Управление дизельным двигателем
Управление дизельным двигателем
- Управление дизельным двигателем
- Screenshot_1.jpg (194.18 КБ) 308 просмотров
Отличия дизельных и бензиновых двигателей
| Характеристика | Дизельный двигатель | Бензиновый двигатель |
| Коэффициент полезного действия | 2222 | 33333 |
| Воспламенение | ~35-40% | ~22-25% |
| Максимальная частота вращения (об/мин) | ~4500 | ~5500 |
| Степень сжатия | ~22 | ~10 |
| Содержание вредных веществ в отработавших газах | ||
| HC + NOx | ~1,10 г/км | ~1,4 г/км |
| SO2 + твердые частицы | ~0,22 г/км | - |
| CO | ~1,00 г/км | ~2,7 г/км |
Этапы развития систем управления дизельным двигателем
- Этапы развития систем управления дизельным двигателем
- Screenshot_2.jpg (106.95 КБ) 298 просмотров
Поскольку в дизельных двигателях воспламенение происходит в результате сжатия поступившего в цилиндры воздуха, то и степень сжатия значительно выше аналогичного показателя у искровых двигателей, сжимающих топливовоздушную смесь. Высокий показатель КПД говорит о том, что дизельный двигатель более экономичен, то есть имеет более низкий расход топлива. Общественная значимость и популярность дизельного двигателя обусловлены его низким расходом топлива, малым содержанием загрязняющих веществ в выхлопных газах и невысоким уровнем шума.
Этапы развития систем управления дизельным двигателем
К системам дизельным двигателям предъявляются все более жесткие требования из-за постоянного ужесточения экологических норм токсичности и требований к уровню шума, а также потребности в снижении расхода топлива. Одна из первых систем управления дизельным двигателем имела механический распределительный ТНВД (топливный насос высокого давления). Из-за не очень точного дозирования топлива в этих системах сложно было достичь высокой мощности и соответствия двигателя жестким экологическим нормам. Следующий этап развития ознаменовался появлением ТНВД распределительного типа с электронным управлением COVEC F фирмы Zexel. К последнему поколению систем дизельного впрыска относится аккумуляторная система непосредственного впрыска CRDI, которая включает в себя множество датчиков для определения условий и режима работы двигателя. Исполнительные механизмы регулируют режим работы двигателя и управляются электронным устройством или блоком управления (ЭБУ). Блок управления обрабатывает сигналы от датчиков, находит оптимальный режим работы двигателя и обеспечивает его путем управления исполнительными механизмами. Чтобы понимать принципы управления, необходимо знать, как работает дизельный двигатель.
Основы процесса сгорания
- Основы процесса сгорания
- Screenshot_3.jpg (150.13 КБ) 297 просмотров
Как упоминалось ранее, в дизельном двигателе воспламенение происходит от сжатия. Топливовоздушная смесь образуется в камере сгорания. Форсунки установлены в головке блока цилиндров, они подают топливо непосредственно в камеру сгорания, где и происходит его смешивание с воздухом. Во время такта впуска поршень движется вниз, и воздух поступает в цилиндр через открытый впускной клапан, при этом дроссельная заслонка отсутствует. Во время такта сжатия движущийся поршень сжимает заключенный в цилиндре воздух до давления 32 35 бар. Степень сжатия составляет примерно 25. В результате сжатия воздух нагревается до температуры 800C. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо в разогретый воздух. Давление подачи топлива варьируется в пределах 250 1600 бар в зависимости от режима работы двигателя и типа применяемой системы впрыска. После задержки воспламенения, в самом начале рабочего хода распыленное топливо воспламеняется в сильно сжатом горячем воздухе и сгорает почти без остатка. В результате заряд топливовоздушной смеси в цилиндре продолжает разогреваться, и давление в цилиндре поднимается еще выше. Освобожденная при сгорании энергия воздействует на поршень. Под действием давления поршень движется вниз, при этом тепловая энергия преобразуется в механическую. Во время такта выпуска движущийся вверх поршень вытесняет отработавшие газы через открытый выпускной клапан. Новый заряд воздуха вновь поступает в цилиндр и рабочий цикл повторяется.
