Этот тип двигателя получил свое название по имени немецкого инженера Рудольфа
Дизеля, построившего в 1897 году первый двигатель с самовоспламенением топлива.
Конструктивно дизельный двигатель аналогичен бензиновому двигателю: те же
цилиндры, поршни, распределительный вал, клапаны. Но имеется и ряд отличий, из
которых главное, можно даже сказать принципиальное, заключается в том, что
воспламенение топлива в дизельном двигателе производится не искрой от свечи
зажигания, а за счет высокой температуры, которой достигает воздух в результате
сжатия его поршнем в цилиндре.
Второй важный момент – способ подачи топлива. В бензиновом двигателе рабочим телом
является смесь бензина с воздухом. Смесь готовится заранее (в карбюраторе) или
непосредственно в момент ее подачи в цилиндры (в системах впрыска) – главное то, что
топливо подается вместе с воздухом, а поджигается и сгорает относительно гомогенная
топливовоздушная смесь.
В дизельном двигателе подача топлива и воздуха происходит раздельно. Вначале в
цилиндр всасывается воздух, затем он сжимается, и только после этого впрыскивается
топливо, поэтому говорить о гомогенной топливовоздушной смеси не приходится. Впрыск
производится в конце такта сжатия, топливо и воздух фактически не смешиваются друг с
другом, горение происходит на фронте впрыскиваемой в сжатый воздух струи топлива.
Самовоспламенение топлива сопровождается резким, скачкообразным повышением
давления в цилиндре – этим объясняется обычно шумная, жесткая работа дизельного
двигателя. В низкооборотных дизельных двигателях с большим рабочим объемом,
которые используются на грузовиках, этот недостаток проявляется в меньшей степени, и
с ним мирятся. В дизельных двигателях легковых автомобилей от него пытаются
избавиться применением вихревой камеры, или предкамеры, – небольшого отсека камеры
сгорания, в который впрыскивается топливо. Там оно воспламеняется, частично
перемешивается с воздухом, после чего горящая смесь распространяется по основному
объему цилиндра. Этот способ несколько уменьшает жесткость работы двигателя, но
снижает его тепловую эффективность и топливную экономичность. Для более плавного
воспламенения топлива использованы двухступенчатый впрыск и сложная электронная
схема управления.
Характерной особенностью дизельных двигателей является наличие твердых частиц в
отработавших газах. Из-за гетерогенности процесса горения на поверхности отдельных
частиц топлива всегда наблюдается некоторый недостаток кислорода, в результате чего
вместо их окисления происходит частичное термическое разложение с образованием
твердых продуктов – сажи. Для хорошего сжигания дизельного топлива требуется
значительное, даже избыточное количество воздуха.
Также, степень сжатия у дизельного двигателя в 2 раза выше, чем у бензинового
двигателя. Высокая, не менее 14 (достигает 25), степень сжатия необходима для того,
чтобы температура воздуха в цилиндре поднялась до величины, достаточной для
воспламенения топлива. Обычно в дизельных двигателях степень сжатия составляет
21–22 и ограничивается лишь прочностными характеристиками двигателя.
Устройства для подачи топлива в дизельных двигателях значительно сложнее, чем в
бензиновых. Их сложность определяется прежде всего тем, что приходится впрыскивать
очень маленькие, всего несколько миллиграмм, порции топлива в среду с высоким
давлением. Эти порции должны быть очень точно отмерены – именно количеством
подаваемого топлива управляется работа дизельного двигателя. Для этого нужны
быстродействующие и точные форсунки. Высокая степень сжатия требует применения
соответствующих топливных насосов – давление в сопле форсунки должно достигать
нескольких сотен бар. Все это усложняет и ощутимо удорожает систему подачи топлива
и, соответственно, сам дизельный двигатель.
Топливо из топливного бака забирается топливным насосом высокого давления, а затем
под высоким давлением подается к топливным форсункам.
Для уменьшения количества вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах, на
автомобилях с дизельными двигателями устанавливается окислительный катализатор.
Также используется система подмешивания выхлопных газов к свежему воздуху,
поступающему в двигатель, в результате чего уменьшается процентное содержание
кислорода в воздухе, который будет сжигаться в цилиндрах двигателя. В результате этого
уменьшается температура сгорания топливной смеси, в результате чего уменьшается
количество образовавшихся окислов азота.
Известны три способа впрыска дизельного топлива в цилиндры двигателя: через
форкамеру, через вихревую камеру и прямой впрыск.
При впрыске дизельного топлива через форкамеру топливо распыляется по форкамере и
мгновенно воспламеняется. В связи с незначительным количеством кислорода в
форкамере сгорает только часть топлива, а остальное топливо вытесняется из
форкамеры в цилиндр двигателя, где и сгорает полностью.
При впрыске топлива через вихревую камеру процесс сгорания топлива производится
таким же образом, как и при впрыске топлива через форкамеру. Отличие заключается в
форме и размерах канала, соединяющего вихревую камеру с камерой сгорания. При
впрыске топлива в вихревую камеру происходит значительно лучшее перемешивание
топлива с воздухом, а процесс сгорания осуществляется более плавно.