Устройство, принцип работы и схема дизельного двигателя

Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо воспламеняется не от искры, а от сжатия воздуха в цилиндре. Отсюда все его особенности: высокая степень сжатия, специфическая топливная аппаратура, высокий крутящий момент на низких оборотах и характерный набор узлов, которых нет в бензиновом моторе. Ниже — из чего он состоит, как работает по тактам и как выглядит его схема, если разобрать по системам.

Чем дизельный двигатель отличается от бензинового

• Топливо воспламеняется от сжатия, а не от искры свечи зажигания. Свечей зажигания у дизеля нет — есть свечи накаливания, и только для облегчения холодного пуска.
• Степень сжатия — 16–24, у бензинового — обычно 9–12. Отсюда более массивные и прочные детали цилиндро-поршневой группы.
• Топливо подаётся под высоким давлением через форсунки прямо в камеру сгорания. Давление в современных системах — до 2 500–3 000 бар.
• Больший крутящий момент на низких оборотах — отсюда популярность дизеля на грузовиках, внедорожниках, спецтехнике.
• Ниже расход топлива при том же классе автомобиля — на 20–30% экономичнее бензинового аналога.

Что такое дизельный двигатель

Дизельный двигатель — тепловой двигатель внутреннего сгорания, где топливо самовоспламеняется от температуры сильно сжатого воздуха. Принцип запатентован Рудольфом Дизелем в 1892 году, отсюда и название. Основная задача такого двигателя — превратить химическую энергию топлива в механическую работу на коленчатом валу, которая дальше передаётся на колёса или на приводимый в действие механизм.

Отличие от бензинового мотора не только в способе поджига смеси. В бензиновом двигателе воздух и топливо смешиваются заранее, во впускном канале или в цилиндре, и поджигаются искрой в строго заданный момент. В дизеле в цилиндр сначала засасывается только чистый воздух, он резко сжимается — температура при этом поднимается до 500–700 °C, — и в этот раскалённый воздух через форсунку впрыскивается топливо. Оно самовоспламеняется, происходит рабочий ход.

Принцип работы дизельного двигателя по тактам

Классический дизельный двигатель — четырёхтактный. Один рабочий цикл состоит из четырёх тактов, то есть двух оборотов коленчатого вала.

Такт 1. Впуск

Поршень идёт вниз, впускной клапан открыт. Через впускной коллектор в цилиндр поступает чистый воздух. На двигателях с турбонаддувом воздух дополнительно сжимается турбокомпрессором, за счёт чего в цилиндр помещается его больше — а значит, можно сжечь больше топлива и получить больше мощности.

Такт 2. Сжатие

Все клапаны закрыты, поршень идёт вверх. Воздух сжимается в 16–24 раза от исходного объёма — до давления 30–55 бар и температуры 500–700 °C. Это ключевое отличие дизеля: воздух сжимается настолько сильно, что становится горячее температуры самовоспламенения дизельного топлива.

Такт 3. Рабочий ход (расширение)

В самом конце такта сжатия, когда поршень почти дошёл до верхней мёртвой точки, форсунка впрыскивает в раскалённый воздух порцию распылённого дизельного топлива. Оно мгновенно самовоспламеняется. Давление в цилиндре резко возрастает и толкает поршень вниз. Это единственный такт, в котором двигатель совершает полезную работу.

Такт 4. Выпуск

Поршень идёт вверх, выпускной клапан открыт. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной коллектор и уходят в систему выпуска отработавших газов, где очищаются от сажи и вредных примесей и глушатся до приемлемого уровня шума.

Итог одного цикла: два оборота коленчатого вала, один рабочий ход. Чтобы работа была равномерной, а двигатель — многоцилиндровым: 4, 6, 8, 12 цилиндров, где рабочие ходы чередуются.

Устройство дизельного двигателя: основные системы

Дизельный двигатель — это набор связанных систем, каждая из которых отвечает за свою задачу. Ниже — все основные системы и что в них входит.

