Как работает дизельный двигатель

Принцип работы

Четырёхтактный цикл

  Работа четырёхтактного дизельного двигателя.
Работа четырёхтактного дизельного двигателя.
  • 1-й такт. Впуск. Соответствует 0° — 180° поворота коленвала. Через открытый ~от 345—355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр, на 190—210° клапан закрывается. По крайней мере до 10-15° поворота коленвала одновременно открыт выхлопной клапан, время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов.
  • 2-й такт. Сжатие. Соответствует 180° — 360° поворота коленвала. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке), сжимает воздух в 16(в тихоходных)-25(в быстроходных) раз.
  • 3-й такт. Рабочий ход, расширение. Соответствует 360° — 540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива, то есть частичное его испарение, образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в парáх, наконец, оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки, продукты горения, расширяясь, двигают поршень вниз. Впрыск и, соответственно, воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том, что задержка необходима только из-за наличия времени инициации, которое в каждом конкретном дизеле — величина постоянная и изменению в процессе работы не подлежит. Сгорание топлива в дизеле происходит, таким образом, длительно, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки. Вследствие этого рабочий процесс протекает при относительно постоянном давлении газов, из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Из этого следуют два важнейшие вывода.
    • 1. Процесс горения в дизеле длится ровно столько времени, сколько требуется для впрыска данной порции топлива, но не дольше времени рабочего хода.
    • 2. Соотношение топливо/воздух в цилиндре дизеля может существенно отличаться от стехиометрического, причем очень важно обеспечить избыток воздуха, так как пламя факела занимает небольшую часть объема камеры сгорания и атмосфера в камере должна до последнего обеспечить нужное содержание кислорода. Если этого не происходит, возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей — «тепловоз „даёт“ медведя».).
  • 4-й такт. Выпуск. Соответствует 540° — 720° поворота коленвала. Поршень идёт вверх, через открытый на 520—530° выхлопной клапан поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра.

Далее цикл повторяется.

В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:

  • Дизель с неразделённой камерой: камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Главное достоинство — минимальный расход топлива. Недостаток — повышенный шум («жесткая работа»), особенно на холостом ходу. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка. Например, в системе Common Rail для снижения жёсткости работы используется (зачастую многостадийный) предвпрыск.
  • Дизель с разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой либо предкамерой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в оную камеру, интенсивно завихрялся. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемого топлива с воздухом и более полному сгоранию топлива. Такая схема долго считалась оптимальной для легких дизелей и широко использовалась на легковых автомобилях. Однако, вследствие худшей экономичности, последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких дизелей двигателями с нераздельной камерой и с системами подачи топлива Common Rail.

Устройство системы дизельного двигателя

Основными элементами диз мотора являются:

  • цилиндро-поршневая группа (цилиндры, поршни, шатуны);
  • топливные форсунки;
  • впускные и выпускные клапана;
  • турбина;
  • интеркулер.

Современный дизельный двигатель в разрезе

Турбояма

В процессе работы турбина может совершать до 200 тысяч оборотов в минуту. Раскрутить ее до необходимой скорости вращения моментально невозможно. Это приводит к появлению т.н. турбоямы, когда с момента нажатия на педаль газа до начала интенсивного разгона проходит некоторое время (1-2 секунды).

Проблема решается доработкой турбинного механизма и установкой нескольких крыльчаток разного размера. При этом маленькие крыльчатки раскручиваются моментально, после чего их догоняют элементы большого размера. Такой подход позволяет практически полностью ликвидировать турбояму.


Также производятся турбины с изменяемой геометрией, VNT (Variable Nozzle Turbine), призванные решать те же проблемы. В настоящий момент существует большое количество модификаций подобного типа турбин. Коррекция геометрии успешно справляется и с обратной ситуацией, когда оборотов и воздуха становится слишком много и необходимо притормозить обороты крыльчатки.

Что такое Common Rail

Common Rail – современная система впрыска топлива, разработанная компанией Bosch и использующая принцип подачи солярки к форсункам от топливной рампы, являющейся аккумулятором высокого давления. Common Rail позволяет сделать агрегат тише, при этом более экономичным и экологичным. Еще одним преимуществом использования общей топливной рампы являются широкие возможности регулировки давления топлива и момента его впрыска, поскольку эти процессы разделены.

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. 

Принцип работы дизельного мотора

Основная особенность дизельного ДВС в том, что он воспламенение топливно-воздушной смеси в камерах сгорания происходит за счет сжатия и нагрева. Распыление диз топлива осуществляется через форсунки.

Подача солярки осуществляется только в момент, при котором воздух максимально сжат и имеет максимальную температуру.

Когда воздух горячий, дизельное топливо легко воспламеняется. Перед попаданием топлива в камеры сгорания цилиндров ДВС, оно проходит очищающие фильтры, которые очищают от механических примесей, которые быстро нанесли бы ущерб всему устройству.

Порядок работы дизельной системы:

    1. Воздух подается через впускной клапан при движении поршня вниз.
    2. Далее поршень поднимается вверх и сжимает воздух в 20 раз. Давление в этот момент составляет 40 килограмм на 1 сантиметр. Температура воздуха в этот момент достигает 500 градусов по Цельсию.
    3. Когда воздух сжат и нагрет, форсунки этого цилиндра впрыскивают и распыляют топливо. За счет очень сильно нагретого воздуха дизтопливо воспламеняется. Такой способ работы исключает присутствие в системе свечей зажигания. Также в дизельных агрегатах отсутствует система зажигания.
      Процесс самовоспламенения солярки с воздухом от св
      Процесс самовоспламенения солярки с воздухом от свечи накаливания.

      Также, в устройстве нет дроссельной заслонки, благодаря чему обеспечивается большой крутящий момент. Но, число оборотов в это время находится на низком уровне.За один цикл работы дизеля форсунки могут подавать топливо несколько раз.

    4. При воспламенении горючей смеси, взрывная волна толкает поршень вниз. Поршень, который соединен с коленвалом посредством шатуна и вращает коленвал.
    5. Далее, от нижней мертвой точки (НМТ) поршень движется вверх и выталкивает отработанные газы через выпускные клапана.Такой процесс в работе двигателя называют циклом.

Особенности работы дизеля

Работа дизельного двигателя будет выглядеть так:

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

Благодаря указанной схеме дизельному мотору вполне

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

Но у дизеля есть и определенные минусы:

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

Дизельный двигатель с турбонаддувом

Принцип работы турбины на дизельном двигателе практически не отличается от такового на бензиновых моторах. Суть заключается в нагнетании в цилиндры дополнительного воздуха, что закономерно увеличивает количество поступающего топлива. За счет этого отмечается серьезный прирост мощности мотора.

Устройство турбины дизельного двигателя также не имеет существенных отличий от бензинового аналога. Устройство состоит из двух крыльчаток, жестко связанных между собой, и корпуса, внешне напоминающего улитку. На корпусе турбокомпрессоров имеется 2 входных и 2 выходных отверстия. Одна часть механизма встраивается в выпускной коллектор, вторая во впускной.

Схема работы проста: газы, выходящие из работающего мотора, раскручивают первую крыльчатку, которая вращает вторую. Вторая крыльчатка, вмонтированная во впускной коллектор, нагнетает атмосферный воздух в цилиндры. Увеличение подачи воздуха приводит к увеличению подачи топлива и росту мощности. Это позволяет мотору быстрее набирать скорость даже на низких оборотах.

Преимущества и недостатки

Существует ряд факторов, которые выгодно отличают дизельные двигатели:

  • экономичность. КПД в 40% (до 50% с применением турбонаддува) просто недосягаемый показатель для бензинового собрата;
  • мощность. Практически весь крутящий момент доступен на самых низких оборотах. Турбированный дизельный двигатель не имеет ярко выраженной турбоямы. Такая приёмистость позволяет получить настоящее удовольствие от вождения;
  • надежность. Пробег самых надежных дизельных двигателей доходит до 700 тыс. км. И все это без ощутимых негативных последствий. Благодаря своей безотказности, дизельные ДВС ставят на спецтехнику и грузовики;
  • экологичность. В борьбе за сохранность окружающей среды дизельный двигатель превосходит бензиновые моторы. Меньшее количество выбрасываемого СО и использование технологии рециркуляции выхлопных газов (EGR) приносят минимум вреда.

Недостатки:

  • стоимость. Комплектация, оснащённая дизельным двигателем, будет стоить на 10% больше, чем такая же модель с бензиновым агрегатом;
  • сложность и дороговизна обслуживания. Узлы ДВС выполнены из более прочных материалов. Сложность устройства двигателя и топливной аппаратуры требует качественных материалов, новейших технологий и большого профессионализма в их изготовлении;
  • плохая теплоотдача. Большой процент КПД значит то, что при сгорании топлива происходят меньшие потери энергии. Другими словами, выделяется меньше тепла. В зимнее время года эксплуатация дизельного двигателя на короткие расстояния будет негативно сказываться на его ресурсности.

Рассмотренные минусы и плюсы не всегда уравновешивают друг друга. Поэтому вопрос о том, какой из двигателей лучше, будет стоять всегда. Если вы собираетесь стать владельцем такого автомобиля, учтите все особенности его выбора. Именно ваши требования к силовой установке будут тем фактором, который решит что лучше: бензиновый или дизельный двигатель.

Мифы и заблуждения

Несмотря на распространенность автомобилей с дизельным двигателем, в народе до сих пор существуют предрассудки и непонимание. «Тарахтит, зимой не греет, а в большой мороз не заведёшь, летом не едет, а если что-то поломается, так ещё поискать нужно мастера, который за космические деньги отремонтирует всё», – примерно такие слова можно услышать иногда от «опытных» автолюбителей. Всё это отголоски прошлого!

  1. Благодаря современным технологиям, только рокот холостого хода позволяет отличить дизельные двигатели от бензиновых. В движении, когда шум дороги нарастает, разница не ощутима.
  2. Для улучшения запуска и прогрева в холодное время года в современных автомобилях используются различные вспомогательные системы. Ввиду нарастающей популярности, количество сервисов, специализированных на обслуживании дизельного двигателя, постоянно увеличивается.
  3. Бытует мнение, что ДВС работающий на дизеле сложно форсировать. Это верно, если мы говорим о модификациях цилиндропоршневой группы. В то же время чип тюнинг дизельного двигателя – это хороший способ повысить его мощностные характеристики без ухудшения ресурсности.

Стоит помнить о том, что принцип работы дизельного двигателя всецело направлен на достижения экономичности и надёжности. Не стоит требовать от таких ДВС заоблачных динамических показателей.

Устройство топливной системы дизельного мотора

Основные компоненты топливной системы: 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.

Особенности конструкции

Дизельные двигатели, разумеется, не имеют таких колоссальных отличий как роторно-поршневой двигатель Ванкеля, устройство которого абсолютно не похоже на «анатомию» традиционного ДВС, но у него имеется ряд особенностей, которые проводят между ним и бензиновыми моторами черту.

У дизеля также есть кривошипно-шатунный механизм, но его степень сжатия существенно выше – 19-24 единицы против 9-11 единиц соответственно. Принципиальное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в том, как формируется, воспламеняется и сгорает топливно-воздушная смесь.

У дизельного ДВС отсутствуют свечи зажигания и, соответственно, воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от сжатия. При этом, воздух и солярка подаются раздельно. Также следует отметить, что практически ни один современный дизель не обходится без системы наддува, которая используется для повышения рабочих характеристик агрегата. Для оптимизации наддува в максимально широком диапазоне оборотов используются турбонагнетатели с изменяемой геометрией. Дизельный агрегат имеет более высокий коэффициент полезного действия, но он тяжелее и выдает больший крутящий момент при низких оборотах, нежели бензиновый ДВС.

Правильная эксплуатация

Неправильная эксплуатация может погубить даже самый надежный мотор.

Продлить ресурс дизельного двигателя, и получать удовольствие от владения автомобилем вам поможет выполнение несложных правил:

  • дизельные двигатели с турбонаддувом очень требовательны к качеству масла и топлива. Заливайте только то масло, которое соответствует требованиям, установленным для вашего ДВС. Заправляйтесь только на проверенных АЗС;
  • проводите ТО топливной аппаратуры и системы предпускового подогрева в соответствии с заявленными производителем нормами. В этом случае у вас не возникнет проблем с запуском дизельного двигателя в холодное время года. Эксплуатация агрегата с неправильно работающей форсункой впоследствии может привести к дорогостоящему ремонту ДВС;
  • после активных поездок турбина нуждается в охлаждении. Не глушите мотор сразу же. Дайте ему поработать некоторое время на холостых оборотах;
  • избегайте запуска «с толкача». Такой способ оживления мотора может причинить большой вред кривошипно-шатунному механизму вашего ДВС.

Оба типа двигателей имеют не только плюсы, но и минусы. Главная цель автомобиля – соответствовать вашим требованиям, неважно, установлен в нем бензиновый или дизельный двигатель. Что лучше подойдёт вам, зависит только от индивидуальных предпочтений.

Современные инновационные технологии и прогрессивный маркетинг позволяют людям выбирать из автомобилей, которые они могут себе позволить. Нам всё меньше приходится идти на компромисс и жертвовать отдельными параметрами. Особенно эта тенденция заметна в процессе эволюции дизельных автомобилей.