Что изображено на рисунке дизельный двигатель
Перейти к содержимому

Что изображено на рисунке дизельный двигатель

  • автор:

Первый в своём роде: дизельный двигатель В-2

Т-34 был неоднозначной боевой машиной, и трудно сказать, чего в нем больше – достоинств или недостатков. А дизельный двигатель В-2, ставший в сороковые годы основным танковым мотором, представлял из себя сырой и недоработанный агрегат, доводить до ума который пришлось уже на поле боя – во время войны.

Первый в своём роде: дизельный двигатель В-2

В-2 в Музее истории танка Т-34. Фото: Vitaly V. Kuzmin www.vitalykuzmin.net

Всеобщая дизелизация вопреки всему

Почему именно дизельный двигатель приняли в качестве единственного варианта для таких танков, как Т-34 и КВ? Так сложились обстоятельства: в Советском Союзе в начале 30-х годов не хватало нефтеперерабатывающих мощностей, чтобы получать легкие фракции нефти. А любой танк потребляет несколько десятков литров топлива на 100 км пути. Гораздо разумнее в этой ситуации заливать в топливные баки дешевую солярку. Аналогов в мировом танкостроении этому не было – никто ранее не разрабатывал столь мощный дизельный мотор для средних и тяжелых танков. Первые в мире дизельные моторы на танках появились в Японии и Польше, но это были легкие машины, и мощность силовых установок не превышала 120 л. с.

Вторым и, может, самым весомым преимуществом мотора на солярке стала его экономичность – при всех прочих равных дизель расходует на 30 % меньше топлива, чем бензиновый аналог. А это большая автономность на марше, в бою и возможность устанавливать на машины менее объемные топливные баки. Третьим преимуществом стало то, что в таких двигателях нет свечей электроискрового зажигания и, соответственно, высоковольтная проводка, что снижает уровень радиопомех от работающего мотора. Востребованной среди военных оказалась и меньшая воспламеняемость дизельного топлива в отличие от бензина.

Однако на этом все преимущества дизеля заканчиваются, и появляется целый букет сложностей и недостатков. Во-первых, дизельный мотор гораздо сложнее по конструкции и дороже в производстве. Чтобы его создать, нужны высоколегированные сплавы, выдерживающие ударные нагрузки работающего дизеля. К примеру, для отливки громоздкого блока цилиндров дизеля В-2 требовался дефицитный сплав силумин на основе алюминия, а его не хватало даже на нужды авиационной промышленности. Многие узлы двигателя требовали максимальной точности изготовления, которой было сложно добиться на предприятиях Советского Союза. Забегая вперед, стоит упомянуть, как на Челябинском тракторном заводе в 1937 году ставили в серийное производство первые гражданские модификации В-2. Долго не удавалось добиться качественного изготовления топливных форсунок, одних из важнейших элементов дизельного двигателя.

Высокие требования к производству дизельных двигателей В-2 и сложность конструкции вкупе привели к низкой надежности серийных экземпляров. В 1940 году гарантийный срок работы дизеля в исполнении В-2-К, разработанного для тяжелых танков КВ, составлял не более 80 моточасов! В варианте для Т-34 ресурс был немногим больше – 100 моточасов. То есть после двух-трех длительных марш-бросков моторы нужно было отправлять на капитальный ремонт либо заменять новыми. Не в пользу дизельных моторов играла и их слабая устойчивость к низким температурам. Поэтому запуск мотора на Т-34 в морозный день нередко сопровождался серьезными трудностями, которых были лишены бензиновые двигатели немецкой бронетехники. Несмотря на все проблемы с освоением дизельного мотора, в начале 30-х годов в Советском Союзе приступили к масштабной программе создания танкового двигателя на тяжелом топливе.

БД-2 – быстроходный дизельный

Площадкой выбрали Харьковский паровозостроительный завод им. Коминтерна – местные инженеры уже имели опыт разработки двигателя с воспламенением топлива от сжатия. Завод изготавливал, в основном, низкооборотные стационарные и судовые дизели, но танкостроителям требовался компактный высокооборотный мотор, способный придать динамики быстроходным танкам БТ. Этим 12–14-тонным машинам остро не хватало силовых агрегатов – запасы авиационных карбюраторных «Либерти» постепенно истощались, а отечественные двигатели М-5 и М-6 требовали дефицитных запасных частей. Временный выход пытались найти в перспективных авиационных моторах М-17, но большая часть их должна была уйти на оснащение средних танков Т-28. Поэтому изначально В-2 создавался не для Т-34, а для легких и быстроходных колесно-гусеничных БТ. За основу конструкции нового дизеля взяли 4-тактный 12-цилиндровый мотор в форме буквы V, развивающий не менее 400 л. с. При этом разработчики применили модульный подход к конструированию – изначально проектировался 2-цилиндровый V-образный отсек, на котором проводились все циклы испытаний. Первый такой отсек получил имя БД-14. В дальнейшем планировалось просто «пристыковывать» отсеки друг к другу, получая дизели требуемой конфигурации. Однако основное место в моторной линейке все-таки отдавалось БД-2, впервые вставшему на испытательный стенд 28 апреля 1933 года. Это был первый настоящий прототип будущего легендарного В-2.

