Що таке дизель? Принцип роботи, будову та технічні характеристики дизельного двигуна

Дизельні двигуни досить поширені на легкових автомобілях. Багато моделей мають хоча б один варіант в моторній гамі. І це без урахування вантажівок, автобусів і будівельної техніки, де їх застосовують повсюдно. Далі розглянуто, що таке дизель, конструкція, принцип роботи, особливості.

Визначення

Даний агрегат являє собою поршневий двигун внутрішнього згоряння, функціонування якого базується на самозайманні розпорошеного палива від нагрівання або стиснення.

Особливості конструкції

Бензиновий двигун має ті ж конструктивні елементи, що і дизель. Схема функціонування в цілому також аналогічна. Відмінність полягає в процесах формування паливоповітряної суміші і її згоряння. До того ж дизельні мотори відрізняються більш міцними деталями. Це обумовлено приблизно вдвічі більш високим ступенем стиснення, ніж у бензинових двигунів (19-24 проти 9-11).

Класифікація

По конструкції камери згоряння дизелі підрозділяють на варіанти з окремою камерою згоряння і з безпосереднім уприскуванням. У першому випадку камера згорання відокремлена від циліндра і з'єднана з ним каналом. При стисненні надходить в камеру вихрового типу повітря закручується, що покращує сумішоутворення і самозаймання, яке починається там і продовжується в основній камері. Дизельні двигуни цього типу раніше були поширені на легкових автомобілях у зв'язку з тим, що вони відрізнялися зниженим рівнем шуму і великим діапазоном оборотів від розглянутих далі варіантів. У дизельних двигунах з безпосереднім уприскуванням камера згорання знаходиться в поршні, а паливо подається в надпоршневое простір. Така конструкція спочатку використовувалася на низькообертових моторах великого об'єму. Вони відрізнялися високим рівнем шуму і вібрацій і низькою витратою палива. Пізніше, з появою паливних насосів високого тиску з електронним управлінням і оптимізацією процесу згоряння, конструктори досягли стабільної роботи при діапазоні до 4500 об./мін. До того ж зросла економічність, знизився рівень шуму і рівень вібрацій. Серед заходів по зменшенню жорсткості роботи – багатостадійний предвприск. Завдяки цьому двигуни цього типу отримали в останні два десятиліття широке поширення.


За принципом функціонування дизелі підрозділяють на чотиритактні і двотактні, як і бензинові мотори. Їх особливості розглянуті далі.

Принцип функціонування

Щоб розуміти, що таке дизель і чим обумовлені його функціональні особливості, необхідно розглянути принцип роботи. Наведена вище класифікація поршневих ДВЗ заснована на кількості тактів, що входять в робочий цикл, які виділяють за величиною кута повороту колінчастого валу. Отже, робочий цикл чотиритактних двигунів включає 4 фази.

Впуск. Відбувається при повороті коленвала від 0 до 180°. При цьому повітря проходить у циліндр крізь відкритий на 345-355° впускний клапан. Одночасно з ним під час повороту коленвала на 10-15° відкритий випускний клапан, що називають перекриттям.

Стиснення. Поршень, рухаючись вгору при 180-360°, стискає повітря в 16-25 раз (ступінь стиснення), а впускний клапан закривається на початку такту (при 190-210°).

Робочий хід, розширення. Відбувається при 360-540°. На початку такту до досягнення поршнем верхньої мертвої точки паливо подається гаряче повітря і запалюється. Це особливість дизельних двигунів, що відрізняє їх від бензинових, де відбувається випередження запалювання. Виділяються при цьому продукти горіння штовхають поршень вниз. При цьому час згоряння палива дорівнює часу його подачі форсункою і триває не довше тривалості робочого ходу. Тобто при робочому процесі тиск газів постійно, внаслідок чого дизелі розвивають більший крутний момент. Також важливою особливістю таких моторів є необхідність забезпечення надлишку повітря в циліндрі, так як полум'я займає невелику частину камери згоряння. Тобто відрізняється пропорція паливоповітряної суміші.

Випуск. При 540-720° повороту колінчастого відкритий випускний клапан поршень, рухаючись вгору, витісняє вихлопні гази.

Двотактний цикл відрізняється укороченими фазами і єдиним процесом газообміну в циліндрі (продувкою), яка склалася між кінцем робочого ходу і початком стиснення. При русі поршня вниз продукти горіння видаляються через випускні клапани або вікна (в стінки циліндра). Пізніше відкриваються впускні вікна для надходження свіжого повітря. Коли поршень піднімається, всі вікна закриваються, і починається стиск. Трохи раніше досягнення ВМТ впорскується і запалюється паливо, починається розширення. Через складність забезпечення продування вихрової камери двотактні мотори бувають тільки з безпосереднім уприскуванням. Продуктивність таких двигунів вище в 16-17 разів, ніж характеристики чотиритактного дизеля типу. Її приріст забезпечується вдвічі більше частим здійсненням робочих ходів, але частково скорочується із-за їх меншої величини і продування. Внаслідок подвоєного кількості робочих ходів двотактний цикл особливо актуальний у разі неможливості збільшення частоти обертання.
Основною проблемою таких двигунів є продувка через її нетривалість, що неможливо компенсувати без зниження ефективності за рахунок укорочення робочого ходу. До того ж неможливо розділити вихлоп і свіже повітря, з-за чого частина останнього видаляється з відпрацьованими газами. Дану проблему можна вирішити шляхом забезпечення випередження випускних вікон. У такому разі гази починають віддалятися до продувки, і після закриття випуску циліндр доповнюється свіжим повітрям. До того ж при використанні одного циліндра виникають складності з синхронністю відкриття/закриття вікон, тому існують двигуни (ПДП), в яких кожен циліндр має два поршня, що рухаються в одній площині. Один із них контролює впуск, інший – випуск. За механізмом здійснення продувку підрозділяють на щілинну (віконну) та клапанно-щілинну. У першому випадку вікна служать і впускними і випускними отворами. Другий варіант передбачає їх використання в якості впускних отворів, а для випуску служить клапан в головці циліндра. Зазвичай двотактні дизелі застосовують на важких транспортних засобах начебто кораблів, тепловозів, танків.

Паливна система

Паливна апаратура дизельних двигунів значно складніше, ніж у бензинових. Це пояснюється високими вимогами до точності подачі палива за часом, кількістю і тиску. Основні компоненти паливної системи – ТНВД, форсунки, фільтр. Широко застосовується система подачі палива з комп'ютерним управлінням (Common-Rail). Вона уприскує його двома порціями. Перша з них маленька, що служить для підвищення температури в камері згоряння (предвприск), що дозволяє знизити шум і вібрації. До того ж ця система підвищує на малих обертах крутний момент на 25%, знижує витрату палива на 20% і вміст сажі у вихлопних газах.

Турбонаддув

На дизельних двигунах дуже широко застосовують турбіни. Це пояснюється більш високим (в 15-2 разу тиском вихлопних газів, які розкручують турбіну, що дозволяє уникнути турбоями, забезпечивши наддув з більш низьких оборотів.

Холодний запуск

Можна знайти багато відгуків про те, що при негативних температурах не заводиться дизель. Складність запуску таких моторів в холодних умовах обумовлена тим, що для цього потрібно більше енергії. Для полегшення процесу їх оснащують передпусковим підігрівачем. Цей пристрій представлено свічками розжарювання, розміщеними в камерах згоряння, які при включенні запалювання підігрівають повітря в них і працюють ще протягом 15-25 секунд після запуску для забезпечення стабільності роботи непрогрітого двигуна. Завдяки цьому дизелі заводяться при температурах -30-25 °С.

Особливості обслуговування

Для забезпечення довговічності при експлуатації необхідно знати, що таке дизель і як його обслуговувати. Відносно невисока поширеність розглянутих двигунів в порівнянні з бензиновими пояснюється в тому числі більш складним обслуговуванням. Насамперед це стосується паливної системи високої складності. З-за цього дизелі вкрай чутливі до вмісту в паливі води і механічних частинок, а її ремонт дорожче, як і двигуна в цілому в порівнянні з бензиновим того ж рівня. У разі наявності турбіни також високі вимоги до якості моторного масла. Її ресурс зазвичай складає 150 тис. км, а вартість висока. У будь-якому випадку на дизельних двигунах міняти масло частіше, ніж на бензинових (в 2 рази за європейськими нормами). Як було зазначено, у даних моторів зустрічаються проблеми холодного запуску, коли при низьких температурах не заводиться дизель. У деяких випадках це викликано використанням невідповідного палива (залежно від сезону на таких двигунах застосовують різні сорти, так як літнє паливо при низьких температурах застигає).

Експлуатаційні якості

До того ж багатьом не по душі такі якості дизельних моторів, як менші потужність і діапазон робочих обертів, більш високий рівень шуму і вібрацій. Бензиновий двигун дійсно зазвичай перевершує в продуктивності, в тому числі і літрової потужності, аналогічний дизель. Мотор даного типу при цьому має більш високий і рівний графік крутного моменту. Підвищена ступінь стиснення, що забезпечує більший крутний момент, що змушує застосовувати більш міцні деталі. Так як вони важче, знижується потужність. До того ж це позначається на масі двигуна, а отже, і автомобіля. Невеликий діапазон робочих обертів пояснюється тривалішим займанням палива, внаслідок чого на високих обертах воно не встигає догоріти. Підвищений рівень шуму і вібрацій викликає різке наростання тиску в циліндрі при займанні. Основними достоїнствами дизелів вважають більш високу тяговитість, економічність і екологічність. Тяговитість, тобто високий крутний момент на малих обертах, пояснюється згоранням палива по мірі уприскування. Це забезпечує більшу чуйність і полегшує ефективне використання потужності. Економічність обумовлена як низькою витратою, так і тим, що паливо для дизеля дешевше. До того ж можливо використовувати в якості нього низькосортні важкі масла завдяки відсутності жорстких вимог до випаровуваності. А чим паливо важче, тим вище ефективність мотора. Нарешті, дизелі працюють на бідних сумішах в порівнянні з бензиновими моторами і за високого ступеня стиснення. Останнє забезпечує менші втрати тепла з відпрацьованими газами, тобто більшу ефективність. Всі ці заходи знижують витрату палива. Дизель, завдяки цьому, витрачає його на 30-40% менше. Екологічність дизелів пояснюється тим, що в їхніх вихлопних газах нижче вміст окису вуглецю. Це досягається застосуванням складних систем очищення, завдяки чому зараз бензиновий двигун відповідає екологічним нормам, що і дизель. Мотор такого типу раніше значно поступався бензиновому у даному відношенні.

Застосування

Як зрозуміло з того, що таке дизель і які його характеристики, такі мотори найбільш підходять для тих випадків, коли необхідна висока тяга на низьких оборотах. Тому ними оснащують майже всі автобуси, вантажівки і будівельну техніку. Що стосується приватних транспортних засобів, серед них такі параметри, найбільш важливі для позашляховиків. Завдяки високій економічності даними моторами оснащують та міські моделі. До того ж вони зручніше в управлінні в таких умовах. Тест-драйви дизелів свідчать про це.