Дизельный двигатель является самым экономичным из всех двигателей внутреннего сгорания, а всё благодаря относительно высокому КПД. Если у бензинового двигателя КПД находится на уровне 20-30 % и не выше, то у дизеля это значение достигает 30-40% и даже выше, до 50% у турбированных моделей с предварительным охлаждением воздуха. Благодаря более высокому КПД достигается более низкий расход топлива, чем у бензинового двигателя, отсюда и более низкий расход топлива у дизельного двигателя.
На современные автомобили устанавливают четырёхтактные дизели, хотя существуют и двухтактные. От бензиновых конструктивно дизели почти не отличаются- тот же блок цилиндров, те же поршни, коленвал и головка блока, только детали рассчитаны на бОльшие нагрузки, поэтому выглядят несколько массивнее.
Конструкция
Как и бензиновый двигатель, дизельный также является двигателем внутреннего сгорания и состоит из аналогичных деталей за исключением системы подачи топлива и системы зажигания- здесь это всё выполняется системой впрыска топлива.
Блок цилиндров изготавливается из чугуна, хотя в последнее время всё чаще стали появляться конструкции из алюминиевого сплава, но они пока непопулярны. Степень сжатия дизельного двигателя примерно 16-19. Поршень подходит к головке блока очень близко, практически вплотную, а камера сгорания расположена в самом поршне- в нём сделаны углубления. Но топливо может впрыскиваться не в саму камеру сгорания, на некоторых моделях установлены предкамеры или вихрекамеры — так называемые разделённые камеры сгорания- в них происходит воспламенение топливной смеси, а уже оттуда уже горящая смесь поступала в надпоршневое пространство. Это позволяло снизить шум работающего дизеля и сделать его работу более плавной.
Для более лёгкого пуска в дизельных двигателях предусмотрены свечи накаливания. Они вставляются внутрь камеры сгорания и подогревают воздух перед пуском двигателя. Когда заводишь двигатель, ключ зажигания сначала надо перевести в положение, включающее свечи накаливания- на приборке загорится соответствующая лампочка со спиралью, когда лампочка погаснет- можно крутить стартер. Если заводить двигатель без свечей накала, то ему будет сложно нагнать необходимую температуру, при которой будет воспламеняться топливо. Свечами накала управляет соответствующий блок управления. Свечи накала работают до тех пор, пока двигатель не наберёт необходимую температуру, а не выключаются сразу после пуска, хотя а некоторых моделях могут и сразу выключаться,- всё зависит от конструкции.
Принцип работы
Дизельный двигатель является классическим 4-х тактным двигателем внутреннего сгорания. Цикл работы состоит из следующих тактов:
- впуск
- сжатие
- рабочий ход
- выпуск
На впускном такте открываются впускные клапана и в цилиндр поступает воздух; поршень при этом движется вниз, что обеспечивает разрежение в цилиндре и воздух при этом свободно всасывается из-за разницы давления. Если при этом воздух нагнетается турбокомпрессором, то эта разница становится ещё больше, а значит больше воздуха может поступить в цилиндр. В конце такта впуска впускные клапана закрываются и воздух перестаёт поступать в цилиндры- образуется герметичная камера.
На такте сжатия поршень двигается вверх, объём камеры сгорания уменьшается, соответственно воздух сжимается, тем самым нагревается свыше температуры воспламенения дизельного топлива. В конце такта сжатия, когда температура воздуха в цилиндре максимальная, в него впрыскивается топливо. Впрыск топлива производится не моментально, а происходит некоторое время- поршень за это время успевает пройти ВМТ, и на рабочем ходе происходит окончание впрыска топлива.
Механические системы впрыска делают один впрыск, но современные топливные системы с электронным управлением и давлением в две тысячи бар могут производить семь впрысков за такт- предварительные, основные и пару впрысков ещё вдогонку, что позволяет сделать двигатель более тихим и эластичным.
