Краткая история создания, современное состояние, оценка перспектив и направлений развития судовых ДВС

Первые идеи создания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) относятся к XVII веку. Так, в 1680 году Гюйгенс предлагал построить двигатель, работающий за счет взрывов заряда пороха в цилиндре. К концу XVIII — началу XIX веков относится ряд патентов связанных с преобразованием тепла органического топлива в работу в цилиндре двигателя.

Однако первый двигатель подобного типа, пригодный для практического использования, построен и запатентован Ленуаром (Франция) в 1860 году. Двигатель работал на светильном газе, без предварительного сжатия, и имел КПД около 3 %.

В 1876 г. немецкий инженер Отто создал 4-тактный газовый двигатель, который был в 2 раза экономичнее двигателей Ленуара.

В 70-80-е годы XIX века началось широкое практическое применение бензиновых двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, работавших по циклу быстрого сгорания. С 1885 года началась постройка автомобилей с бензиновыми ДВС. Большой вклад в развитие этого типа двигателей внесли Карл Бенц, Роберт Бош (Германия), Даймлер (Австрия). Имели развитие эти двигатели и в России — капитан русского флота И. С. Костович построил в 1879 году самый легкий в то время двигатель для дирижабля мощностью 80 л. с. с удельным весом 3 кг/л. с., намного опередив немецких инженеров.

Следующим этапом в развитии ДВС явилось создание так называемых «калоризаторных» двигателей, в которых топливо воспламенялось не от электрической искры, от раскаленной детали в цилиндре. Такие двигатели начали строить в начале 90-х годов XIX века.

В 1892 году Рудольф Дизель, инженер фирмы МАН (Германия), получил патент на устройство нового двигателя внутреннего сгорания (патент № 67207 от 28 февраля 1892 года). В 1893 году им была выпущена брошюра “Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели”. В «рациональном» двигателе предполагалось давление сжатия — 250 атмосфер ат, КПД — 75 %, работа — по циклу Карно (подвод тепла при МАН в Аугсбурге была сделана попытка построить такой двигатель. Работами руководил сам автор. При этом выяснилась невозможность реализации идеи – на угольной пыли двигатель работать не мог, сгорание при T = const осуществить не удалось. В 1894 году построен 2-й двигатель, способный работать без нагрузки непродолжительное время. Более удачным оказался 3-й двигатель постройки 1895 года. В нем отказались от основных предложений Р. Дизеля – двигатель работал на керосине, распыливание топлива производилось сжаты воздухом, сгорание – при постоянном давлении p = const, предусматривалось водяное охлаждение цилиндров.

Официальным испытаниям в феврале 1897 года был предъявлен лишь 4-й двигатель, имевший мощность около 20 л. с., давление сжатия 30 ат и КПД 26-30 %. Такой высокий КПД не достигался ранее ни в одном тепловом двигателе.

Цикл нового двигателя значительно отличался от описанного в патенте и в брошюре. В нем осуществлялись ранее известные и апробированные в других опытных двигателях принципы — предварительного сжатия воздуха в цилиндре, непосредственной подачи топлива в конце такта сжатия, самовоспламенения топлива и т. д. Отличия построенного двигателя от 1-го патента и использование идей других изобретателей послужили причиной многих выпадов против Р. Дизеля, его многочисленных судебных тяжб и финансовых затруднений.

Вероятно, это и дало повод к трагической гибели Р. Дизеля перед началом 1-й мировой войны. Тем не менее, в честь признания заслуг Р. Дизеля в создании нового двигателя и его широком внедрении в промышленности и транспорте двигатель с воспламенением топлива от сжатия получил название «дизель».

В 1988 году Петербургский механический завод фирмы “Людвиг Нобель” (впоследствии завод “Русский дизель”) купил лицензию на производство новых двигателей. Была поставлена цель – обеспечить работу двигателя на дешевом топливе – сырой нефти (вместо дорогого керосина, применявшегося на Западе). Эта задача была успешно решена – в январе 1899 года был испытан первый дизель, построенный в России, мощностью 20 л. с. при частоте вращения 200 об/мин.

Русские инженеры решили многие конструктивные вопросы дизелестроения, придали деталям ту конструкцию, которая впоследствии стала общепринятой. Были решены и вопросы, связанные с применением дизелей на судах. В 1903 году вступил в строй первый в мире теплоход «Вандал», танкер озерного типа грузоподъемностью 820 т с тремя нереверсивными 4-тактными двигателями суммарной мощностью 360 л. с. В 1908 году построен первый в мире морской теплоход — танкер «Дело» (впоследствии «В. Чкалов») водоизмещением 6 000 т с двумя дизелями по 500 л. с. для плавания в Каспийском море. Следом за заводом «Л. Нобель» к производству дизелей приступили Коломенский и Сормовский заводы.

