Дизельное топливо не может впрыскиваться в цилиндр в течение относительно долгого времени, подобно тому как в бензиновом двигателе с непосредственным впрыском. Поскольку воспламенение начинается в течение нескольких микросекунд после начала впрыска, все топливо должно быть впрыснуто за короткое, как только возможно, время. Если поршень начал двигаться вниз в цилиндре, то в действительности уже слишком поздно добавлять топливо, так как есть риск, что часть топлива выйдет из цилиндра несго-ревшим, в виде черного дыма. Единственный способ впрыснуть достаточно топлива за возможно короткое время — впрыскивать его при очень высоком давлении.


Раньше дизельные двигатели легковых автомобилей имели маленькую предкамеру в головке цилиндров, систему, разработанную британским исследователем сэром Гарри Рикардо. Когда в предкамеру впрыскивалось даже небольшое количество топлива, а во время холостого хода количество необходимого топлива, требуемого на один такт, примерно равно крупинке сахара, смесь уверенно воспламенялась в предкамере, и пламя распространялось через соединительный канал в основную камеру, где сгорало до конца. Для того чтобы такие двигатели работали устойчиво, как правило, требуется давление впрыска порядка 7000 н/см2.


Двигатель с предкамерой со временем стал вполне удовлетворительным силовым узлом, лучшими примерами которого, вероятно, были 1,9-литровые двигатели XUD, использовавшиеся Pegeot и Citroen и выпущенные в огромных количествах. Но узкий канал, соединяющий предкамеру и основную камеру сгорания, был источником насосных потерь — воздух преодолевал сопротивление, проходя в предкамеру, и должен был затем вырваться обратно. Было понятно, что двигатели с непосредственным впрыском будут более эффективными и экономичными. Была проделана большая работа, пока не была решена основная проблема непосредственного впрыска: как воспламенить смесь и обеспечить ее полное сгорание, если топливо впрыскивается в гораздо больший объем основной камеры сгорания.


Ответ на решение этой проблемы можно найти во всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей с непосредственным впрыском, он заключен в форме камеры сгорания, выполненной в головке поршня и представляющей собой чашу с выступом в форме вершины в центральной части. Топливо впрыскивается прямо в центр, и такая форма помогает разбить его на мельчайшие капельки. Форма чаши и впускных каналов также исключительно важны для формирования воздушного потока. Когда поршень поднимается, впрыснутое топливо концентрируется в маленьком объеме, до тех пор пока не воспламенится. В результате камера сгорания в поршне двигателей с непосредственным впрыском выполняет ту же задачу, что и предкамера в более ранних двигателях.


Дизели с непосредственным впрыском нуждаются в более высоком давлении впрыска, чем их предшественники, потому что время, отводимое на процесс сгорания, меньше. Предкамерные двигатели производят «смягчающий» эффект на процесс, и впрыск может начинаться раньше. С другой стороны, новое поколение дизелей с непосредственным впрыском мощнее, поэтому от конструкторов требуется обеспечить впрыск большего количества топлива.


До недавнего времени стандартным способом впрыскивания топлива в дизельных двигателях было использование насоса низкого давления для подачи топлива из бака к насосу высокого давления, который, в свою очередь, обеспечивал импульсы высокого давления топлива и передавал их к форсункам. Первые насосы высокого давления были похожи на миниатюрные рядные двигатели. Кулачковый вал, приводившийся в действие от коленчатого вала двигателя, с числом выступов, соответствующих числу цилиндров, воздействовал на серию «плунжерных пар» (поршневых насосов высокого давления), которые, в свою очередь, создавали импульсы высокого давления. Такие насосы широко применяются в дизельных двигателях грузовых автомобилей, но с 1960 года дизели легковых автомобилей используют роторные насосы высокого давления. Роторный насос можно представить как конструкцию с вращающимся кулачковым валом, имеющим один выступ, который воздействует на «плунжерные пары», число которых также соответствует числу цилиндров двигателя. В какой-то степени эти насосы напоминают старомодные распределители зажигания бензиновых двигателей, и их часто называют распределительными насосами. Такие насосы компактнее и дешевле в производстве, чем рядные, и способны развивать давление до 10 ООО н/см3. Механические устройства (а в последнее время электронные), встроенные в насос, регулируют момент впрыска, поворачивая вперед или назад кулачковый вал, и подачу топлива с помощью «отсечных клапанов», сбрасывающих давление, когда впрыснуто достаточное количество топлива.


В последних поколениях дизельных двигателей, предназначенных для легковых автомобилей, отказались от применения насосов высокого давления распределительного типа и перешли к использованию систем «common-rail» или «насос-форсунка». На первый взгляд система common-rail напоминает топливную систему бензинового двигателя с непосредственным впрыском. Внутри самой топливной рейки находится топливо при постоянном высоком давлении, создаваемом насосом (более простым, чем роторный распределительный насос), а рейка соединяется с форсунками. Каждая форсунка оборудуется электромагнитным клапаном, который получает управляющие сигналы от электронного управляющего модуля, определяющего как начало впрыска, так и его продолжительность. Другими словами, в двигателе с common-rail управление осуществляется форсункой, а не топливным насосом. Этот способ кажется действительно более логичным для выполнения основной задачи. Главный недостаток заключается в том, что форсунки становятся более сложными и дорогими в производстве, но это небольшая плата, если в ответ вы получаете большую гибкость в работе и точность контроля. Главное же — это возможность использовать более высокое давление впрыска. Сегодняшние системы работают при давлении порядка 15 000 н/см\ а разработчики надеются увеличить его еще на 30%.


Это очень высокое давление — наиболее важное различие между дизельной системой common-rail и внешне похожей бензиновой системой впрыска, которая работает при давлениях в одну десятую (или меньше) от давлений дизеля. Кроме возможности впрыснуть больше топлива за отпущенное короткое время, более высокое давление также означает, что топливо может быть распылено более мелко, когда оно впрыскивается очень мощным конусным факелом, который дает возможность использовать меньшие размеры цилиндра.


Наряду с этими и другими преимуществами, дизельный впрыск common-rail, таким образом, потенциальный ключ к высокоэффективным, суперэкономичным 4-цилиндровым дизелям с маленьким объемом в 1,2 литра или еще меньшими, если использовать три цилиндра.


Большинство основных производителей автомобилей сейчас изучают возможность использования 4-цилиндровых или 3-цилиндровых дизельных двигателей объемом 1,4 литра или меньше для применения в сверхэкономичных супермаленьких автомобилях. Volkswagen уже предложил 1,2-литровый дизель для Lupo, a Fiat продемонстрировал 1,2-литровый 4-цилиндровый двигатель, использующий совершенную систему контроля впрыска. Ford и PSA имеют совместную программу по разработке нового маленького дизеля, a Renault занят разработкой агрегата объемом 1461 см3 с турбонаддувом, интеркулером и системой common-rail, мощность которого 80 л.с. и крутящий момент 185 Нм. В этом двигателе «топливная рейка» на самом деле представляет собой толстый цилиндр, от которого радиально ответвляются нагнетательные линии.