Температура в камере сгорания дизельного двигателя и давление

Как температура и давление в цилиндрах дизеля влияют на работу мотора

Дизельный двигатель сегодня является вторым по степени распространенности типом ДВС после бензинового агрегата. Конструктивно дизельный мотор похож на бензиновый аналог, так как имеет все те же цилиндры, шатуны, поршни, коленвал и т.д. При этом все детали более массивные и тяжелые, ведь они должны выдерживать повышенные нагрузки.

Дело в том, что степень сжатия в дизеле выше, чем в агрегатах на бензине. Если в бензиновом моторе указанный средний показатель составляет от 9-и до 11-и единиц, то в дизельном уже целых 20-24. По этой причине дизельный двигатель тяжелее и крупнее бензинового агрегата.

После подачи в цилиндры рабочая смесь воспламеняется в камере сгорания от искры. При этом в дизельном двигателе топливо и воздух подаются отдельно, при этом смесь воспламеняется самостоятельно от резкого сжатия и нагрева.

Далее мы поговорим о том, какие процессы протекают в камере сгорания дизельного двигателя, как реализована подача дизтоплива, каким образом происходит смесеобразование и воспламенение заряда, а также какое давление и температура в камере сгорания дизеля.

Камеры сгорания дизельных двигателей и особенности работы такого ДВС

Начнем с того, что камеры сгорания дизельных двигателей несколько отличаются от бензиновых. Существует два основных типа камер:

  • неразделенная камера сгорания дизельного мотора;
  • разделенная камера сгорания дизельного ДВС;

Неразделенный тип является однообъемной камерой, как правило, простой формы, которая согласована с расположением форсунок. Такие камеры обычно выполняются в днище поршней, также могут быть изготовлены частично в днище и частично в ГБЦ, редко только в головке блока.

Если говорить о плюсах и минусах, первый тип позволяет обеспечить двигателю лучший КПД, однако температуры в такой камере сгорания выше. Также растут и ударные нагрузки. Что касается разделенных камер сгорания, КПД меньше, однако удается реализовать более полноценное сгорание топлива, такой дизель меньше коксуется, дымит и т.д.

Как сгорает топливо в дизельном двигателе

Теперь давайте рассмотрим сам процесс горения. Как известно, для горения топлива необходимо определенное количество кислорода, а также источник, который позволит смеси воспламениться.

В дизеле вместо внешней искры таким источником является высокая температура, то есть нагрев.

Другими словами, топливно-воздушная смесь в дизельном двигателе самовоспламеняется от высокого давления и нагрева. При этом нормальная работа мотора сильно зависит от правильно настроенного впрыска, качественного сжатия смеси, а также от полноты сгорания заряда в цилиндрах.

В самом начале в цилиндр подается воздух, сжимается и нагревается. Далее топливо впрыскивается в камеру сгорания дизельного двигателя, во время впрыска происходит его распыление.

Затем возникает самовоспламенение, пламя распространяется по цилиндру. Впрыск горючего останавливается, а остатки топлива продолжают гореть. Далее процесс повторяется.

Как видно, хотя подача и горение заряда в дизеле протекает за очень короткий промежуток времени, этот отрезок можно разделить на этапы:

  • Первый этап- впрыск топлива до начала его воспламенения (задержка воспламенения). Форсунки на данном этапе подают солярку, причем в распыленном виде. Образуется топливный «туман», который распространяется в сильно сжатом и нагретом воздухе.

Фактически туман представляет собой мельчайшие капли топлива, но они не воспламеняются. Дело в том, что сначала горючее должно испариться.

Только после этого произойдет смешивание испаренного дизтоплива с воздухом, а сама смесь нагреется до температуры, необходимой для самостоятельного воспламенения. Отметим, что задержка воспламенения должна быть короткой.

  • Второй этап-воспламенение и распространение фронта пламени по цилиндру. Дело в том, что после воспламенения сразу горит не весь объем, а возникают точечные «очаги» возгорания. Они локализуются в местах, где топливо наиболее качественно смешалось с воздухом, а температура в камере около 1700 К.

Такое начальное горение приводит к повышению температуры и давления в цилиндре. В результате топливо, которое еще не загорелось, активно испаряется и смешивается с воздухом. В этот момент фактически происходит полное возгорание смеси в цилиндре, при этом резко увеличивается давление.

  • Наступает третий этап, года топливо непосредственно сгорает. Инжекторная форсунка еще впрыскивает солярку, горючее уже сразу загорается от контакта с пламенем в камере сгорания. Пламя в этот момент эффективно распространяется по всему объему, давление также максимально.

