Режимы работы дизельного двигателя

Повышение прочности, надежности и срока службы – одна из основных задач, которую ставят перед собой производители дизельных двигателей. Вопросы эксплуатации дизелей можно разделить на две основные группы. Первую составляют вопросы, относящиеся непосредственно к двигателю: собственные характеристики, влияние различных факторов на его рабату и экономичность, особенности режимов работы дизельного двигателя, такие как пуск и прогрев. Вторую составляю качество топливо и все, что с этим связано. Вот о том, какими бывают режимы работы дизельного двигателя, мы и поговорим в этой статье.

Режим пуска дизельного двигателя

Пуск двигателя охватывает следующие процессы: прокручивание стартером кривошипно-шатунного механизма, вос­пламенение смеси в цилиндрах и увели­чение оборотов коленчатого валя до ре­жима холостого хода. Разогретый в ходе сжатия воздух должен воспламенить впрыснутое топливо (начало сгорания). Необходимая для воспламенения дизель­ного топлива минимальная температура составляет около 250°С.

Эта температура должна гарантиро­ваться с необходимой надежностью при низкой частоте вращения коленчатого вала, низких температурах окружающей среды и низкой температуре охлаждаю­щей жидкости (холодный двигатель).

Рис.1 Рис.2

Рис.1 : Двигатель: 6 цилиндровый дизель грузового автомобиля с системой впрыска Common Rail. Режим эксплуатации: n -1400 об/мин -1 , нагрузка — 50 %. Изменение продолжительности впрыска в данном случае производится путем изменения давления впрыскивания. Рис. 2 : t_a — температура окружающей среды; t_z — температура воспламенения дизельного топлива; a_t — угол термодинамических потерь n — 200 мин -1

Чаще всего быстрый пуск дизеля ос­ложняется нижеперечисленными причи­нами.

• Чем ниже частота вращения колен­чатого вала, тем ниже конечное дав­ление сжатия и соответственно ко­нечная температура (рис. 1 «Зависимость давления и температуры окончания сжатия от частоты вращения коленчатого вала«). Причи­нами этого являются утечки заряда, которые происходят в зазорах порш­невых колец между поршнем и стен- кип цилиндра, а также из-за еще не образовавшейся первоначальной масляной пленки. Из-за потери тепла во время сжатия максимум темпера­туры сжатия приходится на угол за несколько градусов до ВМТ (угол термодинамических потерь, рис. 2 «Зависимость текущей температуры сжатия от утла поворота коленчатого вала«).
• На холодном двигателе происходят значительные потери тепла на так­те сжатия. У двигателей с разделен­ными камерами сгорания эти поте­ри особенно высоки из-за большей поверхности камер сгорания.
• Из-за увеличенной вязкости мо­торного масла при низкой темпера­туре пуск осложняется повышен­ным механическим трением в кри­вошипно-шатунном механизме.
• Частота вращения вала стартера особенно снижается из-за падаю­щего на холоде напряжения акку­муляторной батареи.
• При низких температурах в непод­готовленном к зимним условиям эксплуатации топливе может кри­сталлизоваться парафин.

Чтобы компенсировать эти пробле­мы, желательно предпринять некоторые действия.

Решение проблем с дизельным топливом

При помощи подогрева фильтра или непо­средственно самого топлива можно решить проблему образования кристаллов парафина.

Рис. 3 Рис. 4

Рис. 3 : 1. Топливный бек 2. Устройство для подогрева топлива 3. Топливный фильтр 4. Топливный насос высокого давления (ТНВД). Рис. 4 : Материал спирали свечей: 1. Никель (свеча накаливания S-RSK) 2. Железо кобальтовый сплав (свеча накаливания GSK2 второго поколения)

Кроме того, нефтяная промышленность выпускает топливо, предназначенное для использования в условиях холодного вре­мени года. При использовании такого «зимнего» топлива нет необходимости добавлять в него керосин, обычный бен­зин или специальные добавки (см. главу «Дизельное топливо»).

Системы предпускового подогрева

При непосредственном впрыске топли­ва облегчение пуска дизеля частично до­стигается подогревом воздуха во впуск­ном тракте (грузовые автомобили) или применением свечей накаливания (лег­ковые автомобили). У двигателей с раз­деленными камерами сгорания в пред­варительных и вихревых камерах при­меняются исключительно свечи накали­вания. Во всех случаях облегчаются ис­парение топлива и подготовка рабочей смеси, а также обеспечивается надежное ее воспламенение. Исправные свечи на­каливания требуют нескольких секунд предварительного нагрева, что делает возможным быстрый пуск (рис. 4 «Протекание по времени кривых температуры двух свечей накаливания в неподвижном воздухе«) дизе­ля. Кроме того, последнее поколение свечей накаливания имеет более низкую температуру нагретого состояния, что позволяет им дольше сохранять эту температуру. Это снижает как уровень эмиссии отработавших газов, так и уровень шума работы прогретого двигателя.

Изменение параметров впрыска

Одним из условии облегчения пуска яв­ляется увеличение стартовой цикловой подачи топлива для компенсации по­терь на конденсацию и утечки, а также для повышения крутящего момента двигателя в прогретом состоянии.

Другим условием является установка раннего момента начала впрыскивания для компенсации задержки воспламене­ния и обеспечения воспламенения в об­ласти ВМТ поршня, т. е. при наибольшей температуре конца сжатия. Оптималь­ный момент начала впрыскивания по возможности необходимо устанавливать с максимальной точностью.

Слишком рано впрыснутое топливо осаждается на холодных стенках цилин­дра. Из этого количества испаряется лишь малая доля, так как температура заряда воздуха еще слишком низка.

При слишком позднем впрыскива­нии топлива воспламенение происходит на такте расширения, и поршень приоб­ретает слишком малое ускорение. Для наилучшего распыливания топлива и распределения его по камере сгорания си­стема впрыска должна обеспечить соответствующую дисперсность распыления для быстрого и качественного смесе­образования (см. статью «Основы дизельного впрыскивания»).

Нулевая нагрузка

Нулевой нагрузкой называют все рабочие режимы двигателя, при которых он пре­одолевает только свое внутреннее трение и не развивает никакого крутящего мо­мента. В этом случае педаль подачи топ­лива (в дальнейшем будет использовать­ся более употребляемый термин «педаль га­за») может занимать любое положение. Возможна также любая частота враще­ния коленчатого вала, вплоть до срабаты­вания ограничителя частоты вращения.

Холостой ход

Холостым ходом называют режим с мини­мальной частотой вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке. Педаль газа в данном случае находится в свободном со­стоянии. Двигатель не развивает никакого крутящего момента, преодолевая лишь внутреннее трение. В некоторых изданиях вся область с нулевой нагрузкой называет­ся областью холостого хода. Наивысшая частота вращения коленчатого вала при нулевой нагрузке (т.е. частота, ограничива­емая регулятором) называется максималь­ной частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу.

Полная нагрузка

При полной нагрузке педаль газа полно­стью нажата или регулятор работает само­стоятельно, ограничивая максимальное количество подаваемого топлива. Двига­тель в стационарном режиме работы раз­вивает максимально возможный крутя­щий момент. При нестационарном режи­ме (с ограничением давления наддува) ди­зель в зависимости от имеющегося в на­личии воздуха выдает максимально воз­можный (более низкий по сравнению со стационарным режимом) крутящий мо­мент полной нагрузки. Доступен весь диа­пазон частоты вращения — от холостого хода до номинального значения.

Частичная нагрузка

Частичная нагрузка охватывает все обла­сти между нулевой и полной нагрузками. Двигатель выдает крутящий момент ме­жду нулевым значением и максимально возможными величинами.

Частичная нагрузка в режиме холостого хода

В этом особенном случае регулятор под­держивает частоту вращения холостого хода. Двигатель развивает крутящий мо­мент, величина которого может доходить до значения полной нагрузки.

Нижняя область частичных нагрузок

В данном рабочем диапазоне величины расхода топлива особенно благоприятны по сравнению с бензиновым двигателем. Стук, который отмечался на более ранних моделях, особенно на холодном двигате­ле, у дизелей с предварительным впры­ском топлива практически отсутствует.

Конечная температура сжатия — как описано в разделе «Пуск» — при низкой ча­стоте вращения коленчатого вала и неболь­шой нагрузке сравнительно мала. По сравнению с режимом полной нагрузки камера сгорания относительно холодная (даже на прогретом двигателе), так как тепловыделе­ние и вместе с этим повышение температу­ры невелики. Разогрев камеры сгорания происходит медленно. Особенно это касает­ся дизелей с вихревой камерон и с разделен­ными камерами сгорании, так как в этих случаях потери тепла особенно велики из- за большой поверхности теплоотвода.

При небольшой нагрузке и предвари­тельном впрыскивании топлива за один цикл в камеру сгорания подается несколь­ко кубических миллиметров топлива. В этом случае особенно высоки требования к точности задания момента начала впры­скивания. Так же, как и при пуске, наиболь­шая температура сгорания в режиме холо­стого хода возникает только вблизи ВМТ поршня. Момент начала впрыскивания должен определяться очень точно.

Во время фазы задержки воспламене­ния следует впрыскивать лишь неболь­шую часть цикловой подачи, так как мас­са топлива, находящегося в камере сгора­ния к моменту воспламенения, определя­ет скорость повышения давления в ци­линдре.

Шум сгорания непосредственно за­висит от степени повышения давления. Чем она выше, тем отчетливее проявля­ется шум. Предварительный впрыск около 1 мм’ топлива сводит задержку воспламенения основной доли цикловой подачи практически к нулю и тем самым существенно уменьшает шум сгорания (см. главу «Основы дизельного впрыски­вания»).

Принудительный холостой ход

В принудительном режиме двигатель приводится трансмиссией (например, при движении под уклон).

Стационарный режим

Развиваемый двигателем крутящий мо­мент соответствует требуемому. Частота вращения коленчатого вала остается не­изменной.

Нестационарный режим

Развиваемый двигателем крутящий мо­мент не соответствует требуемому. Часто­та вращения коленчатого вала изменяется.

Переход между режимами

Работа двигателя может описываться по­лями характеристик. Если изменяются, например, нагрузка, частота вращения ко­ленчатого вала или положение педали газа, двигатель изменяет свое рабочее со­стояние (например, частоту вращения ко­ленчатого вала, крутящий момент и т. д.). Поле характеристик на рис. 5 «Пример характеристики цикловой подачи топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и положения педали газа» показывает пример того, как изменяется частота вра­щения, если усилие нажатия педали газа изменяется с 40% до 70%.

Рис. 5

В данном поле характеристик работа двигателя переходит из рабочей точки А через полную нагрузку (В-С) в новую ра­бочую точку L), соответствующую час­тичной нагрузке. Там потребная и отдан­ная двигателем мощность сравниваются. Частота вращения коленчатого вала по­высилась с величины n_A до величины n_D.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЕ ПОЧИТАТЬ:

https://press.ocenin.ru/rezhimy-raboty-dizel/