Дизельные двигатели для автомобилей бывают разные, и дело не только в объёме и количестве цилиндров, поэтому попробуем кратко обозреть современный рынок и выяснить, какие из моторов самые надёжные.
Ассоциации со словом «дизель» у жителя России всегда однозначны: запах солярки от пассажирского автобуса, чёрная гарь от проезжающего мимо грузовика, винтажные джинсы и часы одноименного бренда. Тем не менее у большинства жителей Европы слово, происходящее от фамилии немецкого изобретателя - это синоним надежного, недорогого и мощного «сердца» автомобиля. В нашей же стране его популярность не такая высокая, видимо, из-за погодных условий и знаний, что солярка густеет на холоде.
Рейтинги надежности, а особенно для автомобилей - дело неблагодарное. Сколько мнений, столько и списков, в которых составитель просто выражает свой взгляд на тот или иной предмет. Именно поэтому хотим обратить внимание, что приводимый ниже рейтинг не претендует стать неоспоримой истиной, а всего лишь попытка систематизировать данные, знания и (частично) личная точка зрения составителя.
В поисках ответа на вопрос, какой двигатель на дизельном топливе занимает ведущее место в комплектации легковых автомобилей, можно заметить, что некоторые рейтинги называют самой лучшей продукцию концернов Mercedes и BMW. Однако ситуация в мире автопромышленности сегодня несколько иная, попробуем разобраться.
Как показывают рейтинги крупных мировых автомобильных салонов, времена, когда дизельные двигатели легковушек представляли собой уменьшенные копии агрегатов, установленных на тяжеловесных грузовиках, ушли в прошлое. Особенно преуспел в выпуске таких моторов известный всем концерн Volkswagen, разработавший двигатель 1,9 TDI. На сегодняшний день он занимает первое место и считается самым сбалансированным по динамике и мощности.
Благодаря новейшим инженерным решениям, в частности, обновлённой турбине и увеличению давления в камерах сгорания, удалось не только добиться уникальных экологических характеристик, но и снизить . Причём мощность осталась на прежнем уровне (90–120 л. с.). Самые новые автомобили серии Passat оборудованы сейчас двигателем с максимальными показателями (комплектация BlueMotion). Расход топлива составляет 3,3 л на 100 км.
Второе место занимает модификация мотора с трёмя турбинами, принадлежащая немецкой компании BMW. В первый раз этот агрегат был представлен несколько назад. Он обладает 6 цилиндрами и, имея объём 3,0 л, способен развивать мощность в 381 л. с. Комплектуются этими движками новейшие автомобили 5 и 7 серий, а также тяжеловесные кроссоверы с индексами Х5 и Х6. Модификацией его снабжены кабриолеты, имеющие серийный номер 6. Правда она имеет две турбины, за счёт чего мощность уменьшена до 313 л. с.
Не так давно на суд потенциальных покупателей были представлены автомашины, чьи двигатели имеют четыре турбины, и при крутящем моменте в 800 Нм, мощность будет в рамках 390–406 л. с.
Автомашина с четырёхтурбинным двигателем
Третье место нашего рейтинга заняла американская фирма промышленных дизельных движков Cummins, выпустившая суперфорсированный двигатель по заказу известной компании Dodge. Справедливости ради нужно отметить, что заокеанские производители не слишком жаловали вниманием дизельные моторы, предпочитая разрабатывать бензиновые. Однако увеличивающийся в последнее время спрос на автомобили с агрегатами, потребляющими солярку, заставил их обратить внимание на производство дизелей.
Модель показала себя достаточно мощной (240–275 л. с.), но в попытке занять «дизельную» нишу на рынке американцы слукавили и выдали за свою разработку итальянского концерна Fiat. Моделью такого двигателя оборудовался Maserati Ghibli, но из-за кризиса производство было отдано штатовским промышленникам.
Движок этот был признан не только самым экологичным, но и самым инновационным: при его производстве были применены металлы, использующиеся в космической промышленности и фильтры плазменной очистки топлива. То, что двигатель занял только третье место, «заслуга» узкой направленности. Его устанавливают только на спортивные болиды и пикапы Dodge Ram. По экономичности он может дать фору своим конкурентам: расход составляет всего 8,5 л на 100 километров.
Ворвавшиеся 20 лет назад на мировой автомобильный рынок корейцы не только сумели занять на нем достойное место, но и «подвинуть» в рейтинге японских гигантов. Пройдя длинный путь «от электрочайников до карьерных самосвалов», они также не хотят упускать своей выгоды, которую сулит повышенный спрос на авто, оборудованные дизельными двигателями.
Как всегда, азиатские производители поступили весьма хитро: не желая капитально перестраивать производство и соревноваться с европейцами и американцами в мощности агрегатов, им удалось создать мотор объемом 1,7 л, который может выдавать 110–136 л. с. Не спешите презрительно морщить нос! При таких довольно скромных (по сравнению с продукцией других производителей) данных, дизель компании Hyundai обладает таким невероятным крутящим моментом, что не уступает в динамике бензиновым агрегатам, имеющим мощность 150–170 л. с.
Надо сказать, что таким агрегатом оборудован автомобиль Hyundai i40, поставляемый на европейский рынок. В Корее также дизельные двигатели как-то не нашли широкого применения (или туда еще не дошла волна «моды»), а потому их пока что ставят только на экспортные машины. В последнее время этот же агрегат появлялся на кроссовере с индексом ix35, а сейчас им оснащают такие популярные автомобили, как Grandeur и Sonata. Расход топлива, правда, побольше, чем у конкурентов, но корейцы и не стремятся кого-то удивлять. Их задача – поставлять надежных «рабочих лошадок», способных на среднее потребление топлива, в этом случае – 5,5 л на 100 км.
«Выжав» достаточное количество мощности из автомобилей и завоевав на рынке свою ячейку, японскому концерну Toyota теперь нет смысла кому-то что-то доказывать. Концепция, на которую производители бросили все силы, это экология и экономия при сохранении достаточной мощности. И это им удалось. Создавая двигатель для своего компактного автомобильчика с именем Urban Cruiser, они думали о том, чтобы жителям мегаполисов было не только удобно передвигаться по городу, но и в их головах не включался бы «калькулятор», подсчитывающий расходы на топливо.
Один из самых маленьких на сегодняшний день дизельных агрегатов – это 1,4 л мотор с мощностью всего 90 л. с. Это пятое место нашего рейтинга. Такие параметры, однако, не мешают создавать крутящий момент, позволяющий легко «тянуть» полноприводный автомобиль. Расход же дизельного топлива, в зависимости от режима поездки, составляет от 4 до 6 л на 100 км.
Такой вопрос немного наивен, так как этот параметр зависит от многих факторов, в том числе и от манеры вождения. Но если выбирать лучший из вышеприведенного перечня, то первенство по надежности будет отдано американцам Cummins с двигателем Dodge.
И дело не в мощности или расходе топлива на 100 км. Скорее всего, роль играют материалы, применяемые в производстве. Блок цилиндра сделан из высокоуглеродистого чугуна, способного выдержать не только высокое давление, но и значительный температурный режим. А его поршни делаются из специального алюминиевого сплава, который применяется в деталях космических аппаратов. Это значит, что они способны выдержать и длительную работу при экстремальных режимах, и резкое повышение нагрузки при смене скоростного режима.
Также двигатель оборудован топливной системой впрыска Common Rail, которая, несмотря на довольно капризное отношение к качеству дизельного топлива, не только значительно экономит его расход, но и играет решающую роль в уменьшении шума мотора. Именно этими двигателями оборудуются как спортивные машины, так и авто повышенной проходимости. То есть, именно те экземпляры автопрома, эксплуатация которых происходит в экстремальных условиях, требуя от мотора не только непревзойденной мощности, но и безупречной надежности.
Если говорить о рейтинге автомобилей, которые подходят для российских дорог, лучше всего обратить внимание на образцы японского производства. Необязательно это будет Toyota (к двигателю которой, кстати, ни у одного российского автолюбителя претензий нет).
Для наших необъятных просторов вполне сгодятся Mazda, Honda, Nissan или вновь возрожденный Datsun. Весьма неплохо показала себя в эксплуатации Subaru.
Дело в том, что европейские машины, оборудованные дизельным двигателем, очень чувствительны к нашей солярке, качество очистки которой оставляет желать лучшего. Как показывают многочисленные отзывы автовладельцев, японские авто менее подвержены неисправностям при пользовании дизельным топливом, благодаря многочисленным устройствам очистки, электронным приспособлениям и встроенным предпусковым подогревателям, не дающим застывать солярке при низком температурном режиме.
ООО «Уральский дизель-моторный завод» является крупным отечественным производителем дизельных силовых агрегатов повышенной мощности для локомотивов, судов, малых электростанций. Находится в г. Екатеринбурге. Входит в группу компаний «Синара».
Основание Уральского (УДМЗ) связано с Великой Отечественной войной. В 1941 году в Екатеринбург были эвакуированы Харьковский завод №75 и моторный участок Кировского (Ленинградского) завода. На их базе было основано производство танковых силовых агрегатов В2-34.
После войны УДМЗ специализировался на выпуске мощных уникальных двигателей серии ДМ-21. Их использовали на БелАЗах, специализированной технике (в частности, в тракторах ЧТЗ Т-800 с силой тяги 75 т), в энергетических установках. В 90-х годах освоено изготовление дизелей для судов.
Вхождение Уральского дизель-моторного завода в структуру группы компаний «Синара» (2008 г.) способствовало модернизации производственных мощностей, открытию новых цехов, привлечению инвестиций. С 2012 года УДМЗ выпускает новую серию силовых агрегатов ДМ-185, соответствующих лучшим мировым образцам.
К разработке дизелей семейства ДМ-185 Уральский дизель-моторный завод приступил в 2012 году. В рамках целевой федеральной программы предприятие подписало контракт с Минпромторгом на изготовление базовых образцов высокооборотных дизель-моторов нового поколения.
