Большую роль в совершенствовании конструкции легкого автотракторного дизеля сыграли работы русских инженеров. Г. В. Тринклер еще в 1901 г. осуществил распыление топлива в двигателе с воспламенением от сжатия без помощи компрессорного воздуха. Я. В. Мамин к 1908 г. создал промышленный образец дизеля этого типа. После первой мировой войны работы по созданию автомобильных дизелей развернулись в Германии, Англии и других странах. В 1936 г. фирма "Merсedes Benz" начала выпуск легкового автомобиля ("260D") с дизелем. Однако вплоть до начала 70-х годов количество легковых дизельных автомобилей было ничтожно мало. В 1970 г. во всем мире произвели всего около 100 тысяч таких машин - менее 0,5% общемирового объема выпуска легковых автомобилей. Малый спрос на дизельные легковушки определялся тем, что их повышенная (на 10-12%) стоимость при малых пробегах не компенсировалась снижением затрат на топливо. Дизельные легковые автомобили использовались в основном как такси в крупных западноевропейских городах с интенсивным уличным движением.
В 70-х годах спрос на дизельные легковушки резко возрос. К пяти фирмам, выпускавшим их и раньше ("Merсedes Benz", "Peugeot", "Perkins", "BLMC" и "Nissan"), добавились "Opel", "Citroen", "VW", "Sofim", "Oldsmobile", "Toyota", "Isuzu". В 1977 г. во всех странах мира было произведено уже 500 тысяч дизельных легковых автомобилей, т.е. в 5 раз больше, чем в 1970 г. К 80-м годам свои дизельные модификации подготовили компании "BMW", "Audi", "Ford", Volvo. Резкое изменение конъюнктуры объясняется просто. В результате кризисов цены на нефтепродукты подскочили в четыре раза, и экономическая эффективность дизельного двигателя сразу возросла. Был и второй фактор, уменьшивший разницу в стоимости карбюраторных и дизельных автомобилей до 5-7%. Дело в том, что внедрение мер, уменьшающих токсичность выхлопа бензиновых двигателей, привело к их удорожанию. В настоящее время спрос на дизельные автомобили в различных странах колеблется от 10 до 20%, в зависимости от разницы в ценах на бензин и дизельное топливо.
Напомним, что КПД дизельного двигателя выше, чем бензинового, и поэтому расход топлива меньше на 25-30% по массе и на 45% по объему. Соответственно, больше и запас хода дизельного автомобиля без дозаправки. Дизельное топливо, к тому же, дешевле и менее огнеопасно.Но по ряду показателей дизели уступают бензиновым двигателям. Трудность распыления дизельного топлива и смесеобразования в короткие промежутки времени не позволяет повысить число оборотов коленчатого вала до значений, присущих бензиновым двигателям, а это существенно снижает удельную мощность. Кроме того, дизель тяжелее, поскольку давление в камере сгорания у него значительно выше. Нельзя также не отметить сложность и, соответственно, высокую стоимость топливоподающей аппаратуры дизелей, большую шумность, особенно при работе на холостом ходу, повышенную вибрацию силового агрегата и задымленность выхлопа после большого пробега. Техническое обслуживание дизельного легкового автомобиля, как правило, дороже и требует от персонала более высокой квалификации.
Самое широкое распространение получили высокооборотные дизельные двигатели с двухполостными камерами сгорания. Они не такие шумные, у них более низкие уровни вибраций, дымности и токсичности отработавших газов. При степени сжатия 20-23,5 коленчатый вал "раскручивается" от 3600 до 5000 об/мин. Для завихрения воздуха, повышающего эффективность смешения впрыскиваемого топлива, камера делится на две части - основную и дополнительную. Топливо интенсивно перемешивается с воздухом и воспламеняется от сжатия смеси. В отличие от двигателей с принудительным воспламенением горючей смеси, где процессы смесеобразования занимают обычно значительную часть цикла, в дизелях на смесеобразование отводятся очень короткие промежутки времени, соответствующие всего 20-40 градусам поворота коленчатого вала. В этих условиях качественное приготовление топливо-воздушной смеси с равномерным распределением топлива по объему камеры сгорания оказывается очень сложной задачей. Тут нужна специальная топливная аппаратура, особая камера сгорания. Чтобы строго дозированные, распыленные порции дизельного топлива лучше смешивались с воздухом, конструкторы изобретают различные способы завихрения воздуха. Организовать интенсивное движение воздуха в цилиндре совсем не просто. На дизельных легковушках широкое распространение получили двухполостные камеры сгорания с дополнительной камерой в виде сферы. Воздух подводится по касательному к сферической поверхности каналу. Такие дизели называют вихрекамерными. При воспламенении топлива в вихревой камере давление резко повышается и вытесняет еще не сгоревшее топливо в виде распыленных капелек в объем основной камеры, где сгорание завершается. У дизеля с такой камерой сгорания воздух в период такта сжатия поступает в дополнительную камеру через соединительный канал с большой скоростью, при этом значительно охлаждаясь. Поэтому для обеспечения необходимой температуры к моменту воспламенения требуется очень высокая степень сжатия - от 20 до 24, но несмотря на это при холодном пуске мотора воздух в вихрекамере должен предварительно подогреваться с помощью специальной смеси накаливания, выключаемой после пуска. Общая площадь поверхности основной и дополнительной камер сгорания весьма велика, скорость движения воздуха около их стенок также достигает высших значений, что приводит к повышению теплоотдачи стенки, т.е. росту тепловых потерь. Поэтому дизели с разделенными, или двухполостными камерами сгорания расходуют больше топлива, чем хотелось бы их создателям. Популярность таких дизелей объясняется тем, что "растянутость" цикла по двум полостям камеры сгорания обеспечивает двигателю мягкую и достаточно тихую работу с невысоким максимальным давлением в цилиндрах и относительно дешевой и простой топливной аппаратурой.
Последние достижения в области разработки высокоэкономичных бензиновых двигателей заставили конструкторов дизелей вспомнить об ином способе организации процесса смесеобразования: так называемом "непосредственном впрыске". В таких двигателях камера сгорания представляет собой полость между днищем поршня и головкой цилиндра. При этом поршень нагревается сильнее, чем охлаждаемая головка цилиндра, что уменьшает тепловые потери горячих газов на стенках камеры сгорания. Кроме того, отсутствует канал перетекания, необходимый для предкамерных дизелей. Камера сгорания дизеля с непосредственным впрыском компактна, тепловые потери и степень сжатия меньше. (Значение степени сжатия обычно от 15 до 18.) При холодном пуске дизели этого типа не требуют дополнительных мер для обеспечения воспламенения топлива. Главное их преимущество - высокая экономичность, главный недостаток - шум, обусловленный высокой скоростью нарастания давления в начальной фазе горения и необходимостью применения топливной аппаратуры высокого давления, более дорогой и сложной. Для лучшего перемешивания частиц распыленного топлива с воздухом свежему заряду сообщают при впуске вращательное движение вокруг оси цилиндра (создается осевой вихрь). С этой целью чаще всего впускные каналы делают винтовыми. Интенсивные научно-исследовательские работы в конце восьмидесятых годов принесли просто фантастические результаты. Во время демонстрационного пробега по европейским странам легковой автомобиль "Audi 100 TDI", оснащенный дизелем с непосредственным впрыском и турбонаддувом, показал средний расход топлива 1,76 л/100 км (!), пройдя весь путь со средней скоростью 60,2 км/ч.
Автор нового поколения дизелей с непосредственным впрыском (которым присвоено общее название "ELKO") - немецкий конструктор Л. Эльсбетт. По его мнению, такие двигатели вправе называться и "теплоизолированными". Впрыск односопловой форсункой осуществляется в сферическую камеру сгорания, расположенную в юбке поршня. В рабочем процессе используется эффект перемещения горячих продуктов сгорания малой плотности в центр вращающегося в камере сгорания воздушного заряда. Так достигается хорошее перемешивание горящей смеси с воздухом, и поскольку сгорание происходит, в основном, в центре камеры, тепловые потери на стенках минимальны. Поршень дизеля "ELKO" со стальной верхней частью конструктивно способствует уменьшению теплопередачи от горячих газов в стенки камеры. Водяных каналов в головке блока мотора нет совсем. Теплота отводится только от наиболее важных участков - межклапанных перемычек и отверстия для форсунок - при помощи масла, циркулирующего по специально высверленным каналам диаметром 6-8 мм. Цилиндры охлаждаются так, чтобы температура их верхней зоны не превышала уровня, необходимого для обеспечения нормальной смазки. При таком уменьшении теплоотвода в систему охлаждения большая часть теплоты отводится с выхлопными газами и используется затем для турбонаддува. Для двигателей "ELKO" требуется значительно меньший по размерам радиатор и, соответственно, вентилятор меньшей мощности. Лицензия на производство двигателей "ELKO" приобретена и нашей страной. Испытания этого дизеля на автомобиле АЗЛК-2141 показали, что расход топлива может быть уменьшен до 3-4 л/100 км. С целью шумогашения дизели закрываются со всех сторон специальными матами, образующими своеобразную "капс
Совершенствование дизелей с непосредственным впрыском идет впечатляющими темпами. В г. Кайзерслаутене (ФРГ) осенью 1997 г. будет пущен новый завод фирмы "Opel" производственной мощностью 270 тыс. двигателей в год. Новейшее семейство дизелей этого завода имеет ряд очень интересных конструктивных особенностей. Четырехцилиндровый 16-клапанный двигатель с рабочим объемом 2,0 л и одним распредвалом в головке оснащен турбонаддувом с интеркулером и топливным насосом высокого давления с электронным управлением. Впускной трубопровод, благодаря изменению формы каналов, переключению системы с помощью специальной заслонки с вакуумным приводом, обеспечивает на низких оборотах крутящий момент 185 Hм в диапазоне 1800-2500 об/мин. В новом газораспределительном механизме потери на трение на 3% меньше. По сравнению с дизелем старой конструкции, с разделенной камерой сгорания, новый мотор на 17% экономичнее и обеспечивает уровень токсичности на 20% меньше требуемого по европейским нормам 1996 г. Расход топлива "Opel Vectra", оснащенного таким дизелем, не превышает 4,9 л/100 км. Добавим, что похожие двигатели появились и у ряда фирм-конкурентов, в том числе у "Renault".
По-видимому, дальнейшим шагом на пути совершенствования дизелей станет переход на систему питания типа "common rail". В ней насос лишь поддерживает высокое давление в общей для всех цилиндров магистрали, а распределение по цилиндрам осуществляется клапанами форсунок по сигналам "электронного мозга". Момент впрыска, количество топлива, механизм его подачи, давление в системе на разных оборотах также регулируется компьютером. "Merсedes Benz", "Opel" и "Toyota" вовсю ведут подготовку к выпуску дизелей с топливной системой такого типа. Расход топлива в таком двигателе уменьшается на 10-15%, мощность увеличивается (до 40%), шум ослабляется (на 10%), значительно снижается концентрация углеводородов и окислов азота в выхлопе.
Так стоит ли покупать дизельный легковой автомобиль? Стоит, если он быстро окупится при ваших пробегах. Стоит, если вы станете заправлять его качественным горючим и проходить техобслуживание в хорошем автосервисе. Последнее условие с каждым годом выполнить все легче и в России. Не исключено, что именно дизельный двигатель окажется самым подходящим для автомобилей ХХI века. |
