Устройство системы дизельного двигателя в автомобиле

История создания

Дизельный двигатель, он же дизель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива, распыляющегося сжатым и горячим воздухом. До конца 20 века такой тип ДВС устанавливался на корабли, тепловозы, автобусы, грузовые машины, трактора. С конца 20 века после успешных испытаний начал массово устанавливаться на легковые авто.

Название этого двигателя соответствует фамилии изобретателя Дизеля. Рудольф Дизель создал ДВС в 1897 году. Ему удалось создать устройство, где топливо возгорает от сжатия, а не от подачи искры.

По информации из википедии, в 1824 году Сади Карно придумал и сформулировал идею цикла Карно, суть которого заключалось возможности доводить топливо до температуры самовоспламенения резким сжатием.

Спустя 66 лет, Рудольф Дизель в 1890 году предложил реализовать эту идею на практике. 23 февраля 1892 года получил патент (разрешение) на свой двигатель, а в на следующий год выпустил брошюру по своего агрегату. Он запатентовал несколько вариантов.

Успешное испытание дизель-мотора удалось сделать только 28 января 1987 года (до этого попытки были неудачными). После этого Р.Дизель начал продавать лицензии на свое изобретение.

Хоть и КПД, и удобство использования нового двигателя было на высоко уровне по сравнению с паровыми агрегатами, новые дизель-устройства были большими по габаритам и тяжелыми (они были больше и тяжелее паровых машин тех времен).

Первоначальной задумкой было то, что топливом должна была быть каменноугольная пыль. Но после испытаний такого вида топлива, оказалось, что каменноугольная пыль очень быстро изнашивает детали двигателя из-за своих абразивных свойств и из-за золы, которая получалась в результате сгорания этой пыли.

Далее, в качестве топлива было использовалось растительное масло и легкие нефтепродукты. Именно на этих видах топлива, испытания ДВС Дизеля прошли успешно.

Инженер Экрой Стюард построил в 1896 году работающий двигатель — полудизель. В этой варианте конструкции ДВС было решено, чтобы воздух втягивался в цилиндр, после чего сжимался поршнем и нагнетался в конце такта сжатия в емкость, в которую распылялось топливо. Чтобы запустить такой мотор, емкость нагревалась лампой снаружи и после запуска двигатель работал сам. Экрой Стюард экспериментировал со сжатием топлива и воздуха в цилиндре. Он хотел исключить свечи зажигания.

Основное отличие бензиновых моторов от дизельных двигателей в системе питания.

Русские в изобретениях не отставали. Вне зависимости от успехов создания ДВС Дизелем, в 1989 году в Петербурге на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер придумал и создал первый в мире бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления, то есть это был двигатель с форкамерой (форкамера — это предварительная камера сгорания, которая по объему составляет 30% от общего объема камеры сгорания). Такой двигатель получил название «Тринклер-мотор».

После сравнения немецкого варианта Дизель-мотора и русского Тринклер-мотора, русский вариант оказался более эффективным. В Тринклер-моторе использовалась гидросистема для нагнетания и распыления топлива — это позволило отказаться от установки дополнительного воздушного компрессора и позволило увеличить число оборотов вала двигателя. В русском варианте в конструкции двигателя не устанавливался воздушный компрессор. Тепло подводилось медленно и дольше, по сравнению с немецким мотором Рудольфа Дизеля. Тринклер-мотор был проще и эффективнее. Но, теми, у кого были лицензии на Дизель-двигатели Рудольфа и Нобелями были вставлены «палки в колеса», чтобы остановить распространение конкурентного варианта мотора. В 1902 году работы по созданию Тринклер-мотора были остановлены.

В 1989 году Эммануил Нобель получил лицензию на двигатель Рудольфа Дизеля. Двигатель был доработан и теперь он мог работать на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель», расположенный в Петербурге, начал массовый выпуск таких моторов. В 1900 году в Париже на Всемирной выставке дизельный ДВС получил ГРАН-ПРИ. Перед Всемирной выставкой в Париже, появилась новость, что Нобелевский завод в Петербурге выпускает ДВС, которые работают на сырой нефти. Такой ДВС в Европе начали называть «Русский дизель». Русский инженер по фамилии Аршаулов первым сконструировал и внедрил в систему топливный насос высокого давления (ТНВД). Приводом для ТНВД служил сжимаемый поршнем воздух. ТНВД работал с бескомпрессроной форсункой.

В 20-е годы ХХ века, Роберт Бош доработал встроенный ТНВД. Это устройство используется и в наши дни. Бош также усовершенствовал бескомпрессорную форсунку.

С 50-60 годов 20 века дизельный моторы успешно устанавливаются на грузовые машины и автофургоны.

С 70-х годов из-за удорожания бензинового топлива, на дизельные моторы стали обращать внимание производители легковых автомобилей.

В настоящее время, почти каждая марка авто имеет модификацию с дизельным аппаратом под своим капотом.

Устройство дизельного двигателя

Изнутри мотор на дизеле изготовлен из следующих блоков:

• цилиндры и поршни;
• форсунки;
• клапаны впуска и выпуска;
• нагнетающий давление компрессор;
• охладитель воздушных масс.

Виды дизельного двигателя классифицируются по конструкциям камер сгорания. Их всего три:

1. Отдельные камеры сгорания. Автодизель в таких аппаратах попадает в одну камеру. Ее можно увидеть, если раскрутить ГБЦ. Затем масса в вихревой камере сжимается до самого минимума. Начинается воспламенение ее, и только потом воспламененная воздушная масса приходит в первую камеру.
2. Неразделенная. Схема работы подобного силового аппарата проста. Камера находится в поршне, а топливо подается в образующееся пространство над поршнем. Особенности такого мотора заключаются в экономии горючего. Однако шумность работы его повышается.
3. Предкамерные силовые агрегаты. Это третья разновидность двигателей внутреннего сгорания на дизеле. Они оснащаются вставной форкамерой. Она подсоединяется с цилиндрами путем специальных трубок. Именно от этих трубок, точнее от их размеров и форм будет зависеть экономичность потребления горючего, экологичность выбросов, шумность и мощность мотора.

Степень сжатия в камерах разных видов дизельного двигателя различная. Но однозначно, что она намного выше, чем у бензинового. А рабочий процесс начинается с попадания воздушной массы в камеру сгорания, где она должна разогреться до определенной температуры.

Силовые аппараты на дизеле могут быть как двухтактными, так и четырех-тактными. В последнее время компании стали выпускать по большей части четырех-тактные двигатели. Они надежней и мощнее, чем двухтактные.

На морских судах используются реверсивные моторы на дизеле. Также такие же моторы применялись ранее на тепловозах. Подобные силовые агрегаты нужны были для того, чтобы механизм мог двигаться назад.

Теперь вы знаете, как устроены современные дизельные двигатели, которые работают в автомобилях. Давайте посмотрим на принцип работы таковых.

Особенности работы дизеля

Работа дизельного двигателя будет выглядеть так:

1. во время движения поршня в нижнее положение осуществляется приток чистых воздушных масс в цилиндры;
2. при движении поршня вверх происходит нагрев этого воздуха;
3. в высочайшей точке создается большая степень сжатия, вследствие чего температура может доходить до 800-900 градусов Цельсия;
4. при прохождении самой верхней точки осуществляется впрыск топлива в камеры под сильнейшим давлением. В итоге оно соприкасается с раскаленными воздушными массами и происходит воспламенение.
5. под действием горения происходит рост давления в цилиндре, передающего момент, что и создает шум такого двигателя.

Благодаря указанной схеме дизельному мотору вполне достаточно небогатой смеси топлива. Стоимость подобного топлива невероятно низка, что объясняет его неприхотливость, а также экономичность. К тому же коэффициент полезного действия, а также крутящий момент выше, чем у мотора на бензине.

Но у дизеля есть и определенные минусы:

1. вибрация и определенная шумность;
2. определенные затруднения при холодном пуске;
3. относительно невысокая мощность, но это вряд ли можно отнести к современным моделям.

Система работы дизельного двигателя

Главным узлом любого мотора является его топливная система. Её основная задача – это своевременная подача топлива. При этом оно должно иметь определённое давление и температуру. Если эти два правила не соблюдаются, то автомобиль просто не заведётся.

Основными элементами дизельного двигателя являются следующие элементы:

• топливный насос;
• фильтр;
• форсунки.

Давайте более детально остановимся на каждом из этих элементов.

Топливный насос

Он отвечает за подачу топлива к форсункам. Современные двигатели оснащаются топливными насосами двух типов: рядные и распределительные.

Топливный фильтр

Фильтр – это один из самых главных элементов любого мотора. Он очищает топливную смесь от мусора, различных частиц и лишнего воздуха, который может попасть в систему. Фильтр подбирается в соответствии с моделью авто.

Форсунки

Форсунки также играют важную роль для топливной системы. Они отвечают за своевременную подачу топлива, поэтому от их надёжности зависит работоспособность и срок службы самого мотора.

В дизельных ДВС применяются форсунки 2-х типов:

• с распределителем;
• со шрифтовым распределителем.

Распределитель форсунок определяет интенсивность и форму факела отвечает за своевременность и интенсивность возгорания.

Дополнительные компоненты двигателя

В конструкции дизельного двигателя присутствуют и другие детали. Например, турбина. Многие моторы оснащаются турбонаддувом для увеличения мощности. Обычные же атмосферники не имеют такого устройства.

Давайте рассмотрим, что такое турбонадув и из чего он состоит.

Турбина

Большое количество воздуха подается в цилиндры через турбонаддув. Также увеличивается подача горючего во время рабочего цикла. Все это позволяет увеличить мощность мотора.

Так как давление насоса в дизельном двигателе выше и постоянное, то это помогает избежать турбоям, которые часто присутствуют на бензиновом моторе. Которыми также часто недовольны владельцы бензиновых турбодвигателей.

Принцип работы турбины таков:

1. Отработанные газы проходят через компрессор.
2. Они постепенно раскручивают колесо турбины.
3. Затем вращение турбинного колеса передается компрессорному. Так происходит потому, что они оба установлены на одном валу.
4. Под действием вращения турбокомпрессор сжимает воздух. Затем последний поступает в интеркулер.
5. Здесь он начинает охлаждаться. Потом поступает снова в цилиндры силового агрегата.

Таким образом работает турбинное устройство. Дизельный двигатель запускается даже при отрицательных температурах внешней среды. Свечи накаливания разогревают воздушную смесь до 900 градусов. Именно поэтому сквозь турбины в цилиндры могут поступать холодные воздушные массы.

Турбонаддув

Турбонаддув дизельных двигателей состоит из следующих компонентов:

• воздухозаборник;
• компрессор;
• клапан для регулировки отработанных газов;
• заслонка для дросселя;
• фильтрующее устройство;
• интеркулер для охлаждения воздушных масс;
• давления датчики;
• коллектор впуска;
• соединительные трубки.

В свою очередь в турбину входят элементы:

• подшипники, которые создают вращение ее;
• чехол на турбине;
• чехол на компрессоре;
• сталистая сетка.

Есть разные виды турбонаддувов и их особенности. Так, например, в турбине с изменяемой геометрией измененное сечение входного клапана регулирует поток отработанных газов. Два компрессора устанавливаются последовательно для того, чтобы за каждый режим работы отвечало одно из устройств, а не два за все или одно за все режимы работ.

Если же компрессоры в моторе установлены параллельно, то турбоямы становятся еле ощутимы. Механический и автоматический турбьонаддув, установленные вместе, способствуют увеличенную мощности. Например, первый включается при низких оборотах, а второй при высоких.

Теперь вы знаете, что такое турбонаддув и как он работает. Давайте посмотрим, каков его цикл.

