Как работает автомобильный дизельный мотор

Впечатляющими темпами развиваются дизельные технологии особенно в последние десять лет. Половина новых автомобилей продаваемых сегодня в Европе является их модификациями имеющими дизельный мотор. Несмотря на то, что принцип работы дизельного двигателя остался прежним, он стал тише, экологически чище, а неприятный запах, черный густой дым из трубы и громкое тарахтение остались далеко в прошлом.

Таким был дизель на заре своего становления

Не только экономичность, но и высокая мощность, хорошая динамика стали основными характерными особенностями современных дизельных моторов. Интересно как же удается дизелю отвечать постоянно возрастающим значениям норм токсичности, не только не проигрывая при этом в мощности и экономичности, а постоянно улучшая эти показатели. Попробуем по порядку все рассмотреть.

Как работает дизель, что хорошо, а что не совсем

Главным принципиальным отличием дизельного двигателя от бензинового является способ приготовления рабочей горючей смеси и дальнейшего ее воспламенения. В большинстве карбюраторных и инжекторных бензиновых двигателей рабочая смесь приготавливается во впускном тракте. Хотя и в некоторых бензиновых двигателях смесь, образуется, как и в дизеле прямо в цилиндре. Воспламенение смеси в бензиновом моторе происходит в нужный момент от электрического пробоя (искры), а в дизеле от высокой температуры находящегося в цилиндре воздуха.

Примерно так выглядит возгорание в дизельном двигателе

Работает дизель так: при ходе поршня вниз происходит всасывание в цилиндр чистого воздуха, который нагревается при ходе поршня вверх. При этом температура работы дизельного двигателя доходит до 700-900°с, что вызвано высокой степенью сжатия. Когда поршень подходит в верхнюю мертвую точку в камеру сгорания впрыскивается под высоким давлением дизельное топливо и, соприкасаясь с разогретым воздухом, самовоспламеняется. Самовоспламенившееся дизтопливо, расширяясь, приводит к резкому нарастанию давления в цилиндре, чем в принципе и вызвана повышенная шумность работы дизеля.

Описанный выше принцип работы позволяет дизелю использовать очень бедную смесь при сравнительно дешевом дизельном топливе, а это в свою очередь определяет его высокую экономичность и неприхотливость. Дизель имеет на 10% выше КПД и крутящий момент больше, чем у бензинового двигателя. Основными недостатками дизельных моторов являются повышенная шумность и вибрация, трудности холодного пуска и, безусловно, меньшая мощность на единицу объема, хотя современные модели этих недостатков практически не имеют.

Особенности и устройство некоторых узлов

Учитывая, что степень сжатия дизельного двигателя примерно в 2 раза больше, степени сжатия бензинового, аналогичные его детали существенно усиливаются, так как должны будут выдерживать более высокие нагрузки. Характерной деталью дизеля является его поршень, форма днища которого зависит от камеры сгорания вернее от ее типа, а во многих случаях сама камера сгорания устроена в днище того же поршня. В отличие от бензиновых двигателей днища поршней дизеля, в верхней мертвой точке, выступают за верхнюю плоскость блока цилиндров. Поскольку рабочая смесь самовоспламеняется от сжатия, у дизеля отсутствует привычная система зажигания, хотя свечи применяются и на дизеле.

Свеча накаливания в дизельном двигателе

И это свечи с вмонтированной спиралью накаливания, которые предназначены подогревать воздух в камере сгорания особенно перед холодным пуском двигателя. Основные показатели дизельного двигателя как технические, так и экологические определяются в основном системой впрыска топлива, и типом камеры сгорания.

Принцип работы камер сгорания и их типы

В дизельных двигателях камеры сгорания могут быть двух типов неразделенные и разделенные. До недавнего времени в легковом машиностроении преобладали дизельные двигатели с раздельными камерами сгорания. Топливо в этом случае впрыскивалось не в пространство над поршнем, а в камеру сгорания расположенную в головке блока цилиндров. Раздельные камеры сгорания, в зависимости от процесса образования смеси предкамерный (форкамерный) или вихрекамерный, конструктивно выполняются по-разному.

При форкамерном процессе впрыск топлива производится в предварительную камеру, сообщающуюся небольшими отверстиями или каналами с цилиндром, топливо, ударяясь об ее стенки, смешивается с воздухом. Воспламенившаяся смесь с большой скоростью по каналам, сечения которых подобраны, так что бы при сжатии и разрежении возникала большая разница давлений между предварительной камерой и цилиндром, попадает в основную камеру, где и полностью сгорает.

При вихрекамерном процессе сгорание смеси также начинается в отдельной камере, представляющей собой полую сферу. В ходе такта сжатия воздух через соединительный канал попадает в эту камеру и, закручиваясь в ней, образует вихрь, благодаря чему топливо, впрыснутое в нужное время, тщательно перемешивается с воздухом.

Как видим, в разделенной камере схема работы дизельного двигателя такова: топливо сгорает как бы в два этапа, что, безусловно, снижает нагрузку на поршни, тем самым обеспечивая более мягкую работу двигателя. Одним из недостатков дизельных двигателей выполненных с разделенной камерой сгорания можно назвать увеличенный расход топлива за счет потерь происходящих из-за большой поверхности такой камеры, а также существенных потерь на перетекание воздуха из цилиндра в дополнительную камеру и потом уже горючей смеси назад в цилиндр. Указанные потери ухудшают кроме того пусковые характеристики дизеля.

