Устройство и принцип работы дизельного двигателя автомобиля

В дизельных двигателях при низких оборотах крутящий момент больше чем в бензиновых

По сравнению с бензиновыми двигателями, дизели умеют производит гораздо больше крутящего момента на низких оборотах. Вот почему в грузовых автомобилях как правило используют дизельные моторы. Благодаря доступному максимальному крутящему моменту на низких оборотах автомобиля становится не только экономичным, но и способен на низких оборотах брать на себя большую нагрузку.

Из-за этого большинство сельскохозяйственной, строительной, коммунальной и т.п. техники как правило оснащаются дизельными моторами.

Бензиновые двигатели как правило имеют небольшой крутящий момент по сравнению с дизельными автомобилями. Правда бензиновые моторы имеют всегда больше мощность. Но современные технологии и использование в дизельных двигателях турбин позволило автопроизводителям фактически сравнять дизельные автомобили по мощности с бензиновыми конкурентами. В итоге в большинстве случаев современные дизельные автомобили стали более предпочтительнее чем бензиновые аналоги, даже для тех, кто любит мощные модели.

Основная функция топливной системы, описание её работы

Предназначение топливной системы дизельного двигателя состоит в том, чтобы подавать в цилиндры чётко отмеренный объём дизтоплива, в конкретный момент времени и под определённым давлением. Поэтому, из-за необходимости обеспечения постоянно высокого давления, а также за счёт высоких требований к точности работы, топливная система дизельного двигателя будет посложнее в конструкции, чем у бензинового, и достаточно дорого стоит.

Теперь попробуем представить себе бесперебойную работу топливной системы в поэтапном режиме, а для этого разберём по порядку отдельные её составные части. Итак, топливный бак служит для размещения солярки и обеспечения бесперебойной её подачи в систему. Эту функцию выполняют трубопроводы. Вначале топливоподкачивающий насос высасывает из бака горючее и через фильтры подаёт его в распределительную магистраль низкого давления. При этом в системе поддерживается стабильное давление в три атмосферы. Топливо дважды проходит фильтрацию, проходя через фильтры грубой и тонкой очистки.

В задачу топливных фильтров входит контроль за чистотой горючего и избавлением его от возможных посторонних примесей – от частичек грязи, воды, песчинок. Прошли те времена, когда дизели были весьма непритязательными к качеству топлива. Современные дизельные моторы требуют очень чистой солярки для сохранения достойных показателей своей работы. Чистота горючего сейчас – одно из основных и непременных условий эффективной работы двигателя. Топливо подаётся только в том случае, если в системе нет воздуха.

После фильтрации солярка попадает в магистраль высокого давления. Эта часть топливной системы обеспечивает подачу и впрыскивание необходимого количества топлива в цилиндры двигателя в определённые моменты. Топливный насос высокого давления, в соответствии с порядком работы цилиндров, по топливопроводам высокого давления подаёт солярку к форсункам.

Форсунки, размещённые в головках цилиндров, впрыскивают и распыляют горючее в камеры сгорания двигателя. Так как топливоподкачиваюший насос постоянно подаёт топливному насосу высокого давления топлива «с запасом», то есть несколько больше, чем нужно, то его избыток, а с ним – и попавший в систему воздух, по специальным дренажным трубопроводам, отводится обратно в бак.

Для обеспечения синхронного впрыска горючего устроена специальная топливная рамка, к которой и подсоединяются форсунки. Они своими головками находятся во впускной трубе и распыляют топливо, сразу же в момент его подачи.

ТНВД создаёт необходимый для впрыска показатель давления, и топливо распределяется по всем цилиндрам мотора. Количество впрыскиваемого топлива, а вместе с ним – и мощностной режим работы двигателя, варьируются нажатиями на педаль акселератора. В современных дизельных двигателях просто нажатием педали «газа» объём подаваемого топлива не увеличивается, а меняется лишь программа, по которой работают регуляторы.

Да, нажимая на педаль, водитель или механизатор уже не увеличивает этим непосредственную подачу топлива, как это было в карбюраторных движках прошлых лет. А только изменяет тем самым программы работы регуляторов, которые уже сами варьируют объём единовременной подачи горючего, по строго определённым зависимостям от числа оборотов, давления наддува, от положения рычага регулятора и т.п.

Конструктивные особенности дизеля

Конструктивно основа дизеля не отличается от бензинового двигателя. Такой же блок цилиндров, поршневая группа, шатуны и головка блока с клапанами. Клапаны, в отличие от бензинового двигателя изготовлены из жаропрочной стали, более массивные, выдерживающие температурные и ударные нагрузки. Дизель по массе намного тяжелее и по габаритам больше бензинового двигателя. Разница в технологических принципах действия бензинового и дизельного двигателей вносит конструктивные различия в детали по массе, а также по габаритам. Принципиальные отличия, связанные моделью преобразования топлива и воздуха в топливовоздушную смесь с условиями воспламенения, характеризуют основу работы дизеля.

В отличие от бензинового двигателя, подача воздуха в цилиндры дизеля и дизельного топлива осуществляется раздельно:

воздух, поступивший в цилиндр, под воздействием давления поршня сжимается, нагреваясь до высоких температур (600 — 900 градусов);
в необходимый момент, по заданной программе или настройке топливного насоса высокого давления (ТНВД) из форсунки под давлением 180 атм происходит впрыск топлива, в результате которого смесь самовоспламеняется.

Главным в дизельном двигателе является смесеобразование в очень короткий промежуток времени.

Дизельные двигатели делятся на два класса по типу камеры сгорания:

раздельная (форкамерная);
неразделенная (непосредственный впрыск).

В настоящее время, большая часть легковых автомобилей оснащается дизелями с раздельной камерой сгорания. Использование раздельной камеры сгорания позволяет снизить скорость нарастания компрессии в цилиндрах, а это, в свою очередь, уменьшает шум и вибрацию двигателя. Раздельная камера сгорания представляет собой камеру, дополнительно оснащенную вихревой и являющейся промежуточным звеном между цилиндром и топливной системой. Благодаря работе вихревой камеры, в которой начинается воспламенение смеси и происходит снижение темпа нарастания компрессии.

На рисунках:

а) вихревая камера фирмы Перкинс (разделенная камера сгорания);

б) дельтовидная, применяемая на двигателях Д-245 (неразделенная камера сгорания);

в) тороидальная, применяемая на двигателях КамАЗ (неразделенная камера сгорания);

1 – вставка вихревой камеры;

2 – головка блока цилиндров;

3 – форсунка;

А – полость вихревой камеры;

Б – полость камеры в поршне.

Возможно, холодное отношение к дизелю потенциальных покупателей автомобилей связано с громким шумом его, напоминающего работу трактора, а также низкими скоростными показателями. Это было справедливо в то время, когда основу дизельных двигателей составляли ТНВД с плунжерными парами и впрыск осуществлялся непосредственно в камеру сгорания с применением механических узлов. Двигатели с непосредственным впрыском (нераздельной камерой сгорания) ещё существуют и наиболее часто встречаются на коммерческом дизельном транспорте. В нераздельной камере сгорания впрыск топлива происходит в надпоршневое пространство, а камера сгорания расположена в углублении поршня. Устаревшая технология непосредственного впрыска для двигателей с большим объемом в настоящее время актуальна, несмотря на применение двухступенчатой системы впрыска, управляемых электроникой ТНВД и форсунок, снижения шумов и получения стабильных высоких оборотов коленчатого вала.

На рисунке — неразделенная камера сгорания и свеча накаливания. В поршне предусмотрена канавка, в которой происходит горение смеси.

Какой двигатель эффективней: Дизель или бензин?

https://youtube.com/watch?v=ilZyCD-QlJg

Дизельные двигатели продолжают совершенствоваться в экологическом плане, постепенно, доказывая, что уровень вредных веществ в выхлопе может быть почти таким же, как в бензиновых автомобилях. Но пока что все равно бензиновые двигатели считаются более экологичными. Но есть в дизельных двигателях неоспоримое преимущество, которое заключается в том, что они, по сравнению с бензиновыми, намного экономичнее.

Действительно, в большинстве случаев дизельные двигатели значительно превосходят бензиновые по топливной эффективности.

Это объясняется особенностью температуры самовоспламенения дизельного топлива в камере сгорания. Температура самовоспламенения — это температура, при которой соотношение в смеси кислорода-топлива будет приводить к самовоспламенению топливной смеси.

В бензиновых моторах наоборот важно, чтобы температура в соотношении бензин-кислород в камере сгорания не приводила к самовоспламенению бензина во время сжатия, поскольку это может привести к воспламенению топлива до подачи свечами зажигания искры. Это может привести к повреждению двигателя

Чтобы этого не происходило, бензиновые моторы имеют довольно низкие коэффициенты сжатия (такт сжатия, когда определенное количество кислорода и бензина попадают в камеру сгорания). Это необходимо чтобы во время сжатия резко не повышалась температура воздуха.

