Dyzelino įpurškimo sistemos. Dizainas, privalumai ir trūkumai

Skirtingai nuo benzininių variklių, dyzeliniai varikliai nuo pat pradžių turėjo kuro įpurškimą. Keitėsi tik įpurškimo sistemos, jungiamosios detalės ir į cilindrus tiekiamo kuro slėgis.

Dyzelinio variklio, paprastai žinomo kaip dyzelinis, veikimo principas visiškai skiriasi nuo benzininio variklio. Kuro sunkvežimiuose kuro ir oro mišinys patenka į degimo kamerą virš stūmoklio. Po suspaudimo mišinys užsidega dėl elektros kibirkšties sugedimo prie uždegimo žvakės elektrodų. Štai kodėl benzininiai varikliai dar vadinami kibirkštinio uždegimo (SI) varikliais.

Dyzeliniuose varikliuose degimo kameroje esantis stūmoklis suspaudžia tik orą, kuris, veikiamas didžiulio slėgio (mažiausiai 40 barų – iš čia ir vadinamas „aukštas slėgis“), įkaista iki 600–800 °C temperatūros. Įpurškus kurą į tokį karštą orą, degimo kameroje kuras iš karto užsidega savaime. Dėl šios priežasties dyzeliniai jėgos agregatai dar vadinami slėginio uždegimo (CI) varikliais. Nuo pat pradžių jie buvo tiekiami kurą įpurškiant į degimo kamerą, o ne į įsiurbimo kolektorių, kuris tik tiekia orą varikliui. Priklausomai nuo to, ar degimo kamera buvo padalinta, ar ne, dyzeliniai varikliai buvo suskirstyti į jėgos agregatus su netiesioginiu arba tiesioginiu įpurškimu.

Netiesioginė injekcija

Dyzelinas, nors ir debiutavo su tiesioginio įpurškimo sistema, buvo naudojamas neilgai. Šis sprendimas sukėlė per daug problemų ir automobilių pramonėje jį pakeitė 1909 metais patentuotas netiesioginis įpurškimas. Tiesioginis įpurškimas liko dideliuose stacionariuose ir laivų varikliuose, taip pat kai kuriuose sunkvežimiuose. Lengvųjų automobilių dizaineriai pirmenybę teikė netiesioginio įpurškimo dyzeliniams varikliams, kurių veikimas sklandesnis ir mažesnis triukšmas.

Sąvoka „netiesioginis“ dyzeliniuose varikliuose reiškia visai ką kita nei benzininiuose varikliuose, kur netiesioginis įpurškimas yra oro ir degalų mišinio įpurškimas į įsiurbimo kolektorių. Netiesioginio įpurškimo dyzeliniuose varikliuose, kaip ir tiesioginio įpurškimo konstrukcijose, purkštuko purškiamas kuras taip pat patenka į degimo kamerą. Tiesiog ji padalinta į dvi dalis – pagalbinę dalį, į kurią įpurškiamas kuras, ir pagrindinę, t.y. vieta tiesiai virš stūmoklio, kurioje vyksta pagrindinis kuro degimo procesas. Kameros yra tarpusavyje sujungtos kanalu ar kanalais. Pagal formą ir funkciją kameros skirstomos į preliminarius, sūkurinius ir oro rezervuarus.

Pastarųjų negalima naudoti, nes jų gamyba praktiškai nutrūko. Prieškamerų ir sūkurinių kamerų atveju antgalis yra sumontuotas šalia pagalbinės kameros ir įpurškia kurą į ją. Ten užsidega, tada iš dalies sudegęs kuras patenka į pagrindinę kamerą ir ten išdega. Dyzeliniai varikliai su prieškamerine arba sūkurine kamera veikia sklandžiai ir gali turėti lengvas švaistiklio sistemas. Jie nėra jautrūs degalų kokybei ir gali turėti paprastos konstrukcijos purkštukus. Tačiau jie yra mažiau efektyvūs nei tiesioginio įpurškimo dyzeliniai varikliai, sunaudoja daugiau degalų, be to, kyla problemų užvedant šaltą variklį. Šiandien lengvųjų automobilių netiesioginio įpurškimo dyzeliniai varikliai yra praeitis ir nebegaminami. Šiuolaikiniuose šiuolaikiškuose automobiliuose jie retai sutinkami rinkoje. Jų galima rasti tik tokiuose modeliuose kaip indiškas Hindustan ir Tata, rusiškas UAZ, senesnės kartos „Mitsubishi Pajero“, parduodamas Brazilijoje, ar Argentinoje siūlomas „Volkswagen Polo“. Jie naudojami daug didesniais kiekiais antrinės rinkos transporto priemonėse.

Tiesioginė injekcija

Viskas prasidėjo nuo jo. Tačiau tiesioginio įpurškimo privalumai iš pradžių nebuvo išnaudoti. Tinkamo kuro sukimosi svarba nebuvo žinoma ir jo degimas nebuvo optimalus. Susidarė kuro gabalėliai, kurie prisidėjo prie suodžių susidarymo. Stūmoklio procesai vyko per greitai, varikliai dirbo sunkiai, greitai sunaikindami alkūninio veleno guolį. Dėl šios priežasties tiesioginio įpurškimo atsisakyta, pirmenybę teikiant netiesioginiam įpurškimui.

