Многие люди смогут отличить работу дизельного двигателя по его характерному шуму при работе и характерному черному дыму из выхлопной трубы. Но стоит спросить о возможной причине стука или дыма, и единицы смогут дать точный и верный ответ. Первым шагом при диагностировании неисправностей является знание и понимание основных принципов работы дизеля.
Дизельные двигатели схожи по конструкции с бензиновыми двигателями и тоже работают по двух- или четырехтактным циклам. Только есть существенное отличие: двухтактные бензиновые двигатели применяются на маленьких и легких агрегатах, например как мопед, бензопила, маленькая моторная лодка, а 2-тактные дизеля используются в основном для очень крупных и низкооборотных агрегатов, например судовых двигателей.
Всасывание и воспламенение.
Главные отличия дизеля от бензинового ДВС - это подача топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр и способ воспламенения. В бензиновом двигателе бензин смешивается с воздухом до того, как смесь попадает в цилиндр, далее образованная смесь поджигается в нужный момент свечой зажигания. Практически во всех режимах дроссельная заслонка дозирует воздушный поток и, соответственно, поступающую в двигатель смесь.
В дизель воздух поступает в цилиндр раздельно с топливом и после сжимается. Из-за большой степени сжатия (компрессия 20:1), воздух разогревается до температуры больше 700°С. В момент, когда поршень поднимается в ВМТ (конец сжатия), топливо под большим давлением подается в камеру сгорания в распыленном состоянии. Солярка смешивается с разогретым воздухом и происходит воспламенение топливовоздушной смеси. При сгорании смеси выделяется энергия, которая двигает поршень вниз и начинается рабочий ход. При низкой температуре воздуха снижается текучесть дизельного топлива, обусловленная образованием парафина. Из-за этого солярка становится густой и забивает поры топливного фильтра. Фирмы-производители дизтоплива добавляют в него особые присадки, повышающие текучесть топлива, тем самым гарантируя надежный пуск до температуры -22°С. Если при похолодании в баке залито летнее топливо, в бак следует добавить специально предназначенную разжижающую присадку. При запуске в холодную погоду температура сжимаемого воздуха в цилиндре может быть недостаточной для возгорания топлива. Это решается с помощью системы предварительного подогрева. Двигатели могут оснащаться системой предварительного подогревания. В ней используются электрические свечи накала, нагревающие воздух в камерах сгорания перед и во время запуска двигателя. В большинстве дизельных ДВС не используется дроссельная заслонка во впускном коллекторе. Исключением являются двигатели, в которых установлен пневматический регулятор, его работа основана на разрежении во впускном коллекторе. Также дроссельная заслонка редко используется для работы усилителя тормозов, для этого применяется отдельный вакуумный насос. Самое явное преимущество дизельного двигателя состоит в том, что из-за большой степени сжатия поступающего воздуха, дизель является намного термоэффективным двигателем. Это означает, что он выдаст большую мощность от заданного объема топлива. Результатом является: авто с дизельным двигателем проедет большее расстояние на данном количестве топлива, чем аналогичный автомобиль с бензиновым ДВС с тем же рабочим объемом.
История дизельного двигателя.
В 1890 году Рудольф Дизель обосновал теорию "экономичности термического двигателя", который согласно большому давлению в цилиндрах значительно повышает свое КПД. Хоть Дизель и был первым, кто собрал и запатентовал двигатель с воспламенением от сильного сжатия, инженер Экройд Стюарт до этого высказывал подобные идеи. Он создал двигатель, в котором воздух затягивался в цилиндр, далее сжимался, а после нагнетался в емкость, в которую затем впрыскивалось топливо. Для пуска двигателя емкость снаружи нагревалась лампой, а после запуска работа поддерживалась без тепла, подводимого снаружи.
Экройд Стюарт не увидел главного преимущества от высокой степени сжатия, он всего лишь экспериментировал с вероятностью исключить свечи зажигания из двигателя, т.е. он не принял во внимание самое важное преимущество – топливную экономию и эффективность. Может, это и явилось причиной того, что до сих пор используют термин "дизельный двигатель", "двигатель Дизеля", или просто "дизель", т.к. теория Р. Дизеля явилась основой для проектирования современных силовых агрегатов с воспламенением от сильного сжатия. В дальнейшем около 30 лет подобные двигатели очень широко применялись в штатных механизмах и силовых агрегатах морских судов, но существовавшие в то время системы впрыска не позволяли применять дизель в высоко-оборотистых механизмах. Низкая скорость вращения, большой вес компрессора, требуемого для работы системы впрыска, делали невозможным применение первых дизельных двигателей на автомобильном транспорте.
В 20-е годы XX столетия инженер из Германии Роберт Бош доработал встроенный топливный насос, агрегат, который широко используется и по сей день. Применение гидравлической системы для подачи и впрыска топлива позволило не использовать отдельный воздушный компрессор и позволило в дальнейшем увеличить скорость вращения. Востребованный высоко-оборотистый дизель стал пользоваться огромной популярностью как двигатель для общественного и вспомогательного транспорта, но доводы в сторону двигателей с электрическим зажиганием позволяли им пользоваться огромным спросом для установки на пассажирских авто и малых грузовиках. В 50-е и 60-е годы дизель ставится в больших объемах на грузовики и фургоны, а в 70-е годы после сильного подъема цен на топливо, к нему обращают свое внимание мировые производители дешевых небольших пассажирских авто.
В последующие годы растет популярность дизеля на легковых и грузовых машинах, не только из-за долговечности и экономичности дизеля, а также из-за малой токсичности отработанных газов. Все основные европейские авто-производители в настоящее время предлагают модели с дизельным силовым агрегатом.
Как работает дизель.
В первом такте (впуск), поршень опускается вниз, порция воздуха затягивается в цилиндр через впускной клапан.
Во втором такте (сжатие), поршень поднимается вверх, впускной и выпускной клапана закрыты, воздух сжимается в среднем в 17 раз (от 14 до 24), т.е. начальный объем уменьшатся в 17 раз, и воздух сильно нагревается.
В начале третьего такта (рабочий ход) поршень опять опускается вниз, топливо поступает в камеру сгорания через форсунки. Топливо распыляется на мельчайшие частицы, смешивающиеся со сжатым воздухом для образования самовоспламеняющейся смеси. При движении поршня энергия сгорания высвобождается.
Выпускной клапан открывается, в начале четвертого такта (выпуск) поршень поднимается вверх, и отработанные газы выходят через выпускной клапан.
Плюсы и минусы дизельных двигателей.
Бензиновый двигатель очень неэффективен и преобразует в полезную работу не более 26% энергии топлива. Дизельный же двигатель имеет КПД равный 36%. Дизельное топливо обычно дешевле.
Отсутствие электрического зажигания является преимуществом для всех видов двигателей, увеличивается надежность, уменьшается токсичность выхлопных газов, что особенно важно. Дизельный силовой агрегат выдает большой крутящий момент в наиболее широком диапазоне оборотов, что наделяет дизельный автомобиль большей "гибкостью" при движении. Это является неоспоримым преимуществом и в корабельных двигателях , т.к. большой крутящий момент при малых оборотах облегчает эффективное применение мощности двигателя.
Есть и иные преимущества. Выхлопные газы дизеля являются более "чистыми" по сравнению с газами, выделяемыми бензиновым двигателем. Окиси углерода практически нет в отработанных газах дизеля, поэтому ядовитыми газами, являются углеводороды, окислы азота и сажа (тот самый четный дым). Они приводят к астме и заболеваниям легких. Больше всего “чадят” атмосферу дизели автобусов и грузовиков, которые являются старыми и часто не отрегулированными.
Концентрация углекислого газа может быть уменьшена с помощью ЕСК - системы рециркуляции отработавших газов. Данная система забирает часть отработанных газов из выпускного коллектора через патрубок во впускной коллектор. Процесс контролируется специальным клапаном, и благодаря снижению температуры сгорания, концентрация углекислоты снижается. Для значительного снижения выбросов углеводородов и углекислот используются каталитические нейтрализаторы окислительного типа. Касательно остающейся серы, качественное и профессиональное обслуживание дизельных силовых агрегатов, в сочетании с отделителями частиц, помогает минимизировать черный дым.
Прочим важным вопросом, касающимся безопасности, является то, что дизтопливо нелетучее, и, таким образом, возможность возгорания дизельных двигателей очень мала.
Безусловно, есть и недостатки, среди них характерный стук при работе и "жирное" топливо и некоторые проблемы с заведением зимой. Но они замечаются только владельцами “дизелей”, а для постороннего человека практически не видны.
Базовая конструкция дизельного двигателя аналогична бензиновому двигателю. Одинаковые узлы и агрегаты у дизеля обычно увесистее и более устойчивы к высокому давлению, имеющему место у дизеля. Поршневые головки специально спроектированы под особенности работы в дизельных двигателях и часто под завышенную степень сжатия. А еще головки поршней находятся немного выше верхней поверхности блока цилиндров в момент, когда поршень находится в ВМТ своего хода. В большинстве случаев головки поршней содержат в себе и саму камеру сгорания.
Степень сжатия - это соотношение рабочего объема над поршнем, когда он находится в своей НМТ к объему, когда поршень находится в своей верхней мертвой точке. Поршни, применяемые на дизельных двигателях малого объема, почти всегда спроектированы так, чтобы они выступали над верхней поверхностью блока цилиндров, когда сам поршень находится в ВМТ. Когда ДВС собран, величину выступа следует проверить и правильно отрегулировать, если она не соответствует допускам завода-изготовителя. Величина выступания крайне важна для нужной степени сжатия и в то же время обеспечивает, чтобы клапаны не сталкивались с головками поршней. Данная высота выступания проверяется проворачиванием коленвала вручную, медленно подводя к ВМТ, высота замеряется с помощью спецприборов. На некоторых силовых агрегатах малого объема присутствует набор прокладок разной толщины. В различных случаях на края прокладок нанесены насечки, она предназначены для легкости определения толщины прокладки. Необходимая толщина подбирается для обеспечения точного выступания над плоскостью прокладки при монтаже, а не над самой плоскостью блока цилиндров. Необходимо руководствоваться инструкцией по конкретному двигателю для правильного определения толщины прокладки. Для прочих двигателей также можно подбирать и сими поршни. Затем для верной установки следует изменить вертикальный размер поршней и подобрать их нужного размера, обеспечив правильное выступание. Если на старых двигателях с большим объемом выступание значительное, головки поршней могут обрабатываться механически.
Механизм привода впускных и выпускных клапанов обычный, так же как и привод распределительного вала с тем отличием, что распредвал вращает и ТНВД на некоторых двигателях. Обычно привод с зубчатым ремнем, цепной или на шестернях.
Топливный насос в движение приводится промежуточной шестерней, которая приводит в действие также и распределительный вал. Главные отличия между дизельными и бензиновыми ДВС состоят в подаче воздуха, в которой отсутствует дроссельная заслонка в составе камер сгорания и наличии топливного насоса высокого давления или насос-форсунок на месте трамплера и карбюратора или инжекторной системы впрыска бензина. В классических бензиновых двигателях с впрыском, бензин подается во впускной коллектор при малом давлении в топливной рампе и смешивается с воздухом перед цилиндрами. В дизельных и в некоторых бензиновых двигателях топливо подается под большим давлением непосредственно в сами цилиндры. Большая часть дизельных двигателей относятся к виду с неразделенной камерой сгорания (непосредственный впрыск). Они имеют простую плоскую ГБЦ с камерой сгорания, образуемой в самой головке поршня - образуется вихрь из поступающего воздухе благодаря специальной конструкции впускного коллектора. Данные двигатели лучше запускаются и экономичнее работают, но более шумные и не обеспечивают полного сгорания, что является источником образования черного дыма из выхлопной трубы. В двигателях с непосредственным впрыском применяются форсунки с распылителями, чтобы лучше распределять топливо по всему объему камеры сгорания.
Из-за постоянной конкуренции с бензиновыми двигателями, большинство дизелей имели предкамерный тип впрыска, в котором сгорание смеси начинается предкамере).
Опять следует отметить вихрь воздуха, поступаемого в предкамеру. Предкамера находится внутри ГБЦ, и форсунка входит в нее. Данные двигатели не дают экономии топлива, как у силовых агрегатов с непосредственным впрыском, и они тяжелее заводятся в холоде. Но они тише и мягче работают, что является одним из главных условий для автомобильного дизельного двигателя.
В попытках достичь лучших результатов последним явилась система впрыска "коммон-рэил", которая отличается от прочих систем непосредственного впрыска. В то время как стандартные системы создают давление для каждой форсунки заново, у разработанной системы давление дизтоплива поддерживается в общей топливной рампе и разделяется по форсункам. Электрическая система управления двигателем с ЭБУ изменяет давление до 1350 бар независимо от цикла впрыска в соответствии с количеством оборотов и нагрузкой на двигатель.
Форсунки, оснащенные специальными соленоидными клапанами, могут управляться другим образом. Вместе с большим давлением впрыска, которое существует и на малых оборотах, изменяемый впрыск обеспечивает улучшенное образование горючей смеси топлива в цилиндрах. Результатом является лучшая топливная эффективность и сниженная токсичности выхлопных газов.
