Создание ДВС — краткая история, современное состояние, оценка перспектив и направлений развития

Первые идеи создания двигателей внутреннего сгорания относятся к XVII веку, в 1 680 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.

Первый рабочий двигатель Рудольфа Дизеля
Дизельный двигатель

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 70-80-е годы XIX века началось широкое практическое применение бензиновых двигателей 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 ат, КПД — 75%, работа — по циклу Карно (подвод тепла при T=const), без охлаждения цилиндров, топливо-угольная пыль.

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.

Костович у своего двигателя

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».

Русские инженеры решили многие конструктивные вопросы дизелестроения, при-дали деталям ту конструкцию, которая впоследствии стала общепринятой. В нашей стране 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») для плавания в Каспийском море водоизмещением 6000 т с двумя дизелями по 500 л.с. Следом за заводом «Л. Нобель» к производству дизелей приступили Коломенский и Сормовский заводы.

Человек, который построил первый дизельный двигатель

В 1893 году на заводе фирмы 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 сжатым воздухом, сгорание — при Р=const, предусматривалось водяное охлаждение цилиндров.

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 дизелей 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 2400 л.с.

Преимущественное распространение в мировой практике от начала использования до середины 30-х годов 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. Продувка 2-тактных ДВС осуществлялась поршневым продувочным насосом, приводимым от коленчатого вала.

Идея бескомпрессорного дизеля, запатентованная в 1898 году студентом Петербургского технологического института Г.В. Тринклером (впоследствии профессором Горьковского института инженеров водного транспорта), получила широкое развитие лишь в 30-е годы, когда была создана достаточно надежная топливная аппаратура для непосредственного впрыска топлива с помощью насосов высокого давления.

Первый двигатель Рудольфа Дизеля

В 1898 году Петербургский механический завод фирмы «Людвиг Нобель» (ныне 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.

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 ведущие дизелестроительные фирмы развернули работы по форсировке двигателей с помощью газотурбинного наддува, испытанного и запатентованно¬го инж. Buchi (Щвейцария) еще в 1925 году. В малооборотных 2-тактных двигателях благодаря наддуву среднее эффективное давление в цилиндре Ре было поднято от 4-6 кг/см2 (начало 50-х годов) до 7-5-8,3 кг/см2 в 60-е годы при значении эффективного КПД двигателей до 38-40%. В 70-е годы при дальнейшей форсировке двигателей наддувом среднее эффективное давление в цилиндре было увеличено до 11-12 кг/см2; максимальные диаметры цилиндров достигли 1050-1060 мм при ходе поршня 1900-2900 мм и цилиндровой мощности 5000-6000 элс.

В настоящий период промышленность поставляет на мировой рынок судовые малооборотные двигатели со средним эффективным давлением в цилиндре 18-19,1 кг/см2, с диаметром цилиндров до 960-980 мм и хо¬дом поршня до 3150-3420 мм. Агрегатные мощности достигают 82000-93000 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 Ре лежало в пределах 6,75-8,5 кг/см2. В 60-е годы Ре было увеличено до 14-15 кг/см2. В 70-80-е годы все ведущие дизелестроительные фирмы достигли уровня Ре 17-20 кг/см2; в опытных двигателях получено Рe 25-30 кг/см2. Максимальный диаметр цилиндра составил Дц = 600-650 мм, ход поршня S = 600-650 мм, максимальная цилиндровая мощность Neц = 1500-1650 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 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, 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.

Судовой дизельный двигатель Вяртсиля

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 2 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 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).

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 280 до 980 мм и с отношением хода поршня к диаметру, равным S/D = 2,8; 3,2 и 3,8.

В России современные малооборотные дизели выпускаются с 1959 года на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы Бурмейстер и Вайн. Двигатели устанавливаются как на отечественных 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.

Февраль, 13, 2015 2115 0
Читайте также