Как работает дизельный двигатель?

Автомобили с дизельными двигателями составляют почти половину от всего количества транспортных средств, ежегодно продаваемых как на официальных дилерских площадках, так и на вторичном рынке.

Силовые установки этого типа характеризуются экономичностью, значительной мощностью и динамикой. Такие агрегаты демонстрируют высокий крутящий момент и принципиально недоступный для бензиновых двигателей КПД (35%-35% у дизельных систем против 25%-35% у их аналогов). Эти преимущества, а также понизившийся уровень шума при эксплуатации и полное соответствие перманентно усложняющимся стандартам безопасности окружающей среды и обеспечили популярность дизелей как в легковом, так и в коммерческих классах транспортных средств.

Как происходит запуск дизельного двигателя?

Принцип работы дизельного двигателя следующий: в цилиндры поступает чистый воздух, который вследствие высокого сжатия нагревается до 700°С и более. После этого, при приближении поршня к верхней точке его траектории в камеру сгорания под давлением подается горючее, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Момент воспламенения сопровождается резким повышением давления в цилиндре. Такой принцип работы позволяет мотору работать на максимально обедненных смесях, что обеспечивает экономичность его эксплуатации.

Для холодного старта дизеля используется система предпускового нагрева, основным элементом которой являются свечи накаливания –нагревательные элементы, размещенные в камерах сгорания. Они позволяют за несколько секунд поднять температуру воздуха до требуемого значения. При включении системы в салоне загорается лампочка. Ее обесточивание свидетельствует о готовности двигателя к запуску. Подача электроэнергии к свечам прерывается автоматически, спустя 15сек – 25 сек после старта. Это условие позволяет обеспечить стабильную работу непрогретого агрегата. Современные системы данного типа делают возможным легкий запуск дизеля при температурах до -30°С при условии исправности мотора и использования масла и топлива соответствующей сезонности и качества.

Конструктивные особенности

Схема дизельного двигателя в целом повторяет механизм бензинового силового агрегата с той разницей, что аналогичные детали значительно усиливаются с учетом более высоких нагрузок. Поскольку воспламенение происходит в результате сжатия, из схемы исключаются компоненты системы зажигания, а свечи заменяются на элементы накаливания, не дающие искры и предназначенные для предварительного прогревания воздуха в камерах сгорания.

Характерной особенностью конструкции дизельного двигателя, связанной с самим принципом его работы, является геометрия днища поршней. Их форма определяется спецификой камеры сгорания. В верхней точке хода поршня, его днище оказывается выше самой крайней точки блока цилиндров. В некоторых случаях, в донышке поршня и располагается сама камера сгорания. От ее типа и реализованного способа подачи смеси и зависят технические и экологические характеристики конкретной модели дизельного двигателя.

Типы камер сгорания

В зависимости от их геометрии различают следующие виды камер сгорания.

Разделенные. В этом случае первичный впрыск горючего производится в отдельную полость, расположенную в головке блока. Такая технология позволяет снизить нагрузку на поршневую группу, а также значительно уменьшить шум от работы двигателя.

При этом процесс образования смеси может быть:

• Форкамерным (предкамерным). Топливо под давлением поступает в предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими каналами, где ударяется о ее стенки и таким образом смешивается с воздухом. После воспламенения смесь передается в основную камеру, где и дожигается полностью. Необходимый для максимально быстрого истечения газов через каналы перепад давления между цилиндром и форкамерой возникает в момент хода поршня на сжатие и на расширение.
• Вихрекамерным. В этом случае первичное возгорание смеси также производится в отдельной камере, имеющей сферическую геометрию. В момент хода поршня на сжатие порция воздуха поступает в нее по соединительному каналу и интенсивно закручивается, образуя вихревой поток, за счет чего хорошо смешивается с горючим, поданным в определенный момент.

Характерными недостатками агрегатов с разнесенными камерами сгорания является усложненный запуск и повышенный расход топлива в связи с потерями при переходе порции воздуха в дополнительную камеру и обратного хода воспламененной смеси – в цилиндр.

Неразделенные. В этом случае горючее под давлением подается в цилиндр, а камерой служит полость, выбранная в донце поршня. В силу того, что такие агрегаты характеризуются повышенным уровнем шума и вибраций в процессе работы, особенно – при разгоне, до недавнего времени неразделенные агрегаты использовались на низкооборотистых моторах большого объема, предназначенных для коммерческого транспорта. Появление электронных систем впрыска позволило оптимизировать сгорание смеси в таких двигателях и значительно снизить уровень шума от их работы, что в свою очередь сделало неразделенные конструкции наиболее перспективным технологическим решением при проектировании новых типов силовых агрегатов.

Устройство топливной системы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного двигателя обуславливает важность подачи в камеру сгорания строго дозированной порции смеси в определенный момент времени и под четко рассчитанным давлением. Система впрыска включает в себя следующие основные компоненты.

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот элемент предназначается для забора порции горючего от расположенного в баке насоса подкачки и поочередной раздачи дозированных порций в индивидуальные трубопроводы форсунок на каждый цилиндр. Конструкция таких распылителей подразумевает их открытие при повышении давления в топливных магистралях. В зависимости от технологических решений различают следующие типы ТНВД:

• Многоплунжерные рядные. Этот вариант насоса состоит из отдельных секций, по одной на цилиндр. Как правило, блоки  имеют рядную сборку. Каждая секция снабжена гильзой и плунжером, который приводится в движение мотором через кулачковый вал. Давление в подаваемом горючем зависит от частоты оборотов коленвала. Специфика конструкции такого насоса обуславливает высокий уровень шума при его работе и сложность в соблюдении актуальных экологических норм.
• Распределительные. Этот тип насосов поддерживает необходимое давление в соответствии с режимом эксплуатации двигателя и отличаются равномерностью подачи горючего по цилиндрам, а также – стабильной работой на высоких оборотах. Конструкции данного типа имеют один плунжер, который перемещается в двух плоскостях. Поступательные движения обеспечивают нагнетание порции горючего, а вращательные – распределяют его по форсункам. Специфика распределительных насосов обуславливает требовательность к качеству топлива, так как оно служит для смазки трущихся деталей, а прецизионные элементы имеют минимально допустимые зазоры.

Топливные фильтры. Эта деталь дизельного двигателя предназначается для отделения и последующего отвода воды из заправленного в бак горючего, для чего используется сливная пробка в нижней части. Удаление воздуха из системы производится с помощью ручного насоса, расположенного на верхней стороне корпуса. Несмотря на относительную простоту конструкции, фильтр требует внимательного подбора по таким параметрам, как пропускная способность, тонкость очистки и т.д. Для предотвращения забивания кристаллизующимися парафинами и облегчения запуска в холодное время года система может снабжаться электроподогревом.

Турбонаддув. Этот элемент предназначен для нагнетания в цилиндры дополнительного объема воздуха, что позволяет увеличить подачу горючего и повысить мощность силового агрегата. Принцип работы дизельного двигателя подразумевает высокое давление выхлопных газов, которое дает возможность обеспечить эффективность наддува с низких оборотов и при этом избежать эффекта «турбо-ямы». Отсутствие дроссельной заслонки в силовых агрегатах этого типа упрощает схему управления компрессором и позволяет поддерживать эффективность наполнения цилиндров во всем диапазоне оборотов. В первую очередь, наддув позволяет оптимизировать процессы сгорания смеси в ситуациях, в которых атмосферный силовой агрегат будет испытывать нехватку воздуха. Наличие турбины обеспечивает повышение мощности при меньшем рабочем объеме и меньшей массе мотора. При этом снижается жесткость его работы. Установка дополнительного интеркулера – промежуточного охладителя воздуха, позволяет дополнительно повысить мощность силового агрегата на 15% и более за счет увеличения массового наполнения цилиндров.

Специфика работы турбины обуславливает срок ее эксплуатации, значительно меньший, чем ресурс самого дизельного двигателя. При этом, в связи с форсированием, снижается и срок работы силового агрегата, в камерах сгорания которого постоянно поддерживается повышенная температура, требующая охлаждения подаваемым через дополнительные форсунки маслом. Эта конструктивная особенность влечет за собой критическую требовательность мотора к качеству смазочных материалов.

Форсунки. Этот элемент топливной системы предназначен для подачи строго отмеренной дозы горючего в точно рассчитанный момент времени. Появление электронного управления подачей топлива позволило организовать его двухступенчатую подачу неравномерными порциями. При воспламенении первичной дозы повышается температура в камере, после чего в нее поступает основной «заряд» на этот цикл. Такая схема дала возможность исключить скачкообразное нарастание давления и снизить шум работы двигателя. В зависимости от конструкции различают два типа распылителей.

• Насос-форсунки. Эта конструкция объединяет в себе распылитель и плунжерный насос.  Данный элемент устанавливается по одному на каждый цилиндр и приводится в действие толкателем, соединенным с кулачком распредвала. Линии подачи и слива горючего представляют собой технологические каналы в головке блока, благодаря чему может быть достигнуто давление до 2200 бар. Электронный блок управления отвечает за дозирование порции топлива и контроль угла опережения впрыска путем отправки сигналов на запорные пьезоэлектрические или электромагнитные клапаны. Конструкция насос-форсунок позволяет эксплуатировать их в многоимпульсном режиме, совершая от 2 до 4 впрысков за один цикл. Такая технология позволяет смягчить работу силового агрегата и снизить токсичность выхлопа.
• Common Rail. Эта конструкция представляет собой общую топливную магистраль (рампу), в которой накапливается горючее, после чего по команде электронного управляющего блока впрыскивается через пьезоэлектрические или электромагнитные форсунки. Конструкция данного типа подразумевает применение ТНВД только для нагнетания давления в аккумуляторе, не используя его для регулировки момента впрыска и дозирования порций топлива. Такое конструктивное решение позволило сократить расход горючего до 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах до 25%. Электронный блок управления распылителями контролирует длительность фазы впрыска и оптимальный момент ее проведения по показателям ряда датчиков – температурного режима мотора, текущей нагрузки на него, давления в рампе, положение педали акселератора и т.д.

Сочетания турбины и системы Common Rail на сегодняшний день считается наиболее эффективным способом увеличения мощности дизельного двигателя при одновременном уменьшении токсичности его выхлопа.