Ранний Р-5. На Р-5 ставили единственный авиационный вариант дизеля БД-2А. www.airwar.ru

Прототип оказался крайне ненадежным: до очередной поломки отрабатывал не более 10–15 часов. Недостатки – чрезмерный износ цилиндров и задиры поршней, слабые масляный и водяной насосы, поршневые и шатунные пальцы. Некоторые в «дефектности» В-2 винят то, что мотор изначально разрабатывался для авиации, поскольку у двигателя облегченный силуминовый блок цилиндров, сухой картер, обязательный для самолетов с их высокими перегрузками, и длинный носок коленчатого вала, рассчитанный на монтаж авиационного винта. И действительно, в декабре 1935 года создали вариант БД-2А для самолета-разведчика Р-5, но руководство посчитало, что распылять средства еще и на авиационную модификацию будет неверно. Проект закрыли, сосредоточившись на танковом БД-2, при этом сохранив в нем бонусы многоцелевого использования. Одновременно с этим в Харькове начали возводить производственные цеха для будущего мотора. А сам мотор продолжал преподносить неприятные сюрпризы. В 1936 году он не прошел обязательные 100-часовые стендовые испытания – почти все важнейшие узлы требовали значительного усиления. После доработки в 1937 году – снова провал на испытаниях. И все эти неурядицы в то время, как в Харькове уже строили завод специально под новый танковый дизель, рассчитанный на сборку восьми тысяч моторов в год. На помощь пришли инженеры-моторостроители из Москвы. Одним из них был сотрудник Центрального института авиационного моторостроения Тимофей Чупахин, сыгравший ведущую роль в совершенствовании дизеля. Он за короткий срок сумел устранить критические замечания по мотору, что позволило ему, наконец, выдержать 100 часов работы на испытательном стенде. Кстати, БД-2, именуемый внутри завода «Заказ В», в середине 1937 года получил имя В-2.

После серии конструктивных и технологических «исправлений» серийный вариант В-2 в феврале 1939 года вышел на сравнительные испытания, устроившись в моторном отделении танка БТ-7. В качестве спарринг-партнера был выбран такой же танк, но с бензиновым М-17. В итоге дизельный мотор не выработал положенный ресурс, вышел из строя, но все-таки был оценен положительно. Главным минусом, который исправили только к концу войны, стал неплотный газовый стык головки блока, через который прорывались продукты сгорания топлива. Тимофей Чупахин предлагал отложить принятие В-2 на вооружение и доработать мотор, но идею не поддержали и до конца войны боролись с этим недостатком фактически подручными средствами.

На фото Тимофей Петрович Чупахин

РВ-2 приняли на вооружение 19 декабря 1939 года по указу Совета Народных Комиссаров. Причем мотор был един в трех лицах – В-2-34 для Т-34 (мощность = 500 л. с.), В-2К для тяжелого КВ (мощность – 600 л. с.) и самый младший В-2В для трактора «Ворошиловец» (мощность – 375 л. с.). А в марте 1940 года первые образцы Т-34 с новыми дизелями совершили пробег Харьков–Москва для демонстрации танка правительству Советского Союза. Во время этого пробега конструктор Т-34 и подхватил пневмонию.

Главным производителем мотора назначили харьковский завод № 75 и сразу дали ему невыполнимый заказ – до восьми тысяч В-2 в год. Но предприятие просто не могло выпускать более ста экземпляров в месяц, а о тысячах речи и не шло. Поэтому в 1940 году план по выпуску В-2 был выполнен на 65,4 %, а по запасным частям – только на 13,3 %. В общем, новорожденный В-2 был очень далек от звания лучшего в мире танкового мотора. Главной проблемой производственников стал топливный насос высокого давления, один из ключевых узлов любого дизельного двигателя, который требовал очень высокой точности изготовления. До самого конца войны так и не удалось наладить выпуск насоса в требуемых объемах. Кроме этого, в первые полтора года производства у дизелей был очень низкий ресурс до капитального ремонта – на некоторых экземплярах он не превышал 80 моточасов. Как оказалось, проблема была в крайне неэффективной системе воздухоочистки, пропускающей в камеры сгорания слишком много пыли и мелкого песка. Неудивительно, что у танкового дизеля со временем появился конкурент.

Памятник советскому колесно-гусеничному танку БТ-7 в Хабаровске. Фото: Andshel, www.ru.wikipedia.org

На Сталинградском тракторном заводе в августе 1940 года предложили альтернативную конструкцию мотора, которая, по их мнению, выгодно отличалась от харьковского творения. Инженеры обещали в короткий срок разработать танковый 550-сильный дизель 2МБ-16, блок цилиндров которого отливался из доступного чугуна, а моторесурс превышал очень высокие для своего времени 500 моточасов. Примечательно, что у этого V-образного мотора было сразу 16 цилиндров. Наркомат даже разместил заказ на опытную партию из пяти экземпляров сталинградского дизеля, но к 1 марта 1941 года ничего сделало не было. В итоге завод в Сталинграде стал очередной площадкой для производства В-2 – страна готовилась к войне, в которой танковые моторы были нужны как воздух.

