Особенности конструкции некоторых зарубежных и отечественных дизелей

     Особенности работы дизелей на различных топливах определили и те конструктивные изменения, которые позволяют серийный дизель сделать многотопливным.
Чтобы дизель мог нормально работать как на дизельном топливе, так и на легких топливах, необходимо выполнить ряд требований. Прежде всего необходимо обеспечить надежное и устойчивое сгорание топлива независимо от его сорта на всех скоростных и нагрузочных режимах двигателя. Это достигается подогревом воздуха на всасывании, применением турбонаддува, обеспечением соответствия угла опережения впрыска сорту топлива и режиму работы двигателя, поддержанием нормального теплового режима двигателя.
Снижение мощности, вызываемое применением топлива с меньшим удельным весом и изменением его фракционного состава, должно быть компенсировано изменением хода рейки насоса высокого давления при максимальной подаче, созданием надежной, исключающей парообразование топлива системы питания путем повышения давления топлива в топливопроводах низкого давления, обеспечения циркуляции топлива в системе для удаления образовавшихся паров топлива, установки надежной топливной аппаратуры, в которой имеется подвод смазки к плунжерным парам, дренаж топлива от плунжерных пар в бак, подвод смазки в картер топливного насоса. Наконец, необходимо обеспечить надежный запуск двигателя путем увеличения цикловой подачи топлива в момент запуска, подогрева всасываемого воздуха от постороннего источника тепла, повышения пусковых оборотов двигателя и повышения степени сжатия.
Ниже рассматриваются некоторые, наиболее интересные конструктивные решения, обеспечивающие дизелям многотопливные качества

Зарубежные многотопливные двигатели
Двигатели с непосредственным впрыском

     Во многих странах (США, ФРГ, Франции и др.) наиболее рас пространенными стали многотопливные двигатели фирмы МАН работающие по М-процессу.
Одной из ранних моделей дизелей, работающих по М-процес является двигатель МАН Д1246М2Т1, который был использован в качестве прототипа для создания ряда многотопливных двигателей фирмы МАN. Двигатель представляет собой быстроходный шестицилиндровый четырехтактный дизель непосредственного впрыска жидкостного охлаждения с турбонагнетателем.
Поршни этого двигателя отлиты из алюминиевого сплава. В днищах поршней располагается камера сгорания, обеспечивающая пленочное смесеобразование (М-процесс). В горловине камеры сгорания имеется прорезь, через которую топливо впрыскивается форсункой на стенку камеры сгорания под острым углом.
Впускные клапаны имеют ширмы высотой 8,8 мм с углом 107°, обеспечивающие интенсивное вращение воздуха вокруг осей цилиндров в направлении впрыска топлива. Угловое положение клапанов фиксируется. Вращательное движение воздуха сохраняется во время такта сжатия и несколько усиливается вблизи ВМТ вследствие вытеснения воздуха из зазоров над поршнем. Весь воздух вытесняется в камеру сгорания, имеющую диаметр горловины значительно меньший диаметра цилиндра. Наиболее высокая температура воздуха наблюдается в средней части камеры сгорания по ее оси.
Днище поршня охлаждается маслом, поступающим из масляной магистрали через форсунки с диаметром отверстия 1,5 мм.
Масляное охлаждение поршня способствует равномерному постепенному испарению топлива с поверхности пленки и предотвращает термический распад и преждевременное полное окисление топлива.
Подача масла к поршню несколько ускоряет прогрев всего масла, находящегося в картере двигателя, при запуске холодного двигателя. Топливный насос высокого давления (ТНВД) снабжен муфтой опережения впрыска. Она служит для первоначальной установки угла опережения впрыска путем изменения углового положения вала насоса относительно привода. С увеличением числа оборотов коленчатого вала муфта автоматически увеличивает угол опережения впрыска по углу поворота коленчатого вала.
Форсунки конструкции Бош закрытого тип выполнены с конической уплотняющей поверхностью.
Направляющая игла распылителя форсунки расположена в зоне, удаленной от камеры сгорания, что предотвращает смолообразование на сопловой части форсунки. Такая конструктивная особенность этих форсунок оказалась весьма важной при разработке многотопливных модификаций двигателей МАН с пленочным смесеобразованием. Кроме того, расположение направляющей иглы распылителя в зоне менее высоких температур дает возможность уменьшить размеры сопловой части.
Система подачи воздуха состоит из турбонагнетателя, впускного трубопровода, двух воздухоочистителей и устройства для подогрева воздуха. Воздух засасывается через металлическую гофрированную трубу сбоку радиатора. При этом используется скоростной напор встречного потока воздуха при движении автомобиля.
Турбонагнетатель импульсного типа. В трубопровод, соединяющий нагнетатель с впускным коллектором, встроен трубчатый охладитель воздуха (теплообменник). Охлаждающая жидкость поступает к охладителю от водяного насоса.
Для облегчения запуска двигателя при низких температурах служит устройство для подогрева воздуха. С помощью сжатого воздуха, поступающего из воздушного ресивера тормозов, топливо подается из форсунки, распыляется и воспламеняется от свечи накаливания. Подогреватель включается общим включателем для сжатого воздуха и электрического тока. В случае отсутствия воздуха в системе пневматических тормозов необходимое давление обеспечивается при первых оборотах двигателя посредственно из нагнетательного трубопровода компрессора.
Подогреватель работает на дизельном топливе. Он нагревает воздухоочиститель и впускные каналы. После достаточного прогрева впускной системы двигатель запускается от электростартера.

