120 лет на солярке

Первое, что приходит на ум при слове «дизель» — образ нещадно чадящего «КамАЗа» или водителя в телогрейке, пытающегося паяльной лампой отогреть бак заиндевелого грузовика. Однако технический прогресс не стоит на месте. Сегодня современный автомобиль с дизельным двигателем можно узнать лишь по негромкому характерному урчанию под капотом.

В 1890 году Рудольф Дизель разработал теорию «экономичного термического двигателя», эффективность которого должна была достигаться за счет высокого давления в цилиндрах. Чуть ранее похожие идеи высказывал и другой инженер — Экройд Стюарт. Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта
сжатия) в емкость, куда впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость нагревалась снаружи лампой, после чего самостоятельная работа поддерживалась уже без подвода тепла извне. Однако Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, он просто экспериментировал с возможностями исключения из конструкции ДВС свечей зажигания.

Первые 20–30 лет после создания Дизелем своей теории, его агрегаты широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов. Применять эту схему в высоко-оборотистых моторах не позволяли существовавшие тогда системы впрыска топлива. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.

Подвижки начались в 20-е годы XX века, когда немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал топливный насос высокого давления (ТНВД) — устройство, которое широко применяется и по сей день. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения коленвала. Получившийся таким образом высокооборотистый дизель стал набирать все большую популярность, как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта. Однако бензиновые моторы в то время были более массовыми, благодаря лучшим массо-габаритным показателям и меньшей цене производства. Но так или иначе в 1935 году свет увидел первый серийный дизельный автомобиль. Это было такси Mercedes-Benz 260 (W170).

В 50-60-е годы дизель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы, после резкого скачка цен на топливо, на него обращают внимание и производители недорогих пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы популярность дизеля на легковом и грузовом транспорте только росла, причем не только в силу экономичности и долговечности агрегата, но также и из-за меньшей токсичности выхлопов. Сейчас большинство производителей легковых автомобилей имеют в силовых линейках, как минимум, один дизельный мотор.

По конструкции дизельный двигатель отличается от бензинового не принципиально. Однако аналогичные детали у первого обычно тяжелее и более устойчивы к высоким нагрузкам. В частности, головки поршней специально разрабатываются с учетом особенностей процесса сгорания в дизельных двигателях, и во многих случаях фактически содержат в себе камеру сгорания.

Одна из основных характеристик дизельных двигателей — степень сжатия. Это отношение объёма надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в нижней мёртвой точке (НМТ) к объёму надпоршневого пространства цилиндра при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), то есть к объёму камеры сгорания. Поршни, используемые на дизельных двигателях небольшого объема, когда находится в ВМТ, почти всегда выступают над верхней плоскостью блока цилиндров.

Механизм привода клапанов дизельного агрегата аналогичен применяемому на бензиновом моторе. Единственное отличие в том, что распредвал на некоторых двигателях кинематически связан с приводом топливного насоса высокого давления. Привод обычно осуществляется зубчатыми ремнями, цепями или шестернями. ТНВД приводится в движение промежуточной шестерней, которая, как правило, приводит в действие и распредвал. Основные же различия между дизельными и бензиновыми двигателями заключаются в устройстве системы подачи воздуха, которая у дизелей не имеет дроссельной заслонки в конструкции камер сгорания, а так же в наличии ТНВД или насосов-форсунок на месте распределителя зажигания и карбюратора или системы впрыска.

В традиционных бензиновых двигателях горючее впрыскивается во впускной коллектор при низком давлении и перед попаданием в цилиндры смешивается с воздухом. В дизелях (как, впрочем, и в некоторых современных бензиновых моторах) топливо впрыскивается под очень большим давлением непосредственно в цилиндры.

Большинство традиционных дизельных двигателей относятся к типу моторов с непосредственным впрыском — с неразделенной камерой сгорания. Они имеют довольно простую, плоскую, головку блока цилиндров с камерой сгорания, предусмотренной в головке поршня. Такие двигатели менее прихотливы в эксплуатации и достаточно экономичны, но создают больше шума и вибраций при работе и не обеспечивают полного сгорания топлива. На двигателях с непосредственным впрыском используются форсунки с распылителями со многими отверстиями, чтобы топливо распределялось по всему объему камеры сгорания.

Большинство дизелей традиционно имеют конструкцию предкамерного впрыска. То есть в них сгорание топлива начинается в отдельном резервуаре — предкамере.

Предкамеры, по одной для каждого цилиндра, вместе с форсунками находятся внутри головки блока. Такие двигатели менее экономичны по сравнению моторами непосредственного впрыска. Однако работают они тише и мягче, что является не последним аргументом при эксплуатации дизеля на легковом автомобиле.

В попытках улучшить потребительские характеристики дизеля была создана система впрыска «коммон-рэйл», которая заметно отличается от других систем непосредственного впрыска топлива. В этой конструкции давление горючего поддерживается в общей топливной рампе. Электронная система управления двигателем поддерживает в ней высокое давление — до 1350 бар (кгс/см2) — в соответствии с числом оборотов и нагрузкой на двигатель.

Система «коммон-рэйл» включает также форсунки специальной конструкции. Они оснащены соленоидными клапанами, управляемыми электроникой. Высокое давление в рампе и управляемый процесс впрыска улучшают перемешивание топлива с воздухом. В результате повышается эффективность использования горючего и понижается токсичность выхлопных газов.

Не секрет, что бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать в полезную работу всего лишь около 26% энергии топлива. КПД же дизельного двигателя обычно не ниже 36%. Плюс ко всему солярка, как правило, дешевле.

Кроме того, исключение электрической системы зажигания, присущей бензиновому двигателю, увеличивает надежность агрегата. Дизелю присущ и более высокий крутящий момент, достигаемый в широком диапазоне оборотов, что делает движение дизельного автомобиля более эластичным.

Отработавшие газы дизельного двигателя являются относительно «чистыми» по сравнению с выхлопом бензинового мотора. В них практически отсутствует окись углерода. Из токсичных отходов для дизеля характерны углеводороды (СН), окислы азота (NОх), а также сажа и её производные. Повышенная концентрация в организме этих веществ может привести к астме и раку легких. Больше всего загрязняют атмосферу старые и не отрегулированные дизели грузовиков и автобусов.

Концентрация СО2 в выхлопе дизельного мотора может быть уменьшена с помощью системы рециркуляции. Эта система отправляет некоторое количество выхлопных газов из выпускного коллектора во впускной. В результате немного снижается температура сгорания, благодаря чему уменьшается концентрация СОх. Для существенного сокращения выбросов углеводородов и СО используются каталитические преобразователи (катализаторы) окислительного типа. Что касается остающейся серы, то совершенствование системы впрыска и применение специальных фильтров в выпускной системе существенно уменьшают выбросы её окислов.

Важным аспектом, касающимся безопасности, является то, что дизельное топливо нелетучее (то есть легко не испаряется). Благодаря этому вероятность возгорания у дизельных двигателей заметно ниже, чем у бензиновых.

Но зато при снижении окружающей температуры текучесть дизельного топлива ухудшается из-за кристаллизации содержащихся в нем парафинов. Солярка становится слишком густой и забивает топливный фильтр. По этой причине топливные компании зимой добавляют в нее специальные присадки, повышающие текучесть, и гарантирующие надежный запуск при температуре до — 22°С. Если же заморозки (ниже -10°С) застали вас внезапно, а в баке находится летнее топливо, необходимо добавить в солярку специальную разжижающую присадку — так называемый «антигель». При пуске дизеля в холодную погоду температура сжатого воздуха в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения топлива. Решить эту проблему поможет система предварительного подогрева камер сгорания. Тепло вырабатывают специальные свечи — по сути, миниатюрные электронагревательные приборы.