Дизельные двигатели

Приход зимы предполагает немалые хлопоты для тех, кто так или иначе связан с ремонтом самоходной техники: одни машины встают на зимнюю консервацию, другие готовятся к активной работе, третьи переоборудуются. Да, и та техника, которая работает всегда в одном качестве, должна пройти подготовку к зиме. И поскольку сердце самоходной машины – это чаще всего дизель, о них и поговорим.

Главное достоинство дизельных двигателей – это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные (в г/(кВтЌч)) расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах, в том числе и в России, заметно дешевле бензина. К числу недостатков по сравнению с бензиновыми двигателями относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.

А – вихрекамерная

Причем уровень шума порою настолько высок, что для выполнения современных жестких законодательных норм приходится «капсулировать» двигатель, помещая его под капотом в камеру из шумопоглощающего материала.

Экономические и экологические показатели автомобильных и тракторных дизелей в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные. Двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.

Дизели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью (степенью нарастания давления в процессе сгорания в цилиндре на 10 поворота коленчатого вала) работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом.

Недостатком двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.

Двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно – высокий уровень шума.

Б – форкамерная

Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре – так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном.

В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.

В большинстве случаев используется объемный способ смесеобразования при центральном расположении форсунки относительно камеры сгорания в днище поршня. Однако существуют двигатели с пленочным (пристенным) или объемно-пленочным смесеобразованием. При этом форсунка смещается к одному краю камеры сгорания, и одна или две струи подаются на стенку выемки в поршне. Такой способ смесеобразования применяется в многотопливных двигателях, и особенно важен для военной техники, поскольку позволяет при необходимости эксплуатировать двигатель на низкоцетановом топливе, включая бензин. Однако в этом случае для получения температуры, необходимой для воспламенения заряда, приходится повышать степень сжатия до 26.

В – полуразделенная

Работа двигателя начинается с его пуска. У дизелей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизелей с неразделенной камерой. Для облегчения пуска дизели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в двигателях с непосредственным впрыском.

Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания («Чемпион», «Бош», «Беру» и др.). Кожух свечи располагается в камере сгорания так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.

При температурах до -25°С надежный пуск обеспечивается подогревом воздуха во впускном трубопроводе. Для этого в нем, в специальных бобышках, устанавливают свечи подогрева (например СН-150). Время нагрева до 900...1000°С составляет около одной минуты. Сила тока во время подогрева доходит до 45 А, и при плохо заряженном аккумуляторе частота вращения коленчатого вала стартером может оказаться ниже пусковых оборотов. Поэтому более эффективным способом прогрева воздуха во впускном трубопроводе является применение электрофакельного подогревателя.

Подогрев осуществляется факелом горящего топлива. Оно подается ручным топливоподкачивающим насосом под давлением 0,02...0,04 МПа через жиклер на нагревательный элемент, а затем на объемную сетку. Факельная свеча нагревается до 10000С за 1...1,5 мин до пуска, обеспечивая надежное испарение топлива. Применение электрофакельного нагревателя позволяет понизить температуру надежного пуска на 25...30 градусов. Подбор свечей или подогревателей производится, как правило, по каталогам фирм-изготовителей.

Г – неразделенная

Самым простым и наиболее доступным в эксплуатации способом облегчения пуска как дизельных, так и бензиновых двигателей является впрыскивания во впускную систему легковоспламеняющихся жидкостей. Для этого могут использоваться встроенные в систему впуска распылители, либо специальные аэрозольные баллончики. Из отечественных препаратов такого рода назовем «Холод-40», «Автожидкость для пуска двигателя», есть и другие.

При очень низких температурах наибольший эффект дает применение работающих на дизельном топливе предпусковых подогревателей для разогрева охлаждающей жидкости (ПЖД). Оно не только обеспечивает быстрый пуск, но и уменьшает износ двигателя, снижает эксплуатационный расход топлива. Существуют жидкостные, воздушные и комбинированные подогреватели. Нагрев охлаждающей жидкости и дизельного топлива позволяет обеспечить прогрев и пуск двигателя за 30 минут при температуре до минус 60 градусов. Разогрев системы смазки обычно осуществляется подачей горячего воздуха на картер двигателя, а иногда и внутрь него. Существуют воздушные подогреватели-отопители, используемые для прогрева не только двигателя, но и кабины водителя.