     Многотопливный двигатель МАН D1246МV3А представляет собой четырехтактный дизель с непосредственным впрыском. Его прототипом является дизель МАН D1246МVТ1, в отличие от которого двигатель МАН D1246МV3А не имеет турбонаддува, а для обеспечения многотопливности, улучшения пусковых качеств при низких температурах и устойчивой работы на малых нагрузках внесен ряд изменений в его конструкцию.
На топливном насосе высокого давления (ТНВД) предусмотрено два положения упора на рычаге управления подачей топлива: одно положение для работы на топливах, близких к дизельному топливу, второе— для работы на бензине и других топливах, по фракционному составу близких к бензину.
Прокачивать систему питания необходимо в том случае, если двигатель запускают в горячем состоянии при работе на бензине или других топливах, близких к бензину по фракционному составу, в южных районах. Кроме того, двигатель имеет эффективную систему перепуска топлива в бак из фильтра тонкой очистки, топливного насоса высокого давления и форсунок.
Для облегчения запуска на двигателе установлен электрофакельный подогреватель.
Многотопливная модификация двигателя МАН имеет более высокую степень сжатия по сравнению с прототипом этого двигателя (23 вместо 17). Степень сжатия увеличена за счет уменьшения объема камеры сгорания.В двигателе имеется устройство, позволяющее осуществить изменение направления воздуха, поступающего в цилиндры, уменьшение интенсивности его вихревого движения, а следовательно, тепловых потерь в период запуска.

     Многотопливный двигатель МАН D0026МV1А разработан для многоосного автомобиля предназначенного для эксплуатации в условиях жаркого климата.
Охлаждение поршней маслом, как и на двигателе МАН D1246M2T1 осуществляется форсунками, смонтированными на главной масляной магистрали.
К каждой плунжерной паре топливного насоса высокого давления, а также к плунжерной паре топливоподкачивающего насоса подводится масло из системы смазки двигателя через внешний гибкий маслопровод и фильтр дополнительной тонкой очистки масла. В подводящем маслопроводе вмонтирован обратный клапан, исключающий попадание топлива в масляную магистраль.
Уменьшению парообразования в топливной системе способствует повышенное охлаждение всасывающей полости насоса высокого давления топливом благодаря увеличению производительности подкачивающего насоса. Избыточное топливо перепускается в топливный бак через редукционный клапан.
На рычаге регулятора насоса установлен двухпозиционньтй ограничитель хода рейки.
Форсунки закрытого типа имеют распылители с одним отверстием диаметром 0,53 мм.
Давление впрыска в данном многотопливном двигателе повышено до 210 кгс/см2.
Использование двухдырчатых, а также однодырчатых форсунок (на некоторых моделях двигателей) с большим диаметром сопловых отверстий в сочетании с расположением направляющих игл распылителей в зоне, удаленной от камеры сгорания, является важным преимуществом многотопливньнх двигателей с пленочным смесеобразованием Это уменьшает возможность закоксования сопла, т. е. повышает эксплуатационную надежность двигателя.
   В последнее время фирмой Интернационал начат выпуск новых многотопливных двигателей моделей DV-462 и DV-550 для грузовых автомобилей. Эти двигатели максимально унифицированы с ранее изготовлявшимися карбюраторными V-образнымй двигателями. Благодаря этому блоки цилиндров дизелей имеют такие же габаритные размеры, как и блоки карбюраторных двигателей, и большинство деталей их унифицировано.
Конструкция многотопливных двигателей DV-462 и DV-550 имеет много интересных особенностей. Двигатели весьма компактные и легкие: удельный вес их равен соответственно 3,1 и 2,8 кг/л.с. Компактность и малый вес получены за счет применения почти квадратной размерности (отношение хода поршня к диаметру цилиндра) и широкого использования алюминиевого литья. Удельные расходы топлива составляют для модели DV-462 165 г/л. с. ч при 1600 об/мин и 181 г/л. с. ч при 3200 об/мин.
Основная идея при выпуске этих многотопливных двигателей заключается в создании двигателей с высокой экономичностью и долговечностью, габариты которых не выходили бы за пределы больших V-образных карбюраторных двигателей и обеспечивали бы их взаимозаменяемость.

      В американских многотопливных двигателях Континенталь LDS-427, АWDS-1790 и др. используется также М-процесс. Продолжая развитие многотопливных двигателей с М-процессом, фирма Континенталь применила автоматический компенсатор изменения максимальной мощности двигателя в зависимости от плотности (вязкости) топлива. Это позволяет обеспечить номинальную мощность двигателя при работе на любых топливах.
На двигателях фирмы Континенталь применяются впускные трубопроводы с подогревом охлаждающей водой и пламенный догреватель впускного трубопровода упрощенной конструкции для облегчения запуска двигателя при низких температурах окружающего воздуха.
На многотопливных двигателях фирмы Континенталь АWDS - 1100 примен поршень с регулируемой степенью сжатия, который позволяет форсировать двигатель с 550 л. с. до 825 л. с. при тех же оборотах коленчатого вала, увеличивая литровую мощность с 30 л. с./л до 45 л. с./л. Степень сжатия в зависимости от нагрузки автоматически изменяется от 12 до 22 ед.
Многотопливные двигатели фирмы Заурер DG-Р конструктивно интересны тем, что в них применен двухфазный впрыск. В многотопливном двигателе этой фирмы без наддува для увеличения температуры конца сжатия степень сжатия повышена до 25 ед. В двигателе с наддувом степень сжатия уменьшена до 18,5 ед. Для предупреждения выгорания металла при использовании легких топлив камера сгорания подвергается специальной обработке. Благодаря уменьшению фазы впуска несколько повысились коэффициент наполнения и давление конца сжатия на пусковом числе оборотов. На двигателе увеличен угол опережения впрыска топлива для обеспечения работы двигателя на легких топливах. Для уменьшения парообразования бензинов в топливную систему введен дополнительный топливоподкачивающий насос с электроприводом, прокачивающий топливо в системе питания под давлением 0,3 кгс/см2 , а после запуска двигателя—под давлением 2,5 кгс/см2. В плунжерной паре предусмотрены дренаж топлива и масляный затвор. Упор максимального выдвига рейки топливного насоса регулируется из кабины водителя в зависимости от сорта применяемого топлива. При работе на высоковязком топливе более тяжелом, чем дизельное топливо, предусмотрен перепуск его, минуя фильтр тонкой очистки топлива.

Предкамерные двигатели

   Многотопливные двигатели фирмы Даймлер-Бенц ОМ-321, ОМ - З15 ОМ-326 созданы на базе стандартного предкамерного дизеля этой фирмы .Предкамерный дизель по сравнению с двигателями с непосредственным впрыском более приспособлен к использованию расширенного ассортимента топлив. Высокое тепловое состояние предкамеры в конце сжатия обеспечивает достаточно интенсивное протекание предварительных химических реакций и 6ыстрое воспламенение топлив даже с пониженной самовоспламеняемосты.
У многотопливных двигателей Даймлер-Бенц степень сжатия повышена по сравнению с базовыми дизелями на 2—6 ед. Для предкамеры и ее вставки применен более жаростойкий материал. Кроме того, материалы повышенного качества использованы для изготовления клапанов н направляющих втулок клапанов, обеспечивающие герметичность клапанов при весьма продолжительной эксплуатации даже на этилированных бензинах. Улучшено уплотнение головки цилиндра с учетом повышенных температур сгорания, имеющих место при применении легких топлив, путем введения так называемого огнезащитного кольца, предохраняющего окантовку прокладки головки цилиндров. Усовершенствованы так же свечи накаливания, применяемые для облегчения запуска двигателя в условиях низких температур.
Топливная система и аппаратура у этого двигателя также имеют конструктивные изменения, аналогичные описанным выше для двигателей фирмы МАN.

     Многотопливный двигатель FIAT 203Р создан в результате коренного изменения конструкции камеры сгорания стандартного дизеля фирмы Фиат. За исключением головки блока цилиндров, все остальные детали многотопливных и стандартных дизелей унифицированы. Камера сгорания многотопливного двигателя Фиат 203Р является по своему типу разделенной камерой сгорания с широкой горловиной, сближающей ее с двигателем, имеющим непосредственный впрыск. Характерным является то, что многотопливный двигатель фирмы Фиат рассчитан на применение легких топлив только при условии присадки к ним до 5—10% стандартного дизельного топлива или 3—5% смазочного масла. Фирма утверждает, что добавка масла улучшает условия смазки топливной аппаратуры и нет нужды в ее модернизации. Кроме того, добавка масла благоприятно сказывается на ускорении окисления топлив, имеющих высокую температуру самовоспламенения.

Вихрекамерные двигатели

     По приспособленности к работе на различных топливах вихрекамерные дизели занимают промежуточное положение между дизелями с непосредственным впрыском и предкамерными. Американская фирма Геркулес вместо традиционных предкамерных стала выпускать несколько типов вихрекамерных двигателей, предназначенных для работы на различных топливах. В этих двигателях применяются вставки из жаростойкой стали в предкамере, расположенной в головке блока. Температура вставки изменяется в зависимости от скорости и направления движения воздуха. Часть топлива, впрыскиваемая вдоль горячей поверхности вставки, испаряется, обеспечивая управляемое сгорание с минимальной жесткостью и хорошим воспламенением топлива, имеющего низкое октановое число.
Форма камеры сгорания двигателя способствует эффективному завихрению воздуха, устраняя необходимость заширмления впускных клапанов или изменения воздухоподводящих каналов.
Особенностью двигателя является, весьма низкий удельный расход топлива (165 Г/л. с. ч), почти одинаковый с расходом топлива дизеля с непосредственным впрыском. Степень сжатия многотопливной модификации двигателя равна 18, обычного серийного дизеля — 17.
В систему питания многотопливного двигателя внесены изменения, способствующие нормальной работе на легких топливах: дренаж топлива в плунжерной паре, циркуляция его в системе и подвод смазки к кулачкам распределительного валика насоса высокого давления.

     У многотопливного двигателя фирмы Дейтц F6L714 вихревая каiера выполнена из специального чугуна и заделана в головку цилиндров из алюминиевого сплава, что в сочетании с автоматической системой регулирования температуры охлаждающего воздуха обеспечивает возможность более точно регулировать температурное состояние внутренней поверхности стенок камеры сгорания. Степень сжатия у двигателя повышена до 21,5 ед. Прокладка головки цилиндра отсутствует.
Температура воздуха регулируется изменением числа оборотов воздуходувки, что влечет за собой соответствующее изменение расхода воздуха. С этой целью привод воздуходувки охлаждающего воздуха снабжен регулируемой гидромуфтой. Количество масла гидромуфте изменяется с помощью термостата, расположенного в потоке охлаждающего воздуха на выходе из двигателя.
Действие системы регулирования подачи охлаждающего воздуха дополняется также автоматическим регулированием температуры всасываемого воздуха, которое существенно влияет на температуру конца сжатия. В качестве источника тепла для подогрева всасываемого воздуха используются отработавшие газы.
Подогрев осуществляется в выпускном коллекторе, выполненном в виде теплообменника. Подогрев применяется только на частичных нагрузках или при непрогретом двигателе и автоматически выключается после достижения рабочей температуры двигателя.

