История развития системы питания дизельного двигателя



История развития системы питания дизельного двигателя

Немного истории развития системы питания дизельного двигателя

Дизельный двигатель, вошел в жизнь автомобильной промышленности в 1895 году. Его изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель, в поисках альтернативного топлива. Первые серийные моторы были турбодизелями: рабочий процесс требовал подачи сжатого воздуха и конструкция получилась громоздкой.

Шло время, и другой немецкий инженер, Роберт Бош, в 1923 году разработал несколько конструкций форсунок для впрыска тяжелого нефтяного топлива, а в 1927 году и собственный двигатель с воспламенением от сжатия, с применением топливного насоса высокого давления. С появлением насосов высокого давления системы впрыска дизеля разделились на два типа. На долгие годы главенствующей в автомобильной промышленности стала насосная система.

В последние десятилетия появились форсунки с электромагнитным и электрогидравлическим приводом клапана, позволяющие применять электронное управление двигателем. Такая система была сложнее, а ее неоспоримые достоинства остались невостребованными на протяжении десятилетий. С довоенных времен ничего принципиально нового в рабочий процесс дизеля внесено не было. Тем не менее, очередная революция имела место. Имя ей — Common Rail, т. е. «общая магистраль». Суть событий свелась к использованию хорошо известной аккумуляторной системы, но на более высоком технологическом уровне.
Бытует мнение, что Common Rail — изобретение Robert Bosch AG. На деле все значительно сложнее.

Первый прототип системы был создан еще в 60-е годы в Швейцарии, но дальше дело не пошло из-за отсутствия электроники управления соответствующего уровня. Затем, уже в начале девяностых об аккумуляторной системе вспомнили инженеры японской корпорации Denso. Созданная ими система ECD-U2 устанавливалась на грузовики Hino Rising Ranger. Правда, японцы недооценили перспективы своего детища и в 1995 продали технологию другим автопроизводителям. Тем не менее лавры первооткрывателя Common Rail для автомобилестроения принадлежат им по праву.

Наибольший вклад в развитие системы внесли инженеры из Magnetti Marelli, Elasis и исследовательского центра Fiat. В 1997 году Common Rail появляется сначала на Alfa Romeo 156 1.9 JTD и лишь затем на Mercedes-Benz C 220 CDI. Можно сказать, что именно Fiat выдал Common Rail путевку в жизнь, но итальянский концерн переживал в тот период серьезные трудности, и практически готовая технология была продана компании Robert Bosch.

Особо горевать итальянцы не стали и, по мере улучшения финансового положения, продолжили разработку дизельной темы. В первом десятилетии XXI века их дизели признаются лучшими, а отдельные технические решения находят применение за пределами системы питания дизеля. Так, например, система регулирования фаз газораспределения MultiAir базируется на дизельных форсунках и соответствующей управляющей электронике. Сегодня 90% систем Common Rail выпускают четыре крупнейших производителя автомобильных комплектующих — Bosch, Delphi, Denso и Siemens.

Популярные, на сегодняшний день, малолитражки, но равные или превосходящие по мощности и крутящему моменту, мощные двигатели большого объема. Популизация автомобилей с дизельным двигателем, отвечающим жестким экологическим требованиям совреммености, перед которой не устояли даже Американцы, поклоняющиеся пяти литровым монстрам своего времени. Volkswagen, долгие годы пестовавший другое дизельное направление — насос-форсунки PD Diesel, полностью от них отказался и ставит Common Rail и на Audi Q7, и на VW Polo.
Кстати, во многом благодаря системе этот автомобиль с литровым мотором часто именуют трехлитровым: в ходе рекордного заезда он израсходовал меньше 3 л на 100 км, а японцы грозятся начать производство турбодизельного мотоцикла. Чем объясняется резкий рост ее популярности систем Common Rail?

Последней революцией было введение электронного управления моментом и продолжительностью (объемом) впрыска. Дальше пошла «эволюция», сводящаяся к совершенствованию отдельных компонентов и программного обеспечения и росту давления в аккумуляторе, доходящего до 2000 бар. Ставшее действительно высоким давление потребовало поиска новых материалов и конструкций, но принципиальных изменений в последние годы не было. Нет их и сейчас. Похоже, что не будет и в ближайшем будущем.

Дизель экономичнее бензинового двигателя, дешевле и дизельное топливо. Он имеет более высокий крутящий момент, притом в широком диапазоне скоростей вращения коленвала. Турбонаддув и аккумуляторный впрыск победили «вялость» и шумность атмосферного дизеля. Технические ухищрения вроде впрыска мочевины (AdBlue) и сажевого фильтра позволили снизить экологическую нагрузку. Уменьшивший расход топлива даунсайзинг помогает решить и проблему парниковых выбросов СО2.

В 1995 году в Японии была разработана система Denso? Которая пользуется наибольшей популярностью в Западной Европе.
В 2002 году инженеры компании представили систему Common Rail с рекордным в то время рабочим давлением 180 МРа (1800 бар) при пятикратном многоточечном впрыске за такт.
В 2008 году давление довели до 200 МРа (2000 бар). Система впрыска производится на заводах Denso в Венгрии, Таиланде и Японии.
С 2003 года компания производит сажевые фильтры из кордиерита (cordierite). В отличие от других конструкций такие фильтры имеют меньший вес и создают меньшее сопротивление потоку выхлопных газов, обеспечивая улучшение эксплуатационных характеристик двигателя и снижение содержания сажевых частиц в выхлопе.

Дизельный двигатель выгоден всем: и конечному потребителю, и обществу, и автопроизводителю. Не любят его только на автосервисе.
На первый взгляд это кажется странным. Для выявления абсолютного большинства неисправностей достаточно иметь электронный сканер и механический диагностический набор. Купить их может любой успешный автослесарь. Срок окупаемости — месяцы. Более дорогое современное оборудование обещает и больший доход. Разруха, увы, в головах. Сервисмены со стажем о дизельных двигателях для легковых автомобилей слыхом не слыхивали. Постсоветский развал системы профессионального образования, проходивший на фоне безудержного роста автомобильного парка, специалистов стране не добавил. В условиях дефицита услуг автосервис может выбирать из них самые для себя выгодные и нехлопотные.

Источник

Система питания дизельного двигателя

Когда в 1897 г. Рудольф Дизель создал первый работоспособный двигатель, он не мог предвидеть, какие изменения претерпит его идея. Особенно большие изменения в системе питания дизелей произошли в последние годы, что сделало эти двигатели более пригодными для применения не только на грузовых, но и на современных легковых автомобилях. Более дешевое топливо, высокая экономичность дизельных двигателей, по сравнению с бензиновыми, всегда привлекали автомобилистов, но широкое применение дизелей сдерживалось присущими им недостатками — шумностью при работе, повышенным дымлением и сложностью пуска холодного двигателя. Современные конструкции дизелей в большинстве не имеют этих недостатков.
Система питания дизеля обеспечивает подачу очищенного дизельного топлива к цилиндрам, сжимает его до высокого давления, подает его в мелкораспыленном виде в камеру сгорания и смешивает с горячим (700–900 °С) от сжатия в цилиндрах (3–5 МПа) воздухом так, чтобы оно самовоспламенилось. После завершения рабочего хода необходимо очистить цилиндры от продуктов сгорания.
Дизельное топливо отличается от бензина более высокой плотностью и смазывающей способностью. Для оценки способности дизельного топлива к самовоспламенению служит цетановое число. Существующие дизельные топлива имеют цетановое число 45–50; при этом для современных дизельных двигателей предпочтительнее более высокие числа.

Варианты впрыска топлива в камеру сгорания дизеля.
Разделенная (а) и неразделенные (б, в) камеры сгорания:
а — вихревая (фирма «Перкинс»);
б — дельтавидная (двигатель Д-245);
в — тороидальная (двигатель КамАЗ);
1 — вставка вихревой камеры;
2 — головка цилиндров;
3 — форсунка;
А — полость вихревой камеры;
Б — полость в поршне

Существует два варианта процесса смесеобразования в дизелях, обусловленных формой камеры сгорания. В первом варианте топливо впрыскивается в предварительную камеру (предкамеру), а во втором варианте впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания, выполненную в поршне.
Двигатели, выполненные по первому варианту, называются дизелями с разделенной камерой сгорания и обозначаются IDI (In Direct Injection), а выполненные по второму варианту — дизелями с непосредственным впрыском — DI (Direct Injection). Дизели с разделенной камерой сгорания мягче работают и меньше шумят. Тем не менее, двигатели с непосредственным впрыском все более широко используются на автомобилях, потому что их топливная экономичность примерно на 20 % выше.
Основной функциональной задачей систем питания двигателей обоих типов является подача точного количества топлива в соответствующий цилиндр и в точно определенное время. В высокооборотных дизелях легковых автомобилей процесс впрыска занимает всего тысячную долю секунды, и при этом впрыскивается только небольшая доза топлива.