Дизельное топливо
Дизельное топливо — это нефтяная фракция, состоящая из множества углеводородных соединений. Дизельное топливо перегоняется из сырой нефти. Его основу составляют углеводороды с температурами кипения 250 350C при атмосферном давлении. Плотность дизельного топлива на 18% больше, чем у бензина. Однако дизельное топливо обычно содержит больше серы. В странах Европы нормы выбросов загрязняющих веществ вынуждают проводить очистку топлива от серы, так как она наносит вред окружающей среде. Содержание серы в топливе исключает применение каталитических сажевых фильтров, снижающих выхлоп вредных веществ. Но уменьшение содержания серы ведет к потере смазывающих свойств топлива. В этом случае в топливо добавляют специальные смазывающие присадки, необходимые для компонентов системы впрыска. Теплотворная способность дизельного топлива на 18% выше, чем у бензина, что в совокупности с высоким КПД дизеля обеспечивает двигателю высокую топливную экономичность.
Биодизельное топливо
Биодизельное топливо производят из растительного масла и животных жиров. Это топливо не производится из ископаемых энергоноситетелей и состоит из алкиловых или метиловых эфиров взамен алкановых и ароматических углеводородов дизельного топлива нефтяного происхождения. Однако компания KIA Motors не рекомендует использовать этот вид топлива в дизельных двигателях своих автомобилей.
Влияние состава смеси
- Влияние состава смеси
- Screenshot_4.jpg (200.63 КБ) 294 просмотра
- Влияние состава смеси
- Screenshot_5.jpg (55.89 КБ) 294 просмотра
В результате сгорания дизельного топлива образуется ряд продуктов сгорания. Их состав зависит от конструкции двигателя, системы подачи топлива, мощности и рабочей нагрузки. На первом месте стоят вода (Н2О) и безвредный углекислый газ (СО2). Кроме того, в достаточно малых концентрациях образуется еще несколько веществ:
- • оксид углерода (СО);
- • несгоревшие углеводороды (СН);
- • оксиды азота (NOx);
- • диоксид серы (SO2) и серная кислота (H2SO4);
- • твердые частицы сажи.
Если двигатель не перегрет, в процессе его работы образуется много не прореагировавших углеводородов из-за недостатка кислорода. Они проявляют себя в виде белого или голубоватого дыма, а альдегиды (частично окисленные углеводороды) вызывают неприятный запах.
Влияние состава смеси
Для снижения токсичности отработавших газов применяются следующие методы:
- • распыл топлива (под высоким давлением);
- • последовательный впрыск топлива;
- • изготовленные с высокой точностью сопла распылителей;
- • точное дозирование топлива топливными насосами;
- • камеры сгорания особой конструкции;
- • точный расчет геометрии факела распыла.
Помимо этих методов, снижению вредных веществ в отработавших газах способствует управление моментом впрыска топлива. Начало процесса сгорания зависит от момента начала впрыскивания топлива. Задержка впрыскивания приводит к снижению содержания кислорода и азота. Очень большая задержка приводит к появлению углеводородов. Незначительное отклонение момента начала подачи топлива, например, на 1° от номинального значения по углу коленчатого вала приводит к росту выбросов NОx и HC примерно на 15%.
Поэтому момент подачи топлива должен быть установлен очень точно. Наиболее предпочтительными в этом отношении являются электронные системы управления.
Турбонагнетатель/промежуточный охладитель
С ростом температуры подаваемого воздуха в цилиндры двигателя, оснащенного турбонагнетателем, повышается температура сгорания, и соответственно увеличиваются выбросы оксидов азота. Поэтому в двигателях с турбонагнетателем применяется промежу¬точный охладитель наддувочного воздуха. Это обеспечивает снижение выбросов NОx. Еще один способ снижения выбросов NОx — это рециркуляция отработавших газов (EGR).
Элементы системы дизельного впрыска топлива
- Элементы системы дизельного впрыска топлива
- Screenshot_6.jpg (175.29 КБ) 293 просмотра
В системе топливоподачи дизельного двигателя выделяют контур низкого давления и контур высокого давления. Система впрыска дизельного двигателя включает в себя следующие основные компоненты:
- • система топливоподачи: топливный бак, трубопроводы подачи топлива, топливный фильтр, топливоподкачивающий насос (электрический или механический), топливный насос высокого давления (ТНВД) и трубки высокого давления;
- • система холодного пуска: свечи накаливания, блок управления свечами накаливания (отдельный блок или модуль ЭБУ впрыска топлива);
- • система подачи воздуха: воздушный фильтр, система рециркуляции отработавших газов;
- • система выпуска отработавших газов (ОГ): нейтрализатор ОГ окислительного типа и сажевый фильтр (только c CRDI);
- • электронная система управления: датчики и исполнительные механизмы (только с электронно-управляемым ТНВД и с CRDI);
- • система управления вакуумом.
Топливный фильтр и влагоотделитель
- Топливный фильтр и влагоотделитель
- Screenshot_7.jpg (227.72 КБ) 292 просмотра
Загрязняющие вещества, содержащиеся в топливе, могут привести к выходу из строя системы впрыска. Поэтому устанавливается топливный фильтр, который предназначен для данной системы впрыска. Установка другого фильтра может привести к снижению ресурса двигателя. Вода в дизельном топливе содержится в виде эмульсии (то есть перемешана с топливом) или отдельно, например, при снижении температуры. Если вода попала в систему впрыска, она может привести к поломкам в результате коррозии.
Контрольная лампа состояния влагоотделителя
Рост числа автомобилей, оснащенных дизельным двигателем, привел к необходимости установки специального устройства, которое предупреждает водителя о необходимости удалить воду из влагоотделителя фильтра.
Процедура слива воды
Современные дизельные двигатели оснащены топливным фильтром с влагоотделителем, из которого необходимо сливать воду при проведении регулярного ТО или если загорелась контрольная лампа состояния влагоотделителя. Необходимо открутить сливную пробку, чтобы слить воду из фильтра. Если вода не выходит, следует отвернуть штуцер для удаления воздуха на верхней части топливного фильтра. Более подробная информация приведена в заводской инструкции.
Замена топливного фильтра
- 1. Очистить корпус топливного фильтра.
- 2. Снять корпус, повернув его против часовой стрелки.
- 3. Очистить от грязи места крепления.
- 4. Установить новый фильтрующий элемент, затянуть корпус, повернув его по часовой стрелке. Данные по моментам затяжки приведены в заводской инструкции.
Удаление воздуха
При замене любого компонента системы, из нее необходимо удалить воздух. В противном случае двигатель будет запускаться с трудом или неустойчиво работать. Процедура удаления воздуха различная для каждой модели. За более подробной информацией следует обращаться к заводской инструкции.
Редукционный клапан
Некоторые фильтры (например, Bosch CRDI) имеют редукционный клапан, который расположен на его крышке. При засорении фильтра или выходного отверстия давление резко возрастает и клапан открывается. В результате топливо возвращается в топливный бак.
Системы подогрева топлива
- Системы подогрева топлива
- Screenshot_8.jpg (199.95 КБ) 290 просмотров
При низких температурах дизельное топливо превращается в «гель». В топливе образуются кристаллы парафинов, и оно начинает мутнеть. Если такое топливо пропускать через фильтр, оно быстро забьет его микропоры. В результате через короткий промежуток времени топливо перестанет поступать в ТНВД. Это приведет к снижению мощности двигателя, или он просто заглохнет. Зимнее дизельное топливо не гарантирует плавной работы двигателя. Это топливо проходит тестирование в лаборатории при температуре 20C/ 4F (в зависимости от страны). Если температуры будут еще ниже, неизвестно, станет двигатель работать на таком топливе или нет. В любом случае возникнут перебои в работе двигателя, которые приведут к резкому повышению расхода топлива. Если топливный фильтр забит, только его подогрев поможет решить эту проблему. Здесь на помощь приходят системы подогрева топлива.
Подогреватель дизельного топлива Delphi (в фильтрующем картридже)
В системе впрыска топлива аккумуляторного типа Delphi в картридж фильтрующего элемента вмонтирована биметаллическая пластина. При низких температурах топливо из ТНВД возвращается в топливный фильтр, где смешивается с топливом, поступающим в ТНВД из топливного бака. В результате сжатия и трения в ТНВД топливо, направляемое в фильтр по магистрали обратного слива, сильно разогрето. В тот момент, когда температура топлива в фильтре достигнет примерно 40C, биметаллическая пластина выгибается и больше не удерживает шарик в открытом состоянии. Поэтому он перекрывает подачу нагретого топлива в фильтр из ТНВД. В результате все топливо, поступающее от ТНВД по магистрали обратного слива, будет направлено исключительно в топливный бак.
Система предварительного подогрева (Bosch/Delphi)
Два металлических диска соединены 4 полупроводниками. Подпружиненная пластина создает необходимое давление для обеспечения контакта. Полупроводники нагреваются от проходящего через них тока и нагревают топливо в фильтре. В системах Bosch устройство нагрева топлива расположено внутри, между крышкой и фильтрующим элементом. В системах Delphi оно размещено снаружи, на топливном фильтре. Устройство включается по сигналу от датчика температуры топлива, размещенного в корпусе фильтра.
Системы холодного пуска
- Системы холодного пуска
- Screenshot_9.jpg (182.83 КБ) 286 просмотров
Системы холодного пуска предназначены для повышения надежности запуска двигателя при низких температурах и ускорения прогрева воздуха в цилиндрах, что очень важно для снижения выбросов загрязняющих веществ. Включением свечей накаливания через силовое реле управляет электронный блок по сигналам множества датчиков: температуры охлаждающей жидкости, L линии (контролирующей бортовое напряжение), частоты вращения двигателя и количества впрыскиваемого топлива (для расчета времени послепускового подогрева). Они управляют не только продолжительностью работы свечей накаливания, но и выполняют функции контроля и безопасности. Чтобы избежать короткого замыкания, ток к свечам накаливания подается через контактный стержень или специальный резьбовой болт. В дизельном двигателе, как и в бензиновом, также есть режим включения зажигания и режим стартерного пуска. Сразу после включения зажигания начинается предпусковой подогрев и загорается соответствующая контрольная лампа. Когда контрольная лампа гаснет, свечи нагреваются до рабочей температуры и двигатель можно запускать. В этот момент топливо впрыскивается в хорошо прогретый, сжатый воздух. В результате сгорания топлива цилиндры двигателя еще больше прогреваются. Если предпусковой подогрев необходим для надежного пуска двигателя, то послепусковой подогрев обеспечивает ровную и плавную работу двигателя и снижение дымности в момент ускорения и на холостых оборотах. Кроме того, если двигатель холодный, предпусковой подогрев снижает уровень шума двигателя. Блок управления свечами накаливания может представлять собой отдельный блок или входить в ЭБУ двигателя. В последнем случае ЭБУ обеспечивает оптимальное и более точное управление режимом работы свечей накаливания в зависимости от условий работы двигателя.
Свеча накаливания
Свеча накаливания представляет собой металлическую трубку, защищенную от коррозии и высоких температур. Внутри трубки находится нагревательный элемент, помещенный в порошковый непроводящий уплотнитель. Нагревательный элемент состоит из двух последовательных сопротивлений: нагревательной спирали на конце трубки свечи и регулирующей спирали. Если сопротивление нагревательной спирали теоретически постоянно и не зависит от температуры, то сопротивление регулирующей спирали имеет положительный температурный коэффициент (PTC). Ее сопротивление быстро нарастает с увеличением температуры, в отличие от обычных (стандартных) свечей накаливания. Это означает, что такая свеча накаливания может достичь рабочей температуры гораздо быстрее (850C за 4 секунды). Кроме того, подобные свечи являются саморегулируемыми. Они сами ограничивают ток в зависимости от температуры, что не приводит к их перегреву. Поэтому после запуска дизельного двигателя свечи накаливания могут оставаться нагретыми до 3 минут.
Нагревательный элемент
Вместо свечей накаливания в системах Delphi CRDI может устанавливаться нагревательный элемент. Он расположен во впускном коллекторе. Принцип работы этого элемента такой же, как у свечей накаливания. Единственное отличие состоит в том, что в системе управления дополнительно используется сигнал датчика атмосферного давления для предупреждения возможности перегрева элемента вследствие изменения плотности воздуха.
Диагностика свечей накаливания
- Диагностика свечей накаливания
- Screenshot_10.jpg (163.35 КБ) 285 просмотров
Систему предпускового подогрева необходимо диагностировать, если есть жалобы на холодный пуск и дымление после запуска двигателя. В современных автомобилях с дизельным двигателем можно считать диагностические коды ошибок. Проверка свечей накаливания состоит в измерении потребляемого ими тока. Поэтому используют специальный токоизмерительный инструмент. Сила тока находится в пределах 10 15 А (более точная информация находится в заводской инструкции), поэтому суммарный ток для 4 цилиндрового дизельного двигателя составит примерно 40 60 А. Измеренное значение суммарного тока сравнивают с приведенными данными:
- 40 А — все свечи в порядке;
- 30 А — одна свеча неисправна;
- 20 А — две свечи неисправны;
- 10 А — три свечи неисправны;
- 0 А — все свечи неисправны.
Перед измерением сопротивления свечи необходимо очистить с помощью щетки. Если сопротивление равно бесконечности, свеча неисправна. Обычно сопротивление свечи ниже 1 Ом (точная информация приведена в заводской инструкции). Не рекомендуется подключать свечу напрямую к аккумуляторной батарее, так как это может привести к ее поломке. Также можно получить травму.
Типичные неисправности свечи накаливания вызваны неправильным моментом впрыска топлива, нарушением факела распыла, неравномерной подачей топлива по цилиндрам, неполным сгоранием из-за утечек масла через поршневые кольца и направляющие клапанов. Перед установкой свечи следует убедиться, что ее резьбовая часть не загрязнена. Всегда затягивайте свечи и контактный болт со строго определенным моментом, указанным в заводской инструкции.