Благодаря успехам дизелестроения в России дизели стали называть одно время «русскими двигателями». Россия сохраняла ведущее положение в судовом дизелестроении вплоть до 1-й мировой войны. Так, до 1912 года во всем мире было построено 16 теплоходов с мощностью главных дизелейОбслуживающие системы главного дизеля более 600 л. с.; из них 14 построено в России. Даже в 20-е годы, несмотря на большие разрушения народного хозяйства в период 1-й мировой и гражданской войн, в нашей стране были созданы и выпускались судовые малооборотные крейцкопфные двигатели марок 6 ДКРН 38/50, 4ДКРН 41/50 и 6ДКРН 65/86 агрегатной мощностью соответственно 750, 500 и 2 400 л. с.

Преимущественное распространение в мировой практике от начала использования до середины 30-х годов прошлого века имели компрессорные дизели, в которых топливо подавалось в цилиндр с помощью сжатого до высокого давления воздуха. Как правило, в качестве главных использовались малооборотные крейцкопфные 2-х или 4-тактные дизели, часто двойного действия, мощность которых доходила до 10-15 тысяч элс. Продувка 2-тактных ДВС осуществлялась поршневым продувочным насосом, приводимым от коленчатого вала или от электродвигателя.

Идея бескомпрессорного дизеля, в котором топливо подается в цилиндр в мелко распыленном виде за счет предварительного сжатия топлива до высокого давления, запатентована в 1898 году студентом Петербургского технологического института Г. В. Тринклером (впоследствии профессором Горьковского института инженеров водного транспорта). Эта идея получила широкое развитие лишь в 30-е годы, когда была создана достаточно надежная топливная аппаратура для непосредственного впрыска топлива с помощью насосов высокого давления.

Особенно быстрое развитие дизелестроения наблюдалось после 2-й мировой войны. Преимущественное распространение в качестве главного двигателя на судах транспортного флота получил малооборотный крейцкопфный 2-тактный реверсивный бескомпрессорный дизель простого действия, работающий непосредственно на винт. В качестве вспомогательных двигателей использовались и используются по сей день среднеоборотные тронковые 4-тактные дизели.

В 50-е годы прошлого века ведущие дизелестроительные фирмы развернули работы по форсировке двигателей с помощью газотурбинного наддува, испытанного и запатентованного инж. Buchi (Швейцария) еще в 1925 году. В малооборотных 2-тактных двигателях благодаря наддуву среднее эффективное давление в цилиндре p_e было поднято от 4-6 бар (начало 50-х годов) до 7-8,3 бар в 60-е годы при значении эффективного КПД двигателей до η_e = 38-40 %. В 70-е годы при дальнейшей форсировке двигателей наддувом среднее эффективное давление в цилиндре было увеличено до 11-12 бар; максимальные диаметры цилиндров достигли 1 050-1 060 мм при ходе поршня 1 900-2 900 мм и цилиндровой мощности до 3 700-4 400 кВТ (5 000-6 000 элс).

В настоящий период промышленность поставляет на мировой рынок судовые малооборотные двигатели со средним эффективным давлением в цилиндре p_e = 19,2-20,0 бар, с диаметром цилиндров до D = 960-1 080 мм и ходом поршня до S = 3 150-3 420 мм. Мощность в одном цилиндре достигла значения 5,72-7,35 тысяч кВт, агрегатные мощности достигли величины N_e = 80 080-103 000 кВТ (108 000-140 000 элс) при эффективном КПД до 48-52 %. Таких показателей экономичности не добивались ни в одном тепловом двигателе.

У среднеоборотных 4-х тактных двигателей в 50-е годы среднее эффективное давление p_e лежало в пределах 6,75-8,5 бар. В 60-е годы p_e было увеличено до 14-15 бар. В 70-80-е годы все ведущие дизелестроительные фирмы достигли уровня p_e 17-20 бар; в опытных двигателях получено p_e 25-30 бар. Максимальный диаметр цилиндра составил D = 600-650 мм, ход поршня S = 600-650 мм, максимальная цилиндровая мощность N_eц = 1 100-1 200 кВт (1 500-1 650 элс), эффективный КПД 42-45 %. Примерно такие показатели предлагаются на рынке среднеоборотных 4-тактных двигателей и сегодня.