На рабочем ходу поршень под действием силы расширяемых газов двигается вниз, передавая крутящий момент коленвалу. Это единственный полезный такт в цикле- на всех остальных тактов энергия только расходуется.
На такте выпуска выпускные клапана открываются и через них выходят отработавшие газы. Давление в камере сгорания в это время очень высокое, так что выходят выхлопные газы без проблем благодаря разнице давления в камере сгорания и в выхлопной системе.
Далее всё повторяется по новой.
Типы камер сгорания
Топливо в дизельном двигателе впрыскивается как непосредственно в камеру сгорания- на цилиндр, так и в промежуточную предкамеру- вихрекамеру или форкамеру. От этого и зависит тип камеры сгорания и геометрия днища поршня. При непосредственном впрыске топлива выемка в днище поршня большая- отсюда топливо, сгорая, равномерно распределяется по всей камере сгорания. Если конструкцией предусмотрена предкамера, то основное горение топлива происходит именно там, а догорает оно уже в камере сгорания, вырываясь из предкамеры через связывающий их перепускной канал, соединяющий предкамеру с камерой сгорания. По причине того, что в цилиндре топливо догорает и ему не нужно никуда распределятся, углубления в поршнях делают минимальными.
Отличия форкамеры от вихрекамеры в том, что в вихрекамере топливо закручивается, чтобы лучше перемешаться с воздухом, в то время как в форкамере топливо не закручивается. Свечи накаливания располагаются в предкамере, и форсунки впрыскивают на них топливо.
Недостатком предкамер являются механические потери при перемещении газов, от этого снижается КПД двигателя, а также из-за этого двигатель сложнее заводится. Применялись предкамеры для того, чтобы снизить шум и вибрацию двигателя, но с появлением современных топливных систем- насос-форсунок либо Common Rail- необходимость использовать предкамеры отпала, все современные двигатели работают при непосредственном впрыске, и достаточно тихо.
Системы впрыска
Механический впрыск
Самая простая система впрыска дизельного топлива- это механическая с обычным механическим ТНВД (рядным либо распределенного впрыска) и механическими форсунками, которые открываются под давлением, создаваемым топливным насосом. Система надёжная, эффективная, но довольно устаревшая- невозможно точно дозировать топливо и момент впрыска, так как производится всего один впрыск. Эти системы пытались модернизировать, устанавливая электронику на насос, но толку от этого было мало, разница между механической топливной системой и Common Rail, как между карбюратором и инжектором, поэтому в настоящее время применяется только на каких-нибудь дешёвых китайских грузовиках.
Насос-форсунки
Более прогрессивная система, форсунка сама нагнетает топлива, сама и впрыскивает. Располагается под крышкой головки цилиндров и приводится в действие распредвалом- кулачок давит на плунжер, нагнетая давление топлива, а открывается форсунка с помощью электронной системы, что даёт возможность качественно дозировать количество топлива, поступаемого в цилиндр и момент впрыска, что даёт стабильную работу двигателя.
Common Rail
Эта система чем-то похожа на бензиновый инжектор- топливный насос высокого давления нагнетает дизельное топливо в аккумулирующую рейку, а оттуда топливо поступает к форсункам. Давление в рейке поддерживается постоянное и может достигать 2000 бар, а на последних моделях двигателей даже больше.
Форсунки управляются электроникой, и могут осуществлять несколько впрысков за раз- от 4-х на старых образцах, до 7-ми на последних двигателях. Топливо впрыскивается до достижения ВМТ- подготовительные впрыски, чтобы разогреть камеру, в районе ВМТ- основной впрыск и во время движения поршня вниз- небольшой пшик вдогонку.
Это обеспечивает мягкую бесшумную работу двигателя, почти как на бензиновых, отличную мощность и крутящий момент. Современные дизели не уступают своим бензиновым аналогам в мощности, но всё так же экономичны.