4.2. Автомобили с дизельными двигателями
Этот тип двигателя получил свое название по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1897 году первый двигатель с самовоспламенением топлива. Конструктивно дизельный двигатель аналогичен бензиновому двигателю: те же цилиндры, поршни, распределительный вал, клапаны. Но имеется и ряд отличий, из которых главное, можно даже сказать принципиальное, заключается в том, что воспламенение топлива в дизельном двигателе производится не искрой от свечи зажигания, а за счет высокой температуры, которой достигает воздух в результате сжатия его поршнем в цилиндре.
Второй важный момент – способ подачи топлива. В бензиновом двигателе рабочим телом является смесь бензина с воздухом. Смесь готовится заранее (в карбюраторе) или непосредственно в момент ее подачи в цилиндры (в системах впрыска) – главное то, что топливо подается вместе с воздухом, а поджигается и сгорает относительно гомогенная топливовоздушная смесь.
В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в цилиндр всасывается воздух, затем он сжимается, и только после этого впрыскивается топливо, поэтому говорить о гомогенной топливовоздушной смеси не приходится. Впрыск производится в конце такта сжатия, топливо и воздух фактически не смешиваются друг с другом, горение происходит на фронте впрыскиваемой в сжатый воздух струи топлива.
Самовоспламенение топлива сопровождается резким, скачкообразным повышением давления в цилиндре – этим объясняется обычно шумная, жесткая работа дизельного двигателя. В низкооборотных дизельных двигателях с большим рабочим объемом, которые используются на грузовиках, этот недостаток проявляется в меньшей степени, и с ним мирятся. В дизельных двигателях легковых автомобилей от него пытаются избавиться применением вихревой камеры, или предкамеры, – небольшого отсека камеры сгорания, в который впрыскивается топливо. Там оно воспламеняется, частично перемешивается с воздухом, после чего горящая смесь распространяется по основному объему цилиндра. Этот способ несколько уменьшает жесткость работы двигателя, но снижает его тепловую эффективность и топливную экономичность. Для более плавного воспламенения топлива использованы двухступенчатый впрыск и сложная электронная схема управления.
Характерной особенностью дизельных двигателей является наличие твердых частиц в отработавших газах. Из-за гетерогенности процесса горения на поверхности отдельных частиц топлива всегда наблюдается некоторый недостаток кислорода, в результате чего вместо их окисления происходит частичное термическое разложение с образованием твердых продуктов – сажи. Для хорошего сжигания дизельного топлива требуется значительное, даже избыточное количество воздуха.
Также, степень сжатия у дизельного двигателя в 2 раза выше, чем у бензинового двигателя. Высокая, не менее 14 (достигает 25), степень сжатия необходима для того, чтобы температура воздуха в цилиндре поднялась до величины, достаточной для воспламенения топлива. Обычно в дизельных двигателях степень сжатия составляет 21–22 и ограничивается лишь прочностными характеристиками двигателя.
Устройства для подачи топлива в дизельных двигателях значительно сложнее, чем в бензиновых. Их сложность определяется прежде всего тем, что приходится впрыскивать очень маленькие, всего несколько миллиграмм, порции топлива в среду с высоким давлением. Эти порции должны быть очень точно отмерены – именно количеством подаваемого топлива управляется работа дизельного двигателя. Для этого нужны быстродействующие и точные форсунки. Высокая степень сжатия требует применения соответствующих топливных насосов – давление в сопле форсунки должно достигать нескольких сотен бар. Все это усложняет и ощутимо удорожает систему подачи топлива и, соответственно, сам дизельный двигатель.
Топливо из топливного бака забирается топливным насосом высокого давления, а затем под высоким давлением подается к топливным форсункам.
Для уменьшения количества вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, на автомобилях с дизельными двигателями устанавливается окислительный катализатор. Также используется система подмешивания выхлопных газов к свежему воздуху, поступающему в двигатель, в результате чего уменьшается процентное содержание кислорода в воздухе, который будет сжигаться в цилиндрах двигателя. В результате этого уменьшается температура сгорания топливной смеси, в результате чего уменьшается количество образовавшихся окислов азота.
Известны три способа впрыска дизельного топлива в цилиндры двигателя: через форкамеру, через вихревую камеру и прямой впрыск.
При впрыске дизельного топлива через форкамеру топливо распыляется по форкамере и мгновенно воспламеняется. В связи с незначительным количеством кислорода в форкамере сгорает только часть топлива, а остальное топливо вытесняется из форкамеры в цилиндр двигателя, где и сгорает полностью.
При впрыске топлива через вихревую камеру процесс сгорания топлива производится таким же образом, как и при впрыске топлива через форкамеру. Отличие заключается в форме и размерах канала, соединяющего вихревую камеру с камерой сгорания. При впрыске топлива в вихревую камеру происходит значительно лучшее перемешивание топлива с воздухом, а процесс сгорания осуществляется более плавно.