Дизельні двигуни

Дизельные двигатели
Дизельні двигуни
Історія двигунів із запалюванням від стиснення, почалася в кінці 19 століття. Саме тоді, Рудольф Дизель загорівся ідеєю створення ефективного двигуна, коефіцієнт корисної дії якого зміг би перевищити 10-12%, тобто показник парових машин.
З конструкцією і принципом роботи майбутнього мотора Дизель визначився досить швидко: це двигун внутрішнього згоряння з запалюванням палива від високої температури стисливого газу. Однак у процесі створення робочого примірника виникли труднощі: високий тиск і температура в камері згоряння двигуна приводили до прогоряння поршнів, поломок газорозподільного механізму, а іноді і до вибухів. У підсумку на доопрацювання і надання агрегату достатньої надійності пішло кілька років. Але 1897 році мета нарешті була досягнута: величезний п'ятитонний двигун, розвивав 20лс при 173об/хв і мав ККД в 26%. Навіть перспективний двигун Отто з примусовим запалюванням забезпечував всього 20%!
Чому ж дизельні двигуни вийшли настільки економічніше? У цього є дві основні причини.
Перша полягає у більш високому ступені стиснення дизельних двигунів: від 13 до 25 проти 12 у кращих бензинових представників. Ці цифри не варто недооцінювати, адже від них залежить ККД мотора: чим вони вище, тим більшою мірою розширюються розпечені відпрацьовані гази, і, відповідно, тим повніше їх теплова енергія перетворюється в механічну. Тому, якщо порівнювати сучасні дизельні та бензинові мотори, то перші здатні засвоїти 38-50% відсотків теплоти, що виділилася при згорянні палива, а другі – лише 25-38%.
Виникає резонне питання: а що ж заважає підняти ступінь стиснення бензинових моторів? Заважає детонація, тобто мимовільне займання паливно-повітряної суміші від сильного нагрівання при надмірно великому стисненні. При цьому мало того, що згоряння відбувається не в той момент, коли потрібно, так ще воно супроводжується надзвичайно різким наростанням тиску в циліндрі, що призводить до стуку, перегріву і високої токсичності вихлопу.
Чи То справа дизель, в якому підняття ступеня стиснення лише збільшує надійність займання уприскуваного палива: адже чим буде гаряче повітря в циліндрі – тим швидше воно випарується і тим швидше почнеться процес згоряння. Хоча, звичайно, межі досконалості є і тут. Тільки обумовлені вони вже вимогами до чистоти відпрацьованих газів, та механічною міцністю елементів двигуна.
Але крім ступеня стиснення є й друга не менш важлива обставина – це низький опір впускної системи дизеля. Адже, на відміну від бензинового мотора, йому не потрібно "перекривати кисень" дросельною заслінкою - управління потужністю в дизелі здійснюється простим дозуванням уприскуваного пального: потрібна велика віддача – подаємо більше палива. А вже наскільки надмірна кількість повітря у циліндрі – справа десята, головне щоб його вистачало для окислення.
З бензиновим же мотором такий трюк не пройде: якщо повітря виявиться занадто багато, то є концентрація пари бензину в ньому буде дуже низькою, то від іскри суміш просто не спалахне. З-за цього і доводиться ставити на впуску заслінку, що регулює витрату повітря, і, опосередковано, кількість подаваного палива. А тому, при невеликих навантаженнях, наприклад, в штовханині пробок, бензинові автомобілі витрачають сили на всмоктування повітря крізь ледь прочинені дросельну заслінку, створюючи величезну розрідження у впускному колекторі. "Дихання" дизеля завжди вільно!
Вплив цього фактора на загальну економічність оцінити легко. Порівняємо цифри витрати дизельних і бензинових моторів одного обсягу. Наприклад, BMW 320d і 320i. У міському циклі, коли навантаження на двигун невелика, дизель економічніше майже в два рази: 6.8 л/100км проти 11,3 л/100км! Не дивно, адже на його боці і висока ступінь стиснення, і низькі втрати у впускний системі. А ось в заміському режимі на швидкості, коли навантаження на мотор побільше, дросельна заслінка відкрита сильніше, і бензиновому двигуну стає легше дихати, у дизеля залишається тільки один козир – ступінь стиснення. В результаті і тане його перевага у витраті палива: лише 4.7 л/100км проти 5,9 л/100км.
Втім, на початку 20 століття всі ці тонкощі не особливо хвилювали автовиробників. Нафта коштувала дешево, і від двигуна потрібна простота конструкції і виготовлення, а не чудеса економічності. І, звичайно, дизелі з їх складними механізмами подачі палива припали не до двору. Правда, завдяки великому ресурсу і невибагливість до якості пального ці мотори все ж знайшли застосування в сільській техніці, вантажному автотранспорті. Згодилися вони і військовим – адже баки з соляркою не так пожежонебезпечні, як плещущийся за спиною бензин, готовий вибухнути від будь-якої іскри. Перший легковий автомобіль на важкому паливі – Mercedes-Benz 260D - з'явився лише в 1936 році, а до 1970-ому загальне число випущених дизельних легковиків ледь перевищила 100 тисяч.
Загалом, так би і припадав пилом цей двигун на задвірках автомобілебудування, якщо б не підскочили в 70-их роках ціни на нафту. І тоді на шляху масової дизелизации залишилася тільки одна перешкода – низька потужність дизельних моторів. А від цього, як відомо, існують два засоби: розширення діапазону допустимих обертів колінчастого валу і збільшення розвиваючого крутного моменту.
Але перший варіант виявляється неефективним – високі обороти лише поглиблюють і без того нагальну для дизеля проблему нестачі часу на сумішоутворення. Адже щоб паливо активно випаровувалося, воно повинно впорскуватися при температурі повітря в циліндрі не менш 500C, тобто майже в кінці такту стиснення. При 5000об/хв це означає, що на випаровування розпорошених частинок палива і подальшу хімічну підготовку до займання відводиться не більше однієї тисячної секунди!
Не терпить суєти і процес згорання: за різким початковим сплеском слід розтягнутий період догорання, що триває вже на такті розширення. Зрозуміло, квапити мотор в таких умовах - це в буквальному сенсі слова викидати пальне в трубу.
Тому зробити дизель могутніше можна тільки за рахунок збільшення крутного моменту. А для цього потрібно розвинути якомога більший тиск в циліндрах, тобто спалювати більше палива. Але знову невдача: приготована наспіх горюча суміш дизеля відрізняється значною нерівномірністю розподілу палива по об'єму. З-за цього під час згоряння суміші може виникати локальна нестача повітря, в результаті якої частина палива згоряє, а розкладається під впливом високої температури.
Доводилося бачити, як дизельні автомобілі димлять під навантаженням? Та сажа, що вони викидають і є продукт крекінгу, тобто розкладання незгорілого палива. Але це лише візуальний ефект, а є ще й суто практичний у вигляді зниження потужності, збільшення витрати і шкідливих викидів.
Як же з цим боротися? Можна так щільно заповнювати циліндри повітрям, щоб його гарантовано вистачало для згоряння навіть у зонах максимальної концентрації палива. Однак процес розпилення пального виявився настільки недосконалий, що зрослі вимоги до кількості повітря не зміг задовольнити навіть наддув з інтеркулером, в результаті чого турбодизелі програвали в крутному моменті навіть атмосферними бензиновим моторам!
Таким чином завдання збільшення потужності дизеля природно звелася до оптимізації процесу сумішоутворення, в якому вирішальне значення має тиск уприскування. Зрозуміло, спочатку паливні насоси не могли їм похвалитися, з-за чого доводилося вдаватися до різних хитрощів, поліпшує розпорошення пального. Наприклад, скористатися завихренням стисливого повітря, як було зроблено вихорокамерних дизелях. Або поділити камеру згоряння на дві частини і використовувати для сумішоутворення енергію газу, що перетікає з однієї половини камери (передкамери, де починався процес згоряння) в іншу внаслідок попереднього згоряння частини палива.
Всі ці рішення дозволяли трохи знизити вимоги до тиску уприскування, але в той же час відрізнялися збільшеними тепловими та гідравлічними втратами внаслідок складної і великої поверхні камери згоряння. Це, звичайно, вело і до погіршення паливної економічності двигунів.
Однак на початку 90-их років з'явилися системи, що дозволили підняти тиск до 1500бар, що поклало кінець масового виробництва вихорокамерних і передкамерних дизелів, замінивши їх більш економічними двигунами з безпосереднім уприскуванням.
З цього моменту і почалася захоплююча погоня дизеля за бензиновим конкурентом. Системи живлення common rail, надшвидкі п'єзоелектричні форсунки, рекордні тиску уприскування – і через 15 років дизельні мотори зрівнялися по потужності з бензиновими! Правда, в цьому спорі дизелю дана істотна фора – турбонаддув. Але і межа вдосконалення ще не вичерпаний - на поході системи впорскування під тиском у 2000 бар, а за ними ще більш ефективні схеми. Так що можна бути впевненим – переможну ходу дизеля продовжиться.
04:11
2
RSS