Дизельный двигатель - двигатель, воспламенение рабочей смеси в котором обеспечивается от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Первый двигатель, работающий по такому принципу, был построен в 1897 году Рудольфом Дизелем, чьим именем он и называется по сей день.
По основному конструктиву он имеет общие черты с бензиновым двигателем. Он тоже имеет блок цилиндров, головку блока цилиндров, может иметь распределительный вал, впускной и выпускной коллектора или патрубки. Также он может работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу, но на этом сходства заканчиваются.
Первое, и главное отличие - отсутствие у дизельного двигателя системы зажигания, и вообще отсутствующая необходимость в каком-либо электрооборудовании. Воспламенение топлива происходит за счет сильного сжатия воздуха в цилиндре (в 14-20 раз), из-за чего его температура резко возрастает до 400-600 градусов по цельсию, и в этот момент в цилиндр впрыскивается топливо, которое воспламеняется от высокой температуры. При чем процесс горения отличается от бензинового двигателя. В бензиновом двигателе рабочая смесь заполняет собой всю камеру сгорания (кроме систем с непосредственным впрыском), и после поджига происходит распространение фронта пламени, которое требует времени. Поэтому процесс горения может занимать продолжительное время и продолжаться даже на выпуске.
GIF●187 Кб
На гифке кстати нижнеклапанный мотор. Видим длительный процесс горения, из-за которого у нас есть непостоянство давления в цилиндре, и часть тепла улетает в трубу.
В дизельном двигателе процесс горения занимает время, необходимое для впрыска необходимой порции топлива. После впрыска происходит задержка воспламенения, вызванная процессом испарения распыленного топлива, после чего оно воспламеняется и горит пока происходит впрыск факела, факел в свою очередь вырываясь из камеры сгорания, равномерно прогревает не вступивший в реакцию воздух, благодаря чему рабочий процесс происходит при постоянном давлении. Добавляем к этому длинноходную геометрию и высокую степень сжатия и получаем большой крутящий момент. Бонусом мы получаем достаточно холодный выхлоп, так как более эффективно используем полученное тепло. Дизельные двигатели имеют наибольший КПД среди поршневых двигателей, достигающий 35-50%.
Однако в тоже время дизельное топливо горит довольно медленно, и для его воспламенения требуется определенное время, что в купе с длинноходностью не дает им развивать большие обороты, и на высоких частотах вращения топливо не успевает сгорать, из-за чего приходится уменьшать его количество, теряя производительность.
Изначально Рудольф Дизель подумывал кормить свое детище угольной пылью, однако высокие абразивные свойства такого топлива загубили идею на корню. Первые моторы использовали в качестве топлива различные растительные масла, мазут, и даже сырую нефть. Вообще дизельный мотор может съесть любое топливо, главное, чтобы оно горело, разумеется с определенными ограничениями.
В первых конструкциях впрыск топлива в камеру сгорания осуществлялся пневматическим способом, при помощи отдельного компрессора, что делало дизель очень тяжелым, габаритным и очень мешало его распространению. Рудольф Дизель поплыл на пароходе в Лондон в 1913 году на открытие фабрики по производству моторов, и зачем-то утопился, а вот Роберт Бош сел, подумал, и в 20-х годах создал первую форсунку не требующую для работы сжатого воздуха, и модернизировал топливный насос высокого давления (ТНВД), после чего детище Дизеля начало свое победное шествие по миру.
Первое время они были тяжелыми и тихоходными, некоторые конструкции требовали долгого прогрева паяльной лампой перед пуском, правда такие моторы назывались калоризаторными, так как имели калильную камеру, которую необходимо было нагревать
Это двухтактный калоризаторный двигатель. Калориферная головка под номером 1.
Тут надо сделать ремарку, так как над дизелем работали не только в Германии.
Инженер Густав Тринклер (опять немцы), работавший на Путиловском заводе в Санктъ-Петербурге, аж в 1898 создал форкамерный дизель с гидравлической системой впрыска, опередив Роберта Боша на 20 лет. По сути он создал одну из современных вариаций мотора, однако под давлением патентных споров работы заставили свернуть в 1902 году, а жаль.
В 30-х годах двадцатого века дизель стал очень стремительно развиваться, применяясь в самых неожиданных местах и в самых разных вариациях. При чем в отличии от бензиновых моторов, двухтактная схема получила поистине огромное распространение, и самое смешное то, что самые большие дизельные моторы были как правило двухтактные!
Но двухтактная схема получила несколько иную реализацию, нежели в случае с бензином. Картерная продувка практически не использовалась, зато были две свои отдельные компоновки продувки:
1. Оконная или щелевая
2. Клапанно-щелевая
В первом варианте как впуск, так и выпуск осуществляется через окна в цилиндре, так как двухтактные моторы в подавляющем большинстве оснащаются компрессорами, продувка цилиндра осуществляется достаточно эффективно, однако при такой схеме очень тяжело организовать качественное итоговое наполнение цилиндра, так как впускные окна закрываются раньше выпускных в моторах с одним коленчатым валом, и эта фраза здесь не просто так.
Сумрачный немецкий гений придумал компоновку, сохраняющую качественную продувку без применения клапанов, да еще и прикрутил ее к самолету, мотор звали Junkers YUMO 205.
У этого мотора было 6 цилиндров, 12 поршней и два коленчатых вала, поршни двигались в цилиндрах навстречу друг другу, сжимая между собой воздух, в это пространство, посередине цилиндра и впрыскивалось топливо, одна группа поршней открывала выпускные окна, вторая группа открывала впускные окна, при этом выпускные окна закрывались раньше впускных, что позволяло создать избыточное давление на такте продувки и качественно очистить цилиндр от отработавших газов. Мотор отлично себя показал, развивая весьма большую мощность.
Нашим инженерам после войны тоже понравилась такая компоновка, и в 1953 году наши создали семейство двигателей Д100, которые долго ставили в тепловозы, а в 1956 году Харьковские конструкторы вывели компоновку в абсолют, создав двигатель 5ТД, в 1968 доработав его до 5ТДФА для танка Т64. При рабочем объеме всего в 13.6 литров он выдавал мощность до 1000 лс в некоторых модификациях, и в отличии от предков был сверхкомпактным и оппозитным.
Схема его работы была примерно такой
GIF●310 Кб
За характерный звук, танкисты прозвали его мотоциклом, а за характерный вид - чемоданом.
Однако его сложность и дороговизна его погубила, эти моторы часто выходили из строя по вине экипажа.
Впрочем наши от немцев старались не отставать, и в 1935 году тоже создали авиационный дизель, только четырехтактный, 12 цилиндровый, V-образный, с 4 клапанами на цилиндр, системой газораспределения DOHC с двумя распредвалами на головку и двойным турбонаддувом. Вы наверно уже знаете, о ком я) Это АН-1, который вскоре эволюционировал в АЧ-30
Параллельно с ними, по схожей концепции был создан легендарный танковый мотор В-2, который вы прекрасно знаете)
Также двухтактная компоновка не обошла стороной и самые большие на земле поршневые моторы, это судовые дизеля. Только сделаны они немного по другой схеме, называется она - крейцкопфная компоновка.
Слева. Крейцкопф (номер 10), представляет собой ползун, двигающийся по собственным направляющим, без воздействия высоких температур, с поршнем он соединен прямой штангой, и в такой конструкции поршень не испытывает боковых нагрузок, что позволяет сделать его площадь меньше и понизить потери на трение. Такая компоновка применяется только в очень больших дизелях из-за огромного хода поршня, достигающего трех метров.
И тут мы подошли ко второму виду двухтактных дизелей - с клапанно-щелевой продувкой.
Как видим, у таких машин в головке присутствует выпускной клапан, а впуск осуществляется через впускные окна, благодаря чему продувка осуществляется в идеальном направлении - снизу вверх.
GIF●152 Кб
Такая продувка использовалась не только на тихоходных судовых дизелях. Она попадалась и в довольно быстроходных моторах, таких как ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206. С рабочего объема 4.6л получали до 160 лс, мотор был двухтактным, клапанно-щелевой продувки, с нагнетателем типа "Рутс". В двигателе были применены индивидуальные ТНВД, что стало предтечей насос-форсунок.
Двухтактные дизельные моторы стремительно захватили мир, и стремительно его покинули. С 1960 годов их количество очень быстро падало, и они были вытеснены четырехтактными моторами. На данный момент двухтактная схема используется только в самых больших судовых дизелях мощностью от 20000 до 100000лс. Такие моторы как правило имеют прямой привод на гребной винт, и в двухтактной компоновке гораздо проще осуществить реверс для обратного хода.
Вот мы и узнали о становлении и возникновении всем известных дизельных моторов. В следующей серии разберем устройство некоторых узлов и перейдем поближе к современным конструкциям.