Установка дизельных двигателей В-2 в танки на конвейере Уральского танкового завода № 183 в Нижнем Тагиле, 1942 г. www.army.lv

Испытание огнем

Основной ошибкой руководства перед войной было распыление ресурсов на разработку новых вариаций дизеля В-2. Вместо того чтобы дорабатывать откровенно сырую конструкцию базового мотора, от харьковчан требовали дизель для легкого танка Т-50, мощный В-7 для танка КВ-3, а в августе 1941 года должен был появиться серийный дизель на 850 л. с. Начало Великой Отечественной войны не позволило реализовать эти планы и поставило производство В-2 на грань катастрофы. Харьковский завод № 75, единственный на то время полноценно освоивший выпуск танковых дизелей, пришлось экстренно эвакуировать на Сталинградский тракторный завод. Военное положение заставило забросить все альтернативные версии танковых дизелей и сосредоточиться на производстве только В-2.

В годы войны производством танкового дизеля были заняты четыре завода: Кировский в Челябинске, Сталинградский тракторный завод, Свердловский № 76 и Барнаульский завод № 77. Первые же месяцы войны показали, что мощности «тяжелого» В-2К для танков серии КВ недостаточно. Решение виделось в увеличении частоты вращения коленчатого вала, но стендовые испытания закончились поломкой кривошипно-шатунного механизма. Обошлись настройкой топливного насоса, то есть увеличили объемы топлива, подающегося в цилиндры. Серийные В-2 для Т-34 в ходе войны подвергались многочисленным доработкам, в основном направленным на увеличение ресурса мотора. В очередной раз уплотняли злосчастный газовый стык, улучшали масляный насос, устраняли причины поломок шатунов, бесконечно совершенствовали топливный насос. Кроме этого, на заводах постоянно искали новые способы упрощения и удешевления сборки моторов В-2. Например, в августе 1941 года вышло распоряжение Совета Народных Комиссаров, предписывающее заменить по возможности все узлы из алюминиевых сплавов на чугунные.

Двигатель В-2-34. Фото: Balcer www.ru.wikipedia.org

В ходе эвакуации ценных специалистов стало намного меньше. Нередко за станки становились вчерашние школьники и малограмотные крестьяне, имеющие очень отдаленное представление о моторостроении. О том, как сложно шло освоение производства В-2 на новых предприятиях, говорят цифры трудозатрат на сборку одного мотора. В 1942 году на челябинском Кировском заводе на это тратили 1800 часов, на свердловском № 76 – все 2700 часов, притом что в довоенном Харькове В-2 собирали всего за 600 часов. Все вышесказанное не могло не сказаться на качестве производимых В-2. Нарком Вячеслав Малышев летом 1943 года указывал на массу технологического брака в готовой продукции: течи масла, грязное топливо в баках, неквалифицированная настройка топливных насосов, низкий ресурс большинства узлов и многое другое. Только к концу войны на предприятиях-производителях дизеля удалось повысить гарантийный срок работы В-2-34 до 250 моточасов, а В-2К – до 200. Это было в 2,5 раза больше, чем в предвоенный период.

Такой ресурс не везде был правилом – в первом квартале 1945 года на свердловском и барнаульском заводах гарантийные испытания смогли пройти только два мотора из трех. Однако это не означает, что львиная доля В-2 шла на фронт в дефектном состоянии. В строевых частях моторы танков и самоходных орудий нередко от рабатывали 150 и даже 200 % своего ресурса, пробегая по 400–900 км без поломок по вине завода-изготовителя. Все дело было в неравномерном качестве выпускаемых промышленностью дизельных двигателей: если везло, то мотор просто пел, в противном случае машины вставали на ремонт.

На базе В-2 «Барнаултрансмаш» создал двигатели Д6 и Д12 для речных судов, в том числе для речного трамвая «Москвич», www.topwar.ru

История В-2 была бы неполной без рассказа об испытаниях, которые ждали мотор в США в 1942 году. Тогда Советский Союз отправил заокеанским партнерам для изучения и сравнения Т-34 и КВ-1. На Абердинском полигоне американские военные провели полный цикл сравнительных испытаний, которые оказались для В-2 фатальными. Подвели воздухоочиститель дизеля, не справившийся с пылью штатовского полигона, а также слабая система охлаждения, постоянно провоцирующая перегрев мотора. На Т-34 дизельный мотор вышел из строя после 317-километрового пробега, отработав всего 72,5 часа! Именно на такой технике встретили Великую Отечественную войну наши танкисты и воевали на ней первые годы.

Всего с 1941 по 1945 год на предприятиях военно-промышленного комплекса СССР было собрано без малого 80 тыс. дизелей В-2. Такой колоссальный объем производства объясняет все проблемы танкового мотора – погоня за количеством всегда отодвигала на второй план качество изготовления. Тем не менее, опыт производства В-2 для Советского Союза был решающим и позволил после войны поставить на конвейер множество модификаций для судов, тепловозов, тяжелых грузовиков и тракторов. Потенциал, заложенный в конструкции В-2, позволил создать на его базе целое семейство послевоенных дизелей, которыми оснащались танки из Нижнего Тагила. Даже широко разрекламированный Т-90 оснащается мотором В-92, являющимся по сути лишь глубокой модернизацией легендарного В-2.

Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)

Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС)

ИА Neftegaz.RU. Первые судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) появились в начале 20-го века. Датское судно Зеландия, построенное в 1912 г, имело дизельную установку с 2-мя дизелями мощностью по 147,2 кВт.

В настоящее время основную часть устанавливаемых на судах главных энергетических установок составляют ДВС.

Паротурбинные установки имеют только суда с мощностью двигателей от 14700 до 22 100 кВт, и, конечно, атомоходы — суда с ядерной парогенераторной установкой.

Дизельная энергетическая установка состоит из 1-го или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов.

В зависимости от способа осуществления рабочего цикла ДВС разделяют на 4-тактные и 2-тактные.

Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува.

По частоте вращения ДВС разделяются на:

  • малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 об/мин, которые непосредственно приводят в движение судовой движитель;
  • среднеоборотные — 300-600 об/мин, которые приводят в движение судовой движитель через редуктор.

В 60-х гг одновременно с появлением винтов регулируемого шага начали в качестве главного двигателя применять нереверсивные ДВС вначале на малых судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших торговых судах. За счет этого конструкция двигателей упростилась.

Машинное отделение (дизель со вспомогательными механизмами).

Судовая энергетическая установка с ДВС изображена на рисунке.

Кроме главного двигателя предусмотрены еще 2 вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы.

Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов.

Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю.

При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и освобождается в сепараторах и фильтрах от жидких и твердых примесей.

Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла.

Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла.

Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды и охладителей воды и масла.

Пусковая установка, включающая в себя компрессоры, резервуары сжатого воздуха, а также трубопроводы и клапаны, служит для пуска главного и вспомогательных двигателей.

Наряду с указанными выше вспомогательными системами главного и вспомогательных двигателей в машинном отделении находятся и другие судовые механизмы общего назначения.

Принцип действия 4-тактного ДВС показан на рисунке ниже.

В 4-тактном двигателе рабочий цикл осуществляется за 2 поворота коленчатого вала, т. е. за 4 хода поршня.

Механическая работа совершается только за время 1-го такта, 3 остальных служат для подготовки.

При 1-м такте поршень движется в направлении коленчатого вала.

Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр.

В дизеле без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизеле с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время 2-го такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление.

Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива.

При достижении давления 19,62-39,24 МПа топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр, в котором у дизелей без наддува давление сжатого воздуха составляет 2,94-3,43 МПа и температура 550-600°С, а у дизелей с наддувом соответственно 3,92-4,91 МПа и 600-700°С.

Принцип действия 4-тактного дизеля.

Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения.

Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. 3-й такт является рабочим.

Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем в дизелях без наддува от 4,41 до 5,4 МПа, а в дизелях с наддувом — от 5,89 до 7,85 МПа.

Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу.

Во время 4-го такта открывается выпускной клапан и отработавшие газы выходят наружу.

4-тактные судовые ДВС изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.

Принцип действия 2-тактного дизеля.

В рабочий цикл 2-тактного дизеля входят 2 такта, или 1 оборот коленчатого вала.

1-й такт, называемый сжатием, начинается, когда поршень находится в нижнем положении.

Впускные окна в боковых стенках цилиндра открыты. Через эти окна проходит предварительно сжатый продувочный воздух, давление которого должно быть выше давления находящихся в цилиндре расширившихся газов. Одновременно продувочный воздух через открытый выпускной клапан вытесняет отработавшие газы из цилиндра и наполняет цилиндр новой дозой. Когда впускные окна закрываются поршнем, к цилиндру воздух не подводится. Так как одновременно закрывается и выпускной клапан, воздух в цилиндре сжимается. Этот процесс не показан на рисунке.

Впрыскивание топлива и воспламенение происходит точно так же, как и в 4-тактном ДВС.

Во время 2-го такта — рабочего (или расширения) — расширяющиеся газы совершают механическую работу.

В конце этого такта впускные окна открываются поршнем и процесс продувки цилиндра начинается снова.

Отработавшие газы могут выйти из цилиндра через внешний клапан, либо через управляемые поршнем выпускные окна.

Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, чем требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания.

Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за 1 рабочий цикл.

Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров (диаметра, хода и числа цилиндров), а также частоты вращения.

Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром.

Во всех выпускаемых 4-тактных судовых ДВС предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.

