Дизельный двигатель: устройство, история, применение¶
Дизельный двигатель — это разновидность теплового двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс осуществляется за счёт воспламенения топливно-воздушной смеси от высокой температуры сжатого воздуха, без использования электрической или иной внешней системы зажигания. Термин «дизель» происходит от имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, запатентовавшего цикл в 1892 году. Дизели работают преимущественно на тяжёлом жидком топливе (дизельном топливе, мазуте) или на газе, достигая высокого коэффициента полезного действия (КПД) — обычно 35—45 %, что выше, чем у бензиновых моторов.
¶Принцип работы
Рабочий цикл дизеля реализуется по четырёхтактной или двухтактной схеме. Основное отличие от бензинового двигателя заключается в том, что в цилиндр подаётся только воздух, который сжимается с большим степенью сжатия — как правило, от 14:1 до 25:1. При таком сжатии температура воздуха поднимается до 700—900 °C, что превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива (около 220 °C). В момент, близкий к верхней мёртвой точке, форсунка впрыскивает топливо в цилиндр под высоким давлением — от 200 до 2500 бар в современных системах. Топливо смешивается с горячим воздухом, самовоспламеняется и сгорает, образуя газы, которые толкают поршень вниз.
Четырёхтактный цикл включает такты впуска (в цилиндр поступает воздух), сжатия (воздух сжимается и нагревается), рабочего хода (топливо впрыскивается, воспламеняется, газы толкают поршень) и выпуска (отработавшие газы вытесняются). В двухтактных дизелях эти процессы совмещены, что позволяет увеличить мощность на единицу объёма, но сопровождается сложностью конструкции.
¶Устройство
Ключевые узлы дизельного двигателя:
- Топливный насос высокого давления (ТНВД) — нагнетает топливо в магистраль и подаёт его к форсункам с заданным давлением и моментом. В современных моторах ТНВД заменён системой общего магистрального впрыска (Common Rail), где давление создаётся в общей рампе, а форсунки управляются электроникой.
- Форсунки — распыляют топливо в цилиндр. Различают механические и электромагнитные (пьезоэлектрические) форсунки.
- Турбонагнетатель — используется для повышения плотности воздуха в цилиндре и, как следствие, мощности. Система с охлаждением наддува называется интеркулером.
- Свеча накаливания — в дизелях с непосредственным впрыском применяется для предварительного нагрева камеры сгорания при холодном пуске.
- Поршни и кольца — испытывают повышенные нагрузки из-за высокого давления сгорания, поэтому изготавливаются из прочных сплавов.
¶История
Рудольф Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия 28 февраля 1892 года, а 23 февраля 1893 года — второй, усовершенствованный патент. Первый работающий прототип был запущен в 1897 году на заводе MAN в Аугсбурге. В 1898 году на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке двигатель Дизеля получил золотую медаль.
В России первые дизели появились в начале XX века. В 1904 году на Русско-Балтийском заводе в Санкт-Петербурге были изготовлены первые отечественные дизели. В советский период дизелестроение развивалось в направлении стационарных и судовых двигателей, а позже — танковых (В-2, 1930-е годы) и автомобильных. Серийный выпуск легковых автомобилей с дизельными двигателями в СССР начался позже, чем в Западной Европе, однако дизельные грузовики и тракторы производились массово — например, ЗИЛ-130Д, КамАЗ-5320, тракторы Кировца К-700.
¶Классификация
По назначению дизели делятся на:
- Стационарные — для электростанций, компрессоров, насосных станций.
- Судовые — крупногабаритные двигатели мощностью до десятков мегаватт.
- Транспортные — автомобильные, железнодорожные, танковые, авиационные (в том числе звёздообразные, например, советский АЧ-30).
- Широкоуниверсальные — применяются на электростанциях, в генераторах.
По конструкции камеры сгорания различают дизели с непосредственным впрыском, предкамерным и вихрекамерным сжатием. Последние два типа исторически применялись на легковых автомобилях для снижения шума, но постепенно вытеснены прямыми впрысками с системами Common Rail.
¶Применение
Дизельные двигатели доминируют в грузовом и общественном транспорте, судоходстве, железнодорожном локомотивостроении, танкостроении и стационарной энергетике. В Западной Европе на дизели приходилась значительная доля рынка легковых автомобилей — до 50—60 % в 2010-х годах, прежде чем ужесточение экологических норм (Euro 6d) и «дизельгейт» привели к снижению спроса. В России доля дизельных легковых автомобилей традиционно невелика, но дизельные внедорожники (УАЗ, Toyota Land Cruiser Prado, Nissan Patrol) востребованы в условиях Севера и Сибири, где дизельное топливо зимой сортируется по зимним маркам (Арктика, ДЗ).
¶Преимущества и недостатки
К достоинствам дизеля относят высокий КПД, большой крутящий момент на низких оборотах, экономичность и долговечность. Недостатки — повышенный шум, сложность конструкции топливной аппаратуры, чувствительность к качеству топлива и необходимость использования сажевых фильтров (DPF) и системы селективного каталитического восстановления (SCR) для снижения выбросов оксидов азота.
Источники:
- Рудольф Дизель. «Теория и конструкция рационального теплового двигателя», 1893
- Кутепов Н. А. «Теория циклов и конструкция поршневых двигателей»
- Боровиков А. Ф., Клюев А. В. «Автомобильные двигатели»
- Данные Европейской ассоциации автопроизводителей (ACEA)
- Материалы журнала «Двигателестроение»