Для отечественных двигателей применяются воздушные подогреватели ПЖД-30 тепловой мощностью 30 кВт, ПЖД-600 (69,6 кВт), жидкостный подогреватель ПЖД-400 (43,5 кВт). Кроме них дизельные двигатели могут снабжаться отопительными устройствами фирмы «Эберспехер» (Германия): жидкостными «Гидроник» моделей B4W, B5W, D4W, D5W для легковых автомобилей и микроавтобусов, D9W, D24W, D30W, D35W для грузовиков, автобусов, фургонов, судов.

а – тангенциальное расположение канала

Этой же фирмой выпускаются воздушные отопители B1LC, D1LC, D3LC, D5LC, D8LC, D12LC. Отопители могут использоваться при неработающем двигателе, что снижает общие расходы на топливо и загазованность воздуха. Обогреватели могут включаться без водителя, специальным устройством, запрограммированным на 7 суток, или радиопультом, действующим на расстоянии до 1 километра. Этой же фирмой выпускаются подогреватели для топливопроводов «Термолайн».

Широкое распространение получили подогреватели типа «Вебасто». Горячая жидкость обогревает блок и головку цилиндров, отработавшие газы – картер двигателя.

В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90–95%, о низкой токсичности дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.

Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами. Первый из них – низкая эффективность каталитических нейтрализаторов. Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.

б – установка на клапане ширмы

Второй фактор – повышенный выброс на некоторых режимах, особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий – частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели – ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.

Контроль выбросов с отработавшими газами дизелей автомобилей с полной массой до 3,5 т проводится на роликовом стенде на режимах ездового цикла, включающего разгоны, движение с постоянными скоростями на различных передачах, торможение двигателем, работу на холостом ходу. Двигатели тяжелых грузовиков (свыше 3,5 т) проверяются при работе на моторном стенде по 13-режимному циклу, начиная от холостого хода и кончая полными нагрузками. Замеряется выброс трех компонентов: СО, СН и NОx. По европейским правилам проверяется еще и выброс твердых частиц.

В условиях эксплуатации производится проверка дымности отработавших газов на предварительно прогретом двигателе на режимах увеличения частоты вращения коленчатого вала от минимальной до максимальной путем нажатия на педаль управления рейкой до упора. Данный цикл повторяется 10 раз. Уровень дымности оценивается по максимальным показаниям прибора во время четырех последних режимов разгона. Дымность не должна превышать 40%. Затем производится замер дымности на режиме максимальной частоты вращения при нажатии на привод рейки насоса до упора. При этом допустимый уровень дымности – 15%.

в – винтовой канал

Для определения дымности существует большое число приборов, выпускаемых в различных странах. Дымность определяется методом просвечивания пробы газов или по степени отражения от фильтра, через который производился просос отработавших газов.

Из газоаналитических приборов отечественного производства назовем, в частности, «АВТОТЕСТ СО-СН-Д», обеспечивающий измерение в диапазонах: по СО 0 – 10%, по СН 0 – 5000 частей на млн, по дымности 0 – 99,9%, а также «АВТОТЕСТ СО-СН-МП», производящий замеры в тех же диапазонах, а также позволяющий измерять концентрацию кислорода в диапазоне 0 – 25%. Оба устройства имеют электропитание – 12 или 220 вольт.

Дымомеры КИД-2 для экспресс-контроля дизелей питаются от батареи напряжением 9 вольт. Еще один отечественный дымомер – ИДП-2. Он работает в диапазоне температур от –20 до +40°С.
Фирма «Бриск» (Чехия) выпускает дымомер JT 480 А. Прибор питается от сети 220 вольт, имеет диапазон рабочих температур –5...+40°С.

Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизелей следующие. Низкое качество топлива, нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива), повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы, в двигателях с турбонаддувом – слишком низкое давление наддува.

Одна из главных характеристик дизельного топлива – это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению. Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.

Способы диагностирования топливной аппаратуры и ее обслуживания будут даны в следующем номере журнала.