В России большинство автолюбителей предпочитают двигатели внутреннего сгорания, работающего на бензине и не стремятся приобретать автомобили с дизелем. Даже в то время, когда цена дизтоплива была намного дешевле бензина А-92 дизельный двигатель имел широкое распространение только на коммерческих машинах с большой грузоподъемностью или пассажировместимостью. И действительно, было очень накладно эксплуатировать автомобиль «Урал» с V-образным бензиновым двигателем, потребляющим 100 литров на 100 километров. Его в шутку так и называли «100 на 100». Во времена СССР автомобили с бензиновым двигателем и очень хорошим аппетитом выпускались заводом им. Лихачева (ЗИЛ-130), Горьковским автомобильным заводом (ГАЗ-51, ГАЗ-66) и т.д. В настоящее время цена за литр дизтоплива стала выше А-92, но и в этом случае дизельный двигатель является экономичным, но все также не пользуется большим спросом у населения. А вот почему, мы и разберемся в этой статье.
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.
Особенности дизельного двигателя
Основными проблемами производителей автомобилей с дизельным двигателем являлись вопросы повышенного «тракторного» шума, запуска при холодном состоянии, эксплуатации в зимних условиях, ускорения динамики разгона.
Борьба с шумом и вибрацией в салоне автомобиля велась проклейкой салона специальными материалами, но эффект был незначительный. И только после внедрения технологии с раздельной камерой сгорания значительно удалось снизить шумы и вибрацию на легковых автомобилях. Кроме этого, после реализации электронной системы управления ТНВД и форсунок значительно снижен не только «тракторный шум», но и увеличен максимальный порог оборотов коленчатого вала, который достиг 4500 об/мин.
Увеличение оборотов до 4500 явилось большим прогрессом в развитии дизельных двигателей, но необходимо отметить, что он со своим индивидуальным характером. Двигатель специфичный и требует соблюдения правил эксплуатации и управления. Возникают такие случаи, когда владелец автомобиля, приобретая его в целях экономии топлива через некоторое время разочаровывается в его расходе. Изучая стиль его управления автомобилем, выясняется, что, придерживаясь советов водителей, ранее управляющих автомобилем с дизельным двигателем, режим работы двигателя владелец не соблюдает. Автомобиль современный и близок к управлению так же, как и с бензиновым двигателем, а, следовательно, средние обороты его необходимо поддерживать в пределах 3000-3500. Если ездить с разделенной камерой сгорания на оборотах, не превышающих 2000, то и расход топлива, и износ деталей гарантирован.
Низкооборотные и мощные двигатели с непосредственным впрыском топлива в цилиндры не допускают превышения оборотов выше 2000-2500, а также, оснащенные насос-форсунками механического типа.
Проблемы холодного запуска дизелей
Проблема холодного старта на дизеле существовала с момента их производства. Автомобиль, простоявший ночь на морозе запустить утром было сложно. Водители КамАЗов порой, рискуя пожароопасностью, бензиновой лампой (в народе называют «паяльная лампа») открытым высокотемпературным пламенем грели масло в картере и топливные отстойники. После запуска холодный еще двигатель начинал свою работу с повышенным шумом и огромными клубами черного выхлопа отработанных газов. Сложность запуска дизеля в холодное время объясняется с очень низким испарением солярки. Согласно существующим ГОСТам температура замерзания дизельного топлива, а следовательно изменения его вязкости, показателей испарения делится на два вида:
— летняя марка топлива, работающая в диапазоне температур от минус 10 до минус 5 градусов;
— зимняя, с увеличенным диапазоном от минус 35 до минус 25 градусов.
Своевременный переход на соответствующие марки солярки, в зависимости от климатических условий, обеспечивал надежный удачный запуск.
Большую роль в пуске холодного двигателя сыграла разработанный подогрев воздуха внутри цилиндров свечой накаливания. Это был революционный прогресс в решении проблемы, особенно в холодных областях России.
Принцип работы свечи накаливания очень простой. При включении зажигания на свечи поступает импульсное напряжение, о чем информирует загорающийся на щитке приборов индикатор работы свечей (желтая лампа с символом спирали). Свечи прогреваются и, соответственно начинают воздействовать на молекулы воздуха, ускоряя их движение в цилиндрах двигателя. Процесс прогрева происходит в течение 20-30 секунд, контрольная лампа на панели гаснет и это является сигналом, разрешающим запуск двигателя.
Кроме свечей накаливания, работающие на прогрев воздуха в цилиндрах дизеля, другой тип свечей также разработан в этих целях, но прогрев происходит во впускной системе. Тип таких свечей называется факельным.
Факельная свеча вворачивается в впускной коллектор и через специальный штуцер к ней подводится солярка. На выходе свечи укладывается сетка в несколько слоев (в зависимости от типа свечи), которая смачиваясь соляркой испаряет ее под воздействием электрического накаливания электродов. Пары солярки подхватываются набегающим потоком воздуха, засасывающего поршнями и происходит реакция воспламенения, образующего на свече факел открытого пламени, размером до 30 мм. Факел, созданный накалом свечи и поступающего из атмосферы воздуха, начинает мгновенно прогревать воздух, поступающий в цилиндры двигателя.
При включении зажигания на панели приборов загорается контрольная лампа накаливания свечи. Готовность свечи к поджигу факела сообщает та же контрольная лампа, сменив режим постоянного свечения на мигающий режим.
