Переделка дизельного двигателя в бензиновый

сообщение №972

Повышенный спрос на экономичные автомобили побудил многие заводы наладить производство легковых машин с дизелями. Освоение нового мотора требует, как известно, серьезных затрат. А если использовать уже выпускаемый бензиновый мотор в качестве основы для дизельной модификации! Ведь унифицированная конструкция всегда дешевле. Но реальна ли возможность переделки или, как говорят инженеры, конвертации бензинового двигателя в дизельный? После того как Центральное телевидение сообщило в одной из своих передач об изобретении болгарскими инженеров — приставке, позволяющей карбюраторному двигателю ВАЗ работать на дизельном топливе, этот вопрос заинтересовал многих читателей.

Конвертированный дизель «Фольксваген».

Болгарское агентство «София-пресс» специально для журнала «За рулем» подготовило статью на эту тему. Ее авторы — инженеры лаборатории двигателей и автомобилей в Софии Л. АЛФАНДАРИ, X. БОЗЕВ, К. ДАМЯНОВ и В. МИНЧЕВ.

В нашей лаборатории сделан дизель для легкового автомобиля посредством конвертации двигателей ВАЗ—2103 и ВАЗ—2106. Цель разработки — определить возможность переоборудования части эксплуатируемых в стране карбюраторных двигателей ВАЗ.

При конвертации главной заботой было сохранить без изменения большую часть деталей «жигулевского» мотора, а также его габарит и компоновку. Блок цилиндров остался почти прежним. Испытания показали, что он обладает необходимой жесткостью.

Чугунный коленчатый вал серийного двигателя выдержал длительные испытания надежности. После работы трех конвертированных двигателей в течение 800 часов при полной нагрузке и частоте вращения 4000 об/мин износ его шеек — минимальный (0,005—0,01 мм), следов задира нет. Давление в системе смазки не изменилось (использовано болгарское масло M10Д). На 10 построенных двигателях не отмечено ни одного случая поломки вала.

Эксплуатационные испытания показали, что летом при максимальной скорости движения температура масла достигает 135° С. Пришлось применить радиатор, благодаря которому температура снизилась до 105° С. Масло проходит через него и потом поступает в масляный фильтр типа ВАЗ—2105.

Шатуны не изменены. Внутренний диаметр поршневого пальца для повышения прочности уменьшен с 15 до 8 мм.

Поршень — важнейшая деталь, которая при конвертации всегда существенно изменяется. Чтобы снизить его тепловую нагрузку, увеличено на 12 мм расстояние от днища до канавки первого компрессионного кольца. Перемычка между первым и вторым кольцами увеличена с 4 до 5 мм. Чтобы обеспечить эффективность рабочего процесса и поднять до 20—20,5 степень сжатия, потребовалось сделать минимальным (0,9—1 мм) расстояние от днища поршня до головки цилиндров. Исключить опасность «встречи» клапанов с поршнем помогли фигурные вырезы глубиной 1 мм в днище поршня под клапанами.

Головка цилиндров полностью новая (рис. 1). Она отлита из чугуна, а ее крышка — из алюминия. Клапаны установлены вертикально. Использован один из вариантов вихревой камеры, которая размещена в головке. Верхняя часть имеет полусферическую форму, средняя — цилиндрическую, а нижняя представляет собой специальную вставку из жаропрочной стали с наклонным днищем и соединительным отверстием.

Клапаны и пружины используются от карбюраторного двигателя. С целью уменьшить износы в распределительном механизме и достичь лучшего охлаждения головки было найдено оригинальное решение, на которое выдано авторское свидетельство. Задний конец коромысла не опирается на регулировочный болт, а висит на нем. Болт завернут в корпус подшипников распределительного вала. Устранены утолщения в головке цилиндров для резьбовых отверстий регулировочных болтов и тем самым освобожден широкий канал для циркуляции охлаждающей жидкости. При таком креплении болта намного облегчается регулировка зазоров в газораспределительном механизме. Распределительный вал взят серийный (ВАЗ), а рычаги клапанов иные. При испытании в течение 800 часов износа вала, коромысел и клапанов не обнаружено.

Рис. 1. Головка цилиндров конвертированного дизеля КД-1500 (НРБ).

Сохранен цепной привод распределительного вала и масляного насоса. Впускные и выпускные каналы расположены с одной стороны головки цилиндров, что позволило использовать серийные коллекторы.

В топливной системе конвертированного дизеля оставлен прежним только мембранный подкачивающий насос. На опытных образцах использованы топливные насосы высокого давления двух типов — рядный и распределительный. Они монтируются на металлической плите, прикрепленной к передней стенке головки, и приводятся зубчатым ремнем.

