Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, включает четыре повторяющихся такта: впуск -сжатие — расширение (рабочий ход) — выпуск. Однако рабочий цикл дизеля в корне отличается от рабочего цикла, протекающего в карбюраторном двигателе. В цилиндр дизеля поступает только воздух, а не горючая смесь, приготовленная вне цилиндра, как в карбюраторном двигателе, в конце такта сжатия в нагретый воздух впрыскивается распыленное топливо, воспламеняющееся при соприкосновении с горячим сжатым воздухом, а не поджигается электрической искрой, как это происходит в карбюраторном двигателе.
Одноцилиндровый дизель (рис. 35), как и одноцилиндровый карбюраторный двигатель, состоит из цилиндра и поршня, перемещающегося вдоль его оси и соединенного при помощи поршневого пальца и шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала; впускного и выпускного клапанов, как правило, установленных в головке цилиндра; газораспределительного механизма, связанного с коленчатым валом; маховика; впускного и выпускного трубопроводов. В отличие от карбюраторного двигателя в головке цилиндра вместо свечи установлена форсунка, соединенная трубкой с топливным насосом высокого давления.
Рис. 35. Одноцилиндровый двигатель
Итак, рассмотрим рабочий процесс, протекающий в цилиндре четырехтактного дизеля. Схема рабочего цикла дизеля аналогична рабочему циклу карбюраторного двигателя (см. рис. 5).
Впуск — наполнение цилиндра воздухом. При закрытом выпускном клапане, открытом впускном и движении поршня вниз от верхней мертвой точки к нижней в цилиндре создается разрежение, под действием которого цилиндр заполняется воздухом, поступающим из атмосферы через воздушный фильтр. Давление в цилиндре в это время составляет 0,085—0,095 МПа (0,85—0,95 кгс/см²), а температура 40—60°С.
Сжатие. При закрытых клапанах и движении поршня вверх от нижней мертвой точки к верхней объем воздуха уменьшается, давление и температура возрастают, достигая в конце такта 3,5—5,5 МПа (35—55 кгс/см²) и 450—650°С, т. е. температура в конце такта сжатия должна быть выше температуры самовоспламенения дизельного топлива. Только при этом условии будет обеспечена устойчивая работа дизеля.
Сгорание и расширение (рабочий ход). При закрытых клапанах в цилиндр под высоким давлением через форсунку впрыскивается распыленное дизельное топливо, которое при соприкосновении с нагретым воздухом воспламеняется и перемешивается с ним. С появлением первых очагов пламени начинается сгорание и расширение, характеризующееся быстрым повышением давления и температуры. В начальный момент, когда поршень идет вниз, сгорание происходит при почти постоянном давлении 5—9 МПа (50—90 кгс/см²) и температуре 1700—2000°С. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается и давление в конце рабочего хода падает до 0,2—0,4 МПа (2—4 кгс/см²), а температура — до 800—1000°C.
Выпуск. Поршень, двигаясь от нижней мертвой точки к верхней, вытесняет через открытый выпускной клапан отработавшие газы из цилиндра. Газы охлаждаются до 600—700°C, давление их падает до 0,11—0,12 МПа (1,1—1,2 кгс/см²).
В системе питания дизеля можно выделить систему питания топливом, систему питания воздухом и систему выпуска отработавших газов. В систему питания четырехтактного дизеля входят: топливный бак (рис. 36), топливопроводы высокого и низкого давления, фильтры грубой и тонкой очистки, топливный насос низкого давления, топливоподкачивающий насос, топливный насос высокого давления и форсунки.
Рис. 36. Система питания дизеля
Топливо из бака засасывается топливным насосом низкого давления. Пройдя очистку сначала в фильтре грубой очистки, а затем в фильтре тонкой очистки, оно поступает в топливный насос высокого давления. Последний в соответствии с порядком работы двигателя подает топливо к форсункам. Опи впрыскивают определенные порции топлива в камеры сгорания. Избыточное топливо вместе с попавшим в систему воздухом отводится через перепускной клапан топливного насоса высокого давления и клапан-жиклер фильтра тонкой очистки в топливный бак.
Фильтр грубой очистки (рис. 37) предварительно очищает топливо, поступающее в топливный насос низкого давления (или топливоподкачивающий насос). В фильтре грубой очистки автомобиля КамАЗ топливо из бака через распределитель стекает по отражателю в стакан. Крупные частицы и вода отстаиваются и собираются в нижней части стакана, а топливо проходит через фильтрующую сетку, окончательно очищается и поступает в топливный насос низкого давления. Для удаления отстоя из фильтра достаточно периодически отвертывать сливную пробку.
Рис. 37. Фильтр грубой очистки топлива
Фильтр тонкой очистки (рис. 38) предназначен для окончательной очистки топлива перед поступлением его в топливный насос высокого давления. У двигателя КамАЗ фильтр тонкой очистки установлен выше всех других приборов системы питания топливом, поэтому в нем собирается воздух, случайно попавший в систему. В фильтре установлен специальный клапан-жиклер, через который часть топлива вместе с воздухом сбрасывается в бак. Для очистки топлива в фильтре установлены два фильтрующих элемента.
Рис. 38. Фильтр тонкой очистки топлива
Топливоподкачивающий насос предназначен для подачи топлива из бака через фильтры грубой и тонкой очистки к топливному насосу высокого давления, а также для заполнения системы топливом и удаления из нее воздуха. Конструктивно это по сути дела два насоса: один с механическим приводом, другой — с ручным, У двигателей КамАЗа они получили и самостоятельные названия: топливный насос низкого давления (для подачи топлива из бака к топливному насосу высокого давления) и ручной топливоподкачивающий насос (для заполнения системы топливом и удаления из нее воздуха). Оба насоса — поршневого типа. Их схема показана на рис. 39.
Рис. 39. Схема топливного насоса низкого давления и топливоподкачивающего насоса
Первый насос установлен на крышке регулятора частоты вращения коленчатого вала двигателя и приводится в действие от эксцентрика кулачкового вала топливного насоса высокого давления, второй — на топливном насосе низкого давления.
При набегании эксцентрика кулачкового вала (рис. 39, а) ролик вместе с толкателем и поршнем поднимаются вверх, сжимая пружину. Под действием давления топлива над поршнем закрывается впускной клапан, открывается нагнетательный, и топливо вытесняется в пространство под поршнем. Когда эксцентрик сходит с ролика толкателя (рис. 39, б), нижняя пружина возвращает толкатель в исходное положение. Одновременно верхняя пружина перемещает поршень вниз: над поршнем создается разрежение, под поршнем давление. Под действием разрежения топливо из бака через фильтр грубой очистки и открытый впускной клапан поступает в пространство над поршнем, а под действием давления нагнетательный клапан закрывается, и топливо из-под поршня вытесняется по топливопроводу в фильтр тонкой очистки.
Следует особо подчеркнуть, что поршень и толкатель не связаны между собой жесткой связью, поэтому толкатель все время делает полные ходы, а поршень—лишь в зависимости от расхода топлива: при уменьшении расхода давление под поршнем возрастает, и верхняя пружина не в состоянии перемещать поршень вниз, поэтому ход поршня уменьшается.
Ручной топливоподкачивающий насос состоит из корпуса, поршня, цилиндра, рукоятки со штоком. Прокачивают топливную систему движением рукоятки со што-ком и поршнем вверх-вниз. При движении рукоятки вверх (рис, 39, в) под поршнем образуется разрежение, открывается впускной клапан, и топливо поступает в полость насоса низкого давления (нагнетательный клапан закрыт). При движении рукоятки вниз (рис. 39, г) под поршнем создается давление, впускной клапан закрывается, нагнетальный открывается, и топливо поступает в магистраль, вытесняя воздух. Процесс повторяется.
Топливный насос высокого давления предназначен для подачи в форсунки под высоким давлением в зависимости от режима работы двигателя в определенные моменты строго дозированных порций топлива. Топливный насос высокого давления весьма сложный агрегат, пожалуй самый сложный на автомобиле. Обычно — это не только насос высокого давления. На нем закреплены насос низкого давления с топливоподкачивающим насосом, муфта автоматического опережения впрыска топлива, регулятор частоты вращения коленчатого вала. И все это в одном агрегате!
В едином корпусе насоса выполнено столько секций, сколько цилиндров в двигателе. Каждая секция обслуживает один цилиндр двигателя.
На отечественных автомобилях устанавливают дизели с V-образным расположением цилиндров, поэтому топливный насос высокого давления располагается между рядами цилиндров. В действие насос приводится от распределительного вала двигателя. За два оборота коленчатого вала двигателя кулачковый вал насоса делает один оборот.
Корпус топливного насоса высокого давления разделен на две части: нижнюю и верхнюю. В нижней расположены кулачковый вал и толкатели и залито масло, в верхней — насосные секции.
Все они устроены и работают одинаково, поэтому рассмотрим одну из них.
Плунжер и гильза, образующие плунжерную пару, являются основными деталями секции. Плунжер может под действием толкателя и пружины перемещаться вдоль оси гильзы и поворачиваться на некоторый угол вокруг своей оси при помощи зубчатой рейки. На плунжере сделаны кольцевая проточка, продольный паз и спиральная отсечная кромка, которые в определенных положениях при движении плунжера совпадают с впускным или перепускным отверстиями гильзы плунжера.
В верхней части секции находится штуцер с седлом, нагнетательным клапаном, пружиной и упором нагнетательного клапана. Штуцер соединен с форсункой топливопроводом, по которому топливо подается под большим давлением.
Топливо в топливный насос высокого давления поступает из фильтра тонкой очистки. При нижнем положении плунжера оно через впускное отверстие (рис. 40) поступает внутрь гильзы, заполняя надплунжерное пространство, кольцевую проточку и продольный паз плунжера. При вращении кулачкового вала топливного насоса высокого давления кулачок набегает на ролик толкателя, толкатель поднимается, сжимает пружину и перемещает плунжер вверх вдоль оси гильзы. При движении плунжера вверх топливо частично вытесняется через впускное отверстие обратно в топливоподводящий канал. При давлении 1—1,8 МПа (10—18 кгс/см²) открывается нагнетательный клапан и топливо поступает в топливопровод форсунки. При дальнейшем движении плунжера вверх давление возрастает (в зависимости от модели двигателя) до 15—18 МПа (150—180 кгс/см²), игла распылителя отжимается и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Впрыск проходит до момента, пока отсечная кромка плунжера не откроет перепускное отверстие. Давление над плунжером резко падает нагнетательный клапан закрывается, и впрыск топлива прекращается.
Рис. 40. Схема работы топливного насоса высокого давления
Как известно, автомобильному двигателю присущи самые различные режимы работы, а для каждого режима необходимо вполне определенная порция топлива, подаваемого в цилиндры каждой секцией за один ход плунжера. Изменение подачи топлива происходит за счет поворота плунжера в гильзе зубчатой рейкой на определенный угол. Рейка соединена со всеми плунжерами. При ее вдвижении в насос все плунжеры поворачиваются на одинаковый угол.
Форсунка обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания при определенном давлении в мелкораспыленно.м состоянии. Форсунки бывают открытые и закрытые. У открытой форсунки отверстие, через которое подается топливо, не закрыто иглой и оно непосредственно сообщается с камерой сгорания. В результате подтекания топлива образуется нагар, ухудшается качество распыливания топлива, мощность двигателя падает. У закрытой форсунки отверстие в распылителе закрыто иглой, с камерой сгорания оно сообщается только в момент впрыска топлива. На современных дизелях устанавливаются закрытые форсунки.
Все детали форсунки (рис. 41) размещены в корпусе, закрытом накидной гайкой, в том числе корпус и игла распылителя. Пружина через штангу плотно прижимает иглу к отверстию распылителя.