Именно на данном этапе давление в результате сгорающего топлива с большой силой толкает поршень, заставляя двигатель совершать полезную работу. Что касается температуры, показатель растет до 2200 К.

  • Завершающий четвертый этап является моментом, когда остатки топлива догорают в цилиндре. В это время поршень уже перемещается вниз, что означает падение давления и температуры.

Если возникнут сбои, распространение пламени будет нарушено, температура в камере сгорания дизельного двигателя повышается, возникает риск детонации, топливо не сгорает в полном объеме и т.д.

Частые проблемы дизелей: момент впрыска и компрессия

Если сжатие смеси в цилиндре оказывается недостаточным, во время работы двигателя можно услышать шумы и металлические стуки. Дело в том, что в таком случае смеси нужно больше времени, чтобы нагреться до температуры воспламенения.

Получается, снижение компрессии дизельного двигателя увеличивает время до воспламенения заряда.

При этом в цилиндре несгоревшей смеси будет больше, чем нужно. В результате в момент возгорания такого заряда процесс горения приобретает взрывной характер, давление резко увеличивается, появляется ударная волна и детонация, разрушая ЦПГ и оказывая значительные нагрузки на детали мотора.

Затем поршень идет вниз, температура и давление дополнительно снижаются, нет условий для горения. Получается, несгоревшая солярка испаряется и далее попадает в выпускную систему

То же самое происходит и в том случае, если впрыск дизтоплива слишком поздний. Другими словами, компрессия в цилиндрах нормальная, но подача топлива с опозданием приводит к тому, что поршень уже идет вниз, нет нужного сжатия и давления для самовоспламенения.

Если же выхлоп черный, это может указывать на то, что форсунки «переливают», то есть подача горючего происходит в большем объеме, чем необходимо. Простыми словами, дизтоплива много, а кислорода просто недостаточно на такое количество горючего.

Имеющийся кислород позволяет выгореть только части топлива, а несгоревшие остатки превращаются в углерод, что и проявляется в виде характерного черного дыма из выхлопной трубы.

Еще отметим, что к похожим проблемам может приводить недостаточная подача воздуха (например, забит воздушный фильтр), завоздушивание системы питания дизельного двигателя и т.д.

В итоге, если нарушается нормальный процесс смесеобразования, это закономерно влияет на момент воспламенения и последующую эффективность сгорания топливного заряда в цилиндрах.

Что в итоге

С учетом вышесказанного становится понятно, что дизель особенно нуждается в высокоточном топливном впрыске. От этого напрямую завит КПД, ресурс мотора, экономичность, уровень токсичности отработавших газов и ряд других важных параметров.

По этой причине дизельные форсунки на современных типах указанных моторов способны обеспечить так называемый фазированный (многофазный) впрыск, подавая дизтопливо до 10 раз за один рабочий такт мотора.

Подобные решения в сочетании с турбокомпрессором позволяют современному дизельному мотору уверенно конкурировать на рынке с бензиновыми аналогами, при этом высокая топливная экономичность остается главным преимуществом дизельного двигателя.

Рабочая температура дизельного двигателя – как достичь и контролировать?

Какова рабочая температура дизельных двигателей и какие у них особенности? Эти вопросы, а также многие другие будут рассмотрены ниже.

Особенности дизельного двигателя

Итак, прежде чем затрагивать какие-либо конкретные параметры, следует определиться, что же, вообще, представляет собой дизельный двигатель. История данного типа моторов начинается в далеком 1824 году, когда известный французский физик выдвинул теорию о том, что можно произвести нагрев тела до необходимой температуры путем изменения его объема. Другими словами, осуществив стремительное сжатие.

Однако практическое применение этот принцип нашел спустя несколько десятилетий, и в 1897 году был выпущен первый в мире дизель-мотор, его разработчиком является немецкий инженер Рудольф Дизель. Таким образом, принцип работы подобного двигателя заключается в самовоспламенении распыленного топлива, взаимодействующего с разогретым в процессе сжатия воздухом. Сфера применения такого мотора довольно обширна, начиная со стандартных автомобилей, грузовиков, сельскохозяйственной техники и заканчивая танками и судостроением.

