Дизель на легковом автомобиле ч.1

По конструкции дизель мало отличается от обычного бензинового мотора — те же коленчатый вал, шатуны, клапаны… Правда, детали усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки, возникающие при сгорании топлива — ведь степень сжатия у дизеля в два с лишним раза выше (около 19-24).

Принципиальное отличие дизеля заключается в способах формирования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и сгорания. У бензинового двигателя, как известно, смесь образуется во впускной системе, а в цилиндре воспламеняется искрой свечи зажигания. У дизеля, напротив, в цилиндры поступает чистый воздух. В конце сжатия, когда он нагревается до температуры самовоспламенения топлива (700-800°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением (10-30 МПа). Для создания такого давления применяются специальные топливные насосы высокого давления (ТНВД), приводимые от коленчатого вала двигателя. Свечи у дизеля тоже есть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск.

Подобная организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет высокую экономичность дизельного двигателя. Управление осуществляется не дроссельной заслонкой (ее может просто не быть), а только изменением подачи топлива.

Дизель из-за особенностей своего рабочего процесса имеет высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения, что делает его гибким в управлении, особенно при работе в тяжелых дорожных условиях. Да и в экологическом плане дизель лучше — при работе на бедных смесях выбросы вредных веществ, особенно оксида углерода, заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

Разумеется, дизель имеет и недостатки. Главные — повышенные шум и вибрация. Они обусловлены высокой степенью сжатия и быстрым нарастанием давления в цилиндре при самовоспламенении смеси. Дизель трудно запустить в холодное время года. Мощность дизельного двигателя ниже, чем бензинового того же рабочего объема, в основном, из-за пониженной максимальной частоты вращения (обычно она не превышает 4500-4800 об/мин.), а масса дизеля больше. Впрочем, применение многоклапанных головок, развитие систем топливоподачи, в том числе электронного управления впрыском топлива, постепенно сглаживают эти недостатки.

Существует несколько типов дизельных двигателей, различие между которыми заключено в конструкции

камеры сгорания. В дизелях с неразделенной камерой (рис.1а) — их также называют дизелями с непосредственным впрыском (Direct Injection), топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. До недавнего времени подобные решения применялись, в основном, на низкооборотных двигателях большого рабочего объема. Это было связано с трудностями организации процесса сгорания, а также с повышенным шумом, особенно на непрогретом двигателе.

В последние годы благодаря применению ТНВД с электронным управлением и оптимизации процесса сгорания удалось добиться устойчивой работы дизеля с неразделенной камерой на частотах вращения до 4500 об/мин, улучшить на 15-20% его экономичность, существенно снизив шум и вибрацию. И теперь такие двигатели для легковых автомобилей широко применяют фирмы AUDI, Ford, Toyota и даже известный своей осторожностью Mercedes. В России наиболее распространены следующие автомобили с такими дизелями: Ford Transit (2,5 л), AUDI 1,9 TDI (1,9 л) и Audi 100 (2,5 л).

В дизелях с разделенной камерой подача топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. В наиболее распространенных вихрекамерных дизелях (рис.1б) такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Именно такая схема первоначально позволила без больших трудностей добиться высокой частоты вращения, необходимой для двигателей легковых автомобилей. Поэтому вихрекамерные дизели пока составляют большинство (около 90%) среди устанавливаемых на легковые автомобили.

Другой тип дизеля — предкамерный, имеет специальную вставную форкамеру (рис.1в), связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями. Их сечение подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью. Это определяет целый ряд преимуществ предкамерного дизеля. Среди них большой ресурс, низкий шум, более полное сгорание топлива и низкая токсичность выхлопных газов, а также малое изменение крутящего момента по частоте вращения.

Данная схема широко применяется фирмой Mercedes для легковых автомобилей. Преимущества этой схемы, помноженные на традиционную надежность, фактически делают дизельные двигатели Mercedes лучшими. И это — несмотря на то, что по экономичности предкамерные дизели обычно несколько уступают вихрекамерным и с непосредственным впрыском, а их конструкция, как правило, сложнее и дороже. Последние модели дизелей Mercedes — ОМ 604, 605 и 606 — имеют четырехклапанные головки цилиндров и электронное управление впрыском топлива. Это позволило поднять их мощность на 25% и улучшить экономичность на 8-10%, приблизив эти параметры к лучшим образцам дизелей других типов.

Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Он существенно усилен по сравнению с бензиновым двигателем, его стенки значительно толще, поршневой палец имеет увеличенный диаметр, а поршневые кольца — высоту. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Различия других узлов и деталей не столь существенны и обусловлены требованиями надежности, компоновочными соображениями и традициями фирмы. Правда, следует заметить, что наиболее надежны в эксплуатации те двигатели, у которых привод газораспределительного механизма и ТНВД осуществляется цепью или шестернями (все двигатели Mercedes, BMW M51, Peugeot XD2, XD3, Nissan TD23, 25,27 и другие). Ремень, как показывает практика, несмотря на определенные достоинства, снижает надежность дизеля, так как при его обрыве двигатель обычно выходит из строя.

Очень эффективен для повышения мощности дизелей наддув. В отличие от бензиновых двигателей у дизеля турбонаддув работает во всем диапазоне частот вращения — ведь благодаря высокой степени сжатия давление отработавших газов здесь в 1,5-2 раза выше. Особенно высокое форсирование достигается промежуточным охлаждением воздуха, сжатого в компрессоре, перед его поступлением в двигатель. Для этого используют специальные радиаторы-охладители или интеркулеры (intercooler). Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.

Особое место в конструкции дизелей занимает система подачи топлива. Высокие давления впрыска делают ее достаточно сложной, от нее во многом зависят мощность и экономичность двигателя, а также его экологические характеристики. В эксплуатации с нарушениями в работе системы подачи топлива связано много различных неисправностей. Поэтому системам питания дизелей приходится уделять большое внимание и в обслуживании, и в ремонте.

Основным узлом топливной системы дизеля является топливный насос высокого давления. Его главные функции — нагнетание топлива в форсунки в строго дозированном количестве и обеспечение необходимого момента начала впрыскивания (он определяется углом опережения впрыска по аналогии с углом опережения зажигания у бензиновых двигателей).

На дизелях легковых автомобилей применяются три типа ТНВД. Рассмотрим их более подробно.

Плунжерные рядные насосы типа М или MW фирмы Bosch применяются сейчас, в основном, только фирмой Mercedes. Эти насосы сложны по конструкции, но обладают, пожалуй, максимальными надежностью и долговечностью. Конструктивно плунжерные ТНВД имеют отдельные нагнетательные секции на форсунку каждого цилиндра с приводом от кулачкового вала насоса. Каждая секция состоит из двух прецизионных (т. е. сверхточно выполненных) элементов — плунжера и нагнетательного клапана. Плунжер служит для нагнетания топлива в форсунку и установлен в корпусе насоса с очень малым зазором — менее 1 мкм. Кроме того, плунжер управляет количеством топлива, подаваемого к форсунке. Нагнетательный клапан необходим для быстрого запирания топливопровода, соединяющего насос и форсунку, и поддержания небольшого остаточного давления в топливопроводе между впрысками.

В распределительном насосе типа VE фирмы Bosch (подобные насосы производятся также японской фирмой Diesel KiKi по лицензии Bosch) система нагнетания имеет только один плунжер-распределитель, который совершает поступательные движения для нагнетания топлива и вращение для распределения топлива по форсункам. Поступательно-вращательное движение плунжера обеспечивается за счет его контакта с шаговым диском через ролики, при этом плунжер выполняет за один оборот диска столько циклов нагнетания, сколько цилиндров у двигателя.

В распределительных насосах типа DPC французской фирмы Lucas Rotodiesel и DPA, DPS английской фирмы Lucas-CAV систему нагнетания составляет пара противолежащих поршней, выполняющих поступательные движения навстречу друг другу. Нагнетание топлива происходит здесь в результате действия на поршни роликовых толкателей, набегающих на кулачки обоймы подшипника ротора. Распределение топлива по форсункам выполняется за счет разделителя, вращающегося вместе с поршнем и соединяющего или разъединяющего в определенных положениях насос с форсунками.