Конструкция регулятора опережения впрыска является болгарским изобретением. В топливной системе предусмотрен бумажный фильтр, также болгарского производства.

От карбюраторного двигателя использованы маховик, стартер, генератор, масляный картер.

Исходя из собственного опыта в области быстроходных дизелей, стремления уменьшить нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, номинальную частоту вращения ограничили 4000 об/мин. Дизель КД-1500 (так названа конвертированная конструкция) развивает максимальную мощность 43 л. с. (31,5 кВт) при удельном расходе топлива 225 г/л. с. ч. (306 г/кВт ∙ ч).

В момент подготовки статьи испытывались четыре машины ВАЗ с конвертированными двигателями КД-1500 и КД-1600. Из них две прошли по 50 тысяч километров, одна — 30 тысяч. Средний расход топлива составил 6—6,5 л/100 км. При скорости 80 км/ч ВАЗ—2106 с дизелем КД-1500 и нагрузкой 430 кг расходует 5,9 л/100 км. Максимальная скорость достигает 107 км/ч.

Как видим, никакого чуда нет — превращение карбюраторного двигателя в дизельный достигнуто ценой немалых переделок: новые головка цилиндров и поршни, установка форсунок и топливного насоса высокого давления. Видимо, его авторы телепередачи и нарекли приставкой, приписав ей магическую способность превратить карбюраторный мотор в дизельный.

В то же время читатели спрашивают не только о конструкции, но и об эффективности конвертации, о том, насколько она широко используется в мировом автомобилестроении, насколько перспективна для советских моторов. На эти вопросы по просьбе редакции отвечает главный конструктор проекта по дизелям легковых автомобилей отдела двигателей НАМИ А. ВАТУЯЬЯН.

Переоборудование двигателя с искровым воспламенением заряда (бензинового) в дизельный — дело реальное и вместе с тем непростое. Как проявились эти сложности в конструкции рассмотренного дизеля?

Прежде всего отмечу, что его мощность на 44% ниже, чем у бензинового прототипа. Для дизеля, не оборудованного наддувом, это неизбежная цена, которую приходится платить за высокую экономичность: из-за больших давлений в нем выше потери на трение, а рабочая смесь сильно обеднена, так как смесеобразование в дизеле возможно только при большом избытке воздуха. Кроме того, условия смесеобразования (ограниченность времени на распыл и перемешивание топлива с воздухом) и инерционные нагрузки кривошипно-шатунного механизма не позволяют коленчатому валу дизеля делать больше 5000 об/мин (это также на 10—15% меньше, чем у карбюраторного). Вот те причины, по которым литровая мощность дизеля без наддува сегодня значительно ниже, чем бензинового мотора, то есть при равном рабочем объеме дизель имеет меньшую мощность.

Это, однако, не означает, что с 1,5 литра рабочего объема нельзя снять больше чем 43 л. с. Правда, как показывает мировой опыт, при форсировании двигателя не удается сохранить в неприкосновенности важнейшие детали — коленчатый вал, шатуны, а часто и блок цилиндров: с дальнейшим ростом давления сгорания запас прочности этих деталей становится недостаточен. Чтобы избежать их поломок, на более форсированных дизелях литые из чугуна коленчатые валы заменяют коваными стальными, в блоках утолщают наиболее нагруженные стенки, особенно «доску» — зону у верхнего стыка блока. В других случаях идут на замену материала или вида термообработки деталей. Можно, как на описанном выше двигателе, обойтись без этого, но тогда надо мириться с его скромными параметрами.

А есть изменения, уйти от которых просто невозможно: дизелю нужны поршни с более массивными стенками и днищем — не только по условиям прочности, но и для лучшего отвода тепла. Далее. Легковые дизели сегодня имеют только двухполостные камеры сгорания (см. статью «Какие бывают дизели» «За рулем», 1983, № 11), а значит, нужна иная конструкция головки цилиндров. Из-за вертикального расположения клапанов, как правило, ее не удается обрабатывать на том же оборудовании, что и головку бензинового мотора. Правда, для дизеля ФИАТ-127 нашли компромиссное решение, сохранив наклонное расположение клапанов (рис. 2). Однако это, в свою очередь, потребовало изготовить поршни с вытеснителем весьма сложной формы, а полученную в результате конфигурацию камеры сгорания все же нельзя считать наилучшей.

Рис. 2. Головка цилиндров карбюраторного двигателя ФИАТ-127 (а) и конвертированного дизеля на его базе (б): 1 — свеча зажигания; 2 — форсунка; 3 — свеча для пуска.