Рис. 41. Форсунка
Топливо к форсунке подводится от топливного насоса высокого давления через штуцер с сетчатым фильтром в кольцевую полость А под утолщенной частью иглы распылителя и давит на нижний конус иглы. При определенном давлении игла, преодолевая сопротивление пружины, поднимается и топливо через боковые отверстия распылителя впрыскивается в камеру сгорания. После падения давления пружина быстро закрывает иглой отверстие распылителя.
Сила затяжки пружины, а следовательно, и давление впрыска топлива регулируется либо регулировочным винтом, либо установкой под пружину регулировочных шайб. Просочившееся через зазор между иглой и корпусом распылителя топливо отводится из форсунки через каналы в корпусе.
В одном блоке с топливным насосом высокого давления изготовлен всережимный регулятор частоты вращения коленчатого вала, который автоматически изменяет количество подаваемого в цилиндр топлива в зависимости от нагрузки и тем самым поддерживает заданную водителем частоту вращения коленчатого вала, а также ограничивает ее.
Вал регулятора (рис. 42) вместе с грузами получает вращение от кулачкового вала топливного насоса высокого давления через ускорительную шестеренчатую передачу. Большая частота вращения позволяет грузы сделать меньшего размера и массы и повысить чувствительность регулятора к изменению нагрузки.
Рис. 42. Регулятор частоты вращения коленчатого вала
При неработающем двигателе скоба кулисы находится в положении 1, рычаг управления регулятором — в крайнем правом положении, пружина регулятора через двуплечий и силовой рычаги и упорную пяту смещает подвижную муфту в крайнее левое положение, рейка топливного насоса высокого давления вдвинута до упора влево, т. е. находится в положении максимальной подачи топлива. На рис. 42 дано положение деталей при неработающем двигателе. Красные стрелки показывают направление перемещения деталей при пуске двигателя.
Как только двигатель пущен, вал регулятора вместе с грузами начинает вращаться, грузы под действием центробежных сил расходятся и, нажимая роликами на подвижную муфту, перемещают ее вправо. Муфта через упорную пяту поворачивает силовой и двуплечий рычаги, натягивая пружину регулятора, которая препятствует дальнейшему расхождению грузов. В то же время упорная пята поворачивает рычаг кулисы относительно ее пальца и через тягу выдвигает зубчатую рейку из топливного насоса высокого давления, уменьшая таким образом подачу топлива. Перемещение рейки прекратится, когда центробежные силы грузов уравновесятся силой натяжения пружины регулятора.
Необходимую частоту вращения коленчатого вала двигателя устанавливает водитель из кабины педалью управления подачей топлива. При этом поворачиваются рычаг управления подачей топлива и рычаг пружины, возрастает натяжение пружины регулятора, рейка топливного насоса высокого давления передвигается влево, увеличивая подачу топлива. Частота вращения коленчатого вала возрастает, пока сила натяжения пружины и центробежных сил грузов уравновесятся.
Допустим, автомобиль идет по ровному участку дороги, водитель, нажав на педаль управления подачей топлива, выбрал определенный режим движения. Но вот нагрузка на двигатель возросла (автомобиль пошел на подъем), частота вращения коленчатого вала начала падать, грузы регулятора стали вращаться медленнее (их центробежная сила уменьшается), пружина «перетянула»: силовой рычаг и упорная пята пошли влево, а рычаг рейки через тягу вдвинул рейку в топливный насос высокого давления. Подача топлива увеличилась.
При уменьшении нагрузки (автомобиль пошел с горки, но водитель не изменил положения педали управления подачей топлива) коленчатый вал начинает вращаться быстрее (количество топлива, поступающего в цилиндры не изменилось), грузы расходятся больше, передвигают муфту вправо, пружина натягивается сильнее, рейка также перемещается вправо, в результате уменьшаются подача топлива и частота вращения коленчатого вала.
На топливном насосе высокого давления смонтирован еще один очень важный при бор — автоматическая муфта опережения впрыска топлива. Ее назначение — автоматическое изменение угла опережения впрыска топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Она значительно облегчает пуск двигателя и повышает его экономичность на различных режимах работы. Таким образом, кулачковый вал топливного насоса высокого давления приводится в действие от распределительного вала дизеля, только связь между ними не жесткая, а через автоматическую муфту опережения впрыска топлива. Эта муфта (рис. 43) состоит из корпуса, ведущей и ведомой полумуфт, грузов, шарнирно установленных на пальцах, и пружин. Ведомая полумуфта жестко закреплена на кулачковом валу топливного насоса высокого давления, ведущая — на ступице ведомой полумуфты и может поворачиваться на ней.
Рис. 43. Автоматическая муфта опережения впрыска топлива
При работе двигателя ведущая полумуфта пальцами давит на криволинейную поверхность грузов и через пальцы ведомой полумуфты вращает последние вместе с кулачковым валом. Увеличение частоты вращения коленчатого вала вызывает расхождение и поворот грузов под действием центробежных сил около пальцев ведомой полумуфты, скольжение их криволинейной поверхности по пальцам ведущей полумуфты. Происходит сжатие пружин и поворот ведомой полумуфты вместе с кулачковым валом топливного насоса высокого давления относительно ведущей полумуфты на некоторый угол, осуществляется более ранний впрыск топлива в цилиндры двигателя.
При уменьшении частоты вращения коленчатого вала грузы под действием пружин сходятся, ведомая полумуфта поворачивается в другую сторону. Таким образом угол опережения впрыска уменьшается.
Итак, мы познакомились с системой питания двигателя топливом. Рассмотрим теперь системы питания двигателя воздухом. Она предназначена для забора воздуха из атмосферы, очистки его и распределения по цилиндрам двигателя. В нее входят воздушный фильтр, впускные трубопроводы, воздухозаборник.
На рис. 44 дана схема системы питания воздухом двигателя автомобиля КамАЗ. Под действием разрежения воздух из атмосферы через колпак, установленный сзади и выше кабины водителя, по трубе поступает в воздухозаборник и далее в воздушный фильтр. Воздухозаборник — это гофрированный резиновый патрубок, обеспечивающий герметичное соединение трубы воздухозаборника с трубой фильтра.
Рис. 44. Система питания воздухом автомобиля КамАЗ
Воздушный фильтр предназначен для очистки воздуха от пыли, поступающего в цилиндры. Чаще всего применяют рассмотренный нами инерционно-масляный или сухого типа фильтр с инерционной решеткой, автоматическим отсосом пыли и сменным картонным фильтрующим элементом.
В сухом фильтре (рис. 45) воздух через колпак трубы воздухозаборника и входной патрубок поступает в первую ступень фильтра с инерционной решеткой, где резко меняет направление. Крупные частицы пыли отделяются от основного потока воздуха и попадают в зону разрежения, создаваемого эжектором отсоса пыли и вместе с отработавшими газами выбрасываются в атмосферу.
Рис. 45. Сухой фильтр
Эжектор устанавливается на выпускном патрубке глушителя. Предварительно очищенный воздух поступает во вторую ступень со сменным картонным фильтрующим элементом. Здесь воздух проходит через поры картона, а пыль остается на его поверхности. По мере засорения фильтра возрастает величина разрежения во впускном трубопроводе двигателя. Установленный индикатор сигнализирует водителю о необходимости замены или промывки фильтрующего элемента.
Система выпуска отработанных газов (рис. 46) предназначена для выброса в атмосферу отработавших газов и частичного отвода тепла от двигателя. Система состоит из двух выпускных трубопроводов, двух приемных труб, гибкого металлического рукава и глушителя. На выпускной патрубок у некоторых автомобилей устанавливают эжектор отсоса пыли. В корпусе глушителя предусмотрены расширительные камеры, где газы расширяются, их давление и скорость уменьшаются. Лишь после этого они выходят в атмосферу.
Рис. 46. Система выпуска отработавших газов