Ди́зельный дви́гательГОСТ 10150-2014. Двигатели внутреннего сгорания поршневые. Общие технические условия (в просторечии — ди́зель) — поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при квазиадиабатном сжатии воздуха. Применяется в основном на судах (теплоходах, дизель-электроходах), тепловозах и МВПС (рельсовых автобусах, дизель-поездах), автобусах и грузовых автомобилях, тракторах и бронетехнике, дизельных электростанциях, а к концу XX века получил распространение и на легковых автомобилях. Специфическая разновидность дизельного двигателя — дизель-молот, принципиально не созданный для создания крутящего момента и не имеющий кривошипно-шатунного механизма. Первый двигатель, работающий по такому принципу, был построен Рудольфом Дизелем в 1893 году. Работа двигателя описывается циклом Дизеля. Двигатель носит имя своего изобретателя, и оно является нарицательным.

Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк, включая все фракции нефтеперегонки (от керосина до мазута) и ряд продуктов природного происхождения (например, рапсовое и подсолнечное масла), которые также могут использоваться в качестве биодобавок (см. биодизель). Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

История

В 1824 году Сади Карно формулирует идею цикла Карно, утверждая, что в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо «изменением объёма», то есть быстрым сжатием. В 1890 году Рудольф Дизель предложил свой способ практической реализации этого принципа. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1892 годаhttp://www.oldengine.org/members/diesel/Patents/Patents.htm Патенты (в США в 1895 годуПатент Дизеля 1895 года), в 1893 году выпустил брошюру. Ещё несколько вариантов конструкции были им запатентованы позднееПатент Дизеля 1898 года. После нескольких неудач первый практически применимый образец, названный дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной, практическое применение такого двигателя было ограниченным: он был больше и тяжелее паровых машин того времени.

Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль — Германия при больших запасах угля не имела нефти. Однако эксперименты показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, 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.

Инженер ранее высказывал похожие идеи и в 1886 году построил действующий двигатель (см. полудизель). 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 ёмкость нагревалась лампой снаружи, и после запуска самостоятельная работа поддерживалась без подвода дополнительного тепла. Экройд Стюарт не рассматривал преимущества работы от высокой степени сжатия, он просто экспериментировал с возможностями исключения из двигателя свечей зажигания, то есть он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную экономичность.

Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. «Тринклер-моторы» не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был более постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.

В 1898 году Эммануил Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля. Двигатель приспособили для работы на нефти, а не на керосине. В 1899 году Механический завод «Людвиг Нобель» в Петербурге развернул массовое производство дизельных двигателей. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже дизельный двигатель получил Гран-при, чему способствовало известие, что завод Нобеля в Петербурге наладил выпуск двигателей, работавших на сырой нефти. Этот двигатель получил в Европе название «русский дизель». Выдающийся русский инженер Аршаулов впервые построил и внедрил топливный насос высокого давления оригинальной конструкции — с приводом от сжимаемого в цилиндре воздуха, работавший с бескомпрессорной форсункойВ. Т. Цветков, «Двигатели внутреннего сгорания», МАШГИЗ, 1954 г..

В настоящее время для обозначения ДВС с воспламенением от сжатия используется термин «двигатель Дизеля», «дизельный двигатель» или просто «дизель», так как теория Рудольфа Дизеля стала основой для создания современных двигателей этого типа. В дальнейшем около 20—30 лет такие двигатели широко применялись в стационарных механизмах и силовых установках морских судов, однако существовавшие тогда системы впрыска топлива с воздушными компрессорами не позволяли применять дизельные двигатели в высокооборотных агрегатах. Небольшая скорость вращения, значительный вес воздушного компрессора, необходимого для работы системы впрыска топлива сделали невозможным применение первых дизельных двигателей на автотранспорте.

В 20-е годы XX века немецкий инженер Роберт Бош усовершенствовал встроенный топливный насос высокого давления, устройство, которое широко применяется и в наше время. Он же создал удачную модификацию бескомпрессорной форсунки. Востребованный в таком виде высокооборотный дизельный двигатель стал пользоваться всё большей популярностью как силовой агрегат для вспомогательного и общественного транспорта, однако доводы в пользу карбюраторных двигателей (традиционный принцип работы, лёгкость и небольшая цена производства) позволяли им пользоваться большим спросом для установки на легковых и небольших грузовых автомобилях: с 50-х — 60-х годов XX века дизельный двигатель устанавливается в больших количествах на грузовые автомобили и автофургоны, а в 70-е годы, после резкого роста цен на топливо, на него обращают серьёзное внимание мировые производители недорогих маленьких пассажирских автомобилей.

