Як температура і тиск у циліндрах дизеля впливають на роботу двигуна

Дизельний двигун сьогодні є другим за ступенем поширеності типом ДВЗ після бензинового агрегату. Конструктивно дизельний мотор схожий на бензиновий аналог, так як має ті самі циліндри, шатуни, поршні, колінвал і т.д. При цьому всі деталі більш масивні та важкі, адже вони мають витримувати підвищені навантаження.

Справа в тому, що ступінь стиснення в дизелі вищий, ніж в агрегатах бензину. Якщо в бензиновому моторі зазначений середній показник становить від 9 до 11 одиниць, то в дизельному вже цілих 20-24. З цієї причини дизельний двигун важчий і більший за бензиновий агрегат.

Головною ж відмінністю є спосіб приготування, подачі та займання паливно-повітряної суміші. У більшості моторів на бензині робоча суміш утворюється у впускному колекторі і засмоктується в циліндри.

Після подачі в циліндри робоча суміш спалахує в камері згоряння від іскри. При цьому в дизельному двигуні паливо та повітря подаються окремо, при цьому суміш займається самостійно від різкого стиску та нагріву.

Далі ми поговоримо про те, які процеси протікають у камері згоряння дизельного двигуна, як реалізована подача дизпалива, яким чином відбувається сумішоутворення та займання заряду, а також який тиск і температура в камері згоряння дизеля.

Камери згоряння дизельних двигунів та особливості роботи такого ДВЗ

Почнемо з того, що камери згоряння дизельних двигунів дещо відрізняються від бензинових. Існує два основних типи камер:

• нерозділена камера згоряння дизельного двигуна;
• розділена камера згоряння дизельного ДВЗ.

Нерозділений тип є однооб'ємною камерою, як правило, простої форми, яка узгоджена із розташуванням форсунок. Такі камери зазвичай виконуються в днищі поршнів, також можуть бути виготовлені частково в днищі і частково в ГБЦ, рідко тільки в головці блоку.

Розділений тип камери згоряння передбачає два окремі один від одного обсяги, які з'єднані за допомогою спеціальних каналів. Таких каналів може бути від одного та більше.

Якщо говорити про плюси та мінуси, перший тип дозволяє забезпечити двигуну кращий ККД, проте температури в такій камері згоряння вищі. Також зростають і ударні навантаження. Що стосується розділених камер згоряння, ККД менше, проте вдається реалізувати повноцінне згоряння палива, такий дизель менше коксується, димить і т.д.

Як згоряє паливо у дизельному двигуні

Тепер давайте розглянемо процес горіння. Як відомо, для горіння палива потрібна певна кількість кисню, а також джерело, яке дозволить суміші спалахнути.

У дизелі замість зовнішньої іскри таким джерелом є висока температура, тобто нагрівання.

Зазначене нагрівання досягається завдяки тому, що повітря в циліндрі сильно стискається, а дизпаливо подається в останній момент. Це зумовлено тим, що температура, необхідна для займання, зростає зі зростанням тиску, причому температура самозаймання палива в подібних умовах знижується.

Іншими словами, паливно-повітряна суміш у дизельному двигуні самозаймається від високого тиску та нагріву. При цьому нормальна робота мотора залежить від правильно налаштованого впорскування, якісного стиснення суміші, а також від повноти згоряння заряду в циліндрах.

На самому початку циліндр подається повітря, стискається і нагрівається. Далі паливо впорскується в камеру згоряння дизельного двигуна, під час упорскування відбувається його розпилення.

Потім виникає самозаймання, полум'я поширюється циліндром. Упорскування пального зупиняється, а залишки палива продовжують горіти. Далі процес повторюється.

Як видно, хоча подача та горіння заряду в дизелі протікає за дуже короткий проміжок часу, цей відрізок можна поділити на етапи:

• Перший етап - упорскування палива на початок його займання (затримка займання). Форсунки на даному етапі подають солярку, причому у розпорошеному вигляді. Утворюється паливний «туман», який поширюється у сильно стислому та нагрітому повітрі.

Фактично туман є дрібними краплями палива, але вони не спалахують. Справа в тому, що спочатку пальне має випаруватися.

Тільки після цього відбудеться змішування випареного дизпалива з повітрям, а сама суміш нагріється до температури, необхідної для самостійного займання. Зазначимо, що затримка займання має бути короткою.

• Другий етап-займання та поширення фронту полум'я по циліндру. Справа в тому, що після займання одразу горить не весь обсяг, а виникають точкові «осередки» займання. Вони локалізуються у місцях, де паливо найбільш якісно змішалося з повітрям, а температура в камері близько 1700 К.

