Характерный звук старого дизельного двигателя невозможно перепутать ни с чем. Жёсткий металлический рокот, сопровождающийся характерным лязгом, десятилетиями считался визитной карточкой таких моторов. Многие уверены, что причина кроется исключительно в высокой степени сжатия, однако на практике всё гораздо сложнее.
Истоки знаменитого дизельного «тарахтения» скрываются в особенностях процесса сгорания топлива. Более того, именно борьба с этим эффектом привела к появлению многих современных технологий, которые сделали дизельные двигатели заметно тише, экономичнее и экологичнее.
Чем дизель отличается от бензинового двигателя
Главное различие между бензиновым и дизельным мотором заключается в способе воспламенения топливной смеси.
В бензиновом двигателе процесс запускает свеча зажигания. Искра поджигает заранее подготовленную смесь топлива и воздуха, после чего фронт пламени постепенно распространяется по камере сгорания.
В результате давление внутри цилиндра растёт плавно и относительно равномерно.
В дизеле всё происходит иначе.
Здесь отсутствует система искрового зажигания. Воздух в цилиндре сжимается настолько сильно, что его температура резко возрастает. Лишь в самом конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое воспламеняется от контакта с раскалённым воздухом.
Именно этот принцип определяет все дальнейшие особенности работы дизельного двигателя.
Почему дизельное сгорание происходит жёстче
После впрыска топлива начинается так называемая задержка воспламенения. Несмотря на то что речь идёт о долях миллисекунды, за это время часть топлива успевает смешаться с воздухом.
Когда температура становится достаточной для воспламенения, возникает первая фаза сгорания.
Она характеризуется:
- одновременным появлением множества очагов горения;
- резким выделением тепловой энергии;
- быстрым ростом давления в цилиндре.
Фактически значительная часть подготовленной смеси вспыхивает практически одновременно.
Именно этот момент создаёт ударную нагрузку на детали двигателя.
После этого начинается вторая стадия — диффузионное сгорание. Остальное топливо продолжает гореть уже более контролируемо вокруг факелов впрыска.
В дизеле тоже присутствует полноценное пламя, однако начальный этап протекает значительно резче, чем в бензиновом двигателе.
Откуда берётся характерный металлический звук
Главным показателем жёсткости работы дизеля считается скорость роста давления в цилиндре.
Инженеры обозначают этот параметр как dp/dφ — изменение давления относительно угла поворота коленчатого вала.
Во время интенсивного воспламенения давление способно увеличиваться со скоростью около 8–10 бар на каждый градус поворота коленвала у жёстко работающих двигателей.
При этом максимальное давление в современных турбодизелях достигает 150–200 бар, а у старых атмосферных дизелей этот показатель обычно находился в пределах 70–90 бар.
Столь резкое повышение давления создаёт мощный удар по днищу поршня и другим элементам кривошипно-шатунного механизма.
Именно колебания металлических деталей двигателя и формируют тот самый характерный дизельный лязг, который многие сравнивают со звуком работающего трактора.
Как инженеры научились управлять воздухом
Для эффективной работы дизельного двигателя недостаточно просто впрыснуть топливо в цилиндр.
Поскольку на смешивание топлива с воздухом остаются считаные миллисекунды, инженерам пришлось использовать сложные аэродинамические решения.
Современная камера сгорания фактически работает как миниатюрная аэродинамическая система, где движение воздуха строго контролируется.
Основную роль играют три вида завихрений.
Swirl — осевое вращение воздуха
Swirl представляет собой вращение воздушного потока вокруг вертикальной оси цилиндра.
Такое движение формируется ещё на этапе впуска благодаря специальной форме каналов головки блока цилиндров.
Для дизельных двигателей именно этот вихрь считается одним из ключевых элементов эффективного смесеобразования.
Squish — вытеснение воздуха в камеру сгорания
Не менее важную роль играет эффект Squish.
Для его создания центральная часть поршня выполняется в виде специальной чаши, а внешняя поверхность остаётся относительно плоской.
Когда поршень приближается к верхней мёртвой точке, воздух с большой скоростью выдавливается из периферийной зоны в центральную часть камеры сгорания.
Это позволяет:
- ускорить перемешивание топлива и воздуха;
- повысить эффективность сгорания;
- снизить образование локальных зон перегрева.
Tumble — дополнительное кувыркание потока
Третьим типом завихрения является Tumble.
Он представляет собой вращение воздуха в вертикальной плоскости.
Для дизельных двигателей этот эффект играет вспомогательную роль, тогда как в современных бензиновых моторах с непосредственным впрыском его значение значительно выше.
Почему даже идеальная аэродинамика не спасает от сажи
Даже самые совершенные вихревые потоки не способны полностью устранить один из фундаментальных недостатков дизеля.
Из-за особенностей диффузионного горения часть топлива неизбежно оказывается в условиях недостатка кислорода.
Именно поэтому образуются частицы сажи.
Чтобы соответствовать современным экологическим требованиям, дизельные автомобили оснащаются:
- сажевыми фильтрами (DPF);
- системами рециркуляции отработавших газов;
- сложными алгоритмами управления впрыском.
Без этих решений современные нормы токсичности были бы недостижимы.
Что изменило систему Common Rail
Даже после оптимизации формы камеры сгорания проблема жёсткой работы двигателя оставалась актуальной.
Основной причиной оставалась задержка воспламенения.
Пока топливо ожидало достижения необходимых условий для горения, его часть накапливалась в цилиндре. Затем происходил резкий всплеск тепловыделения.
Революцию совершила система Common Rail.
Главным её преимуществом стала возможность выполнять несколько впрысков топлива за один рабочий цикл.
Наиболее важным оказался пилотный впрыск.
За очень короткое время до основной подачи топлива электроника направляет в цилиндр небольшую предварительную порцию.
Её задача заключается в следующем:
- плавно повысить температуру;
- подготовить условия для воспламенения;
- уменьшить задержку основного сгорания.
Когда поступает основная порция топлива, она воспламеняется практически сразу, без накопления большого количества горючей смеси.
В результате значительно снижается скорость роста давления и уменьшается уровень шума двигателя.
Почему современные дизели стали тише
Современный дизельный мотор представляет собой сложный комплекс инженерных решений.
Снижения шума удалось добиться благодаря сочетанию нескольких технологий:
- оптимизированной формы камеры сгорания;
- сложной аэродинамики воздушных потоков;
- высокоточного впрыска топлива;
- системы Common Rail с пилотными впрысками;
- электронного управления процессом горения.
Если старые дизели сопровождали работу громким металлическим рокотом, то современные агрегаты часто лишь слегка напоминают о своём происхождении характерным ритмом работы.
Знаменитый дизельный лязг возникает не из-за одной лишь высокой степени сжатия. Его причина кроется в особенностях воспламенения топлива и чрезвычайно быстром росте давления внутри цилиндра.
На протяжении десятилетий инженеры искали способы смягчить этот процесс. Для этого были разработаны сложные камеры сгорания, специальные схемы движения воздуха и высокоточные системы впрыска топлива.
В результате современный дизель превратился в пример того, как аэродинамика, механика и электроника способны совместно решить проблему, которая когда-то считалась неотъемлемой особенностью самого принципа работы двигателя.