Несмотря на свою надежность и большой ресурс двигателя, дизельные силовые агрегаты со временем выходят из строя. Мастера ГК «Фаворит Моторс» не рекомендуют проводить ремонт самостоятельно, ведь современные дизеля – это высокотехнологичные установки. А для его ремонта требуются специальные знания и оборудование.
Принцип работы и устройство дизельного двигателя
Конструктивные особенности и тактико-технические характеристики предопределили увлечение или неприятие автолюбителей по отношению к «тяжелотопливным» агрегатам. Так как же работает дизельный двигатель, каково его устройство, принцип работы и преимущества?
Прошли те времена, когда автомобиль с дизельными двигателями ассоциировался с дымящими и медленными автомобилями. Каждый автолюбитель знает, что автомобиль с «тяжеловозным» агрегатом издает характерные дребезжащие звуки, его выхлоп пахнет странно. Современные двигатели награждают своих владельцев умеренным расходом топлива, впечатляющей эластичностью (крутящий момент доступен в относительно широком диапазоне оборотов), а иногда и потрясающей динамикой, которой завидуют некоторые бензиновые автомобили. Но при этом требуют качества дизельного топлива, а ремонт узлов топливной системы может обойтись очень дорого.
Особенности конструкции
Дизельные двигатели, конечно, не имеют таких колоссальных отличий, как роторно-поршневой двигатель Ванкеля, устройство которого абсолютно отличается от «анатомии» традиционного двигателя внутреннего сгорания, но имеет ряд особенностей, проводящих между ним черту и бензиновые двигатели.
Дизельный двигатель также имеет кривошипно-шатунный механизм, но степень сжатия у него значительно выше – 19-24 ед против 9-11 ед соответственно. Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как образуется, воспламеняется и сгорает топливовоздушная смесь.
Дизель не имеет свечей зажигания и, следовательно, топливовоздушная смесь воспламеняется от сжатия. При этом воздух и дизельное топливо подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизельный двигатель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения производительности агрегата. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией используются для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов. Дизельный агрегат имеет более высокий КПД, но тяжелее и выдает больший крутящий момент на малых оборотах, чем бензиновый ДВС.
В дизелях с неразделенной камерой сгорания процесс самовоспламенения происходит непосредственно в надпоршневом пространстве. Агрегаты этого типа несколько шумнее.
Как происходит запуск дизельного двигателя?
Принцип работы дизеля следующий: в цилиндры поступает чистый воздух, который из-за высокой степени сжатия нагревается до 700 °С и более. Впоследствии, когда поршень приближается к вершине своей траектории, в камеру сгорания подается топливо под давлением, которое воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Момент воспламенения сопровождается резким повышением давления в цилиндре. Такой принцип работы позволяет двигателю работать на самых бедных смесях, что гарантирует экономичность его работы.
Для холодного пуска дизеля используется система предпускового подогрева, основным элементом которой являются свечи накаливания – нагревательные элементы, расположенные в камерах сгорания. Они позволяют поднять температуру воздуха до необходимого значения за несколько секунд. Когда система включена, загорается внутреннее освещение. Его обесточивание свидетельствует о том, что двигатель готов к пуску. Подача питания на свечи автоматически прерывается, через 15 секунд — 25 секунд после пуска. Это условие позволяет обеспечить стабильную работу агрегата без нагрева. Современные системы такого типа позволяют легко запускать дизельный двигатель при температуре до -30 °С.
Конструктивные особенности
Схема дизельного двигателя в целом повторяет механизм бензинового силового агрегата, с той разницей, что аналогичные детали значительно усовершенствованы с учетом более высоких нагрузок. Так как зажигание компрессионное, из схемы исключаются компоненты системы зажигания, а свечи заменяются тлеющими элементами, не дающими искры и предназначенными для предварительного подогрева воздуха в камерах сгорания.
Характерной особенностью конструкции дизеля, связанной с самим принципом его работы, является геометрия днища поршня. Его форма определяется специфическими характеристиками камеры сгорания. В верхней точке хода поршня его нижняя часть находится выше крайней точки блока цилиндров. В некоторых случаях сама камера сгорания расположена в нижней части поршня. Технические и экологические характеристики той или иной модели дизеля зависят от его типа и реализованного способа подачи смеси.
Типы камер сгорания
В зависимости от их геометрии различают следующие типы камер сгорания.
Разделенный. При этом первичный впрыск топлива осуществляется в отдельную полость, расположенную в головке блока. Данная технология позволяет снизить нагрузку на поршневую группу, а также значительно снизить шум двигателя.
При этом процесс формирования смеси может быть:
- Предкамера (форкамера). Топливо под давлением поступает в предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими каналами, где ударяется о его стенки и таким образом смешивается с воздухом. После воспламенения смесь переносится в основную камеру, где полностью сгорает. Перепад давления между цилиндром и форкамерой, необходимый для максимально быстрого выхода газов по каналам, возникает в момент хода поршня на сжатие и расширение.
- Вихревая камера. В этом случае первичное воспламенение смеси также осуществляется в отдельной камере, имеющей сферическую геометрию. В момент хода поршня на сжатие часть воздуха поступает через соединительный канал и интенсивно вращается, образуя вихревой поток, благодаря чему хорошо смешивается с подаваемым в определенный момент топливом.
Характерными недостатками агрегатов с разнесенными камерами сгорания являются затрудненный пуск и повышенный расход топлива из-за потерь при прохождении части воздуха в дополнительную камеру и возврате горючей смеси в цилиндр.
Неразделенный. В этом случае в цилиндр подается топливо под давлением, а выделенная полость на дне поршня служит камерой. В связи с тем, что такие агрегаты отличаются повышенным уровнем шума и вибрации при работе, особенно при разгоне, до недавнего времени нераздельные агрегаты применялись в низкооборотных двигателях большого объема, предназначенных для коммерческих автомобилей. Появление электронных систем впрыска позволило оптимизировать сгорание смеси в таких двигателях и значительно снизить уровень шума их работы, что в свою очередь сделало неразборные конструкции наиболее перспективным технологическим решением при проектировании силовых агрегатов новых типов.
Название этого двигателя соответствует имени изобретателя Дизеля. Рудольф Дизель создал двигатель внутреннего сгорания в 1897 году. Ему удалось создать устройство, в котором топливо воспламеняется от сжатия, а не от искры.
Типы дизельных двигателей
По конструктивным особенностям камер сгорания дизельные двигатели можно разделить на три типа:
- С раздельной камерой сгорания. В таких устройствах топливо подается не в основную, а в дополнительную, так называемую вихревую камеру, которая находится в головке блока цилиндров и соединена с цилиндром каналом. При попадании в вихревую камеру воздушная масса максимально сжимается, благодаря чему улучшается процесс воспламенения топлива. Процесс самовоспламенения начинается в вихревой камере, затем переходит в основную камеру сгорания.
- С неразделенной камерой сгорания. В таких дизелях камера расположена в поршне, а топливо подается в пространство над поршнем. Неразборные камеры сгорания позволяют, с одной стороны, экономить расход топлива, а с другой – повышать уровень шума при работе двигателя.
- Предкамерные двигатели. Такие дизели оснащены вставной форкамерой, которая соединена с цилиндром тонкими каналами. Форма и размеры каналов определяют скорость движения газов при сгорании топлива, снижение уровня шума и токсичности, увеличение ресурса двигателя.
Топливная система в дизельном двигателе
Основой любого дизельного двигателя является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача необходимого количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.
Важными элементами топливной системы дизельного двигателя являются:
Топливный насос
Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по заданным параметрам (в зависимости от скорости, рабочего положения рычага управления и давления турбонаддува). В современных дизелях могут применяться топливные насосы двух типов: рядные (плунжерные) и распределительные.
Топливный фильтр
Фильтр является важной частью дизельного двигателя. Топливный фильтр подбирается строго по типу двигателя. Фильтр предназначен для изоляции и удаления воды из топлива и избыточного воздуха из топливной системы.
Форсунки
Форсунки являются не менее важными элементами топливной системы в дизельном двигателе. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяют два типа форсунок: с распределителем источника и многодырчатые. Распределитель форсунок определяет форму пламени, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.
Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя
За холодный пуск отвечает механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается электрическими нагревательными элементами – свечами накаливания, которые снабжены камерой сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры 900 градусов, нагревая массу воздуха, поступающего в камеру сгорания. Свеча накаливания отключается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя гарантируют его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.
Турбонаддув отвечает за увеличение мощности и экономичности дизельного двигателя. Обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличивает рабочую мощность двигателя. Для обеспечения необходимого давления наддува воздушной смеси на всех режимах работы двигателя используется специальный турбокомпрессор.
Остается только сказать, что до сих пор не утихают споры о том, что лучше выбрать обычному автолюбителю в качестве силовой установки в своем автомобиле – бензин или дизель. Оба типа двигателя имеют преимущества и недостатки и выбирать необходимо исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.
При работе турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Его сразу невозможно раскрутить до необходимой скорости вращения. Это приводит к появлению так называемого турбо лага, когда от момента нажатия на педаль акселератора до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).
Дополнительные компоненты двигателя
Помимо основных деталей, обязательно присутствующих в конструкции двигателя, имеются дополнительные детали и узлы, улучшающие характеристики и работу двигателя внутреннего сгорания.
Принцип работы турбины
Турбина – это устройство, создающее дополнительный впрыск топлива. Двигатель с турбонаддувом обладает отличной производительностью.
Идея создания турбины возникла из открытия такого факта, что при движении поршня вверх дизельное топливо не успевает полностью сгореть.
С помощью турбины происходит догорание топлива в цилиндрах, за счет чего снижается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.
Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:
- подшипники – служат опорой, позволяющей валу вращаться;
- корпус турбины;
- корпус на компрессор;
- стальная сетка.
Цикл работы турбонаддува:
- Компрессор создает вакуум и в систему засасывается воздух.
- Ротор турбины передает вращение ротору.
- Интеркулер охлаждает воздух.
- Воздух подается через впускной коллектор, после чего воздух проходит степень очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха впускной клапан закрывается.
- Выхлопные газы проходят через турбину ДВС и создают давление на ротор.
- В это время скорость вращения вала турбины очень высока, достигая 1500 оборотов в секунду. Это приводит к вращению ротора компрессора.
По мере охлаждения воздуха его плотность увеличивается. Если плотность воздуха увеличилась, то можно накачивать воздух в большем объеме. Чем больше воздуха поступает в камеру сгорания, тем лучше сгорает топливо.
Интеркулер и форсунка
При сжатии плотность и температура воздуха увеличиваются. Это негативно сказывается на межремонтном периоде деталей двигателя. В связи с этим было разработано устройство, охлаждающее поток горячего воздуха.
В зависимости от модификации дизелей топливо может впрыскиваться в цилиндр одной или двумя форсунками.
Дизельные форсунки работают в импульсном режиме.
Вывод
Благодаря постоянным инженерным усовершенствованиям и испытаниям современные дизельные двигатели обладают очень хорошими техническими характеристиками. Качество сгорания отличное благодаря использованию турбокомпрессора. Качество сгорания примерно в 2 раза выше, чем у бензинового двигателя.
В последние годы происходит постоянное совершенствование не только для повышения производительности, но и в связи с современными требованиями мировых экологов. Сначала были требования к двигателям Евро-2, потом 3, 4, 5.
Дизельные двигатели используются не только в грузовиках, но и во многих моделях автомобилей. Дизельные двигатели могут работать на различных видах топлива: рапсовом и пальмовом масле, фракционированных веществах и чистом масле.
Преимущества и недостатки
Есть ряд факторов, выгодно отличающих дизельные двигатели:
- экономика. КПД в 40% (до 50% с турбонаддувом) – просто недостижимый показатель для бензинового аналога;
- энергия. Почти весь крутящий момент доступен на самых низких оборотах. Дизель с турбонаддувом не имеет ярко выраженной турбоямы. Такая приемистость позволяет получить настоящее удовольствие от вождения;
- надежность. Пробег самых надежных дизелей достигает 700 тыс км. И все это без ощутимых негативных последствий. Благодаря своей надежности дизельные двигатели внутреннего сгорания ставят на грузовые автомобили и спецтехнику;
- уважение к окружающей среде. В борьбе за сохранение окружающей среды дизельный двигатель превосходит бензиновые двигатели. Более низкие выбросы CO и использование технологии рециркуляции выхлопных газов (EGR) наносят минимальный ущерб.
- цена. Комплектация с дизельным двигателем будет стоить на 10% дороже, чем такая же модель с бензиновым агрегатом;
- сложность и стоимость обслуживания. Блоки ДВС изготовлены из более прочных материалов. Сложность двигателя и топливной аппаратуры требует качественных материалов, новейших технологий и большого профессионализма при их изготовлении;
- плохой отвод тепла. Высокий процент эффективности означает, что при сгорании топлива теряется меньше энергии. Другими словами, выделяется меньше тепла. В зимнее время года работа дизеля на короткие расстояния негативно скажется на его ресурсе.
Рассмотренные преимущества и недостатки не всегда уравновешивают друг друга. Поэтому вопрос, какой из моторов лучше, будет стоять всегда. Если вы собираетесь стать обладателем такого автомобиля, учитывайте все особенности вашего выбора. Требования вашей силовой установки будут тем фактором, который решит, что лучше: бензиновый или дизельный двигатель.
Стоит ли покупать
Новые дизельные автомобили – это та покупка, которая доставит только радость. Заправляя автомобиль качественным топливом и выполняя техническое обслуживание в соответствии с нормативными требованиями, вы на 100% не пожалеете о своей покупке.
Но стоит учесть тот факт, что дизельные автомобили стоят значительно дороже своих бензиновых собратьев. Вы сможете компенсировать эту разницу и впоследствии сэкономить только при превышении большого пробега. Переплачивать за проезд до 10 тыс км в год просто нецелесообразно.
С подержанными автомобилями ситуация несколько иная. Хотя дизельные двигатели имеют большой запас прочности, сложная топливная аппаратура со временем требует повышенного внимания. Цены на запчасти для дизеля старше 10 лет действительно удручают.
Стоимость топливного насоса высокого давления для 15-летнего автомобиля эконом-класса В может удивить некоторых автомобилистов. К выбору автомобиля с пробегом более 150 тысяч стоит отнестись очень серьезно. Перед покупкой лучше сделать полную диагностику в специализированном сервисе. Так как низкое качество отечественной солярки очень пагубно сказывается на ресурсе дизеля.
В этом случае репутация производителя поможет решить, какому двигателю лучше отдать предпочтение. Например, модель Mercedes-Benz OM602 считается одним из самых надежных дизельных двигателей в мире. Покупка автомобиля с подобным силовым агрегатом станет выгодным вложением на долгие годы. Подобные модели «удачных» силовых установок есть у многих производителей.
Но стоит учесть тот факт, что дизельные автомобили стоят значительно дороже своих бензиновых собратьев. Вы сможете компенсировать эту разницу и впоследствии сэкономить только при превышении большого пробега. Переплачивать за проезд до 10 тыс км в год просто нецелесообразно.
Запуск дизельного двигателя
Запуск «дизеля» в холодном состоянии осуществляется благодаря свечам накаливания. Это электрические нагревательные элементы, встроенные в каждую из камер сгорания. При включении зажигания свечи накаливания нагреваются до сверхвысоких температур = около 800 градусов. Это нагревает воздух в камерах сгорания. Весь процесс занимает несколько секунд, а сигнальный индикатор на панели приборов оповещает водителя о том, что дизель готов к запуску.
Электропитание свечей накаливания автоматически отключается примерно через 20 секунд после запуска. Это необходимо для обеспечения стабильной работы холодного двигателя.
Устройство топливной системы дизельного мотора
Одной из важнейших систем дизельного двигателя является система подачи топлива. Его основная задача – подача дизельного топлива в цилиндр в строго ограниченном количестве и только в заданное время.
Основные компоненты топливной системы:
- топливный насос высокого давления (ТНВД);
- топливные форсунки;
- элемент фильтра.
Основное назначение ТНВД – подача топлива к форсункам. Работает по заданной программе в зависимости от работы двигателя и действий водителя. По сути, современные топливные насосы представляют собой высокотехнологичные механизмы, автоматически управляющие работой дизельного двигателя на основе данных, поступающих от водителя.
В тот момент, когда водитель нажимает на педаль акселератора, он не изменяет количество подаваемого топлива, но вносит изменения в работу регуляторов в зависимости от силы нажатия на педаль. Именно регуляторы изменяют количество оборотов двигателя и, соответственно, скорость машины.
По мнению специалистов группы компаний «Фаворит Моторс», ТНВД с ГРМ конструкции чаще всего устанавливаются на легковые автомобили, кроссоверы и внедорожники. Они компактны по размеру, равномерно подают топливо в цилиндры и хорошо работают на высоких оборотах.
Форсунка получает топливо от насоса и регулирует его количество перед перенаправлением топлива в камеру сгорания. Дизельные агрегаты комплектуются форсунками с распределителем одного из двух типов: типовым или многодырочным. Иглы дозатора изготовлены из высокопрочных термостойких материалов, так как работают при высоких температурах.
Топливный фильтр — простой и в то же время один из важнейших узлов дизельного агрегата. Его рабочие параметры должны точно соответствовать конкретному типу двигателя. Назначение фильтра – отделение конденсата (для этого предназначено нижнее сливное отверстие с пробкой) и удаление лишнего воздуха из системы (используется верхний подкачивающий насос). На некоторых моделях автомобилей предусмотрена функция электрообогрева топливного фильтра; это облегчает запуск дизельного двигателя зимой.
В тот момент, когда водитель нажимает на педаль акселератора, он не изменяет количество подаваемого топлива, но вносит изменения в работу регуляторов в зависимости от силы нажатия на педаль. Именно регуляторы изменяют количество оборотов двигателя и, соответственно, скорость машины.
Турбояма
При работе турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Его сразу невозможно раскрутить до необходимой скорости вращения. Это приводит к появлению так называемого турбо лага, когда от момента нажатия на педаль акселератора до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).
Проблема решается доработкой турбинного механизма и установкой нескольких рабочих колес разного размера. При этом маленькие крыльчатки мгновенно вращаются, после чего их догоняют крупные элементы. Такой подход позволяет практически полностью исключить турболаг.
Выпускались также турбины с изменяемой геометрией VNT (Variable Nozzle Turbine), предназначенные для решения тех же задач. В настоящее время существует большое количество модификаций данного типа турбин. Коррекция геометрии успешно справляется и с обратной ситуацией, когда слишком много оборотов и воздуха и необходимо уменьшить скорость оборотов крыльчатки.
Интеркуллер
Было замечено, что если в смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркулера — дополнительного элемента турбин, повышающего КПД.
После забора воздуха он проходит через радиатор и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой вы можете подробно ознакомиться со схемой работы интеркулера.
За турбиной современного автомобиля необходимо правильно ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и к перегреву. Поэтому смазку рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров.
Также после остановки машины следует оставить двигатель внутреннего сгорания включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (она перегревается при резком прекращении циркуляции масла). К сожалению, даже при правильной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.
Примечание: Лучшим решением проблемы перегрева турбины на дизелях является установка турботаймера. Устройство поддерживает работу двигателя в течение необходимого времени после выключения зажигания. После окончания необходимого периода электроника сама отключает силовой агрегат.
Устройство и принцип работы дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом для большегрузных автомобилей, нуждающихся в хорошей тяге «на низах». Современные дизельные двигатели столь же успешно работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым – разгон и время разгона.
Сложное обслуживание дизельного двигателя компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.