1. Кривошипно-шатунный механизм

Превращает возвратно-поступательное движение поршней во вращение коленчатого вала. Состоит из:

• Блок цилиндров — литой корпус, в котором расположены цилиндры. У дизеля обычно чугунный, реже алюминиевый с чугунными гильзами. Испытывает большие нагрузки из-за высоких давлений сгорания.
• Головка блока цилиндров (ГБЦ) — закрывает цилиндры сверху. В ней расположены впускные и выпускные клапаны, форсунки, свечи накаливания, распределительные валы.
• Поршни — воспринимают давление газов. У дизеля имеют характерное углубление в днище — камеру сгорания того или иного профиля.
• Шатуны — передают усилие от поршня на коленчатый вал.
• Коленчатый вал — превращает движение шатунов во вращение, снимаемое с маховика.
• Маховик — тяжёлый диск на конце коленчатого вала, сглаживает неравномерность работы и передаёт крутящий момент на сцепление и трансмиссию.

2. Газораспределительный механизм (ГРМ)

Управляет впускными и выпускными клапанами — открывает и закрывает их в нужный момент. Основные узлы:

• Распределительный вал (или два — по одному на впуск и выпуск в схеме DOHC, то есть «два верхних распределительных вала»).
• Клапаны — впускные и выпускные, по одному-два на цилиндр.
• Толкатели, коромысла или гидрокомпенсаторы — передают усилие от кулачков распредвала к клапанам.
• Привод ГРМ — ремень или цепь, синхронизирующая коленчатый и распределительный валы. У дизелей чаще ставят цепь как более долговечный вариант.

3. Топливная система (система питания)

Главная система дизеля — от неё зависит и мощность, и экономичность, и экологичность. Задача: подать точно отмеренную порцию топлива в нужный момент под высоким давлением и распылить её в цилиндре мельчайшими каплями.

• Топливный бак — хранит дизельное топливо.
• Топливоподкачивающий насос (низкого давления) — подаёт солярку из бака к насосу высокого давления.
• Топливный фильтр — задерживает воду и механические примеси. Для дизеля это особенно критично: попадание воды и грязи в форсунки означает дорогой ремонт.
• Насос высокого давления — сердце системы. Создаёт давление 200–3 000 бар в зависимости от системы впрыска. В старых моторах — рядный или распределительный (ТНВД), в современных — насос высокого давления в системе «Common Rail» (общая топливная рампа, о ней ниже).
• Форсунки — распыляют топливо в цилиндры. У современных дизелей — электрически управляемые, могут за один такт делать несколько впрысков (предварительный, основной, дополнительный).
• Трубопроводы высокого давления — соединяют насос и форсунки.

По типу подачи топлива дизели делятся на:

• С непосредственным впрыском — топливо подаётся прямо в камеру сгорания в поршне. Стандарт для современных легковых и грузовых дизелей.
• С раздельной камерой сгорания (форкамерные, вихрекамерные) — топливо подаётся в отдельную камеру, соединённую с цилиндром узким каналом. Устаревшая схема, встречается на старых дизелях.

Отдельно про систему «Common Rail» (общая топливная рампа): в ней насос высокого давления нагнетает топливо в общий трубопровод — рампу, откуда оно уже подаётся к форсункам. Давление в рампе поддерживается постоянно высоким, форсунки открываются по команде электронного блока управления. Именно эта схема позволила современным дизелям стать тихими, экологичными и экономичными.

4. Система впуска воздуха

Обеспечивает подачу чистого воздуха в цилиндры в нужном объёме.

• Воздушный фильтр — очищает воздух от пыли.
• Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам.
• Дроссельная заслонка — в чистом виде у дизеля её нет (дизель регулируется только количеством топлива, а не воздуха), но во впускном тракте современных моторов ставится заслонка для управления рециркуляцией отработавших газов и глушения двигателя.
• Турбокомпрессор — приводится в движение отработавшими газами и подаёт в цилиндры сжатый воздух. Позволяет с того же объёма двигателя получить существенно больше мощности.
• Промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер, от англ. intercooler, «межступенчатый охладитель») — охлаждает сжатый турбиной воздух перед подачей в цилиндры, повышая его плотность.

5. Система выпуска отработавших газов (выхлопная система)

Выводит из двигателя продукты сгорания, очищает их от вредных веществ и глушит шум. У современного дизеля это одна из самых сложных и дорогих систем.

• Выпускной коллектор — собирает газы из цилиндров головки блока.
• Приёмная труба — соединяет коллектор с остальной частью выхлопной системы.
• Гибкая гофра — гасит вибрации от двигателя и компенсирует его перемещения на подушках.
• Турбина турбокомпрессора — использует энергию выхлопных газов для привода компрессора наддува.
• Каталитический нейтрализатор — снижает содержание оксидов азота, угарного газа и несгоревших углеводородов.
• Сажевый фильтр (в русской технической документации — фильтр твёрдых частиц; в англоязычной — DPF, Diesel Particulate Filter) — улавливает сажу. Периодически прогорает в режиме регенерации.
• Система рециркуляции отработавших газов (в англоязычной документации — EGR, Exhaust Gas Recirculation) — возвращает часть выхлопных газов во впуск, снижая температуру сгорания и выбросы оксидов азота.
• Система селективного каталитического восстановления (в англоязычной документации — SCR, Selective Catalytic Reduction) — использует раствор мочевины (торговое название — AdBlue) для дополнительной очистки от оксидов азота. Обязательна на грузовиках и части легковых дизелей уровня Евро-6.
• Резонатор и глушитель — гасят звуковые волны.
• Кислородные датчики и датчики температуры — обеспечивают обратную связь с блоком управления.

Состояние выхлопной системы напрямую влияет на работу всего двигателя: забитый сажевый фильтр создаёт противодавление в выпуске, из-за чего перегревается и выходит из строя турбина; неисправная система рециркуляции выхлопных газов ведёт к нагару во впуске и падению мощности; прогоревшая гофра или коллектор дают посторонние шумы и снижают ресурс турбокомпрессора.

6. Система смазки

Уменьшает трение между движущимися деталями, отводит от них тепло, уносит продукты износа и защищает металл от коррозии.

• Масляный поддон — резервуар для моторного масла.
• Масляный насос — прокачивает масло по системе.
• Масляный фильтр — задерживает продукты износа и сажу (у дизеля — особенно активно).
• Масляные каналы в блоке и головке блока — по ним масло идёт ко всем узлам трения.
• Радиатор охлаждения масла — на нагруженных дизелях с турбонаддувом.

У дизелей моторное масло работает в более тяжёлых условиях, чем в бензиновом моторе: выше температуры, больше сажи, больше окислительных нагрузок. Отсюда специальные допуски масел для дизельных двигателей и более короткие межсервисные интервалы.

7. Система охлаждения

Отводит от двигателя избыточное тепло, поддерживая рабочую температуру в диапазоне 85–105 °C.

• Рубашка охлаждения — каналы в блоке и головке блока цилиндров, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (антифриз).
• Помпа (водяной насос) — прокачивает жидкость по кругу.
• Термостат — открывает большой контур охлаждения только после прогрева двигателя.
• Радиатор — отдаёт тепло встречному потоку воздуха.
• Вентилятор радиатора — обдувает радиатор при недостаточном естественном потоке.
• Расширительный бачок — компенсирует температурное расширение жидкости.

8. Система пуска

Обеспечивает первоначальный прокрут коленчатого вала до появления устойчивого воспламенения топлива.

• Аккумуляторная батарея — источник электроэнергии.
• Стартер — электродвигатель большой мощности, раскручивающий коленчатый вал через маховик.
• Свечи накаливания — в отличие от свечей зажигания в бензиновом моторе, не поджигают смесь искрой, а разогревают воздух в камере сгорания или предкамере, облегчая холодный пуск. После прогрева двигателя большинство свечей отключается.
• Реле управления свечами накаливания — управляет их включением и продолжительностью работы.

9. Электронный блок управления двигателем

Современный дизель управляется электронным блоком (в англоязычной документации — ECU, Engine Control Unit; в русской практике — ЭБУ, электронный блок управления). Он собирает данные с десятков датчиков (расход воздуха, давление наддува, положение педали, температура, давление в топливной рампе, положение коленчатого и распределительного валов и других) и в реальном времени управляет:

• моментами и длительностью впрысков топлива каждой форсункой;
• давлением в топливной рампе;
• давлением наддува;
• работой рециркуляции выхлопных газов;
• регенерацией сажевого фильтра;
• дозированием мочевины в системе селективного каталитического восстановления.

Схема дизельного двигателя: как всё это связано

Если представить схему дизельного двигателя одной картиной, она читается снизу вверх и по кругу:

1. Топливный контур: бак → топливоподкачивающий насос → фильтр → насос высокого давления → топливная рампа → форсунки → цилиндры.
2. Воздушный контур: воздушный фильтр → турбокомпрессор (сжатие) → интеркулер (охлаждение) → впускной коллектор → цилиндры.
3. Механическая часть: цилиндры → поршни → шатуны → коленчатый вал → маховик → сцепление и трансмиссия.
4. Выхлопной контур: цилиндры → выпускной коллектор → турбина турбокомпрессора → приёмная труба и гофра → каталитический нейтрализатор → сажевый фильтр → селективная нейтрализация оксидов азота с впрыском мочевины → резонатор → глушитель → срез выхлопной трубы.
5. Обслуживающие контуры: система смазки замкнутым кругом через поддон, насос и масляные каналы; система охлаждения замкнутым кругом через рубашку, помпу, термостат и радиатор.
6. Управляющий контур: датчики → электронный блок управления → исполнительные механизмы (форсунки, клапаны системы рециркуляции, регулятор давления наддува, дозатор мочевины).

Все контуры работают параллельно, и их согласованность и обеспечивает электронный блок управления.

Из чего состоит дизельный двигатель: сводный перечень

Ниже — компактный перечень основных деталей, которые есть в любом современном дизельном двигателе.

• Блок цилиндров, гильзы, головка блока цилиндров, прокладка ГБЦ.
• Поршни с камерой сгорания, кольца, поршневые пальцы, шатуны.
• Коленчатый вал, коренные и шатунные вкладыши, маховик.
• Распределительные валы, клапаны, пружины, толкатели или гидрокомпенсаторы, цепь или ремень привода газораспределительного механизма.
• Форсунки, насос высокого давления, топливная рампа, топливоподкачивающий насос, топливный фильтр, топливопроводы.
• Турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор, воздушный фильтр, датчик массового расхода воздуха.
• Выпускной коллектор, приёмная труба, гофра, каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр, катализатор системы селективного восстановления, глушитель, датчики кислорода и температуры.
• Масляный поддон, масляный насос, масляный фильтр, радиатор масла (при наличии).
• Радиатор охлаждающей жидкости, помпа, термостат, вентилятор, расширительный бачок.
• Стартер, аккумулятор, свечи накаливания и реле управления ими.
• Электронный блок управления, комплект датчиков, исполнительные механизмы.

Виды дизельных двигателей

1. По числу тактов:
   • четырёхтактные (подавляющее большинство современных);
   • двухтактные (крупные судовые и промышленные — там рабочий ход каждый оборот коленвала).
2. По способу смесеобразования:
   • с непосредственным впрыском;
   • с разделённой камерой сгорания (устаревшая схема).
3. По типу топливной системы:
   • с рядным ТНВД;
   • с распределительным ТНВД;
   • насос-форсунка (в англоязычной документации — Unit Injector);
   • с общей топливной рампой (Common Rail) — актуальный стандарт для легковых и большинства грузовых дизелей.
4. По наличию наддува:
   • атмосферные (в современных легковых машинах практически не встречаются);
   • с турбонаддувом. 

Возможны схемы с двумя турбинами последовательно, с изменяемой геометрией турбины, с электрическим наддувом.

5. По назначению:
   • легковые;
   • грузовые;
   • судовые;
   • промышленные;
   • стационарные;
   • тепловозные;
   • сельскохозяйственные;
   • внедорожные.

Плюсы и минусы дизельного двигателя

Плюсы: ниже расход топлива, выше крутящий момент на низких оборотах, дольше ресурс при правильной эксплуатации, ниже пожароопасность дизельного топлива по сравнению с бензином, лучше тяговые характеристики для тяжёлых и внедорожных условий.

Минусы: выше стоимость самого двигателя и особенно топливной аппаратуры, дороже ремонт, требовательнее к качеству топлива и моторного масла, хуже холодный пуск при низких температурах, шумнее и заметнее вибрации по сравнению с бензиновым мотором, сложная и дорогая система очистки выхлопа.

Что чаще всего ломается и как продлить ресурс

Знание слабых мест дизельного двигателя помогает понять, где начинается граница между обслуживанием и капитальным ремонтом.

• Форсунки и насос высокого давления — чувствительны к качеству топлива. Заправляться на сомнительных заправках — прямой путь к дорогому ремонту.
• Турбокомпрессор — не переносит масляного голодания и высокого противодавления в выпуске. Отсюда правила: качественное масло, вовремя менять, не глушить сразу после высокой нагрузки (дать поработать 30–60 секунд на холостых), следить за состоянием выхлопной системы.
• Сажевый фильтр — рано или поздно забивается. При грамотной эксплуатации выхаживает 150–250 тыс. км. При коротких поездках без выхода на трассу — забивается заметно быстрее.
• Система рециркуляции выхлопных газов — засоряется нагаром, особенно в городских условиях. Симптомы: падение тяги, ошибки блока управления, повышенный расход.
• Свечи накаливания — расходники, средний ресурс 60–120 тыс. км. Плохой запуск в мороз — первый признак к проверке.
• Гофра и приёмная труба выпускного тракта — прогорают под влиянием температуры и вибраций. Прогоревшая гофра слышна как громкий шум под днищем и увеличивает нагрузку на подушки двигателя и турбину.
• Каталитический нейтрализатор и корпус сажевого фильтра — со временем разрушаются механически или забиваются продуктами сгорания.

Продление ресурса дизеля складывается из очевидных, но регулярно нарушаемых правил: качественное топливо, регулярная замена топливного, воздушного, масляного и салонного фильтров, специальные масла с нужным допуском для дизеля с сажевым фильтром, своевременная диагностика при появлении посторонних шумов и падении мощности, аккуратное отношение к прогреву и остыванию турбированного мотора.

Отдельная зона — состояние выхлопной системы. Ремонт и грамотное обслуживание катализатора, сажевого фильтра, гофры, глушителя и всей связанной механики — специализация профильных сервисов, таких как «Ультравыхлоп». Работы с выхлопом лучше доверять именно им: универсальные автосервисы часто идут по пути замены крупных узлов целиком, тогда как узкий специалист может отремонтировать конкретный элемент и сохранить исходную конфигурацию системы, что для дизеля важно и с точки зрения экологических параметров, и с точки зрения ресурса турбины и всего двигателя.

Часто задаваемые вопросы

Почему в дизеле нет свечей зажигания? 

Потому что топливо в дизельном двигателе воспламеняется не от искры, а от температуры воздуха, сильно сжатого в цилиндре. Свечи накаливания, которые ставятся в дизель, только помогают быстрее прогреть воздух в камере сгорания при холодном пуске.

Что такое степень сжатия у дизельного двигателя? 

Отношение полного объёма цилиндра (когда поршень внизу) к объёму камеры сгорания (когда поршень вверху). У дизеля она составляет 16–24 против 9–12 у бензинового мотора. Именно высокая степень сжатия и обеспечивает нагрев воздуха до температуры самовоспламенения топлива.

Зачем дизелю турбокомпрессор? 

Чтобы затолкать в цилиндр больше воздуха, чем помещается при обычном атмосферном впуске. Больше воздуха — можно сжечь больше топлива — больше мощность и крутящий момент с того же объёма двигателя. Практически все современные легковые и грузовые дизели — с турбонаддувом.

Что такое система «Common Rail»? 

Это система впрыска топлива с общей топливной рампой, в которой насос высокого давления постоянно поддерживает высокое давление, а форсунки открываются по команде электронного блока управления. Позволяет выполнять несколько впрысков за такт и делает работу двигателя мягче, тише и экономичнее.

Что такое сажевый фильтр и зачем он нужен? 

Устройство в выхлопной системе, задерживающее твёрдые частицы (сажу), которые образуются при сгорании дизельного топлива. Периодически проходит цикл регенерации — нагрев до высокой температуры и выжигание накопленной сажи. Забитый сажевый фильтр — одна из типовых проблем городской эксплуатации дизеля.

Почему дизель хуже заводится в мороз? 

При низких температурах дизельное топливо густеет (парафинизация), а сжатый воздух в цилиндре хуже нагревается — из-за большего теплоотвода в холодные стенки. Отсюда роль свечей накаливания и особая важность зимнего дизельного топлива и качественного аккумулятора.

Правда ли, что дизель ходит дольше бензинового? 

При правильной эксплуатации и обслуживании ресурс дизеля обычно выше — из-за более прочной конструкции и меньшей нагруженности деталей на единицу мощности. Но экономия достигается только при качественном топливе, специальных маслах и соблюдении регламента. Плохая эксплуатация «убивает» дизель быстрее бензинового мотора, а ремонт обходится заметно дороже.

Дизельный мотор и дизельный двигатель — это одно и то же? 

Да. «Мотор» и «двигатель» в применении к автомобилю используются как синонимы. В строгой технической документации чаще пишут «двигатель», в разговорной и сервисной практике — «мотор». Устройство и принцип работы от этого не меняются.