Достоинства и недостатки дизельного мотора

Теперь же следует сказать пару слов обо всех плюсах и минусах подобных конструкций. Начнем с положительных сторон. Моторы данного типа работают практически на любом горючем, поэтому к качеству последнего не предъявляются какие-либо серьезные требования, более того, с увеличением его массы и содержания атомов углерода повышается и теплотворная способность движка, а, следовательно, и его эффективность. Его КПД иногда переваливает за отметку 50%.

Автомобили с такими моторами более «отзывчивые», а все благодаря высокому значению вращающего момента на низких оборотах. Поэтому такой агрегат приветствуется на моделях спортивных машин, где нельзя не газовать от души. Кстати, именно этот фактор поспособствовал широкому распространению данного типа мотора на большие грузовые авто. Да и количество СО в составе выхлопных газов дизельных моторов значительно ниже, чем у бензиновых, что также является несомненным преимуществом. Кроме того, они намного экономичнее, да и раньше топливо стоило значительно ниже бензина, хотя на сегодняшний день их цены практически сравнялись.

Что же насчет недостатков, так они носят следующий характер. В связи с тем, что во время рабочего процесса возникает огромная механическая напряженность, детали дизельного двигателя должны быть более мощными и качественными, а, значит, и более дорогостоящими. Кроме того, это сказывается и на развиваемой мощности, причем не с самой лучшей стороны. Экологическая сторона вопроса сегодня очень важна, поэтому ради снижения выброса выхлопных газов общество готово платить за более «чистые» моторы и развивают это направление в исследовательских лабораториях.

Еще одним значительным минусом является вероятность застывания топлива в холодное время года, так что если вы живете в регионе, где преобладают довольно низкие температуры, то дизельное авто не самый лучший вариант. Выше было сказано, что к качеству горючего не предъявляются серьезные требования, однако это касается только лишь масляных примесей, а вот с механическими ситуация обстоит намного серьезней. Детали агрегата очень чувствительны к подобным добавкам, кроме того, они быстро выходят из строя, а ремонт довольно сложный и дорогостоящий.

Основные параметры агрегатов на дизеле

Прежде чем отвечать на вопрос, какая рабочая температура у дизельного двигателя, стоит немного уделить внимание и его основным параметрам. К ним относится тип агрегата, в зависимости от количества тактов могут быть четырех- и двухтактные моторы. Также немалое значение имеет количество цилиндров с их расположением и порядком работы. На мощность транспортного средства существенно влияет и крутящий момент.

Читайте также  Ремонт и замена акб своими руками

Теперь же рассмотрим непосредственно влияние степени сжатия газово-топливной смеси, которой, собственно говоря, и определяется рабочая температура в цилиндрах дизельного двигателя. Как уже было сказано вначале, мотор работает за счет воспламенения паров топлива при взаимодействии их с раскаленным воздухом. Таким образом происходит объемное расширение, поршень поднимается и, в свою очередь, толкает коленчатый вал.

Чем большим будет сжатие (температура также повышается), тем интенсивнее происходит выше описываемый процесс, а, следовательно, и повышается значение полезной работы. Количество топлива остается неизменным.

Однако имейте в виду, что для наиболее эффективной работы двигателя топливно-воздушная смесь должна равномерно гореть, а не взрываться. Если же сделать степень сжатия очень большой, это приведет к нежелательному результату – неконтролируемому воспламенению. Кроме того, подобная ситуация не только способствует недостаточно эффективной работе агрегата, но и ведет к перегреву и повышенному износу элементов поршневой группы.

Фазы сгорания топлива и природа выхлопных газов

Как же осуществляется процесс сгорания топливно-воздушной смеси в дизельных моторах и какая при этом температура в камере? Итак, весь процесс работы двигателя можно разделить на четыре основные стадии. На первой происходит впрыскивание горючего в камеру сгорания, происходящее под высоким давлением, что и является началом всего процесса. Затем хорошо распыленная смесь самовоспламеняется (вторая фаза) и горит. Правда, далеко не всегда топливо во всем объеме достаточно хорошо перемешивается с воздухом, есть еще и зоны, имеющие неравномерную структуру, они начинают гореть с некоторым запозданием. На данном этапе вероятно возникновение ударной волны, но она не страшна, так как не приводит к детонации. Температура же, царящая в камере сгорания, достигает 1700 К.

Во время третьей фазы образуются капли из неотработанной смеси, они при повышенных температурах превращаются в сажу. Такой процесс, в свою очередь, приводит к высокой степени загрязнения выхлопных газов. В этот период температура еще более возрастает на целых 500 К и достигает значения 2200 К, при этом всем давление, напротив, постепенно понижается.