Схема системы питания дизеля:
1 — топливный бак;
2 — подкачивающий насос;
3 — топливный фильтр;
4 — топливный насос высокого давления;
5 — форсунка;
6 — сливная магистраль

Для облегчения пуска дизеля в холодное время часто применяются свечи накаливания, которые отличаются от искровых свечей зажигания тем, что они являются просто электрическими нагревателями и подогревают холодный воздух перед подачей его в цилиндры двигателя в процессе пуска. Топливный бак должен удовлетворять требованиям безопасности. Топливо из бака поступает в нагнетательный трубопровод, а затем к топливному фильтру, с помощью подкачивающего насоса. Топливный фильтр должен очистить топливо от возможных загрязнений, чтобы механические примеси не попали в ТНВД и далее. К топливному баку присоединяется также сливной трубопровод, по которому в бак сливаются излишки топлива из ТНВД и форсунок.
Самым сложным и дорогим устройством системы питания дизеля является топливный насос высокого давления (ТНВД). При создании первых стационарных двигателей Рудольф Дизель выяснил, что для надежного самовоспламенения топлива оно должно подаваться в цилиндр под высоким давлением. В его конструкциях для этого использовался мощный и громоздкий компрессор. В 20-е годы. Роберт Бош разработал компактный и надежный ТНВД. Первый серийный ТНВД для грузового автомобиля был выпущен фирмой Bosch еще в 1927 году, а в 1936 был налажен выпуск ТНВД для легковых автомобилей.
ТНВД не только создает давление топлива, но и распределяет его по форсункам соответствующих цилиндров в соответствии с порядком работы двигателя. Форсунки соединяются с ТНВД трубопроводами высокого давления. Форсунки входят своей нижней частью — распылителями — в камеры сгорания. Распылители имеют очень маленькие отверстия, необходимые для того, чтобы топливо поступало в камеру сгорания в мелко распыленном виде и легко воспламенялось.
Воздушный фильтр устанавливается на впускном трубопроводе двигателя и очищает поступающий в цилиндры воздух. Выпускная система содержит трубопроводы, глушитель и часто оборудуется каталитическими нейтрализаторами и другими устройствами для снижения количества вредных веществ в отработавших газах.

Источник

История развития дизельных двигателей

Для технического прорыва понадобилось всего 13 страниц – на них Рудольф Дизель изобразил и описал двигатель, названный впоследствии его именем. Патент на изобретение под номером 67207 был выдан Имперским патентным ведомством Германии 120 лет назад. Именно тогда, 23 февраля 1893 года, началась история, результатом которой стали миллионы легковых автомобилей, грузовиков и кораблей, работающих на дизельных двигателях сегодня. К сожалению, сам г-н Дизель не дожил до всемирного успеха своего детища: он умер во время морского путешествия 29 сентября 1913 года – ровно сто лет назад.

Секрет успеха его разработки заключался в самовоспламенении топливной смеси – именно это свойство остается ключевым в дизельном двигателе и сегодня. В конструкции Рудольфа Дизеля воздушно-топливная смесь была сжата в соотношении 20:1, что создавало условия для самовоспламенения. В результате эффективность агрегата значительно возросла. Когда Дизель начинал работу над своим двигателем, эффективность бензиновых моделей достигала всего 12%, а газовых – 17%. При этом даже первый прототип изобретателя демонстрировал 25% эффективности.

Дизельные двигатели выходят на рынок: от Mercedes-Benz 260 D до Golf GTD

Уже в 20-х годах прошлого века автомобильные эксперты пророчили дизельному двигателю большое будущее. Однако ждать наступления этого «золотого времени» пришлось не один год. Первый грузовой автомобиль с дизельным двигателем был выпущен в Германии в 1924 году, и только в 1929 году американский производитель двигателей Cummins в качестве эксперимента использовал дизельный двигатель в легковом автомобиле. Первой серийной легковой моделью, работающей на дизеле, стал Mercedes-Benz 260 D, вышедший в 1936 году. Однако понадобилась еще четверть века, чтобы водители перестали воспринимать дизели как медленные, скучные, шумные и грязные моторы.

Впрочем, со временем отношение потребителей изменилось. После Второй мировой войны дизельные авто стали постепенно завоевывать рынок. А появление в 1975 году автомобиля VW Golf Diesel произвело настоящий фурор. Этот компактный хэтчбек стал первой компактной моделью, оснащенной высокооборотным дизельным двигателем. При этом топливные насосы распределительного типа от Bosch обеспечивали автомобилю еще и высокую экономичность. Версия Golf GTD с турбонаддувом и, соответственно, повышенной производительностью, вошла в историю как первый спортивный дизельный легковой автомобиль. На волне такого успеха все ведущие автопроизводители Европы наладили выпуск моделей среднего и гольф-класса, оснащённых дизельными двигателями.

Первым в мире дизельным легковым автомобилем в 1936 г. стал Mercedes 260 D, оснащавшийся насосом Bosch для впрыска топлива.

Рубеж в 1000 бар: повышение давления впрыска увеличивает производительность

Завоевав класс компактных автомобилей, дизельная технология продолжила покорение автопрома. Постепенно повышалось давление, а непосредственный впрыск заменил конструкцию с разделёнными камерами сгорания. В 1989 году в автомобиле Audi 100 TDI дебютировал первый аксиально-плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа для непосредственного впрыска дизельного топлива. По новой технологии Bosch топливо под давлением около 1000 бар подавалось непосредственно в цилиндр, что обеспечивало эффективное сгорание. В результате повышалась мощность двигателя, а расход топлива и уровень выбросов снижались. Спустя сто лет после изобретения дизельного двигателя Bosch совершил технический прорыв.

В конце 1990-х годов компания поставляла на рынок несколько разновидностей систем непосредственного впрыска, которые включали в себя радиально-поршневой распределительный насос, технологию с насос-форсунками, систему Common Rail. Уже первые модели были рассчитаны на работу при давлении около 1500 бар, а последующие поколения поддерживали 2000 бар и выше.

В системе Common Rail подача топлива происходит при высоком давлении.

Система Common Rail со временем стала доминирующей технологией, что во многом связано с ее тихой и эффективной работой. Особенность системы заключается в том, что топливо подается во все цилиндры при постоянном давлении. Пиковое давление в таких системах ниже, чем при использовании технологии насос-форсунка (где показатели могут достигать значений гораздо более 2000 бар и обеспечивать низкий расход топлива), однако стабильно высокое давление, при котором топливо хранится в общем распределителе, позволяет осуществлять до восьми впрысков за один цикл. Возможность делать предварительные и дополнительные впрыски позволяет двигателю работать тише, а также сокращает уровень выбросов. Таким образом, система Common Rail позволяет снизить воздействие на окружающую среду.

Каждый второй новый автомобиль в Германии – дизельный

Сегодня уже нет сомнения, что дизель предоставляет мощность и динамику, соответствующую или даже превосходящую другие типы двигателей. Благодаря турбокомпрессорам с изменяемой геометрией турбины, которые сейчас являются стандартом, современные дизельные двигатели демонстрируют высокий крутящий момент даже на низких оборотах. Распространенное мнение о том, что дизельные двигатели – это грязь и шум, давно осталось в прошлом. Современные транспортные средства, работающие на дизеле, тихие и экономичные. Системы обработки выхлопных газов, подобные Denoxtronic, дополнительно сокращают выбросы оксидов азота, позволяя соответствовать даже самым строгим стандартам, таким как Euro-6. Дизельный двигатель проделал путь от диковинки и статуса рабочей лошадки до повсеместного использования. Если в 1997 году только 22% автомобилей, проданных в Западной Европе, были дизельными, то сегодня эта цифра составляет около 50%. Даже учитывая активное развитие альтернативных силовых агрегатов, перспективы дизельных двигателей по-прежнему велики. Уже сейчас из Франкфурта в Рим можно доехать на одном баке, а уровень выбросов СО2 составит всего 100 г/км. Кроме того, дизельные двигатели могут быть объединены с электрическими компонентами для создания гибридного привода. Такой подход уже реализован в современных автомобилях Peugeot 3008_Hybrid4 и Volvo V60.

Конечно, Рудольф Дизель даже не мечтал ни о чем подобном, когда впервые собрал свой двигатель в 1897 году. Однако запись в дневнике изобретателя свидетельствует, что он высоко оценивал потенциал своего детища: «После долгих лет напряженных усилий и преодоления невообразимых трудностей, мне наконец-то удалось создать машину, воплощающую мою задумку. Это плавно работающий, очень простой и удобный в эксплуатации механизм, результаты работы которого превосходят все разработки, сделанные ранее». С мнением Рудольфа Дизеля и сегодня согласны миллионы водителей во всем мире.

Источник