Grįžimas prie šaknų, tačiau modernioje versijoje, įvyko tik 1987 m., kai „Fiat Croma 1.9 TD“ pradėjo masinę gamybą. Tiesioginiam degalų įpurškimui reikalinga efektyvi įpurškimo įranga, aukštas įpurškimo slėgis, geros kokybės kuras ir labai stiprus (taigi ir sunkus) alkūninis mechanizmas. Tačiau jis užtikrina aukštą efektyvumą ir lengvą šalto variklio užvedimą. Šiuolaikiniai sprendimai dyzeliniams varikliams su tiesioginiu įpurškimu daugiausia grindžiami visiškai plokščiomis galvutėmis ir stūmokliais su tinkamos formos kameromis (ertmėmis). Kameros yra atsakingos už tinkamą kuro turbulenciją. Tiesioginis įpurškimas šiandien plačiai naudojamas lengvųjų automobilių dyzeliniuose varikliuose.

Tiesioginis įpurškimas – siurblio purkštukai

Tradiciniuose dyzeliniuose varikliuose už degalų tiekimą atsakingi įvairių tipų siurbliai. Pirmaisiais laikais degalai buvo įpurškiami suslėgtu oru, o XX a. 20-ajame dešimtmetyje tai buvo daroma naudojant pertvarkytus alyvos siurblius. 300-aisiais jau buvo plačiai naudojami specialūs siurbliai, skirti dyzeliniams varikliams. Iš pradžių jis buvo pagrįstas serijiniais siurbliais, kurie sukuria žemą slėgį (iki 60 barų). Tik 1000-aisiais pasirodė efektyvesni siurbliai su ašiniu skirstytuvu (virš 80 barų). Aštuntojo dešimtmečio viduryje jie gavo mechaninį įpurškimo valdymą, o aštuntojo dešimtmečio viduryje – elektroninį valdymą (BMW 524td, 1986).

Jau 30-aisiais sunkvežimiuose naudojami siurbliai-purkštukai buvo kiek kitoks degalų įpurškimo būdas, juos plačiai lengvuosiuose automobiliuose panaudojo Volkswagen koncernas, pirmą kartą 1998 metais (Passat B5 1.9 TDI). Trumpai tariant, siurblio purkštukas yra purkštukas su savo siurbliu, kurį varo skirstomasis velenas. Taigi visas slėgio ir įpurškimo į cilindrą procesas apsiriboja cilindro galvute. Sistema labai kompaktiška, nėra kuro linijų, jungiančių siurblį su purkštukais. Todėl nėra purkštukų pulsavimo, todėl sunku reguliuoti degalų dozę ir nuotėkius. Kadangi degalai dalinai išgaruoja įrenginio purkštuko kameroje, įpurškimo laikas gali būti mažas (lengvas paleidimas). Tačiau svarbiausias yra labai didelis įpurškimo slėgis – 2000–2200 barų. Degalų dozė cilindre greitai susimaišo su oru ir dega labai efektyviai.

Apskritai dyzelinas su vienetiniais purkštukais pasižymi dideliu efektyvumu, mažomis degalų sąnaudomis, dideliu greičiu ir galimybe išgauti didelį galios tankį. Tačiau vienetinio purkštuko variklis yra brangus gaminti, daugiausia dėl cilindro galvutės sudėtingumo. Jo darbas sunkus ir garsus. Kai maitinamas vienetiniais purkštukais, taip pat kyla problemų dėl išmetamųjų dujų toksiškumo, dėl kurio VW atsisakė šio sprendimo.

Tiesioginis įpurškimas – Common Rail

Svarbiausias Common Rail įpurškimo sistemos elementas yra „Common Rail“ – bako tipas, dar vadinamas „slėginiu kuro akumuliatoriumi“, į kurį siurblys pumpuoja dyzelinį kurą. Jis patenka į purkštukus ne tiesiai iš siurblio, o iš bako, išlaikant vienodą kiekvieno cilindro slėgį.

Vaizdžiai galima teigti, kad kiekvienas iš purkštukų nelaukia kuro porcijos iš siurblio, bet vis tiek turi kuro labai aukšto slėgio. Elektrinių impulsų, įjungiančių purkštukus, pakanka kurui tiekti į degimo kameras. Tokia sistema leidžia sukurti daugiafazius įpurškimus (net 8 fazes vienam įpurškimui), o tai lemia labai tikslų kuro degimą laipsniškai didėjant slėgiui. Labai didelis įpurškimo slėgis (1800 barų) leidžia naudoti purkštukus su labai mažomis angomis, kurios tiekia degalus beveik rūko pavidalu.

Visa tai papildo didelis variklio efektyvumas, sklandus veikimas ir žemas triukšmo lygis (nepaisant tiesioginio įpurškimo), geras manevringumas ir mažas išmetamųjų dujų kiekis. Tačiau „Common Rail“ varikliams reikia aukščiausios kokybės degalų ir geriausių filtrų. Degaluose esantys teršalai gali sugadinti purkštukus ir sukelti žalą, kurią taisyti labai brangu.