Двигатели с противоположно движущимися поршнями

     Оппозитное расположение цилиндров создает предпосылки для удовлетворительной работы двигателя на различных топливах: оно обеспечивает повышенную среднюю температуру цикла благодаря пониженной теплоотдаче в систему охлаждения. Небольшие конструктивные изменения превращают эти двигатели в многотопливные.
Наиболее интересными двигателями такого типа, успешно работающими на топливах широкого диапазона, являются двухтактный двигатель Рутс ТS-3 и семейство двухтактных двигателей фирмы Роллс-ройс.

Отечественные многотопливные двигатели

     На базе отечественных серийных дизелей ЯМЗ-238, А-401, А-712 и А-650 созданы их многотопливные модификации.
     Многотопливные двигатели ЯМЗ-2З8М отличаются от базовой модели конструктивными усовершенствованиями отдельных элементов системы питания топливом.
В топливном насосе высокого давления двигателя ЯМЗ-238М в отличие от серийного насоса во втулке плунжерной пары выполнена дренажная канавка с отверстием, под нижний бурт втулки плунжерной пары устанавливается уплотнитель, в корпусе насоса дополнительно выполнена система дренажных отверстий для отвода просочившегося по плунжерной паре легкого топлива, на кулачковом валу установлена специальная кулачковая шайба для привода подкачивающего насоса.
Система питания многотопливного двигателя отличается от системы питания серийного диаеля наличием топливоподкачивающего насоса с электроприводом и дренажной трубки.
     Многотопливные двигатели А-401М, А-712М и А-650М по своей конструкции и принципам обеспечения многотопливности мало чем отличаются один от другого. У двигателей А-650М в отличие от двигателей А-401М и А-712М имеется система подогрева воздуха.
Системы питания многотопливных двигателей отличаются от системы питания серийных дизелей увеличенным давлением в топливопроводах низкого давления.
На некоторых моделях двигателей масло дается не от головки блока, а от штуцера подвода масла к правой головке. Это изменение введено с целью исключить возможность образования масляных пробок в изгибах трубки в холодное время года.

     Во всех системах питания топливом отечественных многотопливных двигателей входит агрегат БЦН-1. Он представляет собой топливоподкачивающий насос центробежного типа с электроприводом, предназначенный для повышения давления (создание подпора) топлива на входе в топливоподкачивающий БНК-12ТК.
Температуру воздуха, поступающего в цилиндры, можно повысить установкой металлического кожуха на выпускном трубопроводе. Потерю мощности в связи с работой на бензине следует компенсировать установкой насос-форсунок повышенной производительности.
Присадки к легким топливам добавляются для повышения их октанового числа. Так, добавление к бензину 2—5% обычного моторного масла обеспечивает более мягкую работу дизеля и повышает его мощность на 4-6%. Некоторое улучшение рабочего процесса дизеля при этом объясняется тем, что мелко распыленные капельки масла, имеющие более низкую температуру самовоспламенения, воспламеняются значительно раньше основной массы топлива и в последующем служат очагами, обеспечивающими равномерное сгорание всей рабочий смеси. При добавлении к бензину моторного масла дизель работает мягче, индикаторная диаграмма получается полнее, чем при работе на чистом бензине.
Еще более благоприятно протекает сгорание при добавлении в бензин присадки изопропилнитрата. Добавление к бензину 1,5% пропилнитрата понижает максимальное давление сгорания в дизеле ЯАЗ-204 до 54—56 кгс/см2 и жесткость его работы.