На последнем же этапе происходит догорание остатков топливной смеси, чтобы она не выходила в составе выхлопных газов, существенно загрязняя атмосферу и дороги. Для этой стадии характерен недостаток кислорода, это происходит из-за того, что его большая часть уже сгорела на предыдущих фазах. Если подсчитать все количество потраченной энергии, то она будет составлять около 95 %, оставшиеся же 5% теряются в связи с неполным сгоранием горючего.

Регулируя степень сжатия, а точнее, доведя ее до максимально допустимого значения, можно немного снизить расход топлива. В этом случае температура отработанных выхлопных газов дизельного двигателя будет находиться в пределах от 600 до 700 °С. А вот в аналогичных карбюраторных моторах ее значение может достигнуть целых 1100 °С. Поэтому получается, что во втором случае теряется намного больше тепла, а выхлопных газов вроде как больше.

Рабочая температура двигателя зимой – как стартовать правильно?

Наверняка не только владельцы транспортных средств, на которых стоит дизельный мотор, знают, что автомобиль следует прогреть несколько минут перед началом движения, особенно это актуально в холодное время года. Итак, рассмотрим особенности данного процесса. Первыми подвергаются нагреву поршни и только потом уже блок цилиндров. Поэтому температурные расширения этих деталей отличаются, а не разогревшееся до нужной температуры масло имеет густую консистенцию и не поступает в необходимом количестве. Таким образом, если начать газовать на недостаточно прогретом авто, то это негативно скажется на резиновой прокладке, расположенной между вышеуказанными деталями и элементами двигателя.

Однако опасность представляет и чрезмерно длительное прогревание движка, потому как в это время все детали работают, так сказать, на износ. А, следовательно, и их эксплуатационный срок сокращается. Как же правильно осуществить данную процедуру? Сначала необходимо на холостых оборотах довести температуру жидкости до отметки 50 °С и после этого начать движение, но только на пониженной передаче, не превышающей 2500 об/мин. После того как масло нагреется до отметки, когда рабочая температура равна 80 °С, можно и прибавить оборотов двигателя.

Все эти методы помогут сберечь мотор, если он все-таки работает зимой, а вот как быть, если он отказывается реагировать на ваши действия? Тут тяжело что либо советовать уже по факту проблемы, проще ее не допустить. Это стало возможным благодаря новому изобретению производителей топлива – присадкам, которые помогают составу не парафинзироваться. Кроме возможности добавлять их самостоятельно, вы можете приобретать уже готовую солярку с оптимальными пропорциями этих добавок. В большинстве регионов с низкой зимней температурой она появляется на заправках уже в первые небольшие морозы, называется часто как ДТ-Арктика.

Что происходит в камере сгорания дизельного двигателя?

Сам процесс горения происходит при наличии нескольких компонентов – материала горения, кислорода в нужном объеме и источника воспламенения. Помимо пламени или искры источником воспламенения может стать нагрев. Как известно, дизельное топливо самовоспламеняется именно от нагрева. Воспламенение происходит в результате сжатия воздуха в цилиндре до нужной температуры. При этом температура воспламенения растет по мере роста давления, а температура самовоспламенения топлива уменьшается с ростом давления. Таким образом, топливовоздушная смесь в дизельном двигателе легко воспламеняется при высоком давлении, и это происходит тем лучше, чем больше разница этих температур.

Стоит сразу оговориться, что дизельный двигатель работает с хорошей отдачей только тогда, когда в нем хорошо сгорает топливо. При этом высокое давление в цилиндре и правильный впрыск топлива являются ключевыми факторами для горения дизтоплива.

Что происходит в камере сгорания дизельного двигателя?

Этот процесс можно описать так. Топливо из форсунки впрыскивается в цилиндр дизельного двигателя, распыляется и самовоспламеняется, и пламя распространяется по всему цилиндру. В этот момент впрыск прекращается, а несгоревшее топливо продолжает догорать. Таким образом, весь процесс горения, которое продолжается совсем короткое время, можно разбить на несколько отдельных этапов.

Этап от впрыска топлива до начала его горения – период задержки воспламенения. В этой фазе форсунки впрыскивают горючее, оно распространяется в виде тумана в воздухе, нагретом высоким давлением. Этот туман состоит из микроскопических капель топлива, но мгновенно оно не воспламеняется, так как прежде ему нужно испариться под воздействием горячего воздуха. Топливо перемешивается с воздухом и нагревается до температуры самовоспламенения. Очень важно, чтобы период задержки воспламенения был максимально коротким, так как именно от эффективности этого этапа зависят последующие этапы горения.

С начала воспламенения и до момента, когда пламя распространилось по всему цилиндру, – это второй этап, называемый периодом распространения пламени. В этот момент смесь воздуха с топливом, образовавшаяся в предыдущий период, начинает возгорать. Она воспламеняется именно в тех местах, где топливо хорошо перемешалось с воздухом. Горение воздушно-топливной смеси повышает температуру внутри цилиндра, а это увеличивает давление в камере сгорания. Из-за этого ускоряются испарение топлива и его перемешивание с воздухом. В это время пламя быстро распространяется по всей топливной смеси, образовавшейся в период задержки воспламенения. В момент начала горения топлива давление в камере сгорания резко увеличивается. Однако, если период задержки воспламенения длится слишком долго, это приводит к неправильной работе всего мотора.

Решения для ремонта

Одна из ключевых особенностей современной системы впрыска дизельных двигателей Common Rail – высокое давление в топливной рампе, достигающее 2500 и более бар. Для его поддержания во многих современных автомобилях (как легковых, так и легких коммерческих) используется топливный насос высокого давления Bosch CP4. Помимо высокой эффективности он обладает еще целым рядом преимуществ по сравнению с моделями предыдущего поколения, включая небольшие габариты и вес. Bosch предлагает эффективные комплексные решения в области обслуживания систем Common Rail в целом, позволяя дизельным мастерским выполнять весь спектр услуг – от первичной диагностики систем впрыска до ремонта инжекторов и ТНВД. Задачу первичной диагностики успешно выполняют системные сканеры Bosch KTS, позволяющие определить неисправность в системе Common Rail благодаря высокоэффективному программному обеспечению Bosch ESI[tronic] 2.0. Дальнейшая локализация проблемы в системе проводится при помощи комплекта Bosch Diesel Set 3.1, который содержит все необходимое для оценки работоспособности ТНВД и клапана регулировки давления. После выявления неисправных узлов и демонтажа инжекторов или топливного насоса высокого давления проводится их проверка на стенде Bosch EPS 708 или 815. Благодаря выпуску специальных наборов дооснащения диагностические стенды Bosch позволяют проводить испытания насосов любых поколений. Новый комплект оборудования Bosch для ремонта ТНВД CP4 позволяет производить проверку, полную разборку и ремонт насоса в точном соответствии с утвержденной технологией ремонта. В состав комплекта входят специализированные инструменты и инструкции для выполнения требуемых процедур.

Третий этап – до момента окончания впрыска – период прямого горения. Форсунка продолжает впрыскивать топливо, которое сгорает немедленно, контактируя с открытым пламенем в камере сгорания. К этому этапу пламя распространяется уже по всей камере, а давление достигает максимального показателя.

Четвертый этап – до окончания горения – называется догорание. На этом этапе несгоревшее топливо должно полностью сгореть. Поршень движется вниз, в результате давление и температура падают. Однако для полного сгорания топлива нужно высокое давление в камере сгорания, которое обеспечивает самовоспламенение топлива, а также правильный впрыск топлива, произошедший в нужный момент и в требуемом объеме. В противном случае распространение пламени существенно повышает температуру в камере сгорания, и топливо загорается немедленно. А когда впрыск заканчивается, оставшееся топливо продолжает гореть.

В случае, когда давление в цилиндре меняется, водитель может услышать длительный стук или металлический звук. Такое возникает в условиях, когда давление в цилиндре понижается и смеси требуется больше времени, чтобы достичь температуры воспламенения. Из-за низкой компрессии удлиняется период самовоспламенения. И когда смесь все же возгорится, количество топлива в камере будет больше, чем то, что необходимо для нормального режима работы. Одномоментно воспламенится большое количество топлива, что приведет к резкому увеличению давления и росту температуры в камере. По этой причине возникает ударная волна, которая действует на днище поршня и стенки цилиндра и производит металлический стук.

