымления при полной нагрузке определяет степень использования воздушного заряда.
Ограничение давления сгорания
Сгорание после воспламенения частично испарившегося и перемешанного с воздухом топлива при высокой степени сжатия происходит с высокой скоростью и высоким первым пиком тепловыделения (если не было предварительного впрыскивания). Такой процесс называют жестким сгоранием. При этом возникают высокие максимальные давления сгорания, поэтому конструкция дизелей имеет повышенную прочность. Усилия, возникающие при сгорании, вызывают циклические нагрузки конструктивных элементов двигателя. Долговечность двигателя и трансмиссии, а также их размеры ограничивают допустимую величину давления сгорания и тем самым величину подачи топлива.
Ограничение температуры отработавших газов
Высокая тепловая нагрузка конструктивных элементов двигателя, окружающих горячую камеру сгорания, теплостойкость выпускных клапанов, а также выпускной системы и головки цилиндров ограничивают температуру отработавших газов дизеля.
Ограничение частоты вращения коленчатого вала
Избыток воздуха в дизеле и регулирование режимов его работы количеством подаваемого топлива означают, что мощность при постоянной частоте вращения коленчатого вала зависит, в сущности, только от величины подачи топлива. Если последнее подается таким образом, чтобы соответствующий крутящий момент не уменьшался, то частота вращения коленчатого вала будет увеличиваться. Если подачу топлива при прохождении максимальной допустимой частоты вращения не уменьшать, то двигатель «идет вразнос», т.е. может разрушиться. В связи с этим у дизеля необходимо ограничивать величину допустимой частоты вращения коленчатого вала. Необходимо, чтобы определенная частота, независимо от нагрузки, выдерживалась постоянной и соответственно в допустимых пределах. Для этого применяют всережимный регулятор частоты вращения.
При использовании дизеля в качестве силового агрегата транспортного средства частота вращения коленчатого вала должна свободно выбираться водителем с помощью педали газа. При нагружении двигателя или отпускании педали газа эта частота до остановки двигателя не может упасть ниже частоты холостого хода.
Регулирующие системы подразделяют на:
- всережимный регулятор, который регулирует работу двигателя на всех режимах;
- двухрежимный регулятор, который ограничивает только минимальную и номинальную частоты вращения коленчатого вала.
В промежуточной области частота вращения коленчатого вала задается педалью газа. При учете всех упомянутых требований можно установить для рабочего диапазона двигателя поле характеристик. ЭКУ поле (рис. «Зависимость цикловой подачи топлива от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель с дополнительной коррекцией по температуре и давлению атмосферного воздуха») показывает зависимость количества топлива от частоты вращения и нагрузки, а также определяет необходимые коррекции подачи топлива по температуре и давлению атмосферного воздуха.
| Зависимость цикловой подачи топлива от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель с дополнительной коррекцией по температуре и давлению атмосферного воздуха |
 |
Ограничения по высоте над уровнем моря и наддуву
Параметры подачи топлива задаются, как на уровне моря, т. е. величина мощности приводится к этому уровню. Если двигатель будет работать на больших высотах, количество топлива должно корректироваться в соответствии с барометрическими показаниями высоты. Как контрольное значение принимается снижение плотности воздуха около 7% на 1000 м высоты над уровнем моря. Чтобы выполнялись ограничения по дымности, подачу топлива соответственно нужно сокращать.
У двигателей с наддувом наполнение цилиндров в нестационарных режимах несколько меньше, чем в стационарных, на которые рассчитана максимальная подача топлива. Поэтому расход топлива необходимо уменьшать соответственно меньшему расходу воздуха (полная нагрузка, ограниченная давлением наддува), как и при высотной коррекции.
| Динамика улучшения параметров дизелей для легковых автомобилей среднего класса | Частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателей легковых автомобилей, соответствующих нормам токсичности D3 |
 |
 |
| • — дизели с непосредственным впрыском топлива ♦ — бензиновые двигатели |
Возможности совершенствования системы впрыска
Улучшенные системы впрыска при соответствующей регулировке и улучшении наполнения цилиндров дают возможность более точно соблюдать предписанные ограничения и при этом повышать удельную мощность двигателя (рис. «Динамика улучшения параметров дизелей для легковых автомобилей среднего класса» и «Частота вращения коленчатого вала и крутящий момент двигателей легковых автомобилей»).