В дальнейшие годы происходит рост популярности дизельных двигателей для легковых и грузовых автомобилей, не только из-за их экономичности и долговечности, но также из-за меньшей токсичности выбросов в атмосферу. Все ведущие европейские производители автомобилей в настоящее время имеют модели с дизельным двигателем.

Дизельные двигатели применяются также на железной дороге. Локомотивы, использующие дизельный двигатель — тепловозы — являются основным видом локомотивов на неэлектрифицированных участках, дополняя электровозы за счёт автономности. Существуют также одиночные автомотрисы, дрезины и мотовозы, которые повсеместно используются на электрифицированных и неэлектрифицированных участках для обслуживания и ремонта пути и объектов инфраструктуры. Иногда автомотрисы и небольшие дизель-поезда называют рельсовыми автобусами.

Принцип работы

Четырёхтактный цикл

1-й такт. Впуск. Соответствует 0°—180° поворота коленвала. Через открытый приблизительно на 345—355° впускной клапан воздух поступает в цилиндр, на 190—210° клапан закрывается. При этом до 10—15° поворота коленвала одновременно открыт и выхлопной клапан. Время совместного открытия клапанов называется перекрытием клапанов, при котором происходит продувка цилиндра сжатым воздухом (адиабатически сжатым в турбокомпрессоре и охлаждённым изобарно в интеркулере для снижения удельного объёма и увеличения соответственно количества окислителя, подаваемого в цилиндр, и также снижения работы, затрачиваемой на такте сжатия) из впускного коллектора для удаления продуктов сгорания. 2-й такт. Сжатие. Квазиадиабатный процесс. Соответствует 180° — 360° поворота коленвала. Поршень, двигаясь к ВМТ (верхней мёртвой точке), квазиадиабатно сжимает воздух от 16 (в тихоходных двигателях) до 25 (в быстроходных) раз, его температура повышается, поршень совершает работу над воздухом. Сжатие происходит за счёт инертности маховика, сидящего на коленчатом валу двигателя (он выступает аккумулятором энергии для совершения процессов впуска, сжатия и выпуска, и необходим для работы двигателя, в полезную работу двигателя уходит именно разность работы рабочего хода и этих трёх процессов, в которых работа совершается). 3-й такт. Рабочий ход, расширение. Это процесс, при котором газ совершает работу. Соответствует 360°—540° поворота коленвала. При распылении топлива в горячий воздух происходит инициация сгорания топлива, то есть частичное его испарение, образование свободных радикалов в поверхностных слоях капель и в пара́х. Наконец, при достижении стехиометрического соотношения нагретого воздуха и паров топлива оно вспыхивает и сгорает по мере поступления из форсунки, а продукты горения, расширяясь, двигают поршень вниз. Впрыск и, соответственно, воспламенение топлива происходит чуть раньше момента достижения поршнем верхней мёртвой точки вследствие некоторой инертности процесса горения. Отличие от опережения зажигания в бензиновых двигателях в том, что задержка необходима только из-за наличия времени инициации, которое в каждом конкретном двигателе — величина постоянная и зависящая только от особенностей данной конкретной конструкции двигателя. Сгорание топлива в дизельном двигателе происходит, таким образом, столько времени, сколько длится подача порции топлива из форсунки, начинаясь вблизи ВМТ. Из этого следуют два важных вывода: Процесс горения длится примерно столько же времени, сколько требуется для впрыска данной порции топлива, но не дольше времени рабочего хода. Это приводит к тому, что рабочий процесс протекает при постоянном давлении газов (это изобарный процесс). Также, в отличие от двигателя с искровым зажиганием, компрессионного и калильного двигателя (цикл Отто), происходит не взрывообразное сгорание топлива (условный изохорный процесс, но такое приближение неточное, поскольку за время распространения фронта воспламенения поршень всё-таки успевает отдалиться от ВМТ, причём, чем более оборотистый мотор, тем сильнее меняется объем, пока происходит воспламенение топлива, это также сильно зависит от свойств топлива), а его факельное горение в процессе рабочего хода. Соотношение топливо/воздух в цилиндре может существенно отличаться от стехиометрического, причём очень важно обеспечить избыток воздуха, так как пламя факела занимает лишь часть объёма камеры сгорания, и требуется обеспечить полное сгорание. Если этого не происходит, возникает массивный выброс несгоревших углеводородов с сажей (на сленге железнодорожников, «тепловоз даёт медведя́»). У двигателей с аккумуляторной топливной системой (Common Rail) за счёт возможности управлять открытием форсунки независимо от работы ТНВД появляется возможность оптимизировать процесс впрыска и сгорания топлива за счет многоимпульсной подачи. Суть заключается в следующем: