4-тактный дизельный двигатель внутреннего сгорания. Это «брат — близнец» другого двигателя — бензинового. Конструктивно «дизель» мало чем отличается от бензинового собрата, но вот принцип работы у этих двигателей отличаются, именно поэтому двигатели внутреннего сгорания пошли по 3 разным путям развития.
Дизельные двигатели являются наиболее востребованными силовыми агрегатами, которые используются в самых разных отраслях. Ими оснащаются легковые и грузовые автомобили, стационарные силовые установки, спецтехника, суда и тепловозы. Это своеобразные «рабочие лошадки», которым можно доверить самую тяжелую работу. С момента своего появления в 1897 году дизели практически не изменили принцип работы и общую схему строения, но с каждым годом они совершенствуются с целью уменьшения их веса и габаритов, снижения расхода топлива и повышения их мощности. В основном модернизация заключается в разработке электронных систем, которые контролируют работу основных систем и механизмов мотора с целью определения оптимального режима его работы.
Основная отличительная черта дизельного двигателя от его главного бензинового конкурента – это способ воспламенения топливо в цилиндрах, которое загорается при контакте с сжатым воздухом во время рабочего такта, что исключает детонацию внутри цилиндров и дает возможность повысить степень сжатия, а также использовать различные системы наддува, повышающие мощность.
Эффективность любого, в том числе и дизельного, двигателя зависит от количества вырабатываемой энергии во время сжигания топлива в цилиндрах. В этом отношении дизельный двигатель намного эффективнее своего бензинового собрата, что достигается за счет более высокой степени сжатия, достигающей 20-24 единиц, и более рационального расхода топлива, который напрямую зависит от нагрузок. Если сравнить дизельный и бензиновый мотор одинакового объема, первый будет потреблять в 1,5 раза меньше топлива. КПД дизельного двигателя составляет около 40%, а с применением дополнительной системы наддува – все 50%, что в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового. Дизельные двигатели в своем строении имеют более прочные и надежные элементы, рассчитанные на работу в условиях высокого давления, поэтому они более долговечные. А вот недостатком таких моторов является их большая масса, шум при работе, затруднительный пуск при минусовой температуре. При эксплуатации нужно тщательно следить за исправностью плунжерной пары, от которой напрямую зависит качество работы двигателя.В связи с тем что экономически и по эффективности дизельные двигатели себя оправдывают, а с увеличением размеров выгода их только возрастает, их применяют на океанском и морском флотах, на всех видах надводных кораблей гражданского назначения.
Устройство двигателя
Дизельный двигатель состоит из следующих основных систем и механизмов:
— кривошипно-шатунный механизм;
— газораспределительный механизм;
— система пуска;
— система питания;
— система охлаждения;
— смазочная система.
Принцип работы такого мотора следующий: в цилиндрах сгорает топливо, выделяя энергию, которая приводит в движение поршень, связанный шатуном с коленчатым валом. Под давлением поршня вал прокручивается, передавая крутящий момент дальше по трансмиссии к ведущим колесам. Системы двигателя отвечают за пуск двигателя, подачу топлива, охлаждение и смазку рабочих поверхностей.
Дизельные двигатели могут быть 2-х и 4-тактными. И первые, и вторые успешно используются в тех или иных сферах и имеют свои плюсы и минусы. Преимуществами 4-хтактных двигателей являются:
— экономичность;
— надежность;
— несложное техническое обслуживание;
— сравнительно невысокий уровень шума при работе.
Недостатки 4-хтактных моторов:
— 3 из 4-х тактов цикла совершаются по инерции, а рабочим является только один из них;
— резкие увеличения нагрузки во время рабочего такта требуют наличия более надежных и прочных элементов: шатуна, втулки цилиндра, поршня и т.д.;
— необходимость регулировки тепловых зазоров;
— запускается дольше, чем 2-хтактный.
Процесс работы дизельного ДВС
Как следует из названия, рабочий цикл четырехтактного ДВС состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Четыре такта соответствуют двум оборотам коленчатого вала и четырем ходам поршня. Ход поршня – это его перемещение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) или наоборот. Это одна из важнейших характеристик двигателя, которая определяет степень сжатия топливной смеси, а значит, и мощность мотора.
Первый такт – такт впуска – в дизельном двигателе представляет собой впуск воздуха через открывающийся впускной клапан. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в камере сгорания, что способствует втягиванию воздуха во внутрь цилиндра.
Такт сжатия – это процесс сжатия воздуха при перемещении поршня от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. При этом в камере сгорания уменьшается объем, увеличивается давление и повышается температура. Немного раньше, чем поршень займет свое верхнее положение, через форсунку впрыскивается дизельное топливо. При взаимодействии с горячим воздухом оно воспламеняется.
Такт расширения (рабочий ход) характеризируется резким повышением температуры и давления за счет сгорания топлива. Газы давят на поршень, перемещая его из ВМТ в НМТ, что и является основной движущей силой мотора.
Такт выпуска – удаление отработанных газов из камеры сгорания через выпускной клапан. Поршень поднимается к ВМТ, выталкивая продукты сгорания наружу.
После такта выпуска снова идет такт впуска, и так по кругу.
Работа всех 4ех тактных двигателей одинакова, будь то дизельный двигатель или бензиновый.
Камера сгорания топливной смеси
Разные модели дизельных двигателей отличаются между собой строением. Одной из немаловажных особенностей является конструкция камеры сгорания. Камера сгорания – пространство, где происходит непосредственно сгорание топлива.
Неразделенная камера расположена в самой конструкции поршня или над ним, топливо на такте впуска попадает в нее, где и воспламеняется при контакте с горячим воздухом. Это наиболее простой вариант, который, к тому же, снижает расход топлива, но сам двигатель при этом работает очень громко.
Другой вариант – разделенная камера, то есть камера, которая расположена не в цилиндре, а на входе к нему и связана с ними каналом. Топливо подается в камеру, где перемешивается с вихревым потоком воздуха, что лучше распределяет его капли по объему камеры сгорания и способствует полному его сгоранию. Такой вариант подходит для небольших установок и легковых автомобилей, но он значительно увеличивает расход топлива.
Исходя из конструкции поршня и камеры сгорания, различают разные способы смесеобразования в дизельных ДВС:
— объемное смесеобразование – самый простой вариант. Камера сгорания представляет собой пространство между поршнем, стенками и головкой цилиндров. Топливо впрыскивается под давлением через распылители форсунок. Здесь важно, чтобы капли топлива равномерно распределились по всему объему и тщательно перемешались с горячим воздухом, поэтому в камере сгорания должен быть организован вихреобразный поток топливного заряда, а само топливо должно подаваться под высоким давлением;
— объемно-пленочное смесеобразование используется в высокооборотных двигателях с небольшим диаметром цилиндров. Это как раз тот случай, когда камера сгорания частично размещена в конструкции поршня. В двигателях отечественного производства такие камеры имеют форму усеченного конуса. При впрыскивании заряда топливо попадает на поверхность камеры сгорания, образуя «пленку», после чего практически сразу испаряется. Вихревые потоки, образующиеся под воздействием перемещения поршня, дают возможность равномерно распределить капли топлива по всему объему;
— предкамерное смесеобразование предусматривает наличие предкамеры, расположенной в крышке цилиндров. Она соединяется с основной камерой сгорания небольшими каналами с диаметрами не более 1% от диаметра поршня. Объем предкамеры составляет до 30% общего объема камер. По форме она может быть овальной, цилиндрической или сферической;
— вихрекамерное смесеобразование происходит за счет вихревых потоков воздуха, что дает возможность максимально смешать топливный заряд с воздухом даже при невысоком давлении его подачи в камеру сгорания. Для такого смесеобразования необходима раздельная камера, состоящая из двух частей: вихревой и основной. На такте сжатия воздух из основной камеры вытесняется в вихревую, которая имеет сферическую или цилиндрическую форму. Поток воздуха создает вихревые движения, двигаясь по кругу, а в это время из форсунки под давлением до 12 МПа подается заряд топлива. Поскольку воздушная волна находится в движении, капли равномерно распределяются по всему ее объему.
Компановка двигателя
4-хтактные дизельные двигатели отличаются не только строением камеры сгорания, но и количеством цилиндров и их взаимным расположением. Понятно, что чем больше цилиндров, тем мощнее двигатель и тем он больше по размерам. Разные варианты компоновки позволяют уменьшить его габариты. В зависимости от расположения цилиндров двигатели могут быть:
1. Рядный.
Все цилиндры располагаются в ряд. Такая конструкция двигателей самая простая, детали к ним имеют несложную технологию производства.
2. V- образный двигатель.
Цилиндры в таком двигателе расставлены в форме буквы V, в двух плоскостях, двумя рядами под углом 600 или 900. Образовавшийся между ними угол – это угол развала. Плюсом такого двигателя является мощность. Его габариты могут быть уменьшены за счет смещения в развал других важных компонентов. Его длина меньше, а ширина больше. Но из-за сложности таких конструкций бывает непросто определить центр их тяжести.
3. Оппозитные двигатели (маркировка В).
Они относительно уравновешены, для уменьшения вибрации все элементы располагают симметрично. Их конструктивная особенность – центральное крепление вала на жестком блоке. Это так же влияет на степень вибрации. Угол развала составляет 1800.
4. Рядно-смещенные агрегаты (маркировки VR).
Данную компоновку отличает малый угол развала (150) V-образного двигателя в содружестве с рядным аналогом. Это позволяет уменьшить размеры продольного и поперечного агрегатов. Маркировка VR расшифровывается как V – образный, R — рядный.
5. W (или дубль V) — образный.
Самый сложный двигатель. Известен двумя видами компоновки.
1) Три ряда, угол развала большой.
2) Две компоновки VR. Они компактны, несмотря на большое количество цилиндров.
6. Радиальный (звездообразный) поршневой двигатель.
Имеет небольшой размер длины с плотным размещение нескольких штук цилиндров. Они располагаются вокруг коленчатого вала радиальными лучами с равными углами. Ее отличает от других наличие кривошипно-шатунного механизма. В данной конструкции один цилиндр выступает главным, остальные – прицепные – крепятся к первому по периферии. Недостаток: в состоянии покоя нижние цилиндры могут пострадать от протекания масла. Рекомендуют до начала запуска двигателя проверить, что в нижних цилиндрах масло отсутствует. В противном случае возможны гидроудар и поломка. Чтобы увеличить размер и мощность двигателя, достаточно удлинить коленчатый вал образованием нескольких рядов – звезд.
Электронный тюнинг двигателя
Современные дизельные двигатели все чаще оснащаются электроникой. Датчики, которые следят за нагрузкой, контролируют количество подаваемого топлива и состав топливного заряда, подают сигналы на центральный блок управления, который подбирает наиболее эффективный и экономичный режим работы. При аккуратном влиянии на эту систему с помощью дополнительного оборудования можно повышать мощность мотора в определенных пределах – это называется чип-тюнинг. Сразу нужно отметить, что чип-тюнинг не всесилен, он может улучшить работу двигателя в пределах заложенного запаса прочности и частенько приводит к преждевременному износу систем.
Для повышения мощности дизельного двигателя могут использоваться специальные модули или блоки:
— блок, изменяющий импульсы управления форсунками;
— блок замещения режимов топливного насоса высокого давления (ТНВД);
— блок, изменяющий показания датчика давления топливного аккумулятора;
— модуль оптимизации режимов.
Первый вариант – наиболее известный среди любителей автотюнинга. Принцип работы такого блока заключается в том, что он блокирует кратковременные импульсы предварительного и последующего открытия иглы форсунки, что снижает расход топлива. Блок можно установить практически на любой модели, но его работа снижает ресурс мотора и сказывается на качестве сгорания топливного заряда.
Второй вариант можно использовать только на определенных моделях двигателей. Принцип действия этого блока заключается в том, что он подает сигнал с заниженными показателями давления в системе, что приводить к его повышению. В этом случае «страдает» ТНВД и форсунки, но мощность двигателя действительно увеличивается, а расход топлива уменьшается.
Третий вариант предусматривает подключение блока, который подает на ЭБУ сигнал о допустимо пониженном значении давления в топливном аккумуляторе. В результате давление автоматически повышается и по-новому определяется время и интенсивность впрыска топлива. При этом повышается мощность и экономится топливо, но снижается ресурс ТНВД и сажевого фильтра, на стенках цилиндра образуется нагар, двигатель начинает «дымиться».
Наиболее безопасным и эффективным является четвертый вариант. Модуль, подключаемый к системе питания, не подменяет нужными цифрами истинные значения рабочих параметров, а посылает сигнал на ЭБУ о необходимости изменения длительности впрыскивания топлива. В отличие от предыдущих блоков, данный модуль не приносит никакого вреда ни двигателю, ни ТНВД, так что ресурс систем и механизмов не уменьшится. Недостатком данного способа повышения мощности является его высокая стоимость, ограниченность в применении и сложность конструкции. Он не дает моментального эффекта – его действие можно почувствовать только через некоторое время.
Есть и другие способы, в том числе и использование оборудования, которое меняет истинное значение стехиометрических величин, но их применение может привести к серьезным проблемам с двигателем.
Одной из серьезных проблем, возникающих у дизельных двигателей — это так называемый «разнос двигателя». Это нештатный режим работы дизельного двигателя, при котором происходит неуправляемое повышение частоты вращения вала двигателя. Такой режим обычно наблюдается после запуска или при резком сбросе нагрузки. Основных причин разноса две: неисправность топливного насоса высокого давления и попадание большого количества моторного масла в камеру сгорания.
