Дизельные двигатели весьма распространены на легковых автомобилях. Многие модели имеют хотя бы один вариант в моторной гамме. И это без учета грузовиков, автобусов и строительной техники, где их применяют повсеместно. Далее рассмотрено, что такое дизель, конструкция, принцип работы, особенности.
Определение
Данный агрегат представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, функционирование которого основано на самовоспламенении распыленного топлива от нагрева либо сжатия.
Особенности конструкции
Бензиновый двигатель имеет те же конструктивные элементы, что и дизель. Схема функционирования в целом также аналогична. Отличие состоит в процессах формирования топливовоздушной смеси и ее сгорания. К тому же дизельные моторы отличаются более прочными деталями. Это обусловлено примерно вдвое более высокой степенью сжатия, чем у бензиновых двигателей (19-24 против 9-11).
Классификация
По конструкции камеры сгорания дизели подразделяют на варианты с раздельной камерой сгорания и с непосредственным впрыском.
В первом случае камера сгорания отделена от цилиндра и соединена с ним каналом. При сжатии поступающий в камеру вихревого типа воздух закручивается, что улучшает смесеобразование и самовоспламенение, которое начинается там и продолжается в основной камере. Дизельные двигатели данного типа ранее были распространены на легковых автомобилях в связи с тем, что они отличались пониженным уровнем шума и большим диапазоном оборотов от рассмотренных далее вариантов.
В дизельных двигателях с непосредственным впрыском камера сгорания находится в поршне, а топливо подается в надпоршневое пространство. Такая конструкция изначально использовалась на низкооборотных моторах большого объема. Они отличались высоким уровнем шума и вибраций и низким расходом топлива. Позднее, с появлением топливных насосов высокого давления с электронным управлением и оптимизацией процесса сгорания, конструкторы достигли стабильной работы при диапазоне до 4500 об./мин. К тому же возросла экономичность, снизилась шумность и уровень вибраций. Среди мер по уменьшению жесткости работы – многостадийный предвпрыск. Благодаря этому двигатели данного типа получили в последние два десятилетия обширное распространение.
По принципу функционирования дизели подразделяют на четырехтактные и двухтактные, как и бензиновые моторы. Их особенности рассмотрены далее.
Принцип функционирования
Чтобы понимать, что такое дизель и чем обусловлены его функциональные особенности, необходимо рассмотреть принцип работы. Приведенная выше классификация поршневых ДВС основана на количестве тактов, входящих в рабочий цикл, которые выделяют по величине угла поворота коленчатого вала.
Следовательно, рабочий цикл четырехтактных двигателей включает 4 фазы.
- Впуск. Происходит при повороте коленвала от 0 до 180°. При этом воздух проходит в цилиндр через открытый на 345-355° впускной клапан. Одновременно с ним во время поворота коленвала на 10-15° открыт выпускной клапан, что называют перекрытием.
- Сжатие. Поршень, двигаясь вверх при 180-360°, сжимает воздух в 16-25 раз (степень сжатия), а впускной клапан закрывается в начале такта (при 190-210°).
- Рабочий ход, расширение. Происходит при 360-540°. В начале такта до достижения поршнем верхней мертвой точки топливо подается в горячий воздух и воспламеняется. Это особенность дизельных двигателей, отличающая их от бензиновых, где происходит опережение зажигания. Выделяющиеся при этом продукты горения толкают поршень вниз. При этом время сгорания топлива равно времени его подачи форсункой и длится не дольше продолжительности рабочего хода. То есть при рабочем процессе давление газов постоянно, вследствие чего дизели развивают больший крутящий момент. Также важной особенностью таких моторов является необходимость обеспечения избытка воздуха в цилиндре, так как пламя занимает небольшую часть камеры сгорания. То есть отличается пропорция топливовоздушной смеси.
- Выпуск. При 540-720° поворота коленвала открытый выпускной клапан поршень, двигаясь вверх, вытесняет выхлопные газы.
Двухтактный цикл отличается укороченными фазами и единым процессом газообмена в цилиндре (продувкой), происходящей между концом рабочего хода и началом сжатия. При движении поршня вниз продукты горения удаляются через выпускные клапаны или окна (в стенке цилиндра). Позже открываются впускные окна для поступления свежего воздуха. Когда поршень поднимается, все окна закрываются, и начинается сжатие. Чуть ранее достижения ВМТ впрыскивается и воспламеняется топливо, начинается расширение.
Из-за сложности обеспечения продувки вихревой камеры двухтактные моторы бывают только с непосредственным впрыском.
Производительность таких двигателей выше в 1,6-1,7 раз, чем характеристики дизеля четырехтактного типа. Ее прирост обеспечивается вдвое более частым осуществлением рабочих ходов, но частично сокращается из-за их меньшей величины и продувки. Вследствие удвоенного количества рабочих ходов двухтактный цикл особо актуален в случае невозможности увеличения частоты вращения.
Основной проблемой таких двигателей является продувка из-за ее непродолжительности, что невозможно компенсировать без снижения эффективности за счет укорочения рабочего хода. К тому же невозможно разделить выхлоп и свежий воздух, из-за чего часть последнего удаляется с отработанными газами. Данную проблему можно решить путем обеспечения опережения выпускных окон. В таком случае газы начинают удаляться до продувки, и после закрытия выпуска цилиндр дополняется свежим воздухом.
К тому же при использовании одного цилиндра возникают сложности с синхронностью открытия/закрытия окон, поэтому существуют двигатели (ПДП), в которых каждый цилиндр имеет два поршня, движущихся в одной плоскости. Один из них контролирует впуск, другой – выпуск.
