Дизельный двигатель (часть 1)

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.

Продолжение следует.

Электростанции и стабилизаторы напряжения в интернет-магазине Disel.ru.
Дизельные электростанции от st-disel.ru.