Сигнализирующая миганием контрольная лампа сообщает водителю о возможности произвести вращение коленчатого вала стартером. При включении стартера автоматически открывается клапан подачи дизельного топлива в свечу и факел разгорается, поднимая температуру воздуха, который в свою очередь распределяется по цилиндрам. После успешного запуска дизеля, факельная свеча продолжает работать, обеспечивая ровный холостой ход и прекращается при заданной температуре двигателя.
Возникают ситуации, когда двигатель не запускается в морозную погоду. Возможными причинами могут быть:
— сильно разряжена аккумуляторная батарея;
— неисправна свеча накаливания или факельная свеча;
— заправлен бак не соответствующим климатическим условиям дизельным топливом;
— подсос воздуха на топливной магистрали;
— подкачивающий топливный насос не обеспечивает необходимое давление;
— неисправность ТНВД;
— низкая компрессия в цилиндрах.
Типы дизелей
Ресурс дизелей в климатических условиях эксплуатации Российской федерации составляет от 300 до 600 тыс. км. Такой широкий диапазон пробега объясняется наличием на территории России северных областей, где зимы суровые и долгие, а также южных с часто зависающим веселым солнцем.
Для дизельного двигателя зимние условий эксплуатации наиболее тяжелые и регулярность, систематичность и качество технического обслуживания является залогом успешного его использования даже при температурах ниже сорока градусов (Якутия).
Современные дизели делятся на типы, которым присвоены аббревиатуры, указывающие их конструктивные особенности. И тип двигателя желательно подбирать, учитывая условия его эксплуатации.
Производители при производстве дизелей применяют самые совершенные и проверенные многочисленными испытаниями технологии, и в зависимости от характеристик распределили их системно по группам: HDI, CDI, SDI, TDI.
В группах, обозначенных HDI, CDI, SDI, TDI общие две буквы DI — Direct Injection, то есть прямой впрыск топлива в камеру сгорания по простой технологической схеме – дизельное топливо закачивается в форсунки под высоким давлением. Количество подаваемого топлива и давление подачи регулируются таким образом, что сначала в камеру сгорания поступает небольшая порция топлива, а потом количество топлива возрастает. Такая схема создает работу дизельного двигателя более мягкой и плавной, и что главное, менее шумной.
Концерн PSA Peugeot Citroen скромно, используя технологию Common Rail обозначил свой дизель под шильдиком на крышке багажника HDI. Всего три буквы латиницы открывают огромный диапазон свободного времени для водителя, у которого только от одного слова «обслуживание» начинается «аллергия». У двигателей интервал сервисного обслуживания составляет 30 тыс. км, а ремень газораспределительного механизма и ремень навесных агрегатов не требуют замены в течение всего срока эксплуатации автомобиля.
В дизеле системы HDI применяется технология высокого давления. Подача топлива в единственную рампу осуществляется под давлением 2000 Бар, а оптимизация состава смеси контролируется электронным блоком управления. Двигатели HDI оснащены системой Common Rail. Особенностью системы является использование аккумуляторного резервуара, содержащий общую рампу, линию подачи топлива и форсунок. Электронный блок управления по заложенной в постоянную память программы передает управляющие коммутационные сигналы к форсункам, впрыскивающие топливо в камеру сгорания.
Система позволяет повысить точность управления процессом смесеобразования и горения, а также увеличивать давление впрыска. Common Rail повышает надежность и эффективность работы дизеля, но с применением сложного оборудования возрастает и стоимость двигателя.
В дизеле CDI применяется система Common Rail (Common Rail Diesel Injection), которая предоставила возможность сократить потребление топлива двигателем на 10-15%, при этом мощность мотора возросла на 30-35%. Наиболее сложная система и требует больших финансовых затрат для проведения сервисного обслуживания, но необходимо отметить, что качество и точность применяемых деталей и узлов снижают уровень износа их, увеличивая межремонтный интервал.
SDI (Saugdieseldirekteinspritzung – немец.) – самый надежный дизель, простой по конструкции и высоким уровнем устойчивости, разработанный и произведенный Volkswagen Group. Безнаддувный дизельный двигатель с прямым впрыском, иначе говоря атмосферный двигатель. Стоимость дизеля SDI значительно меньше TDI из-за отсутствия узлов наддува. Экономичность использования SDI проявляется уже при ремонте в связи с отсутствием дорогостоящей турбины наддува. Дизель уступает по мощности и по динамическим характеристикам более дорогим и сложным, но превосходит все остальные системы по надежности в работе.
Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection) разработан немецкой компанией Volkswagen. Его главное отличие, кроме непосредственного впрыска, является наличие турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбин. Двигатель гарантированно оптимизирует состав и наполнение цилиндров смесью, высокоэффективно поддерживает процесс горения топлива, экономичен и соответствует экологическим нормам безопасности. Турбонаддув координирует и регулирует энергию потока отработавших газов и тем самым обеспечивает необходимое давление воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя.
Слабым звеном системы TDI является его турбина, средний ресурс которой рассчитан на 150 тыс. км.
Все технологии CDI, TDI, HDI, SDI построены на использовании системы Common Rail третьего поколения, и не сильно различаются в схеме работы дизеля. Шильдики CDI, TDI, HDI, SDI на крышках багажника и звукозащитной крышке двигателя всего лишь отличительный знак производителей. Лидера, производящего дизели выделить из существующих групп сложно для каждого отдельного случая эксплуатации автомобиля. Здесь работает только расчет эффективности работы двигателя и его приспособленность к условиям эксплуатации. Но с большой уверенностью можно рекомендовать современный дизель, с которым несомненно существует выигрыш в экономическом плане и эффективности его использования.