Чтобы ТНВД создавал необходимое давление впрыскивания, топливо должно поступать к плунжерной паре под небольшим давлением. Для этого используют насосы предварительной подкачки (низкого давления). В рядных ТНВД такой насос вынесен наружу и приводится от кулачкового вала двигателя, в то время как в распределительных насосах он установлен внутри корпуса самого ТНВД.

Конечным элементом топливной системы дизеля является форсунка. Она обычно заворачивается в головку блока цилиндров, но в некоторых дизелях прижимается специальным зажимом. Поскольку со стороны распылителя на форсунку воздействуют горячие газы, между ней и головкой устанавливают противопригарную шайбу, уплотняющую соединение и способствующую отводу тепла от форсунки.

Распылитель является основной деталью форсунки. В дизелях легковых автомобилей обычно применяют многоструйные или штифтовые распылители. Первый тип применяется в дизелях с непосредственным впрыском, второй — в дизелях с разделенной камерой сгорания.

Давление впрыска определяется усилием пружины распылителя. Под действием давления топлива в топливопроводе игла распылителя поднимается, и происходит впрыск. В момент, когда плунжер ТНВД прекращает нагнетание, давление резко падает, и игла распылителя садится на седло, отсекая подачу.

Еще одна специфическая принадлежность дизеля — система предпускового подогрева. У большинства дизелей в камеры сгорания вставлены электрические нагревательные элементы — свечи накаливания. При включении зажигания свечи за несколько секунд разогреваются до 800-900°С, о чем водителю сигнализирует специальная контрольная лампа. Как только лампа погаснет, двигатель готов к запуску. Электропитание со свечей снимается автоматически после запуска. В холодное время года это происходит не сразу, а через 15-20 с, чтобы обеспечить устойчивость работы непрогретого двигателя.

На некоторых дизелях (например Ford Transit) в виде пускового устройства применен электрофакельный подогрев. Он включает свечу накаливания, объединенную со специальной форсункой. Топливо к пусковому устройству подается из отдельного поплавкового механизма. После запуска, как только снимается напряжение со свечи, прекращается и подача топлива к форсунке.

Современные системы предпускового подогрева в сочетании с усовершенствованной конструкцией двигателей обеспечивают устойчивый пуск исправного дизеля при температуре до -25°С, а иногда и до -30°С.

В процессе эксплуатации в дизелях возникает целый ряд неисправностей, характерных только для этого типа двигателей. Не вдаваясь в подробности (это темы наших будущих материалов), отметим, что значительными ресурсом и надежностью обладают дизели Mercedes, причем всех категорий. В то же время в наших российских условиях (а они являются, как известно, неплохим полигоном для испытаний) заметно уступают многим фирмам дизели VW, хотя при этом они имеют отличную ремонтопригодность. В любом случае оценка качеств того или иного автомобиля с дизельным двигателем всегда носит оттенок субъективности. То же можно сказать о сравнении бензинового двигателя с дизельным — каждый имеет собственные преимущества и недостатки.

Ремонт и восстановление дизельных двигателей

Возможно ли предотвратить неисправности дизельного двигателя и обеспечить качественное функционирование всех систем автомобиля? Использование топливных смесей высокого качества, соблюдение эксплуатационных требований, проведение регулярной диагностики – это залог бесперебойной работы дизеля.

Как произвести плановый и экстренный ремонт дизельных двигателей

Ремонт дизельных двигателей легковых автомобилей, их топливной аппаратуры, топливных насосов высокого давления (ТНВД) являются дорогостоящими, сложными операциями. Данный вид ремонтных работ наиболее часто доверяют профессионалам.

Все чаще автовладельцы приобретают дизельные автомобили благодаря их экономичности, надежности, длительным срокам эксплуатации, уменьшенным выбросом вредных веществ, улучшенным характеристикам.

В современных автомобилях в результате диагностики часто встречаются случаи неисправности дизельного двигателя не по вине самого ТНВД, а как следствие сбоев в настройках электронных систем управления. Здесь достаточно обеспечить правильную настройку электроники, и движок начнет благополучно работать.

