За последние десять лет дизельные технологии стремительно прогрессируют. Модификации легковых автомобилей с дизельными двигателями занимают половину объема новых машин, реализуемых в Европе. Темные клубы дыма из выхлопной трубы, громкий шум и неприятный аромат остались в далеком прошлом. Сегодня дизельные двигатели – это не только эффективность, но и высокая производительность, а также хорошие динамические параметры.
Современные дизельные двигатели стали менее громкими и более экологичными. Как удалось этому типу ДВС соответствовать постоянно усиливающимся стандартам по токсичности и при этом не только не терять в тяговитости и экономичности, но и улучшать эти характеристики? Изучим всё по порядку…
Принцип работы
На первый взгляд дизельный мотор почти не отличается от стандартного бензинового – те же цилиндры, поршни, шатуны. Основные и ключевые различия связаны с методом образования и воспламенения. В карбюраторных и обычных инжекторных моторах подготовка смеси осуществляется не в цилиндре, а во впускном тракте.
В бензиновых двигателях с прямым впрыском топливо смешивается так же, как и в дизельных — непосредственно в цилиндре. В бензиновом двигателе смесь воздух и топлива воспламеняется в нужный момент благодаря искровому разряду. В дизельном же случае топливо загорается не от искры, а из-за высокой температуры воздуха в цилиндре.
Рабочий процесс в дизеле выполняется следующим образом: сначала в цилиндр поступает чистый воздух, который из-за высокой степени сжатия (16-24:1) нагревается до 700-900°C. Дизельное топливо подается под высоким давлением в камеру сгорания, когда поршень приближается к верхней мертвой точке. Так как воздух уже сильно нагрет, после его смешивания с топливом происходит воспламенение. Самовоспламенение ведет к резкому увеличению давления в цилиндре – из-за этого наблюдается повышенная шумность и жесткость работы дизеля.
Такая организация рабочего процесса дает возможность использовать более доступное топливо и функционировать на очень бедных смесях, что обеспечивает более высокую экономичность. Дизель обладает большим КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящим моментом. К недостаткам дизельных двигателей часто причисляют повышенный уровень шума и вибрации, меньшую мощность на литр и сложности при холодном запуске. Однако указанные недостатки в большинстве случаев касаются устаревших конструкций, а в современных моделях эти проблемы уже не выглядят столь заметными.
Конструкция
Особенности
Как уже упоминалось, конструкция дизельного мотора схожа с конструкцией бензинового мотора. Однако у дизельных двигателей аналогичные элементы значительно укреплены, чтобы выдерживать более сильные нагрузки – ведь степень сжатия у них значительно выше (16-24 единицы против 9-11 у бензинового). Характерной особенностью в конструкции дизелей является поршень.
Форма основания поршней дизельных двигателей зависит от типа камеры сгорания, поэтому по форме можно легко установить, какому двигателю принадлежит этот поршень. В большинстве случаев основание поршня включает в себя камеру сгорания. Основания поршней располагаются выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень достигает верхней мертвой точки.
Поскольку воспламенение рабочей смеси происходит за счет сжатия, в дизельных двигателях не предусмотрена система зажигания, хотя свечи могут использоваться и в дизелях. Однако это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые служат для подогрева воздуха в камере сгорания при запуске двигателя в холодную погоду.
Двигатель: поршни и свечи для дизельного топлива.
Основные характеристики дизельного двигателя автомобиля, как технические, так и экологические, в существенной степени определяются видом камеры сгорания и системой подачи топлива.
Типы камер сгорания
Форма камеры сгорания существенно влияет на качество процесса смешивания топлива с воздухом, а это, в свою очередь, определяет мощность и уровень шума работы двигателя. Камеры сгорания дизельных моторов делятся на два основных вида: неразделенные и разделенные.
Некоторое время назад в отрасли легкового автомобилестроения преобладали дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания. В данном случае впрыск топлива происходит не в надпоршневое пространство, а в специально созданную камеру сгорания, находящуюся в головке блока цилиндров. При этом выделяют два процесса формирования смеси: предкамерный (иногда его обозначают как форкамерный) и вихрекамерный.
Камеры сгорания в дизельном двигателе.
При форкамерном методе топливо подается в специализированную предварительную камеру, соединенную с цилиндром несколькими небольшими отверстиями или каналами, сталкивается с ее стенками и смешивается с воздухом. Зажигаясь, смесь попадает в основную камеру сгорания, где происходит ее полное сгорание. Сечение каналов выбирается таким образом, чтобы во время движения поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой образовывался значительный перепад давления, вызывающий быстрое движение газов через отверстия.
В ходе вихрекамерного процесса горение также стартует в специализированной изолированной камере, которая выполнена в форме полого шара. В фазе сжатия воздух попадает в предкамеру через соединительный канал и интенсивно закручивается (создается вихрь) внутри нее. Впрыскиваемое в нужный момент топливо эффективно смешивается с воздухом.
Таким образом, при камере сгорания с разделением происходит своего рода двухступенчатое сгорание топлива. Это уменьшает нагрузку на поршневую группу и делает звук работы мотора более плавным. Недостатками дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: удорожание расхода топлива из-за потерь, вызванных увеличением площади камеры сгорания, большими потерями при перемещении воздушного заряда в дополнительную камеру и горящего смеси назад в цилиндр. Кроме того, ухудшаются характеристики запуска.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой также называют дизелями с прямым впрыском. Топливо подается прямо в цилиндр, а камера сгорания размещается в днище поршня. Ранее непосредственный впрыск применялся в низкооборотистых дизелях большого объема (то есть, в грузовиках). Хотя такие двигатели более экономичны по сравнению с моторами, имеющими разделенные камеры сгорания, их использование на маломощных дизелях ограничивалось сложностями организации процесса сгорания и увеличенным шумом и вибрацией, особенно во время разгона.
В настоящее время, благодаря массовому внедрению электронного контроля над процессом дозирования топлива, удалось оптимизировать сгорание топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и значительно уменьшить уровень шума. Новые дизельные силовые установки создаются исключительно с непосредственным впрыском.
Системы питания
Ключевым элементом дизельного двигателя считается система подачи топлива, которая гарантирует подачу необходимого объема топлива в нужный момент и с определенным давлением в камеру сгорания.
Система подачи топлива в дизельном двигателе.
Топливный насос высокого давления (ТНВД), получая горючее из бака от насоса низкого давления, последовательно подает необходимые порции солярки в отдельную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Эти форсунки открываются только при воздействии высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его уменьшении.
Существуют два вида ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительные. Рядный ТНВД состоит из секций, количество которых соответствует числу цилиндров дизельного двигателя, каждая из которых обладает гильзой и плунжером, движущимся от кулачкового вала, вращающегося благодаря двигателю. Обычно секции таких насосов располагаются в один ряд, что и дало название – рядные ТНВД. На сегодняшний день рядные насосы почти не используются, поскольку не соответствуют современным требованиям экологии и уровню шума. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от количества оборотов коленчатого вала.
Распределительные ТНВД генерируют существенно более высокое давление подачи топлива, чем рядные насосы, и гарантируют соблюдение действующих норм, касающихся токсичности выбросов. Данный механизм поддерживает необходимое давление в системе в зависимости от работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания состоит из одного плунжера-распределителя, который выполняет поступательное движение для подачи топлива и вращательное для распределения его по форсункам.
Данные насосы обладают компактными размерами, обеспечивают отличную равномерность подачи топлива по цилиндрам и эффективную работу на высоких оборотах. В то же время они накладывают строгие требования к чистоте и качеству дизельного топлива: все их компоненты смазываются топливом, а зазоры в прецизионных частях минимальны.
Ужесточение экологических требований к дизелям в начале 90-х годов вынудило производителей двигателей активно улучшать систему подачи топлива. Вскоре стало очевидно, что с помощью устаревшей механической схемы питания решить эту задачу невозможно. Обычные механические системы впрыска топлива обладают значительным недостатком: давление впрыска зависит от оборотов двигателя и режима нагрузки.
Это указывает на то, что при небольшой нагрузке давление впрыска снижается, что приводит к плохому распылению топлива при впрыске; капли попадают в камеру сгорания слишком большими, оседая на её внутренних стенках. Это, в свою очередь, приводит к снижению КПД сгорания топлива и увеличению токсичности отработанных газов.
Ситуацию можно было кардинально изменить только с помощью оптимизации процесса сгорания топливо-воздушной смеси. Для этого необходимо добиться воспламенения всего её объёма в максимально сжатые сроки. Здесь требуется высокая точность как дозы, так и момента впрыскивания. Достичь этого можно лишь увеличив давление впрыска топлива и внедрив электронное управление процессом подачи топлива. Дело в том, что с повышением давления впрыска улучшается распыление, а значит и смешивание с воздухом.
В конечном итоге это ведет к более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, что снижает количество вредных веществ в выхлопе. Отлично, вы можете спросить, почему нельзя создать аналогичное повышенное давление в обычном ТНВД и всей данной системе? К сожалению, это невозможно. Дело в том, что существует такое понятие, как “волновое гидравлическое давление”. При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, которые “движутся” по топливопроводу. И чем выше давление, тем сильнее эти волны. Если же дальше увеличивать давление, то в какой-то момент может произойти обычное разрушение трубопроводов. А о точности дозирования механической системы впрыска даже не стоит и упоминать.
Дизельного двигателя насос-форсунка
В итоге были созданы два новых типа систем питания – в первом объединены форсунка и плунжерный насос в единый блок (насос-форсунка), а во втором ТНВД стал функционировать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо подается на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по сигналу электронного блока управления. Однако с введением стандартов Евро 3 и 4 этого оказалось недостаточно, и в системы выхлопа дизелей были внедрены сажевые фильтры и катализаторы.
Насос-форсунка располагается в головке блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие кулачком распределительного вала с использованием толкателя. Магистрали, по которым подается и сливается топливо, выполнены в форме каналов в головке блока. Благодаря этому насос-форсунка способна развить давление до 2200 бар. Электронный блок управления отвечает за дозирование топлива, сжатого до такой степени, а также за управление углом опережения впрыска, отправляя сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок.
Насос-форсунки способны функционировать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это дает возможность осуществить предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что уменьшает жесткость работы мотора и снижает токсичность выхлопных газов. Недостатком насос-форсунок является зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая цена этой технологии.
Система подачи топлива Common Rail
Система питания Common Rail применяется в дизельных двигателях серийного производства с 1997 года. Common Rail представляет собой способ впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, который не зависит от частоты вращения мотора или его нагрузки. Основное различие системы Common Rail от традиционной дизельной системы состоит в том, что ТНВД служит исключительно для формирования высокого давления в топливной системе. Он не осуществляет функций дозирования цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска.
Система Common Rail включает в себя бак – накопитель высокого давления (иногда его именуют рампой), насос для топлива, электронный блок управления (ЭБУ) и набор форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, изменяя мощность насоса, стабильное давление в пределах 1600-2000 бар при разных режимах работы двигателя и любой последовательности впрыска по цилиндрам.
Открытием и закрытием форсунок управляет ЭБУ, который определяет оптимальный момент и длительность впрыска, основываясь на данных множества датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного состояния двигателя, его нагрузки и других показателей. Форсунки могут быть как электромагнитными, так и более современными – пьезоэлектрическими. Основные преимущества пьезоэлектрических форсунок заключаются в высокой скорости срабатывания и точности дозирования. Форсунки в дизельных двигателях с Common Rail могут функционировать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо подается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает небольшая доза, всего около миллиграмма, которая при сгорании поднимает температуру в камере, а затем следует основной «заряд».
Для дизельного двигателя с воспламенением от сжатия это крайне важно, поскольку при этом давление в камере сгорания увеличивается более равномерно, без резких скачков. В результате мотор функционирует спокойнее и тише, а количество вредных веществ в выхлопе уменьшается. Многократная подача топлива за один цикл дополнительно способствует снижению температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота, одного из самых ядовитых компонентов выхлопных газов дизельного двигателя.
Параметры двигателя с системой Common Rail во многом определяются давлением впрыска. В системах третьего поколения это давление достигает 2000 бар. Скоро в массовое производство выйдет четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.
Турбодизель
Турбонаддув двигателя является действенным способом увеличения мощности и гибкости работы. Он дает возможность в цилиндры подать дополнительное количество воздуха, что в свою очередь позволяет увеличить подачу топлива в процессе рабочего цикла, благодаря чему растет мощность двигателя.
Давление выхлопных газов у дизельного мотора в 1,5-2 раза выше по сравнению с бензиновым, что дает возможность турбокомпрессору обеспечивать качественный наддув на самых низких оборотах, избегая характерного для бензиновых турбомоторов провала – “турбоямы”. Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет эффективно заполнять цилиндры на всех оборотах без необходимости использования сложных систем управления турбокомпрессором.
На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха – интеркулер, что позволяет повысить массовое наполнение цилиндров и увеличить мощность на 15-20 %. Наддув дает возможность получить такую же мощность, как у атмосферного мотора, при меньшем рабочем объеме, что дает возможность уменьшить массу двигателя. Турбонаддув также служит для автомобилей средством увеличения “высотности” двигателя – в горах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув улучшает сгорание и помогает снизить жесткость работы и потери мощности.
В то же время турбодизель обладает и некоторыми минусами, которые в основном связаны с надежностью функционирования турбокомпрессора. Например, срок службы турбокомпрессора значительно меньше срока службы самого двигателя. Турбокомпрессор требует высоких стандартов к качеству моторного масла. Неисправный узел может полностью вывести из строя двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже, чем у атмосферного дизеля, из-за высокой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и для обеспечения надежной работы поршня его приходится охлаждать маслом, которое подается снизу через специальные форсунки.
Сегодня прогресс дизельных двигателей направлен на две ключевые задачи: увеличение мощности и снижение токсичности. В связи с этим все современные легковые дизели оснащены турбонаддувом (наиболее эффективный метод повышения мощности) и системой Common Rail.