Таке початкове горіння призводить до підвищення температури та тиску в циліндрі. В результаті паливо, яке ще не спалахнуло, активно випаровується і змішується з повітрям. У цей момент фактично відбувається повне займання суміші в циліндрі, при цьому різко збільшується тиск.

• Настає третій етап, тоді паливо безпосередньо згоряє. Інжекторна форсунка ще впорскує солярку, пальне вже відразу спалахує від контакту з полум'ям у камері згоряння. Полум'я в цей момент ефективно поширюється по всьому об'єму, тиск також максимальний.

Саме на даному етапі тиск в результаті палива з великою силою штовхає поршень, змушуючи двигун здійснювати корисну роботу. Що ж до температури, показник зростає до 2200 К.

• Завершальний четвертий етап є моментом, коли залишки палива догоряють у циліндрі. У цей час поршень переміщається вниз, що означає падіння тиску і температури.

Як бачимо, тиск у камері згоряння дизельного двигуна грає першорядну роль реалізації самозаймання палива. Що стосується упорскування, необхідно, щоб солярка подавалася в певний момент, в потрібній кількості, а також якісно розпорошувалася.

Якщо виникнуть збої, поширення полум'я буде порушено, температура в камері згоряння дизельного двигуна підвищується, виникає ризик детонації, паливо не згоряє у повному обсязі тощо.

Часті проблеми дизелів: момент упорскування та компресія

Якщо стиск суміші в циліндрі виявляється недостатнім, під час роботи двигуна можна почути шуми та металеві стуки. Справа в тому, що в такому випадку суміші потрібно більше часу, щоб нагрітися до температури займання.

Виходить, зниження компресії дизельного двигуна збільшує час до займання заряду.

При цьому в циліндрі незгорілої суміші буде більше, ніж потрібно. В результаті в момент займання такого заряду процес горіння набуває вибухового характеру, тиск різко збільшується, з'являється ударна хвиля і детонація, руйнуючи ЦПГ і значні навантаження на деталі мотора.

Також зниження компресії призводить до того, що дизель починає диміти. Вихлоп може бути чорним або сірувато-білим. У випадку з білим димом з вихлопної труби, дизпаливо просто неефективно спалахує в момент, коли поршень доходить до ВМТ.

Потім поршень йде вниз, температура та тиск додатково знижуються, немає умов для горіння. Виходить, незгоріла солярка випаровується і далі потрапляє у випускну систему.

Те саме відбувається і в тому випадку, якщо впорскування дизпалива занадто пізнє. Іншими словами, компресія в циліндрах нормальна, але подача палива із запізненням призводить до того, що поршень вже йде вниз, немає потрібного стиску та тиску для самозаймання.

Якщо ж чорний вихлоп, це може вказувати на те, що форсунки «переливають», тобто подача пального відбувається в більшому обсязі, ніж необхідно. Простими словами, дизпалива багато, а кисню просто недостатньо на таку кількість пального.

Наявний кисень дозволяє вигоріти тільки частині палива, а залишки, що не згоріли, перетворюються на вуглець, що і проявляється у вигляді характерного чорного диму з вихлопної труби.

Ще зазначимо, що до схожих проблем може призводити недостатня подача повітря (наприклад, забитий повітряний фільтр), повітря системи живлення дизельного двигуна і т.д.

У результаті, якщо порушується нормальний процес сумішоутворення, це закономірно впливає на момент займання та подальшу ефективність згоряння паливного заряду в циліндрах.

Що в результаті

З урахуванням вищесказаного стає зрозуміло, що дизель особливо потребує високоточного паливного упорскування. Від цього безпосередньо залежить ККД, ресурс мотора, економічність, рівень токсичності відпрацьованих газів, і ряд інших важливих параметрів.

З цієї причини дизельні форсунки на сучасних типах зазначених моторів здатні забезпечити так зване фазоване (багатофазне) упорскування, подаючи дизпаливо до 10 разів за один робочий такт мотора.

Насамкінець зазначимо, що сьогодні звичний паливний насос високого тиску (ПНВТ) з механічними форсунками активно замінюється насос-форсунками або системою Common Rail, дозволяючи досягти максимальної ефективності упорскування пального на всіх етапах подачі палива в камеру згоряння.

Подібні рішення у поєднанні з турбокомпресором дозволяють сучасному дизельному мотору впевнено конкурувати на ринку з бензиновими аналогами, при цьому висока економічність палива залишається головною перевагою дизельного двигуна.