Дизельные двигатели

Французский ученый С. Карно в 1824 году создал основы термодинамики. В этой работе он, в числе многого другого, утверждал, что заставить тепловую машину работать наиболее экономично можно, доводя рабочее тело до температуры вспышки топлива сжатием. Фактически он сформулировал принцип, на котором работают дизельные двигатели. Оставалось только взять и сделать такой двигатель. Но этого пришлось ждать еще несколько десятков лет.

В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получает патент на первый двигатель (показан на рисунке), работающий на сжатии воздуха до температуры вспышки. В 1987 году первый «дизель-мотор» (так немцы называют двигатель с воспламенением от сжатия) заработал и доказал свою эффективность.

По сравнению с «отто-мотором» (бензиновый двигатель со свечами зажигания) новый двигатель был более тяжелым и поначалу не внушал большого энтузиазма. Но только поначалу. Устройство дизельного двигателя первых образцов включало воздушный компрессор для впрыскивания топлива.

Сам Дизель вначале предполагал применить совсем уж экзотический вариант: угольная пыль. Смесь угольной пыли и воздуха, конечно, способна работать в двигателе, но за сколько часов абразивные частицы съедят кольца, поршни, седла и тарелки клапанов, об этом как-то не подумали. Да и саму угольную пыль получить не так просто.

Из-за тяжелого компрессора двигатель оказывалось невозможно применить на наземном транспорте. Но в работе он расходовал так мало горючего и работа его была настолько устойчивой, что отказаться от него было уже невозможно. Расчеты показывали, что от двигателя можно ожидать значительно большую мощность, если решить проблему с подачей топлива.

У инженеров возникла идея заменить компрессор плунжерным насосом. Качать топливо в жидком виде было чрезвычайно выгодно, на это уходит гораздо меньше энергии, а насос можно сделать совсем небольшим. Однако, изготовить плунжерную пару было не так просто. Дело в особой точности изготовления — расстояние между деталями составляет 2-3 микрона.

Все же дизелям нашлась работа. Впервые они были установлены на немецких подводных лодках еще при кайзере Вильгельме. (Возможно, с этим как раз связано темная история исчезновения самого изобретателя, утонувшего в Ла-Манше по дороге в Англию.)

В 1920 году Роберт Бош наконец, получает качественный плунжерный насос. В цилиндры двигателя научились подавать больше топлива. Теперь обороты дизельного двигателя и его удельная мощность, становятся достаточными для установки на автотранспорте. Вместе с насосом Бош разрабатывает и очень удачную форсунку для топлива.

Сгорание топлива в дизельном двигателе

Проще всего понять, как работает дизельный двигатель, если посмотреть на сгорание топлива в нем. В дизелях используется тяжелое топливо. Это означает, что двигатель внутреннего сгорания такого типа может работать на керосине (известном как солярка), мазуте, сырой нефти, и даже на некоторых растительных маслах.

Все эти виды топлива более калорийны, чем бензин. Так что, рабочая температура дизельного двигателя заметно выше, чем у бензинового. Но тяжелые виды топлива горят хуже, чем бензин, медленнее и трудно поджигаются. Для их воспламенения требуется большая степень сжатия, воздушно-топливная смесь должна нагреваться до 700-800°С.

Вязкость любого из дизельных видов топлива, даже в подогретом состоянии, выше бензиновой, а распылять его необходимо до мельчайшего состояния, особенно в быстроходных дизелях. Еще экспериментальный двигатель Дизеля работал при впрыске топлива под давлением не менее 50 бар (атм), а практический двигатель требует 100-200 бар.

Однако, у тяжелых калорийных топлив есть свое преимущество перед бензином. Давление в цилиндре дизеля практически постоянно на всем такте расширения, поэтому крутящий момент у них весьма значителен и стабилен. Благодаря постоянному давлению, угол опережения зажигания также остается постоянным и регулировки не требует. Ресурс дизельного двигателя больше, чем у бензинового. Есть области, где дизель практически незаменим, например в сельскохозяйственном тракторе.

Разновидности дизельных двигателей

Принцип действия дизельного двигателя для всех из них одинаков: сначала производится сжатие свежего заряда рабочего тела (воздуха), затем впрыскивается топливо. От высокой температуры смесь воспламеняется и сгорает, поднимая давление. Под его действием поршень двигается обратно и в нижней точке выпускной клапан цилиндра открывается, выпуская отработанный газ. В основном, это углекислый газ, дизельные двигатели экологически чище бензиновых.

Камеры сгорания дизелей могут выполняться непосредственно в днище поршня — там делается выемка особой формы — или в ряде случаев используют предкамеры (или форкамеры, как это говорят на родине двигателя). Первый вариант — самый экономичный, второй считался оптимальным в прежние годы. Сейчас, когда экономичность, во многих случаях, считается решающей, от предкамерных вариантов снова отказываются.

Рабочий процесс в дизеле может протекать, как и в бензиновом двигателе, в два или четыре такта. Подавляющее большинство дизелей — четырехтактные. Двухтактные проще реверсировать, поэтому они распространены на морских судах, где применяется жесткая связь с гребным валом. Камеры сгорания в двухтактных дизелях не разделяются из-за очевидных проблем с продувкой форкамеры.

Конструкция дизельного двигателя зависит от его мощности и назначения. Наиболее мощные двигатели, применяемые на судах и некоторых электростанциях, имеют крейцкопф — устройство для снижения боковых сил на поршень. Все мощные дизели имеют сложно устроенное дно, потому, что подвергаются высокой температуре.

Часть, обращенная в цилиндр, делается стальной, а остальная часть поршня (юбка) — алюминиевой. Кроме того, в поршне сделаны канавки для системы масляного охлаждения.

Типы дизельных двигателей различаются и по расположению цилиндров. Бывает рядовое, V-образное и даже такое, при котором цилиндры располагаются с разворотом на 180 градусов. Это зависит от тех условий, которые имеются на месте установки двигателя. Например, на современном грузовике или автобусе, скорее всего, будет применен двухрядный дизель, установленный под полом кабины водителя. Как устроен дизельный двигатель, будет зависеть и от наличия наддува.

Турбонаддув дизелей

Мощность дизельного двигателя, без увеличения расхода топлива, можно повысить при помощи турбокомпрессора. Тогда можно использовать еще неплохой кусочек диаграммы цикла Карно. Эксплуатация дизельного двигателя с турбокомпрессором имеет то преимущество, что используя энергию выхлопных газов можно раскрутить турбину, и на том же валу установить другую турбину — компрессор.

Этот компрессор будет нагнетать воздух, поступающий через впускной коллектор, увеличится заряд воздуха в цилиндрах, и, таким образом, мощность двигателя заметно возрастет. (Работу таких двигателей легко узнать по характерному свисту в момент раскручивания турбины.)

Плюсы и минусы дизелей

Преимущества дизельного двигателя — это высокий и постоянный крутящий момент в сочетании с высокой экологичностью выхлопных газов (это относится, правда, только к современным двигателям). Также вне конкуренции их высокий КПД, самый высокий среди ДВС. Известны дизели (MAN) дающие свыше 50%, (что считалось «теоретическим» максимумом). Там использован максимум всех современных достижений. Экономичность достигает до 40%, если провести сравнение с бензиновыми.

Проблемы дизельных двигателей, а без них техники не бывает, заключаются в тяжелом пуске, из-за высокой степени сжатия (до 25 в современных двигателях), на автомобилях приходится ставить мощный стартер и аккумулятор. Большая точность изготовления деталей насосов высокого давления и форсунок затрудняет обслуживание.

Дизели крайне чувствительны к механическим загрязнениям топлива, для очистки которого приходится применять даже центрифугу в составе топливной аппаратуры. При равном объеме в литрах, дизельный двигатель уступает бензиновому по мощности, при равной мощности дизель тяжелее. Дизельный двигатель требует более качественных сплавов для своего изготовления и заметно дороже бензинового.

И все же, сравнивая преимущества и недостатки дизельного двигателя, можно сделать выбор в пользу дизеля. Особенно этому способствует технический прогресс в области электроники и блоков управления двигателями. Система «общая магистраль» (common rail) и электромагнитные форсунки позволяет сильно упростить ТВНД, а блок управления доводит экономию топлива до максимума, поскольку работает на любых переходных режимах и успевает все отследить.