Системы впрыска дизеля. Дизайн, преимущества и недостатки

В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели с самого начала имели впрыск топлива. Менялись только системы впрыска, штуцеры и давление подаваемого в цилиндры топлива.

Принцип работы дизельного двигателя, широко известного как дизельный двигатель, полностью отличается от принципа работы бензинового двигателя. В бензовозах топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания над поршнем. После сжатия смесь воспламеняется за счет пробоя электрической искры на электродах свечи зажигания. Вот почему бензиновые двигатели также называют двигателями с искровым зажиганием (SI).

В дизелях поршень в камере сгорания сжимает только воздух, который под действием огромного давления (не менее 40 бар — отсюда и название «высокое давление») нагревается до температуры 600—800°С. Впрыск топлива в такой горячий воздух приводит к немедленному самовоспламенению топлива в камере сгорания. По этой причине дизельные силовые агрегаты также называют двигателями с воспламенением от сжатия (CI). С самого начала они подавались путем впрыска топлива в камеру сгорания, а не во впускной коллектор, который только подает воздух в двигатель. В зависимости от того, была ли камера сгорания разделена или нет, дизели делились на силовые агрегаты с непрямым или непосредственным впрыском.

Непрямой впрыск

Дизель хоть и дебютировал с системой непосредственного впрыска, но применяли ее недолго. Это решение вызвало слишком много проблем и в автомобилестроении его заменил запатентованный в 1909 году непрямой впрыск. Непосредственный впрыск остался в больших стационарных и судовых двигателях, а также в некоторых грузовых автомобилях. Конструкторы легковых автомобилей отдавали предпочтение дизелям с непрямым впрыском, с более мягкой работой и меньшей шумностью.

Термин «непрямой» в дизельных двигателях означает нечто совершенно иное, чем в бензиновых двигателях, где непрямой впрыск — это впрыск воздушно-топливной смеси во впускной коллектор. В дизелях с непрямым впрыском, как и в конструкциях с прямым впрыском, топливо, распыляемое форсункой, также попадает в камеру сгорания. Просто он разделен на две части – вспомогательную часть, в которую впрыскивается топливо, и основную часть, т.е. пространство непосредственно над поршнем, в котором происходит основной процесс сгорания топлива. Камеры соединены между собой каналом или каналами. По форме и функциям камеры делятся на предварительные, вихревые и воздухохранилища.

Последние можно не использовать, так как их производство практически прекращено. В случае форкамер и вихревых камер форсунка устанавливается рядом со вспомогательной камерой и впрыскивает в нее топливо. Там происходит воспламенение, затем частично сгоревшее топливо попадает в основную камеру и там догорает. Дизели с форкамерой или вихревой камерой работают мягко и могут иметь легкие системы кривошипа. Они не чувствительны к качеству топлива и могут иметь форсунки простой конструкции. Однако они менее эффективны, чем дизели с прямым впрыском, потребляют больше топлива и имеют проблемы с запуском холодного двигателя. Сегодня дизельные двигатели с непрямым впрыском в легковых автомобилях остались в прошлом и больше не производятся. Они редко встречаются в современных автомобилях, представленных сегодня на рынке. Их можно встретить только в таких конструкциях, как индийские Hindustan и Tata, российские УАЗы, Mitsubishi Pajero старого поколения, продаваемые в Бразилии, или Volkswagen Polo, предлагаемые в Аргентине. Они используются в гораздо большем количестве в автомобилях со вторичного рынка.

Непосредственный впрыск

Все началось с него. Однако изначально преимущества прямого впрыска не использовались. Важность соответствующего завихрения топлива не была известна, и его сгорание не было оптимальным. Образовались топливные комки, которые способствовали образованию нагара. Процессы на поршне шли слишком быстро, двигатели работали тяжело, быстро разрушая подшипник коленвала. По этой причине от прямого впрыска отказались, предпочитая непрямой впрыск.

Возврат к истокам, но уже в современном исполнении, произошел лишь в 1987 году, когда в серийное производство поступил Fiat Croma 1.9 TD. Для прямого впрыска топлива требуется эффективное оборудование для впрыска, высокое давление впрыска, топливо хорошего качества и очень прочная (и, следовательно, тяжелая) кривошипно-шатунная система. Однако он обеспечивает высокий КПД и легкий запуск холодного двигателя. Современные решения дизельных двигателей с непосредственным впрыском основаны в основном на полностью плоских головках и поршнях с камерами (полостями) соответствующей формы. Камеры отвечают за правильную турбулентность топлива. Прямой впрыск широко используется сегодня в дизельных двигателях легковых автомобилей.

Прямой впрыск – насос-форсунки

В традиционных дизельных двигателях за подачу топлива отвечают различные типы насосов. В новаторские времена впрыск топлива осуществлялся сжатым воздухом, в 20-х годах это делалось с помощью переделанных масляных насосов. В 300-х годах уже широко использовались специальные насосы, предназначенные для дизельных двигателей. Первоначально он базировался на серийных насосах, создающих низкое давление (до 60 бар). Только в 1000-х годах появились более эффективные насосы с осевым распределителем (свыше 80 бар). В середине семидесятых они получили механическое управление впрыском, а в середине восьмидесятых – электронное (BMW 524td, 1986 г.).

Несколько иным способом осуществления впрыска топлива были насос-форсунки, использовавшиеся в грузовых автомобилях уже в 30-х годах, широко их применил в легковых автомобилях концерн Volkswagen, впервые в 1998 году (Passat B5 1.9 TDI). Короче говоря, насос-форсунка — это форсунка с собственным насосом, который получает привод от распределительного вала. Таким образом, весь процесс создания давления и впрыска в цилиндр ограничивается головкой блока цилиндров. Система очень компактна, топливопроводов, соединяющих насос с форсунками, нет. Поэтому отсутствует пульсация патрубков, что затрудняет регулирование дозы топлива и утечек. Поскольку топливо частично испаряется в камере насос-форсунки, момент впрыска может быть небольшим (легкий запуск). Самое главное, однако, это очень высокое давление впрыска 2000-2200 бар. Доза топлива в цилиндре быстро смешивается с воздухом и сгорает очень эффективно.

В целом дизель с насос-форсунками характеризуется высоким КПД, малым расходом топлива, высокой скоростью и возможностью получения высоких удельных мощностей. Но двигатель с насос-форсунками дорог в производстве, в основном из-за сложности головки блока цилиндров. Его работа тяжелая и громкая. При питании от насос-форсунок также возникают проблемы с токсичностью выхлопных газов, что в значительной степени способствовало отказу VW от этого решения.

Прямой впрыск – Common Rail

Важнейшим элементом системы впрыска Common Rail является «Common Rail», тип бака, также известный как «аккумулятор топлива под давлением», в который насос перекачивает дизельное топливо. Он поступает на форсунки не напрямую от насоса, а из бачка, при этом сохраняется одинаковое давление для каждого цилиндра.

Образно можно сказать, что каждая из форсунок не ждет порцию топлива от насоса, а все еще имеет топливо под очень высоким давлением. Электрических импульсов, приводящих в действие форсунки, достаточно, чтобы топливо поступило в камеры сгорания. Такая система позволяет создавать многофазные впрыски (даже 8 фаз на один впрыск), что приводит к очень точному сгоранию топлива с постепенным нарастанием давления. Очень высокое давление впрыска (1800 бар) позволяет использовать форсунки с очень маленькими отверстиями, которые подают топливо практически в виде тумана.

Все это дополняется высоким КПД двигателя, плавностью хода и низким уровнем шума (несмотря на непосредственный впрыск), хорошей маневренностью и низким содержанием выхлопных газов. Однако двигатели с системой Common Rail требуют использования топлива самого высокого качества и лучших фильтров. Загрязнения в топливе могут разрушить форсунки и привести к поломке, устранение которой будет чрезвычайно дорогостоящим.