В короткие сроки была организована производственная площадка для выпуска узлов и компонентов, а также сборки силовых агрегатов. Помимо специалистов Уральского дизель-моторного завода, участие в разработке приняли Центральный НИИ дизелей, МГТУ, УФУ, германская инжиниринговая компания FEV. Всего в проекте задействовано более ста конструкторов, 30 инженеров, инвестиции превысили 2 млрд рублей. Столь плодотворное сотрудничество позволило воплотить в конструкции передовые инженерные решения.
На данный момент семейство ДМ-185 насчитывает 9 моделей двигателей с широким диапазоном мощностных характеристик (от 1000 до 4000 кВт) и 7 дизель-генераторов. Количество цилиндров варьируется от 6 до 20, в зависимости от модификации и области применения. В дальнейшем максимальную мощность некоторых моделей планируется довести до 6000 кВт.
Первый высокооборотный 12-цилиндровый мотор тепловозного применения 12ДМ-185Т был собран в октябре 2014 года. Спустя месяц его подвергли всесторонним испытаниям, которые показали соответствие требуемым характеристикам.
Следующей на Уральском дизель-моторном заводе собрали 16-цилиндровую модификацию 16ДМ-185Т2 с двухступенчатым турбонаддувом мощностью 3740 кВт. Силовой агрегат предназначен для применения в тепловозостроении. В июле 2015 г. столь необходимый российскому машиностроению двигатель представили Председателю правительства Д. А. Медведеву на форуме «Иннопром».
Параллельно шла работа над мотором 12ДМ-185А для карьерных самосвалов-гигантов БелАЗ. Этот проект имеет широкие перспективы в рамках межгосударственного сотрудничества стран Таможенного союза. Он призван снизить зависимость от иностранной карьерной техники и импортных комплектующих.
На Уральском дизель-моторном заводе проводится широкомасштабная программа модернизации. Старые производственные корпуса были отремонтированы снаружи и внутри. Частично заменено оборудование, обновлена испытательная станция. Создано 100 высококвалифицированных рабочих мест.
Гордостью завода стал современный участок для сборки, обкатки моторов ДМ-185 и дизель-генераторов, временного хранения продукции. Здесь смонтированы высокоточные измерительные комплексы для контроля параметров компонентов двигателей.
Кроме того:
На участке опытной сборки установлены универсальные стенды для изготовления силовых агрегатов. Многотонные изделия с легкостью перемещаются по цеху с помощью транспортных систем на воздушных подушках, управляемых одним рабочим.
Качество собранных моторов проверяется на уникальных автоматизированных стендах. В ходе реконструкции испытательной станции введено современное оборудование. Это:
Заводчане отмечают достойный уровень заработка (особенно у высококвалифицированных сотрудников), условия труда на обновленных участках сравнимы с таковыми на европейских предприятиях. Внедрение механизации и установка нового оборудования облегчили труд рабочих.
Сегодня УДМЗ представляет собой образец современного предприятия, где в равной мере уделяется внимание производительности труда, качеству продукции, условиям работы, производственной культуре и технике безопасности. Неудивительно, что завод является желанным местом работы как для представителей рабочих профессий, так и для инженерно-технического персонала.
Того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной практическое применение такого двигателя было ограниченным: он уступал паровым машинам того времени по размерам и весу.
Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива - прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.
В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей:
Продувка двухтактного дизельного двигателя: внизу - продувочные окна, выпускной клапан верху открыт
Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, в дизеле возможно использование двухтактного цикла .
При рабочем ходе поршень идёт вниз, открывая выпускные окна в стенке цилиндра, через них выходят выхлопные газы, одновременно или несколько позднее открываются и впускные окна, цилиндр продувается свежим воздухом из воздуходувки - осуществляется продувка , совмещающая такты впуска и выпуска. Когда поршень поднимается, все окна закрываются. С момента закрытия впускных окон начинается сжатие. Чуть не достигая ВМТ, из форсунки распыляется и загорается топливо. Происходит расширение - поршень идёт вниз и снова открывает все окна и т. д.
Продувка является врожденным слабым звеном двухтактного цикла. Время продувки, в сравнением с другими тактами, невелико и увеличить его невозможно, иначе будет падать эффективность рабочего хода за счет его укорочения. В четырёхтактном цикле на те же процессы отводится половина цикла. Полностью разделить выхлоп и свежий воздушный заряд тоже невозможно, поэтому часть воздуха теряется, выходя прямо в выхлопную трубу. Если же смену тактов обеспечивает один и тот же поршень, возникает проблема, связанная с симметрией открывания и закрывания окон. Для лучшего газообмена выгоднее иметь опережение открытия и закрытия выхлопных окон. Тогда выхлоп, начинаясь ранее, обеспечит снижение давления остаточных газов в цилиндре к началу продувки. При закрытых ранее выхлопных окнах и открытых - еще - впускных осуществляется дозарядка цилиндра воздухом, и, если воздуходувка обеспечивает избыточное давление, становится возможным осуществление наддува.
