История дизельных двигателей

В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. В 1897 г первый образец, который получил название «Дизель-мотор», был построен и успешно испытан. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной практическое применение такого двигателя было ограниченным: он уступал паровым машинам того времени по размерам и весу.

Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Первоначально в качестве идеального топлива Дизель предлагал каменноугольную 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 возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры. Зато была открыта дорога к использованию в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций.

Теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей с воспламенением от сжатия и они получили названия «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель». 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 высоко-оборотистых агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизелей на автотранспорте.

Хотя Дизель первым запатентовал свое изобретение, тем не менее английский инженер Экройд Стюарт еще ранее высказывал похожую идею. 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. Единственное, Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, а просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, - он не увидел самое большое преимущество — топливную эффективность.

Годом спустя русским инженером Густавом Тринклером в Петербурге был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», т.е. дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сравнении «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция была гораздо более совершенной и практичной. Тринклер-мотор был первым двигателем с воспламенением от сжатия, работавшим на сырой нефти. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. Однако под напором зарубежных конкурентов, имеющих лицензию Дизеля, производство двигателя было прекращено.

В 1899 г. на механическом заводе «Людвиг Нобель» в Петербурге началось массовое производство дизелей, которые приспособили работать на сырой нефти вместо керосина. И в 1900г. на Всемирной выставке в Париже двигатель Дизеля получил Гран-при. Выдающийся русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункой.

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.

Дизельный двигатель

1. вал коромысел;
2. опора наружного подшипника;
3. водяной насос с корпусом термостата;
4. распределительный вал;
5. промежуточная пластина крышки привода газораспределительного механизма (ГРМ);
6. цепь привода ГРМ;
7. крышка привода ГРМ;
8. установочный фланец шестерни топливного насоса высокого давления (ТНВД);
9. болт опоры наружного подшипника;
10. форсунка с распылителем;
11. крепление масляного фильтра с масляным радиатором;
12. игольчатый и роликовый подшипник коленчатого вала;
13. масляный насос с маслозаборником.

Принцип работы дизеля

Четырёхтактный цикл

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

2-й Такт. Сжатие. Поршень, дойдя до Вмт(верхняя мертвая точка далее), сжимает воздух в 20 раз, после чего в горячей среде распыляется топливо через форсунку.

3-й Такт. Расширение. После распыления топлива в горячем воздухе, оно сгорает, двигая поршень вниз.

4-й Такт. Выпуск и продувка. Поршень идёт вверх, клапан выпуска открывается, происходит выпуск и продувка, дойдя до вмт, клапаны закрываются.

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. В настоящее время ведутся интенсивные работы по устранению указанного недостатка.

Дизель с разделённой камерой: топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую 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.

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. и т.п.

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 (оппозитная схема); 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.

По материалам ru.wikipedia.org