Принцип работы дизельного двигателя: куда уходит несгоревшее топливо

Коротко. Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором топливо воспламеняется не от искры, а от температуры воздуха, сжатого в цилиндре. За два оборота коленвала цилиндр проходит четыре такта: впуск воздуха, сжатие со степенью от 16 у тихоходных до 25 у быстроходных двигателей, впрыск и рабочий ход, выпуск. Дроссельной заслонки в классической схеме нет: воздуха в цилиндр заходит всегда полный объём, а мощность регулируется только количеством поданного топлива. Отсюда вытекает то, ради чего эту статью стоит дочитать: дизель почти всегда работает на бедной смеси, воздуха в цилиндре с запасом, и всё равно часть солярки не догорает — потому что смесь в камере неоднородна, а на топливо остаётся считаные тысячные доли секунды. Несгоревший остаток уходит в сажу, в нагар на распылителях, в сажевый фильтр и в моторное масло.

Четыре такта и что в них на самом деле происходит

Порядок тактов у дизеля тот же, что у бензинового мотора, но наполнение каждого — другое.

Впуск. Поршень идёт вниз, через открытый впускной клапан цилиндр заполняется чистым воздухом. Топлива на впуске нет — это первое принципиальное отличие от бензинового двигателя с внешним смесеобразованием.

Сжатие. Клапаны закрыты, поршень идёт вверх и сжимает воздух в 16–25 раз. Работа сжатия превращается в тепло: воздух в конце такта нагревается выше температуры самовоспламенения дизельного топлива. Никакой свечи зажигания в схеме нет, и она не нужна — нагрев обеспечивает сама геометрия цилиндра.

Впрыск и рабочий ход. Форсунка подаёт топливо не в момент верхней мёртвой точки, а раньше: впрыскивание начинается за 10–25° поворота коленвала до ВМТ и продолжается 7–25°. В системах Common Rail топливо подаётся под давлением от 1000 до 2500 бар — такое давление нужно, чтобы струя распалась на капли достаточно мелкие для быстрого испарения.

Выпуск. Поршень выталкивает отработавшие газы. Всё, что не успело окислиться за рабочий ход, уходит в выпускной тракт в виде сажи и несгоревших углеводородов.

Эффективность цикла у дизеля выше, чем у бензинового двигателя: КПД доходит до 40—45 %, у некоторых малооборотных крупных двигателей — свыше 50 %. Причина ровно в высокой степени сжатия — но она же задаёт жёсткие требования к тому, как топливо распределится в камере.

Задержка воспламенения: почему у топлива мало времени

Между началом впрыска и вспышкой проходит период задержки воспламенения — за это время капля должна прогреться, испариться, смешаться с воздухом и дойти до химической реакции. Величина этого периода — 0,002–0,004 секунды, или 15–25° поворота коленвала.

Две-четыре тысячных секунды — это весь бюджет времени на подготовку смеси. Сравните с бензиновым двигателем, где топливо смешивается с воздухом ещё во впускном тракте и к моменту искры смесь однородна. В дизеле однородной смеси не бывает вообще: в камере одновременно существуют зоны с избытком воздуха, зоны с почти чистым топливом и переходные слои между ними. Горение идёт по границам этих зон.

За скорость самовоспламенения отвечает цетановое число топлива. По ГОСТ 305-2013 «Топливо дизельное. Технические условия» для всех марок установлено цетановое число не менее 45. Марок четыре, и различаются они условиями применения: Л — при температуре минус 5 °C и выше, Е — минус 15 °C и выше, З — до минус 25 °C или минус 35 °C, А — минус 45 °C и выше. Летнее топливо в мороз не запускает другую химию горения, оно просто теряет текучесть, и в цилиндр приходит меньше, чем рассчитано.

Дизель работает на бедной смеси — и всё равно дымит

Коэффициент избытка воздуха α показывает, во сколько раз воздуха в цилиндре больше, чем нужно для полного окисления поданного топлива. У бензинового мотора он держится около единицы, у дизеля почти всегда больше.

Первые три строки — из описания рабочего процесса дизеля; там же прямо сказано, что при малых нагрузках снижается температурный режим цикла и наблюдается значительное недогорание. Строка про разгон в этот источник не входит: запаздывание турбокомпрессора при резком открытии подачи — общеизвестное свойство наддувных моторов, отдельного подтверждения у неё нет.

Вот здесь и ломается интуиция. Кажется, что если воздуха в шесть раз больше нужного, гореть должно всё до конца. На деле сажа образуется не при общей нехватке воздуха, а в локальных зонах внутри факела распыла, куда кислород просто не успевает дойти за отведённые тысячные доли секунды. Средний по цилиндру α может быть каким угодно высоким — в ядре топливной струи он около нуля.

Режимы, в которых топливо не догорает

Три режима эксплуатации дают недогорание системно, а не как разовый сбой.

Холостой ход. Подача топлива минимальна, температура стенок камеры сгорания низкая, температура цикла падает. Капля, попавшая на холодную стенку, испаряется медленнее и часть углерода отдаёт в отложения, а не в тепло.

Малая нагрузка и короткие городские поездки. Двигатель не выходит на рабочую температуру, а вместе с ним не выходит и выпускной тракт. Для окисления накопленной сажи нужна температура порядка 600 °C, а температура отработавших газов дизеля в обычной езде лежит в диапазоне 180–400 °C — подробно этот механизм разобран в статье про сажевый фильтр на дизеле.

