Дизельный двигатель: устройство и схема работы

Конструктивные особенности дизеля

Конструктивно основа дизеля не отличается от бензинового двигателя. Такой же блок цилиндров, поршневая группа, шатуны и головка блока с клапанами. Клапаны, в отличие от бензинового двигателя изготовлены из жаропрочной стали, более массивные, выдерживающие температурные и ударные нагрузки. Дизель по массе намного тяжелее и по габаритам больше бензинового двигателя. Разница в технологических принципах действия бензинового и дизельного двигателей вносит конструктивные различия в детали по массе, а также по габаритам. Принципиальные отличия, связанные моделью преобразования топлива и воздуха в топливовоздушную смесь с условиями воспламенения, характеризуют основу работы дизеля.

В отличие от бензинового двигателя, подача воздуха в цилиндры дизеля и дизельного топлива осуществляется раздельно:

• воздух, поступивший в цилиндр, под воздействием давления поршня сжимается, нагреваясь до высоких температур (600 — 900 градусов);
• в необходимый момент, по заданной программе или настройке топливного насоса высокого давления (ТНВД) из форсунки под давлением 180 атм происходит впрыск топлива, в результате которого смесь самовоспламеняется.

Главным в дизельном двигателе является смесеобразование в очень короткий промежуток времени.

Дизельные двигатели делятся на два класса по типу камеры сгорания:

• раздельная (форкамерная);
• неразделенная (непосредственный впрыск).

В настоящее время, большая часть легковых автомобилей оснащается дизелями с раздельной камерой сгорания. Использование раздельной камеры сгорания позволяет снизить скорость нарастания компрессии в цилиндрах, а это, в свою очередь, уменьшает шум и вибрацию двигателя. Раздельная камера сгорания представляет собой камеру, дополнительно оснащенную вихревой и являющейся промежуточным звеном между цилиндром и топливной системой. Благодаря работе вихревой камеры, в которой начинается воспламенение смеси и происходит снижение темпа нарастания компрессии.

На рисунках:

а) вихревая камера фирмы Перкинс (разделенная камера сгорания);

б) дельтовидная, применяемая на двигателях Д-245 (неразделенная камера сгорания);

в) тороидальная, применяемая на двигателях КамАЗ (неразделенная камера сгорания);

1 – вставка вихревой камеры;

2 – головка блока цилиндров;

3 – форсунка;

А – полость вихревой камеры;

Б – полость камеры в поршне.

Возможно, холодное отношение к дизелю потенциальных покупателей автомобилей связано с громким шумом его, напоминающего работу трактора, а также низкими скоростными показателями. Это было справедливо в то время, когда основу дизельных двигателей составляли ТНВД с плунжерными парами и впрыск осуществлялся непосредственно в камеру сгорания с применением механических узлов. Двигатели с непосредственным впрыском (нераздельной камерой сгорания) ещё существуют и наиболее часто встречаются на коммерческом дизельном транспорте. В нераздельной камере сгорания впрыск топлива происходит в надпоршневое пространство, а камера сгорания расположена в углублении поршня. Устаревшая технология непосредственного впрыска для двигателей с большим объемом в настоящее время актуальна, несмотря на применение двухступенчатой системы впрыска, управляемых электроникой ТНВД и форсунок, снижения шумов и получения стабильных высоких оборотов коленчатого вала.

На рисунке — неразделенная камера сгорания и свеча накаливания. В поршне предусмотрена канавка, в которой происходит горение смеси.

Принцип работы дизельного двигателя – выбираем тип камеры сгорания

Области для воспламенения топлива бывают двух типов, в зависимости от вида самого дизельного агрегата. Неразделенная камера сгорания находится в поршне, топливо же в этом случае впрыскивается в надпоршневое пространство. В этом случае вы можете рассчитывать на экономичность, так как расход горючей смеси будет минимальным, однако отрицательным моментом послужит повышенный шум, особенно во время холостого хода.

В разделенных камерах сгорания подача топлива осуществляется в отдельную камеру, которая посредством специального канала связана с цилиндром. Обеспечивается отличное перемешивание топлива с воздухом, только после этого оно уже подается в рабочее пространство, что способствует более качественному сгоранию смеси. Это повышает чистоту выбросов, долговечность мотора и мощность авто.

Дизельный двигатель с турбонаддувом

Принцип работы турбины на дизельном двигателе практически не отличается от такового на бензиновых моторах. Суть заключается в нагнетании в цилиндры дополнительного воздуха, что закономерно увеличивает количество поступающего топлива. За счет этого отмечается серьезный прирост мощности мотора.

Устройство турбины дизельного двигателя также не имеет существенных отличий от бензинового аналога. Устройство состоит из двух крыльчаток, жестко связанных между собой, и корпуса, внешне напоминающего улитку. На корпусе турбокомпрессоров имеется 2 входных и 2 выходных отверстия. Одна часть механизма встраивается в выпускной коллектор, вторая во впускной.

Схема работы проста: газы, выходящие из работающего мотора, раскручивают первую крыльчатку, которая вращает вторую. Вторая крыльчатка, вмонтированная во впускной коллектор, нагнетает атмосферный воздух в цилиндры. Увеличение подачи воздуха приводит к увеличению подачи топлива и росту мощности. Это позволяет мотору быстрее набирать скорость даже на низких оборотах.

Конструкция

Принцип работы дизельного двигателя заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений кривошипно-шатунного механизма в механическую работу.

Способ приготовления и воспламенения топливной смеси – это то, чем отличается дизельный двигатель от бензинового. В камерах сгорания бензиновых моторов, приготовленная заранее топливно-воздушная смесь воспламеняется с помощью подаваемой свечой зажигания искры.

Особенность дизельного двигателя заключается в том, что смесеобразование происходит непосредственно в камере сгорания. Рабочий такт осуществляется путем впрыскивания под огромным давлением дозированной порции топлива. В конце такта сжатия реакция нагретого воздуха с дизтопливом приводит к воспламенению рабочей смеси.

Двухтактный дизельный двигатель имеет более узкую сферу применения. Использование одноцилиндрового и многоцилиндрового дизелей такого типа имеет ряд конструктивных недостатков:

• неэффективную продувку цилиндров;
• повышенный расход масла при активном использовании;
• залегание поршневых колец в условиях высокотемпературной эксплуатации и прочие.

Двухтактный дизельный двигатель с противоположным размещением поршневой группы имеет высокую первоначальную стоимость и очень сложен в обслуживании. Установка такого агрегата целесообразна лишь на морских судах. В таких условиях, благодаря небольшим габаритам, малой массе и большей мощности при идентичных оборотах и рабочем объеме, двухтактный дизельный двигатель более предпочтителен.

Одноцилиндровый агрегат внутреннего сгорания широко применяется в домашнем хозяйстве в качестве электрогенератора, двигателя для мотоблоков и самоходных шасси.

Такой тип получения энергии налагает определённые условия на устройство дизельного двигателя. Он не нуждается в бензонасосе, свечах, катушке зажигания, высоковольтных проводах и прочих узлах, жизненно необходимых для нормальной работы бензинового ДВС.

В нагнетании и подачи дизтоплива участвуют: топливный насос высокого давления и форсунки. Для облегчения холодного пуска современные моторы используют свечи накала, которые предварительно подогревают воздух в камере сгорания. Во многих автомобилях в баке устанавливается вспомогательный насос. Задача топливного насоса низкого давления в том, чтобы прокачать топливо от бака к топливной аппаратуре.

Дизельные двигатели с Common Rail

В 1997 году на рынке появилась система впрыска Common Rail, а первым серийным автомобилем с CR стал Alfa Romeo 156. Давление впрыска в первом поколении Common Rail было значительно выше (1300 бар), чем в системе с распределительным насосом. Подача топлива под высоким давлением позволила заметно улучшить культуру работы и производительность дизельных моторов.

Со временем система Common Rail развивалась, и наряду с электромагнитными форсунками появились пьезоэлектрические, давление топлива, подаваемого в камеры сгорания, превысило 2000 бар. Сегодняшние системы Common Rail (4-го поколения) настолько точны, что впрыск можно разделить на 7-8 фаз. Благодаря этому в сочетании с мощными системами очистки выхлопных газов двигатели CR вписываются в последние жесткие нормы выбросов.

Другая сторона медали – это стоимость обслуживания и ремонта. Дизели с Common Rail являются более продвинутыми технически, чем питаемые роторным насосом. Это означает необходимость использования только топлива хорошего качества и более высокие затраты на ремонт насоса и форсунок. После 150-200 тыс. км распылители форсунок загрязняются или повреждаются, и топливо перестает дозироваться должным образом. Автомобиль становится вялым, увеличивается расход топлива и обороты, загораются индикаторы неисправности двигателя/свечей накала.

До недавнего времени неисправности пьезоэлектрических форсунок и электромагнитных некоторых производителей (например, Denso) были особенно проблематичными. Отсутствовали запасные части и технологии.

Сегодня затраты на ремонт немного снизились. Электромагнитные форсунки Bosch, Denso и Delphi восстанавливаются без каких-либо проблем. А вот ремонт пьезоэлектрических Denso и Bosch становится проблемой. Среди пьезоэлектрических  сравнительно легко воскресить форсунки Siemense/Continental.

Стоимость ремонта? Все зависит от производителя и типа форсунок. За восстановление электромагнитных форсунок попросят от 4000 до 16 000 рублей, а пьезоэлектрических – от 8000 до 16 000 рублей.

Типичные неисправности: загрязнение или износ наконечников форсунок, утечки топлива из-под уплотнений форсунок (запах топлива в салоне), износ топливного насоса высокого давления (15-25 тысяч рублей).

Популярные версии двигателей Common Rail:

— BMW — 2.0d (M47TU, N47), 3.0d (M57, N57);

— Fiat — 1.6, 1.9, 2.0 JTD, JTD, Multijet;

— PSA – 1.6, 2.0 и 2.2 HDi;

— Renault/Nissan – 1.5, 1.9 и 2.0 dCi;

— Kia/Hyundai – 1.7 и 2.0 CRDi;

— Opel – 1.7 и 2.0 CDTI;

— Ford – 1.6 и 2.0 TDCi;

— VAG – 1.6 и 2.0 TDI

— Mercedes – 2.2 и 3.0 CDI;

— Toyota – 2.0, 2.2 D-4D, D-CAT;

— Honda – 1.6 и 2.2 i-CTDi, i-DTEC.

Причины стука дизельного двигателя

Стук сам по себе – следствие удара одного элемента о другой. Самые распространенные причины стука дизеля следующие:

Стуки распределительного вала

Отличительной чертой неполадок распределительного вала является глуховатый стук дизеля на холодную. После прогрева двигателя на подшипники поступает масло и стук уходит. В таком случае можно говорить о существенном износе валовых подшипников. Он вызван наличием в моторном масле всевозможных примесей, которые в ходе работы приводят к появлению царапин на валу. Если эту проблему не устранить, то в дальнейшем стук будет распространяться и на прогретый мотор.

Стуки коленчатого вала

Стук коленвала возникает по причине износа шеек или вкладышей и увеличения расстояния в подшипниках. Это приводит к снижению качества работы моторного масла и недостатку смазочной жидкости на подшипниках, а также попаданию воды или антифриза в масле и деформации шеек коленчатого вала.

Неисправность форсунки, заклинивание иглы в распылителе, а также неисправность топливного насоса высокого давления (ТНВД)

Постукивание плунжера (поршня цилиндрической формы с длиной, превышающей его диаметр) ТНВД вызвано низким качеством дизельного топлива, при этом возможен стук дизеля на холостых оборотах и при их добавлении. Кроме того, шумы топливного насоса могут появляться совершенно неожиданно, во время движения.   

Сбой фаз распределения

Как правило, такая «клиническая картина» проявляется тогда, когда длина поршня недостаточная для того, чтобы достать до клапанов. Это вызывает сбои в работе, и, как следствие, – характерный стук.

Стук дизельных форсунок

«Фирменным» источником стука дизельного двигателя могут быть форсунки. Дизельная форсунка представляет собой один из главных элементов системы питания дизельного двигателя. Форсунка (инжектор) обеспечивает прямую подачу солярки в камеру сгорания дизеля, а также дозирование подаваемого топлива с высокой частотой (более 2 тыс. импульсов в минуту). Инжектор осуществляет эффективный распыл горючего в пространстве над поршнем. Топливо в результате такого распыла получает форму факела. Форсунки отличных друг от друга систем топливоподачи имеют конструктивные особенности, различаются по способу управления. Инжекторы делят на две группы: механические и электромеханические.

Стук дизельной форсунки обычно хорошо различим: он похож на стрекот или цокание, исходящее из верхней части двигателя. Стук раздается буквально из-под декоративной (шумозащитной) крышки двигателя, если она присутствует. Также распознать цокание форсунки можно, схватившись за ее топливопровод. После прикосновения к топливопроводу будет ощущаться вибрирующий стук, «приходящий» со стороны двигателя.

Закат

Рудольф Дизель дал зеленый свет мощным дизельным двигателям, но заработал ненависть как коллег, инженеров-создателей двигателей, так и наиболее влиятельной силы на то время — угольных компаний.

За период 1904—1905 годов цена на нефть выросла в 2,5 раза, а доходность увеличилась более чем в 7 раз. Это напрямую повлияло на множество интересов. Наиболее сильно пострадали немецкие промышленники, владевшие самыми большими запасами угля в то время. Германия потеряла свое превосходство над Англией, и Дизель был объявлен виновником этого.

Промышленники начали подрывную войну против изобретателя: привели его предприятия к банкротству, и он потерял огромную часть своих вложений. Враги пытались уничтожить его и морально, вкладывая огромные средства в пропаганду, утверждая, что он не был отцом своего изобретения, а заимствовал чужие идеи.

Финансово противники его победили, но Дизелю осталось признание в научном мире, опровергшее клевету против него.

Турбонаддув и Common-Rail

Основная проблема обычных моторов – так называемая турбо яма. Это эффект медленного отклика агрегата на нажатие педали – водитель нажимает на газ, а ДВС будто задумался ненадолго. Такое происходит по причине того, что поток выходящих газов лишь на определенных оборотах двигателя активирует крыльчатку стандартной турбины.

Турбодизельный агрегат вместо стандартной турбины получает турбокомпрессор. Подробно о данном механизме рассказывается в другой статье, но если коротко, то он подает в цилиндры дополнительный объем воздуха, благодаря чему уже на низких оборотах есть возможность снять приличную мощность.

Однако турбодизель имеет и существенный минус. Моторный компрессор имеет небольшой рабочий ресурс. В среднем этот период составляет около 150 тысяч километров пробега авто. Причина в том, что данный механизм постоянно работает в условиях повышенной термической нагрузки, а также с постоянно высокими оборотами.

Обслуживание данного устройства состоит только в том, чтобы владелец машины постоянно придерживался рекомендаций производителя касательно качества масла. Если турбокомпрессор вышел из строя, его стоит заменить, а не ремонтировать.

На многих современных машинах устанавливается топливная система типа Common-Rail. Подробно о ней рассказывается отдельно. Если есть возможность выбрать именно такую модификацию авто, то система позволяет оптимизировать подачу топлива в импульсном режиме, что положительно сказывается на эффективности ДВС.

Вот как работает аккумуляторная топливная система такого типа:

• За 20 градусов до того, как поршень достигнет ВМТ, форсунка распыляет от 5 до 30 процентов от основной порции топлива. Это предвпрыск. Он формирует начальное пламя, благодаря чему плавно повышается давление и температура в цилиндре. Этот процесс обеспечивает снижение ударных нагрузок на детали агрегата и обеспечивает более качественное сгорание топлива. Этот предварительный впрыск применяется на моторах, экологический показатель которых соответствует стандарту Евро-3. Начиная с 4-го стандарта в ДВС производится многостадийный предвпрыск.
• За 2 градуса до положения ВМТ поршня подается первая часть основной порции топлива. Этот процесс проходит так же, как у обычного дизеля без топливной рампы, но уже без скачка давления, так как оно на этом этапе уже высокое за счет горения предварительной порции солярки. Эта схема позволяет снизить шум мотора.
• На некоторое время подача топлива прекращается, чтобы эта порция полностью сгорела.
• Далее распыляется вторая часть порции горючего. За счет этого разделения вся порция сгорает до конца. Плюс к этому цилиндр работает больше времени, чем в классическом агрегате. Это приводит к высокому крутящему моменту при минимальном расходе и низкой токсичности выхлопа. Также в ДВС не происходит ударов, благодаря чему он не издает большого шума.
• Перед тем, как откроется выпускной клапан, форсунка выполняет поствпрыск. Это оставшаяся часть топлива. Она уже горит в выпускном тракте. С одной стороны этот способ сжигания удаляет сажу с внутренней части выпускной системы, а с другой – повышает мощность турбокомпрессора, что позволяет сгладить турбояму. Подобная ступень применяется на агрегатах, соответствующих экостандарту Евро-5.

Как видно, установка аккумуляторной топливной системы позволяет обеспечить многоимпульсную подачу горючего. Благодаря этому улучшается практически каждая характеристика дизеля, что позволяет приблизить его мощность к показателю бензинового агрегата. А если в машине установлен турбокомпрессор, то это средство позволило придумать мотор, превосходящий бензиновый.

Это достоинство современного турбодизеля позволяет повысить популярность дизельных легковых автомобилей. Кстати, если говорить о самых быстрых машинах с дизельным агрегатом, то в 2006-м году в соляной пустыне Bonneville был побит рекорд скорости на прототипе JCB Dieselmax. Этот автомобиль разогнался до 563 километров в час. Силовая установка авто была оснащена топливной рампой Common-Rail.

Мифы о двухтактных дизельных моторах

Существует несколько распространенных мифов касательно двухтактных двигателей:

1. Слишком медленная работа. В действительности современные моторы с турбонаддувом гораздо эффективнее предыдущих моделей.
2. Такие моторы слишком громкие. Чтобы этого избежать, необходима правильная настройка двигателя. При правильном выполнении всех настроек работа мотора происходит немногим громче бензинового аналога. Высокий уровень шума свидетельствует о неправильной настройке мотора или его неисправности. Для старых моделей высокий уровень шума — характерная черта, создание появление аккумуляторных систем с высоким давлением существенно снизило уровень шума.
3. Покупать дизель выгоднее бензина. Это так, но лишь отчасти. Несколько лет назад дизельное топливо стоило намного дешевле бензина, однако сегодня разница составляет всего 10-20%. Основная экономичность заключается в способности теплотворной способности горючего.
4. Такие моторы плохо заводятся зимой. Раньше проблемы с ними действительно возникали. Однако современные автомобили с дизельными двигателями оснащены быстрым запуском, что снижает время на ежедневные подготовки к поездкам.

Особенности дизель-моторов

Отличительной особенностью дизельных двигателей является отсутствие свечей зажигания. Возгорание происходит путем всасывания/сжатия воздуха после впрыскивания в камеру дизельного топлива. Этим и обусловлена прекрасная работа данных агрегатов при низких оборотах.

Однако подобная топливная система считается наиболее дорогой и сложной. При этом она требует пристального внимания автовладельца. Особенно важным элементом считается топливная форсунка. Именно она отвечает за высокоточное распределение горючего. На форсунку происходит воздействие высоких температур и внутрицилиндрового давления. Следовательно, она нуждается в помощи для более качественного выполнения своих функций. Для этого дополнительно используются:

• впускные клапаны;
• предварительные камеры сгорания.

В последних происходит закручивание поступающих воздушных масс. Это улучшает и ускоряет процесс зажигания. Подавляющее большинство современных дизель-моторов комплектуется свечами накаливания. При низких температурах дизтопливо сильно охлаждается. А свечи, работающие на электричестве, обеспечивают прогрев топливной массы. Это способствует более быстрому и легкому запуску двигателя.

Плюсы и минусы дизельного мотора

Как и любой другой тип силового агрегата, дизельный мотор имеет положительные и отрицательные черты. К «плюсам» современного дизеля относят:

• экономичность;
• хорошую тягу в широком диапазоне оборотов;
• больший, чем у бензинового аналога, ресурс;
• меньшее количество вредных выбросов.

Дизель не лишен и недостатков:

• моторы, не оснащенные свечами накаливания, плохо заводятся в мороз;
• дизель дороже и сложнее в обслуживании;
• высокие требования к качеству и своевременности обслуживания;
• высокие требования к качеству расходных материалов;
• большая, чем у бензиновых движков, шумность работы.

Преимущества и недостатки.

Мощность КПД современных дизелей составляет 40-45 %, а некоторых образцов – 50%. Несомненным плюсом таких двигателей являются низкие требования к качеству топлива, что позволяет использовать не самые дорогие нефтяные продукты для работы механизма.

При использовании дизелей в автомобилях, такой двигатель дает высокий вращающийся момент, при низких оборотах самого механизма, что делает авто комфортным в движении. Благодаря этому данный тип движка и популярен в промышленных автомобилях, где ценится мощь механизма.

Дизельные двигатели имеют гораздо меньшую вероятность возгорания, благодаря нелетучему топливу, что делает их максимально безопасными при эксплуатации. Именно дизельные двигатели стали залогом для прогресса военной бронированной техники, делая ее максимально безопасной для экипажа.

Недостатков у дизеля также хватает, и заключаются они в топливе, которое имеет свойство застаиваться в зимнее время, и выводит механизм из строя. Плюс ко всему, дизельные двигатели делают слишком много вредных выбросов в атмосферу, что и стало причиной борьбы экологов с данным типом механизма. Само изготовление дизельного двигателя обходится производителям дороже, чем бензинового, что заметно отображается на бюджетных затратах производства.

Эти основные моменты и послужили причиной того, что количество дизельных двигателей в мировом машиностроительстве будет уменьшаться и, с большой долей вероятности, ограничится лишь промышленным автопромом, где дизель является незаменимым агрегатом. Но, именно дизель оставил глубокий след в процессе создания автопромышленности, как таковой, и всегда будет оставаться важнейшим прорывом в мировой автомобильной инженерии.

Интеркуллер

Было замечено, что если при смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркуллера – дополнительного элемента турбин, повышающего эффективность работы.

После всасывания воздуха он проходит через радиатор, и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой можно подробно ознакомиться со схемой работы интеркуллера.

За турбиной современного автомобиля необходимо должным образом ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и перегреву. Поэтому смазочный материал рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров пробега.

Кроме того, после остановки машины следует оставлять ДВС включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (при резком прекращении циркуляции масла она перегревается). К сожалению, даже при грамотной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.

Строение и принцип действия дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом на тяжелом транспорте, которому необходима хорошая тяга «на низах». Современные дизели с равным успехом работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым: приемистость и время набора скорости.

Сложный уход за дизелем компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.

Что еще стоит почитать

Система питания дизельного двигателя

Топливно воздушная смесь

Впускной коллектор с изменяемой геометрией

Принцип работы двигателя автомобиля

Принцип работы инжектора