По механизму осуществления продувку подразделяют на щелевую (оконную) и клапанно-щелевую. В первом случае окна служат и впускными и выпускными отверстиями. Второй вариант предполагает их использование в качестве впускных отверстий, а для выпуска служит клапан в головке цилиндра.
Обычно двухтактные дизели применяют на тяжелых транспортных средствах вроде кораблей, тепловозов, танков.
Топливная система
Топливная аппаратура дизельных двигателей существенно сложнее, чем у бензиновых. Это объясняется высокими требованиями к точности подачи топлива по времени, количеству и давлению. Основные компоненты топливной системы – ТНВД, форсунки, фильтр.
Широко применяется система подачи топлива с компьютерным управлением (Common-Rail). Она впрыскивает его двумя порциями. Первая из них маленькая, служащая для повышения температуры в камере сгорания (предвпрыск), что позволяет снизить шум и вибрации. К тому же данная система повышает на малых оборотах крутящий момент на 25%, снижает расход топлива на 20% и содержание сажи в выхлопных газах.
Турбонаддув
На дизельных двигателях очень широко применяют турбины. Это объясняется более высоким (в 1,5-2) раза давлением выхлопных газов, которые раскручивают турбину, что позволяет избежать турбоямы, обеспечив наддув с более низких оборотов.
Холодный запуск
Можно найти множество отзывов о том, что при отрицательных температурах не заводится дизель. Сложность запуска таких моторов в холодных условиях обусловлена тем, что для этого требуется больше энергии. Для облегчения процесса их оснащают предпусковым подогревателем. Данное устройство представлено свечами накаливания, размещенными в камерах сгорания, которые при включении зажигания подогревают воздух в них и работают еще в течение 15-25 секунд после запуска для обеспечения стабильности работы непрогретого мотора. Благодаря этому дизели заводятся при температурах -30…-25 °С.
Особенности обслуживания
Для обеспечения долговечности при эксплуатации необходимо знать, что такое дизель и как его обслуживать. Относительно невысокая распространенность рассматриваемых двигателей в сравнении с бензиновыми объясняется в том числе более сложным обслуживанием.
Прежде всего это касается топливной системы высокой сложности. Из-за этого дизели крайне чувствительны к содержанию в топливе воды и механических частиц, а ее ремонт дороже, как и двигателя в целом в сравнении с бензиновым того же уровня.
В случае наличия турбины также высоки требования к качеству моторного масла. Ее ресурс обычно составляет 150 тыс. км, а стоимость высока.
В любом случае на дизельных двигателях менять масло следует чаще, чем на бензиновых (в 2 раза по европейским нормам).
Как было отмечено, у данных моторов встречаются проблемы холодного запуска, когда при низких температурах не заводится дизель. В некоторых случаях это вызвано использованием неподходящего топлива (в зависимости от сезона на таких двигателях применяют различные сорта, так как летнее топливо при низких температурах застывает).
Эксплуатационные качества
К тому же многим не по душе такие качества дизельных моторов, как меньшие мощность и диапазон рабочих оборотов, более высокий уровень шума и вибраций.
Бензиновый двигатель действительно обычно превосходит в производительности, в том числе и литровой мощности, аналогичный дизель. Мотор рассматриваемого типа при этом имеет более высокий и ровный график крутящего момента. Повышенная степень сжатия, обеспечивающая больший крутящий момент, вынуждает применять более прочные детали. Так как они тяжелее, снижается мощность. К тому же это сказывается на массе двигателя, а следовательно, и автомобиля.
Небольшой диапазон рабочих оборотов объясняется более длительным возгоранием топлива, вследствие чего на высоких оборотах оно не успевает догореть.
Повышенный уровень шума и вибраций вызывает резкое нарастание давления в цилиндре при воспламенении.
Основными достоинствами дизелей считают более высокую тяговитость, экономичность и экологичность.
Тяговитость, то есть высокий крутящий момент на малых оборотах, объясняется сгоранием топлива по мере впрыска. Это обеспечивает большую отзывчивость и облегчает эффективное использование мощности.
Экономичность обусловлена как низким расходом, так и тем, что топливо для дизеля дешевле. К тому же возможно использовать в качестве него низкосортные тяжелые масла благодаря отсутствию строгих требований к испаряемости. А чем топливо тяжелее, тем выше эффективность мотора. Наконец, дизели работают на бедных смесях в сравнении с бензиновыми моторами и при высокой степени сжатия. Последнее обеспечивает меньшие потери тепла с отработанными газами, то есть большую эффективность. Все данные меры снижают расход топлива. Дизель, благодаря этому, тратит его на 30-40% меньше.
Экологичность дизелей объясняется тем, что в их выхлопных газах ниже содержание окиси углерода. Это достигается применением сложных систем очистки, благодаря чему сейчас бензиновый двигатель соответствует тем же экологическим нормам, что и дизель. Мотор такого типа ранее значительно уступал бензиновому в данном отношении.
Применение
Как понятно из того, что такое дизель и каковы его характеристики, такие моторы наиболее подходят для тех случаев, когда необходима высокая тяга на низких оборотах. Поэтому ими оснащают почти все автобусы, грузовики и строительную технику. Что касается частных транспортных средств, среди них такие параметры наиболее важны для внедорожников. Благодаря высокой экономичности данными моторами оснащают и городские модели. К тому же они удобнее в управлении в таких условиях. Тест-драйвы дизелей свидетельствуют об этом.
