История дизельного двигателя (ДВС) — Двигатели автомобилей
Дизельный двигатель имеет долгую историю, которая тесно переплелась с экономическими и финансовыми отношениями во всем мире. Считается, что дизельный двигатель или «Дизель-мотор», был изобретен Рудольфом Дизелем (1858-1913), хотя это и не совсем так. Немецкий инженер развил идею дизельного двигателя и выработал принципы его работы. Его концепция двигателя заключалась в сильном сжатии воздуха до степени, когда температура внутри цилиндра начинала повышаться чрезвычайно. В дальнейшем происходило возгорание топливо-воздушной смеси, заставлявшее поршень двигаться вниз, и необходимость последующего зажигания отпадала. Развитие промышленности на момент изобретения Дизелем своей машины отчаянно требовало нового типа силовых агрегатов, поскольку паровые машины того времени имели весьма низкий КПД, не превосходящий 12%. 23 февраля 1983 года в Имперском Патентном Бюро Дизелю был выдан патент №. Дизельные двигатели начала 20-го века были весьма велики по размерам и массе, что на то время определило область их использования – морские суда и тяжелая промышленность. Смерть Рудольфа Дизеля, случившаяся в 1913 году, окутана тайной. Инженер в прямом смысле слова исчез, и до сих пор никто не знает, умер ли он своей или насильственной смертью. По одной из версий, он был убит в результате политических разногласий с «сильными мира» того времени, а также огромных знаний, которыми обладал ученый, не желавший ни с кем делиться. Другая теория говорит о том, что Дизель совершил самоубийство, оказавшись в катастрофических долгах. Существует и третья версия, согласно которой в смерти Дизеля повинны некоторые нефтяные магнаты того времени. Поскольку инженер изобрел по настоящему революционный двигатель внутреннего сгорания, работавший на более дешевом и чистом биотопливе, это стало причиной недовольства владельцев нефтяных бизнесов того времени. В подтверждение этой теории используется фраза, однажды сказанная Дизелем: «Использование растительных масел в качестве топлива сегодня может показаться немыслимым. В истории изобретения дизельной технологии есть еще одна глава, о которой традиционно предпочитают умалчивать. Дело в том, что параллельно и независимо от Дизеля работу над новым мотором вел молодой русский инженер Густав Тринклер. Всего через год после строительства первого мотора Дизеля он показал свой двигатель высокого давления – «Тринклер-мотор», который, и это не секрет, был эффективнее, совершеннее и перспективнее мотора Дизеля. Тем не менее, ему не суждено было стать «трендом», главным образом благодаря крупным инвесторам, уже вложившим немалые средства в изобретение Дизеля и оказавшим давление на руководство Путиловского завода, начавшего производство «Тринклер-мотора». Только в 20-х годах прошлого века дизельные моторы уменьшились до размеров, достаточно небольших, чтобы использоваться на наземном транспорте. В 1923 году на выставке Berlin Motor Fair был показан первый дизельный грузовик, но первый легковой автомобиль появился лишь в 1936-м. Автомобилисты Соединенных Штатом по-настоящему оценили преимущество дизельных моторов только в конце 70-х годов 20-го века, ощутив на себе последствия нефтяного кризиса 1973-78 годов. Американцы начали покупать дизеля таких иностранных производителей, как Peugeot, Mercedes Benz, Isuzu, Volkswagen, Audi, Volvo и Datsun, а первым производителем собственных дизельных машин в Штатах стал концерн General Motors, к концу 70-х продававший более 60% своих автомобилей и грузовиков в дизельном исполнении. Тем не менее, когда к середине 80-х годов цены на бензин полностью стабилизировались, американцы благополучно забыли о существовании дизельных моторов. В 1985 году с конвейеров GM сошла последняя дизельная машина. |
67207 «О разработке метода и конструкции двигателя внутреннего сгорания … нового, эффективного теплового двигателя». Вооружившись контрактами промышленников, Дизель начал работу над производством функционального образца своего двигателя. В 1893 году он был создан и показал удивительный по тем временам Коэффициент полезного действия – 26%. Уже в Феврале 1897 года инженер сконструировал и собрал первый дизельный двигатель, пригодный для практического применения. Сообщается, что его КПД составил невероятные даже сегодня 75%. Примечательно, что этот мотор работал на арахисовом масле и, по словам самого конструктора, прекрасно подошел бы для владельцев небольших компаний, а также фермеров, поскольку он использовал экономичное топливо, полученное из биомассы. Именно Дизель придумал использование растительного сырья для производства биотоплива, которое сегодня стало в умах многих панацеей для дизельных моторов.
Затем дизели были взяты на вооружение подводных лодок и прочих более мелких транспортных средств, постепенно начиная завоевывать популярность публики.
Однако со временем такие масла могут стать такими же определяющими, как бензин и тяжелые нефтяные фракции».
Это была модель Type 260D от Mercedes Benz.Дизельный двигатель
Благодаря высокой эффективности дизельный двигатель широко применяется на грузовых автомобилях.
Вместе с тем, большинство легковых автомобилей имеют в линейке своих моторов дизельные двигатели. В Европе дизель постепенно вытесняет бензиновые двигатели, к примеру, свыше 50% новых легковых автомобилей там имеют дизельный двигатель.
На легковых автомобилях используются быстроходные дизели, обладающие высокой эластичностью, т.е. способностью развивать номинальный крутящий момент в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала.
Принцип работы дизельного двигателя основан на самопроизвольном (компрессионном) воспламенении дизельного топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания и смешиваемого со сжатым и нагретым до высокой температуры воздухом. В отличие от бензинового двигателя процесс работы дизеля не зависит от коэффициента избытка воздуха, а определяется гетерогенностью (неоднородностью) топливно-воздушной смеси.
Дизельный двигатель имеет ряд отличительных особенностей:
- имеет большую степень сжатия и как следствие более высокий коэффициент полезного действия, больший вес и габариты, низкий расход топлива;
- имеет низкие обороты коленчатого вала и как следствие меньшую удельную мощность, сопровождаемые неполным сгоранием топлива, сажеобразованием;
- не имеет дроссельной заслонки, поэтому развивает высокий крутящий момент на низких оборотах;
- имеет сложную конструкцию топливной аппаратуры и как следствие высокую чувствительность к качеству топлива.
Основными направлениями совершенствования дизельных двигателей являются снижение расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума, повышение мощности двигателя, облегчение холодного запуска. Для реализации этих требований на современных дизельных двигателях применяется ряд систем: Common Rail, впускная и выпускная системы, рециркуляции отработавших газов, турбонаддув, предпускового подогрева.
Система впрыска Common Rail предполагает накопление топлива в аккумуляторе высокого давления и его впрыск электронно-управляемыми форсунками. Электроника обеспечивает впрыск строго определенных порций топлива, чем достигается высокая экономия, полное сгорание и повышение мощности. При необходимости топливо может впрыскиваться многократно в течение одного цикла.
Выпускная система современного дизеля ориентирована на снижение в отработавших газах сажи, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Для этого в системе устанавливается сажевый фильтр.
Накапливаемая в фильтре сажа удаляется путем регенерации.
Система рециркуляции отработавших газов предназначена для снижения содержания в отработавших газах оксида азота, для чего часть газов возвращается во впускной коллектор. Для повышения эффективности работы системы отработавшие газы принудительно охлаждаются в специальном охладителе, включенном в систему охлаждения двигателя.
Впускная система дизельного двигателя может оборудоваться впускными заслонками. Применение заслонок образует два канала всасывания, обеспечивает завихрение воздушного потока и улучшенное смесеобразование на всех режимах. При запуске двигателя и работе на низких оборотах заслонки закрыты, при высокой частоте вращения коленчатого вала и высоком крутящем моменте – открыты. Закрытие заслонок приводит к снижению в отработавших газах оксида углерода и несгоревших углеводородов.