Типы камер дизельного двигателя

Ну а теперь о дизельных двигателях с неразделенной камерой сгорания или как их еще называют дизели с непосредственным впрыском. В таком двигателе камера сгорания представляет собой полость определенной формы, конструктивно выполненную в днище поршня, а впрыск топлива производится в цилиндр непосредственно. Непосредственный впрыск еще не так давно был прерогативой низкооборотистых дизельных двигателей имеющих большой объем и устанавливаемых на грузовые автомобили. Очень уж подкупала экономичность дизельных двигателей с непосредственным впрыском, но их применение на дизельных моторах небольшого литража сдерживалось конструктивными трудностями по организации, собственно говоря, процесса сгорания и вдобавок еще повышенными вибрацией и шумом появлявшихся в режиме набора скорости.

Применение появившихся в последнее время, электронных систем управления дозированием топлива, позволило оптимизировать сгорание рабочей смеси в дизелях с непосредственным впрыском (с неразделенной камерой сгорания), что в свою очередь привело к снижению вибрации и шума. Сегодня разрабатываемые новые дизельные двигатели в своей конструкции используют непосредственный впрыск дизтоплива.

Топливоподающие системы

Система топливоподачи, являясь одним из важнейших звеньев дизельного двигателя, предназначена для обеспечения его в нужный момент времени необходимым количеством топлива, причем с заданным давлением.

Важным элементом системы топливоподачи является топливный насос высокого давления (ТНВД), который в нужной последовательности нагнетает необходимые количества дизельного топлива, поступающего от подкачивающего насоса с бака, в магистрали гидромеханических форсунок каждого цилиндра. При наличии высокого давления перед форсункой она открываются, а при его отсутствии или снижении закрываются.

Топливный насос высокого давления

Топливные насосы высокого давления бывают двух типов: насосы рядные многоплунжерные и насосы распределительного типа. Рядный насос представляет собой набор отдельных секций, по количеству цилиндров расположенных в один ряд, отсюда и такое название. Секция состоит из гильзы и входящего в нее плунжера, приводимого в движение валом с кулачками, который получает вращение от двигателя. Несмотря на разные принципы работы дизельных двигателей в современных автомобилях, такие насосы сейчас практически не применяются, потому что давление создаваемое ими не постоянно вследствие зависимости от оборотов коленчатого вала и еще из-за того что не могут обеспечить современные требования предъявляемые к шумности и экологии.

В отличие от рядных насосов распределительные насосы способны создать более высокое давление при впрыске топлива и тем самым обеспечить достижение регламентированных, действующими нормативами, значений токсичности выхлопных газов. Такие насосы создают давление с параметрами соответствующими режиму работы двигателя. Распределительный насос имеет в конструкции плунжер-распределитель, выполняющий вращательное и поступательное движения, при поступательном движении происходит нагнетание топлива, а при вращательном его распределение по форсункам. Эти насосы компактны, осуществляют равномерную подачу и распределение топлива по цилиндрам, а также отлично работают на высоких оборотах. Распределительные насосы очень чувствительны к чистоте и качеству дизтоплива, поскольку все прецизионные детали таких насосов им смазываются, а зазоры между ними очень малы.

Для впрыска топлива используется еще насос-форсунка, установленная в головку блока двигателя на каждый цилиндр, и приводится в действие кулачком распредвала через толкатель. При этом такты работы дизельного двигателя происходят поочередно. Топливные магистрали к насос-форсунке выполнены в головке блока в виде каналов, в связи, с чем развивается давление около 2200 бар. Дозировка сжатого до такой степени топлива, управление углом опережения впрыска выполняется при помощи специального электронного блока, выдающего управляющие команды на электромагнитные или пьезоэлектрические запорные клапаны насосов-форсунок.

Составные части насос-форсунки

Возможность данных устройств работать в импульсном режиме позволяет производить предварительный впрыск, подавая небольшую сначала порцию топлива, что в свою очередь делает работу двигателя мягче и снижает токсичность выхлопа. Основным недостатком таких форсунок является зависимость давления от оборотов дизеля и, безусловно, очень высокая их стоимость из-за сложной технологии изготовления.

Турбонаддув, турбодизель

Турбонаддув является эффективным способом увеличения мощности дизеля. С его помощью можно наполнить цилиндры дополнительным количеством рабочей смеси, тем самым увеличить мощность двигателя. Наличие повышенного в полтора два раза давления выхлопных газов дизеля против бензинового, позволяет турбокомпрессору обеспечить турбонаддув с очень низких оборотов, и избежать так свойственного бензиновым двигателям провала. Поскольку в дизеле отсутствует дроссельная заслонка, то для эффективного наполнения цилиндров в разных режимах не требуется сложных систем для управления турбокомпрессором. Наддув помогает получить одинаковую мощность турбодизеля с обычным дизелем при меньшем рабочем объеме, что в свою очередь позволяет снизить его массу.

Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя

Турбонаддув позволяет оптимизировать работу двигателя в высокогорных районах, компенсируя нехватку воздуха и тем самым, не допуская снижение мощности. Недостатки турбодизеля в основном связаны с надежной работой турбокомпрессора, ресурс которого значительно меньше ресурса двигателя из-за жестких требований к качеству моторного масла. Поломка турбокомпрессора может вывести со стоя и сам двигатель. Следует сказать, что собственный ресурс турбодизеля все-таки ниже такого же обычного дизельного двигателя в основном из-за большой степени форсирования. У таких дизельных двигателей с турбонаддувом, как правило, повышенная температура газов в камере сгорания, и для обеспечения надежной работы поршней они охлаждаются маслом, которое подается через специальные распылители снизу.

Видео — принцип работы дизельного двигателя

Заключение!

Две основные задачи: уменьшение токсичности и увеличение мощности, для их решения идут поиски новых принципов работы дизельного двигателя для автомобилей. Учитывая это, в частности, современные легковые автомобили комплектуются дизельными двигателями с турбонаддувом.