Угол опережения впрыска (УОВ) и нагрузка в дизельном двигателе
(Примечание: данная статья является общепознавательной и не привязана к какой либо марке автомобиля)
Странно слышать мнение специалиста, диагноста, ремонтника о том, что угол опережения впрыска в дизельном двигателе при его работе изменяется только в зависимости от частоты вращения его коленчатого вала.
Несомненно, частота вращения коленчатого вала является одним из основных параметров (характеристик), учитывающихся при организации горения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя как дизельного, так и бензинового.
От частоты вращения коленчатого вала — скорости движения поршня в цилиндре двигателя — зависит количество рабочего тела в камере сгорания двигателя и его температура.
С увеличением частоты вращения коленчатого вала абсолютные длительности задержек воспламенения (в миллисекундах) сокращаются, но относительные длительности в градусах оборота коленчатого вала возрастают. Не надо забывать и о таком моменте, как задержка впрыскивания (время между началом подачи топлива насосом и впрыском топлива форсункой в камеру сгорания).
ЧЕМ ВЫШЕ ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА, ТЕМ РАНЬШЕ НУЖНО ВПРЫСНУТЬ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ТОПЛИВО И НАОБОРОТ.
Можно ли при организации горения в цилиндрах дизельного двигателя ограничиться регулировкой УОВ по частоте вращения коленчатого вала? Или, может быть, есть ещё что-то, что требует нашего внимания?
Внимания требуют особенности смесеобразования и горения в камере сгорания дизельного двигателя.
Прежде всего, дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразованием и впрыском топлива в конце такта сжатия. На смесеобразование отводится всего 1 — 3 мс или 12 — 25° по углу поворота коленчатого вала двигателя. Это в 20 — 30 меньше, чем в двигателях с внешним и внутренним (впрыск в такте впуска) смесеобразованием (большинство бензиновых двигателей работают на гомогенных — однородных топливовоздушных смесях).
Дизельный двигатель способен работать на обедненных смесях с коэффициентом избытка воздуха на холостом ходу и при нулевой нагрузке
=10. Значение 
для дизелей с наддувом при полной нагрузке находится в пределах 
.. = 1,15 — 2,0. То есть состав топливовоздушной смеси изменяется от очень бедной до бедной.
Благодаря гетерогенному (неоднородному) составу топливовоздушной смеси (ТВС) в камере сгорания дизельного двигателя имеются области с богатой и бедной смесью, области, где только воздух или только дизельное топливо. И, конечно же, имеются так необходимые для своевременного воспламенения области топливовоздушной смеси (ТВС) со стехиометрическим составом. То есть целый набор составов смесей.
Эти условия справедливы как для двигателей с раздельными камерами сгорания, так и для дизельных двигателей с непосредственным (прямым) впрыском. Именно неоднородный состав топливовоздушной смеси (ТВС) позволяет дизельному двигателю работать на обеднённых смесях.
С другой стороны, тот же неоднородный состав смеси (ТВС) при меньших значениях 
является одним из
основных недостатков дизелей — невозможности полного и бездымного сгорания топливовоздушной смеси (ТВС).
Кроме визуального подтверждения написанного, я хочу показать Вам с помощью диаграммы основные процессы, происходящие в камере сгорания дизельного двигателя.
Речь не будет идти о «взрывах». Будем говорить об управляемых и контролируемых событиях, происходящих во времени параллельно и последовательно. Нужно увидеть этот график и запомнить. Особенно важны температурные изменения у дизеля.
На рис.1 представлена типичная диаграмма изменения в цилиндре двигателя давления р и средней температуры t газов в функции угла ф, показан характер изменения во времени количества ст поданного в камеру сгорания топлива, скорость его подачи
, коэффициента активного тепловыделения X и скорости тепловыделения
Для наглядности и простоты восприятия диаграмма нарисована в развёрнутом виде. Рассматривать её необходимо слева направо.
Поршень движется к верхней мёртвой точке, давление и температура рабочего тела растут, и если в точке 1 не будет впрыска топлива, то при движении поршня от ВМТ к НМТ давление и температура будут уменьшаться (обозначено пунктирной линией).
Подача топлива начинается в точке 1, в точке 2 появляются первые языки пламени.
Этот период
называется задержкой воспламенения и он характеризуется тем, что поршень приближается к ВМТ, объём камеры сгорания уменьшается, температура и давление растут.
Количество топлива ст в этот период подаётся незначительное, но с большой скоростью 
Температура в камере сгорания (в связи с впрыском) несколько снижается, а соответственно и давление сжимаемого воздуха вследствие затраты тепла на нагревание и испарение топлива.
От точки 2 до точки 3 — фаза быстрого сгорания 
Она характеризуется тем, что поршень «переваливает» ВМТ, то есть объём камеры сгорания сначала уменьшается, а затем начинает увеличиваться.
Давление при движении поршня от ВМТ достигает максимальных значений, температура продолжает расти. Этот период характеризует «жесткость» процесса сгорания в дизеле.
В этот период в камеру сгорания впрыскивается основное количество топлива ст с максимально возможной скоростью
, Скорость тепловыделения 
резко возрастает и достигает максимальных значений, а затем начинает уменьшаться. Коэффициент активного тепловыделения X растёт.
От точки 3 до точки 4 — фаза замедленного горения
Она характеризуется тем, что поршень движется от ВМТ к НМТ, объём камеры сгорания увеличивается. Давление р расширяющихся газов уменьшается, а их температура t достигает максимума.
В этой фазе заканчивается впрыск 
топлива.
В конце фазы замедленного горения наблюдается некоторое увеличение скорости тепловыделения 
,, связанное с дополнительной турбулиза-цией заряда в начале нисходящего хода поршня. Коэффициент активного тепловыделения X растёт.
От точки 4 и до открытия выпускного клапана — фаза догорания
Она характеризуется тем, что поршень движется к НМТ — объём камеры сгорания увеличивается, давление и температура уменьшаются. Коэффициент активного тепловыделения X стабилизируется (коэффициент активного тепловыделения X характеризует связь между процессами сгорания и использованием выделяющегося тепла — смотри специальную литературу).
Горение — сложный физико-химический процесс, который протекает в газовой фазе. То есть сначала жидкое топливо должно превратиться в пар, а затем в результате химических реакций превратиться в горючую смесь способную при сгорании совершать механическую работу.
Жидкое топливо, впрыснутое в камеру сгорания, дробится на мелкие капли, распределяется по ней, нагревается и испаряется. В этом заключается суть физических процессов, и они протекают с поглощением тепла.
Процессы окисления имеют многостадийный характер и являются цепными. В результате химических реакций (протекают с выделением тепла) образуется ряд активных промежуточных химических продуктов (перекисей, альдегидов, спиртов и т.п.) способствующих дальнейшему ходу реакций.
Самовоспламенение есть конечным результатом развития этих реакций.
Истинная последовательность элементарных стадий в реакциях окисления и горения моторных топлив изучена ещё не полностью, однако характерным для большинства химических реакций является зависимость их скоростей от температуры и давления.
Сказанное выше совсем не означает, что физические и химические процессы осуществляются последовательно. Всё происходит почти одновременно. Химическая составляющая процесса горения несколько отстаёт в силу того, что сначала, всё-таки должно появиться в камере сгорания жидкое топливо. Более мелкие капли испаряются первыми. Как правило, эти мелкие капли группируются по краям факела впрыскиваемого форсункой топлива. Динамика развития топливного факела в механической системе такова, что он не может мгновенно занять объём камеры сгорания в цилиндре двигателя, сначала незначительное количество топлива под высоким давлением впрыскивается в цилиндр. Этому способствует закон подачи топлива (каждой фазе горения своё количество топлива), выраженный конструктивно в деталях механических систем впрыска. Впрыск дизельного топлива в этих системах осуществляется непрерывно.
В распределительных ТНВД с электромагнитными клапанами возможно осуществление предварительного впрыска топлива. Насос-форсунки легковых автомобилей обеспечивают предварительный впрыск с помощью гидромеханического привода.
Аккумуляторные системы впрыска дизельного топлива выгодно отличаются от всех предыдущих систем тем, что, кроме предварительного и основного впрысков, обеспечивают ещё и дополнительные. В отличие от применявшегося ранее на некоторых марках автомобилей двухступенчатого впрыска, в условиях непрерывной подачи топлива в аккумуляторных системах предварительный впрыск — раздельный.
Но сейчас не об этом.
Так вот, предварительное количество топлива с большой скоростью впрыскивается в нагретую плотную газовую среду, разрушается и испаряется. Обладая небольшой кинетической энергией, это малое (1-4 мм 3 ) количество топлива не способно пробиться сквозь плотный воздух и остаётся в районе форсунки и свечи накаливания. В процессе смесеобразования всегда образуются зоны, где X = 0,85. 0,9. Эти зоны служат центрами воспламенения окружающей более обеднённой смеси.
