27.12.2006 Дизельный двигатель | |
| Одним из основных способов оценки эффективности работы любого двигателя, в том числе теплового, является его коэффициент полезного действия (КПД). Он показывает, какое количество энергии, выделившейся при сгорании топлива, превращается в полезную работу, а какое теряется на прочие преобразования (например – выделение тепла). Чем выше КПД, тем лучше. Во всех тепловых двигателях, не расчетных, а существующих в реальной жизни, эти потери очень велики – более шестидесяти процентов энергии сгорания не выполняет полезной работы, фактически растрачивается попусту. Каковы причины этих потерь? Виновата ли в этом конструкция современных двигателей или КПД теплового двигателя не может достигнуть более высокого значения из-за принципов заложенных в него изначально, физических ограничений? Вплотную этим вопросом начал заниматься французский инженер Карно. В книге «Размышление о движущей силе огня», вышедшей в 1824 году, он поставил перед собой задачу выяснить, каким образом протекают процессы в идеальном тепловом двигателе, рассчитать теоретически предел КПД для теплового двигателя. Путем теоретический изысканий он вывел понятие кругового процесса в работе всех тепловых двигателей (сегодня этот процесс называют «циклом Карно»), при котором между двумя температурами T1 и T2 рабочего тела двигателя (рабочее тело — газ, двигающий поршень; это пар в паровой машине или взрывчатая смесь в газовом двигателе) можно получить максимум полезной работы, а следовательно, и самый высокий КПД. Работа этого теоретического двигателя, для достижения максимальной отдачи, как доказал Карно, должна складываться из четырех циклов. Первый цикл – к рабочему телу подводится тепло Q1 от верхнего уровня T1, при постоянной температуре этого уровня (на этом цикле рабочее тело расширяется, сохраняя постоянную температуру, что и достигается за счет нагревания тела). Во время второго цикла происходит расширение рабочего тела, но уже без подвода тепла, пока температура его не опустится до нижнего уровня T2. Третий цикл – рабочее тело сжимается при постоянной температуре T2 (для этого необходим постоянный отвод тепла Q2). На четвертом этапе рабочее тело сжималось без отвода тепла до тех пор, пока его температура не поднимется вновь до T1. При соблюдении условий, КПД двигателя определялся формулой 100•(1 — T2/T1), теоретически достигая 70-80%. На протяжении всего XIX века расчеты Карно привлекали воображение исследователей, пытающихся приблизить реальные показатели к теоретическому двигателю, работающему по «циклу Карно» и получить максимально возможный КПД. Но на практике КПД паровой машины мощностью в 100 л.с. не превышал 13%, а для маломощных двигателей он составлял менее 10%. КПД бензиновых и газовых двигателей был выше в два раза, но это только 22–24%, из возможных теоретически 70-80%. Выйти из тупика пытались многие, в их числе, в начале 90-х годов, над поиском решения начал работать молодой немецкий инженер Рудольф Дизель. Этим вопросом Дизель начал заниматься, еще будучи студентом, он поставил перед собой цель разработать двигатель максимально приближенный к «циклу Карно», для достижения КПД превышающего КПД бензинового, и превосходящего существующие типы двигателей как по мощности, так и по экономичности. Работа над проектом заняла несколько лет. Принцип идеи Дизеля заключался в следующем: на первом этапе поршень сжимал воздух в цилиндре до высокого давления, что приводит к повышению температуры в цилиндре до температуры воспламенения горючего (четвертый цикл Карно — сжатие без отвода тепла). Таким образом, в цилиндре достигалось давление порядка 90 атмосфер и температура около 900 градусов. Горючее поступает в цилиндр в конце цикла сжатия и воспламеняется от температуры внутри цилиндра (от сжатия) без внешнего зажигания. Нагнетание горючего производится равномерно, так что часть обратного движения поршня и расширение газов происходили при постоянной температуре, (это соответствует первому «циклу Карно»). Далее поршень движется под влиянием высокого давления, без горения топлива (второй «цикл Карно»). Третий цикл - выхлоп и всасывание свежей порции атмосферного воздуха. Затем повторение циклов. Благодаря такому устройству, теоретически максимально приближенному к «Циклу Карно», Дизель рассчитывал на повышение КПД своего мотора до 73%. В качестве топлива планировалось применить пары аммиака, затем угольный порошок. В 1892 году Дизель патентует принцип работы двигателя, а в 1893 году выпускает брошюру «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» с описанием разработанных принципов и своими математическими выкладками. Брошюра вызвала интерес, но в основном теоретического плана, большинство инженеров считало идею Дизеля невозможной для практической реализации. Авторитетный специалист по газовым двигателям того времени Келер предупреждал о невозможности получения такого высокого КПД, из-за высоких потерь мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по «циклу Карно» вся полезная работа будет расходоваться на поддержание собственного движения. Но Дизель начал предлагать свою модель различным немецким фирмам, рассчитывая получить возможность реализации теории на практике. Решение поддержать Дизеля приняла фирма Круппа в Эссене, согласившись финансировать расходы, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец. Первый двигатель, изготовленный в июле 1893, был одноцилиндровым. Проектное сжатие в цилиндре должно было достигать 90 атмосфер, температура перед началом впрыска горючего — 900 градусов. По расчетам температура не должна была значительно превышать этот предел, поэтому система охлаждения мотора не предусматривалось. Компрессор также не планировался — угольный порошок рассчитывали вдувать насосом. Но еще на стадии сборки, Дизель, проверив свои расчеты, убедился, что, как и предсказывал Келлер, из-за затрат мощности двигателя на сжатие воздуха терялся весь выигрыш в КПД за счет работы по «циклу Карно». Пришлось вносить изменения прямо в процессе работы. Для снижения потерь мощности на сжатие, Дизель принимает решение уменьшить давление в цилиндре до 35–40 атмосфер. Но температура сжатого воздуха вместо 900 градусов оказывалась 600. Этого было недостаточно, разность температур по формуле Карно оказывалась слишком незначительной для получения высокого КПД. Для повышения мощности, Дизелю отказывается от второго момента своей конструкции — расширения рабочего тела при постоянной температуре. Он рассчитал, что температура при сгорании топлива должна доходить до 1500 градусов. Что требует интенсивного охлаждения мотора и более калорийного горючего. Дизелю приходится обратиться к жидкому топливу. Но при попытке впрыснуть в цилиндр бензин, произошел взрыв, едва не ставший трагичным для изобретателя. Взрыв привел к подтверждению выводов Дизеля о возможности воспламенения топлива за счет сжатия, без применения системы зажигания и доказал повышение КПД от сжатия топливной смеси. Поэтому, не смотря на значительную доработку, испытание можно было считать успешным, Дизель получил возможность продолжать свои эксперименты. Что дало возможность в июне 1894 году построить второй двигатель, для которого Дизель разработал форсунку, управлявшую впрыском топлива. Эта модель доводила давление в цилиндре до 35–40 атм, а температуру в конце сжатия — до 500–600 градусов. Модель двигателя оказалась действующей, мотор удалось запустить, он мог работать на холостом ходу с частотой до 80 оборотов в минуту. Идея Дизеля оказалась жизнеспособной. В 1895 году был построен третий образец, он мог выполнять работу, правда, с небольшой нагрузкой. Здесь уже был использован компрессор. Испытания показали необходимость использования системы интенсивного охлаждения, иначе цилиндр попросту заклинивало. Только после доработки охлаждения, модель, построенная в 1896 году, принесла успех. Испытания с нагрузкой показали КПД мотора в 36%, при расходе топлива около 200 г на лошадиную силу в час. Конечно, эти показатели далеки от параметров «идеального двигателя», они все же были блестящими: КПД нового двигателя оказался на 10–12% выше, чем у бензиновых двигателей того времени, не говоря о прочих типах, а по своей экономичности он превосходил бензиновый почти в два раза. Не смотря на то, что Дизелю не удалось выйти на расчетные показатели, созданный им двигатель имел огромное значение — была разработана принципиально новая конструкция двигателя внутреннего сгорания, которая держит лидерство, как по КПД, так и по экономической эффективности, на протяжении последних ста лет. Работа мотора происходила таким образом: при первом ходе поршня, за счет энергии маховика, запасенной за предыдущую работу машины, воздух всасывается внутрь цилиндра; во время второго хода, по-прежнему за счет энергии маховика, воздух в цилиндре сжимается до 35 атмосфер, при этом тепло, выделяющееся при сжатии, воспламеняет горючее, в начале третьего хода при помощи насоса подается керосин; это впрыскивание длится незначительную часть хода, в течение остальной части хода газовая масса расширяется, сообщая поршню рабочую силу, передающуюся через шатун коленчатому валу двигателя; при четвертом ходе продукты сгорания выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу. Двигатель был снабжен компрессором, который сгущал воздух в резервуаре при давлении, превышающем самое высокое давление в цилиндре. Затем из резервуара, воздух, через трубку маленького диаметра, направлялся в маленькую камеру форсунки (аппарата для распыления подаваемого горючего) одновременно происходила подача керосина. Эта камера сообщается с цилиндром при помощи отверстия, запираемого иглой: игла, приподнимаясь, дает доступ керосину в цилиндр, благодаря давлению в камере. Горение в цилиндре регулируется либо изменением продолжительности впуска горючего, либо изменением давления в компрессоре, в зависимости от необходимой силы двигателя. Сжатый воздух также использовался для начального пуска двигателя из холодного состояния. Сверху был размещен распределительный вал с пятью кулачками - один для управления клапаном впуска воздуха, другой — клапаном впуска керосина, третий — клапаном выпуска продуктов сгорания. Оставшиеся кулачки управляли клапанами, для впуска сжатого воздуха в цилиндр при первоначальном (холодном) пуске двигателя. Первые успешные испытания нового двигателя произвели фурор среди инженеров. С этого времени двигатель Дизеля очень быстро начал получать промышленное применение. Многие фирмы, которые раньше не были заинтересованы в предложении Дизеля, покупали у него право строить изобретенные им моторы, и это теперь обходилось им недешево (Эммануил Нобель, за возможность производства дизелей, заплатил около 500 тысяч долларов). В 1898 году Дизель стал миллионером. Первые серийные двигатели, все же были неудовлетворительными, капризными и часто выходили из строя. Выпуск двигателей такого типа требовал развитой промышленности и качественного металла, что было не под силу многим заводам с устаревшим оборудованием. Дизелю пришлось потратить много сил для доведения до совершенства производственного процесса изготовления дизелей — он разработал новые станки, составы сплавов, описал технологию процесса. Это заняло несколько лет, в течение которых он перемещался по Европе и Америке, посещая заводы, выпускавшие его моторы. К началу XX века основные технологические трудности были преодолены, дизели стали постепенно расширять сферу применения в промышленности и транспорте. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже двигатели Дизеля получили гран-при. На престиж новых моторов значительно повлияло и известие о том, что завод Нобеля в России смог выпустить двигатели Дизеля, с хорошими характеристиками, работающие на сырой нефти. |
|
| предыдущая новость |
История |
архив | следующая новость |