Классификация дефектов дизельных моторов

Покупая дизельный автомобиль, нужно помнить о необходимости плановых ремонтов. Неисправности движков разделяются на такие группы:

1. Дефекты, полученные при изготовлении автомобиля.
2. Особенности устройства дизельного двигателя
3. Нарушения, допущенные при эксплуатации авто.
4. Низкая квалификация работников при предоставлении сервисных услуг.
5. Выход из строя некоторых элементов двигателя вследствие общего старения машины.

Алгоритм проведения диагностики топливных систем дизельных движков

При проверке работы дизелей проводятся работы в следующей последовательности:

1. Контроль подачи дизтоплива насосом, его количество, давление.
2. Анализ рабочих характеристик топливного насоса – скорость вращения вала во время запуска и завершения поступления дизельного топлива.
3. Проверка периодичности впрыска топлива в секции ТНВД.
4. Контроль состояния форсунок.

По мере завершения мероприятий по проверке систем топливной аппаратуры дается объективная характеристика состоянию, выявляется перечень восстановительных операций – ремонт, замена форсунок, топливного насоса высокого давления, топливных баков. К выводам диагностики относится также определение общей цены ремонтных работ с учетом стоимости оригинальных узлов и деталей, требующих полной замены.

Описание восстановительных работ

Ремонт дизельных автомобилей проводится квалифицированными опытными мастерами. В перечень обязательных мероприятий входят следующие операции:

1. Восстановление функций топливных насосов высокого давления.
2. Реставрация турбин.
3. Уточнение настроек форсунок.
4. Замена фильтра очистки.
5. Промывочные операции с использованием специальных растворов.

Ввиду конструктивных особенностей и сложности устройства дизельных двигателей требуется использование специализированных стендов, диагностического и ремонтного оборудования. Только при качественном техническом обслуживании будет обеспечена длительная и безотказная служба дизельного авто.

Описание причин и признаков неисправностей дизельных двигателей

Необходимость частых ремонтов дизелей и их элементов требуется при несоблюдении хозяином авто предписанных эксплуатационных норм:

• эксплуатация авто на сверхвысоких скоростях;
• работа дизельного движка с использованием топлива низкого качества с высоким содержанием вредных механических примесей и капель воды;
• применение обычных марок солярки в холодный период вместо зимнего топлива, особенность дизельного топлива состоит в том, что оно теряет текучесть при температуре ниже минус 5˚С;
• заливание обычной воды в систему охлаждения автомобиля;
• игнорирование требований замены машинного масла после очередного пробега, равного 7500 километров;
• эксплуатация автомобиля без обязательных плановых промывок форсунок движка с применением специальных жидкостей для очищения инжектора.

Дизельные двигатели не любят высокие обороты. Длительные передвижения на больших скоростях могут явиться причиной поломок, приводящих к капитальному ремонту дизельного двигателя, потому что он сильно перегревается на высоких оборотах, и его элементы получают разрушительные деформации. Причиной перегрева движка могут оказаться такие факторы, как высокая температура окружающей среды, изношенные кольца, выработка клапанов, отсутствие предварительного трехминутного прогрева.

Определение потребности в ремонте дизельного двигателя и его составляющих проводится по следующим признакам:

• возникновение затруднений при запуске мотора в холодный период;
• резкое снижение мощностных характеристик;
• наличие постукиваний во время движения автомобиля;
• прекращение работы движка при возрастании скорости.

При выявлении одного или нескольких признаков в работе машины необходимо обратиться в ремонтную службу с целью проведения диагностики с последующим ремонтом дизельного двигателя для устранения замеченных дефектов.

Когда необходимы ремонт и регулировка ТНВД

Топливный насос высокого давления требует ремонтных и регулировочных операций при следующих симптомах:

• резкое увеличение расхода горючего;
• нарушение подачи топливной смеси на форсунку;
• зубчатый ремень газораспределительного механизма сходит с шестерни;
• появление протечек жидкости из топливного насоса высокого давления;
• возникновение шумов в насосе неизвестного происхождения;
• увеличение количества дымовых выбросов.