Наиболее эффективной системой повышения мощности дизельного двигателя является турбонаддув. Для создания оптимального давления наддува на всех режимах работы двигателя в системе используется турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины.
Для облегчения запуска дизельного двигателя в холодное время применяется система предпускового разогрева, представляющая собой электронно-управляемые свечи накаливания, установленные во впускном коллекторе. Дополнительно на автомобиль может устанавливаться подогреватель дизельного топлива.
Как двигатель Rudolf Diesel изменил World
Опубликовано
Источник изображения, Shutterstock
от Tim Harford
50 вещей, которые создали современную экономику, BBC World Service
9 40004 50. Дизель умер при загадочных обстоятельствах, прежде чем смог извлечь выгоду из своего гениального изобретения.
Было 22:00. Рудольф Дизель удалился в свою каюту на борту парохода «Дрезден», следовавшего из Бельгии через Ла-Манш.
Его ночная рубашка была разложена на кровати, но Дизель в нее не переодевался.
Изобретатель двигателя, носящего его имя, думал о своих больших долгах и выплатах по процентам, которые он не мог себе позволить. В его дневнике эта дата — 29 сентября 1913 года — отмечена зловещим крестиком.
Перед поездкой Дизель собрал все наличные, какие смог, и сунул их в сумку вместе с документами, раскрывающими его финансовые затруднения. Он отдал сумку ничего не подозревающей жене с указанием не открывать ее, пока не пройдет неделя.
Дизель вышел из своей каюты, снял пальто, аккуратно положил его на палубу корабля, посмотрел через перила и прыгнул.
Или он? Теоретики заговора предполагают, что Дизелю помогли за борт. Но кто мог быть заинтересован в кончине нищего изобретателя? Были выявлены два возможных кандидата.
Подробнее
В книге «50 вещей, которые создали современную экономику» рассказывается об изобретениях, идеях и инновациях, которые помогли создать экономический мир, в котором мы живем.
Транслируется Всемирной службой BBC. Вы можете слушать онлайн и найти информацию об источниках программы или подписаться на подкаст программы.
Для контекста отмотайте на 40 лет назад, в 1872 год. Пар снабжал энергией поезда и фабрики, но городской транспорт зависел от лошадей. Той осенью конский грипп привел к застою в городах США. Полки продуктовых магазинов были пусты, а на улицах валялись груды мусора.
В городе с полумиллионным населением может быть 100 000 лошадей. Каждый день обильно посыпал улицы 15 кг навоза и 4 литра мочи. Доступный, надежный, мелкосерийный двигатель, который мог бы заменить лошадь, был бы настоящей находкой.
Одним из кандидатов был паровой двигатель: паровые машины неплохо развивались. Другим был двигатель внутреннего сгорания, ранние версии которого работали на бензине, газе или даже на порохе. Но когда Рудольф Дизель был студентом, оба типа двигателей были ужасно неэффективными, превращая лишь около 10% тепла в полезную работу.
Жизнь молодого Дизеля изменила лекция по термодинамике в Королевском баварском политехническом институте в Мюнхене, где он узнал, что теоретически возможно создать двигатель внутреннего сгорания, преобразующий все тепло в работу.
Источник изображения, Alamy
Image caption,План двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Рудольфом Дизелем в 1897 году
Дизель поставил перед собой задачу воплотить теорию в практику. Он потерпел неудачу. Его первый работающий двигатель имел КПД чуть более 25%. Сегодня лучшие дизельные двигатели превышают 50%. Но даже при этом 25% были более чем в два раза лучше, чем у конкурентов.
Двигатель Дизеля более эффективен отчасти из-за того, как он воспламеняет топливо. Бензиновые двигатели сжимают топливо и воздух вместе, а затем воспламеняют их свечой зажигания.
