Дизельный двигатель: устройство и особенности работы

1. Главная
2. /
3. Статьи
4. /
5. Дизельный двигатель: устройство и особенности работы

С каждым годом всё больше водителей делают выбор в пользу дизельных автомобилей. Они имеют меньший расход топлива, дешевле в эксплуатации и обладают длительным сроком службы. Но у тех, кто впервые встречает данный тип двигателя, может возникнуть ряд вопросов. Итак, как работает дизельный двигатель, какие у него особенности и есть ли недостатки?!

Устройство и работа дизельного двигателя

Дизельный мотор – это поршневой двигатель внутреннего сгорания. Принцип его работы основан на том, что топливо самовоспламеняется за счёт того, что подаётся сжатый воздух. Его конструкция практически не отличается бензинового силового агрегата. Исключением является лишь то, что в дизеле нет системы зажигания: топливная смесь зажигается не от искры, а благодаря высокому давлению. Оно сжимает воздух, за счет чего тот сильно разогревается и поджигает топливную смесь.

На протяжении многих десятилетий дизельные двигатели устанавливают на спецтехнику и грузовики, а также и на легковые автомобили. Если раньше такой мотор имел ряд недостатков, то сегодня существуют специальные присадки и приспособления, которые «подогревают» топливную смесь, благодаря чему машина без проблем заводится даже в -30.

На данный момент существует несколько типов дизельного топлива. Это может быть рапсовое масло, чистая или переработанная нефть, фрикционные вещества и т.д.

История создания и совершенствования

Первые научные разработки, касающиеся возможности использовать для воспламенения горючего в тепловой машине сжатого до высокого давления топлива, были осуществлены в 20-30-х годах 19-го века. На практике этот принцип был реализован выдающимся немецким изобретателем и инженером Рудольфом Дизелем, который в 1892 году оформил патент на изобретение двигателя оригинальной конструкции, получивший название дизель-мотор в честь его создателя. Через 3 года документ был признан США. В течение нескольких лет Дизель зарегистрировал еще несколько патентов на различные модификации дизельного двигателя.

Первый работающий агрегат был изготовлен в конце 1896 года, а его испытания прошли практически сразу – 28 января следующего года. В качестве горючего первые дизельные двигатели использовали растительные масла и легкие нефтепродукты. Силовая установка практически сразу же стала показывать высокий КПД, будучи еще и очень удобной в эксплуатации. Но в первые годы после изобретения дизельные двигатели применялись, главным образом, в тяжелых паровых машинах.

Существенно расширить сферу практического использования дизельных агрегатов позволили два ключевых усовершенствования. Первое заключалось в применении в качестве топлива керосина, что первым использовал в 1898 году другой великий инженер того времени – родившийся в России швед Рудольф Нобель. Вторым серьезным рационализаторским решением стало изобретение топливного насоса высокого давления (ТНВД), который заменил используемый ранее для сжатия горючего компрессор.

Серьезный вклад в усовершенствования ТНВД внес в 20-е годы 20-го века Роберт Бош. Он изобрел и внедрил модель встроенного насоса и бескомпрессорной форсунки, применение которых привело к существенному уменьшению габаритов дизельного двигателя, что, в свою очередь, позволило устанавливать его сначала на общественный и грузовой транспорт, а во второй половине 30-х годов – впервые использовать на легковых машинах. Дальнейшие улучшения рассматриваемого агрегата, в частности использование специального дизельного топлива, позволили силовой установке на этом типе горючего успешно конкурировать с бензиновыми двигателями, постоянно увеличивая занимаемую долю рынка.

Принцип работы дизельного двигателя

Принцип работы дизельного мотора основан на компрессионном воспламенении топлива. Оно попадает в камеру сгорания, где начинает смешиваться с горячим воздухом. Работа самого двигателя зависит от количества воздуха и других особенностей.

Подача ТВС происходит раздельно: сначала подаётся воздух, который во время сжатия нагревается до 700-900 градусов. После этого подаётся топливо под высоким давлением до 30 (МПа). Всё это смешивается и воспламеняется, благодаря чему запускается мотор.

Во время воспламенения топливно-воздушной массы может возникать повышенный шум и сильные вибрации. Но они не создают особого дискомфорта.

Конструкция и строение

По конструкции дизельный двигатель не отличается от бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Правда, клапанные детали усилены, чтобы воспринимать высокие нагрузки — ведь степень сжатия дизеля намного выше (19-24 единиц против 9-11 у бензинового мотора). Этим объясняется большой вес и габариты дизельного мотора в сравнении с бензиновым. Принципиально отличие в способах формирования смеси топлива и воздуха, её воспламенения и сгорания. У бензинового мотора смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндры поступает воздух. В конце такта сжатия, когда он нагревается до температуры 700-800оС, в камеру сгорания форсунками, под большим давлением впрыскивается солярка и почти мгновенно самовоспламеняется.
Смесеобразование в дизелях протекает за очень короткий промежуток времени. Для получения горючей смеси, способной быстро и полностью сгорать, необходимо, чтобы топливо было распылено на возможно более мелкие частицы, и каждая частица имела достаточное для полного сгорания количество воздуха. С этой целью топливо в цилиндр впрыскивается форсункой под давлением, в несколько раз превышающим давление воздуха при такте сжатия в камере сгорания.

В дизелях применяют неразделенные камеры сгорания. Они представляют собой единый объем, ограниченный днищем поршня 3 и поверхностями головки и стенок цилиндров. Для лучшего перемешивания топлива с воздухом форму неразделенной камеры сгорания приспосабливают к форме топливных факелов. Углубление 1, выполненное в днище поршня, способствует созданию вихревого движения воздуха.

Мелко распыленное топливо впрыскивается из форсунки 2 через несколько отверстий, направленных в определенные места углубления. Чтобы топливо полностью сгорало и дизель обладал наилучшими мощностями и экономическими показателями, топливо нужно впрыскивать в цилиндр до прихода поршня в ВМТ.

Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления — отсюда повышенная шумность и жесткость работы. Такая организация рабочего процесса позволяет работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность. Экологические характеристики тоже лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ меньше, чем у бензиновых моторов.

К недостаткам относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую мощность, трудности холодного пуска, проблемы с зимней соляркой. У современных дизелей эти проблемы не столь очевидны.

Дизельное топливо должно отвечать определенным требованиям. Главные показатели качества топлива — чистота, малая вязкость, низкая температура самовоспламенения, высокое цетановое число (не ниже 40). Чем больше цетановое число, тем меньше период задержки самовоспламенения после момента впрыска его в цилиндр и двигатель работает мягче (без стуков).

Порядок работы дизельного двигателя

Дизельный ДВС может иметь 2 или 4 рабочих такта:

• впуск или всасывание. На данном этапе воздух поступает в цилиндр через открытый впускной клапан;
• сжатие. Под действием поршня воздух, который поступает в цилиндр, сжимается в несколько раз, а его температура возрастает до 800-00 градусов;
• рабочий ход. Газы, образующиеся во время горения, перемещают плунжер вниз;
• выпуск или рабочий такт. Коленвал вращается на 540-720 градусов от исходного положения, цилиндр перемещается вниз, а выхлопные газы опускаются.

Многие современные автомобили и грузовики оснащаются четырёхтактным мотором.

Дополнительные компоненты двигателя

В конструкции дизельного двигателя присутствуют и другие детали. Например, турбина. Многие моторы оснащаются турбонаддувом для увеличения мощности. Обычные же атмосферники не имеют такого устройства.

Давайте рассмотрим, что такое турбонадув и из чего он состоит.

Принцип работы турбины

Большое количество воздуха подается в цилиндры через турбонаддув. Также увеличивается подача горючего во время рабочего цикла. Все это позволяет увеличить мощность мотора.

Так как давление насоса в дизельном двигателе выше и постоянное, то это помогает избежать турбоям, которые часто присутствуют на бензиновом моторе. Которыми также часто недовольны владельцы бензиновых турбодвигателей.

Принцип работы турбины таков:

1. Отработанные газы проходят через компрессор.
2. Они постепенно раскручивают колесо турбины.
3. Затем вращение турбинного колеса передается компрессорному. Так происходит потому, что они оба установлены на одном валу.
4. Под действием вращения турбокомпрессор сжимает воздух. Затем последний поступает в интеркулер.
5. Здесь он начинает охлаждаться. Потом поступает снова в цилиндры силового агрегата.

Таким образом работает турбинное устройство. Дизельный двигатель запускается даже при отрицательных температурах внешней среды. Свечи накаливания разогревают воздушную смесь до 900 градусов. Именно поэтому сквозь турбины в цилиндры могут поступать холодные воздушные массы.

Турбонаддув он же турбонагнетатель состоит из

Турбонаддув дизельных двигателей состоит из следующих компонентов:

• воздухозаборник;
• компрессор;
• клапан для регулировки отработанных газов;
• заслонка для дросселя;
• фильтрующее устройство;
• интеркулер для охлаждения воздушных масс;
• давления датчики;
• коллектор впуска;
• соединительные трубки.

В свою очередь в турбину входят элементы:

• подшипники, которые создают вращение ее;
• чехол на турбине;
• чехол на компрессоре;
• сталистая сетка.

Есть разные виды турбонаддувов и их особенности. Так, например, в турбине с изменяемой геометрией измененное сечение входного клапана регулирует поток отработанных газов. Два компрессора устанавливаются последовательно для того, чтобы за каждый режим работы отвечало одно из устройств, а не два за все или одно за все режимы работ.

Если же компрессоры в моторе установлены параллельно, то турбоямы становятся еле ощутимы. Механический и автоматический турбьонаддув, установленные вместе, способствуют увеличенную мощности. Например, первый включается при низких оборотах, а второй при высоких.

Цикл работы турбонаддува

Теперь вы знаете, что такое турбонаддув и как он работает. Давайте посмотрим, каков его цикл.

1. Турбокомпрессор создает вакуум. Внутрь турбонаддува всасываются воздушные массы.
2. Дальше в работу вступают роторы.
3. Интеркулер охлаждает воздушные массы.
4. Впускной коллектор пропускает через себя холодный воздух. Но перед тем, как он попадет в него, воздушные массы проходят очистку через воздушные фильтрующие устройства.
5. Когда воздух будет набран до достаточного количества, клапан закроется.
6. Уже отработанные воздушные массы проходят в турбину силового агрегата внутреннего сгорания и давят на ротор.
7. Скорость вращения самой турбины и ее вала увеличивается до 1500 оборотов в секунду.

Таким образом за счет всех этих действий образовывается давление, которое и увеличивает мощность дизельного двигателя.

Похожая статья Характеристики и стоимость контрактного двигателя Тойота Сурф

Интеркулер и форсунка

Интеркулер для двигателя на дизеле был создан, чтобы не подвергать каждодневному ремонту детали мотора. Детали двигателя при действии на них высоких температур подвергаются быстрому износу. Чтобы такого не происходило, были созданы интеркулера.

Топливо, подающееся через форсунки, правильно распределяется и в нужном количестве. Поэтому не происходит детонации при правильном расположении угла подачи.

Тип дизельных ДВС

Существует три основных типа дизельного двигателя:

• с разделённой камерой сгорания. В нём подача топлива осуществляется в дополнительную камеру. Воздух поступает в вихревую камеру, сжимается, что позволяет улучшить процесс возгорания топлива;
• с неразделённой камерой сгорания. Данный двигатель отличается своей экономичностью, но в то же время он обладает высоким уровнем шума, что может вызывать определённый дискомфорт у водителя и пассажиров;
• предкамерный мотор. Подобный ДВС оснащается вставной форкамерой. Она соединяется с цилиндром при помощи тонких клапанов. Именно от формы и размера каналов зависит скорость движения газов во время сгорания ТВМ. Данный тип двигателя отличается тем, что он имеет низкий уровень шума и токсичности, что позволяет увеличить срок его службы.

Наибольшей популярностью пользуется последний вариант. Во время езды он не создаёт лишнего шума, благодаря чему вас ничего не отвлекает.

Система работы дизельного двигателя

Главным узлом любого мотора является его топливная система. Её основная задача – это своевременная подача топлива. При этом оно должно иметь определённое давление и температуру. Если эти два правила не соблюдаются, то автомобиль просто не заведётся.

Основными элементами дизельного двигателя являются следующие элементы:

• топливный насос;
• фильтр;
• форсунки.

Давайте более детально остановимся на каждом из этих элементов.

Топливный насос

Он отвечает за подачу топлива к форсункам. Современные двигатели оснащаются топливными насосами двух типов: рядные и распределительные.

Топливный фильтр

Фильтр – это один из самых главных элементов любого мотора. Он очищает топливную смесь от мусора, различных частиц и лишнего воздуха, который может попасть в систему. Фильтр подбирается в соответствии с моделью авто.

Форсунки

Форсунки также играют важную роль для топливной системы. Они отвечают за своевременную подачу топлива, поэтому от их надёжности зависит работоспособность и срок службы самого мотора.

В дизельных ДВС применяются форсунки 2-х типов:

• с распределителем;
• со шрифтовым распределителем.

Распределитель форсунок определяет интенсивность и форму факела отвечает за своевременность и интенсивность возгорания.

Как происходит запуск

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. В камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900оС, обеспечивая тем самым подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. О работе системы водителю в кабине сигнализирует контрольная лампа. Погасание контрольной лампы свидетельствует о готовности к запуску. Электропитание со свечи снимается автоматически, но не сразу, а через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предпускового подогрева обеспечивают легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30оС, разумеется, при условии соответствия сезону масла и дизтоплива.

Преимущества и недостатки дизельного двигателя

Отдельно хотелось бы рассмотреть плюсы дизельного двигателя. К ним можно отнести следующие моменты:

• низкий расход топлива. Дизельные моторы примерно на 30-40% меньше расходуют топлива, чем бензиновые ДВС;
• длительный срок службы. Дизельные агрегаты самые надёжные моторы в мире. Многие из них с лёгкостью преодолевают отметку в 700-800 тысяч километров;
• прекрасный разгон и отличная тяга. Дизельные моторы отличаются большим крутящим моментом, что позволяет автомобилю уверенно разгоняться на любой скорости;
• низкий уровень токсичности. Существует миф, что дизель обладает высокой токсичностью. Но это было раньше, поскольку современные системы переработки топлива снижают количество вредных веществ до минимума;
• высокий КПД. Дизельное топливо сгорает с большой отдачей.

Но, несмотря на очевидные преимущества дизельных двигателей, у него существуют и небольшие недостатки. К ним относится долгий прогрев в холодную погоду. Поскольку дизельный агрегат отличается минимальным расходом топлива и высоким КПД, ему нужно больше времени на прогрев.

Интеркуллер

Было замечено, что если при смесеобразовании используется холодный воздух, КПД двигателя увеличивается до 20%. Это открытие привело к появлению интеркуллера – дополнительного элемента турбин, повышающего эффективность работы.

После всасывания воздуха он проходит через радиатор, и в охлажденном состоянии попадает во впускной коллектор. Мы уже публиковали статью, в которой можно подробно ознакомиться со схемой работы интеркуллера.

За турбиной современного автомобиля необходимо должным образом ухаживать. Механизм крайне чувствителен к качеству моторного масла и перегреву. Поэтому смазочный материал рекомендуется менять не реже, чем через 5-7 тысяч километров пробега.

Кроме того, после остановки машины следует оставлять ДВС включенным на 1-2 минуты. Это позволяет турбине остыть (при резком прекращении циркуляции масла она перегревается). К сожалению, даже при грамотной эксплуатации ресурс компрессора редко превышает 150 тысяч километров.

На заметку: оптимальным решением проблемы перегрева турбины на дизельных моторах является установка турботаймера. Устройство оставляет двигатель запущенным на протяжении необходимого времени после выключения зажигания. После окончания необходимого периода электроника сама выключает силовой агрегат.

Строение и принцип действия дизельного двигателя делают его незаменимым агрегатом на тяжелом транспорте, которому необходима хорошая тяга «на низах». Современные дизели с равным успехом работают и в легковых автомобилях, главное требование к которым: приемистость и время набора скорости.

Сложный уход за дизелем компенсируется долговечностью, экономичностью и надежностью в любых ситуациях.

Что еще стоит почитать

Система питания дизельного двигателя

Топливно воздушная смесь

Впускной коллектор с изменяемой геометрией

Принцип работы двигателя автомобиля

Принцип работы инжектора

Ремонт дизельного двигателя в автосервисе Авто-Максима ЮАО Москвы

В целом, дизельные моторы имеют больше преимуществ, чем недостатков. В первую очередь это низкий расход топлива и длительный срок службы. Но, даже несмотря на свою надёжность, даже «дизеля» могут выходить из строя. Чаще всего это происходит по причине плохих дорог или неправильной эксплуатации.

Если у вас вдруг случилась поломка, и вам нужно произвести ремонт дизельного двигателя, вы можете смело обращаться в автосервис «Авто Максима» в ЮАО Москвы. Наши специалисты выполнят все необходимые работы в оперативные сроки, а вы получите исправный автомобиль и гарантию на все виды работ.

Запальные свечи

Чтобы разогреть головку блока цилиндров и блок цилиндров перед холодным стартом, в дизельных двигателях используются запальные свечи. Короткие и широкие свечи являются составной частью электросистемы автомобиля. При включении питания элементы в свечах очень быстро нагреваются.

Запальные свечи включаются при особом повороте колонки рулевого управления или с помощью отдельного переключателя. В последних моделях свечи выключаются автоматически, как только двигатель разогревается и разгоняется до скорости, превышающей скорость холостого хода.