Поскольку дизельные моторы не имеют во время такта сжатия (впуска) в камере сгорания дизельного топлива, они могут сжимать всасываемый кислород намного больше, чем бензиновые двигатели. В результате сильного сжатия воздух в камере сгорания сильно нагревается, после чего в камеру сгорания попадает дизельное топливо, которое в итоге самовоспламеняется.

Другим преимуществом эффективности дизельного двигателя является отсутствие дроссельной заслонки. Когда вы нажимаете педаль газа в бензиновом автомобиле, это открывает впускные клапана в двигателе, что позволяет большому количеству воздуха попадать в мотор.

Соответственно чем больше кислорода, тем больше энергии образуется в результате воспламенения топлива, которое также в этом случае начинает подаваться в повышенном объеме. Стоит отметить, что этот процесс контролирует компьютер, который и определяет необходимое количество топлива.

В дизельных моторах дроссельные клапаны не нужны. При нажатии педали газа компьютер просто определяет, какое количество топлива необходимо подать в камеру сгорания.

В результате этого при работе дизельного мотора теряется не много топлива, в отличие от бензиновых моторов, которые большой процент бензина сжигают зря.

Дополнительные компоненты двигателя

Помимо основных деталей, которые обязательно присутствуют в конструкции двигателя, есть еще дополнительные детали и узлы, которые улучшают характеристики и работу ДВС.

Принцип работы турбины

Турбина — это устройство, которое создает дополнительного нагнетание топлива. Двигатель с турбиной имеет большую производительность.

Идея создания турбины появилась при обнаружении такого факта, что при движении поршня вверх, солярка не успевает полностью сгорать.

С помощью турбины, сгорание топлива в цилиндрах происходит до конца, за счет чего уменьшается расход топлива и увеличивается мощность ДВС.

Турбонаддув, он же турбонагнетатель состоит из:

подшипники — служит опорой дает возможность вращаться валу;
кожух на турбине;
кожух на компрессоре;
стальная сетка.

Цикл работы турбонаддува:

Компрессор создает вакуум и всасывается воздух внутрь системы.
Ротор турбины передает вращение ротору.
Интеркулер охлаждает воздух.
Через впускной коллектор осуществляется подача воздуха, предварительно воздух проходит степени очистки (воздушные фильтры). После поступления воздуха, впускной клапан закрывается.
Отработанные газы движутся через турбину ДВС и создают давление на ротор.
В этот момент скорость вращения турбины вала турбины очень высока, достигает 1500 оборотов в секунду. От этого начинает вращаться ротор компрессора.

Цикл далее повторяется.

Интеркулер и форсунка

При сжатии плотность воздуха и температура увеличиваются. Это негативно сказывается на межремонтном периоде деталей двигателя. В связи с чем была разработано устройство, которое охлаждает горячий воздушный поток.

В зависимости от модификации дизельных двигателей, в цилиндре топливо может распыляться одной или двумя форсунками.

Плюсы и минусы турбированных движков

Как любое устройство, турбированный двигатель обладает определенными преимуществами и недостатками. В список достоинств данного двигателя входят следующие пункты:

Существенное повышение мощности, а также крутящего момента двигателя на 70% по сравнению с атмосферным аналогом, что является основной целью конструктивного изменения агрегата.
Уменьшение расхода бензина или дизтоплива из расчета на единицу мощности.
Улучшение экологических характеристик выхлопных газов благодаря работе турбокомпрессора, а также наиболее полномусгоранию топливовоздушной смеси в цилиндрах.
Снижение уровня шума.
Универсальность конструкции турбированного двигателя как бензинового, так и дизельного, что позволяет устанавливать его на авто любых марок. Монтаж силового агрегата данного вида возможен с использованием прежних крепежных элементов.

К основным недостаткам данных моторов относятся такие эксплуатационные минусы:

сложность конструкции, создающая трудности при эксплуатации;

необходимо постоянно менять моторное масло, заливаемоекак в картер двигателя, таки в турбину, а также регулярно отслеживать его качество;
частая замена воздушных и масляных фильтров;
повышенные требования к качеству бензина и дизтоплива, которые должны иметь высокую степень очистки;
увеличение общего расхода топлива;
высокая стоимость ремонта турбированного двигателя;
необходимость работы двигателя на холостых оборотах перед отключением, чтобы продлить ресурс самой турбины.

При оценке всех плюсов и минусов напрашивается вывод, что эффективность и мощность турбированных моторов существенно выше атмосферных силовых агрегатов со схожим объемом. Обладателям машин с таким двигателем необходимо внимательно следить за мотором своего авто.

Только при таком отношении силовой агрегат с турбонаддувом способен обеспечить высокую эффективность на всех режимах при любых дорожных условиях.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Примечание.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Основные типы топливных систем дизеля

Наибольшее распространение получили 4 типа топливных систем дизельных моторов:

рядный ТНВД
ТНВД распределительного типа
насос-форсунки
система Common Rail

Рядный ТНВД – проверенное десятилетиями решение, которое активно применяется на грузовой и специальной технике с дизельными моторами. В основе этой системы подачи топлива находится работа плунжерной пары. Цилиндр движется в гильзе, создавая давление и сжимая топливо до необходимых показателей. Как только они достигнуты, открывается специальный клапан, подающий топливо на форсунку, которая впрыскивает его в цилиндр. Плунжер в это время движется вниз, открывает канал для впуска горючего в пространство гильзы с помощью топливоподкачивающего насоса, и цикл повторяется.

Работа самого плунжера становится возможна благодаря кулачковому валу, который приводится от мотора. Кулачки «толкают» клапана, а мкфта опережения впрыска, соединяющая ТНВД и двигатель, корректирует работу топливной системы.

Неоспоримые достоинства системы подачи топлива с рядными ТНВД – их ремонтопригодность и доступность обслуживания.

ТНВД распределительного типа конструктивно напоминает рядный топливный насос. Отличие заключается в количестве плунжерных пар. Если в рядном ТНВД одна пара идет на один цилиндр, то в распределительном работы одной плунжерной пары достаточно, чтобы обслуживать два, три, и даже шесть цилиндров. Это достигается через опцию вращения плунжера вокруг оси. Вращаясь, плунжер поочередно открывает выпускные клапана, подавая горючее на форсунки нескольких цилиндров.

Эволюция распределительных ТНВД привела к тому, что появились уже роторные топливные насосы: в них плунжеры помещаются в ротор и в процессе работы движутся навстречу двуг другу, пока ротор вращает их, распределяя тем самым топливо по камере сгорания.

Преимущество системы подачи топлива с распределительным ТНВД – компактность самого устройства. Недостатки – сложность настройки, применение схем электронного управления и корректировки работы.

Система подачи топлива в цилиндр с помощью насос-форсунок вообще исключает необходимость ТНВД как отдельного элемента. В этом случае, форсунка и насосная секция – это один узел в общем корпусе.

В результате достигается легкость регулировки подачи топлива в конкретный цилиндр, а при выходе из строя одной насос-форсунки, остальные продолжают работать, что облегчает ремонт. Конструктивно, насос-форсунки приводят в действие плунжеры распредвал ГРМ в головке блока цилиндров.

Система подачи топлива насос-форсунками распространена не только на грузовых, но и на легковых автомобилях. К недостаткам ее можно отнести высокую стоимость запчастей, а также крайнюю чувствительность к качеству дизельного топлива. Мельчайшие примеси в горючем могут легко вывести из строя насос-форсунку, что отражается на стоимости эксплуатации такого решения в личном автомобиле.

Система Common Rail стала своего рода прорывом в части решения механизма подачи топлива в дизельных ДВС. Эта система позволяет экономить топливо при высоком КПД дизеля, что и сделало ее такой популярной. Common Rail придумали инженеры Bosch еще в 90-х годах. Сегодня большинство дизельного транспорта оснащается именно Коммон Реил.

Главное отличие этой системы – наличие аккумулятора высокого давления в общей магистрали. Туда топливо нагнетается отдельным ТНВД, чтобы затем под постоянным давлением подаваться на форсунки. Именно постоянство давления дает возможность быстро и эффективно впрыскивать горючее в цилиндр. Как результат – производительная, мягкая и комфортная работа дизельного двигателя. Бонусом – упрощение конструкции самого ТНВД в системе Common Rail.

Управляется работа системы отдельным ЭБУ: группа датчиков сообщает контроллеру, сколько и как скоро нужно подать дизельное топливо в цилиндры. С другой стороны, сложность и недостаток Коммон Реил обусловлена как раз умной электроникой и принципом работы системы. Поэтому владельцам таких решений стоит выбирать качественное топливо и своевременно менять топливные фильтры.

О том, как еще продлить жизнь вашего дизельного двигателя, мы писали здесь.

Если вы в поиске качественных запчастей для своего дизельного двигателя, проверьте наш каталог