Сокамерники

---

Сокамерники

Разумеется, без причины и гром не грянет, и мужик не перекрестится. С чего бы вдруг дизель, известный более века лишь экономичностью и долговечностью, избавился от опять-таки извечного своего недостатка - малой удельной мощности, а из тихохода превратился в серьезного соперника бензинового двигателя по динамическим характеристикам, сохранив при этом прежние достоинства? Один литературный герой в таких случаях советовал "зрить в корень". "Корнем" любого дизеля является камера сгорания. Вот и взглянем, что в этой камере делается.

Как прикажете вас называть?
Даже школьники знают, что дизель отличается от бензинового двигателя способом зажигания. В первом случае воспламенение от сжатия, во втором - от искры. Но еще оба типа двигателей принципиально различаются смесеобразованием. А поскольку нормальное сгорание есть только следствие правильного смесеобразования, то еще неизвестно, является ли название упомянутой выше камеры технически верным.
Мы не будем сейчас рассматривать двигатели с прямым впрыском бензина, а обратимся к обычным карбюраторным и инжекторным моторам, где горючая смесь приготавливается вне цилиндра и в готовом виде поступает внутрь во время такта впуска. Далее идет сжатие, когда смеси дается шанс сделаться еще лучше, и затем - зажигание. В дизелях же топливо впрыскивается в конце такта сжатия. Воспламенение начинается после небольшой задержки, в течение которой как раз и происходит образование горючей смеси - испарение капелек топлива и перемешивание их с воздухом.
Важно здесь то, что в дизелях на смесеобразование отводится несравнимо меньше времени, чем в бензиновых моторах, и давление в цилиндре к моменту впрыска достигает серьезных величин. Эти два фактора существенно затрудняют процедуру качественного приготовления смеси. Будем также учитывать, что в бензиновом двигателе воспламенение начинается из одной точки - искрового промежутка между электродами свечи, а далее плавно распространяется по камере сгорания. В дизеле же горение практически сразу охватывает всю массу смеси, что ведет к взрывоподобному нарастанию давления и, как следствие, шуму, вибрациям, необходимости делать детали кривошипно-шатунного механизма более прочными, а значит, и массивными. Эти нюансы и вынуждают прибегать к разного рода уловкам в конструкциях камер сгорания.

Камера предварительного заключения
При всем многообразии форм существует лишь два типа камер сгорания: разделенная и неразделенная. В первой топливо впрыскивается в камеру, расположенную в головке цилиндров, где и происходит смесеобразование, но сгорание протекает в двух объемах - в этой же камере и продолжается над поршнем. В камерах второго типа и образование смеси, и сгорание осуществляются в единой полости, основная часть которой выполнена в поршне.
Правда, в пределах первого типа различают две разновидности - вихрекамеры и предкамеры. Вихревая камера представляет собой сферический объем в головке цилиндра, связанный с цилиндром узким каналом перетекания. Размеры и направление канала, а также форма самой камеры обеспечивают сильное завихрение воздуха, поступающего в камеру на такте сжатия, что и требуется для последующего быстрого и качественного перемешивания с распыленным в камере топливом.
Но как быть с этим самым топливом? Если взрывное нарастание давления нежелательно, то рационально поступить так: распылить внутри камеры только часть топлива, а остальное впрыснуть на ее стенки, откуда оно будет испаряться постепенно, подпитывая сгорание. Это достигается формой факела топлива, которую образует распылитель форсунки. А далее на уменьшение жесткости начинает работать обратное перетекание продуктов сгорания из камеры в пространство над поршнем. Канал перетока выступает ограничителем, обеспечивающим плавное нарастание давления на поршень и более-менее мягкую работу дизеля.
В предкамерах все это достигается другими способами. Внутри имеются специальные заслонки-перегородки, которые завихряют поступающий в камеру воздух и о которые дробится факел впрыскиваемого топлива, что в совокупности способствует приготовлению качественной топливовоздушной смеси. Расширяющиеся продукты сгорания и продолжающая гореть смесь выбрасываются в цилиндр через небольшие отверстия в нижней части предкамеры. Однако предкамерные дизели чуть сложнее в изготовлении и несколько уступают вихрекамерным моторам по экономичности. По этим причинам в свое время на легковых автомобилях преимущественно применялись вихрекамерные дизели.

