Дизельные двигатели

Прогресс дизеля за последние десятилетия впечатляет. Из нерасторопного работяги он превратился в мощного атлета, готового потеснить бензиновых снобов, став новым эталоном современного двигателя. Какой путь проделали дизельные моторы, чем они отличаются от бензиновых, какие задачи должны были решить инженеры?

История моторов с воспламенением от сжатия началась в конце XIX в. Именно тогда Рудольф Дизель загорелся идеей создания эффективного двигателя, коэффициент полезного действия которого смог бы превысить 10–12% – показатель паровых машин. С конструкцией и принципом работы будущего мотора Дизель определился достаточно быстро: двигатель внутреннего сгорания с воспламенением топлива от высокой температуры сжимаемого газа. Однако в процессе создания рабочего экземпляра возникли трудности: высокое давление и температура в камере сгорания мотора приводили к прогоранию поршней, поломкам газораспределительного механизма, а иногда и к взрывам. В итоге на доработку и придание агрегату достаточной надежности ушло несколько лет. Но в 1897 г. цель, наконец, была достигнута: огромный пятитонный двигатель развивал 20 л.с. при 173 об./мин и обладал КПД в 26%. Даже перспективный двигатель Отто с принудительным зажиганием обеспечивал всего 20%!

Отчего же дизельные моторы получились настолько экономичнее? По двум фундаментальным причинам.

Первая заключается в более высокой степени сжатия: от 13 до 25 против 12 у лучших бензиновых представителей. Эти цифры не стоит недооценивать, ведь от них зависит КПД мотора: чем они выше, тем в большей степени расширяются раскаленные отработавшие газы, и, соответственно, тем полнее их тепловая энергия преобразуется в механическую. Поэтому, если сравнивать современные дизельные и бензиновые моторы, то первые способны усвоить 38–50% теплоты, выделившейся при сгорании топлива, а вторые – лишь 25–38%.

Возникает резонный вопрос: а что же мешает поднять степень сжатия бензиновых моторов? Мешает детонация, то есть самопроизвольное воспламенение топливно-воздушной смеси от сильного нагрева при излишне большом сжатии. При этом мало того, что сгорание происходит не в тот момент, когда нужно, так еще оно сопровождается чрезвычайно резким нарастанием давления в цилиндре, что приводит к стукам, перегреву и высокой токсичности выхлопа.

То ли дело дизель, в котором поднятие степени сжатия лишь увеличивает надежность воспламенения впрыскиваемого топлива: ведь чем горячее будет воздух в цилиндре – тем быстрее оно испарится и тем скорее начнется процесс сгорания. Хотя, конечно, пределы совершенству есть и здесь. Только обусловлены они уже требованиями к чистоте отработавших газов да механической прочностью элементов двигателя.

Но помимо степени сжатия есть и второе не менее важное обстоятельство – низкое сопротивление впускной системы дизеля. Ведь, в отличие от бензинового мотора, ему не требуется «перекрывать кислород» дроссельной заслонкой – управление мощностью в дизеле осуществляется простым дозированием впрыскиваемого горючего: нужна большая отдача – подаем больше топлива. А уж насколько избыточно количество воздуха в цилиндре – дело десятое, главное, чтобы его хватало для окисления.

С бензиновым же мотором такой трюк не пройдет: если воздуха окажется слишком много, то есть концентрация паров бензина в нем будет очень низкой, то от искры смесь просто не вспыхнет. Из-за этого и приходится ставить на впуске заслонку, регулирующую расход воздуха, и, опосредованно, количество подаваемого топлива. А потому, при небольших нагрузках, например, в толчее пробок, бензиновые автомобили вынуждены тратить силы на всасывание воздуха сквозь едва приоткрытую дроссельную заслонку, создавая огромное разряжение во впускном коллекторе. «Дыхание» же дизеля всегда свободно!

Влияние этого фактора на общую экономичность оценить легко. Сравним цифры расхода дизельных и бензиновых моторов одного объема. Например, двухлитровые Mazda6. В городском цикле, когда нагрузка на двигатель невелика, дизель экономичнее почти в полтора раза: 6,7 л/100 км против 9,5 л/100 км! Неудивительно, ведь на его стороне и высокая степень сжатия, и низкие потери во впускной системе. А вот в загородном режиме, на скорости, когда нагрузка на мотор побольше, дроссельная заслонка открыта сильнее, и бензиновому двигателю становится полегче дышать, у дизеля остается только один козырь – степень сжатия. В результате и тает его преимущество в расходе топлива: лишь 5,0 л/ 100 км против 5,2 л/100 км.

Впрочем, в начале ХХ в. все эти тонкости не слишком волновали автопроизводителей. Нефть стоила дешево, и от двигателя требовалась простота конструкции и изготовления, а не чудеса экономичности. И, конечно, дизели с их сложными механизмами подачи топлива пришлись не ко двору. Правда, благодаря большому ресурсу и неприхотливости к качеству горючего эти моторы все же нашли применение в сельской технике, грузовом автотранспорте. Пригодились они и военным – ведь баки с соляркой не так пожароопасны, как плещущийся за спиной бензин, готовый взорваться от любой искры.