По причине низкой компрессии может возникать и белый дым. Это происходит тогда, когда давление падает и топливо не самовоспламеняется при достижении поршня самой высокой мертвой точки. Когда поршень идет вниз, температура падает, и пламя не успевает распространиться. Дизтопливо продолжает испаряться в периоды прямого горения и догорания. Несгоревшее горючее выбрасывается из цилиндра в конце периода дожига, и именно поэтому возникает белый дым. Он может также появиться при позднем впрыске топлива. Компрессия и температура в камере сгорания достигают необходимого уровня, однако из-за слишком позднего впрыска у топлива не остается достаточно времени для того, чтобы испариться. И тогда воспламенение дизтоплива происходит, когда поршень начинает движение вниз. В этот момент давление и температура начинают падать, и пламя не успевает распространиться по всей камере сгорания, а потому и горение быстро прекращается. При этом испарение топлива продолжается, и его несгоревший остаток выбрасывается из цилиндра.

Читайте также  Лучшие двигатели мира топ-10 лучших моторов всех времен на планете

По причине большого объема впрыскиваемого топлива возникает черный дым. Если в камеру сгорания впрыскивается нормальный объем топлива, капли перемешиваются с воздухом, и топливо эффективно сгорает. Но при большом количестве топлива в условиях ограниченного объема кислород в камере полностью выгорает в период горения, а у оставшегося топлива просто не остается достаточно воздуха для перемешивания. А несгоревшее топливо преобразуется в углерод, который и вызывает черный дым.

Повысить КПД

Современные конструкторы ищут способы, чтобы увеличить КПД дизельного двигателя и понизить при этом токсичность отработавших газов в течение всего срока службы автомобиля. Одним из способов повысить КПД двигателя и снизить уровень вредных выбросов является более точное управление системой впрыска топлива. Дизельные форсунки могут распылять топливо до 10 раз в каждом рабочем цикле двигателя, поэтому прецизионное управление каждым отдельным моментом впрыска позволяет еще больше повысить топливную экономичность, снизить уровень вредных выбросов и уменьшить уровень шума в течение всего срока службы двигателя.

Инженеры Delphi разработали технологию управления насос-форсункой с обратной связью, реализуемую посредством аппаратного и программного обеспечения. С ее помощью поддерживается максимальная эффективность впрыска в течение продолжительного времени. Это достигается за счет использования дополнительного электрического провода внутри корпуса насос-форсунки, игла которой действует в качестве «электрического выключателя». Данный процесс обеспечивает передачу сигнала управления в реальном времени, что является более точным и более экономически выгодным решением, чем те, что реализованы в аналогичных системах.

Посылая электрический ток по игле распылителя, Delphi распознает моменты контакта иглы с седлом, ограничителем подъема или нахождения между этими двумя положениями. Этот процесс позволяет системе непрерывно перекалибровывать все моменты подачи топлива на протяжении всего срока службы автомобиля. Сочетание электрического выключателя и нового алгоритма управления создает уникальное решение, которое обеспечивает высокую точность многофазного впрыска. Такая конструкция работает независимо от настроек параметров впрыска и сгорания топлива, а также сложности конструкции двигателя или силовой установки.

Использование в конструкции форсунки «выключателя» и нового алгоритма работы электронного блока управления позволило инженерам добиться снижения уровня вредных выбросов и предложить эффективное решение для сложных технических задач.

Какая компрессия в дизельном двигателе

Принцип работы дизельных силовых агрегатов основан на воспламенении топливной смеси в цилиндрах под высоким давлением. В отличие от бензинового мотора в дизеле отсутствует система искроподачи с помощью наконечников электродов на свечах: обогащённая кислородом смесь подаётся в камеру сгорания, где высокая температура образуется в процессе сжатия. Вместо образования электрической искры дополнительный предпусковой нагрев обеспечивают свечи накаливания.

Основной параметр для диагностики состояния дизельного двигателя– компрессия, от которой зависит мощность и стабильная работа механизмов цилиндропоршневой группы.

Что такое компрессия в дизельном двигателе

Компрессия – это показатель давления в цилиндре, которое создаётся поршнем в максимальной высшей (мёртвой) точке такта. В технической литературе принято использовать аббревиатуру ВМТ (высшая мёртвая точка). Величина измеряется в кг/см² и зависит от двух основных факторов:

  • Нарушение герметичности камеры сгорания: происходит утечка воздуха, давление в системе падает. Изношенность клапанов, узлов цилиндропоршневой группы, либо неправильная регулировка газораспределительного механизма приводит к снижению компрессии.
  • Состояние коленчатого вала и скорость его вращения: потеря стабильных оборотов приводит к тепловым потерям при сжатии воздуха поршнем. Показатель степени сжатия становится ниже нормы, что напрямую влияет на энергию, которая образуется в результате образования рабочих газов при сгорании топливной смеси в цилиндрах.