Тенденция к более широкому использованию среднеоборотных двигателей в качестве главных на судах морского флота проявились в 60-е годы. В какой-то степени это было связано с успехами фирмы Пилстик (Франция), создавшей двигатель РС-2 высокой конкурентоспособности, а также с потребностями развития специализированных судов, выдвигавших ограничение по высоте машинного отделения. В последующем двигатели этого типа были созданы и другими фирмами — V 65/65 Зульцер-МАН, 60М Митсуи, ТМ-620 Сторк, ВяртсиляНасосы двигателей Вяртсиля 46 и др. Дальнейшее совершенствование среднеоборотных судовых двигателей идет по пути увеличения хода поршня, форсировки наддувом, повышения экономичности рабочих циклов и экономичности эксплуатации путем использования все более тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов с выхлопными газами в окружающую среду.

Малооборотный 2-тактный дизель остается наиболее распространенным главным двигателем современных морских судов. При этом в результате острой конкурентной борьбы на рынке этого класса двигателей остались лишь 3 конструкции — фирмы Бурмейстер и Вайн (Дания) и Зульцер (Швейцария). Прекратили выпуск малооборотных двигателей подобной конструкции фирмы МАН (Германия), Доксфорд (Англия), Фиат (Италия), Гетаверкен (Швеция), Сторк (Голландия).

Фирма Бурмейстер и Вайн создала в 1981 году ряд высокоэкономичных длинноходовых двигателей типа МС. Однако фирма не могла преодолеть финансовых затруднений и уступила контрольный пакет акций фирме МАН. Объединение MAN-B&W продолжает совершенствовать двигатели ряда МС, предлагая потребителям крейцкопфные двигатели с диаметром цилиндров от 260 до 1 080 мм и с отношением хода поршня к диаметру, равным S/D = 2,8; 3,2 и 3,8.

Фирма Зульцер, создав в начале 80-х годов достаточно высокоэффективный ряд двигателей типа RTA, тем не менее, из года в год сокращала их выпуск. В 1996 и 1997 гг. фирма вообще не получила заказов на двигатели RTA. Как итог, контрольный пакет акций фирмы Нью Зульцер Дизель был куплен фирмой Вяртсиля (Финляндия).

Дальнейшее совершенствование малооборотных крейцкопфных дизелей идет по пути их форсировки наддувом, уменьшения удельного веса, повышения надежности, увеличения срока службы между вскрытиями, использования самых тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов в окружающую среду. Учитывая ограниченность запасов жидкого нефтяного топлива на земле, проводятся исследовательские работы по использованию угольной пыли в качестве топлива в цилиндре малооборотного дизеля.

Последние достижения мирового дизелестроения – создание электронно управляемых двигателей (“Intelligent Engines“), в которых отсутствует распределительный вал, рабочий процесс в цилиндрах управляется с помощью компьютера, индивидуального для каждого цилиндра. Успешны испытания электронной системы управления рабочим процессом в цилиндре в условиях эксплуатации были впервые проведены в 2000 году на главном двигателе MAN-B&W 6L60MC теплохода “Bow Cecil” дедвейтом 37 500 т. В марте 2001 года приведены испытания судна из новостроя – танкера класса VLCC дедвейтом 314 500 т с двумя двигателями MAN-B&W 7S60MC постройки Hyundai Heavy Industries, Корея. Оба двигателя оснащены электронной системой управления топливоподачей и газораспределения, как и главный дизель т/х “Bow Cecil“.

В сентябре 2001 года были успешно проведены ходовые испытания балкера дедвейтом 47 950 т “Gypsum Centennial” с главным двигателем Sulzer 6RT-flex58T-B мощностью 11 275 кВт при 93 об/мин.

Двигатель – полностью электронно управляемый, с системой топливоподачи “обще-распределительного (аккумуляторного) типа. Программа развития производства Vartsila-Sulzer предусматривает выпуск 10 типов двигателей с электронным управлением, покрывающих диапазон мощностей от 5 100 до 80 080 кВт.

В России современные малооборотные дизели выпускаются с 1959 года на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы Бурмейстер и Вайн. Двигатели устанавливаются как на российских судах, так и на судах иностранной постройки.

Дальнейшее совершенствование малооборотных крейцкопфных двигателей идет по пути их форсировки наддувом, уменьшения удельного веса, повышения надежности, увеличения срока службы между вскрытиями, использования самых тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов в окружающую среду. Учитывая ограниченность запасов жидкого нефтяного топлива на земле, проводятся исследовательские работы по использованию угольной пыли в качестве топлива в цилиндре малооборотного дизеля.