Ко времени основного впрыска топлива топливо, впрыснутое в камеру сгорания предварительно, уже готово к воспламенению и воспламеняется. В камере сгорания резко повышаются давление и температура, что способствует значительному сокращению задержки воспламенения основного впрыска. Дизельное топливо под высоким давлением при основном впрыскивании, обладая большей кинетической энергией, пробивается сквозь всё более уплотняющуюся (уже горящую) газовую среду ко всем удалённым от форсунки зонам камеры сгорания.
Движение воздуха, заданное конструкцией впускного коллектора, движением поршня в такте сжатия многократно усиливается движущимися от точек воспламенения в разных направлениях расширяющимися продуктами сгорания. Массы воздуха, находящиеся в турбулентном движении, пульсирующие газовые потоки пронизываются топливными факелами (отверстий в распылителе может быть от 4 до 10; в большинстве случаев — 6ч-8.) В этих условиях топливо, которое продолжает впрыскиваться, сгорает практически мгновенно.
Давление в цилиндре нарастает своевременно, плавно и без шума.
СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ЖИДКОГО ТОПЛИВА ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ
СКОРОСТЯМИ ЕГО ИСПАРЕНИЯ И СМЕШЕНИЕМ ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПАРОВ С ВОЗДУХОМ
Это справедливо для двигателей внутреннего сгорания, работающих на лёгком и тяжёлом видах жидкого топлива.
Впрыск топлива в камеру сгорания дизельного двигателя влечёт за собой
падение температуры (испарение топлива сопровождается поглощением тепла).
Величина падения температуры зависит от нагрузки.
Это особенно заметно при переходных режимах, связанных с увеличением нагрузки.
На стр. 58 Первого издания книги BOSCH «Системы управления дизельными двигателями» (перевод с немецкого издательства «За рулем», 2004год) показана характеристика момента начала впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель легкового автомобиля при холодном пуске и рабочей температуре.
1) холодный пуск (
2) полная нагрузка;
3) частичная нагрузка. Рис. 2
Несложно заметить, что при частоте вращения коленчатого вала 1000 об/ мин при частичных нагрузках (3) и полной нагрузке (2) требуется свой, соответствующий нагрузке, УОВ топлива. То есть большее количество топлива необходимо впрыснуть в камеру сгорания двигателя раньше для того, чтобы пик давления расширяющихся при сгорании газов «держать» за ВМТ.
Холодный пуск дизельного двигателя не намного отличается от бензинового. Недостаток тепла в камере сгорания и, в связи с этим, плохие условия для испарения дизельного топлива компенсируются его большей цикловой подачей. Большее количество топлива (нужная концентрация паров за счёт увеличенной подачи топлива), его более ранний впрыск (1) и системы подогрева воздуха — штатные функции всех без исключения систем ускорения холодного пуска.
Таким образом, ПРИ ВПРЫСКЕ ТОПЛИВА В ТАКТЕ СЖАТИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ НАБЛЮДАЮТСЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ.
Появляется необходимость в корректировке УОВ дизельного топлива.
При испытании топливных насосов высокого давления на стенде необходимо пользоваться таблицами или картами заданных контрольных параметров. В них указываются условия, при которых испытываемый ТНВД должен соответствовать табличным данным.
ФУНКЦИИ ТНВД ТИПА VE, ЯВЛЯЮЩИЕСЯ ПРЕДМЕТОМ ВНИМАНИЯ
— исправность элементов, отвечающих за высокое давление;
— исправность элементов, отвечающих за давление в ТНВД;
— исправность элементов автомата опережения;
— работа регулятора частоты вращения.
Эти показатели рассматриваются при заданных частотах вращения и полной нагрузке.
В 1978 году на ТНВД типа VE появилось отключаемое устройство регулирования начала подачи, зависящее от нагрузки.
Позже появились корректоры типа LFB (устройство изменения момента начала подачи топлива, в зависимости от нагрузки). Эти устройства предназначены для коррекции момента начала подачи топлива в зависимости от нагрузки для уменьшения шума и особенно эмиссии ОГ.
Что означает слово коррекция? Коррекция — внесение поправок в действие измерительных приборов, регуляторов и т. п. в зависимости от изменения условий их эксплуатации.
При проверке ТНВД проверяются корректоры по нагрузке и другие облагораживающие устройства.
Интересные результаты можно получить, сравнивая давление в ТНВД типа VE с корректором по нагрузке и без него на минимальных оборотах холостого хода. Так вот, с корректором давление в ТНВД на холостом ходу -1,5ч-2,0 bar, а без корректора — 2,5ч-3,8 bar. То есть поршень автомата опережения топливного насоса высокого давления без корректора уже находится в положении «раньше» с расчётом на увеличение цикловой подачи топлива.
Вы знаете, что давление в ТНВД типа VE влияет на изменение УОВ в динамике. Чем выше частота вращения вала-тем выше давление в топливном насосе и тем на большее расстояние перемещается гидравлический поршень автомата опережения — раньше впрыск.
ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ КОРРЕКТОРА
— повышение давления в ТНВД при пуске;
— повышение давления в ТНВД при увеличении нагрузки;
— понижение давления в ТНВД при уменьшении нагрузки.
Давление в ТНВД изменяется в пределах 1 н-2 bar.
— обеспечить более ранний впрыск дизельного топлива при пуске (тем самым улучшив его);
— уменьшить давление в ТНВД на холостом ходу и, как следствие, уменьшить шумность работы дизельного двигателя на этом режиме;
— варьировать между положениями «раньше» или «позже» в зависимости от нагрузки. При уменьшающейся нагрузке (от полной к частичной) и при неизменном положении педали подачи топлива, начало подачи смещается в положение «позже». С увеличением нагрузки — в положение «раньше». И, как результат, работа двигателя становится мягче, и уменьшается токсичность ОГ в режиме частичных нагрузок.
Признаюсь честно, что до четвёртого Слёта диагностов не задумывался об особенностях устройства муфты регулирования опережения впрыском рядных ТНВД. Мне казалось естественным понимание того, что угол опережения впрыска топлива зависит от многих факторов. В том числе, от частоты вращения коленчатого вала двигателя и нагрузки. При более тщательном рассмотрении вопроса регулирования УОВ всплыл вопрос: как именно осуществляется это регулирование? Ведь в конструкции рядного ТНВД предусмотрен только регулятор частоты вращения. Устройство по регулированию угла опережения впрыском вынесено за пределы ТНВД.
Так вот о муфте. Муфта — как муфта, ничего особенного: пружины, грузы. Состоит из двух подвижных относительно друг друга половин с одним центром (двигатель ОМ 602.911). И работает просто: чем выше частота вращения коленчатого вала-тем дальше от центра муфты перемещаются грузы и поворачивают вторую половину муфты (вместе с валом ТНВД) по ходу вращения — раньше впрыск топлива.
Подумалось о корректоре, но места, удобного для его монтажа, в этой муфте я не обнаружил. Сложное это мероприятие в рядном ТНВД — организовать корректирование УОВ по нагрузке. Но с появлением рядного ТНВД с дополнительной (регулирующей) втулкой это стало реальностью.
«. С помощью электроники появляется возможность ввести дополнительную (в сравнении со стандартным ТНВД) коррекцию регулирования работы дизеля. . » (стр.177, Первое издание книги BOSCH «Системы управления дизельными двигателями», перевод с немецкого издательства «За рулем», 2004 год).
Этими примерами я хочу сказать, что конструктивно в элементах простых механических топливных насосов высокого давления, отвечающих за регулирование УОВ в динамике, учтены колебания температуры в камере сгорания двигателя, зависящие от количества впрыснутого в неё топлива. В своё время подобные решения вполне устраивали производителей автомобилей и покупателей.
Время идёт — всё меняется.
Считаю, что рассматривать все процессы, происходящие в камере сгорания двигателя, зависящие от частоты вращения, необходимо отдельно от процессов, происходящих при изменении нагрузки.
Для понимания сути происходящего. Разделить эти процессы нельзя.
Изменение количества рабочего тела влечет за собой изменение частоты вращения коленчатого вала. Даже в режиме нулевой нагрузки.
На стр. 58 Первого издания книги BOSCH «Системы управления дизельными двигателями», перевод с немецкого издательства «За рулем», 2004год, сказано: «. Оптимальные значения углов опережения впрыскивания меняются в зависимости от нагрузки на двигатель, что требует их регулирования. Необходимые величины устанавливаются отдельно для каждого типа двигателя и образуют поле характеристик, которое определяет момент начала впрыскивания в зависимости от нагрузки на двигатель, частоты вращения коленчатого вала и температуры охлаждающей жидкости. ».
Тридцать восемь лет назад говорилось о регулировке УОВ в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя и от нагрузки. Возможности по организации оптимального горения топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя в то время были совсем иные, чем сегодня.
Источник
