Дизельные двигатели

Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого жидкого топлива при его взаимодействии с разогретым сжатием воздухом в цилиндре. Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

Следует отличать дизельный двигатель от компрессионного двигателя, работающего на газе или парах бензина. В компрессионном двигателе сжимается готовая топливовоздушная смесь, дизельный двигатель работает без использования свечи зажигания. В разогретый от сжатия в цилиндре воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку при большом давлении впрыскивается порция топлива. В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания. Так как дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.

Сгорание топлива в дизеле происходит, таким образом, длительно, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки, испарение капель жидкой фракции и перемешивание паров с воздухом в объёме цилиндра. В силу затяжного характера выделения теплоты сгорания топлива, поршень успевает существенно переместиться в цилиндре, увеличивая его объём. Вследствие этого рабочий процесс протекает при относительно постоянном давлении газов, из-за чего двигатель развивает большой крутящий момент. Термодинамика цикла дизельного двигателя изложена в [1], раздел 10.2.2.

В зависимости от конструкции камеры сгорания, существует несколько типов дизельных двигателей: с неразделённой и с разделённой камерой. В первом случае камера сгорания выполнена в поршне, а топливо впрыскивается в минимальное надпоршневое пространство, что существенно снижает расход топлива при заданной мощности двигателя.

Во втором случае топливо подаётся в дополнительную камеру. В большинстве дизелей такая камера (она называется вихревой либо предкамерой) связана с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в оную камеру, интенсивно завихрялся. Это способствует хорошему перемешиванию впрыскиваемого топлива с воздухом и более полному его сгоранию. Такая схема долго считалась оптимальной для легких дизелей и широко использовалась на легковых автомобилях.

Термодинамический анализ показывает [1], что при одинаковом количестве теплоты изохорный нагрев обеспечивает более высокую температуру газа, чем изобарный. Это обстоятельство позволяет сделать вывод, что двигатель на парах бензина, цикл которого предложен Отто, согласно теореме Карно [2], будет эффективнее двигателя Дизеля. Однако, если сравнивать эффективность этих двигателей при одинаковой температуре в камере сгорания, величина которой определяется термостойкостью материалов конструкции, то двигатель Дизеля оказывается эффективнее двигателя Отто [2], и это преимущество усиливается при увеличении степени сжатия воздуха в цилиндре. Последнее может быть выполнено только при существенном увеличении хода поршня, т.е. длины цилиндра и размеров кривошипов коленчатого вала. Это обстоятельство, вместе с повышением механической нагрузки на кривошипный механизм, делает двигатель Дизеля громоздким и более тяжёлым.

Дизельные двигатели, по сравнению с бензиновыми, являются менее быстроходными и характеризуются большим крутящим моментом на валу. Дизельное топливо является более дешевым, нежели бензин. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжелых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счет пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо в случае с инверторными генераторными установками, от присоединенной электромашины, которая при обычной эксплуатации выполняет роль генератора.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, со сгоранием топлива при постоянном давлении, а по циклу Тринклера – Сабатэ, со смешанным подводом теплоты [1], раздел 10.2.3..

Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряженностью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Двухтактный цикл дизельного двигателя. Кроме вышеописанного четырёхтактного цикла, в дизеле возможно использование двухтактного цикла. Схема работы двухтактного двигателя показана на рис. 2.2. Здесь 1 — выпускной клапан; 2 — форсунка; 3 — канал от продувочного компрессора; 4 — продувочные (впускные) окна. В начале рабочего хода выпускной клапан закрыт, поршень находится в верхнем положении, образуя объём камеры сгорания. При впрыске топлива через форсунку начинается процесс сгорания топлива в смеси с воздухом, нагретым при его сжатии (позиция а)

При рабочем ходе поршень идёт вниз, открывая впускные окна в стенке цилиндра, одновременно или несколько позднее открывается выпускной клапан, через который выходят выхлопные газы, одновременно цилиндр продувается свежим воздухом из компрессора — осуществляется продувка, совмещающая такты впуска и выпуска (позиция b). Когда поршень приподнимается, он закрывает окна в стенке цилиндра, одновременно или чуть позже закрывается выпускной клапан. С момента закрытия впускных окон начинается сжатие воздуха, заполнившего цилиндр и вытеснившего из него продукты сгорания предыдущей порции топлива (позиция с). При положении поршня, чуть не достигающего верхнего положения в цилиндре, из форсунки распыляется и загорается топливо в смеси со сжатым воздухом. Происходит расширение — поршень идёт вниз и снова открывает все окна и т.д.

Продувка является врожденным слабым звеном двухтактного цикла. Время продувки, в сравнением с другими тактами, невелико и увеличить его невозможно, иначе будет падать эффективность рабочего хода за счет его укорочения. В четырехтактном цикле на те же процессы отводится половина цикла. Полностью разделить выхлоп и свежий воздушный заряд тоже невозможно, поэтому часть воздуха теряется, выходя прямо в выхлопную трубу.

В двухтактном двигателе рабочие ходы происходят вдвое чаще, чем в четырёхтактном, но из-за наличия потерь воздуха при продувки двухтактный дизель мощнее такого же по объёму четырёхтактного только максимум в 1,6—1,7 раз.

В настоящее время тихоходные двухтактные дизели весьма широко применяются на больших морских судах с непосредственным (безредукторным) приводом гребного винта. Ввиду удвоения количества рабочих ходов на одних и тех же оборотах двухтактный цикл оказывается выгодным при невозможности повысить частоту вращения, кроме того, двухтактный дизель технически проще реверсировать; 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.

Преимущества и недостатки дизельных двигателей. Бензиновый двигатель является довольно неэффективным и способен преобразовывать всего лишь около 25-35% энергии топлива в полезную работу. Стандартный дизельный двигатель, однако, обычно имеет коэффициент полезного действия в 35-40%, а дизели с турбонаддувом воздуха и промежуточным его охлаждением – свыше 50%.

Дизельный двигатель не может развивать высокие обороты — смесь топлива с воздухом не успевает догореть в цилиндрах. Это приводит к снижению удельной мощности двигателя. Однако регулирование его мощности осуществляется изменением количества впрыскиваемого топлива, что приводит к отсутствию снижения давления в цилиндрах на низких оборотах. Потому дизель выдаёт высокий вращающий момент при низких оборотах, что делает автомобиль с дизельным двигателем более «отзывчивым» в движении, чем такой же автомобиль с бензиновым двигателем. По этой причине в настоящее время большинство грузовых автомобилей и тяжёлых машин оборудуются дизельными двигателями. Это является преимуществом также и в двигателях морских судов, так как высокий крутящий момент при низких оборотах делает более лёгким эффективное использование мощности двигателя.

Конечно, существуют и недостатки, среди которых характерный стук дизельного двигателя при его работе и маслянистость продуктов сгорания топлива. Однако, эти недостатки замечаются в основном владельцами автомобилей с дизельными двигателями, а для стороннего человека практически незаметны.

Явными недостатками дизельных двигателей являются необходимость использования стартера большой мощности, помутнение и застывание летнего дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью. Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой, очень быстро выводящими топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своём рабочем диапазоне.

Дизельные двигатели применяются для привода стационарных силовых установок, а также на транспортных средствах: рельсовых (тепловозы, дизель-поезда, автодрезины) и безрельсовых (автомобили, автобусы, грузовики), на самоходных тяжёлых машинах и механизмах (тракторы, асфальтовые катки, скреперы, в качестве привода компрессоров и т. д.), а также в судостроении в качестве главных и вспомогательных двигателей.