Принцип действия газотурбинного нагнетателя.
1 — турбина, работающая на отработавших газах; 2 — отработавшие газы; 3 — свежий воздух; 4 — компрессор; 5 — коленчатый вал; 6 — цилиндр; 7 — поршень.

Принцип действия компрессора показан на рисунке выше. Поступивший из компрессора воздух проходит через фильтры. После открытия впускного клапана сжатый воздух подается через воздушный коллектор к соответствующим цилиндрам.

В двухтактных дизелях предварительное сжатие воздуха происходит в центробежных компрессорах, в пространстве под поршнем, а также в поршневых компрессорах, приводимых в действие двигателем. Давление наддувочного воздуха достигает 0,14-0,25 МПа. На рисунке ниже показан в разрезе главный малооборотный дизель с наддувом.

Принцип действия малооборотного двухтактного дизеля: а — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра; b — одновременно происходит сжатие и всасывание; с — рабочий такт и предварительное сжатие; d — предварительно сжатый воздух вытесняет отработавшие газы из цилиндра двигателя без выходного клапана.

2-тактные дизели изготовляют в виде многоцилиндровых рядных двигателей с 10-12 цилиндрами.

Диаметр цилиндров больших 2-тактных дизелей достигает 1000 мм, ход — 1500-2000 мм.

Мощность цилиндра при общей мощности двигателя более 29 440 кВт составляет от 2900 до 3700 кВт.

В связи с этим ДВС можно использовать в качестве главных двигателей и на крупных судах.

2-тактные дизели имеют очень большие размеры и массу.

Их удельная масса достигает 40-55 кг/кВт. При мощности, например 14 720 кВт, масса составляет 600-800 т.

4-тактный дизель (рядный двигатель).
1 — наддувочный агрегат; 2 — охладитель наддувочного воздуха; 3 — трубопровод отработавших газов; 4 — трубопровод наддувочного воздуха; 5 — трубопровод охлаждающей воды; 6 — масляный трубопровод; 7 — топливный трубопровод; в — распределительный вал; 9 — приводное колесо; 10 — промежуточные шестерни; 11 — приводное колесо коленчатого вала; 12 — коленчатый вал; 13 — шатун; 14 — поршень; 15 — цилиндровая гильза; 16 — камера охлаждающей воды; 17 — крышка цилиндра; 18 — выпускной клапан; 19 — впускной клапан; 20 — топливный клапан; 21 — штанга; 22 — топливный насос; 23 — маслораэбрызгивающее кольцо; 24 — масляная ванна картера; 25 — станина двигателя; 26 — блок цилиндров.

Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных энергетических установках (по одному дизелю на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизелей в качестве главного двигателя дает следующие преимущества:

— увеличение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);

— уменьшение габаритов и собственной массы деталей (например, клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);

— уменьшение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).

Среднеоборотные дизели используются также в дизель-электрических энергетических установках в качестве главного двигателя.

4-тактный дизель V-образной конструкции.
1 — поршень; 2 — цилиндровая гильза; 3 — коленчатый вал.

Дизельный двигатель: как он устроен, его плюсы и минусы

Фото: Shutterstock

Почему дизельные двигатели стали столь популярными, особенно в Европе, а потом резко впали в немилость? Какие у них главные преимущества и недостатки? Разбираемся во всех подробностях и отвечаем на основные вопросы, возникающие при выборе между бензиновыми и дизельными ДВС.

Что такое дизельный двигатель

Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого топливо воспламеняется при взаимодействии с воздухом, нагретым в результате сжатия. Назван этот тип мотора в честь своего создателя: немецкого инженера Рудольфа Дизеля, который получил на него патент в 1892 году (а первый образец, пригодный к практическому использованию, появился в 1897 году). По сравнению с паровыми двигателями того времени, дизельный был больше и тяжелее, но зато имел более высокий КПД.

Чем дизельный двигатель отличается от бензинового

И в бензиновом моторе, и в дизельном, происходит примерно следующее. Внутри цилиндра сгорает топливо, образующиеся при этом газы толкают поршень, который через специальный механизм крутит коленвал. Чтобы горение было возможным, в цилиндр подается не только топливо, но и воздух.

В бензиновом двигателе горючее в нужный момент поджигается искрой. А вот в дизеле никаких искр нет — солярка воспламеняется за счет высокой температуры, которая получается при сильном сжатии воздуха в цилиндре. Согласно физическим законам, давление и температура газа — взаимосвязаны.

Фото: Shutterstock

Фото: Shutterstock

Упрощенно схему работу дизеля можно описать так. При запуске в цилиндре сжимается воздух, при этом его температура возрастает примерно до 700°C. Далее в цилиндр распыляется дизельное топливо. При такой температуре оно начинает быстро испаряться, после чего его пары воспламеняются. Двигатель начинает работу. Цикл повторяется снова и снова.

В дизельных моторах воздух и горючее подаются в цилиндры раздельно, «по очереди». В бензиновом же необходимо сначала смешать их в определенной пропорции. Кроме того, в бензиновом моторе нужны электрические свечи, которые дают искру, поджигающую смесь бензина с воздухом.

Дизельный двигатель на первый взгляд проще бензинового. Но солярку приходится впрыскивать в цилиндр под очень высоким давлением. Да и сам мотор должен это давление выдерживать, и тут требуются качественные детали и высокое качество сборки.

Почему в дизельных двигателях не используется бензин

Дизельные двигатели работают не на бензине, а на одноименном дизельном топливе, которое часто называют «соляркой». Почему для двух типов двигателей применяется различное топливо? Дело в том, что требования к горючему у бензинового двигателя и дизельного — противоположны.

В первом случае необходима достаточная стойкость к воспламенению, иначе в цилиндрах начнутся «лишние» вспышки, которые приведут к неустойчивой работе движка. Во втором горючее должно воспламеняться легко.

В обычных условиях поджечь бензин факелом легче, чем дизель. Но это связано с более интенсивным выделением у него паров при нагреве. В цилиндрах двигателя быстро испаряются и бензин, и солярка. А вот уже готовые пары солярки воспламеняются быстрее. Поэтому именно солярку нужно использовать в моторах, где горючее поджигается высокой температурой, а не искрой.

Что будет, если залить в бак неподходящее топливо? Сначала машина заведется как обычно, так как некоторое количество правильного горючего осталось в фильтрах и магистралях системы. Потом, по мере смешивания жидкостей, двигатель будет работать хуже и хуже, упадет мощность, появятся стуки и вибрация. Если неподходящего топлива немного, и оно лишь разбавило правильное, то какое-то время мотор проработает, но после этого потребуется сложный и дорогостоящий ремонт.

Если неподходящего топлива много, то двигатель заглохнет быстро, и тут есть шанс отделаться сменой фильтров и промывкой топливной системы.

Фото: Shutterstock

Фото: Shutterstock

В отличие от бензина, солярка быстрее начинает застывать и терять текучесть на морозе. «Обычное», летнее дизельное топливо становится вязким уже при –5°C. Поэтому существует зимнее топливо, которое остается жидким дольше: до –35°C, а для холодной местности придумали арктическое топливо (до –50°C). На практике это означает, что осенью в дизельный автомобиль нужно заливать только зимнюю или арктическую солярку, и это еще один повод заправлять дизельные машины лишь на проверенных заправках.

Системы, необходимые для работы дизельного двигателя

Для работы дизельного мотора необходима система, которая обеспечит подачу горючего и воздуха. Рассмотрим их вкратце.

  • Топливный бак.
  • Топливный насос. Он качает солярку из бака и подает ее в магистраль.
  • Топливные фильтры. Очищают горючее от различного мусора.
  • Топливный насос высокого давления (ТНВД). Закачивает солярку в цилиндры двигателя, создает большое давление (от нескольких сотен до нескольких тысяч атмосфер).
  • Форсунка. Осуществляет распыление горючего в цилиндр.
  • Турбокомпрессор. Нагнетает в цилиндры воздух, необходимый для сгорания.
  • Воздушный фильтр. Очищает подаваемый в двигатель воздух от пыли.
  • Свечи накаливания. Нужны для подогрева холодного двигателя. Без дополнительного подогрева запустить дизель на морозе было бы проблематично. У современных автомобилей свечи при необходимости включаются автоматически после поворота ключа зажигания. Нагрев происходит очень быстро.

Плюсы дизельного двигателя

Из плюсов дизеля с технической точки зрения можно назвать заметно больший — процентов на 15 — КПД. Кроме того, есть и другие достоинства.

  • Экономичность. Для многих автолюбителей — это одно из важнейших преимуществ. Дизель может оказаться на 10-20% экономичнее, чем аналогичный бензиновый мотор. Конкретный пример. Рассмотрим два похожих двигателя разных типов, которые ставятся на внедорожник Toyota Land Cruiser Prado. Расход дизеля объемом 2,8 л составляет согласно паспортным данным 7,7 л на 100 км пути (в смешанном цикле). 2,7-литровый бензиновый мотор потребляет уже 9,3 л на 100 км.
  • Высокий крутящий момент. Тяга у дизеля намного выше, чем у аналогичного бензинового двигателя. Это связано с более высокой степенью сжатия в цилиндрах, а точнее, меньшим объемом сильно сжатого топлива. При таких условиях энергия при сгорании выделяется сразу из всего вещества, что и увеличивает тягу мотора. Причем достигается высокая тяга практически сразу же, на низких оборотах. Для грузовиков и внедорожников тяга на «низах» вообще может быть жизненно необходима: первым нужно начинать движение с грузом, вторым — ползти по грязи, не срывая колеса в пробуксовку.

«Дизельный двигатель в своем мощностном ряду пока вне конкуренции»

После распада СССР российская дизелестроительная отрасль оказалось в непростых условиях. Для её возрождения требуются существенные инвестиции и новые высокотехнологичные разработки. Почему это важно, каковы перспективы двигателей внутреннего сгорания и где запустят первый водородный поезд в России «Известиям» рассказал заместитель генерального директора «ТМХ – Энергетические решения» Денис Тарло. — В каких отраслях промышленности сегодня востребованы дизельные двигатели?Спрос на дизельные двигатели есть во всех отраслях, нуждающихся в автономной выработке электроэнергии. К примеру, там, где нет возможности или экономически нецелесообразно подключаться к электросетям: в море, на удаленных нефтяных и газовых платформах, в отдаленных регионах, таких как Артика, Чукотка, Камчатка, Курилы, на неэлектрифицированных участках железных дорог, где сегодня по-прежнему преимущественно используются тепловозы. Или там, где важно иметь резервное питание: в воинских частях, больницах, на АЭС. Собственное энергообеспечение также необходимо крупным промышленным предприятиям, а дизельные установки меньшей мощности и размера востребованы в быту. Резервное питание почти всегда обеспечивается за счет работы дизель-генератора.

Двигатель с прогрессом: ученые удвоят ресурс моторов из алюминия
Электронная обработка легких сплавов увеличит динамику и экономичность машин без снижения надежности

— Как двигателестроение может повысить энергетическую безопасность страны?Говоря об энергобезопасности, следует в первую очередь сказать о надежности энергообеспечения. Представьте себе, что в 50-градусный мороз где-нибудь в Якутии отключится генератор, снабжающий электроэнергией целый поселок или в больнице, во время операции, прервется подача электроэнергии и не будет резервного питания? Авария на АЭС «Фукусима-1» произошла из-за того, что резервный дизель-генератор, питающий систему аварийного охлаждения, был залит водой. Современные системы, обеспечивающие работу дизель-генераторов, проектируются с учетом опасности затопления, делая невозможным повторении фукусимской трагедии. Что касается энергобезопасности страны в целом, она обеспечивается в том числе способностью российской промышленности выпускать качественный и надежный продукт широкого мощностного ряда в необходимом объеме. Представьте, что было бы, если бы у нас не было своих дизелей? Военные, удаленные регионы, системы жизнеобеспечения были бы зависимы от иностранных изготовителей. Поэтому наша главная задача на сегодняшний день — обеспечить производство всей линейки двигателей, полностью закрывая имеющуюся потребность ключевых отраслей страны. — Насколько дизелестроение сейчас зависимо от импорта?

Любую из наших машин мы можем изготовить с применением исключительно российских комплектующих, и это достаточно распространенное требование многих заказчиков. Другое дело, что некоторые комплектующие и компоненты проигрывают зарубежным аналогам по техническо-экономическим характеристикам. Хотя еще раз подчеркиваю: при необходимости мы можем обойтись без поставок из-за рубежа. Кроме того, нужно помнить, что у дизельного двигателя, как у любого механизма, есть срок эксплуатации, поэтому важно обеспечить его своевременный ремонт или замену. Причем рынок хочет получать эту услугу комплексно. Важно не только поставить двигатель, но и поддерживать его работу. Двигатель рассчитан на длительный срок эксплуатации, и на всем протяжении жизненного цикла его требуется гарантированно обеспечить запчастями и технической поддержкой, что не всегда возможно в условиях приобретения импортной машины. Поэтому поставлять иностранные машины в значимые отрасли экономики — недопустимо для безопасности страны. — Что сейчас делается для импортозамещения?

От розетки: двигатели для первых гибридных самолетов представят через 2 года

Воздушные суда вместимостью от 50 до 100 пассажиров планируется использовать на региональных направлениях

ТМХ последовательно уходит от импортозависимости, реализуя собственную инвестпрограмму. Ее реализация позволит не просто отказаться от импорта, но и гарантированно выпускать необходимый объем продукции исключительно силами российских производителей. К примеру, Коломенский завод (принадлежит группе ТМХ) осваивает производство перспективных двигателей типа Д300. Они разработаны для замены дизелей американской фирмы GE, являющихся на сегодняшний день безальтернативным вариантом для обеспечения вождения поездов массой 7,1 тыс. т на полигоне Байкало-Амурской магистрали. Для выполнения стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года уже сейчас требуется разработка модификаций тепловозных двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе, и такая задача успешно реализуется силами инженеров ТМХ. С сентября 2019 года ТМХ участвует в четырехстороннем соглашении о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения на острове Сахалин с применением поездов на водородных топливных элементах. В рамках проекта предусматривается создание центра компетенций, который позволит развить отработанные в Сахалинской области организационные и технологические решения и затем распространить их на другие неэлектрифицированные железные дороги, прежде всего на Дальнем Востоке. Вопрос разработки и производства отечественных тепловозных дизельных, газодизельных и газопоршневых двигателей, отвечающих современным требованиям надежности, экономичности и экологичности, находится на непрерывном контроле Министерства промышленности и торговли РФ и нашего основного заказчика — ОАО «РЖД». — У дизельных машин есть конкуренты?На земле, там, где не важны габариты, конкурентами можно было бы назвать газовые турбины, вырабатывающие электричество. Однако газовые турбины эффективны на мощностях от 20 мегаватт. На меньших мощностях лучший результат показывают дизельные двигатели. Кроме того, последние можно отремонтировать в местах установки, тогда как турбины — только на заводе. Этих отличий достаточно, чтобы понять, что они занимают разные ниши на рынке. Таким образом, в своем мощностном ряду дизельный двигатель пока вне конкуренции. Рядом можно поставить разве что возобновляемые источники энергии. Но и к ним всегда ставят резервное питание, позволяющее снизить зависимость от погодных условий.

Полный ГЭС: бизнес попросил облегчить доступ к «зеленому» финансированию
Крупная гидроэнергетика надеется на льготы и поддержку правительства за экологичность

В перспективе конкурентами дизельного двигателя станут силовые установки, в основе которых лежит не двигатель внутреннего сгорания, а химический процесс, основанный на использовании водорода. Водород, несомненно, является топливом будущего. Однако его использование в качестве топлива связано с рядом сложностей. Поскольку водород имеет свойство испаряться, обеспечение его длительного хранения — технологически трудная и дорогостоящая задача. Кроме того, на сегодняшний день отсутствует необходимая инфраструктура, в связи с чем полномасштабное развитие этого направления остается вопросом будущего. Не ближайшего, но и не слишком отдаленного. Способен ли водород полностью вытеснить дизельные двигатели?Уменьшение углеродного следа и переход на альтернативную энергетику — либо полностью безуглеродную, либо стремящуюся к снижению выбросов — важный глобальный тренд, вытекающий из общемировой борьбы с изменением климата. Мы понимаем, что в развитых странах этот тренд обретает всё большую значимость, и считаем жизненно важным ему следовать. Очевидно, что требования к выбросам будут ужесточаться и, несомненно, повлияют на наших заказчиков и на нас. Крупные международные компании и конечные потребители будут обращать внимание на наличие углеродного следа, выработанного не только при производстве продукта, но и при его хранении и доставке. Так, к примеру, покупая продукт, доставленный на электромобиле, вы поддерживаете борьбу с изменением климата. В связи с этим логистическая инфраструктура тоже будет вынуждена идти по пути снижения углеродного следа. Помимо водородного поезда, на железной дороге есть еще несколько перспективных направлений, одним из которых является электрификация. На сегодняшний день остается много неэлектрифицированных участков, где используются дизельные двигатели. Тем не менее, на наш взгляд, электрификация многих из них экономически нецелесообразна: строительство генерации и обновление сетей требует значительных затрат. Кроме, того, может оказаться, что потраченные усилия не приведут к желаемому снижению выбросов.

«Я жду от России большого прорыва»

Глава МИРЭС Анджела Уилкинсон — о роли нефти и газа, переходе на возобновляемые источники и энергетическом потенциале РФ

Мы видим хорошие перспективы в переходе на сжиженный газ в подвижном составе. Скорее имеет смысл отказаться не от двигателей внутреннего сгорания, а от дизельного топлива. Газ значительно дешевле и экологичнее. Для перехода на газ потребуется создать заправочную инфраструктуру. Однако с учетом разницы в цене предполагаем, что это не приведет к увеличению тарифа на перевозку. Тем более в перспективе благодаря значительному сходству систем заправки и хранения такая инфраструктура может стать базой для перехода на водородную энергетику. — Какие в целом перспективы у классических двигателей внутреннего сгорания?Постепенно двигатели внутреннего сгорания становятся менее востребованными. По сравнению с электрическими или электрохимическими генераторами ДВС менее надежны, а оборудованные ими машины ломаются чаще, чем электромобили. Хотя использование литий-ионных аккумуляторных батарей также имеет свои издержки. Например, до сих пор не изобретено на 100% эффективной технологии утилизации отработанных аккумуляторов. Тем не менее очевидно, что количество ДВС будет снижаться. Многие страны уже отказываются от них в автомобильной отрасли. Но железнодорожному и морскому транспорту требуются принципиально большие мощности, поэтому в этих нишах в ближайшие лет 15, скорее всего, заменить ДВС не получится. — Как планируется модернизировать дизельные двигатели? Можно ли, к примеру, уменьшить выбросы? — Можно, но уменьшение выбросов отразится на мощности. На Западе существует множество альтернативных проектов с использованием других видов топлива, таких как газ и биотопливо. Мы планируем не отставать от наших зарубежных коллег. — Какие у вас сейчас новые проекты и решения?Мы разработали газовые и двухтопливные машины, рассматриваем био- и смешанное топливо. Эти направления очень востребованы. В период с 2015 по 2020 год ТМХ инвестировал в развитие технологической базы двигателестроения 11 млрд рублей. Еще несколько проектов по модернизации находятся на рассмотрении. В случае успешной реализации всех инвестпроектов мы сможем производить практически любой вид ДВС на своих мощностях и быть готовым выполнить различные заказы, выпуская до тысячи машин в год, что позволит удовлетворить потребности экономики страны.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *