Где образуется рабочая смесь в дизельном двигателе?

Дизельный двигатель: устройство, принцип работы, преимущества

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель (дизель) представляет собой поршневой ДВС, принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива при воздействии горячего сжатого воздуха.

Конструкция дизеля в целом мало чем отличается от бензинового двигателя, за исключением того, что в дизеле отсутствует как таковая система зажигания, поскольку воспламенение топлива происходит по другому принципу. Не от искры, как в бензиновом двигателе, а от высокого давления, с помощью которого сжимается воздух, из-за чего тот сильно разогревается. Высокое давление в камере сгорания накладывает особые требования к изготовлению деталей клапанов, которые предназначены для восприятия более серьезных нагрузок (от 20 до 24 единиц).

Дизельные двигатели применяются не только на грузовых, но и на многих моделях легковых автомобилей. Дизели могут работать на различных типах топлива – на рапсовом и пальмовом масле, на фракционных веществах и на чистой нефти.

Принцип действия дизельного двигателя

Принцип действия дизеля основан на компрессионном воспламенении топлива, которое попадает в камеру сгорания и смешивается с горячей воздушной массой. Рабочий процесс дизеля зависит исключительно от неоднородности ТВС (топливно-воздушной смеси). Подача ТВС в таком типе двигателя происходит раздельно.

Вначале подается воздух, который в процессе сжатия нагревается до высоких температур (около 800 градусов по Цельсию) , затем в камеру сгорания под высоким давлением (10-30 МПа) подается топливо, после чего происходит его самовоспламенение.

Сам процесс воспламенения топлива всегда сопровождается высокими уровнем вибраций и шума, поэтому двигатели дизельного типа являются более шумными в сравнении с бензиновыми собратьями.

Подобный принцип работы дизеля позволяет использовать более доступные и дешевые (до недавнего времени 🙂 ) виды топлива, снижая уровень затрат на его обслуживание и заправку.

Дизели могут иметь как 2, так и 4 рабочих такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск). Большинство автомобилей оснащено 4-х тактовыми дизельными двигателями.

Типы дизельных двигателей

По конструкционным особенностям камер сгорания дизели можно разделить на три типа:

С разделенной камерой сгорания. В таких устройствах подача топлива осуществляется не в основную, а в дополнительную, т.н. вихревую камеру, которая располагается в головке цилиндрового блока и соединяется с цилиндром каналом. При попадании в вихревую камеру воздушная масса максимально сжимается, тем самым улучшая процесс воспламенения топлива. Процесс самовоспламенения начинается в вихревой камере, затем переходит в основную камеру сгорания.
С неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях камера располагается в поршне, а топливо подается в пространство над поршнем. Нераздельные камеры сгорания с одной стороны позволяют экономить расход топлива, с другой стороны – повышают уровень шума при работе двигателя.
Двигатели предкамерные. Подобные дизели оснащаются вставной форкамерой, которая соединяется с цилиндром тонкими каналами. Форма и размер каналов определяют скорость движения газов при сгорании топлива, снижая уровень шума и токсичности, увеличивая ресурс работы двигателя.

Топливная система в дизельном двигателе

Основой любого двигателя дизельного типа является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача нужного количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.

Важными элементами топливной системы в дизельном двигателе являются:

насос высокого давления для подачи топлива (ТНВД);
топливный фильтр;
форсунки

Топливный насос

Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по установленным параметрам (в зависимости от числа оборотов, рабочего положения регуляторного рычага и давления турбонаддува). В современных дизельных двигателях могут применяться два типа насосов для топлива – рядные (плунжерные) и распределительные.

Топливный фильтр

Фильтр является важной составляющей частью двигателя дизельного типа. Топливный фильтр подбирается строго в соответствии с типом двигателя. Фильтр предназначен для выделения и удаления из топлива воды, и лишнего воздуха из топливной системы.

Форсунки

Форсунки не менее важные элементы топливной системы в дизеле. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяются два типа форсунок – с многодырчатым и шрифтовым распределителем. Распределитель форсунок определяет форму факела, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.

Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя

Холодный пуск отвечает за механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается за счет электрических нагревательных элементов – свечей накаливания, которыми оснащена камера сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры в 900 градусов, подогревая воздушную массу, которая попадает в камеру сгорания. Питание со свечи накаливания снимается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя обеспечивают его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.

Турбонаддув отвечает за повышение мощности и эффективности работы дизеля. Он обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличения рабочей мощности двигателя. Для обеспечения нужного давления наддува воздушной смеси во всех рабочих режимах двигателя применяется специальный турбонагнетатель.

Остается только сказать, что споры относительно того, что лучше выбрать рядовому автолюбителю в качестве силовой установки в свой автомобиль, бензин или дизель, не утихают до сих пор. Преимущества и недостатки есть у обоих типов двигателя и выбирать необходимо, исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.

Дизельные двигатели

Конструкционные особенности дизельных двигателей

Дизельный двигательный агрегат – одна из разновидностей поршневых силовых установок. По своему исполнению он почти ничем не отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. Там имеются те же цилиндры, поршни, шатуны, коленвал и прочие элементы.

Действие «дизеля» основано на свойстве самовоспламенения дизтоплива, распыляемого в пространстве цилиндра. Клапаны в таком моторе значительно усилены — это необходимо было сделать для того, чтобы агрегат был устойчив к повышенным нагрузкам в течение длительного времени. Из-за этого вес и размеры «дизеля» больше, чем у аналогичной бензиновой установки.

Есть и существенное отличие между дизельными и бензиновыми механизмами. Оно заключается в том, как именно образуется топливовоздушная смесь, каков принцип ее воспламенения и горения. Первоначально в работающие цилиндры направляется обычный чистый воздушный поток. По мере сжатия воздуха он прогревается до температуры около 700 градусов, после чего форсунки впрыскивают горючее в камеру сгорания. Высокая температура способствует моментальному самовозгоранию топлива. Горение сопровождается быстрым нагнетанием высокого давления в цилиндре, поэтому дизельный агрегат издает характерный шум в процессе работы.

Запуск дизельного двигателя

Пуск «дизеля» в холодном состоянии осуществляется благодаря свечам накаливания. Это нагревательные электроэлементы, интегрированные в каждую из камер сгорания. При включении зажигания свечи накаливания нагреваются до сверхвысоких температур = около 800 градусов. При этом разогревается воздух в камерах сгорания. Весь процесс занимает несколько секунд, а о готовности дизеля к запуску водителя оповещает сигнальный индикатор в панели приборов.

Подача электричества на свечи накаливания снимается автоматически примерно через 20 секунд после запуска. Это необходимо для обеспечения устойчивой работы холодного двигателя.

Устройство топливной системы дизельного мотора

Одной из самых важных систем двигателя, работающего на дизельном топливе, считается система подачи горючего. Ее главная задача – подача дизтоплива в цилиндр в жестко ограниченном количестве и только в заданный момент.

Основные компоненты топливной системы:

топливный насос высокого давления (ТНВД);
форсунки подачи горючего;
фильтрующий элемент.

Основное назначение ТНВД — подача горючего на форсунки. Он работает по заданной программе в соответствии с тем режимом, в котором функционирует мотор, и действиями водителя. Фактически, современные топливные насосы являются высокотехнологичными механизмами, которые автоматически управляют работой дизельного мотора на основании управляющих воздействий водителя.

В тот момент, когда водитель выжимает газовую педаль, он не меняет количество подачи горючего, а вносит изменения в работу регуляторов в зависимости от силы нажатия на педаль. Именно регуляторы изменяют количество оборотов двигателя и, соответственно, скорость машины.

Как отмечают специалисты ГК Favorit Motors, на легковых авто, кроссоверах и внедорожниках чаще всего устанавливают ТНВД распределительной конструкции. Они имеют компактные размеры, равномерно подают топливо в цилиндры и качественно работают на высоких оборотах.

Форсунка получает топливо от насоса и регулирует его количество перед тем, как перенаправить горючее в камеру для сгорания. На дизельные агрегаты устанавливают форсунки с распределителем одного из двух видов: шрифтовым либо многодырчатым. Иглы распределителей изготавливаются из высокопрочных жаростойких материалов, поскольку они работают в условиях высоких температур.

Топливный фильтр — это простой и, одновременно, один из важнейших компонентов дизельного агрегата. Его рабочие параметры должны в точности соответствовать конкретному типу двигателя. Назначение фильтра — отделение конденсата (для этого предназначено нижнее сливное отверстие с пробкой) и устранение лишнего воздуха из системы (используется верхний насос подкачки). На некоторых моделях авто предусмотрена функция электрического подогрева топливного фильтра — это позволяет упростить запуск дизеля в зимний период.

Виды дизельных агрегатов

В современном автомобилестроении используются два типа дизельных силовых установок:

двигатели с прямым впрыском;
дизели с раздельной камерой сгорания.

У дизельных агрегатов с прямым впрыском камера сгорания интегрирована в поршень. Горючее впрыскивается в пространство над поршнем, после чего направляется в камеру. Прямой впрыск топлива обычно используется на низкооборотных силовых установках с большим рабочим объемом, где имеются сложности с процессом воспламенения.

Более распространены сегодня дизельные моторы с раздельной камерой. Впрыск горючей смеси производится не в пространство над поршнем, а в дополнительную полость, которая имеется в головке цилиндра. Такой способ оптимизирует процесс самовоспламенения. К тому же такой тип дизеля работает с меньшим шумом даже на самых высоких оборотах. Именно такие двигатели сегодня устанавливают на легковых автомобилях, кроссоверах и внедорожниках.

В зависимости от конструктивных особенностей дизельный силовой агрегат работает в четырехтактном и двухтактном циклах.

Четырехтактный цикл подразумевает следующие этапы работы силового агрегата:

Первый такт – это поворот коленвала на 180 градусов. Благодаря его движению открывается впускающий клапан, в результате чего воздух подается в полость цилиндра. После этого клапан резко закрывается. Одновременно с этим при определенном положении открывается и выхлопной (выпускающий) клапан. Момент одновременного открытия клапанов называют перекрытием.
Второй такт — это сжатие воздуха поршнем.
Третий такт — начало хода. Коленвал поворачивается на 540 градусов, топливно-воздушная смесь воспламеняется и сгорает при соприкосновении с форсунками. Выделяющаяся при горении энергия поступает в поршень и заставляет его двигаться.
Четвертый такт соответствует повороту коленвала до 720 градусов. Поршень поднимается вверх и выбрасывает через выпускной клапан отработавшие продукты горения.

Двухтактный цикл обычно используется при запуске дизельного агрегата. Суть его заключается в том, что такты сжатия воздуха и начало рабочего процесса у него укорочены. При этом поршень выпускает отработавшие газы через специальные впускные окна во время своей работы, а не после того, как опустится вниз. После принятия исходного положения осуществляется продувка поршня, чтобы удалить остаточные явления от горения.

Преимущества и недостатки использования дизельных двигателей

Силовые агрегаты на дизельном топливе характеризуются высокой мощностью и коэффициентом полезного действия. Специалисты ГК Favorit Motors отмечают, что автомобили с дизельными агрегатами с каждым годом становятся все более востребованными в нашей стране.

Во-первых, благодаря особенностям процесса горения топлива и постоянному выхлопу отработавших газов, дизель не предъявляет строгих требований к качеству топлива. Это делает их и более экономичными и доступными в обслуживании. Кроме того, расход топлива у дизельного мотора меньше, чем у бензинового агрегата аналогичного объема.

Во-вторых, самовозгорание топливно-воздушной смеси производится равномерно в момент впрыска. Поэтому дизельные двигательные аппараты могут работать на пониженных оборотах и, несмотря на это, выдавать очень высокий крутящий момент. Такое свойство позволяет сделать транспортное средство с дизельным агрегатом намного легче в управлении, нежели авто с потреблением бензинового топлива.

В-третьих, в использованных газовых выхлопах дизельного мотора содержится гораздо меньше окиси углерода, что делает эксплуатацию таких авто экологичной.

Несмотря на свою надежность и высокий моторесурс, дизельные силовые агрегаты со временем выходят из строя. Самостоятельно проводить ремонтные работы мастера ГК Favorit Motors не рекомендуют, ведь современные «дизели» — это высокотехнологичные установки. И для их ремонта необходимы специальные знания и оборудование.

Специалисты автосервиса Favorit Motors – это квалифицированные мастера, которые прошли стажировку и обучение в учебных центрах заводов-производителей. Они обладают доступом ко всей технологической документации и имеют многолетний опыт ремонта дизельных агрегатов любых модификаций. В нашем техцентре имеется все необходимое оборудование и узкопрофильные инструменты для диагностики и ремонта дизельных моторов. Кроме того, услуги по восстановлению и ремонту «дизелей», оказываемые в ГК Favorit Motors, являются необременительными для кошельков москвичей.

Мастера автосервиса отмечают, что долговечность работы «дизеля» напрямую зависит от того, насколько своевременно и качественно проводится сервисное обслуживание. В техцентре Favorit Motors регламентное ТО выполняется в строгом соответствии с технологическими картами производителя и с использованием только высококачественных сертифицированных запчастей.

Процесс сгорания топливной смеси в дизеле

Для осуществления действительного цикла в дизелях в воздушный заряд, сжатый до давления 2,5—5 МГа и имеющий температуру 750—1000 К, впрыскивается топливо под давлением от 40 до 100 МПа (в зависимости от типа камеры сгорания).

Для эффективного протекания горения топливо должно находиться в парообразном состоянии, но из-за недостатка времени на смесеобразование часть топлива не успеваем испариться и находится в начале горения в капельно-жидком состоянии. Поэтому процессы воспламенения и сгорания в этом случае сложные процессы, и включают в себя физико-химическую подготовку топлива, воспламенение и горение.

Первые очаги пламени появляются одновременно в нескольких точках камеры сгорания. Возникновение этих очагов вызывает нагрев близлежащих участков смеси и общий рост температуры, что вызывает испарение остальных частиц топлива и протекание предпламенных процессов в образующейся горючей смеси. Многоочаговое воспламенение вызывает большую скорость сгорания в начальный период и образующееся пламя практически мгновенно воспламеняет часть поступающего топлива. Однако условия горения этого топлива менее благоприятны из-за недостатка кислорода. Особенно это характерно для последней части впрыскиваемого топлива.

Если учесть характер и интенсивность тепловыделения, изменение температуры и давления в цилиндре в разные моменты времени, то весь процесс горения можно условно разделить на четыре фазы.

Рис. Индикаторная диаграмма и зависимость изменения температуры газов от угла поворота коленчатого вала в цилиндре дизеля

Первая фаза горения (01) — задержка воспламенения, начинается с момента поступления топлива (точка 1) и заканчивается в момент отрыва кривой сгорания от линии сжатия (точка 2) Впрыск топлива происходит до прихода поршня в ВМТ. Угол опережения впрыска топлива находится в пределах 20—35° поворота коленчатого вала.

Во время впрыска струя топлива, выходящая из форсунки под большим давлением, разбивается о плотные слои воздуха на мельчайшие капли, образуя факел распыления. При этом завихрения, которые придаются заряду сжимаемого воздуха, оказывают существенное влияние на развитие этого факела.

Рис. Развитие топливных струй в заряде: а — неподвижном; б — движущимся со скоростью 15 м/с; в — движущимся со скоростью 35 м/с

Концентрация топлива в таком факеле изменяется по поперечному сечению и длине. В ядре факела находятся наиболее крупные, а на периферии — наиболее мелкие капли, находящиеся друг от друга на значительных расстояниях. Следовательно, структура рабочей смеси в дизелях крайне неоднородна, поэтому здесь коэффициент избытка воздуха обычного смысла лишен, так как он не дает представления о действительном составе смеси.

Локальные значения коэффициента избытка воздуха по различным зонам камеры сгорания могут меняться от 0 (жидкие капли) до бесконечности (воздух). Именно наличие всей гаммы составов смеси и температур определяет возможность воспламенения в среднем очень бедной смеси, например, при а = 6 и более.

Таким образом, период задержки воспламенения включает в себя время, необходимое для распада струй на капли, некоторого продвижения капель по объему камеры сгорания, прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с воздухом, а также время саморазгона химических реакций.

Если период задержки воспламенения больше продолжительности впрыска, то все топливо оказывается поданным в цилиндр до начала воспламенения. При этом большая часть его успевает испариться и смешаться с воздухом. В результате объемного воспламенения этой части топлива в цилиндре развивается резкое повышение давления с высокими динамическими нагрузками на детали и повышенным уровнем шума. Поэтому длительный период задержки воспламенения нежелателен.

Продолжительность первой фазы сгорания составляет 1—3 мс, что соответствует 12—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на продолжительность первой фазы сгорания

Воспламеняемость топлива, которая оценивается цетановым числом. Чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость.
Давление и температура воздушного заряда в начале впрыска топлива. При увеличении давления и температуры период задержки воспламенения сокращается.

Рис. Различные конструкции камер сгорания в поршне: а — полусферическая (дизели ВТЗ); б — четырехтактного дизеля ЯМЗ; в — дизеля ЦНИДИ; г —дизеля фирмы «МАНН»; д — дизеля фирмы «Дойтц»; е — дизеля фирмы «Гессельманн»; ж — дизеля фирмы «Даймлер-Бенц»; бнз — надпоршневой зазор

Вторая фаза горения (02) — самовоспламенение и быстрое горение начинается с момента воспламенения (см. рис. точка 2) и заканчивается в момент достижения максимального давления в цилиндре (точка 3). В первую очередь сгорают однородные слои смеси топлива и воздуха хорошо перемешанные между собой. При этом пламя распространяется очень быстро, соответственно быстро растет давление, в определенных случаях с образованием ударной волны, распространяющейся со скоростью звука. Но в отличие от карбюраторных двигателей в дизелях эти волны не переходят в детонационные, так как структура смеси по всему объему камеры сгорания неравномерна. Это позволяет получать более высокую степень сжатия.

Рис. Способы создания вихревого движения заряда в цилиндре при впуске:
а — тангенциальный впускной канал; б — клапан с экраном; в — тангенциальные продувочные окна двухтактного дизеля; г — винтовой канал; д — экран на седле клапана

После того, как сгорит хорошо подготовленная к воспламенению топливовоздушная смесь, горение продолжается в зонах, где структура смеси более неравномерна. Здесь на индикаторной диаграмме наблюдается некоторый спад роста давления.

Рис. Разделенные камеры сгорания: а — вихревая (на верхней проекции показано направление перетекания заряда из основной полости в вихревую камеру при сжатии, на нижней — из вихревой камеры в основную при расширении); б — предкамера: в — вихревая типа «Пинтакс»; г — предкамера малого перепада давления дизеля MWM

В течение второй фазы выделяется 30—45 % всей теплоты. Температура рабочего тела возрастает до 1600—1800 К. Максимальное давление может достичь 6—9 МПа, а при наддуве превысить 10 МПа. Продолжительность второй фазы 0,8—1,5 мс, что соответствует 10—20° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие и продолжительность второй фазы

Количество топлива, прошедшего предпламенную подготовку за период задержки воспламенения и сгорающее с большой скоростью. Чем больше подача топлива и мельче распыление, тем интенсивнее тепловыделение и рост давления.
Тип камеры сгорания. Влияние конструкции камеры на первую фазу горения приводит к определенному развитию и второй фазы, так как определяет количество топливовоздушной смеси, подготовленной к воспламенению в течение первой фазы.
Нагрузка. С уменьшением нагрузки продолжительность второй фазы горения сокращается, так как уменьшается величина впрыскиваемой порции топлива и время его подачи.
Частота вращения коленчатого вала. При росте частоты вращения коленчатого вала улучшается качество распыления, сокращается продолжительность впрыска, растет давление и температура заряда. Все это приводит к сокращению второй фазы горения.

Третья фаза горения (G3) — характеризуется плавным изменением давления Началом этой фазы считается конец второй фазы (точка 3), а окончанием — момент, соответствующий достижению максимальной средней температуры газов в цилиндре (точка 4). К началу третьей фазы все несгоревшее топливо, поданное в цилиндр во время первых двух фаз, находится в виде капель или сгустков паров, которые отделены от зон со свободным кислородом фронтом пламени или продуктами горения. В результате происходит термическое разложение капель топлива (крекинг) с образованием частиц углерода в виде сажи, которая, покидая цилиндр вместе с отработавшими газами, вызывает сильное дымление на выпуске. Горение продолжается при увеличивающемся объеме камеры, поэтому давление плавно понижается.

За время третьей фазы выделяется 25—30 % теплоты, поэтому температура продолжает повышаться, достигая в конце фазы 1800—2200 К. Продолжительность третьей фазы — 1—2 мс, что соответствует 15—25° поворота коленчатого вала.

Факторы влияющие на развитие третьей фазы

Качество распыления и количество топлива, впрыскиваемого после начала сгорания. Чем меньше подано топлива до начала третьей фазы горения, тем меньше будет выделено теплоты в этой фазе, что характерно для работы дизеля на малых нагрузках.
Скорость движения воздушного заряда. Рост скорости движения заряда увеличивает тепловыделение, но это происходит до определенного момента. При чрезмерном завихрении заряда тепловыделение в третьей фазе снижается, так как в этом случае продукты сгорания из зоны одного факела попадают в зону другого, увеличивая неполноту сгорания.
Частота вращения коленчатого вала С ростом частоты вращения коленчатого вала скорость движения заряда увеличивается, а распыление улучшается. Продолжительность третьей фазы сокращается.

Четвертая фаза горения (04) — догорание начинается в момент достижения максимальной температуры и продолжается в течение всего времени догорания топлива. В течение этой фазы догорает топливо, не успевшее сгореть в третьей фазе, причем происходит это в условиях недостатка кислорода, так как значительное его количество уже израсходовано. Поэтому догорание протекает медленно.

За время четвертой фазы при полной нагрузке дизеля выделяется 15—25 % теплоты. Таким образом, общее количество тепловыделения к концу четвертой фазы оставляет 90—95 %. Остальные 5—10 % теряются вследствие неполноты сгорания топлива. Продолжительность четвертой фазы 3,5—5 мс. что соответствует 50—60° поворота коленчатого вала.

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.

Дизельный двигатель: устройство и особенности работы

С каждым годом всё больше водителей делают выбор в пользу дизельных автомобилей. Они имеют меньший расход топлива, дешевле в эксплуатации и обладают длительным сроком службы. Но у тех, кто впервые встречает данный тип двигателя, может возникнуть ряд вопросов. Итак, как работает дизельный двигатель, какие у него особенности и есть ли недостатки?!

Устройство и работа дизельного двигателя

Дизельный мотор – это поршневой двигатель внутреннего сгорания. Принцип его работы основан на том, что топливо самовоспламеняется за счёт того, что подаётся сжатый воздух. Его конструкция практически не отличается бензинового силового агрегата. Исключением является лишь то, что в дизеле нет системы зажигания: топливная смесь зажигается не от искры, а благодаря высокому давлению. Оно сжимает воздух, за счет чего тот сильно разогревается и поджигает топливную смесь.

На протяжении многих десятилетий дизельные двигатели устанавливают на спецтехнику и грузовики, а также и на легковые автомобили. Если раньше такой мотор имел ряд недостатков, то сегодня существуют специальные присадки и приспособления, которые «подогревают» топливную смесь, благодаря чему машина без проблем заводится даже в -30.

На данный момент существует несколько типов дизельного топлива. Это может быть рапсовое масло, чистая или переработанная нефть, фрикционные вещества и т.д.

Принцип работы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного мотора основан на компрессионном воспламенении топлива. Оно попадает в камеру сгорания, где начинает смешиваться с горячим воздухом. Работа самого двигателя зависит от количества воздуха и других особенностей.

Подача ТВС происходит раздельно: сначала подаётся воздух, который во время сжатия нагревается до 700-900 градусов. После этого подаётся топливо под высоким давлением до 30 (МПа). Всё это смешивается и воспламеняется, благодаря чему запускается мотор.

Во время воспламенения топливно-воздушной массы может возникать повышенный шум и сильные вибрации. Но они не создают особого дискомфорта.

Порядок работы дизельного двигателя

Дизельный ДВС может иметь 2 или 4 рабочих такта:

впуск или всасывание. На данном этапе воздух поступает в цилиндр через открытый впускной клапан;
сжатие. Под действием поршня воздух, который поступает в цилиндр, сжимается в несколько раз, а его температура возрастает до 800-00 градусов;
рабочий ход. Газы, образующиеся во время горения, перемещают плунжер вниз;
выпуск или рабочий такт. Коленвал вращается на 540-720 градусов от исходного положения, цилиндр перемещается вниз, а выхлопные газы опускаются.

Многие современные автомобили и грузовики оснащаются четырёхтактным мотором.

Тип дизельных ДВС

Существует три основных типа дизельного двигателя:

с разделённой камерой сгорания. В нём подача топлива осуществляется в дополнительную камеру. Воздух поступает в вихревую камеру, сжимается, что позволяет улучшить процесс возгорания топлива;
с неразделённой камерой сгорания. Данный двигатель отличается своей экономичностью, но в то же время он обладает высоким уровнем шума, что может вызывать определённый дискомфорт у водителя и пассажиров;
предкамерный мотор. Подобный ДВС оснащается вставной форкамерой. Она соединяется с цилиндром при помощи тонких клапанов. Именно от формы и размера каналов зависит скорость движения газов во время сгорания ТВМ. Данный тип двигателя отличается тем, что он имеет низкий уровень шума и токсичности, что позволяет увеличить срок его службы.

Наибольшей популярностью пользуется последний вариант. Во время езды он не создаёт лишнего шума, благодаря чему вас ничего не отвлекает.

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.