Области применения дизельных двигателей

Никакие другие двигатели внутреннего сгорания не применяются так широко, как дизели'. Такая популярность объясняется, прежде всего, их высокой эффективностью и связанной с этим экономичностью. Наиболее важны следующие области применения дизелей:
• стационарные силовые агрегаты;
• легковые и легкие грузовые автомобили;
• тяжелые грузовые автомобили;
• строительная и сельскохозяйственная техника;
• тепловозы;
• суда.
Дизели имеют рядную или V-образную компоновку. Они очень хорошо сочетаются с системами наддува воздуха, так как, в отличие от бензинового двигателя, здесь не возникает детонации (см. главу «Система подачи воздуха»).

Основные параметры


При использовании дизеля имеют значение следующие основные параметры:
• мощность двигателя;
• удельная мощность;
• безопасность и надежность эксплуатации;
• эксплуатационные расходы;
• экономичность в эксплуатации;
• совместимость с окружающей средой;
• комфорт;
• удобство компоновки в силовом отсеке.
Конструкции дизелей меняются в зависимости от области их применения. 

Применение


Стационарные силовые агрегаты
Стационарные силовые агрегаты (например, для дизель-генераторов) в основном работают с фиксированной частотой вращения коленчатого вала. Двигатель и система питания в этом случае должны быть он шмальни согласованы дли работы в постоянном режиме.

 

Регулятор частоты вращения коленчатого вала изменяет величину подачи топлива в зависимости от требуемой нагрузки. Чаще всего на стационарных агрегатах используется аппаратура впрыска топлива с механическим регулятором. В качества стационарных могут также применяться двигатели легковых и грузовых автомобилей. В этом случае регулятор должен быть настроен соответствующим образом.

Легковые автомобили и легкие грузовики


Двигателю легкового автомобиля особенно необходимы плавность работы и хорошая «эластичность», т. е. способность развивать высокий крутящий момент в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (рис. 1). В этой области больших успехов разработчики дизелей достигли как модернизацией самих двигателей, так и применением новых систем впрыска с электронным управлением. Таким образом, зависимости кривых мощности и крутящего момента в начале 90-х годов существенно изменились. Благодаря этому на легковых автомобилях используются быстроходные дизели с частотой вращения коленчатого вала до 5500 мин ', гамма которых простирается от 10-цилиндрового двигателя рабочим объемом 5000 см* для автомобилей высшего класса до 3-цилиндрового рабочим объемом 800 см* для малолитражных автомобилей. Сегодня дизели легковых автомобилей в Европе оснащаются только системами непосредственного впрыска топлива, так как расход горючего у них примерно на 15...20% меньше, чем у дизелей с разделенными камерами сгорания. Эти агрегаты, почти повсеместно снабженные турбонагнетателями, развивают более высокий крутящий момент, чем аналогичные по рабочему объему бензиновые двигатели. Максимально возможная величина крутящего момента зависит в большинстве случаев от трансмиссии автомобиля и не определяется параметрами двигателя.

boschdiesel 1

Названы по имени Рудольфа Дизепя (1858-1913). который в 1892 т. получил свой первый патент на -новый рациональный тепловой двигатель-. Тем не менее потребовалось провести много эксперимент!), прежде чем в 1897 г. в Аугсбурге устойчиво заработал первый дизель.

Рис.1
1. Привод клапанов
2. Насос форсунка
3. Поршень с пальцем и шатуном
4. Охладитель наддувочного воздуха
5. Насос системыохлаждения
6. Цилиндр

Все более жесткие ограничения по нормам токсичности отработавших газов (ОГ) и постоянный рост мощности обусловили применение систем впрыска топлива с очень высоким рабочим давлением. Растущие ограничения содержания вредных веществ в ОГ требуют от разработчиков дизелей дальнейшего совершенствования конструкции, поэтому в будущем, особенно в области нейтрализации ОГ, следует ожидать новых изменений.

Тяжелые грузовые автомобили


Для тяжелых грузовых автомобилей прежде всего важна экономичность, поэтому здесь необходимо применять только дизели с системой непосредственного впрыска топлива (рис. 2). Частота вращения коленчатого вала этих двигателей достигает величины 3500 мин Ограничения норм токсичности ОГ для грузовых автомобилей также становятся все более жесткими. Это означает как высокие требования к существующим системам впрыска, так и необходимость разработки новых систем очистки и нейтрализации ОГ.

boschdiesel 2

Рис.2
1. Генератор
2. Форсунка
3. Аккумулятор топлива
4. ТНВД

Строительная и сельскохозяйственная техника


В области строительных и сельскохозяйственных машин дизель давно нашел многообразное применение. При определении параметров этих моторов, кроме особенно высокого значения экономичности, разработчики обращают внимание на прочность, надежность и удобство обслуживания. Максимальная мощность и оптимизация шума здесь имеют меньшее значение, чем, например, на легковых автомобилях. На строительной и сельскохозяйственной технике используются дизели самой разнообразной мощности — от 3 кВт до величин, превышающих значения, характерные для тяжелых грузовых автомобилей. В строительных и сельскохозяйственных во многих случаях еще
применяются системы впрыска с механическим регулятором. В отличие от других областей, где используются преимущественно двигатели жидкостного охлаждения, здесь широко распространена надежная и простая в эксплуатации система воздушного охлаждения.

Тепловозы


Двигатели тепловозов конструктивно похожи на более крупные корабельные дизели, что обусловлено, в частности, длительным сроком их эксплуатации. Кроме того, они должны в крайнем случае работать на дизельном топливе худшего качества. Их типоразмеры охватывают область от больших дизелей грузовых автомобилей до средних судовых силовых агрегатов.


Суда


Требования к судовым дизелям сильно различаются в зависимости от области применения. Имеются агрегаты высокой мощности, например для морских или спортивных катеров. В этом случае применяются четырехтактные среднеоборотные двигатели с частотой вращения коленчатого вала до 1500 мин имеющие до 24 цилиндров (рис. 3). С другой стороны, большие двухтактные двигатели, имеющие высокую экономичность , находят применение в условиях длительной эксплуатации.

boschdiesel 3

Рис.3
1. Нагнетатель воздуха
2. Маховик
а - мощность двигателя
b - кривая сопротивления движению
¥ - граница полной нагрузки

 


 

История дизеля

В 1892 г. Рудольф Дизель (1858-1913) начал в Аугсбурге исследовательские работы, в основе которых лежала идея создания совершенно нового двигателя с воспламенением горючей смеси от сжатия. Через пять лет упорного труда, в 1897 г.. был создан первый в мире действующий мотор такого типа, развивавший мощность 20 л. с. при 175 мин-1. Этот агрегат имел ряд преимуществ по сравнению с уже нашедшими распространение паровыми машинами и поршневыми двигателями с воспламенением смеси от искры. Он расходовал заметно меньше относительно дешевого топлива и мог развивать значительно более высокую мощность. Изобретение Дизеля было быстро внедрено на судах и стационарных силовых агрегатах. Однако чем большее распространение находил дизель, тем более высокие требования предъявлялись к небольшим быстроходным двигателям с воспламенением топлива от сжатия. Самую большую проблему в создании высокооборотного дизеля представлял применявшийся в то время процесс подачи топлива, при котором оно вдувалось в камеру сгорания сжатым воздухом. Это ограничивало требуемое повышение частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, был необходим очень дорогой дополнительный компрессор, который не позволял уменьшить габариты и массу силового агрегата. В конце 1922 г. Роберт Бош решил заняться разработкой новой системы впрыска дизельного топлива. Уже в начале 1923 г. появилось более десяти различных проектов топливных насосов высокого давления (ТНВД). С середины 1923 г. проводились первые моторные испытания. Летом 1925 г. был наконец принят окончательный проект топливного насоса. В 1927 г. первые серийные ТНВД покинули завод в Штутгарте. Разработанная Бошем топливная аппара тура открыла перспективы широкого внедрения дизелей и позволила освоить новые области применения. В Германии, а
затем и во всем мире стали очень популярными дизельные грузовики. Первым серийным легковым автомобилем с дизелем стал Mercedesenz 260D1936 г. (2580 см1, 50 л. е.). Предвидение Рудольфа Дизеля сбылось.

boschdiesel 4

Рис. 1
Этот ТНВД был создам в 1927 г. для опытной эксплуатации легкового автомобили Stoewei. Двигатель рабочим объемом 2580 см3 развивал мощность 27 л. с. почти 20 кВт)


 

 

Эти большие низкооборотные дизели (п < 300 мин ') имеют наивысший среди поршневых двигателей эффективный коэффициент полезного действия (КПД) до 55%. В большинстве случаев они могут работать на недорогом мазуте, для чего, однако, ня борту судна требуется специальная подготовка топлива. В зависимости от качества его следует подогревать до высокой температуры (порядка 160СС). Только при таких условиях вязкость мазута уменьшается до значений, которые обеспечивают необходимую работу фильтров и насосов. На судах среднего водоизмещения часто применяются двигатели, которые, собственно, создавались для тяжелых грузовых автомобилей. В результате получается экономичный силовой агрегат, не требующий дополнительных затрат на разработку. При этом регулировки и настройки топливного оборудования должны быть изменены в соответствии с новыми условиями эксплуатации.

Многотопливные дизели


Для специального применения (например, использования на местности с нестабильной поставкой топлива или в военных целях) разрабатывались дизели, способные работать как на дизельном топливе, так и на бензине либо других альтернативных заменителях. К настоящему времени такие дизели утратили свою яктуяпьногть, поскольку они совершенно не укладываются в сегодняшние требования к
эмиссии ОГ, а также не отличаются совершенными мощностными характеристиками.

Сравнительные параметры


Таблица 1 позволяет сравнить важнейшие параметры различных дизелей и бензиновых двигателей. У последних, оснащенных системами
непосредственного впрыска топлива, среднее эффективное давление примерно на 10% больше, чем у приведенных в таблице двигателей со впрыском топлива во впускной трубопровод. При этом удельный расход горючего уменьшается на 25%. Степень сжатия у этих двигателей
доходит до е=13.

boschdiesel 5

 


 

Авиационные дизельные двигатели 20 х - 30 х годов

В 20-е — 30-е годы прошлого вена предпринималось множество попыток адаптировать двух- и четырехтактные дизели для применения в авиации. Преимуществами дизелей наряду со сравнительно небольшим расходом топлива и низкой его стоимостью считались также меньшая пожароопасность и упрощенное обслуживание, связанное с отсутствием карбюраторов и системы зажигания. Применение воспламенения топлива от сжатия позволяло ожидать меньшую потерю мощности двигателя на больших высотах. При использовании бензиновых двигателей существовала опасность возникновения перебоев в искрообразовании. Основные проблемы при разработке авиационного дизеля заключались в его высокой механической и тепловой нагруженности, а также в сложности достижения стабильного качества горючей
смеси на разных высотах. Самым удачным оказался авиационный двухтактный шестицилиндровый дизель Junkers Jumo 205 с противоположно движущимися поршнями (см. рис.). После своего первого появления в 1933 г. он устанавливался на многих самолетах. Этот дизель, развивая взлетную мощность 645 кВт (880 л. е.), чаще всего применялся для перелетов на большие расстояния, например в Трансатлантической почтовой службе. Всего было изготовлено около 900 экземпляров этого надежного двигателя. Система впрыска Jumo 205 для каждого цилиндра состояла из 2 секций топнового мотора с непосредственным впрыском топлива. На основе Jumo 205 в 1939 г. был создан двигатель Jumo 207 той же взлетной мощности, предназначенный для полетов на больших высотах. Благодаря турбонаддуву  самолеты с этими моторами достигали высот до 14 ООО м. Вершиной технического развития авиационных дизелей стал созданный в начале
40-х годов экспериментальный 24-цилиндровый двигатель Jumo 224 с противоположно движущимися поршнями, развивавший взлетную мощность 3330 кВт (4400 л. е.). В этом Х-образном двигателе блоки цилиндров были расположены в форме креста, а поршни действовали на
четыре коленчатых вала. Другие производители также создали ряд авиационных дизелей, которые, однако, так и не вышли из экспериментальной стадии. Позже интерес к авиационным дизелям уменьшился из-за совершенствования бензиновых двигателей высокой мощности с системами впрыска бензина.

boschdiesel 6