В останні роки зростає інтерес автомобілебудівників до дизельних двигунів. Зараз майже всі великі фірми оснащують ними частину своїх легкових моделей. Про вантажних машинах, автобусах, фургонах і говорити не доводиться: на переважній більшості західноєвропейських, японських американських стоять дизелі. Все більша їх частка і в виробництві наших вантажівок і автобусів. У ряді країн практично не зустрінеш таксі з бензиновим двигуном, хоча автомобіль з дизелем дорожче і важче, більш димен і галасливий, у нього гірше швидкісні і динамічно якості.
Але всі ці недоліки дизеля «викупаються» тим, що він споживає менше палива, яке до того ж часто коштує дешевше бензину. Так чи не йде справа до поступового витіснення бензинового мотора? Ні. При виборі типу двигуна вирішальне значення мають умови експлуатації, в першу чергу річний пробіг: чим він більший - тим швидше покривається різниця в ціні автомобілів з дизелем і бензиновим мотором. Так, в деяких країнах більш високі витрати на придбання автомобіля з дизелем компенсуються вже за 20 тисяч кілометрів: після цього експлуатація дизельного автомобіля стає вигідніше. Звідси і перевагу дизелів для таксі, вантажівок, автобусів, фургонів: всі вони мають великі річні пробіги.
Звичайно, в різних країнах величина «компенсуючого» пробігу коливається. Вона залежить від різниці цін на дизельне паливо і бензин, а також від податкової політики. Тому і частка легкових автомобілів з дизелями в різних країнах неоднакова.
Щоб розібратися, чому дизельний двигун економічніше бензинового, треба порівняти особливості їх конструкції і робочі процеси. Як відомо, в двигунах обох типів після такту стиснення згорає суміш палива з повітрям. У бензиновому ця суміш готується в карбюраторі або у впускний трубі, куди паливо впорскується форсункою, і запалюється в камері згоряння від іскри.
Таким чином, в циліндр двигуна внутрішнього згоряння всмоктується суміш палива з повітрям. У дизелі всмоктується чисте повітря, а в кінці такту стиснення, коли температура стисненого повітря стає досить високою, в камеру згоряння впорскується паливо. Тут воно повинно встигнути розпорошитися, змішатися з повітрям і спалахнути. На ці процеси в дизелі відведено дуже короткий проміжок часу: він відповідає повороту колінчастого вала на 20-40 ° проти майже 360 ° в бензиновому. При цьому треба врахувати, що вал обертається з частотою 4500-4800 об / хв: на таких оборотах працюють сучасні дизелі легкових автомобілів. Стає ясно, що їх паливна апаратура повинна задовольняти досить високим вимогам. Тут ми підійшли до найскладнішого етапу створення дизельного двигуна - до організації його робочого процесу.
Отже, за дуже короткий відрізок часу паливо необхідно впорснути в камеру згоряння і змішати з повітрям, а для цього - тонко розпорошити. Якщо краплі палива будуть занадто великими, вони не встигнуть згоріти за відведений їм для цього час. Незгоріле паливо вилетить в вихлопну трубу у вигляді темного диму, а також нагадає про себе підвищеною витратою. Але недостатньо добре розпорошити паливо: його, як уже говорилося, потрібно ретельно перемішати з повітрям, щоб забезпечити повне згорання. Для цього використовують різні методи. В основному вони зводяться до завихрення повітря, в який і подають паливо. Організувати інтенсивний рух повітря в циліндрі виявляється не так просто. У сучасних двигунах для цього, наприклад, камеру згоряння поділяють на кілька частин, зазвичай на дві. Такі камери називають двопорожнинна. При цьому одна частина є основною, а інша - додатковою. В останній і відбувається інтенсивне перемішування палива з повітрям і його займання.
Справа в тому, що при стисненні тиск повітря в основній камері згоряння наростає швидше, ніж в додатковій, тому повітря перетікає з основної в додаткову камеру. В автомобільних двигунах в основному застосовують два варіанти додаткових камер. У першому вона являє собою тіло обертання. Повітря подається в неї уздовж осі обертання, а паливо впорскується назустріч повітрю. При цьому відбувається інтенсивне перемішування палива з повітрям і займання. Такі двигуни називають передкамерного (форкамерно). Камери іншого типу мають форму сфери, куди повітря підводиться по каналу (або каналам), напрямок якого дотично до сферичної поверхні. При цьому в додатковій камері відбувається інтенсивне обертальний рух повітря, а паливо впорскується (в більшості випадків) перпендикулярно до напрямку руху повітря. При цьому також відбувається інтенсивне перемішування палива з повітрям і займання. Ці двигуни називають вихорокамерних. В результаті займання різко підвищується тиск в додатковій камері, і палаючі гази перетікають в основну, де і відбувається їх догорання і розширення, тобто робочий хід. Як вихорокамерних так і передкамерні двигуни надійні в роботі, мають непоганий економічністю і вимагають порівняно невисокого (120-150 кгс / см2 / 12-15 МПа) тиску уприскування. Це дуже важливо: створюються умови для використання порівняно простий паливної апаратури, зокрема, одне дірчастих форсунок. Практично всі випущені в даний час дизелі легкових автомобілів є вихорокамерних або передкамерного.
Інший тип дизелів - з камерою згоряння, утвореної порожниною між днищем поршня і головкою циліндра (при положенні поршня у верхній мертвій точці). Такі камери називають однополостного, оскільки вони являють собою єдиний обсяг, в який і впорскують паливо, і ось чому самі дизелі називають також двигунами з безпосереднім уприскуванням палива. Основний обсяг камери згоряння тут утворює, як правило, виїмка в днище поршня.
У однопорожнинних камер при однаковому з двопорожнинна обсязі менше площа поверхні, через яку тепло, утворене в процесі згоряння, йде в охолоджуючу середу. У них не втрачається енергія на перекачування газу з однієї порожнини в іншу.
Завдяки цьому дизелі з безпосереднім уприскуванням мають більш високий ККД і, отже, кращу (приблизно на 15%) економічність, ніж вихорокамерних і передкамерні.
Для організації робочого процесу з безпосереднім уприскуванням необхідно вирішити вже відомі нам завдання подати паливо в камеру згоряння досить тонко його розпорошити і добре перемішати з повітрям.
Якість розпилювання і «далекобійність» паливного факела забезпечують більш високим, ніж при розділених камерах, тиском уприскування (200-1500 кгс / см2 / 20-150 МПа), а для рівномірного розподілу палива за обсягом форсунки роблять з декількома (п'ятьма-сімома) отворами . Апаратура, розрахована на більший тиск, трохи складніше і дорожче, ніж для передкамерних і вихорокамерних дизелів.
Але процес, давно освоєний на двигунах середнього і великого літражу (вантажівок, тракторів, судів), виявляється непросто здійснити на моторі з порівняно малим об'ємом камери згоряння і циліндра. У однополостной камері одночасно запалюється більший обсяг суміші, ніж в розділеної, швидше наростає тиск газів, а значить, і навантаження на деталі шатунно-поршневої групи. Таку роботу двигуна називають жорсткою. Вона супроводжується підвищеним шумом. Через високі навантажень поршні, шатуни колінчастий вал доводиться робити більш масивними, тому двигун виходить важче. Через цих недоліків він неприйнятний для легкового автомобіля.
Розроблено такі однопорожнинні камери, де перемішування палива з повітрям і його займання відбувається не в усьому обсязі одночасно. Частина палива направляється на стінку камери і розтягується повітрям в тонку плівку. У міру випаровування воно підхоплюється повітряними вихорами і послідовно вводиться в осередок згоряння. Спочатку запалюється невелика кількість палива; завдяки цьому тиск наростає поступово і дизель працює м'якше. Якщо на стінки спрямовується майже всі впорскується паливо, смесеобразование називають плівковим, якщо частина його - об'ємно-плівковим.
Але для легкових автомобілів досягнута таким шляхом економічність ще недостатня. Тому шукають нові способи організувати турбулентний рух повітря в камері: встановлюють по два впускні клапани на циліндр, створюють нові типи форсунок і розпилювачів - спеціально для малолітражних дизелів. Замість чотирициліндрових двигунів пропонують трьохциліндровий: у них більше обсяг одного циліндра (при рівному сумарному) означає, легше організувати робочий процес Завдання створення малолітражного двигуна з безпосереднім уприскуванням, звичайно, буде вирішена, але зажадає чималих зусиль.
Познайомившись з особливостями конструкції дизелів, повернемося до питання про те, чому вони більш економічні, ніж бензинові двигуни. Тут кілька причин. Основні - відмінності в системах регулювання і величинах ступеня стиснення.
Регулює роботу дизеля (зміна його потужності) здійснюється збільшенням або зменшенням подачі палива в циліндр. Робота бензинового двигуна регулюється прикриттям або відкриттям дросельної заслінки карбюратора. 3десь необхідно нагадати, що стиснення повітря в циліндрі дизеля або робочої суміші в бензиновому двигуні починається при тиску нижче атмосферного, тобто при деякому розрідженні. Воно виникає в результаті того, що під час всмоктування впускний клапан і впускний тракт роблять значний опір потоку суміші або повітря. Тому коли поршень знаходиться в нижній мертвій точці перед тактом стиснення в циліндрі - розрідження. В результаті фактична ступінь стиснення завжди нижче геометричної (тієї, яка повинна бути, якби опір впускного тракту дорівнювало нулю і стиснення починалося з тиску, рівного атмосферного). У бензинового двигуна дуже великий опір створює дросельна заслінка. Коли вона прикрита, тобто водієві не потрібна повна потужність двигуна, розрідження в циліндрі досить велике, воно навіть використовується наприклад, для роботи підсилювача гальм. При цьому дійсна ступінь стиснення набагато нижче геометричній, зазначеної в технічній характеристиці. А саме від ступеня стиснення насамперед залежать потужність і економічність двигуна. Ось на цих, так званих часткових режимах і виграє дизель: у нього немає дросельної заслінки і фактична ступінь стиснення менше відрізняє від геометричної. До того ж у дизеля вона вище за умовами згоряння - 18-23, тоді як у бензинового не перевищує, як правило, 10. Щоб отримати практично такі високі ступеня стиснення, необхідно виготовляти деталі кривошипно-шатунного механізму, порожнини в поршні і головку блоку дизеля з великою точністю, а це вимагає додаткових виробничих витрат, що позначається на вартості двигуна. На неї впливає і паливна апаратура вона складніше, вимагає дуже високої точності виготовлення і тому дорога.
Таким чином, дизельні двигуни більш економічні, але і дорожчі, ніж бензинові. Суттєвим є і те, що регулювання і ремонт дизельної апаратури (насосів, форсунок) вимагають великої точності та трудових витрат і можливі тільки в спеціально обладнаних майстернях і СТО. Доцільність застосування дизелів залежить від умов експлуатації автомобілів, на яких вони встановлені. І вибір того чи іншого типу двигуна диктується в основному економічними розрахунками.
Зрозуміло, ми змогли торкнутися лише основних проблем, пов'язаних з цим вибором. Більш докладно конструктивні особливості різних двигунів висвітлені в спеціальній літературі.
Ю. Пташкін, інженер. ( «За кермом», 1983, №11)
П. Бєлов, В. бурячки, Е Акатов. Двигуни армійських машин. Ч. 1. М. Воениздат, 1971.
Двигуни внутрішнього згоряння Теорія поршневих і комбінованих двигунів. Під ред. А. Орліна, М. Круглова, 4-е изд. М. Машинобудування, 1983.
І. Ленін, К. Попик, О. Малашкін і ін. Автомобільні та тракторні двигуни (теорія, системи харчування, конструкції і розрахунок). М. Вища школа, 1969.
А. Орлин, В. Алексєєв, Н. Костигов і ін. Пристрій і робота поршневих і комбінованих двигунів. 2-е изд. М. Машинобудування, 1970.