Kaip dyzeliniai varikliai veikia šiuolaikinėse transporto priemonėse
Dyzeliniai varikliai išlieka vienu iš plačiausiai naudojamų vidaus degimo variklių tipų šiuolaikinėse transporto priemonėse, ypač komercinėse transporto priemonėse, visureigiuose ir tam tikruose lengvuosiuose automobiliuose, kuriems reikalingas didelis efektyvumas ir didelis sukimo momentas. Skirtingai nuo benzininių variklių, kurie naudoja kibirkštinį uždegimą, dyzeliniai varikliai veikia suspaudimo uždegimo principu, kai degalai užsidega dėl aukštos suslėgto oro temperatūros. Tobulėjant technologijoms, šiuolaikiniai dyzeliniai varikliai buvo daug patobulinti, todėl jie tapo galingesni, ekonomiškesni, sklandesni ir ekologiškesni nei ankstesnės kartos.
1. Pagrindinė koncepcija: degimas suspaudimo uždegimu
Pagrindinis dyzelinio variklio principas yra suspausti orą cilindre iki labai aukšto slėgio. Dėl šio suspaudimo oro temperatūra žymiai pakyla. Kai dyzelinas įpurškiamas į šį karštą orą kaip smulkus rūkas, jis išgaruoja ir užsidega automatiškai be uždegimo žvakės pagalbos. Tai yra pats esminis skirtumas tarp dyzelinio ir benzininio variklio.
Dyzelinio variklio suspaudimo laipsnis paprastai yra didesnis nei benzininio variklio. Šiuolaikinių dyzelinių variklių suspaudimo laipsnis gali svyruoti nuo 14:1 iki 20:1 (priklausomai nuo konstrukcijos ir išmetamųjų teršalų / efektyvumo reikalavimų). Šis didelis suspaudimo laipsnis yra labai svarbus dyzelinio variklio šiluminiam efektyvumui, nes kuo didesnis suspaudimo laipsnis, tuo daugiau energijos galima išgauti iš degimo proceso.
2. Dyzelinio variklio darbo ciklas: keturi pagrindiniai taktai
Daugumoje šiuolaikinių transporto priemonių naudojamas keturtaktis dyzelinis variklis. Ciklas susideda iš:
a. Įsiurbimo taktas
Stūmoklis juda iš viršutinio mirties taško (TDC) į apatinį mirties tašką (BDC), atsidaro įsiurbimo vožtuvas ir į cilindrą patenka grynas oras. Dyzeliniame variklyje įsiurbiama daugiausia oro (o ne oro ir kuro mišinys, kaip įprastame benzininiame variklyje). Daugelyje šiuolaikinių variklių įeinantis oras yra iš anksto suspaustas turbokompresoriumi, taip padidinant deguonies kiekį.
b. Suspaudimo smūgis
Įsiurbimo vožtuvas užsidaro, stūmoklis pasislenka iš apatinės denio padėties (BDC) į viršutinės denio padėties (TDC) ir oras suspaudžiamas. Šios fazės metu oro temperatūra smarkiai pakyla. Artėjant suspaudimo pabaigai, įpurškimo sistema pradeda įpurkšti degalus aukštu slėgiu.
c. Galios / išsiplėtimo smūgis
Įpurškiamas kuras susimaišo su karštu oru ir savaime užsidega. Degimo metu susidaro aukštas slėgis, kuris stumia stūmoklį žemyn nuo TDC iki BDC. Šis eigos žingsnis sukuria galią alkūniniam velenui sukti.
d. Išmetimo eiga
Išmetimo vožtuvas atsidaro, stūmoklis pakyla iš apatinės padėties (BDC) į viršutinės padėties (TDC) ir išmetamosios dujos per išmetimo angą patenka į išmetimo sistemą ir išmetamųjų teršalų kontrolės įrenginius.
Šis ciklas kartojasi tūkstančius kartų per minutę, priklausomai nuo variklio apsukų. Variklio sklandumui ir efektyvumui didelę įtaką daro tikslus vožtuvų paskirstymas, degalų įpurškimo kiekis ir laikas bei įsiurbiamo oro valdymas.