1. Турбокомпрессор создает вакуум. Внутрь турбонаддува всасываются воздушные массы.
2. Дальше в работу вступают роторы.
3. Интеркулер охлаждает воздушные массы.
4. Впускной коллектор пропускает через себя холодный воздух. Но перед тем, как он попадет в него, воздушные массы проходят очистку через воздушные фильтрующие устройства.
5. Когда воздух будет набран до достаточного количества, клапан закроется.
6. Уже отработанные воздушные массы проходят в турбину силового агрегата внутреннего сгорания и давят на ротор.
7. Скорость вращения самой турбины и ее вала увеличивается до 1500 оборотов в секунду.

Таким образом за счет всех этих действий образовывается давление, которое и увеличивает мощность дизельного двигателя.

Интеркулер

Интеркулер для двигателя на дизеле был создан, чтобы не подвергать каждодневному ремонту детали мотора. Детали двигателя при действии на них высоких температур подвергаются быстрому износу. Чтобы такого не происходило, были созданы интеркулера.

Топливо, подающееся через форсунки, правильно распределяется и в нужном количестве. Поэтому не происходит детонации при правильном расположении угла подачи.

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.

Как происходит запуск

Холодный пуск дизеля автомобиля обеспечивает система предпускового подогрева. 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.

Эволюция дизельного мотора

Как известно, на начальном этапе силовые агрегаты данного типа не могли достойно конкурировать с бензиновыми аналогами. Дело в том, что дизель долгое время оставался тяговитым и экономичным мотором, однако был тихоходным.

На практике это значит, что такой ДВС уверенно тянул с самых «низов», однако о высоких оборотах и, соответственно, больших скоростях речь не шла. При этом главным плюсом оставался низкий расход дизтоплива (солярки) и высокий крутящий момент на низких оборотах. Для коммерческого транспорта такое решение было оптимальным, однако не подходило для легковых ТС.

Если к этому добавить шум и повышенные вибрации, тогда становится понятно, почему дизельные моторы не были востребованы на легковых авто. Однако за последние 30 лет ситуация в корне изменилась. С учетом сокращения запасов нефти, ужесточения экологических стандартов и постоянного роста цен на топливо, на первый план вышел расход горючего.

Автопроизводители начали активно внедрять новейшие разработки, дизельный мотор получил модернизированную систему топливного впрыска и турбонаддув. В результате удалось практически полностью избавиться от шума и вибрации, а также приблизить дизель по целому ряду эксплуатационных показателей к бензиновым двигателям.

Недостатки дизельного двигателя

Казалось бы, современный дизель не только не уступает бензиновому, но и превосходит его по целому ряду важных показателей. Однако на практике дизельный ДВС также имеет несколько существенных недостатков. По этой причине, особенно на территории СНГ, многие водители все равно выбирают бензиновые авто. Давайте разбираться.

• Прежде всего, необходимо начать со стоимости. Дизельный автомобиль, в среднем, изначально стоит на 25-35% дороже аналогов на бензине (в зависимости от типа и класса авто).

Также стоит понимать, что при продаже дизельного авто б/у старше 5-7 лет цена на вторичном рынке значительно падает. Другими словами, продать подержанный дизель через несколько лет на те же 25-30% дороже по сравнению  с аналогичной моделью на бензине достаточно сложно.

• Даже с учетом того, что дизельные ДВС стали более оборотистыми, машины с таким мотором все равно менее скоростные. Еще нужно добавить, что дизельный мотор тяжелее бензинового, что влияет на развесовку авто, его динамические характеристики и управляемость.

На дизелях с «механикой» нужно чаще переключать передачи. Если же на дизельном авто установлена автоматическая или роботизированная КПП, ресурс коробки может быть меньше, чем на точно такой же бензиновой модели. Причина — КПП необходимо выдерживать значительный крутящий момент.

• Дизельный двигатель медленнее прогревается. Причиной является то, что КПД дизеля выше, то есть меньшее количество энергии от сгорания дизтоплива расходуется на тепло. В результате мотор более производительный, но меньшее тепловыделение также означает, что такой агрегат одновременно «холодный».

