Дизельный двигатель

Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения топлива от сжатия. В отличие от бензиновых двигателей, где смесь воздуха и топлива поджигается искрой от свечи зажигания, в дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр, где воздух уже сильно сжат и нагрет до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива. Дизельные двигатели отличаются высокой топливной экономичностью, большим крутящим моментом на низких оборотах и долговечностью, что обусловило их широкое применение в грузовом транспорте, сельскохозяйственной и строительной технике, судах, тепловозах, а также в легковых автомобилях.

История

Предпосылки и изобретение

Идея создания двигателя, работающего на тяжёлом топливе без системы зажигания, возникла у немецкого инженера Рудольфа Дизеля в конце XIX века. В 1892 году он получил патент на «рациональный тепловой двигатель», который должен был работать на угольной пыли. В 1893 году Дизель построил первый опытный образец. Однако первые эксперименты были неудачными: двигатель взорвался из-за чрезмерного давления. В 1897 году, после многочисленных доработок, был создан первый рабочий образец дизельного двигателя мощностью 20 лошадиных сил с КПД около 26%, что значительно превосходило показатели паровых машин и бензиновых двигателей того времени.

Раннее применение

Первые дизельные двигатели были стационарными и использовались на промышленных предприятиях, электростанциях и кораблях. В 1903 году был построен первый теплоход «Вандал» (Россия), оснащённый тремя дизельными двигателями. В 1912 году дизельный двигатель впервые был установлен на локомотив (тепловоз). В 1930-х годах началось массовое применение дизелей в грузовых автомобилях, а затем и в автобусах.

Развитие в XX веке

В 1920-х годах немецкий инженер Роберт Бош разработал топливный насос высокого давления (ТНВД), что позволило значительно повысить точность впрыска и мощность двигателей. В 1936 году компания Mercedes-Benz выпустила первый серийный легковой автомобиль с дизельным двигателем — Mercedes-Benz 260 D. В 1950-х годах появились турбонаддув и непосредственный впрыск топлива, что повысило мощность и экономичность. В 1970-х годах, в связи с нефтяным кризисом, интерес к дизельным двигателям в легковых автомобилях резко вырос. В 1980-х годах были внедрены системы Common Rail (аккумуляторный впрыск) и электронное управление.

Принцип работы

Цикл работы

Дизельный двигатель работает по четырёхтактному циклу (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) или двухтактному циклу (впуск-сжатие, рабочий ход-выпуск). Основные этапы четырёхтактного цикла:

Впуск: поршень движется вниз, открывается впускной клапан, в цилиндр поступает чистый воздух.
Сжатие: поршень движется вверх, клапаны закрыты, воздух сжимается в 15–25 раз, его температура поднимается до 500–900 °C.
Рабочий ход: в конце такта сжатия в цилиндр под высоким давлением (100–2000 бар) впрыскивается дизельное топливо. Оно самовоспламеняется от горячего воздуха, происходит взрывное расширение газов, поршень движется вниз, совершая полезную работу.
Выпуск: поршень движется вверх, открывается выпускной клапан, отработавшие газы выбрасываются в атмосферу.

Особенности воспламенения

Воспламенение происходит за счёт высокой температуры сжатого воздуха, а не от искры. Это позволяет использовать топливо с более высокой температурой самовоспламенения (дизельное топливо, солярка, мазут, биодизель). Для надёжного запуска холодного двигателя используются свечи накаливания, которые подогревают воздух в камере сгорания.

Классификация

По числу тактов

Четырёхтактные: наиболее распространённый тип, обеспечивает высокую мощность и экономичность.
Двухтактные: используются в крупных судовых двигателях, тепловозах и некоторых стационарных установках. Они имеют более высокую удельную мощность, но менее экономичны и более сложны в конструкции.

По способу смесеобразования

С непосредственным впрыском: топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания в поршне. Обеспечивает высокую экономичность, но требует высокой точности впрыска.
С разделённой камерой сгорания: топливо сначала впрыскивается в предкамеру (вихревую камеру), где происходит частичное смешивание, а затем догорает в основной камере. Такие двигатели менее экономичны, но более тихие и плавные в работе.

По способу наддува

Атмосферные: воздух поступает в цилиндр за счёт разрежения, создаваемого поршнем. Имеют ограниченную мощность.
С турбонаддувом: воздух нагнетается турбокомпрессором, работающим от энергии отработавших газов. Позволяет значительно увеличить мощность и КПД.
С механическим наддувом: воздух нагнетается компрессором, приводимым от коленчатого вала. Используется реже.

По назначению

Стационарные: для генераторов, насосов, компрессоров.
Судовые: для морских и речных судов.
Тепловозные: для локомотивов.
Автомобильные: для грузовых и легковых автомобилей, автобусов.
Тракторные и комбайновые: для сельскохозяйственной техники.
Мотоциклетные: редкий тип, используется в некоторых мотоциклах и скутерах.

Устройство и основные компоненты

Блок цилиндров и головка блока

Блок цилиндров (картер) — основная часть двигателя, в которой расположены цилиндры, коленчатый вал и другие детали. Головка блока цилиндров (ГБЦ) закрывает цилиндры сверху и содержит клапаны, форсунки и свечи накаливания. Для обеспечения высокой прочности блок и головка изготавливаются из чугуна или алюминиевых сплавов.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала. Включает поршни, шатуны, коленчатый вал, маховик. Поршни дизельных двигателей изготавливаются из жаропрочных сплавов и имеют более массивную конструкцию, чем бензиновые, из-за высоких нагрузок.