Окна могут использоваться и для выпуска отработавших газов, и для впуска свежего воздуха; такая продувка называется щелевой или оконной. Если отработавшие газы выпускаются через клапан в головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха, продувка называется клапанно-щелевой. Существуют двигатели, где в каждом цилиндре находятся два встречно двигающихся поршня; каждый поршень управляет своими окнами - один впускными, другой выпускными (система Фербенкс-Морзе - Юнкерса - Корейво : дизели этой системы семейства Д100 использовались на тепловозах ТЭ3 , ТЭ10 , танковых двигателях 4ТПД, 5ТД(Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авиации - на бомбардировщиках Junkers (Jumo 204, Jumo 205).
В двухтактном двигателе рабочие ходы происходят вдвое чаще, чем в четырёхтактном, но из-за наличия продувки двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного максимум в 1,6-1,7 раз.
В настоящее время тихоходные двухтактные дизели весьма широко применяются на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. Ввиду удвоения количества рабочих ходов на одних и тех же оборотах двухтактный цикл оказывается выгодным при невозможности повысить частоту вращения, кроме того, двухтактный дизель технически проще реверсировать; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100 000 л.с.
В связи с тем, что организовать продувку вихревой камеры (или предкамеры) при двухтактном цикле сложно, двухтактные дизели строят только с неразделёнными камерами сгорания.
Для средних и тяжелых двухтактных дизельных двигателей характерно применение составных поршней, в которых используется стальная головка и дюралевая юбка. Основной целью данного усложнения конструкции является снижение общей массы поршня при сохранении максимально возможной жаростойкости донышка. Очень часто используются конструкции с масляным жидкостным охлаждением.
В отдельную группу выделяются четырехтактные двигатели, содержащие в конструкции крейцкопф . В крейцкопфных двигателях шатун присоединяется к крейцкопфу - ползуну, соединенному с поршнем штоком (скалкой). Крейцкопф работает по своей направляющей - крейцу, без воздействия повышенных температур, полностью ликвидируя воздействие боковых сил на поршень. Данная конструкция характерна для крупных длинноходных судовых двигателей, часто - двойного действия, ход поршня в них может достигать 3 метров; тронковые поршни таких размеров были бы перетяжеленными, тронки с такой площадью трения существенно снизили бы механический КПД дизеля.
Сгорание впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива происходит по мере впрыска. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине и ввиду более высокой экономичности в настоящее время большинство грузовых автомобилей оборудуются дизельными двигателями . Например, в России в 2007 году почти все грузовики и автобусы были оснащены дизельными двигателями (окончательный переход этого сегмента автотранспорта с бензиновых двигателей на дизели планировалось завершить к 2009 году) . Это является преимуществом также и в двигателях морских судов , так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя , а более высокий теоретический КПД (см. Цикл Карно) даёт более высокую топливную эффективность.
По сравнению с бензиновыми двигателями, в выхлопных газах дизельного двигателя, как правило, меньше окиси углерода (СО), но теперь, в связи с применением каталитических конвертеров на бензиновых двигателях, это преимущество не так заметно. Основные токсичные газы, которые присутствуют в выхлопе в заметных количествах - это углеводороды (НС или СН) , оксиды (окислы) азота (NO х) и сажа (или её производные) в форме чёрного дыма. Больше всего загрязняют атмосферу в России дизели грузовиков и автобусов , которые часто являются старыми и неотрегулированными.
Другим важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется) и, таким образом, вероятность возгорания у дизельных двигателей намного меньше, тем более, что в них не используется система зажигания . Вместе с высокой топливной экономичностью это стало причиной широкого применения дизелей на танках, поскольку в повседневной небоевой эксплуатации уменьшался риск возникновения пожара в моторном отделении из-за утечек топлива. Меньшая пожароопасность дизельного двигателя в боевых условиях является мифом, поскольку при пробитии брони снаряд или его осколки имеют температуру, сильно превышающую температуру вспышки паров дизельного топлива и так же способны достаточно легко поджечь вытекшее горючее. Детонация смеси паров дизельного топлива с воздухом в пробитом топливном баке по своим последствиям сравнима со взрывом боекомплекта, в частности, у танков Т-34 она приводила к разрыву сварных швов и выбиванию верхней лобовой детали бронекорпуса. С другой стороны, дизельный двигатель в танкостроении уступает карбюраторному в плане удельной мощности, а потому в ряде случаев (высокая мощность при малом объёме моторного отделения) более выигрышным может быть использование именно карбюраторного силового агрегата (хотя это характерно для слишком уж лёгких боевых единиц).
Конечно, существуют и недостатки, среди которых - характерный стук дизельного двигателя при его работе. Однако, они замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.
Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартёра большой мощности, помутнение и застывание (запарафинивание) летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность и более высокая цена в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются прецизиоными устройствами. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным и высоким крутящим моментом в своём рабочем объёме. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизелях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов, работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO 2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи. Ситуация начала меняться лишь в последние годы в связи с внедрением дизелей так называемой системы Common rail . В данном типе дизелей впрыск топлива осуществляется электронно-управляемыми форсунками . Подачу управляющего электрического импульса осуществляет электронный блок управления, получающий сигналы от набора датчиков. Датчики же отслеживают различные параметры двигателя, влияющие на длительность и момент подачи топливного импульса. Так что, по сложности современный - и экологически такой же чистый, как и бензиновый - дизель-мотор ничем не уступает своему бензиновому собрату, а по ряду параметров (сложности) и значительно его превосходит. Так, например, если давление топлива в форсунках обычного дизеля с механическим впрыском составляет от 100 до 400 бар (приблизительно эквивалентно «атмосфер»), то в новейших системах «Common-rail» оно находится в диапазоне от 1000 до 2500 бар, что влечёт за собой немалые проблемы. Также каталитическая система современных транспортных дизелей значительно сложнее бензиновых моторов, так как катализатор должен «уметь» работать в условиях нестабильного состава выхлопных газов, а в части случаев требуется введение так называемого «сажевого фильтра» (DPF - фильтр твёрдых частиц). «Сажевый фильтр» представляет собой подобную обычному каталитическому нейтрализатору структуру, устанавливаемую между выхлопным коллектором дизеля и катализатором в потоке выхлопных газов. В сажевом фильтре развивается высокая температура, при которой частички сажи способны окислиться остаточным кислородом, содержащимся в выхлопных газах. Однако часть сажи не всегда окисляется, и остается в «сажевом фильтре», поэтому программа блока управления периодически переводит двигатель в режим «очистки сажевого фильтра» путём так называемой «постинжекции», то есть впрыска дополнительного количества топлива в цилиндры в конце фазы сгорания с целью поднять температуру газов, и, соответственно, очистить фильтр путём сжигания накопившейся сажи. Стандартом де-факто в конструкциях транспортных дизель-моторов стало наличие турбонагнетателя, а в последние годы - и «интеркулера » - устройства, охлаждающего воздух после сжатия турбонагнетателем - чтобы после охлаждения получить большую массу воздуха (кислорода) в камере сгорания при прежней пропускной способности коллекторов, а Нагнетатель позволил поднять удельные мощностные характеристики массовых дизель-моторов, так как позволяет пропустить за рабочий цикл большее количество воздуха через цилиндры.
В своей основе конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако, аналогичные детали у дизеля тяжелее и более устойчивы к высоким давлениям сжатия, имеющим место у дизеля, в частности, хон на поверхности зеркала цилиндра более грубый, но твёрдость стенок блока цилиндров выше. Головки поршней, однако, специально разработаны под особенности сгорания в дизельных двигателях и почти всегда рассчитаны на повышенную степень сжатия. Кроме того, головки поршней в дизельном двигателе находятся выше (для автомобильного дизеля) верхней плоскости блока цилиндров. В некоторых случаях - в устаревших дизелях - головки поршней содержат в себе камеру сгорания («прямой впрыск»).
Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, на рельсовых (тепловозы , дизелевозы , дизель-поезда , автодрезины) и безрельсовых (автомобили , автобусы , грузовики) транспортных средствах, самоходных машинах и механизмах (тракторы , асфальтовые катки, скреперы и т. д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей.
Дизельный двигатель с турбонаддувом
Современные дизельные двигатели с системой турбонаддува гораздо эффективнее своих предшественников, а иногда и превосходят своих бензиновых атмосферных (без турбонаддува) собратьев с таким же объёмом. Об этом говорит дизельный прототип Audi R10, выигравший 24-х часовую гонку в Ле-Мане, и новые двигатели BMW , которые не уступают по мощности атмосферным (без турбонаддува) бензиновым и при этом обладают огромным крутящим моментом.
Громкая работа двигателя свидетельствует о неправильной эксплуатации и возможных неисправностях. На самом деле некоторые старые дизели с непосредственным впрыском действительно отличаются весьма жёсткой работой. С появлением аккумуляторных топливных систем высокого давления («Common-rail») у дизельных двигателей удалось значительно снизить шум, прежде всего за счёт разделения одного импульса впрыска на несколько (типично - от 2-х до 5-ти импульсов).
Основная экономичность обусловлена более высоким КПД дизельного двигателя. В среднем современный дизель расходует топлива до 30 % меньше . Срок службы дизельного двигателя больше бензинового и может достигать 400-600 тысяч километров. Запчасти для дизельных двигателей несколько дороже, стоимость ремонта так же выше, особенно топливной аппаратуры. По вышеперечисленным причинам, затраты на эксплуатацию дизельного двигателя несколько меньше, чем у бензинового. Экономия по сравнению с бензиновыми моторами возрастает пропорционально мощности, чем определяется популярность использования дизельных двигателей в коммерческом транспорте и большегрузной технике.
С первых моментов построения дизелей строилось и строится огромное количество их, рассчитанных для работы на газе разного состава. Способов перевода дизелей на газ, в основном, два. Первый способ заключается в том, что в цилиндры подаётся обеднённая газо-воздушная смесь, сжимается и поджигается небольшой запальной струёй дизельного топлива. Двигатель, работающий таким способом, называется газодизельным. Второй способ заключается в конвертации дизеля со снижением степени сжатия, установкой системы зажигания и, фактически, с построением вместо дизеля газового двигателя на его основе.
Самый большой/мощный дизельный двигатель
Конфигурация - 14 цилиндров в ряд
Рабочий объём - 25 480 литров
Диаметр цилиндра - 960 мм
Ход поршня - 2500 мм
Среднее эффективное давление - 1,96 МПа (19,2 кгс/см²)
Мощность - 108 920 л.с. при 102 об/мин. (отдача с литра 4,3 л.с.)
Крутящий момент - 7 571 221 Н·м
Расход топлива - 13 724 литров в час
Сухая масса - 2300 тонн
Габариты - длина 27 метров, высота 13 метров
Самый большой дизельный двигатель для грузового автомобиля
MTU 20V400 предназначен, для установки на карьерный самосвал БелАЗ-7561.
Мощность - 3807 л.с. при 1800 об/мин. (Удельный расход топлива при номинальной мощности 198 г/кВт*ч)
Крутящий момент - 15728 Н·м
Самый большой/мощный серийный дизельный двигатель для серийного легкового автомобиля
Audi 6.0 V12 TDI с 2008 года устанавливается на автомобиль Audi Q7 .
Конфигурация - 12 цилиндров V-образно, угол развала 60 градусов.
Рабочий объём - 5934 см³
Диаметр цилиндра - 83 мм
Ход поршня - 91,4 мм
Степень сжатия - 16
Мощность - 500 л.с. при 3750 об/мин. (отдача с литра - 84,3 л.с.)
Крутящий момент - 1000 Нм в диапазоне 1750-3250 об/мин.
Принцип работы которого основан на самовоспламенении топлива при воздействии горячего сжатого воздуха.
Конструкция дизеля в целом мало чем отличается от бензинового двигателя , за исключением того, что в дизеле отсутствует как таковая система зажигания, поскольку воспламенение топлива происходит по другому принципу. Не от искры, как в бензиновом двигателе, а от высокого давления, с помощью которого сжимается воздух, из-за чего тот сильно разогревается. Высокое давление в камере сгорания накладывает особые требования к изготовлению деталей клапанов, которые предназначены для восприятия более серьезных нагрузок (от 20 до 24 единиц).
Дизельные двигатели применяются не только на грузовых, но и на многих моделях легковых автомобилей. Дизели могут работать на различных типах топлива - на рапсовом и пальмовом масле, на фракционных веществах и на чистой нефти.
Принцип действия дизеля основан на компрессионном воспламенении топлива, которое попадает в камеру сгорания и смешивается с горячей воздушной массой. Рабочий процесс дизеля зависит исключительно от неоднородности ТВС (топливно-воздушной смеси). Подача ТВС в таком типе двигателя происходит раздельно.
Вначале подается воздух, который в процессе сжатия нагревается до высоких температур (около 800 градусов по Цельсию) , затем в камеру сгорания под высоким давлением (10-30 МПа) подается топливо, после чего происходит его самовоспламенение.
Сам процесс воспламенения топлива всегда сопровождается высокими уровнем вибраций и шума, поэтому двигатели дизельного типа являются более шумными в сравнении с бензиновыми собратьями.
Подобный принцип работы дизеля позволяет использовать более доступные и дешевые (до недавнего времени:)) виды топлива, снижая уровень затрат на его обслуживание и заправку .
Дизели могут иметь как 2, так и 4 рабочих такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск). Большинство автомобилей оснащено 4-х тактовыми дизельными двигателями.
По конструкционным особенностям камер сгорания дизели можно разделить на три типа:
Основой любого двигателя дизельного типа является его топливная система. Основной задачей топливной системы является своевременная подача нужного количества топливной смеси под заданным рабочим давлением.
Важными элементами топливной системы в дизельном двигателе являются:
Топливный насос
Насос отвечает за подачу топлива к форсункам по установленным параметрам (в зависимости от числа оборотов, рабочего положения регуляторного рычага и давления турбонаддува). В современных дизельных двигателях могут применяться два типа насосов для топлива - рядные (плунжерные) и распределительные.
Топливный фильтр
Фильтр является важной составляющей частью двигателя дизельного типа. Топливный фильтр подбирается строго в соответствии с типом двигателя. Фильтр предназначен для выделения и удаления из топлива воды, и лишнего воздуха из топливной системы.
Форсунки
Форсунки не менее важные элементы топливной системы в дизеле. Своевременная подача топливной смеси в камеру сгорания возможна только при взаимодействии топливного насоса и форсунок. В дизелях применяются два типа форсунок - с многодырчатым и шрифтовым распределителем. Распределитель форсунок определяет форму факела, обеспечивая более эффективный процесс самовоспламенения.
Холодный пуск и турбонаддув дизельного двигателя
Холодный пуск отвечает за механизм предпускового подогрева. Это обеспечивается за счет электрических нагревательных элементов - свечей накаливания, которыми оснащена камера сгорания. При запуске двигателя свечи накаливания достигают температуры в 900 градусов, подогревая воздушную массу, которая попадает в камеру сгорания. Питание со свечи накаливания снимается через 15 секунд после запуска двигателя. Системы подогрева перед запуском двигателя обеспечивают его безопасный запуск даже при низких атмосферных температурах.
Турбонаддув отвечает за повышение мощности и эффективности работы дизеля. Он обеспечивает подачу большего количества воздуха для более эффективного процесса сгорания топливной смеси и увеличения рабочей мощности двигателя. Для обеспечения нужного давления наддува воздушной смеси во всех рабочих режимах двигателя применяется специальный турбонагнетатель.
Остается только сказать, что споры относительно того, что лучше выбрать рядовому автолюбителю в качестве силовой установки в свой автомобиль, бензин или дизель , не утихают до сих пор. Преимущества и недостатки есть у обоих типов двигателя и выбирать необходимо, исходя из конкретных условий эксплуатации автомобиля.
Согласно сложившимся представлениям, дизельные двигатели производят много шума, неприятно пахнут и не дают нужной мощности. Считается, что они пригодны лишь для грузовых автомобилей, фургонов и такси. Возможно, в 1980-х гг. все было так, однако с тех пор ситуация в корне поменялась. Дизельные двигатели и органы управления системами впрыска топлива стали гораздо более совершенными. В 1985г. в Великобритании было продано почти 65 000 автомобилей с дизельными двигателями (примерно 3,5% от общего количества проданных автомобилей). Для сравнения, в 1985г. было продано всего 5380. (данные, вероятно, для рынка США).
Основные части дизельного двигателя должны быть прочнее, чем части двигателя, работающего на бензине.
Зажигание. Для зажигания не требуются искры, т.к. смесь воспламеняется под действием компрессии.
Запальные свечи. Нагревают камеру сгорания при холодном старте.
Многие дизельные двигатели были созданы на основе бензиновых двигателей, однако их основные детали обладают повышенной прочностью и способны выдерживать высокое давление.
Топливо попадает в двигатель за счет нагнетательного насоса с дозатором, который обычно прикреплен к боку блока цилиндров. В системе не используется электрическое зажигание.
Основным преимуществом дизельных двигателей перед бензиновыми является снижение эксплуатационных расходов. Дизельные двигатели обладают большей эффективностью за счет сильной компрессии и низкой стоимости топлива. Разумеется, цены на дизель могут варьироваться, поэтому автомобиль с дизельным двигателем обойдется вам дорого, если вы живете в регионе с высокими ценами на дизельное топливо. Кроме того, таким автомобилям реже требуется техобслуживание, однако замена масла для них организуется чаще, чем для автомобилей, которые работают на бензине.
Основным недостатком дизельных двигателей является их малая мощность по сравнению с бензиновыми двигателями равного объема.
Эту проблему можно решить, просто увеличив объем двигателя, однако зачастую это приводит к значительному утяжелению автомобиля.
Некоторые производители снабжают свои двигатели турбонагнетателями, чтобы повысить их конкурентоспособность. К примеру, производством турбодизелей занимаются Rover, Mercedes, Audi и VW.
При движении поршня вниз по цилиндру открывается впускной клапан, впускающий воздух.
Когда поршень доходит до нижнего основания цилиндра, впускной клапан закрывается. Поршень поднимается, сжимая воздух.
Топливо впрыскивается в цилиндр, когда поршень доходит до верхнего основания. При этом топливо воспламеняется и снова приводит поршень в движение.
На обратном пути поршень открывает клапан выпуска, и отработанный газ выходит из цилиндра.
Четырехтактные дизельный и бензиновый двигатели работают по-разному, несмотря на то, что в их состав входят одинаковые компоненты. Основное отличие заключается в способе зажигания топлива и управления получаемой в результате энергией.
В двигателе, работающем на бензине, смесь воздуха и топлива зажигается от искры. В дизельном двигателе топливо воспламеняется под действием сжатого воздуха. В дизельных двигателях воздух сжимается в среднем в соотношении 1/20, в то время для бензиновых двигателей - это соотношение в среднем равно 1/9. Такое сжатие сильно нагревает воздух до температуры, достаточной для мгновенного воспламенения топлива, поэтому при использовании дизельного двигателя нет нужды в искрах или других способах зажигания.
Бензиновые двигатели поглощают очень много воздуха за один такт поршня (конкретный объем зависит от степени открытия отверстия дросселя). Дизельные двигатели всегда поглощают один и тот же объем, который зависит от скорости, при этом воздухопровод не оснащен дросселем. Его перекрывает один впускной клапан, а в двигателе отсутствует карбюратор и дисковый затвор.
Когда поршень достигает нижнего основания цилиндра, впускной клапан открывается. Под действием энергии от других поршней и импульса от махового колеса поршень отправляется к верхнему основанию цилиндра, сжимая воздух примерно в двадцать раз.
Как только поршень достигает верхнего основания, в камеру сгорания впрыскивается тщательно отмеренный объем дизельного топлива. Нагретый при сжатии воздух мгновенно воспламеняет топливо, которое расширяется при сгорании и снова отправляет поршень вниз, поворачивая коленчатый вал.
Когда поршень двигается вверх по цилиндру на такте выпуска, выпускной клапан открывается, позволяя отработанным и расширившимся газам выйти в выхлопную трубу. В конце такта выпуска цилиндр снова готов к новой порции свежего воздуха.
Дизельный и бензиновый двигатель состоят из одинаковых частей, которые выполняют одни и те же функции. Тем не менее, части дизельного двигателя обладают повышенной прочностью, т.к. они призваны выдерживать большую нагрузку.
Стенки блока дизельного двигателя обычно намного толще стенок блока бензинового двигателя. Они укреплены дополнительными решетками, которые блокируют импульсы. Помимо этого, блок дизельного двигателя эффективно поглощает шумы.
Поршни, шатуны, валы и крышки корпуса подшипников изготавливаются из самых прочных материалов. Головка цилиндра дизельного двигателя имеет особый вид, связанный с формой форсунок, а также формами камеры сгорания и вихрекамеры.
Для плавной и эффективной работы любого двигателя внутреннего сгорания требуется правильная смесь воздуха и топлива. Для дизельных двигателей эта проблема особенно актуальна, т.к. воздух и топливо подаются в разное время, смешиваясь внутри цилиндров.
Впрыск топлива в двигатель может быть прямым и непрямым. По сложившейся традиции чаще используется непрямой впрыск, т.к. он позволяет создавать вихревые потоки, которые смешивают топливо и сжатый воздух в камере сгорания.
При прямом впрыске топливо опадает прямо в камеру сгорания, расположенную в головке поршня. Такая форма камеры не позволяет смешивать воздух с топливом и поджигать получившуюся смесь без жесткого стука, характерного для дизельных двигателей.
В двигателе с непрямым впрыском обычно присутствует небольшая спиральная вихрекамера (форкамера). Перед попаданием в камеру сгорания топливо проходит через вихрекамеру, и в нем образуются вихревые потоки, обеспечивающие лучшее смешивание с воздухом.
Недостатком такого подхода является то, что вихрекамера становится частью камеры сгорания, а значит, вся конструкция приобретает неправильную форму, вызывает проблемы при сгорании и негативно влияет на эффективность работы двигателя.
При непрямом впрыскивании топливо попадает в небольшую форкамеру, а оттуда - в камеру сгорания. В результате конструкция приобретает неправильную форму.
Двигатель с прямым впрыском не оборудован вихрекамерой, и топливо прямиком попадает в камеру сгорания. При проектировании камер сгорания в головке поршня инженеры должны уделять особое внимание их форме, чтобы обеспечить достаточную силу вихрей.
Чтобы разогреть головку блока цилиндров и блок цилиндров перед холодным стартом, в дизельных двигателях используются запальные свечи. Короткие и широкие свечи являются составной частью электросистемы автомобиля. При включении питания элементы в свечах очень быстро нагреваются.
Запальные свечи включаются при особом повороте колонки рулевого управления или с помощью отдельного переключателя. В последних моделях свечи выключаются автоматически, как только двигатель разогревается и разгоняется до скорости, превышающей скорость холостого хода.
В отличие от бензиновых двигателей, в дизельных двигателях отсутствует дроссель, поэтому объем потребляемого ими воздуха остается неизменным. Частота вращения двигателя определяется только объемами топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания. Чем больше топлива, тем больше энергии выделяется при сгорании.
Педаль газа подключена к датчику в система зажигания, а не к дросселю, как в автомобилях, которые работают на бензине.
Для остановки дизельного двигателя по-прежнему необходимо повернуть ключ зажигания. В бензиновом двигателе при этом исчезает искра, а в дизельном - отключается соленоид, отвечающий за подачу топлива в насос. После этого двигатель расходует оставшееся в нем топливо и останавливается. По факту, дизельные двигатели останавливаются быстрее, чем бензиновые, потому что высокое давление сильно замедляет ход.
Дизельные двигатели, подобно бензиновым, заводятся при включении электромотора, запускающего цикл сжатия и воспламенения. Тем не менее, при низкой температуре дизельные двигатели заводятся с трудом, потому что сжатый воздух не разогревается до температуры, необходимой для воспламенения топлива.
Для решения этой проблемы производители изготавливают запальные свечи. Запальные свечи представляют собой питаемые от батареи электроотопители, которые включаются за несколько секунд до запуска двигателя.
Топливо, используемое в дизельных двигателях, сильно отличается от бензина. Оно не проходит очистку, а потому представляет собой вязкую тяжелую жидкость, которая испаряется довольно медленно. Благодаря этим физическим свойствам дизельное топливо иногда называют дизельным маслом или мазутом. В сервисных центрах и на заправках автомобили, работающие на дизельном топливе, часто называют дервами (от diesel-engined road vehicles).
В холодную погоду дизельное топливо быстро густеет или даже замерзает. Кроме того, в нем содержится небольшое количество воды, которая также может замерзнуть. Все виды топлива поглощают из атмосферы воду. Более того, она нередко проникает в подземные резервуары. Допустимое содержание воды в дизельном топливе - 0,00005-0,00006%, т.е. четверть стакана воды на 40 литров топлива.
Лед или водяная пробка может заблокировать топливопроводы и форсунки, что делает невозможной работу двигателя. Именно поэтому в холодную погоду можно увидеть водителей, которые пытаются подогреть топливопровод с помощью паяльника.
В качестве превентивной меры можно возить с собой дополнительный бак, однако современные производители уже добавляют в топливо примеси, которые позволяют использовать его при температуре выше -12-15°C.