Еще одно «но». Организация рабочего процесса у дизелей во многом зависит от величины надпоршневой щели — расстояния между днищем поршня в ВМТ и «огневой» поверхностью головки цилиндров. На величину надпоршневого зазора влияет точность обработки блока, шатунов, поршней, коленчатого вала и податливость прокладки головки цилиндров. Поскольку в карбюраторном двигателе влияние надпоршневого зазора при степени сжатия около 8,5 невелико (смесеобразование идет в основном вне камеры сгорания), детали, определяющие этот зазор, имеют более широкие допуски при изготовлении (рис. 3). Значит, при использовании имеющегося оборудования и методов сборки, приемлемых для карбюраторного двигателя, будет непросто гарантировать надпоршневой зазор в узких пределах, необходимых дизелю.

Из-за характера изменения нагрузок у дизеля возможны ускоренные износы и даже разрушения в приводах распределительного вала и масляного насоса, вполне надежно работавших на бензиновом моторе. Существенно большее давление газов у дизеля вызывает почти двукратное увеличение потерь на трение в механизмах. Отсюда — повышенный нагрев масла, из-за которого нужен масляный радиатор. Вдобавок масло в дизелях быстрее стареет: отчасти из-за более высокой температуры, отчасти вследствие повышенного содержания кислорода в отработавших газах, проникающих в картер. Вот почему в конвертированных дизелях приходится увеличивать размеры масляного фильтра или чаще менять его элементы.

Рис. 3. Сравнение допусков на основные размеры карбюраторного и дизельного двигателей.

Наконец, вспомним о самых дорогих агрегатах дизельного двигателя, без которых опять-таки не обойтись, — топливном насосе, форсунках, свечах накаливания. Для того, чтобы компенсировать увеличенную отдачу тепла в стенки двухполостных камер сгорания, повышают до 21—23 степень сжатия; это, в свою очередь, затрудняет пуск и требует установки в дополнительных камерах свечей накаливания, а также более энергоемкого аккумулятора и мощного стартера. (В Болгарии с ее мягким климатом такой стартер не понадобился, но для пуска при низких зимних температурах мощности штатного стартера может и не хватить.)

Как видим, конвертация бензиновых двигателей в дизель связана с множеством проблем. Занимаются ею давно. Первые попытки, предпринятые еще в 20-х и начале 30-х годов, не получили в свое время продолжения. Во-первых, карбюраторные моторы тогда, как правило, имели нижнеклапанный газораспределительный механизм, непригодный для дизелей. Во-вторых, у них была низкая (4—5) степень сжатия, и детали обладали малой надежностью при нагрузках, характерных для дизельного процесса.

В последующем стали проектировать «универсальные» моторы с усиленным силовым механизмом, которые можно было выпускать и в дизельном и в карбюраторном вариантах. Не найдя распространения на грузовиках из-за большой массы карбюраторного варианта, они закрепились на некоторых легковых автомобилях («Даймлер-Бенц», «Ровер» и др.).

Дальнейшее развитие карбюраторных двигателей было связано с заметным ростом степени сжатия и максимального давления сгорания. Блоки цилиндров, детали шатунно-поршневой группы стали потому значительно жестче, что создало предпосылки для более успешного конвертирования их в дизели при рабочем объеме 1800—2200 см3. Естественно, они появились вначале там, где этому помогали экономические условия (цена топлива, налоги и т. д.), — в Италии, Англии, Франции. Из них наиболее известен «Пежо-инденор», устанавливаемый, например, на часть продаваемых за рубежом «волг».

В целом накопленный на сегодня опыт говорит о том, что при увеличении масштабов выпуска конвертированных дизелей (даже наиболее удачных) и росте требований к ним их конструкция начинает постепенно отступать от исходной карбюраторной. Поэтому сегодня конструкторы, опираясь на последние достижения в технологии и создании высокопрочных материалов, проектируют новые двигатели, заранее рассчитанные на параллельное производство в двух вариантах — карбюраторном и дизельном.

(«За рулем», 1984, №1)

Особенности дизельного двигателя, такие как экономичность и высокий крутящий момент, делают его предпочтительным вариантом. Современные дизели близки к бензиновым моторам по шумности, сохраняя преимущества в экономичности и надежности.

Конструкция и строение

По конструкции дизельный двигатель не отличается от бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали усилены, чтобы воспринимать высокие нагрузки — ведь степень сжатия дизеля намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового мотора). Именно этим объясняется большой вес и габариты дизельного мотора в сравнении с бензиновым.
Принципиально отличие заключается в способах формирования смеси топлива и воздуха, её воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает воздух. В конце такта сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800оС, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением впрыскивается солярка, которое почти мгновенно самовоспламеняется.
Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, необходимо, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы и чтобы каждая частица имела достаточное для полного сгорания количество воздуха. С этой целью топливо в цилиндр впрыскивается форсункой под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха при такте сжатия в камере сгорания.
В дизелях применяют неразделенные камеры сгорания. Они представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня 3 и поверхностями головки и стенок цилиндров. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Углубление 1, выполненное в днище поршня, способствует созданию вихревого движения воздуха.
Мелко распыленное топливо впрыскивается из форсунки 2 через несколько отверстий, направленных в определенные места углубления. Чтобы топливо полностью сгорало и дизель обладал наилучшими мощностями и экономическими показателями, топливо нужно впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ.
Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления — отсюда повышенная шумность и жесткость работы. Такая организация рабочего процесса позволяет работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность. Экологические характеристики тоже лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ меньше, чем у бензиновых моторов.
К недостаткам относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую мощность, трудности холодного пуска, проблемы с зимней соляркой. У современных дизелей эти проблемы не столь очевидны.
Дизельное топливо должно отвечать определенным требованиям. Главные показатели качества топлива — чистота, малая вязкость, низкая температура самовоспламенения, высокое цетановое число (не ниже 40). Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения после момента впрыска его в цилиндр и двигатель работает мягче (без стуков).
Рекомендую к прочтению: принцип работы ДВС — рабочие циклы двигателя.

Типы дизельных двигателей

Существует несколько типов дизельных моторов, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания — их называю дизелями с непосредственным впрыском — топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. Непосредственный впрыск применяется на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это связано с трудностями процесса сгорания, а также повышенным шумом и вибрацией.

Благодаря внедрению топливных насосов высокого давления (ТНВД) с электронным управлением, двухступенчатого впрыска топлива и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой сгорания на оборотах до 4500 об/мин, улучшить экономичность, снизить шум и вибрацию.
Наиболее распространенным является другой тип дизеля — с раздельной камерой сгорания. Впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания.
При раздельной камере сгорания снижается темп нарастания давления в цилиндре, что способствует снижению шумности и повышению максимальных оборотов. Такие двигатели составляют большинство среди устанавливаемых на современные автомобили.

Устройство топливной системы

Важнейшей системой является система топливоподачи. Ее функция — подача строго определенного количества топлива в заданный момент и с заданным давлением. Высокое давление топлива и требования к точности делают топливную систему сложной и дорогой.
Главными элементами являются: топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр.

ТНВД

ТНВД предназначен для подачи топлива к форсункам по строго определенной программе, в зависимости от режима работы двигателя и действий водителя. По своей сути современный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды шофера.
Нажимая педаль газа, водитель не увеличивает непосредственно подачу топлива, а лишь меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п.
На современных авто применяются ТНВД распределительного типа. Насосы этого типа получили широкое распространение. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов. В то же время они предъявляют высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах малы.

Форсунки.

Другим важным элементом топливной системы является форсунка. Она вместе с ТНВД обеспечивает подачу строго дозированного количества топлива в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса самовоспламенения и сгорания. Применяются обычно форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем.
Форсунка на двигателе работает в тяжелых условиях: игла распылителя совершает возвратно-поступательные движения с частотой в половину меньшей, чем обороты двигателя, и при этом распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из жаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Топливные фильтры.

Топливный фильтр, несмотря на его простоту, является важнейшим элементом дизельного мотора. Его параметры, такие, как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать определенному типу двигателя. Одной из его функций является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная пробка. На верхней части корпуса фильтра часто установлен насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы.
Иногда устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая несколько облегчить запуск двигателя, предотвращающая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизтоплива в зимних условиях.

Как происходит запуск?

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. Для этого в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900оС, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа.
Погасание контрольной лампы свидетельствует о готовности к запуску. Электропитание со свечи снимается автоматически, но не сразу, а через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предпускового подогрева обеспечивают легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30оС, разумеется, при условии соответствия сезону масла и дизтоплива.

Турбонаддув и Common-Rail

Эффективным средством повышения мощности является турбонаддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и в результате увеличивается мощность. Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — «турбоямы».
Турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные с надежностью работы турбокомпрессора. Так, его ресурс существенно меньше ресурса самого двигателя и не превышает 150 тыс. км. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Подробнее в статье: что такое турбокомпрессор.

Система Common-Rail. Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями. Сначала поступает крохотная, всего около миллиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд». Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно.
В результате в дизелях с системой Common-Rail расход топлива сокращается на 20%, а крутящий момент на малых оборотах коленвала возрастает на 25%. Также уменьшается содержание в выхлопе сажи и снижается шумность работы мотора.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *