Дизельный двигатель — идеальное решение
С 1897 года, когда был произведен первый серийный двигатель внутреннего сгорания, основные принципы работы дизельных двигателей не изменились. Тем не менее, рассмотрев эти двигатели более внимательно, видно, что современные высокотехнологические дизельные системы мало чем напоминают своих предшественниц.
С точки зрения инноваций дизельные двигатели являются неувядающим феноменом. С того времени, когда 120 лет назад у изобретателя Рудольфа Дизеля родилась эта идея, а «Maschinenfabrik Augsburg-Nurnberg», позднее ставший MAN, начал серийное производство, технологии дизельных двигателей не перестают удивлять.
Основной принцип действия двигателя внутреннего сгорания остался новаторским и в наши дни: поршень, перемещаясь вверх по цилиндру, сжимает воздух в камере сгорания, которая накаляется до 700-900 C°, затем в цилиндр впрыскивается дизельное топливо (на судах – мазут). Из-за высокого давления и высокой температуры вспрыснутое топливо быстро воспламеняется. Горючая смесь топлива и воздуха создает давление, которое заставляет поршень двигаться вверх и вниз, приводя в движение коленчатый вал.
Несмотря на то, что в настоящее время популярность приобретают бензиновые двигатели Отто, работающие на природном газе, двигатель Р. Дизеля с компрессионным зажиганием часто рассматривается как более эффективный. Дизельные двигатели более экономичны, потому что воздух в камере сгорания сжимается плотнее, а это, в свою очередь, увеличивает эффективность сгорания. К сравнению: в бензиновом двигателе Николауса Августа Отто бензин сначала смешивается с воздухом, и только потом впрыскивается в камеру сгорания.
Сила давления, превзошедшая ожидания
Сравнивая конструкцию первого двигателя с компрессионным зажиганием с современными дизельными двигателями, много похожего — кроме используемого топлива и самого принципа действия двигателя внутреннего сгорания — не найдем. То, что сделал Р. Дизель, впрыснув топливо в камеру сгорания с находящимся в ней сжатым воздухом, и сегодня является основным принципом работы современных двигателей. В первых дизельных двигателях давление в цилиндре достигало до 35 баров, между тем в современных дизельных двигателях оно достигает даже 250 баров. Сам же Р. Дизель предполагал, что максимально достижимое давление — 150 баров.
Первый двигатель
Первый дизельный двигатель обществу был представлен 17 февраля 1897 года в Аугсбурге. Сегодня оригинал этого двигателя можно увидеть в «Deutsches Museum» в Мюнхене.
26% — такой коэффициент полезного действия в 1897 году казался потрясающим. В то время коэффициент полезного действия паровых машин достигал лишь 12%.
Цилиндр с рабочим объемом 19 л при скорости вращения 172 об/мин создает довольно сильный вращающий момент, поэтому дизельный двигатель является очень прочным и долговечным.
Общий вес 4,5 тонны. Чтобы достичь высокого уровня давления, двигатели были стационарными, тяжелыми и массивными.
14,7 kW — мощность первого двигателя внутреннего сгорания. Например, используемые сегодня в контейнерных судах самые мощные двухтактные дизельные двигатели могут развить мощность до 85 000 kW.
От четырех до двух тактов
В отличие от первого дизельного двигателя, двигатели крупных торговых судов (включая нефтяные танкеры, массивные грузовые и контейнерные суда) работают по двухтактному принципу. В то время как катера береговой охраны, транспортные суда военно-морского флота, паромы и круизные суда работают на четырехтактных двигателях.
Такты двигателя отражают принцип его работы. В четырехтактных двигателях, как и в первом дизельном двигателе, существует следующая последовательность тактов:
• Первый такт: поршень погружается вниз цилиндра и всасывает воздух;
• Второй такт: поршень сжимает воздух, впрыскивается топливо, и смесь возгорается;
• Третий такт: горящая смесь толкает поршень вниз, он передает движение в коленчатый вал;
• Четвертый такт: поршень поднимается вверх, выталкивая произведенные в процессе горения выхлопные газы.
В двухтактных двигателях, например, в современных дизельных двигателях для морского транспорта, которые производит MAN, все происходит всего в два движения: в первом такте поршень движется по цилиндру вверх. Компрессор подает чистый воздух по пропускным задвижкам, которые расположены над точкой возврата поршня. Одновременно — для выпуска отработавших газов — открываются клапаны, находящиеся радом с головкой цилиндра. Едва поршень достигает верхней точки, клапаны закрываются и впрыскивается дизельное топливо.
Во время впрыскивания топливо воспламеняется, а давление в поршневой камере повышается, тем самым толкая поршень вниз. Во время этого процесса поршень передает вращающий момент в коленный вал. В нижней точке процесс повторяется. Двигатели крупных судов очень медленные. Вращающий момент они передают без приводных блоков прямо в винты, скорость движения которых достигает 70 – 130 об/мин. Для сравнения: обычная скорость вращения современных четырехтактных дизельных двигателей автомобилей — 4000 – 5000 об/мин.
Турбокомпрессор значительно повысил эффективность двигателя
«Решающий прорыв в сфере дизельных двигателей произошел в 1909 году, когда против камеры сгорания была выработана концепция впрыскивания топлива. Это стало технической основой для надежных, регулируемых и эффективных современных систем впрыскивания», — утверждает Христиан Поенсген, руководитель подразделения Инженерных исследований и развития MAN Diesel & Turbo.
Свою историю успешно продолжали линейные и V –образные двигатели. Во время Первой мировой войны для нужд авиации были произведены радиальные двигатели, которые использовались вплоть до 1950 года.
Герлинд Симон, директор музея MAN, подчеркивает, что «в последующие десятилетия дизельные двигатели постоянно совершенствовались». Еще в 1905 году швейцарский инженер Альфред Бучи изобрел и запатентовал первый турбокомпрессор (турбину), а первый двухтактный роторный двигатель с турбокомпрессором был сконструирован в 1910 году.
В современных двухтактных двигателях давление достигает 180 баров — это в 6 раз больше, чем Рудольф Дизель достиг в своем первом двигателе.
«В серийных четырехтактных двигателях давление достигает 250 баров, хотя во время испытаний мы уже достигали и 400 баров», — отмечает специалист MAN Христиан Поенсген.
Самый эффективный дизельный двигатель
Мощность в 3600 kW распределяется между шестью цилиндрами. Четырехтактные двигатели MAN CR (англ. common rail), в которых один цилиндр создает мощность в 600 kW,занимают лидирующее место на рынке по своей эффективности.
Достигаемая эффективность 48,5% особенно высока. По сравнению с производительностью первого двигателя Р. Дизеля, этот коэффициент почти удвоился.
Рабочий объем двигателя 210 л, при скорости вращения 750 об/мин обеспечивает низкий расход топлива. Чем больше соотношение рабочего объема и вращающего момента, тем меньше затраты топлива.
Общая масса 39 тонн. По своей эффективности двигатель 32/44 CR (англ. common rail) можно сравнивать даже с легкими двигателями. Двигатель CR развивает мощность до 125 лошадиных сил на 1 тонну, в то время как мощность первого дизельного двигателя составляла лишь 3 л.с./1 т.
Новейшие технологии
В настоящее время инженеры постоянно создают более эффективные технологии, способствующие снижению расхода топлива.
Например, в Китае и Японии до 2017 года будет спущено на воду шесть танкеров с двигателями двух топливных систем MAN, работающих на сжиженном природном газе (СПГ). Построенные на судостроительном заводе в Худонг-Жонгуа (недалеко от Шанхая), эти суда станут первыми большими СПГ танкерами, в которых электрический привод будут приводить в действие двигатели с двумя топливными системами. В этих двигателях будет возможность использовать не только природный газ или дизельное топливо, но также и смесь жидкого топлива с природным газом. Используя природный газ, такие двигатели будут сразу соответствовать Tier III —уже утвержденным и будущим требованиям Международной морской организации к топливной эмиссии.
В ближайшее время на первых контейнерных судах начнется оборудование работающих на природном газе двигателей MAN. Несмотря на то, что газовые турбины отличаются более высокой эффективностью, превзойти дизельный двигатель они могут только в условиях полной нагрузки. Поэтому дизельные двигатели, по крайней мере, в ближайшем будущем останутся наиболее эффективным выбором.
Подготовлено по информации журнала «Specialistas» (издатель «Adampolis»).
Комментарии
На данный момент комментариев нет
Ваш комментарий
Для того, чтобы оставить комментарий, подключитесь
или зарегистрироваться.