Резкий разгон с турбонаддувом. Педаль открывает подачу мгновенно, турбокомпрессор раскручивается с запаздыванием. На эти секунды воздуха не хватает физически — отсюда чёрное облако из трубы, знакомое по старым грузовикам.

Отдельная причина, не связанная с режимом, — состояние распылителей. Изношенный или закоксованный распылитель даёт неправильный факел: вместо тумана — струю крупных капель, которая не успевает испариться. Дальше процесс замыкается сам на себя, потому что несгоревшее топливо оставляет на распылителе новые отложения.

Куда уходит то, что не сгорело

Несгоревший углерод не исчезает. У него четыре адреса, и все четыре означают деньги.

1. Сажа в выхлопе. При неполном сгорании идёт выброс несгоревших углеводородов с сажей — это прямая потеря топлива, за которую заплачено на заправке. Чёрная дымность — не самостоятельная неисправность, а индикатор режима; что именно она показывает, разобрано в статье про чёрный нагар в двигателе.
2. Нагар на распылителях, донце поршня и клапанах. Отложения меняют форму факела и теплообмен в камере. Причины и механика накопления — в материале нагар в двигателе: причины появления.
3. Сажевый фильтр. Всё, что не догорело, задерживается керамическим элементом. Пока фильтр копит быстрее, чем регенерирует, растёт противодавление выпуска, а с ним и расход.
4. Моторное масло. При активной регенерации ЭБУ делает позднюю дополнительную подачу топлива, чтобы поднять температуру в выпуске. Часть этого топлива не сгорает в цилиндре, стекает по стенке гильзы в картер и разжижает масло. На машинах с постоянными короткими поездками уровень масла в щупе со временем растёт, а не падает — это и есть накопленная солярка.

Что из этого лечится эксплуатацией, а что нет

Разделение простое: чем ближе причина к геометрии впрыска, тем меньше она зависит от водителя.

Последняя строка — не пессимизм, а границы конструкции. Полностью однородной смеси в дизеле не будет никогда, поэтому вопрос всегда стоит как «насколько полно», а не «полностью или нет». Что из мер даёт измеримый результат на топливном бюджете парка, а что нет, разобрано отдельно: экономия дизельного топлива.

Частые вопросы

Почему в дизеле нет свечей зажигания? Топливо воспламеняется от температуры воздуха, сжатого в 16–25 раз. Свечи накаливания, которые есть на многих дизелях, — это не зажигание, а подогрев воздуха в камере при холодном пуске: на непрогретом двигателе сжатие само по себе может не дать нужной температуры.

Почему дизель дымит чёрным при разгоне, а на ровной трассе нет? При резком открытии подачи топливо приходит в цилиндр раньше, чем турбина успевает поднять давление наддува. Секунды нехватки воздуха дают сажу. На установившемся режиме коэффициент избытка воздуха возвращается к 1,2–1,4, и дымность пропадает.

Вредно ли долго держать дизель на холостом ходу? Да, и не из-за расхода. На холостом ходу температура цикла низкая, недогорание растёт, а выпускной тракт не прогревается до температуры, при которой сажа окисляется. Отложения при этом накапливаются и в камере, и в фильтре.

Уровень масла на щупе поднялся выше отметки — это ошибка замера? Чаще нет. На двигателях с сажевым фильтром и частыми короткими поездками в масло попадает топливо от прерванных регенераций. Разжиженное масло теряет вязкость, поэтому такой рост уровня — повод менять масло раньше регламента.

Степень сжатия у дизеля выше — значит, и топлива он ест меньше? При прочих равных да: КПД дизеля доходит до 40—45 %. Но эта цифра относится к режимам, близким к номинальным. Городской цикл с холостым ходом и малой нагрузкой съедает преимущество, потому что там растёт доля топлива, которое не превратилось в работу.

Что с этим делать

Полнота сгорания в дизеле упирается в то, успеет ли топливо смешаться с воздухом за 0,002–0,004 секунды. Что из этого поддаётся эксплуатации и обслуживанию, перечислено в таблице выше. Отдельно стоит оборудование, чья работа заявлена как воздействие на смесь во впуске: как этот механизм описан и что в нём происходит — в материале как работает водородный генератор.

Водородный генератор ВГА — бортовой электролизёр, который разлагает воду на водород и кислород и подаёт смесь через баблер во впускной коллектор работающего двигателя. Газ вырабатывается только при работающем моторе и нигде не хранится. Что из этого меняется на дизеле и как подбирается модель — в отдельном материале: водородный генератор на дизель.

Модель подбирается по объёму двигателя: VGA-90 — до 2 литров, VGA-120 — от 2 до 6,5 литров, VGA-240 — от 6,5 литров и более. Нагрузка на бортсеть — 65–85 Вт на легковых и 175–190 Вт на грузовых, монтаж через реле и предохранитель, установка занимает один рабочий день. Регламент обслуживания состоит из двух пунктов: долив воды — 1 литр на 5000 км на легковых и 2 литра на грузовых, замена раствора — каждые 25 000–30 000 км. Гарантия завода-изготовителя — 5 лет, расчётный ресурс — до 500 000 км или 10 лет эксплуатации.

Цены по всем трём моделям и расчёт под конкретную технику — на странице стоимости. Для тягачей и фур сегментная страница — водородная установка на грузовик.