Но слишком сильно сжать смесь, и она может самовоспламениться, что вызовет дестабилизирующий стук в двигателе. Изобретение Дизеля сжимает только воздух и делает его достаточно горячим, чтобы воспламенить топливо при его впрыске.
И чем выше степень сжатия, тем меньше требуется топлива. Любой, кто изучал вопрос о покупке автомобиля, знаком с основным недостатком дизельного двигателя — его покупка, как правило, дороже, но он более экономичен в эксплуатации.
К несчастью для Рудольфа, в ранних версиях этот прирост эффективности перевешивался проблемами надежности. Он столкнулся с постоянным потоком требований о возврате средств от недовольных клиентов. Это загнало изобретателя в финансовую яму, из которой он уже не мог выбраться.
Тем не менее, он продолжал работать над своим двигателем, и он продолжал улучшаться.
Стали очевидны и другие преимущества. Дизельные двигатели могут использовать более тяжелое топливо, чем бензиновые двигатели, в частности, более тяжелое топливо, известное как «дизель». Помимо того, что дизельное топливо дешевле, чем бензин для очистки от сырой нефти, оно также выделяет меньше паров, поэтому вероятность взрыва меньше.
Это делало его особенно привлекательным для военного транспорта.
К 1904 году Дизель установил свои двигатели на французские подводные лодки.
Источник изображения, Getty Images
Подпись к изображению,Автомобили с дизельным двигателем дороже покупать, но дешевле эксплуатировать
Это подводит нас к первой теории заговора вокруг смерти Рудольфа Дизеля. В 1913 году в Европе барабанный бой надвигающейся войны становился все громче, и безденежный немец направлялся в Лондон. Заголовок одной газеты зловеще размышлял: «Изобретатель брошен в море, чтобы остановить продажу патентов британскому правительству».
Только после Первой мировой войны изобретение Дизеля начало реализовывать свой коммерческий потенциал. Первые грузовики с дизельным двигателем появились в 19 в.20-х, поезда 1930-х. К 1939 году четверть мировой морской торговли приходилось на дизельное топливо.
После Второй мировой войны все более мощные и эффективные дизельные двигатели привели к созданию еще более огромных кораблей.
Топливо составляет около 70% стоимости доставки товаров по всему миру. Ученый Вацлав Смил утверждает, что паровая глобализация росла бы гораздо медленнее, чем это позволяли дизельные двигатели.
Экономист Брайан Артур не так уверен. Он описывает распространение двигателей внутреннего сгорания в прошлом столетии как «зависимость от пути»: самоусиливающийся цикл, в котором существующие инвестиции и инфраструктура означают, что мы продолжаем делать что-то определенным образом, даже если бы мы делали это по-другому, если бы только мы могли бы начать с нуля.
Еще в 1914 году, утверждает Артур, пар был по крайней мере столь же жизнеспособным, как сырая нефть, для приведения в движение автомобилей, но растущее влияние нефтяной промышленности гарантировало, что гораздо больше денег было потрачено на улучшение двигателя внутреннего сгорания, чем на паровой двигатель.
При равных инвестициях в исследования и разработки, возможно, сегодня мы будем управлять паровыми автомобилями следующего поколения.
Источник изображения, Getty Images
Image caption,Работа Дизеля над арахисовым маслом предвосхитила растущую популярность современного биодизеля
В качестве альтернативы, если бы Рудольф добился своего, возможно, мировая экономика работала бы на арахисе.
Имя Дизеля стало синонимом производного сырой нефти, но он разработал свой двигатель для использования различных видов топлива, от угольной пыли до растительных масел. В 1900 году на Всемирной выставке в Париже он продемонстрировал модель на основе арахисового масла.
Он стал чем-то вроде евангелиста, и в 1912 году, за год до своей смерти, Дизель предсказал, что растительные масла станут таким же важным источником топлива, как и нефтепродукты.
Видение, более привлекательное для владельцев арахисовых ферм, чем для владельцев нефтяных месторождений, побуждение к его реализации в значительной степени рассеялось со смертью Дизеля. Отсюда и вторая теория заговора, ставшая поводом для спекулятивно-сенсационного заголовка в современной газете: «Убит агентами крупных нефтяных трестов».
В последнее время наблюдается возрождение интереса к биодизелю. Это меньше загрязняет окружающую среду, чем мазут, но вызывает споры — оно конкурирует за землю с сельским хозяйством, что приводит к росту цен на продукты питания.
Во времена Рудольфа это не вызывало особого беспокойства: население было намного меньше, а климат более предсказуем.
Дизель был взволнован идеей, что его двигатель может помочь развитию бедных сельскохозяйственных экономик. Насколько другим мог бы выглядеть мир сегодня, если бы самой ценной землей за последние сто лет было не место, где можно бурить добычу нефти, а место, где можно выращивать арахис?
Мы можем только догадываться, как никогда не узнаем наверняка, что случилось с Рудольфом Дизелем. К тому времени, когда его тело снова появилось 10 дней спустя, оно было слишком разложившимся для вскрытия или даже для того, чтобы команда вообще захотела взять его на борт.
Бумажник, перочинный нож и футляр для очков Дизеля были найдены и позже опознаны его сыном.
Его тело унесло волнами.
Тим Харфорд, тайный экономист FT. «50 вещей, которые создали современную экономику» транслировались на Всемирной службе Би-би-си. Вы можете слушать онлайн и найти информацию об источниках программы или подписаться на подкаст программы.
Рудольф Дизель | Lemelson
Рудольф Дизель, родившийся 18 марта 1858 года в Париже, создал тепловой двигатель с воспламенением от давления, известный как дизельный двигатель. После окончания Мюнхенского политехнического института он начал работать инженером-холодильником в компании Linde Ice Machine Company в Париже, переехав в Берлин в 189 г.0 для управления техническим офисом компании. Но его страсть к дизайну двигателей никогда не покидала его ума. В свободное время Дизель работал над идеей эффективного теплового двигателя, завершив его к 1892 году, на который год спустя он получил патент.
Конструкция дизеля была нацелена на большую эффективность, чем у существующих двигателей того времени.
Дизельный двигатель не требует внешнего воспламенения смеси воздуха и топлива внутри. Скорее, это достигается за счет сжатия воздуха внутри цилиндра и его нагревания, так что топливо, которое будет контактировать с воздухом непосредственно перед концом периода сжатия, воспламенится само по себе. В результате дизельный двигатель будет меньше и легче, чем традиционный двигатель, используемый в большинстве дорожных транспортных средств, и не потребует использования дополнительного источника топлива для зажигания.
Дизель хотел, чтобы его конструкция стала настоящей работающей машиной. Для этого он обратился за помощью к крупным производителям машин. В конце концов его наняли для производства испытательного двигателя, и в 1893 году он завершил прототип. Первые испытания дали опасные результаты; Дизель чуть не погиб, когда один из его двигателей взорвался. Но этот тест доказал, что топливо может воспламениться без искры. Он усердно работал над улучшением своей модели двигателя, проведя свое первое успешное испытание в 1897 году.
Всего через год Дизель стал очень богатым человеком. Его двигатель, который работал с теоретическим КПД 75 процентов по сравнению с теоретическим КПД 10 процентов для традиционных паровых двигателей, сразу же был использован для приведения в движение автомобилей, грузовиков и лодок. Он также использовался для питания трубопроводов, электрических и водных установок, а также в горнодобывающей промышленности, на заводах и нефтяных месторождениях. Даже современные дизельные двигатели основаны на оригинальной концепции изобретателя.
Дизельный двигатель оказал большое влияние во время промышленной революции, поставляя энергию более эффективно и, следовательно, дешевле, для различных отраслей промышленности по всему миру. Поскольку для его использования не требовалось сжигать уголь, железнодорожные транспортные и судоходные компании смогли сэкономить много денег. Это, однако, не было благом для угольной промышленности, которая должна была потерять большую часть своего бизнеса.