История дизеля начинается почти с изобретения бензинового двигателя. Николаус Август Отто изобрел и запатентовал бензиновый двигатель в 1876 году, который использовал принцип четырёхтактного сгорания, также известный на западе как "цикл Отто ", и это основная предпосылка для большинства автомобильных двигателей сегодня. В своей ранней стадии, однако, бензиновый двигатель был крайне неэффективным в своей работе, поэтому в те времена ещё долгое время широко использовался паровой двигатель для транспортировки всего, что было нужно транспортировать. Главным недостатком в работе обоих двигателей было то, что они эффективно использовали только около 10 процентов топлива из всего поступающего топлива в эти типы двигателей. Остальная часть просто превращалась в бесполезное тепло, а бензин выходил с выхлопом не сгоревшим.
Дизельный двигатель Porsche Cayenne S 2013 модельного года
Уже через 2 года - в 1878 году - Рудольф Дизель во время посещения политехнической средней школы в Германии (эквивалент инженерного университета в России) узнал о низкой эффективности работы бензиновых и паровых двигателей. Эта тревожная информация вдохновила его на создание двигателя, который мог бы работать с более высокой эффективностью, и он посвятил бóльшую часть своего времени на развитие такой технологии, которая бы позволила расходовать природные ресурсы нашей планеты гораздо эффективнее. И вот, наконец, только к 1892 году Дизель получил патент за то, что мы сегодня называем дизельным двигателем.
Рудольф Дизель и изобретённый им дизельный двигатель
Но если дизельные двигатели работают настолько эффективно, почему бы нам не использовать их чаще? Почему бы нам, в конце концов, не использовать только их? Вы можете увидеть слова "дизель", "солярка" и подумать о здоровенных грузовых автомобилях, извергающих из длинной выхлопной трубы чёрный, закопчённый дым при работе двигателями и создавая при этом довольно громкий гремящий шум. Этот негативный образ дизельных грузовиков сделал дизель менее привлекательным для обычных водителей в нашей стране, хотя дизель отлично подходит для перевозки крупных партий на большие расстояния, он практически никогда не был лучшим выбором для легковых автомобилей. Тем не менее, на сегодняшний день ситуация начинает меняться, и дизелем комплектуются даже заряженные версии легковых авто и изредка даже спортивные машины , так как современные технологии значительно улучшили дизельный двигатель, сделав его намного чище (экологичнее) и менее шумным.
А это дизельный двигатель большого теплохода мощностью около 10 000 лошадиных сил
Объясняя, как работает дизельный двигатель, мы будем опираться на то, что Вы уже знаете, как работает бензиновый четырёхтактный двигатель. Поэтому, если Вы ещё не сделали этого, Вам, вероятно, будет лучше прочитать сначала , чтобы получить ряд знаний и азов по основам двигателя внутреннего сгорания.
Дизель против бензина
В теории дизельный и бензиновый двигатели очень похожи. Они оба являются двигателями внутреннего сгорания, предназначенными для преобразования химической энергии топлива в доступную для дальнейшего движения автомобиля механическую энергию. Эта механическая энергия получается за счёт движения поршней вверх и вниз внутри цилиндров. Поршни соединены с коленчатым валом через шатуны, а сам коленвал имеет форму зигзага - получается, что линейное движение поршней создаёт вращательное движение коленвала, необходимое, чтобы повернуть колёса автомобиля и привести его (авто) в движение.
При этом, и дизельный, и бензиновый двигатели превращают топливо в механическую энергию через серию небольших взрывов, которые выталкивают поршни, заставляя их двигаться. Основное различие между дизелем и бензиновым "движком" заключается в том, что провоцирует эти взрывы. В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и возгорается от искры, которая появляется от свечей зажигания. В дизельном двигателе, однако, сначала поршнем сжимается воздух, и только затем топливо впрыскивается. Так как воздух нагревается, когда он сжимается, топливо воспламеняется.
Как работает дизельный двигатель?
Анимация ниже показывает, как работает дизельный двигатель, в действии - также 4 цикла работы. Вы можете сравнить его с анимацией работы бензинового двигателя и увидеть различия.
Дизельный двигатель использует четырёхтактный цикл сгорания:
- Такт впуска - когда открывается впускной клапан, впуская воздух. В это время поршень движется вниз, засасывая воздух.
- Такт сжатия - поршень движется вверх и сжимает воздух, которому некуда деваться, так как впускной клапан закрылся.
- Такт воспламенения - когда поршень достигает вершины (верхней мёртвой точки, ВМТ), топливо впрыскивается в нужное время и воспламеняется, сильно толкая поршень вниз.
- Такт выпуска отработавших газов - поршень снова движется вверх, выталкивая выхлопные газы, созданные при сгорании топливо-воздушной смеси, из выпускного клапана.
Вот все 4 цикла работы дизельного двигателя, но ещё проще:
Следует помнить, что дизельный двигатель, в отличие от бензинового, не имеет свеч зажигания, а также впускает в цилиндры сначала воздух, а затем солярку (в цилиндры бензинового двигателя топливо-воздушная смесь поступает уже готовой). Именно тепло сжатого воздуха зажигает топливо в дизельном двигателе.
Интересный момент: при своей работе топливо-воздушная смесь в дизельном двигателе сжимается гораздо сильнее, чем в бензиновом - если бензиновый двигатель сжимает топливо и воздух в соотношении от 8:1 до 12:1, то дизельный двигатель сжимает воздух в соотношении от 14:1 до более, чем 25:1.
Инжектор (форсунки) в дизеле
Одна большая разница между дизельным двигателем и бензиновым двигателем заключается в процессе впрыска топлива. Большинство автомобильных двигателей используют инжектор для этого (или в редких уже на сегодняшний день случаях карбюратор). Инжектор впрыскивает топливо непосредственно перед тактом впуска (вне цилиндра). Карбюратор смешивает воздух и топливо задолго до того, как воздух поступает в цилиндр. В двигателе автомобиля, таким образом, все топливо загружается в цилиндр во время такта впуска, а затем сжимается поршнем. Сжатие топливо-воздушной смеси ограничивает степень сжатия двигателя - если сжать слишком много воздуха, то смесь топлива и воздуха спонтанно воспламенится и испортит двигатель, так как такт воспламенения начнётся раньше того момента, когда поршень достигнет верхней точки.
Дизельные двигатели используют непосредственный впрыск топлива - дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр уже после того, как туда попадёт воздух. Инжектор или, как правильнее, топливные форсунки в дизельном двигателе является наиболее сложным компонентом и, нужно отметить, предметом большой доли экспериментов - в каждом конкретном двигателе инжектор может быть расположен в самых различных, а иногда и неожиданных местах. Инжектор должен быть способен выдерживать температуру и давление, которое создаётся внутри цилиндра, а ещё он должен смочь доставить топливо в виде мелкодисперсного тумана. Сделать так, чтобы этот туман, попадая в цилиндр, равномерно распределялся по нему, является большой проблемой, вот почему ряд дизельных двигателей используют специальные индукционные клапаны, камеры предварительного сгорания или другие устройства, чтобы создать завихрение воздуха в камере сгорания или иначе улучшить процесс зажигания и горения.
Работа топливной форсунки
Некоторые дизельные двигатели всё же содержат свечу. Когда дизельный двигатель холодный, процесс сжатия может не поднять до достаточно высокой температуры для воспламенения топлива сжатый воздух. Специальная свеча накаливания в дизеле по сути является проводом для электрического подогрева (представьте горячие проводки, которые Вы видели в тостере), который нагревает камеру сгорания и повышает, тем самым, температуру воздуха, когда двигатель холодный, так чтобы двигатель мог завестись.
Все функции в современном дизельном двигателе контролируются компьютером и продуманным набором датчиков, измеряющих практически всё: от оборотов коленчатого вала до системы охлаждения двигателя и температуры масла и даже положение двигателя относительно горизонта. Свечи накаливания используются редко сегодня на более мощных двигателях. Вместо них используются другие технологии, самая распространённая из которых - это более сильное сжатие воздуха (для большего нагрева) и более поздний впрыск топлива.
Тем не менее, в ряде дизельных двигателей не представляется возможным решить проблему запуска в холодную погоду указанным выше способом. Кроме того, есть двигатели, которые не имеют такие продвинутые технологии управления компьютером. Потому использование свечей накаливания для двух случаев выше решает проблему холодного запуска.
Дизельное топливо
Любое нефтяное топливо берёт своё начало из сырой нефти, которая, естественно, добывается из земли. Далее сырая нефть перерабатывается на нефтеперерабатывающих заводах и может быть разделена на несколько разных видов топлива, в том числе бензин, реактивное топливо, керосин и, конечно же, дизельное топливо (солярку).
Если Вы хоть раз пытались сравнить дизельное топливо и бензин, то Вы знаете, что они сильно разные. Даже их запах сильно отличается. Дизельное топливо тяжелее и более жирное. Оно испаряется значительно медленнее, чем бензин, а температура его кипения на самом деле выше, чем температура кипения воды. Вы, вероятно, часто слышали, что дизельное топливо называют "соляркой" - это потому что оно такое жирное (есть такое вещество - соляровое масло, и его раньше часто сравнивали с дизельным топливом).
Дизельное топливо испаряется медленнее, потому что оно тяжелее. Оно содержит больше углеродоатомов в длинных цепочках, чем бензин (бензин, как правило, имеет химическую формулу C9H20 (но может иметь и другую в зависимости от марки, октанового числа и т.п.), в то время как дизельное топливо, как правило, характеризуется формулой C14H30 ). Требуется меньшее время и количество этапов переработки для создания дизельного топлива, и поэтому оно как бы должно быть дешевле, чем бензин. Но в последние годы, однако, спрос на дизель поднялся по нескольким разным причинам, в том числе из-за повышенной индустриализации и строительства в нашей стране, и потому на сегодняшний день дизельное топливо стоит дороже бензина.
Дизельное топливо имеет более высокую так называемую плотность энергии , чем бензин. В среднем, 1 галлон (3,8 л) дизельного топлива содержит около 155x10 6 джоулей энергии, в то время как 1 галлон бензина содержит 132x10 6 джоулей. Это, в сочетании с повышенной эффективностью дизельных двигателей за счёт большей степени сжатия, объясняет, почему дизельные двигатели расходуют намного меньше топлива, нежели эквивалентные им бензиновые двигатели.
Дизельное топливо используется для питания широкого спектра транспортных средств и другой техники. Сюда, прежде всего, нужно включить, конечно же, дизельные грузовики, которые Вы видите крейсерящими по шоссе, но также дизель помогает двигаться лодкам, школьным автобусам, поездам, кранам, сельскохозяйственному оборудованию и тракторам, генераторам электричества и многой-многой другой технике. Подумайте о том, насколько важен дизель в экономике - без высокой эффективности дизельного топлива строительная индустрия и сельскохозяйственные предприятия страдали бы от требуемых инвестиций в топлива с низким энергопотреблением и эффективностью. Около 94 процентов грузов во всём мире - будь то отправленные грузовиками, поездами или кораблями - доставляются в конечные точки именно за счёт дизельного топлива.
Улучшение дизельного двигателя и дизельного топлива
С точки зрения окружающей среды дизель имеет и плюсы, и минусы. Плюс - дизель испускает очень небольшое количество угарного газа, углеводородов и углекислого газа - выбросов, более всего приводящих к глобальному потеплению. Минус - большие количества соединений азота и твёрдых частиц (сажи) высвобождаются во время сжигания дизельного топлива, что приводит к выпадению кислотных дождей, смогу и неудовлетворительному состоянию здоровья.
Во время большого нефтяного кризиса в 1970-х годах, европейские автомобильные компании начали рекламировать дизельные двигатели для коммерческого использования в качестве альтернативы бензину. Однако, те, кто попробовал их, были разочарованы - двигатели были очень громкими, и, когда потребители дизеля осматривали свои машины, то могли обнаружить их покрытыми чёрной копотью - той же сажи, ответственной за смог в больших городах.
За последние 30 до 40 лет, однако, огромные улучшения были сделаны в работе дизельного двигателя и чистоты дизельного топлива. Прямые впрыскивающие устройства в настоящее время контролируются передовыми компьютерами, которые контролируют сгорание топлива, повышение эффективности сокращения выбросов. Гораздо лучше рафинированные виды дизельного топлива, такие как дизтопливо с ультра низким содержанием серы в топливе (ULSD) снижает количество вредных выбросов. А модернизации двигателей, чтобы сделать их совместимыми с чистым топливом, становятся простой задачей. Другие технологии, такие как фильтры твёрдых частиц и каталитические нейтрализаторы, сжигают сажу и сокращают выбросы твёрдых частиц, оксида углерода и углеводородов на целых 90 процентов. Постоянно совершенствуя стандарты для экологически чистого топлива, Европейский Союз также будет толкать автоотрасль работать усерднее над снижением выбросов.
Вы может также слышали такой термин как "биодизель ". Это то же самое, что дизельное топливо? Биодизель является альтернативой или добавкой к дизельному топливу, которая может использоваться в дизельных двигателях практически без модернизации самих двигателей. При этом, как видно из названия, биодизель изготавливается не из нефти, вместо этого он приходит к нам из растительных масел или животных жиров, которые были химически изменены. Интересный факт: сам Рудольф Дизель изначально рассматривал растительное масло в качестве топлива для своего изобретения.
Биодизель может быть использован либо в сочетании с обычным дизельным топливом, либо полностью самостоятельно. Вы можете прочитать больше об альтернативных видах топлива
4-тактный дизельный двигатель внутреннего сгорания. Это «брат — близнец» другого двигателя — бензинового. Конструктивно «дизель» мало чем отличается от бензинового собрата, но вот принцип работы у этих двигателей отличаются, именно поэтому двигатели внутреннего сгорания пошли по 3 разным путям развития.
Дизельные двигатели являются наиболее востребованными силовыми агрегатами, которые используются в самых разных отраслях. Ими оснащаются легковые и грузовые автомобили, стационарные силовые установки, спецтехника, суда и тепловозы. Это своеобразные «рабочие лошадки», которым можно доверить самую тяжелую работу. С момента своего появления в 1897 году дизели практически не изменили принцип работы и общую схему строения, но с каждым годом они совершенствуются с целью уменьшения их веса и габаритов, снижения расхода топлива и повышения их мощности. В основном модернизация заключается в разработке электронных систем, которые контролируют работу основных систем и механизмов мотора с целью определения оптимального режима его работы.
Основная отличительная черта дизельного двигателя от его главного бензинового конкурента – это способ воспламенения топливо в цилиндрах, которое загорается при контакте с сжатым воздухом во время рабочего такта, что исключает детонацию внутри цилиндров и дает возможность повысить степень сжатия, а также использовать различные системы наддува, повышающие мощность.
Эффективность любого, в том числе и дизельного, двигателя зависит от количества вырабатываемой энергии во время сжигания топлива в цилиндрах. В этом отношении дизельный двигатель намного эффективнее своего бензинового собрата, что достигается за счет более высокой степени сжатия, достигающей 20-24 единиц, и более рационального расхода топлива, который напрямую зависит от нагрузок. Если сравнить дизельный и бензиновый мотор одинакового объема, первый будет потреблять в 1,5 раза меньше топлива. КПД дизельного двигателя составляет около 40%, а с применением дополнительной системы наддува – все 50%, что в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового. Дизельные двигатели в своем строении имеют более прочные и надежные элементы, рассчитанные на работу в условиях высокого давления, поэтому они более долговечные. А вот недостатком таких моторов является их большая масса, шум при работе, затруднительный пуск при минусовой температуре. При эксплуатации нужно тщательно следить за исправностью плунжерной пары, от которой напрямую зависит качество работы двигателя.В связи с тем что экономически и по эффективности дизельные двигатели себя оправдывают, а с увеличением размеров выгода их только возрастает, их применяют на океанском и морском флотах, на всех видах надводных кораблей гражданского назначения.
Устройство двигателя
Дизельный двигатель состоит из следующих основных систем и механизмов:
— кривошипно-шатунный механизм;
— газораспределительный механизм;
— система пуска;
— система питания;
— система охлаждения;
— смазочная система.
Принцип работы такого мотора следующий: в цилиндрах сгорает топливо, выделяя энергию, которая приводит в движение поршень, связанный шатуном с коленчатым валом. Под давлением поршня вал прокручивается, передавая крутящий момент дальше по трансмиссии к ведущим колесам. Системы двигателя отвечают за пуск двигателя, подачу топлива, охлаждение и смазку рабочих поверхностей.
Дизельные двигатели могут быть 2-х и 4-тактными. И первые, и вторые успешно используются в тех или иных сферах и имеют свои плюсы и минусы. Преимуществами 4-хтактных двигателей являются:
— экономичность;
— надежность;
— несложное техническое обслуживание;
— сравнительно невысокий уровень шума при работе.
Недостатки 4-хтактных моторов:
— 3 из 4-х тактов цикла совершаются по инерции, а рабочим является только один из них;
— резкие увеличения нагрузки во время рабочего такта требуют наличия более надежных и прочных элементов: шатуна, втулки цилиндра, поршня и т.д.;
— необходимость регулировки тепловых зазоров;
— запускается дольше, чем 2-хтактный.
Процесс работы дизельного ДВС
Как следует из названия, рабочий цикл четырехтактного ДВС состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Четыре такта соответствуют двум оборотам коленчатого вала и четырем ходам поршня. Ход поршня – это его перемещение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) или наоборот. Это одна из важнейших характеристик двигателя, которая определяет степень сжатия топливной смеси, а значит, и мощность мотора.
Первый такт – такт впуска – в дизельном двигателе представляет собой впуск воздуха через открывающийся впускной клапан. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в камере сгорания, что способствует втягиванию воздуха во внутрь цилиндра.
Такт сжатия – это процесс сжатия воздуха при перемещении поршня от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. При этом в камере сгорания уменьшается объем, увеличивается давление и повышается температура. Немного раньше, чем поршень займет свое верхнее положение, через форсунку впрыскивается дизельное топливо. При взаимодействии с горячим воздухом оно воспламеняется.
Такт расширения (рабочий ход) характеризируется резким повышением температуры и давления за счет сгорания топлива. Газы давят на поршень, перемещая его из ВМТ в НМТ, что и является основной движущей силой мотора.
Такт выпуска – удаление отработанных газов из камеры сгорания через выпускной клапан. Поршень поднимается к ВМТ, выталкивая продукты сгорания наружу.
После такта выпуска снова идет такт впуска, и так по кругу.
Работа всех 4ех тактных двигателей одинакова, будь то дизельный двигатель или бензиновый.
Камера сгорания топливной смеси
Разные модели дизельных двигателей отличаются между собой строением. Одной из немаловажных особенностей является конструкция камеры сгорания. Камера сгорания – пространство, где происходит непосредственно сгорание топлива.
Неразделенная камера расположена в самой конструкции поршня или над ним, топливо на такте впуска попадает в нее, где и воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Это наиболее простой вариант, который, к тому же, снижает расход топлива, но сам двигатель при этом работает очень громко.
Другой вариант – разделенная камера, то есть камера, которая расположена не в цилиндре, а на входе к нему и связана с ними каналом. Топливо подается в камеру, где перемешивается с вихревым потоком воздуха, что лучше распределяет его капли по объему камеры сгорания и способствует полному его сгоранию. Такой вариант подходит для небольших установок и легковых автомобилей, но он значительно увеличивает расход топлива.
Исходя из конструкции поршня и камеры сгорания, различают разные способы смесеобразования в дизельных ДВС:
— объемное смесеобразование – самый простой вариант. Камера сгорания представляет собой пространство между поршнем, стенками и головкой цилиндров. Топливо впрыскивается под давлением через распылители форсунок. Здесь важно, чтобы капли топлива равномерно распределились по всему объему и тщательно перемешались с горячим воздухом, поэтому в камере сгорания должен быть организован вихреобразный поток топливного заряда, а само топливо должно подаваться под высоким давлением;
— объемно-пленочное смесеобразование используется в высокооборотных двигателях с небольшим диаметром цилиндров. Это как раз тот случай, когда камера сгорания частично размещена в конструкции поршня. В двигателях отечественного производства такие камеры имеют форму усеченного конуса. При впрыскивании заряда топливо попадает на поверхность камеры сгорания, образуя «пленку», после чего практически сразу испаряется. Вихревые потоки, образующиеся под воздействием перемещения поршня, дают возможность равномерно распределить капли топлива по всему объему;
— предкамерное смесеобразование предусматривает наличие предкамеры, расположенной в крышке цилиндров. Она соединяется с основной камерой сгорания небольшими каналами с диаметрами не более 1% от диаметра поршня. Объем предкамеры составляет до 30% общего объема камер. По форме она может быть овальной, цилиндрической или сферической;
— вихрекамерное смесеобразование происходит за счет вихревых потоков воздуха, что дает возможность максимально смешать топливный заряд с воздухом даже при невысоком давлении его подачи в камеру сгорания. Для такого смесеобразования необходима раздельная камера, состоящая из двух частей: вихревой и основной. На такте сжатия воздух из основной камеры вытесняется в вихревую, которая имеет сферическую или цилиндрическую форму. Поток воздуха создает вихревые движения, двигаясь по кругу, а в это время из форсунки под давлением до 12 МПа подается заряд топлива. Поскольку воздушная волна находится в движении, капли равномерно распределяются по всему ее объему.
Компановка двигателя
4-хтактные дизельные двигатели отличаются не только строением камеры сгорания, но и количеством цилиндров и их взаимным расположением. Понятно, что чем больше цилиндров, тем мощнее двигатель и тем он больше по размерам. Разные варианты компоновки позволяют уменьшить его габариты. В зависимости от расположения цилиндров двигатели могут быть:
1. Рядный
.
Все цилиндры располагаются в ряд. Такая конструкция двигателей самая простая, детали к ним имеют несложную технологию производства.
2. V- образный двигатель
.
Цилиндры в таком двигателе расставлены в форме буквы V, в двух плоскостях, двумя рядами под углом 60 0 или 90 0 . Образовавшийся между ними угол – это угол развала. Плюсом такого двигателя является мощность. Его габариты могут быть уменьшены за счет смещения в развал других важных компонентов. Его длина меньше, а ширина больше. Но из-за сложности таких конструкций бывает непросто определить центр их тяжести.
3. Оппозитные двигатели (маркировка В)
.
Они относительно уравновешены, для уменьшения вибрации все элементы располагают симметрично. Их конструктивная особенность – центральное крепление вала на жестком блоке. Это так же влияет на степень вибрации. Угол развала составляет 180 0 .
4. Рядно-смещенные агрегаты
(маркировки VR)
.
Данную компоновку отличает малый угол развала (15 0) V-образного двигателя в содружестве с рядным аналогом. Это позволяет уменьшить размеры продольного и поперечного агрегатов. Маркировка VR расшифровывается как V – образный, R - рядный.
5. W (или дубль V) — образный
.
Самый сложный двигатель. Известен двумя видами компоновки.
1) Три ряда, угол развала большой.
2) Две компоновки VR. Они компактны, несмотря на большое количество цилиндров.
6. Радиальный (звездообразный) поршневой двигатель
.
Имеет небольшой размер длины с плотным размещение нескольких штук цилиндров. Они располагаются вокруг коленчатого вала радиальными лучами с равными углами. Ее отличает от других наличие кривошипно-шатунного механизма. В данной конструкции один цилиндр выступает главным, остальные – прицепные – крепятся к первому по периферии. Недостаток: в состоянии покоя нижние цилиндры могут пострадать от протекания масла. Рекомендуют до начала запуска двигателя проверить, что в нижних цилиндрах масло отсутствует. В противном случае возможны гидроудар и поломка. Чтобы увеличить размер и мощность двигателя, достаточно удлинить коленчатый вал образованием нескольких рядов – звезд.
Электронный тюнинг двигателя
Современные дизельные двигатели все чаще оснащаются электроникой. Датчики, которые следят за нагрузкой, контролируют количество подаваемого топлива и состав топливного заряда, подают сигналы на центральный блок управления, который подбирает наиболее эффективный и экономичный режим работы. При аккуратном влиянии на эту систему с помощью дополнительного оборудования можно повышать мощность мотора в определенных пределах – это называется чип-тюнинг. Сразу нужно отметить, что чип-тюнинг не всесилен, он может улучшить работу двигателя в пределах заложенного запаса прочности и частенько приводит к преждевременному износу систем.
Для повышения мощности дизельного двигателя могут использоваться специальные модули или блоки:
— блок, изменяющий импульсы управления форсунками;
— блок замещения режимов топливного насоса высокого давления (ТНВД);
— блок, изменяющий показания датчика давления топливного аккумулятора;
— модуль оптимизации режимов.
Первый вариант – наиболее известный среди любителей автотюнинга. Принцип работы такого блока заключается в том, что он блокирует кратковременные импульсы предварительного и последующего открытия иглы форсунки, что снижает расход топлива. Блок можно установить практически на любой модели, но его работа снижает ресурс мотора и сказывается на качестве сгорания топливного заряда.
Второй вариант можно использовать только на определенных моделях двигателей. Принцип действия этого блока заключается в том, что он подает сигнал с заниженными показателями давления в системе, что приводить к его повышению. В этом случае «страдает» ТНВД и форсунки, но мощность двигателя действительно увеличивается, а расход топлива уменьшается.
Третий вариант предусматривает подключение блока, который подает на ЭБУ сигнал о допустимо пониженном значении давления в топливном аккумуляторе. В результате давление автоматически повышается и по-новому определяется время и интенсивность впрыска топлива. При этом повышается мощность и экономится топливо, но снижается ресурс ТНВД и сажевого фильтра, на стенках цилиндра образуется нагар, двигатель начинает «дымиться».
Наиболее безопасным и эффективным является четвертый вариант. Модуль, подключаемый к системе питания, не подменяет нужными цифрами истинные значения рабочих параметров, а посылает сигнал на ЭБУ о необходимости изменения длительности впрыскивания топлива. В отличие от предыдущих блоков, данный модуль не приносит никакого вреда ни двигателю, ни ТНВД, так что ресурс систем и механизмов не уменьшится. Недостатком данного способа повышения мощности является его высокая стоимость, ограниченность в применении и сложность конструкции. Он не дает моментального эффекта – его действие можно почувствовать только через некоторое время.
Есть и другие способы, в том числе и использование оборудования, которое меняет истинное значение стехиометрических величин, но их применение может привести к серьезным проблемам с двигателем.
Одной из серьезных проблем, возникающих у дизельных двигателей — это так называемый «разнос двигателя». Это нештатный режим работы дизельного двигателя, при котором происходит неуправляемое повышение частоты вращения вала двигателя. Такой режим обычно наблюдается после запуска или при резком сбросе нагрузки. Основных причин разноса две: неисправность топливного насоса высокого давления и попадание большого количества моторного масла в камеру сгорания.
За последние десять лет дизельные технологии стремительно развивались. Большая часть современных автомобилей, которые производятся в Европе, выпускаются именно с дизельными двигателями. Конечно, принцип работы данного устройства не изменился. Однако работает современный дизельный мотор намного тише. Он стал экологически чище. В далеком прошлом остались сильное тарахтение, густой черный дым и неприятный запах при работе прибора. Итак, каков принцип работы дизельного двигателя?
Как работает дизельный двигатель?
Заключается принцип действия дизельного двигателя в следующим: в цилиндр
всасывается чистый воздух при движении поршня вниз. А при перемещении клапана вверх он нагревается. Стоит отметить, что температура при работе дизельного двигателя может быть от 700 до 900°. Это достигается при сильном сжатии. Когда поршень перемещается в мертвую верхнюю точку, происходит впрыскивание дизельного топлива в камеру сгорания под достаточно высоким давлением. При соприкосновении с горячим воздухом происходит воспламенение горючего. В результате этого давление в цилиндре возрастает, так как самовоспламенившееся топливо расширяется. Именно это и вызывает сильный шум при работе агрегата.
Преимущества и недостатки
Такой принцип работы дизельного двигателя позволяет использовать бедную смесь. Топливо для таких устройств относительно недорогое. Это делает дизельные моторы неприхотливыми и экономичными. Стоит отметить, что в отличие от бензиновых такие агрегаты обладают большим крутящим моментом, а КПД выше на 10%. К минусам
дизельного двигателя стоит отнести повышенный уровень шума, вибрацию, малую мощность на одну единицу объема, сложность холодного пуска. Более современные модели практически лишены таких недостатков.
Устройство и особенности некоторых узлов
Учитывая принцип работы дизельного двигателя, детали к таким агрегатам значительно усиливаются, так как они должны выдерживать высокие нагрузки. Среди основных частей агрегата стоит выделить поршень. Форма его днища зависит от типа камеры сгорания, которая может быть встроена в дно клапана. В поршне для дизельного двигателя днище обычно выступает за верхнюю часть блока цилиндра. Привычной системы зажигания в агрегатах такого типа нет. Хотя в них тоже применяются свечи.
Турбина
Мощность, которую способен развить мотор, зависит от количества топлива и воздуха, которые в него поступают. Чтобы повысить возможности агрегата, необходимо увеличить содержание перечисленных компонентов. Для поступления в камеру сгорания большего количества топлива, следует поднять уровень воздуха, который
попадает в цилиндр. Для этого применяется дополнительное оборудование. Принцип работы турбины дизельного двигателя достаточно прост. Деталь позволяет нагнетать больше воздуха. Благодаря этому увеличиваются объемы сжигаемого топлива, что значительно повышает количество выделяемой энергии.
Камеры сгорания
В дизельных двигателях могут использоваться камеры сгорания нескольких типов: разделенные и неразделенные. Первый тип применялся в легковом машиностроении, но с недавних пор его заменили на более простой. Ведь при использовании разделенных отсеков топливо впрыскивалось в ту камеру сгорания, которая располагалась в головке цилиндра, а не в полость поршня. Выполнялись подобные детали также по-разному и зависело это от процессов образования смеси: вихрекамерные либо предкамерные.
В последнем случае топливо впрыскивается в предварительный отсек, который
сообщается маленькими клапанами или же отверстиями с цилиндром. При этом горючее смешивается с воздухом, ударяясь о стенки. Самовоспламенившись топливо попадает в основную камеру, где уже полностью сгорает. Что касается вихрекамернного процесса сгорания, то он, как и в первом случае, начинается в отдельном отсеке, который представляет собой полую сферу. Через соединительные каналы воздух попадает во время такта сжатия в камеру. Закручивается в ней и образует вихрь. В результате этого горючая смесь, впрыснутая в отсек, хорошо перемешивается с воздухом. Такое строение камер сгорания имеет несколько недостатков. Во-первых, затрачивается больше топлива, так как происходят большие потери из-за объема отсеков. Во-вторых, значительные потери при перетекании в дополнительную камеру из цилиндра воздуха, а также на обратный процесс: перемещение горючего в цилиндр. Стоит отметить, что подобный принцип работы дизельного двигателя применяется редко, так как происходит ухудшение пусковых характеристик агрегата.
Неразделенные камеры сгорания
В двигателе с непосредственным впрыском отсек сгорания имеет определенную форму и является полостью. Встраивается такая камера сгорания непосредственно в днище
поршня. При этом топливо впрыскивается сразу в цилиндр. Несмотря на простоту конструкции, имеются у такой системы и недостатки. Дизельные моторы такого плана практически невозможно использовать, если автомобиль обладает малым литражом. При наборе скорости в таком транспортном средстве наблюдается повышение уровня шума, а также увеличивается вибрация.
Новые разработки
Сегодня чаще используются электронные системы, которые контролируют количество поступившего в камеру сгорания топлива. Это позволило уменьшить уровень шума, а также вибрацию агрегата во время работы. Сегодня же разрабатываются совершенно новые дизельные двигатели, в конструкциях которых применяется непосредственный впрыск горючей смеси.
Дизельные двигатели для автомобилей бывают разные, и дело не только в объёме и количестве цилиндров, поэтому попробуем кратко обозреть современный рынок и выяснить, какие из моторов самые надёжные.
Кому рейтинги отдали лидерство?
Ассоциации со словом «дизель» у жителя России всегда однозначны: запах солярки от пассажирского автобуса, чёрная гарь от проезжающего мимо грузовика, винтажные джинсы и часы одноименного бренда. Тем не менее у большинства жителей Европы слово, происходящее от фамилии немецкого изобретателя - это синоним надежного, недорогого и мощного «сердца» автомобиля. В нашей же стране его популярность не такая высокая, видимо, из-за погодных условий и знаний, что солярка густеет на холоде.
Рейтинги надежности, а особенно для автомобилей - дело неблагодарное. Сколько мнений, столько и списков, в которых составитель просто выражает свой взгляд на тот или иной предмет. Именно поэтому хотим обратить внимание, что приводимый ниже рейтинг не претендует стать неоспоримой истиной, а всего лишь попытка систематизировать данные, знания и (частично) личная точка зрения составителя.
В поисках ответа на вопрос, какой двигатель на дизельном топливе занимает ведущее место в комплектации легковых автомобилей, можно заметить, что некоторые рейтинги называют самой лучшей продукцию концернов Mercedes и BMW. Однако ситуация в мире автопромышленности сегодня несколько иная, попробуем разобраться.
Как показывают рейтинги крупных мировых автомобильных салонов, времена, когда дизельные двигатели легковушек представляли собой уменьшенные копии агрегатов, установленных на тяжеловесных грузовиках, ушли в прошлое. Особенно преуспел в выпуске таких моторов известный всем концерн Volkswagen, разработавший двигатель 1,9 TDI. На сегодняшний день он занимает первое место и считается самым сбалансированным по динамике и мощности.
Благодаря новейшим инженерным решениям, в частности, обновлённой турбине и увеличению давления в камерах сгорания, удалось не только добиться уникальных экологических характеристик, но и снизить . Причём мощность осталась на прежнем уровне (90–120 л. с.). Самые новые автомобили серии Passat оборудованы сейчас двигателем с максимальными показателями (комплектация BlueMotion). Расход топлива составляет 3,3 л на 100 км.
Дизельные призёры авторынка
Второе место занимает модификация мотора с трёмя турбинами, принадлежащая немецкой компании BMW. В первый раз этот агрегат был представлен несколько назад. Он обладает 6 цилиндрами и, имея объём 3,0 л, способен развивать мощность в 381 л. с. Комплектуются этими движками новейшие автомобили 5 и 7 серий, а также тяжеловесные кроссоверы с индексами Х5 и Х6. Модификацией его снабжены кабриолеты, имеющие серийный номер 6. Правда она имеет две турбины, за счёт чего мощность уменьшена до 313 л. с.
Не так давно на суд потенциальных покупателей были представлены автомашины, чьи двигатели имеют четыре турбины, и при крутящем моменте в 800 Нм, мощность будет в рамках 390–406 л. с.
Автомашина с четырёхтурбинным двигателем
Третье место нашего рейтинга заняла американская фирма промышленных дизельных движков Cummins, выпустившая суперфорсированный двигатель по заказу известной компании Dodge. Справедливости ради нужно отметить, что заокеанские производители не слишком жаловали вниманием дизельные моторы, предпочитая разрабатывать бензиновые. Однако увеличивающийся в последнее время спрос на автомобили с агрегатами, потребляющими солярку, заставил их обратить внимание на производство дизелей.
Модель показала себя достаточно мощной (240–275 л. с.), но в попытке занять «дизельную» нишу на рынке американцы слукавили и выдали за свою разработку итальянского концерна Fiat. Моделью такого двигателя оборудовался Maserati Ghibli, но из-за кризиса производство было отдано штатовским промышленникам.
Движок этот был признан не только самым экологичным, но и самым инновационным: при его производстве были применены металлы, использующиеся в космической промышленности и фильтры плазменной очистки топлива. То, что двигатель занял только третье место, «заслуга» узкой направленности. Его устанавливают только на спортивные болиды и пикапы Dodge Ram. По экономичности он может дать фору своим конкурентам: расход составляет всего 8,5 л на 100 километров.
Кто не сильно отстал от тройки призеров?
Ворвавшиеся 20 лет назад на мировой автомобильный рынок корейцы не только сумели занять на нем достойное место, но и «подвинуть» в рейтинге японских гигантов. Пройдя длинный путь «от электрочайников до карьерных самосвалов», они также не хотят упускать своей выгоды, которую сулит повышенный спрос на авто, оборудованные дизельными двигателями.
Как всегда, азиатские производители поступили весьма хитро: не желая капитально перестраивать производство и соревноваться с европейцами и американцами в мощности агрегатов, им удалось создать мотор объемом 1,7 л, который может выдавать 110–136 л. с. Не спешите презрительно морщить нос! При таких довольно скромных (по сравнению с продукцией других производителей) данных, дизель компании Hyundai обладает таким невероятным крутящим моментом, что не уступает в динамике бензиновым агрегатам, имеющим мощность 150–170 л. с.
Надо сказать, что таким агрегатом оборудован автомобиль Hyundai i40, поставляемый на европейский рынок. В Корее также дизельные двигатели как-то не нашли широкого применения (или туда еще не дошла волна «моды»), а потому их пока что ставят только на экспортные машины. В последнее время этот же агрегат появлялся на кроссовере с индексом ix35, а сейчас им оснащают такие популярные автомобили, как Grandeur и Sonata. Расход топлива, правда, побольше, чем у конкурентов, но корейцы и не стремятся кого-то удивлять. Их задача – поставлять надежных «рабочих лошадок», способных на среднее потребление топлива, в этом случае – 5,5 л на 100 км.
«Выжав» достаточное количество мощности из автомобилей и завоевав на рынке свою ячейку, японскому концерну Toyota теперь нет смысла кому-то что-то доказывать. Концепция, на которую производители бросили все силы, это экология и экономия при сохранении достаточной мощности. И это им удалось. Создавая двигатель для своего компактного автомобильчика с именем Urban Cruiser, они думали о том, чтобы жителям мегаполисов было не только удобно передвигаться по городу, но и в их головах не включался бы «калькулятор», подсчитывающий расходы на топливо.
Один из самых маленьких на сегодняшний день дизельных агрегатов – это 1,4 л мотор с мощностью всего 90 л. с. Это пятое место нашего рейтинга. Такие параметры, однако, не мешают создавать крутящий момент, позволяющий легко «тянуть» полноприводный автомобиль. Расход же дизельного топлива, в зависимости от режима поездки, составляет от 4 до 6 л на 100 км.
Так какой из них самый надежный?
Такой вопрос немного наивен, так как этот параметр зависит от многих факторов, в том числе и от манеры вождения. Но если выбирать лучший из вышеприведенного перечня, то первенство по надежности будет отдано американцам Cummins с двигателем Dodge.
И дело не в мощности или расходе топлива на 100 км. Скорее всего, роль играют материалы, применяемые в производстве. Блок цилиндра сделан из высокоуглеродистого чугуна, способного выдержать не только высокое давление, но и значительный температурный режим. А его поршни делаются из специального алюминиевого сплава, который применяется в деталях космических аппаратов. Это значит, что они способны выдержать и длительную работу при экстремальных режимах, и резкое повышение нагрузки при смене скоростного режима.
Также двигатель оборудован топливной системой впрыска Common Rail, которая, несмотря на довольно капризное отношение к качеству дизельного топлива, не только значительно экономит его расход, но и играет решающую роль в уменьшении шума мотора. Именно этими двигателями оборудуются как спортивные машины, так и авто повышенной проходимости. То есть, именно те экземпляры автопрома, эксплуатация которых происходит в экстремальных условиях, требуя от мотора не только непревзойденной мощности, но и безупречной надежности.
Если говорить о рейтинге автомобилей, которые подходят для российских дорог, лучше всего обратить внимание на образцы японского производства. Необязательно это будет Toyota (к двигателю которой, кстати, ни у одного российского автолюбителя претензий нет).
Для наших необъятных просторов вполне сгодятся Mazda, Honda, Nissan или вновь возрожденный Datsun. Весьма неплохо показала себя в эксплуатации Subaru.
Дело в том, что европейские машины, оборудованные дизельным двигателем, очень чувствительны к нашей солярке, качество очистки которой оставляет желать лучшего. Как показывают многочисленные отзывы автовладельцев, японские авто менее подвержены неисправностям при пользовании дизельным топливом, благодаря многочисленным устройствам очистки, электронным приспособлениям и встроенным предпусковым подогревателям, не дающим застывать солярке при низком температурном режиме.
Как известно, дизельные моторы дороже в обслуживании и тем более в ремонте, из-за того, что их узлы и детали (ТНВД или топливный насос высокого давления, насос форсунка, турбокомпрессор, форсунка) изготовлены с максимально высокой точностью. При этом они, как правило, экономичнее бензиновых и обладают более высоким КПД (коэффициентом полезного действия) — на 10-14 процентов. Кроме того современные дизеля имеют большую мощность и отличную приёмистость. А для еще большего увеличения мощностных и тяговых характеристик дизельные моторы оснащают турбонаддувом и интеркулером .
Принцип работы дизельного двигателя и его отличие от бензинового собрата.
Принципы работы дизельных и бензиновых движков, как уже отмечалось выше, абсолютно различны.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания (карбюраторных, инжекторных) приготовление смеси, как правило, происходит во впускном тракте: в цилиндр подается уже готовая смесь, которая там загорается при помощи свечи зажигания в момент сжатия.
В дизельных моторах все не так, и смесеобразование происходит прямо в цилиндре. Воспламенителем при этом является воздух, который при сжатии нагревается и воспламеняет дизельное топливо. Само это топливо подается в камеру сгорания форсункой и топливным насосом высокого давления (насосом-форсунки) под высоким давлением.
Теперь познакомимся с этим процессом подробнее, по тактам. Кстати, количество последних у дизельных и бензиновых двигателей равно (четырем). Рассмотрим каждый из тактов.
Первым тактом у дизельного мотора является такт впуска.
В период прохождения первого такта поршень двигается с верхней мертвой точки (вмт) в нижнюю (нмт). На данном этапе впускной клапан открыт, в то время как выпускной, естественно, закрыт. Когда поршень двигается в нмт, создается разряжение и цилиндр мотора заполняется воздухом, который перед тем, как попасть цилиндр, очищается от механических примесей в воздушном фильтре.
Вторым тактом будет такт сжатия.
В этот момент времени клапаны (впускной и впускной) закрыты и поршень движется из нмт в вмт. И так как клапаны закрыты, воздуху деваться некуда, поэтому он сжимается, создавая высокое давление, и нагревается — до 800 градусов Цельсия.
Третий такт — такт расширения (рабочий ход).
Во время движения поршня в вмт дизельное топливо по средством форсунки подается в цилиндр под высоким давлением (от 150 до 300 Bar) и там распыляется. В процессе распыления топлива происходит его смешение с горячим воздухом и, следовательно, его последующее воспламенение. При горении смеси температура в цилиндре стремительно повышается — до 1750 -1800 градусов Цельсия. Одновременно с этим растет и давление, которое достигает 10-12 Мпа. Образуются газы, которые толкают поршень сверху вниз. Перемещаясь вниз, поршень выполняет предписанную ему работу. В нмт давление снижается вместе с температурой.
Четвертый такт — завершающий, он же — такт выпуска.
Поршень движется вверх. Выпускной клапан открывается и газы стремятся покинуть камеру сгорания через каналы в ГБЦ (головке блока цилиндров) в выпускной коллектор. Далее газы попадают в глушитель, где проходят очистку (в современных дизелях установлены сажевые фильтры) и в окружающую среду. В это время в цилиндре температура уменьшается, до 450-540 градусов, и давление падает — до 10-20 Bar.
Видео.
