Дизельный двигатель

Дизельный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения распыленного топлива от соприкосновения со сжатым разогретым воздухом. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе (в просторечии — «солярка»).

История

В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного  термического двигателя», который, благодаря  сильному сжатию в  цилиндрах, значительно  улучшает свою эффективность. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1893. Первый функционирующий  образец, названный «Дизель-мотором», был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан.

Интересно, что в написанной им книге в качестве идеального топлива  предлагалась каменноугольная  пыль. Эксперименты же показали невозможность  использования угольной пыли в качестве топлива  — прежде всего  из-за высоких абразивных свойств, как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также наблюдались большие проблемы с подачей пыли в цилиндры. Зато была открыта дорога к использованию в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций. Хотя Дизель и был первым, кто запатентовал двигатель с воспламенением от сжатия, инженер по имени Экройд Стюарт ранее высказывал похожие идеи. Он предложил двигатель, в котором воздух втягивался в цилиндр, сжимался, а затем нагнетался (в конце такта сжатия) в ёмкость, в которую впрыскивалось топливо. Для запуска двигателя емкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода тепла снаружи.

Экройд  Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени  сжатия, он просто экспериментировал  с возможностями  исключения из двигателя  свечей зажигания, т. е. он не обратил внимания на самое большое  преимущество — топливную эффективность.

В 1898 году на Путиловском  заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный  нефтяной двигатель  высокого давления», то есть дизельный  двигатель в его  современном виде с форкамерой, который  назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении  двигателей постройки  «Дизель-мотора»  и «Тринклер-мотора»  русская конструкция, появившаяся на полтора  года позднее немецкой и испытанная на год  позднее, оказалась  гораздо более  совершенной и  перспективной. «Тринклер-моторы»  не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надежнее и перспективнее немецкой.

В 1898 г. Эммануэль Нобель приобрел лицензию на двигатель внутреннего  сгорания Рудольфа Дизеля. Двигатель приспособили для работы на нефти, а не на керосине. С 1899 г. Механический завод «Людвиг  Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизелей. В 1900 г на Всемирной  выставке в Париже двигатель Дизеля получил Гран-при, чему способствовало известие, что завод  Нобеля в Петербурге наладил выпуск двигателей, работавших на сырой  нефти. Этот двигатель  получил в Европе название «русский дизель».

В настоящее время  используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», т. к. теория Рудольфа Дизеля стала основой  для создания современных  двигателей с воспламенением от сжатия. В дальнейшем около 20—30 лет такие  двигатели широко применялись в  стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда  системы впрыска  топлива не позволяли  применять дизели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.

В 20-е  годы XX века немецкий инженер Роберт Бош  усовершенствовал встроенный топливный насос  высокого давления, устройство, которое  широко применяется  и в наше время. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива  позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и  сделало возможным  дальнейшее увеличение скорости вращения. Востребованный в  таком виде высокооборотный  дизель стал пользоваться все большей популярностью  как силовой агрегат  для вспомогательного и общественного  транспорта. Однако доводы в пользу двигателей с электрическим зажиганием (традиционный принцип работы, лёгкость и небольшая цена производства) позволяли им пользоваться большим спросом для установки на пассажирских и небольших грузовых автомобилях. В 50 — 60-е годы дизель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы после резкого роста цен на топливо на него обращают серьёзное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы происходит рост популярности дизельных  двигателей для легковых и грузовых автомобилей, не только из-за экономичности  и долговечности  дизеля, но также  из-за меньшей токсичности  выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские  производители автомобилей  в настоящее время  предлагают как минимум  по одной модели с  дизельным двигателем.

Дизельные двигатели применяются  также на железной дороге. Локомотивы, использующие дизельный  двигатель — тепловозы  — являются основным видом локомотивов  на не электрифицированных участках, конкурируют с электровозами за счёт автономности, перевозят до 40 % грузов и пассажиров в России и выполняют 98 % маневровой работы. Существуют также одиночные автомотрисы, дрезины и мотовозы, которые повсеместно используются на электрифицированных и не электрифицированных участках для обслуживания и ремонта пути и объектов инфраструктуры. Иногда автомотрисы и небольшие дизельные поезда называют рельсовыми автобусами.

Принцип работы

Четырёхтактный  цикл

1-й  такт. Впуск. Клапан  впуска открывается,  воздух поступает  в цилиндр и  клапан сразу закрывается.

2-й  такт. Сжатие. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке) сжимает воздух в 16(в медленных)-20(в быстроходных) раз, после чего в горячей среде распыляется топливо через форсунку.

3-й  такт. ( Рабочий ход). Горение, Расширение. После распыления топлива в горячем воздухе оно сгорает, двигая поршень вниз. (Поджог топлива происходит после того, как поршень почти достиг верхней мёртвой точки за счёт высокой температуры сжатого воздуха).

4-й  такт. Выпуск. Поршень  идёт вверх, клапан  выпуска открывается,  происходит выпуск  и продувка.

Далее повторяются все 4 такта.

В зависимости от конструкции  камеры сгорания, существует несколько типов  дизельных двигателей:

Дизель  с неразделённой  камерой («дизель  с непосредственным впрыском»): камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается  в надпоршневое пространство. Главное достоинство  — минимальный  расход топлива. Недостаток — повышенный шум («жесткая работа»), особенно на оборотах холостого  хода. В настоящее  время ведутся  интенсивные работы по устранению указанного недостатка. Например, в системе Common Rail для снижения жёсткости  работы используется (зачастую многостадийный) предвпрыск.

Дизель  с разделённой  камерой: топливо  подаётся в дополнительную камеру. В большинстве  дизелей такая  камера (она называется вихревой либо форкамерой) связана с цилиндром  специальным каналом  так, чтобы при  сжатии воздух, попадая  в оную камеру, интенсивно закручивался. Это  способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемых топлива и воздуха и самовоспламенению смеси. Такая схема считалась оптимальной и широко использовалась. Однако, вследствие худшей экономичности, последние два десятилетия идёт активное вытеснение таких дизелей двигателями с непосредственным впрыском топлива и с системами подачи топлива Common Rail.

Двухтактный цикл

Кроме вышеописанного четырёхтактного  цикла, возможно использование  двухтактного цикла. Поршень идёт вниз, открывая впускное и  выпускное окно. Воздух поступает в цилиндр  и в это же время  выходят отработавшие газы. Когда поршень  идёт вверх—все окна закрываются. Происходит сжатие—это первый такт. Через форсунки распыляется топливо  и оно загорается. Происходит такт расширения — поршень идёт вниз и снова открывает  все окна и т. д.

Для осуществления продувки в нижней части  цилиндра устраиваются продувочные окна. Когда поршень  находится внизу, окна открыты. Когда  поршень поднимается, он перекрывает окна.

Окна  могут использоваться и для выпуска  отработавших газов, и для впуска свежего  воздуха; такая продувка называется щелевой. Существует также  клапанно-щелевая  продувка, когда отработавшие газы выпускаются  через клапан в  головке цилиндра, а окна используются только для впуска свежего воздуха. Есть ещё двигатели, где в каждом цилиндре находятся два  встречно двигающихся  поршня; каждый поршень  управляет своими окнами — один впускными, другой выпускными (такая  система использовалась на тепловозах ТЭ3 и  ТЭ10, танковых двигателях 4ТПД, 5ТД (Ф) (Т-64), 6ТД (Т-80УД), 6ТД-2 (Т-84), в авиации — на бомбардировщиках Юнкерс).

Поскольку в двухтактном  цикле рабочие  ходы происходят вдвое  чаще, то можно ожидать  двукратного повышения  мощности по сравнению  с четырёхтактным циклом. На практике же это не удаётся  реализовать, и двухтактный  дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного  максимум в 1,6—1,7 раз.

В настоящее время  двухтактные дизели широко применяются  только на больших  морских судах  с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. При невозможности  повышения частоты  вращения двухтактный  цикл оказывается  выгодным; такие тихоходные дизели имеют мощность до 100 000 л.с.

В связи с тем, что  организовать продувку вихревой камеры (или  предкамеры) при двухтактном  цикле сложно, двухтактные  дизели строят только с неразделёнными камерами сгорания.

Дизель  имеет больший  КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.

Эксплуатация  тяжелого дизельного двигателя в настоящее  время обходится  дешевле любого другого  большого двигателя  внутреннего сгорания.  Дешевизна эта  определяется, в основном, меньшей стоимостью дизельного топлива  и надежностью  конструкции. Именно поэтому на дизели приходится самый  высокий процент  из сегмента применения больших двигателей. Эти преимущества также помогли  сделать дизельный  двигатель идеальным  для использования  в тяжелых промышленных перевозках. По всей России, дизельные  двигатели, применяются  в составе больших  грузовиков. Автомобили, однако, продолжают использовать и бензин. Бензиновые двигатели  сохраняют популярность в основном за счет желания потребителя  использовать в более  широком диапазоне  количество оборотов в минуту.  В  Европе, использование  дизельных двигателей в автомобилях  является гораздо  более распространенным явлением, чем в России.

Хотя  дизельные двигатели  более эффективны, они не подходят для  большинства типов  самолетов.  Чем  выше степень сжатия в дизельном двигателе, тем сильнее давление на головку блока, а также на почти  все движущиеся части. Большое давление заставляет производить  массивные и соответственно тяжелые запасные части, а в авиации  лишний вес не приветствуется. Если же запчасти изготавливать  из легких сплавов, то они дороги в производстве.

Тяжелая техника, такая, как  та, которая используются в горнодобывающей  промышленности и  строительстве, почти  всегда строится на базе дизельных двигателей. Тяжелые дизельные  двигатели применяются  и при получении  электрического тока большой мощности с использованием генераторов.

Дизельные двигатели получили широкое распространение  в речных и морских  перевозках. Подавляющее  большинство кораблей и катеров ходят  на дизельном топливе, оно  используется также в подводных  лодках.  В этих типах подводных  лодок, дизельный  двигатель запускается, когда подводная  лодка находится  на поверхности и  генератором заряжает аккумуляторы, которые  подводная лодка  будет использовать при нахождении под водой.

По  всему миру, дизельные  двигатели служат различным целям.  Они используются практически во всех видах тяжелых  машин и других транспортных средств.  Дизельные двигатели  используются в той  технике, где бензиновые просто не выдержат больших нагрузок. Дизель был популярен  на протяжении многих лет, просто потому, что двигатели  могут эксплуатироваться  в течение длительного  срока.  Хотя они  не могут предложить большие скорости, как бензиновые, зато предоставляют в  распоряжение большой крутящий момент.