Централ в поршне
Организовать вихрь в камере, расположенной в поршне, сложнее. Воздух можно закрутить, придав особую, например винтовую, форму впускному каналу в головке цилиндров. Но работает данный канал лишь в ходе такта впуска, при этом вращается весь объем воздуха в цилиндре, а в центре "циклона" вихрь не такой уж и сильный. Для улучшения турбулентности можно выполнить верхние кромки камеры сгорания в форме острого угла - чем острее, тем лучше. Но тут же появляется опасность возникновения трещин на кромках от действия термических нагрузок, поэтому приходится искать компромисс. К тому же наличие камеры увеличивает размеры головки поршня. Поршень становится тяжелым, что ведет к росту инерционных сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм.
Отсюда и недостатки моторов с камерой сгорания в поршне. Во-первых, сгорание в них протекает более жестко, с высокими нагрузками на детали, уровнем шума и вибраций. Во-вторых, они плохо поддаются форсированию по оборотам, так как требуют для качественного смесеобразования большего промежутка времени и реагируют на увеличение частоты вращения ростом инерционных нагрузок. Поэтому такие двигатели, а за ними закрепилось устойчивое название дизелей с непосредственным впрыском топлива, долгое время применялись только на грузовой, сельскохозяйственной и специальной технике, но для легковых машин считались совершенно непригодными.

Кому сказали "гуд бай"
Ирония судьбы - именно "непосредственные" перевернули с ног на голову - или, если хотите, наоборот - все устоявшиеся со времен Рудольфа Дизеля представления о дизелях. Примечательно, что смесеобразование в появившихся гораздо позже двигателях с прямым впрыском бензина построено на тех же принципах, что и в дизелях с непосредственным впрыском. Различия во внешнем исполнении, в частности в профилировании днища поршня, связаны только с тем, что в бензиновом двигателе горючую смесь требуется удерживать строго в районе источника зажигания - свечи. Однако почему в отставку были отправлены дизели с разделенными камерами, если потенциально они были лучше приспособлены для работы в легковых автомобилях?
Проблема заключалась в значительной площади поверхности разделенных камер, из-за чего высокими были потери тепловой энергии, выделившейся при сгорании, в стенки камеры. Часть энергии терялась и при перетекании газов из камеры в надпоршневое пространство. По этой причине страдали мощность и расход топлива. Если при прочих равных вихрекамерные дизели на 15-20% уступали "непосредственным" по экономичности, то становится понятно, над совершенствованием какого из типов дизелей конструкторы работали не покладая рук.

Электротерапия
Чего только они не делали...
Если вы когда-нибудь ездили на "икарусах", то были свидетелями одной из таких попыток. В дизелях этих автобусов топливо впрыскивалось в поршневую камеру сгорания так, что почти 90% его оказывалось на стенках камеры, откуда испарялось, обеспечивая медленное нарастание давления. Но такой процесс был неплох для установившихся режимов работы двигателя, а вот для городского "старт - разгон - торможение - остановка"... Впрочем, зачем я вам это рассказываю, если вы ездили на "икарусах".
...И количество отверстий в распылителях и давление впрыска увеличивали, добиваясь более тонкого распыла топлива. И улучшить плавность пробовали, подавая топливо двумя порциями, для чего в форсунках устанавливали последовательно две управляющие пружины разной жесткости. Но дизель с непосредственным впрыском начал решительно избавляться от недостатков, прежде уравновешивающих его достоинства, только когда топливоподачу подчинили электронному управлению. Пожалуй, вот с этого-то и началась блестящая карьера "непосредственных" под капотом легковых автомобилей. Однако электроника, Common Rail, насос-форсунки - это все-таки надстройка. А во главе угла по-прежнему остается камера.