В 1890 году в результате мозгового штурма Рудольф Дизель произвел на свет идею «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Это и послужило основой для создания современных дизельных двигателей с воспламенением от сжатия. В последующие годы эти двигатели применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако Небольшая скорость вращения, большой вес сделали невозможным применение первых дизелей на автомобилях. По конструкции дизель мало отличается от обычного бензинового мотора —коленчатый вал, шатуны, клапаны. С одной оговоркой - степень сжатия у дизеля в два с лишним раза выше, поэтому детали усилены, чтобы банально не рассыпаться от высоких нагрузок, возникающих при сгорании топлива. Главное отличие дизеля - в способе формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового двигателя смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой от свечи зажигания. У дизеля, напротив, в цилиндры поступает чистый воздух. В конце фазы сжатия, когда он нагревается до температуры самовоспламенения топлива (700 - 800°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением. Для создания такого давления применяются топливные насосы высокого давления (ТНВД). Свечи у дизеля тоже есть, но это свечи накаливания и они предназначены для разогрева воздуха в камере сгорания, чтобы облегчить пуск. Такая организация рабочего процесса позволяет использовать дешевое топливо и работать на бедных смесях, что и делает дизельный двигатель столь экономичным. Управление осуществляется не дроссельной заслонкой, а изменением подачи топлива. Дизель из-за особенностей своего рабочего процесса имеет большой крутящий момент в широком диапазоне частот вращения, что особенно важно при работе в тяжелых дорожных условиях. Да и что касается модной ныне экологии - дизель лучше, поскольку при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ меньше, чем у бензиновых моторов. Разумеется, дизель имеет и недостатки. Главные — повышенные шум и вибрация. Они обусловлены высокой степенью сжатия и быстрым нарастанием давления в цилиндре при самовоспламенении смеси. Дизель трудно запустить в холодное время года. Впрочем, применение многоклапанных головок, развитие систем топливоподачи, в том числе электронного управления впрыском топлива, постепенно сглаживают эти недостатки. Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания.
В дизелях с неразделенной камерой - их также называют дизелями с непосредственным впрыском (Direct Injection), топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. В последние годы благодаря применению ТНВД с электронным управлением и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой на частотах вращения до 4500 об/мин, улучшить на 15-20% его экономичность, существенно снизив шум и вибрацию. В дизелях с разделенной камерой подача топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. В наиболее распространенных вихрекамерных дизелях такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Именно такая схема первоначально позволила без больших трудностей добиться высокой частоты вращения, необходимой для двигателей легковых автомобилей. Поэтому вихрекамерные дизели пока составляют большинство (около 90%) среди устанавливаемых на легковые автомобили.
Другой тип дизеля — предкамерный, имеет специальную вставную форкамеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, Их сечение подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью. Это определяет целый ряд преимуществ предкамерного дизеля. Среди них большой ресурс, низкий шум, более полное сгорание топлива и низкая токсичность выхлопных газов, а также малое изменение крутящего момента по частоте вращения. Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Он существенно усилен по сравнению с бензиновым двигателем, его стенки значительно толще, поршневой палец имеет увеличенный диаметр, а поршневые кольца — высоту, Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Различия других узлов и деталей не столь существенны и обусловлены требованиями надежности, компоновочными соображениями и традициями фирмы. Правда, следует заметить, что наиболее надежны в эксплуатации те двигатели, у которых привод газораспределительного механизма и ТНВД осуществляется цепью или шестернями. Ремень, как показывает практика, несмотря на определенные достоинства, снижает надежность дизеля, так как при его обрыве двигатель, как правило, выходит из строя. Как и на бензиновых двигателях, для повышения мощности дизелей успешно применяется наддув. В отличие от бензиновых двигателей у дизеля турбонаддув работает во всем диапазоне частот вращения — ведь благодаря высокой степени сжатия давление отработавших газов здесь в 1,5 — 2 раза выше. Особенно высокое форсирование достигается промежуточным охлаждением воздуха, сжатого в компрессоре, перед его поступлением в двигатель. Для этого используют специальные радиаторы-интеркулеры. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.
Весьма важным элементом конструкции дизелей является система подачи топлива. Высокие давления впрыска делают ее достаточно сложной, от нее зависят мощность и экономичность двигателя. Основным узлом топливной системы дизеля является топливный насос высокого давления. Его главные функции - нагнетание топлива в форсунки в строго дозированном количестве и обеспечение необходимого момента начала впрыскивания.
На дизелях легковых автомобилей применяются три типа ТНВД. Плунжерные рядные насосы-имеют отдельные нагнетательные секции на форсунку каждого цилиндра с приводом от кулачкового вала насоса. Каждая секция состоит из двух сверхточно выполненных элементов — плунжера и нагнетательного клапана. Плунжер служит для нагнетания топлива в форсунку и установлен в корпусе насоса с очень малым зазором — менее 1 мкм. Кроме того, плунжер управляет количеством топлива, подаваемого к форсунке. Нагнетательный клапан необходим для быстрого запирания топливопровода, соединяющего насос и форсунку, и поддержания небольшого остаточного давления в топливопроводе между впрысками. В распределительном насосе система нагнетания имеет только один плунжер-распределитель, который совершает поступательные движения для нагнетания топлива и вращение для распределения топлива по форсункам, при этом плунжер выполняет за один оборот диска столько циклов нагнетания, сколько цилиндров у двигателя.
В распределительных насосах систему нагнетания составляет пара противолежащих поршней, выполняющих поступательные движения навстречу друг другу. Нагнетание топлива происходит здесь в результате действия на поршни роликовых толкателей, набегающих на кулачки обоймы подшипника ротора. Распределение топлива по форсункам выполняется за счет разделителя, вращающегося вместе с поршнем и соединяющего или разъединяющего в определенных положениях насос с форсунками. Чтобы ТНВД создавал необходимое давление впрыскивания, топливо должно поступать к плунжерной паре под небольшим давлением. Для этого используют насосы предварительной подкачки или низкого давления. В рядных ТНВД такой насос вынесен наружу и приводится от кулачкового вала двигателя, в то время как в распределительных насосах он установлен внутри корпуса самого ТНВД.
Конечным элементом топливной системы дизеля является форсунка. Она обычно заворачивается в головку блока цилиндров, но в некоторых дизелях прижимается специальным зажимом. Распылитель является основной деталью форсунки. В дизелях легковых автомобилей обычно применяют многоструйные или штифтовые распылители. Первый тип применяется в дизелях с непосредственным впрыском, второй — в дизелях с разделенной камерой сгорания. Давление впрыска определяется усилием пружины распылителя. Под действием давления топлива в топливопроводе игла распылителя поднимается, и происходит впрыск. В момент, когда плунжер ТНВД прекращает нагнетание, давление резко падает, и игла распылителя садится на седло, отсекая подачу.
В обычном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления нагнетает солярку в свой топливопровод. Внутренний его диаметр обычно составляет 1,6—2 мм, а наружный — 6—7 мм, то есть стенки достаточно толстые. Но когда под высоким давлением в 1300—2000 атмосфер по нему идет порция топлива-трубка раздувается. И как только топливо уходит в форсунку, топливопровод снова сжимается. Поэтому вслед заданной порции топлива к форсунке непременно «подкачивается» крохотная лишняя доза. Эта капля, сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность мотора, да и процесс ее сжигания далеко не полноценный. Вдобавок сами пульсации отдельных трубопроводов повышают шумность работы двигателя. С ростом оборотистости современных дизелей (до 4000—5000 об/мин) это стало доставлять ощутимые неудобства. В common rail топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая играет роль ресивера. В этом промежуточном звене помещается постоянный объем топлива, которая находится не под пульсирующим давлением, а под постоянным — около 1300 атмосфер. Что же касается форсунок, то они открываются теперь не от повышения давления в трубопроводе, а от сигнала, подаваемого на соленоид форсунки. Датчики сообщают компьютеру, управляющему работой форсунок, информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На ее основе компьютер назначает нужное для работы мотора количество топлива и момент его подачи. Компьютерное управление подачей топлива позволило впрыскивать его в камеру сгорания цилиндра двумя точно дозированными порциями, чего раньше сделать было невозможно. Сначала поступает крохотная доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный объем. Для дизеля это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно. Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно. В результате расход топлива двигателем сокращается примерно на 20%, а крутящий момент на малых оборотах коленвала возрастает на 25%. Также уменьшается содержание в выхлопе сажи и снижается шумность работы мотора. Специфическая принадлежность дизеля — система предпускового подогрева. У большинства дизелей в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800 — 900°С, о чем водителю сигнализирует специальная контрольная лампа. Как только лампа погаснет, двигатель готов к запуску. Электропитание со свечей снимается автоматически после запуска. В холодное время года это происходит не сразу, а через 15-20 с, чтобы обеспечить устойчивость работы непрогретого двигателя. На некоторых дизелях в виде пускового устройства применен электрофакельный подогрев. Он включает свечу накаливания, объединенную со специальной форсункой. Топливо к пусковому устройству подается из отдельного поплавкового механизма. После запуска, как только снимается напряжение со свечи, прекращается и подача топлива к форсунке. Современные системы предпускового подогрева в сочетании с усовершенствованной конструкцией двигателей обеспечивают устойчивый пуск исправного дизеля при температуре до -30°С. В любом случае, выбирать дизель или нет – решать только вам. Характерные проблемы при должном уходе отсутствуют. О сравнении дизельного двигателя с бензиновым — каждый имеет собственные преимущества и недостатки. Но экономичность мотора становится одной из самых важных черт при выборе автомобиля на сегодняшний день.