Топливная система

Самый сложный и ответственный узел. Состоит из:

Топливного бака.
Топливного насоса низкого давления (подкачивающего).
Топливного фильтра (часто два — грубой и тонкой очистки).
Топливного насоса высокого давления (ТНВД) — создаёт давление до 2000 бар и дозирует топливо.
Форсунок — распыляют топливо в цилиндр.
Топливопроводов высокого давления.

Современные системы Common Rail (аккумуляторный впрыск) используют единую магистраль (рампа) высокого давления, от которой топливо подаётся к форсункам, управляемым электроникой. Это позволяет гибко регулировать момент и количество впрыска.

Система впуска и выпуска

Впуск: воздушный фильтр, впускной коллектор, турбокомпрессор (при наличии), интеркулер (промежуточный охладитель наддувочного воздуха).
Выпуск: выпускной коллектор, турбина (при наличии), глушитель, система нейтрализации отработавших газов (каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр).

Система смазки

Обеспечивает подачу масла к трущимся деталям (подшипники коленвала, поршневые кольца, распределительный вал). Масло также отводит тепло и очищает двигатель от продуктов износа.

Система охлаждения

Поддерживает оптимальную рабочую температуру (обычно 80–95 °C). Используется жидкостное охлаждение с радиатором, вентилятором и термостатом. В некоторых мощных двигателях применяется масляное охлаждение поршней.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая топливная экономичность: КПД дизельных двигателей достигает 40–50% (у лучших образцов — до 55%), что на 20–30% выше, чем у бензиновых. Это обусловлено высокой степенью сжатия и более полным сгоранием топлива.
Большой крутящий момент на низких оборотах: дизельные двигатели развивают максимальный крутящий момент уже при 1500–2500 об/мин, что обеспечивает отличную тягу при трогании с места и движении на подъём.
Долговечность: из-за более прочной конструкции и работы на более низких оборотах дизельные двигатели часто служат в 1,5–2 раза дольше бензиновых (500 000–1 000 000 км и более).
Меньшая пожароопасность: дизельное топливо менее летучее, чем бензин, и воспламеняется только при высокой температуре.
Возможность использования различных видов топлива: дизельное топливо, биодизель, растительные масла, керосин (в смеси).

Недостатки

Высокая стоимость: дизельные двигатели сложнее и дороже в производстве из-за требований к прочности и точности топливной аппаратуры.
Больший вес и габариты: по сравнению с бензиновыми аналогами той же мощности.
Шум и вибрация: работа дизеля сопровождается характерным стуком (детонацией) из-за резкого сгорания топлива.
Сложность холодного пуска: при низких температурах топливо густеет, а свечи накаливания требуют времени для прогрева.
Высокие требования к качеству топлива: наличие воды, серы и механических примесей быстро выводит из строя топливную аппаратуру.
Более высокие выбросы оксидов азота (NOx) и твёрдых частиц (сажи): требуют сложных систем нейтрализации (сажевые фильтры, системы рециркуляции отработавших газов, каталитические нейтрализаторы).

Применение

Транспорт

Грузовые автомобили (фуры, самосвалы, тягачи) — основная область применения.
Автобусы (городские, междугородние, туристические).
Легковые автомобили — популярны в Европе, особенно в сегменте универсалов и внедорожников.
Сельскохозяйственная и строительная техника (тракторы, комбайны, экскаваторы, бульдозеры).
Железнодорожный транспорт (тепловозы, дизель-поезда).
Водный транспорт (суда, яхты, катера).
Военная техника (танки, бронетранспортёры, тягачи).

Энергетика

Дизель-генераторы — для резервного и автономного электроснабжения (больницы, дата-центры, стройплощадки).
Насосные станции (для перекачки нефти, воды).
Компрессорные установки.

Промышленность

Приводы промышленных машин (дробилки, мельницы, прессы).
Судовые двигатели (главные и вспомогательные).

Интересные факты

Самый мощный дизельный двигатель в мире — 14-цилиндровый двухтактный двигатель Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, используемый на контейнеровозах. Его мощность достигает 109 000 лошадиных сил, а расход топлива — около 13 тонн в час.
Первый дизельный двигатель работал на арахисовом масле. Рудольф Дизель демонстрировал его на Всемирной выставке 1900 года в Париже.
В России дизельные двигатели для грузовиков и автобусов производит Ярославский моторный завод (ЯМЗ), а для легковых автомобилей — заводы в Тольятти (ВАЗ) и Набережных Челнах (КАМАЗ).
Дизельные двигатели используются в некоторых моделях мотоциклов (например, Royal Enfield Bullet 500 Diesel) и даже в самолётах (например, Diamond DA42).

Критика и экологические аспекты

Дизельные двигатели подвергаются критике за высокий уровень выбросов оксидов азота (NOx) и твёрдых частиц (PM), которые являются канцерогенами и способствуют образованию смога. В 2015 году разгорелся «дизельгейт» — скандал, связанный с тем, что концерн Volkswagen (организация, признанная нежелательной в РФ? — нет, не признана) устанавливал на дизельные автомобили программное обеспечение, занижающее показатели выбросов во время тестов. В результате многие страны (особенно в Европе) ужесточили экологические нормы (Евро-6, Евро-7) и ввели ограничения на въезд дизельных автомобилей в центры городов. В то же время современные дизельные двигатели с системами нейтрализации (сажевые фильтры, системы SCR с впрыском мочевины) могут соответствовать самым строгим экологическим стандартам.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →