При проектировании нового двигателя немецкий инженер Рудольф Дизель ставил перед собой задачу создания экономичного, удобного и простого двигателя, способного вытеснить паровую машину с её опасным и громоздким паровым котлом и низким КПД. Он разработал первые образцы новой установки, работающие на керосине, а успех ей был обеспечен русскими (советскими) инженерами, заствившими немецкую технику работать на сырой нефти.

Первый одноцилиндровый двигатель Дизеля

Патент на новый вид двигателя был получен изобретателем в 1892 году. Пять лет ему понадобилось, чтобы найти инвесторов и изготовить первый дизельмотор мощностью в 20 лошадиных сил. Его КПД был равен 34 процента, что в несколько раз выше, чем у использовавшихся тогда паровых машин.

Мотор Дизеля не нуждается ни в котле, ни в газогенераторе, ни в карбюраторе, поскольку топливо вводится непосредственно в цилиндры. Теоретически дизельмотор проектировался для работы на любом жидком топливе, в том числе и на сырой нефти, которой в конце 19 века отапливались паровые котлы. Кроме того, дизельмотор не требует наличия системы зажигания. Работает двигатель по новому циклу, получившему название цикла Дизеля. При первом такте он засасывает чистый воздух, при втором такте обратным ходом поршня воздух подвергется сжатию с такой силой, что нагревался до температуры около 750 градусов, и вводимое в цилиндр при третьем такте топливо самовозгарается в раскалённом воздухе и расширяющиеся газы двигают поршень. В четвёртом такте продукты сгорания выдавливаются из двигателя. Чтобы топливо сгорало, а не взрывалось, впрыск его осуществляется постепенно. Кроме клапанов, автоматически открывавшихся для впуска топлива и воздуха и для выхлопа, двигатель приводит в действие ещё компрессор, нагнетающий в отдельный резервуар воздух. Этот сжатый воздух употребляется для впрыскивания в цилиндр топлива, и для запуска двигателя в ход.

В первом образце в качестве горючего употреблялся керосин. Самому Дизелю и заводам, начавшим строить новые двигатели для производственных целей, не удалось заставить двигатель работать на нефти. Это было сделано в России, что и обеспечило новому двигателю победное шествие на рынок.

Первоначально дизельные двигатели устанавливались на грузовые автомобили, суда и военную технику, то есть туда, где надежность и экономичность важнее чем размеры, вес и комфорт. Первый серийный автомобиль, в котором был установлен дизель был выпущен только 1935 году. Это был Mercedes-Benz 260 (W170). Такие особенности дизеля, как экономичность, высокий крутящий момент во всем диапазоне оборотов, и особенно на низких частотах вращения, а также доступное топливо, делают его предпочтительным вариантом для внедорожника, предназначенного для работы в тяжелых условиях.

Современные дизели последних поколений уже весма близки к бензиновым двигателям по шумности и удельным характеристикам, сохраняя при этом преимущества в экономичности и надежности.

Конструктивные особенности

В дизельном двигателе существенно усилены клапана, поскольку степень сжатия в цилиндрах у него примерно вдвое выше чем у бензинового). В результате дизельный двигатель при равном объеме камеры сгорания имеет больший вес и габариты.

К специфическим недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и старта холодного двигателя. Впрочем, в современных конструкциях эти проблемы уже не являются такими очевидными.

Основное различие дизелей заключается в конструкции камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой сгорания - их называю дизелями с непосредственным впрыском - топливо впрыскивается в надпоршневое пространство. Камера сгорания находится непосредственно в поршне двигателя. Такой способ в основном используется на низкооборотных ДВС с большим рабочим объемом. Наиболее же распространы на легковых автомобилях двигатели с раздельной камерой сгорания. В них впрыск топлива осуществляется в дополнительную камеру. Чаще всего это вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров. От нее к цилиндру устроен специальный канал таким образом, что при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивается, что улучшает процессы самовоспламенения и образования смеси. Самовоспламенение начинается в вихревой камере и продолжается в основной камере сгорания. При такой конструкции снижается темп нарастания давления в цилиндрах, в результате чего шумность такого двигателя значительно ниже. Вихрекамерные двигатели в настоящее время составляют подавляющее большинство среди устанавливаемых на легковые автомобили.

Ключевые узлы дизельного агрегата

Важнейшей системой дизельного двигателя является система топливоподачи. Функция ее - подача строго дозированного объема топлива в точно подобранный момент времени под определенным давлением. Высокое давление топлива и повышенные требования к точности делают топливную систему дизеля сложной и дорогой. Основные элементы: топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и топливный фильтр. ТНВД предназначен для подачи топлива к форсункам по строго заданной программе, в соответствии с режимом работы двигателя и действий водителя.

Топливные насосы

Современный ТНВД совмещает в себе функции сложной системы автоматического управления двигателем и главного исполнительного механизма, отрабатывающего команды водителя. Манипулируя педалью газа, водитель не изменяет непосредственно объем подаваемого топлива, а меняет программу работы регуляторов, которые уже сами изменяют подачу по строго определенным зависимостям от числа оборотов, давления наддува, положения рычага регулятора и т.п. На современных внедорожниках обычно применяются ТНВД двух типов : рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядные насосы в настоящее время применяются редко, хотя по своей конструкции являются наиболее надежными. Наиболее распространены ТНВД распределительного типа. В этих моделях система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Насосы распределительного типа получили широкое распространение на дизелях для легковых автомобилей. Они компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах благодаря быстродействию регуляторов.

Форсунки

Форсунка вместе с ТНВД обеспечивает дозировку количества топлива, подаваемого в камеру сгорания. Регулировка давления открытия форсунки определяет рабочее давление в топливной системе, а тип распылителя определяет форму факела топлива, которая имеет важное значение для процесса воспламенения и сгорания. Применяются форсунки двух типов: со шрифтовым или многодырчатым распределителем. Форсунка на двигателе работает в суровых условиях, поскольку распылитель непосредственно контактирует с камерой сгорания. Поэтому распылитель форсунки изготавливается из высокожаропрочных материалов с особой точностью и является прецизионным элементом.

Топливные фильтры

Параметры топливного фильтра, такие, как тонкость фильтрации, пропускная способность, должны строго соответствовать типу двигателя. Одной из функций ТФ является отделение и удаление воды, для чего обычно служит нижняя сливная пробка. В верхней части фильтра установливается насос ручной подкачки для удаления воздуха из топливной системы. На современных моделях двигателя устанавливается система электроподогрева топливного фильтра, позволяющая облегчить запуск двигателя, предотвращая забивание фильтра парафинами, образующимися при кристаллизации дизельного топлива в зимних условиях.

Запуск двигателя

Холодный пуск дизеля обеспечивает система предпускового подогрева. Для этого в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы - свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900 градусов С, обеспечивая подогрев воздуха в камере сгорания и облегчая самовоспламенение топлива. Электропитание со свечи снимается автоматически через 15-25 секунд после запуска, чтобы обеспечить устойчивую работу непрогретого двигателя. Современные системы предварительного подогрева гарантируют легкий пуск исправного дизеля до температуры 25-30 градусов.

Преимущества дизельных двигателей

экономичность: при равном объеме и мощности расход топлива меньше на 15-25%, при том что и стоимость топлива для дизеля ниже;
хорошая тяга на низких оборотах двигателя. Дизель явно выигрывает при использовании на вредорожниках и грузовых автомобилях;
отсутствие свечей зажигания, проводов, трамблёров - потенциально склонных к отказу систем автомобиля;
большая износостойкость. Пробег автомобиля с дизельным двигателем до его капремонта больше в 2-3 раза чем автомобиля с аналогичным бензиновым движком.

Недостатки дизельных двигателей

несколько меньше динамика разгона.
больший шум и вибрация при работе двигателя;
чувствительная топливная система
ухудшение запуска при низких температурах;
не терпит высоких оборотов, и как следствие высоких скоростей, поскольку топливо не успевает догорать в цилиндрах;
большая масса, меньшая литровая мощность;
чаще требуется замена масла и фильтров, масло необходимо более высокого качества;
для запуска дизельного двигателя необходим аккумулятор большей емкости и более мощный стартер;
ремонт дизельмоторов обычно дороже ремонта бензинового двигателя того же класса.