3. Šiuolaikinių įpurškimo sistemų vaidmuo: „Common Rail“ ir daugiapakopis įpurškimas
Vienas didžiausių šiuolaikinių dyzelinių variklių revoliucijų yra tiesioginio įpurškimo sistemos „common rail“ naudojimas. Šioje sistemoje degalai pumpuojami į labai aukšto slėgio „bėgį“ (akumuliacinį vamzdelį), kurio slėgis gali siekti nuo 1.500 iki daugiau nei 2.500 barų, ir tada nukreipiami į elektroninius purkštukus kiekviename cilindre.
Bendrosios geležinkelio sistemos privalumai:
– Smulkesnis purškimas, todėl degimas yra tobulesnis.
– Labai tikslus įpurškimo valdymas, valdomas ECU (variklio valdymo bloko).
– Kelių įpurškimų galimybė: pavyzdžiui, išankstinis įpurškimas, pagrindinis įpurškimas ir po įpurškimo.
Laipsniškas įpurškimas padeda sumažinti dyzelino detonaciją, kietųjų dalelių išmetimą ir pagerinti vairavimo komfortą. Išankstinis įpurškimas sklandžiau inicijuoja degimą, o po įpurškimo tam tikromis sąlygomis gali padėti regeneruoti kietųjų dalelių filtrą (DPF).
4. Turbokompresorius ir tarpinis aušintuvas: oro pridėjimas, efektyvumo didinimas
Daugelyje šiuolaikinių dyzelinių variklių naudojami turbokompresoriai, siekiant padidinti oro tiekimą. Turbokompresoriai panaudoja išmetamųjų dujų energiją, kad suktų prie kompresoriaus prijungtą turbiną. Kompresorius suspaudžia įsiurbiamą orą, padidindamas jo masę (deguonį). Turėdamas daugiau deguonies, variklis gali efektyviau deginti degalus, padidindamas sukimo momentą ir galią, žymiai nepadidindamas variklio darbinio tūrio.
Kadangi suslėgtas oras įkaista, įrengiamas tarpinis aušintuvas (įsiurbiamo oro aušintuvas), kuris sumažina oro temperatūrą, padidina jo tankį ir sumažina nepilno sudegimo riziką. Turbokompresoriaus ir tarpinio aušintuvo derinys leidžia net ir mažiems dyzeliniams varikliams išgauti didelį sukimo momentą esant mažiems sūkiams – tai savybė, kurią mėgsta šiuolaikinės transporto priemonės.
5. Kaitinimo žvakė: padeda užvesti šaltu oru
Dyzeliniuose varikliuose uždegimo žvakės nenaudojamos, tačiau daugelyje jų naudojamos kaitinimo žvakės, kad būtų lengviau užvesti variklį, kai jis šaltas. Esant žemai temperatūrai, vien suspaudimo kartais nepakanka, kad oro temperatūra pakiltų iki stabilaus uždegimo taško. Kaitinimo žvakės šildo degimo kamerą arba sritį aplink purkštukus, palengvindamos pradinį degimą. Kai kuriuose šiuolaikiniuose varikliuose kaitinimo žvakės taip pat trumpą laiką veikia po variklio užvedimo, kad stabilizuotų degimą ir sumažintų dūmų kiekį.
6. Išmetamųjų teršalų kontrolė: EGR, DOC, DPF ir SCR
Pagrindinis šiuolaikinių dyzelinių variklių iššūkis – atitikti griežtus išmetamųjų teršalų standartus. Kadangi dyzelino degimas vyksta esant oro pertekliui ir aukštoje temperatūroje, paprastai išsiskiria NOx (azoto oksidai) ir kietosios dalelės (suodžiai/PM). Tam pasiekti šiuolaikinėse transporto priemonėse naudojamas šių technologijų derinys:
– EGR (išmetamųjų dujų recirkuliacija): grąžina dalį išmetamųjų dujų į įsiurbimo sistemą, kad sumažėtų degimo temperatūra ir NOx kiekis.
– DOC (dyzelino oksidacijos katalizatorius): oksiduoja CO ir HC į CO₂ ir H₂O, taip pat padeda sumažinti kvapą ir kai kuriuos kenksmingus komponentus.