Через форсунку производится впрыск топливной смеси в камеру сгорания. Черный дым свидетельствует о том, что в форсунке недостаточное давление. Белый дым означает повышенное давление сверх нормы.

Для предупреждения схождения зубчатого ремня с шестерни необходима его замена после очередного пробега машины равного 60 000 км. При попадании на него масляной жидкости нужно срочно устранить источник протекания.

Отвернув гайку топливной системы, необходимо удалить элементы отстоя из фильтра.

Капитальный ремонт предусматривает регулировку всех необходимых рабочих параметров двигателя внутреннего сгорания. Автовладельцы должны проводить капитальный ремонт дизельного движка при первых признаках возникновения поломок в нем.

Проведение капитального ремонта дизельного движка

Капитальный ремонт дизелей проводится в несколько этапов. Работники станций технического обслуживания и владельцы авто, решившие произвести ремонт дизельного движка своими руками, придерживаются следующей последовательности операций:

• снятие агрегата;
• разборка двигателя;
• промывание и очищение деталей и узлов;
• анализ состояния элементов для определения степени износа, образования растрескивания;
• определение деталей и узлов, подлежащих замене на новые оригинальные образцы;
• тщательная проверка коленчатого вала на предмет образований трещин и величины зазоров;
• восстановление коленвала;
• восстановление блока цилиндров;
• ремонт головки блока цилиндров;
• сборка дизельного двигателя;
• проведение холодной обкатки на специализированном стенде;
• регулировка количества токсичных газовых выбросов и проверка холостых оборотов двигателя.

При выполнении сборочных операций применяются специальные динамометрические ключи, чтобы обеспечить качественную затяжку всех установленных узлов и деталей.

Холодная обкатка предусматривает принудительное вращение коленчатого вала. Двигатели внутреннего сгорания нуждаются в обязательной заливке охлаждающей жидкости и машинного масла, соответствующей вязкости.

Категорически запрещено давать повышенную нагрузку на дизельный двигатель в виде буксировки транспортных средств и прицепов, использовать большие обороты до достижения пробега от 150 до 300 километров после проведения ремонтных мероприятий.

Самостоятельный ремонт дизельного двигателя

Для того, чтобы выполнить ремонт дизельного двигателя своими руками, нужно обзавестись необходимыми инструментами и приспособлениями:

• динамометрический ключ;
• набор гаечных ключей;
• техническое руководство по эксплуатации и ремонту автомобиля данной марки.

Предварительно сливается масло и все жидкие составляющие движка. Топливная система отсоединяется от других узлов автомобиля. Разборка проводится с максимальной сосредоточенностью, учитывая скрытое расположение некоторых крепежных элементов. Снятие головки, поддона, шатуна производится над смотровой ямой. Только после этих мероприятий появляется доступ к дефектам движка.

При регулярном самостоятельном капитальном ремонте дизельного двигателя эксплуатация машины не вызовет больших проблем, т. к. проведенные операции способствуют повышению качества функционирования автомобиля:

1. Увеличение времени безотказной работы движка.
2. Гарантия снижения риска поломки двигателя внутреннего сгорания.
3. Надежность регулировок топливной системы.

Владельцы автомобилей, проводящие капитальный ремонт двигателя своими силами, знают и соблюдают основные требования, обеспечивающие безопасность при их эксплуатации:

• использование машинного масла, имеющего соответствующую вязкость данной модели;
• регулярная проверка состояния воздушных, топливных, масляных фильтров и обязательная замена на новые образцы при выходе их из строя;
• соблюдение скоростного режима в соответствии с допустимыми нагрузками на дизельные двигатели;
• грамотное регулирование всех систем двигателя внутреннего сгорания.

Чтобы самостоятельно отремонтировать свой дизельный автомобиль, необходимо обладать опытом и быть осведомленным с конструктивными особенностями работы дизелей.

Автовладельцы обязаны относиться к дизельным машинам с бережливостью, соблюдением эксплуатационных правил, не игнорируя плановые аналитические и ремонтные мероприятия.