Быстрый износ механизмов ЦПГ (цилиндропоршневой группы) зависит от качества смазочных материалов, интенсивности нагрузок в период эксплуатации, количества холодных пусков при минусовой температуре воздуха и часов работы на максимальных оборотах. Некорректная регулировка клапанной системы способствует образованию нагара на стенках камеры сгорания, гильзах цилиндров, коксованию поршневых и маслосъёмных колец. В результате недостаточного давления топливная смесь сгорает не полностью, смешивается с остатками масла, оставляя продукты гари, сажи на узлах ЦПГ. Первый признак изношенности в таком случае– дымный выхлоп и падение мощности двигателя.

Во время запуска и срабатывания стартера коленчатый вал в дизельном агрегате вращается со скоростью 200-300 об/мин: чем выше крутящий момент- тем выше компрессия. Если давление в камере сгорания будет ниже 16 атмосфер- то дизель завести обычным способом с ключа становится невозможным. Теплопотери вызывают уменьшение показателя степени сжатия и нарушению регулировки фаз газораспределения.

Важно! Продолжительная эксплуатация дизельного агрегата с некорректной работой газораспределительного механизма приводит к выходу из строя всего блока цилиндров. Вплоть до заклинивания поршней без возможности восстановления и капитального ремонта.

Норма компрессии в цилиндрах дизельного двигателя

В зависимости от мощности силового агрегата, типа конструкции его камеры сгорания и системы впрыска, норма компрессии может быть разной. Ее необходимо искать в техническом описании каждой конкретной марки. Ниже указаны стандартные показатели соотношения температуры запуска и компрессии, при котором возможен пуск дизельного двигателя любого типа:

  • Менее 18 кг/см² – запуск двигателя невозможен даже с принудительным подогревом системы;
  • 22-24 кг/см² – пуск возможен только на горячем агрегате, после падения температуры ниже 0° С гарантирован отказ запуска со стартера;
  • 24-26 кг/см² – запускается при температуре воздуха – 10° С;
  • 26-28 кг/см² – максимальная температура запуска – 15° С;
  • 28-32 кг/см² – возможен холодный пуск до – 25° С;
  • 32-36 кг/см² – возможен холодный пуск до – 30° С;
  • 36-40 кг/см² – возможен холодный пуск до – 40° С.

Эти нормы компрессии применяют только при исправности всех остальных систем, отвечающих за работу мотора: подача топлива (топливный насос высокого давления), 100% заряд аккумуляторной батареи, исправные узлы ГРМ. Современные типы дизелей с раздельной камерой сгорания и системой впрыска топливной смеси «Common Rail» имеют лучшие результаты: на каждый показатель компрессии в среднем будет плюс пять температурных значений. Так же погрешность увеличивается с количеством цилиндров в агрегате и типом компоновки: V-образные на 6 и 8 цилиндров имеют большее преимущество перед обычными рядными четырёхцилиндровыми.

Как замерять давление в цилиндрах

Снятие показателей компрессии выполняют при помощи специального прибора – компрессометра. Компрессометр работает по принципу манометра: переходник с конструкцией наконечника форсунки или свечи накаливания предназначен для установки в головку блока цилиндров и имеет запорный клапан, который препятствует потере давления во время измерений. Простые устройства снабжены обычной шкалой со стрелкой, более точные профессиональные приборы – электронные цифровые, либо синхронизированы с компьютером.

Внимание! Компрессометр должен быть откалиброван с точностью до 0,1 кгс/см² – в противном случае результаты замеров не будут соответствовать нормам.

Перед измерением дизельный двигатель прогревают на максимальных оборотах до рабочей температуры масла, проверяют работу стартера и состояние заряда аккумуляторной батареи в 100%. Каждый цилиндр замеряют по отдельности.

  • из головки блока вывернуть свечу накаливания или форсунку (в зависимости от типа дизельного агрегата);
  • штуцер переходника компрессометра вставляют на место свечи (форсунки), убедившись в герметичности штатного соединения;
  • включают зажигание, не запуская двигатель до поворота стартера – первичный оборот коленчатого вала (скорость вращения должна быть не менее 200 об/мин);
  • снимают результат замера (в верхней мёртвой точке хода цилиндра);
  • замеряют компрессию в остальных цилиндрах подобным образом;
  • сверяют показатели компрессии всех цилиндров;
  • далее в каждый цилиндр впрыскивают около 50 мл масла;
  • коленчатый вал проворачивают насколько раз стартером со снятыми форсунками (свечами);
  • устанавливают форсунки на места и проводят новые замеры на каждом цилиндре вновь;
  • сверяют разницу показаний с первым замером.

При сверке обращают внимание на расхождение показателя компрессии каждого цилиндра: минимальная погрешность не должна превышать 1 кгс/см². Равные величины замеров свидетельствуют об одинаковом износе узлов и механизмов цилиндропоршневой группы.

Если результаты второго измерения превышают допустимую норму погрешности, то значит система негерметична. Возможные причины нарушений в таком случае: нарушения зазоров клапанов (дефекты), износ поршневых колец, утечка в корпусе головки блока цилиндров (прогар), поломка чашки поршня. При обнаруженной недостаточной компрессии двигателя диагностируют и устанавливают причину неисправности.

Почему компрессия может понижаться

Падение давления в цилиндрах сопровождается следующими характерными признаками:

  • отказ запуска двигателя при низкой температуре либо плохое срабатывание системы зажигания;
  • во время работы на холостых оборотах происходит «троение»;
  • падение мощности с нестабильными оборотами;
  • повышенный расход топлива;
  • чрезмерное потребление масла;
  • посторонние примеси выхлопных газов (дымный выхлоп);
  • сильный шум, вибрации во время открывания дроссельной заслонки.

Пониженная компрессия возникает из-за утечек воздуха в системе газораспределительного механизма, блока цилиндров либо износа элементов и узлов цилиндропоршневой группы. ГРМ может некорректно работать по причине образования нагара на чашках клапанов, поломки приводных механизмов (пружин, седла). Для выявления конкретной причины проводят диагностику клапанной системы – измеряют зазоры клапанов.

В случае износа деталей ЦПГ (цилиндропоршневой группы) демонтируют головку блока цилиндров с целью нахождения изношенной чашки поршня, прокладок, поршневых колец или рабочей поверхности цилиндров. Прогары, трещины на корпусе головки блока можно установить визуально.

Способы устранения проблем

При обнаружении пониженной компрессии проводят полную проверку всех систем. Современные методы диагностики с помощью специального сканера «G‑Scan» позволяют установить причину поломки с точностью до конкретного узла на основе анализа данных топливной смеси, значений компрессии и различных показаний датчиков. Сканер учитывает записи журнала ЭСУД (электронной системы управления двигателем), где отклонения в работе систем детализированы, все сбои в механизмах ГРМ учтены согласно кодам ошибок.

Бортовая компьютерная диагностика обеспечит точное определение нарушения, которое можно пропустить при визуальном осмотре. Например, в процессе недостаточной подачи топливной смеси в цилиндр из-за нарушения зазора какого-либо клапана, блок-контроллер на основании показаний кислородного датчика регулирует дополнительный впрыск на конкретный цилиндр, отдавая команду на исполнительное устройство. При обычной проверке с измерением зазоров всех клапанов, установить причину нагара на конкретном участке бывает невозможно.

Читайте также  На трассе м4 «дон» подорожает проезд

Причина снижения давления может быть из-за незначительной утечки воздуха, когда для исправления достаточно простой регулировки или замены прокладки. В случае серьёзного износа важных механизмов ЦПГ потребуется капитальный ремонт двигателя.

Как завести мотор при недостаточной компрессии

При низких показателях компрессии дизельный агрегат не запускается обычным проворотом стартера. Если пуск производится в минусовую температуру на холодном моторе- то усилие для нормальной скорости вращения коленчатого вала требуется большее, так как масло на морозе становится более вязким. Для подогрева кардана используют обычную паяльную лампу, которую устанавливают внизу и разогревают системы двигателя горячим воздухом.

Искусственно повысить компрессию для разового холодного пуска можно также созданием масляной плёнки в цилиндрах. Для этого выворачивают свечи накала, либо форсунки и заливают моторное масло с помощью шприца прямо в камеру сгорания, объёмом не более 50 мл. Повторяют всю процедуру на каждом цилиндре в отдельности. После проворачивают коленчатый вал, чтобы на стенках образовалась равномерная масляная плёнка, которая обеспечит создание герметичности во время пуска. Используя такой способ нужно проследить распределения масла в цилиндра, до запуска двигателя поршень должен сделать несколько тактов стартером, чтобы избежать гидроклина.

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси. Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода. Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

  1. Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
  2. Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой. При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна. Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

  1. Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
  2. Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
  3. Нагрузка. С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.
  4. Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

  1. Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
  2. Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.
  3. Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано. Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: