Συστήματα ψεκασμού ντίζελ. Σχεδιασμός, πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα
Σε αντίθεση με τους βενζινοκινητήρες, οι κινητήρες ντίζελ είχαν ψεκασμό καυσίμου από την αρχή. Μόνο τα συστήματα ψεκασμού, τα εξαρτήματα και η πίεση του καυσίμου που παρέχεται στους κυλίνδρους άλλαξαν.
Η αρχή λειτουργίας ενός κινητήρα ντίζελ, κοινώς γνωστής ως κινητήρας ντίζελ, είναι εντελώς διαφορετική από αυτή ενός βενζινοκινητήρα. Στα φορτηγά καυσίμων, το μείγμα καυσίμου-αέρα εισέρχεται στον θάλαμο καύσης πάνω από το έμβολο. Μετά τη συμπίεση, το μείγμα αναφλέγεται λόγω της διάσπασης ενός ηλεκτρικού σπινθήρα στα ηλεκτρόδια του μπουζί. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι βενζινοκινητήρες ονομάζονται επίσης κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα (SI).
Στους κινητήρες ντίζελ, το έμβολο στον θάλαμο καύσης συμπιέζει μόνο αέρα, ο οποίος, υπό την επίδραση τεράστιας πίεσης (τουλάχιστον 40 bar - εξ ου και η ονομασία "υψηλή πίεση") θερμαίνεται σε θερμοκρασία 600-800 ° C. Η έγχυση καυσίμου σε τέτοιο ζεστό αέρα έχει ως αποτέλεσμα την άμεση αυτανάφλεξη του καυσίμου στον θάλαμο καύσης. Για το λόγο αυτό, οι κινητήρες ντίζελ αναφέρονται και ως κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση (CI). Από την αρχή τροφοδοτούνταν με έγχυση καυσίμου στον θάλαμο καύσης και όχι στην πολλαπλή εισαγωγής, η οποία παρέχει μόνο αέρα στον κινητήρα. Ανάλογα με το αν ο θάλαμος καύσης ήταν χωρισμένος ή όχι, οι κινητήρες ντίζελ χωρίστηκαν σε μονάδες ισχύος με έμμεσο ή άμεσο ψεκασμό.
Έμμεση ένεση
Το ντίζελ, αν και έκανε το ντεμπούτο του με σύστημα άμεσου ψεκασμού, δεν χρησιμοποιήθηκε για πολύ. Αυτή η λύση προκάλεσε πάρα πολλά προβλήματα και στην αυτοκινητοβιομηχανία αντικαταστάθηκε από την έμμεση έγχυση που κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το 1909. Ο άμεσος ψεκασμός παρέμεινε σε μεγάλους σταθερούς και θαλάσσιους κινητήρες, καθώς και σε ορισμένα φορτηγά. Οι σχεδιαστές επιβατικών αυτοκινήτων προτιμούσαν τους ντίζελ έμμεσου ψεκασμού, με πιο ομαλή λειτουργία και λιγότερο θόρυβο.
Ο όρος "έμμεσος" στους κινητήρες ντίζελ σημαίνει κάτι εντελώς διαφορετικό από ό,τι στους βενζινοκινητήρες, όπου ο έμμεσος ψεκασμός είναι η έγχυση ενός μείγματος αέρα-καυσίμου στην πολλαπλή εισαγωγής. Στους κινητήρες ντίζελ έμμεσου ψεκασμού, όπως και στους σχεδιασμούς άμεσου ψεκασμού, το καύσιμο που εξατμίζεται από τον εγχυτήρα εισέρχεται επίσης στον θάλαμο καύσης. Απλώς χωρίζεται σε δύο μέρη - ένα βοηθητικό μέρος, στο οποίο εγχέεται το καύσιμο, και το κύριο μέρος, δηλ. ο χώρος ακριβώς πάνω από το έμβολο στον οποίο λαμβάνει χώρα η κύρια διαδικασία καύσης του καυσίμου. Οι θάλαμοι διασυνδέονται με κανάλι ή κανάλια. Ως προς τη μορφή και τη λειτουργία, οι θάλαμοι χωρίζονται σε προκαταρκτικές, στροβιλιστικές και αέριες δεξαμενές.
Τα τελευταία δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν, αφού η παραγωγή τους έχει πρακτικά σταματήσει. Στην περίπτωση των προθάλαμων και θαλάμων στροβιλισμού, το ακροφύσιο τοποθετείται δίπλα στον βοηθητικό θάλαμο και εγχέει καύσιμο σε αυτόν. Εκεί, εμφανίζεται ανάφλεξη, τότε το μερικώς καμένο καύσιμο εισέρχεται στον κύριο θάλαμο και καίγεται εκεί έξω. Τα ντίζελ με προθάλαμο ή θάλαμο στροβιλισμού λειτουργούν ομαλά και μπορεί να έχουν ελαφριά συστήματα στροφάλου. Δεν είναι ευαίσθητα στην ποιότητα του καυσίμου και μπορεί να έχουν ακροφύσια απλής σχεδίασης. Ωστόσο, είναι λιγότερο αποδοτικοί από τους ντίζελ άμεσου ψεκασμού, καταναλώνουν περισσότερο καύσιμο και αντιμετωπίζουν προβλήματα με την εκκίνηση ενός κρύου κινητήρα. Σήμερα, οι κινητήρες ντίζελ έμμεσου ψεκασμού σε επιβατικά αυτοκίνητα ανήκουν στο παρελθόν και δεν παράγονται πλέον. Σπάνια βρίσκονται σε σύγχρονα αυτοκίνητα στην αγορά σήμερα. Μπορούν να βρεθούν μόνο σε σχέδια όπως το Indian Hindustan και Tata, το ρωσικό UAZ, το παλαιότερης γενιάς Mitsubishi Pajero που πωλείται στη Βραζιλία ή το Volkswagen Polo που προσφέρεται στην Αργεντινή. Χρησιμοποιούνται σε πολύ μεγαλύτερες ποσότητες σε οχήματα aftermarket.
Άμεση ένεση
Όλα ξεκίνησαν από αυτόν. Ωστόσο, τα οφέλη της άμεσης έγχυσης δεν αξιοποιήθηκαν αρχικά. Η σημασία της σωστής περιδίνησης του καυσίμου δεν ήταν γνωστή και η καύση του δεν ήταν βέλτιστη. Σχηματίστηκαν σβώλοι καυσίμου, που συνέβαλαν στο σχηματισμό αιθάλης. Οι διαδικασίες στο έμβολο πήγαν πολύ γρήγορα, οι κινητήρες δούλεψαν σκληρά, καταστρέφοντας γρήγορα το ρουλεμάν του στροφαλοφόρου. Για το λόγο αυτό, η άμεση έγχυση εγκαταλείφθηκε, προτιμώντας την έμμεση ένεση.
Η επιστροφή στις ρίζες, αλλά σε μια μοντέρνα έκδοση, έγινε μόνο το 1987, όταν το Fiat Croma 1.9 TD εισήλθε στη μαζική παραγωγή. Ο άμεσος ψεκασμός καυσίμου απαιτεί αποδοτικό εξοπλισμό ψεκασμού, υψηλή πίεση ψεκασμού, καύσιμο καλής ποιότητας και πολύ ισχυρό (και επομένως βαρύ) στρόφαλο. Ωστόσο, παρέχει υψηλή απόδοση και εύκολη εκκίνηση ενός ψυχρού κινητήρα. Οι σύγχρονες λύσεις για κινητήρες ντίζελ άμεσου ψεκασμού βασίζονται κυρίως σε εντελώς επίπεδες κεφαλές και έμβολα με κατάλληλα διαμορφωμένους θαλάμους (κοιλότητες). Οι θάλαμοι είναι υπεύθυνοι για τον σωστό στροβιλισμό του καυσίμου. Ο άμεσος ψεκασμός χρησιμοποιείται ευρέως σήμερα σε κινητήρες ντίζελ επιβατικών αυτοκινήτων.
Άμεση Έγχυση - Έγχυση Αντλίας
Στους παραδοσιακούς κινητήρες ντίζελ, διαφορετικοί τύποι αντλιών είναι υπεύθυνοι για την παροχή καυσίμου. Στους πρωτοποριακούς χρόνους, ο ψεκασμός καυσίμου γινόταν με πεπιεσμένο αέρα· στη δεκαετία του 20, αυτό γινόταν με επανασχεδιασμένες αντλίες λαδιού. Στη δεκαετία του 300, ειδικές αντλίες σχεδιασμένες για κινητήρες ντίζελ είχαν ήδη χρησιμοποιηθεί ευρέως. Αρχικά βασίστηκε σε σειριακές αντλίες που δημιουργούν χαμηλή πίεση (έως 60 bar). Μόλις στη δεκαετία του 1000 εμφανίστηκαν πιο αποδοτικές αντλίες με αξονικό διανομέα (πάνω από 80 bar). Στα μέσα της δεκαετίας του '524 έλαβαν μηχανικό έλεγχο έγχυσης και στα μέσα της δεκαετίας του '1986 έλαβαν ηλεκτρονικό έλεγχο (BMW XNUMXtd, XNUMX).
Οι αντλίες μπεκ που χρησιμοποιήθηκαν σε φορτηγά ήδη από τη δεκαετία του '30 ήταν ένας ελαφρώς διαφορετικός τρόπος ψεκασμού καυσίμου, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως σε επιβατικά αυτοκίνητα από την εταιρεία Volkswagen, για πρώτη φορά το 1998 (Passat B5 1.9 TDI). Εν ολίγοις, ένας εγχυτήρας αντλίας είναι ένας εγχυτήρας με τη δική του αντλία, η οποία κινείται από έναν εκκεντροφόρο άξονα. Έτσι, όλη η διαδικασία συμπίεσης και έγχυσης στον κύλινδρο περιορίζεται στην κυλινδροκεφαλή. Το σύστημα είναι πολύ συμπαγές, δεν υπάρχουν γραμμές καυσίμου που συνδέουν την αντλία με τα μπεκ. Επομένως, δεν υπάρχει παλμός στο ακροφύσιο, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη ρύθμιση της δόσης του καυσίμου και τις διαρροές. Εφόσον το καύσιμο εξατμίζεται μερικώς στο θάλαμο του μπεκ ψεκασμού, ο χρονισμός του ψεκασμού μπορεί να είναι μικρός (εύκολη εκκίνηση). Το πιο σημαντικό όμως είναι η πολύ υψηλή πίεση ψεκασμού των 2000-2200 bar. Η δόση του καυσίμου στον κύλινδρο αναμιγνύεται γρήγορα με τον αέρα και καίγεται πολύ αποτελεσματικά.
Γενικά, ένας κινητήρας ντίζελ αντλίας-μπεκ χαρακτηρίζεται από υψηλή απόδοση, χαμηλή κατανάλωση καυσίμου, υψηλή ταχύτητα και δυνατότητα απόκτησης υψηλής πυκνότητας ισχύος. Όμως, ένας κινητήρας μοναδιαίου μπεκ ψεκασμού είναι ακριβός στην κατασκευή, κυρίως λόγω της πολυπλοκότητας της κυλινδροκεφαλής. Το έργο του είναι σκληρό και δυνατό. Όταν τροφοδοτούνται από μπεκ μπεκ μονάδας, προκύπτουν επίσης προβλήματα εκπομπών, τα οποία συνέβαλαν σε μεγάλο βαθμό στην εγκατάλειψη αυτής της λύσης από τη VW.
Άμεση έγχυση - Common Rail
Το πιο σημαντικό στοιχείο του συστήματος έγχυσης Common Rail είναι το "Common Rail", ένας τύπος δεξαμενής γνωστός και ως "συσσωρευτής καυσίμου υπό πίεση", μέσα στον οποίο μια αντλία αντλεί καύσιμο ντίζελ. Εισέρχεται στα ακροφύσια όχι απευθείας από την αντλία, αλλά από τη δεξαμενή, ενώ διατηρεί την ίδια πίεση για κάθε κύλινδρο.
Μεταφορικά, μπορούμε να πούμε ότι κάθε ένα από τα μπεκ δεν περιμένει ένα μέρος του καυσίμου από την αντλία, αλλά εξακολουθεί να έχει καύσιμο σε πολύ υψηλή πίεση. Οι ηλεκτρικοί παλμοί που ενεργοποιούν τα μπεκ είναι επαρκείς για την παροχή καυσίμου στους θαλάμους καύσης. Ένα τέτοιο σύστημα σας επιτρέπει να δημιουργείτε πολυφασικούς ψεκασμούς (ακόμη και 8 φάσεις ανά έγχυση), γεγονός που οδηγεί σε πολύ ακριβή καύση του καυσίμου με σταδιακή αύξηση της πίεσης. Η πολύ υψηλή πίεση ψεκασμού (1800 bar) επιτρέπει τη χρήση μπεκ ψεκασμού με πολύ μικρά στόμια που αποδίδουν καύσιμο σχεδόν με τη μορφή ομίχλης.
Όλα αυτά συμπληρώνονται από υψηλή απόδοση κινητήρα, ομαλή λειτουργία και χαμηλό επίπεδο θορύβου (παρά τον άμεσο ψεκασμό), καλή ικανότητα ελιγμών και χαμηλές εκπομπές καυσαερίων. Ωστόσο, οι κινητήρες common rail απαιτούν την υψηλότερη ποιότητα καυσίμου και τα καλύτερα φίλτρα. Οι ρύποι του καυσίμου μπορούν να καταστρέψουν τα μπεκ και να προκαλέσουν ζημιά που είναι εξαιρετικά δαπανηρή η επισκευή.