На практике это проявляется таким образом, что греть дизель на холостом ходу бесполезно. Этот мотор нужно прогревать в движении, то есть под нагрузкой. Получается, если машина с таким ДВС эксплуатируется для коротких поездок по городу, мотор попросту не будет успевать выйти на рабочие температуры. В результате ресурс агрегата сокращается.

Что касается комфорта, многие владельцы дизельных авто без специального дополнительного подогрева салона отмечают медленный прогрев внутрисалонного пространства в зимний период.

• Проблема холодного пуска и затрудненной эксплуатации в зимний период в значительной мере касается именно дизельных моторов. Прежде всего, солярка имеет свойство замерзать и парафинизироваться на морозе. Чтобы этого не происходило, с наступлением холодов в горючее отдельно добавляются специальные присадки. Другими словами, дизельное топливо делится на зимнее и летнее.

Владельцу нужно обязательно учитывать эту особенность и заливать солярку, подходящую по сезону. С учетом того, что качество горючего на АЗС в СНГ не самое высокое, риски очевидны. Также в регионах, где температура значительно понижается, дизельный автомобиль должен быть оборудован отдельными системами предпускового подогрева. Добавим, что владельцам дизельных машин необходимо следить за состоянием и регулярно менять свечи накаливания, которые прогревают камеру сгорания перед запуском ДВС.

• Дизельный двигатель дороже обслуживать и ремонтировать. Такие моторы обычно требуют больше масла, необходимо чаще менять смазку и фильтры. Как правило, с учетом качества топлива в СНГ и ряда других особенностей эксплуатации, межсервисный интервал для дизеля сокращен на 40-50%.

Даже с учетом того, что дизельный мотор имеет больший срок службы до капремонта, сам ремонт обходится намного дороже по сравнению с бензиновыми агрегатами.

• Все современные дизели турбированные, а также оснащаются сложными высокотехнологичными системами топливного впрыска. По этой причине к качеству смазки и топлива, а также к общему состоянию ДВС выдвигаются повышенные требования. Важно понимать, что дорогостоящую дизельную топливную аппаратуру можно «убить» одной заправкой горючим низкого качества или неподходящим видом топлива.

Справедливости ради отметим, что для жителей крупных городов вопрос с топливом стоит не так остро. Однако этого нельзя сказать о тех автолюбителях, которые проживают в сельской местности или регулярно заправляют  дизельную машину на мелких АЗС вдоль трасс во время поездок. Проблема найти качественную солярку в этом случае остается достаточно актуальной.

• Надежность турбины на дизеле и отдельных элементов системы питания (например, ТНВД или насос-форсунки) далеко не такая, как у самого мотора. Ремонт или замена указанных деталей является достаточно затратным мероприятием.

Также следует добавить, что диагностики и ремонт современных дизельных двигателей требует наличия дорогостоящего оборудования и профильных специалистов. Как правило, не на каждом СТО есть квалифицированные мастера по дизелям, а сама стоимость любых манипуляций с таким мотором и его системами однозначно будет выше.

• Повышенные шумы, а также более высокий уровень вибраций все равно можно отметить даже на самом современном дизельном двигателе, если сравнивать его с бензиновыми аналогами. Хотя разница не так критична, но все же присутствует.

Подведем итоги

Как видно, преимущества дизельного двигателя на легковом авто в условиях практической эксплуатации на отечественных дорогах могут в значительной мере перекрываться перечисленными выше недостатками.

Важно понимать, что приобретение автомобиля с дизельным ДВС позволяет экономить на топливе, однако выгода может быть частично или полностью нивелирована более высокими затратами на обслуживание и ремонт агрегата данного типа.  Другими словами, перед покупкой нужно учитывать не только преимущества, но и минусы дизельного двигателя.

Напоследок хотелось бы добавить, что если дизельная машина коммерческая и приобретается новой, тогда подобное решение себя вполне оправдывает. Если же владелец планирует приобрести легковой автомобиль с дизельным мотором, особенно подержанный, тогда нужно быть готовым к более высоким расходам, дорогим поломкам и жестким требованиям касательно эксплуатации такого ТС.