Первый же легковой автомобиль на тяжелом топливе – Mercedes-Benz 260D – появился лишь в 1936 г., а к 1970 г. общее число выпущенных дизельных легковушек едва превысило 100 000.

В общем, так бы и пылился этот двигатель на задворках автомобилестроения, если бы не подскочившие в 70-х цены на нефть. И тогда на пути массовой дизелизации осталась только одна преграда – низкая мощность дизельных моторов. А с этим, как известно, можно бороться двумя средствами: расширением диапазона допустимых оборотов коленчатого вала и увеличением развиваемого крутящего момента.

Но первый вариант оказывается неэффективным – высокие обороты лишь углубляют и без того насущную для дизеля проблему нехватки времени на смесеобразование. Ведь чтобы топливо активно испарялось, оно должно впрыскиваться при температуре воздуха в цилиндре не менее 500°C, то есть почти в конце такта сжатия. При 5000 об./мин это означает, что на испарение распыленных частиц топлива и дальнейшую химическую подготовку к воспламенению отводится не более одной тысячной секунды!

Не терпит суеты и процесс сгорания: за резким первоначальным всплеском следует растянутый период догорания, продолжающийся уже на такте расширения. Разумеется, торопить мотор в таких условиях – это в буквальном смысле слова выбрасывать горючее в трубу.

Поэтому сделать дизель мощнее можно только за счет увеличения крутящего момента. А для этого нужно развить как можно большее давление в цилиндрах – сжечь больше топлива. Но опять незадача: приготовленная наспех горючая смесь дизеля отличается значительной неравномерностью распределения топлива по объему. Из-за этого во время сгорания в смеси может возникать локальная нехватка воздуха, в результате которой часть топлива не сгорает, а разлагается под воздействием высокой температуры.

Приходилось видеть, как дизельные автомобили дымят под нагрузкой? Та сажа, что они выбрасывают – как раз продукт крекинга, разложения несгоревшего топлива. Но это лишь визуальный эффект, а есть еще и сугубо практический – в виде снижения мощности, увеличения расхода и вредных выбросов.

Как же с этим бороться? Можно так плотно заполнять цилиндры воздухом, чтобы его гарантированно хватало для сгорания даже в зонах максимальной концентрации топлива. Однако процесс распыления горючего оказался столь несовершенен, что возросшие требования к количеству воздуха не смог удовлетворить даже наддув с интеркулером, в результате чего турбодизели проигрывали в крутящем моменте даже атмосферными бензиновым моторам!

Таким образом, задача увеличения мощности дизеля естественно свелась к процессу оптимизации смесеобразования, в котором решающее значение имеет давление впрыска. Разумеется, поначалу топливные насосы не могли им похвастать, из-за чего приходилось прибегать к различным ухищрениям, улучшающим распыление горючего. Например, воспользоваться завихрением сжимаемого воздуха, как было сделано в вихрекамерных дизелях. Или поделить камеру сгорания на две части и использовать для смесеобразования энергию газа, перетекающего из одной половины камеры (предкамеры, где начинался процесс сгорания) в другую вследствие предварительного сгорания части топлива.

Все эти решения позволяли немного снизить требования к давлению впрыска, но в то же время отличались увеличенными тепловыми и гидравлическими потерями вследствие сложной и большой поверхности камеры сгорания. Это, конечно, вело и к ухудшению топливной экономичности моторов.

Однако в начале 90-х появились системы, позволившие поднять давление до 1500 бар, что положило конец массовому производству вихрекамерных и предкамерных дизелей, и замены их более экономичными моторами с непосредственным впрыском.

С этого момента и началась увлекательная погоня дизеля за бензиновым конкурентом. Системы питания common rail, сверхбыстрые пьезоэлектрические форсунки, рекордные давления впрыска – и спустя всего 15 лет дизельные моторы сравнялись по мощности с бензиновыми! Правда, в этом споре дизелю дана существенная фора – турбонаддув. Но и предел совершенствования еще не исчерпан – на походе системы впрыска под давлением в 2000 бар, а за ними еще более эффективные схемы. Так что можно быть уверенным – победное шествие дизеля продолжится

МОЩНОСТЬ? МОМЕНТ!

Сравнивая бензиновые и дизельные модели автомобилей, очень часто можно услышать, как в оправдание небольшой мощности дизеля приводят впечатляющие цифры его крутящего момента. Цифры эти, конечно, свидетельствуют о совершенстве мотора, но отнюдь не означают, что крутящий момент на колесах бензинового автомобиля окажется меньше! Ведь дизельные двигатели низкооборотные, из-за чего приходится применять более растянутые передаточные отношения в узлах трансмиссии, что и ведет к снижению конечного крутящего момента. Сравним, например, Mercedes E280 и E280CDI. Мотор первого выдает 300 Нм, второго – 440 Нм, при этом автоматические коробки у них одинаковые, а редукторы разные, с передаточными отношениями 3,27 и 2,47 соответственно. В итоге на первой передаче на колеса бензиновой модели передается 4300 Нм, а дизельной – 4760 Нм. Т.е. вместо изначальной полуторакратной разницы остается превосходство всего в 1,1 раза.