– DPF (dyzelino kietųjų dalelių filtras): filtruoja kietąsias daleles / suodžius. DPF reikalauja periodinės „regeneracijos“ (susikaupusių suodžių deginimo) – tai gali būti pasyvi arba aktyvi, naudojant įpurškimo strategiją.
– SCR (selektyvi katalizinė redukcija): sumažina NOx kiekį purškiant karbamido skystį (dažnai vadinamą „AdBlue“) į išmetamąsias dujas, kuris vėliau reaguoja katalizatoriuje ir gamina azotą bei vandens garus.
Šis sistemų rinkinys šiuolaikinį dyzeliną daro daug švaresnį, nors ir sudėtingesnį bei reikalauja tinkamos priežiūros (pvz., geros dyzelino kokybės ir „AdBlue“ naudojimo SCR sistemoje).
7. ECU ir jutiklių vaidmuo: dyzeliniai varikliai tampa „išmanūs“
Nors senesni dyzeliniai varikliai buvo paprastų mechanizmų sinonimai, šiuolaikiniai dyzeliniai varikliai labai priklauso nuo elektroninių sistemų. ECU apdoroja duomenis iš įvairių jutiklių, tokių kaip MAF/MAP (oro srautas/slėgis), temperatūros jutikliai, alkūninio ir paskirstymo veleno jutikliai, deguonies jutikliai (tam tikrose sistemose) ir net kuro bėgio slėgio jutiklis. Naudodamas šiuos duomenis, ECU reguliuoja:
– Injekcijos laikas ir trukmė
– Kuro slėgis bendrosios magistralės sistemoje
– EGR atidarymas
– Turbinos valdymas (išleidimo vožtuvas arba kintamos geometrijos turbokompresorius / VGT)
– DPF regeneracijos strategija
Rezultatas – stabilesnis degimas įvairiomis sąlygomis, ekonomiškesnės degalų sąnaudos ir optimali galia su minimaliomis išmetamųjų teršalų emisijomis.
8. Šiuolaikinių dyzelinių variklių charakteristikos vairuojant
Kasdieniniame naudojime šiuolaikiniai dyzeliniai varikliai yra žinomi dėl:
– Didelis sukimo momentas esant mažiems apsisukimams, tinka didelėms apkrovoms ir stipriam pradiniam pagreičiui.
– Didelis efektyvumas dėl didelio suspaudimo laipsnio ir efektyvių degimo charakteristikų.
– Patvarumas, nes paprastai komponentai yra pagaminti tvirtesni, kad atlaikytų didelį suspaudimo slėgį.
– Sklandesnis ir tylesnis nei senasis dyzelinis variklis dėl tikslaus įpurškimo, variklio slopinimo ir laipsniško degimo valdymo.
Tačiau šiuolaikiniam dyzelinui taip pat reikalinga gera degalų kokybė, filtrų priežiūra ir dėmesys išmetamųjų teršalų sistemai, siekiant išlaikyti optimalų našumą ir išvengti tokių problemų kaip DPF užsikimšimas ar EGR trikdžiai.
Išvada
Šiuolaikinių transporto priemonių dyzelinių variklių veikimo principas išlieka pagrįstas suspaudimo uždegimu: oras suspaudžiamas, kol įkaista, tada įpurškiamas kuras, dėl kurio jis savaime užsidega. Šiuolaikinius dyzelinius variklius nuo ankstesnių kartų skiria dideli „common rail“ įpurškimo sistemų, turbokompresoriaus, elektroninio variklio valdymo ir išmetamųjų teršalų kontrolės įtaisų, tokių kaip EGR, DPF ir SCR, patobulinimai. Šis technologijų derinys leidžia šiuolaikiniams dyzeliniams varikliams pasiūlyti didelį sukimo momentą, didelį degalų naudojimo efektyvumą ir vis labiau kontroliuojamą išmetamųjų teršalų kiekį, todėl jie išlieka aktualūs nuolat didėjančių efektyvumo reikalavimų ir aplinkosaugos reglamentų akivaizdoje.
