ДИЗЕЛЬ

ДИЗЕЛЬ, двигатель внутреннего сгорания (с внутренним смесеобразованием), в к-ром топливо впрыскивается в цилиндр двигателя в конце процесса сжатия и самовоспламеняется, вследствие соприкосновения с нагретым (в результате сжатия) воздухом. В 1899 в России (в Петербурге) был построен первый Д., работающий на нефти. В наст. время Д. работают, гл. обр., на жидком тяжёлом топливе (см. Топливо), к-рое характеризуется темп-рой кипения в 200 - 400° и не может применяться в карбюраторных двигателях (см.). Экономичность и надёжность в работе Д. обеспечили им большое распространение во всех областях народного хозяйства.

Основные особенности рабочего процесса Д. след.: 1) заполнение цилиндра при всасывающем такте свежим зарядом воздуха; 2) сжатие воздуха до высокого давления (28 - 38 атм.), благодаря чему темп-pa воздуха достигает к концу сжатия 550 - 650°; 3) распыливание топлива (разделение на мелкие капли при смесеобразовании), самовоспламенение и сгорание его, при к-ром давление повышается до 40 - 80 атм. и выше, а темп-pa до 1800° и выше; 4) расширение газов (в результате сгорания топлива), к-рые совершают работу; давление при этом понижается до 3 - 4 атм., а темп-pa до 1000°; 5) выхлоп отработанных газов за счёт разности давлений в цилиндре и окружающего воздуха; 6) окончательное очищение цилиндра от отработанных газов; давление понижается до 1,1 атм., а темп-pa до 450 - 650°. Рабочий процесс Д. может совершаться в 2 или 4 хода поршня, или такта, поэтому Д. соответственно называются 2- или 4-тактными.

По способу распыливания топлива различают Д. с пневматическим распыливанием (компрессорные) и Д. с механическим распыливанием (бескомпрессорные).

Компрессорные Д. В этих Д. (рис. 1) распыливание топлива производится за счёт энергии сжатого воздуха. Топливо из бака 1 поступает к насосу 2. Насос 2 за 60 - 80° до верхней мёртвой точки (ВМТ) начинает нагнетать топливо к форсунке 4 под установленным давлением, к-рое поддерживается на должном уровне (50 - 70 атм.) при помощи перепускного клапана 3. Топливо, нагнетаемое к форсунке, не может проникнуть в цилиндр Д., т. к. проход, через к-рый оно должно пройти, закрыт спец. клапаном - иглой. Из баллона 9 воздух, под давлением ок. 70 атм., подводится по воздухопроводу к форсунке. За 5 - 10° до ВМТ игла форсунки принудительно приподнимается, и через открывшийся проход топливо продувается воздухом в цилиндр и распыливается. Запас воздуха, необходимого для распыливания топлива и пуска Д., пополняется компрессором, к-рый сжимает воздух до требуемого давления последовательно в 2 или 3 ступенях с промежуточным охлаждением. В наст, время компрессорные Д. не изготовляются, т. к. они усложнены наличием многоступенчатого компрессора с охладителями, форсункой с механическим управлением, системой баллонов и воздухопроводов высокого давления. Всё это приводит к увеличению веса и стоимости, уменьшению надежности работы и усложнению обслуживания.

Рис. 1. Схема пневматического распыливания топлива: 1 - топливный бак; 2 - топливный насос; 3 - перепускной клапан; , 4 - форсунка; б - первая ступень компрессора; 6 - вторая ступень компрессора; 7 - охладитель сжатого воздуха первой ступени; 8 - охладитель сжатого воздуха второй ступени; 9 - баллон форсуночного воздуха; 10 - пусковой клапан; 11 - рабочий цилиндр дизеля; 12 - баллон пускового воздуха

Рис. 2. Схема механического непосредственного распыливания топлива: 1 - топливный насос; 2 - нагнетательный трубопровод; 3 - форсунна; 4 - кулачковый привод насоса. Бескомпрессорные Д. с механическим распыливанием топлива изготовляются 2 типов: Д. с неразделённой камерой сгорания и Д. с разделённой камерой сгорания

Бескомпрессорные Д. с механическим распылением топлива изготавливаются 2 типов: Д. с неразделенной камерой сгорания.

В Д. с неразделённой камерой сгорания процесс распыливания осуществляется за счёт высоких давлений впрыскиваемого топлива (рис. 2). Для улучшения смесеобразования, воздуху, находящемуся в полости цилиндра, часто сообщается завихривание. Форма камеры сгорания максимально приближается к форме струи (факела) распыливаемого топлива. Число и расположение струй (факелов) топлива подбирается из условий наилучшего смесеобразования. Непосредственное распыливание характеризуется высокими максимальными давлениями впрыскивания - 300 - 400 атм. (в отдельных случаях до 1400 атм.). Непосредственное распыливание топлива предъявляет исключительно высокие требования к системе топливоподачи (см. Дизельная топливная аппаратура). Характерным для этих Д. является относительно высокое давление сгорания (80 атм. и выше). Степень сжатия 12 - 16,5; имеются отдельные двигатели со степенью сжатия в 18 - 19. Расход топлива на единицу мощности при непосредственном распыливании - 160 - 200 ^г/_л. с. ч. Это объясняется относительно малыми тепловыми потерями и довольно простыми формами камеры сгорания, при к-рых достигается наименьшее отношение поверхности камеры сгорания к объёму (1,7 - 2,3).

Рис 3. Схема предкамерного распиливания: 1 - форсунка; 2 - предкамера; 3 - камера сгорания

Рис. 4. Схемы вихре-камерного распиливания

Рис. 5. Схемы воздушно-камерного распиливания

Рис 6. Экономическая характеристика дизеля 2Д 16/20; п = 650 об/мин.; Р₀ - 105 атм

Рис. 7. Регуляторная характеристика дизеля М-17

Рис. 8. Продольный разрез дизеля 4 Д 19/32 140 л. с

Рис. 9. Поперечный разрез дизеля 4Д 19/32 140 л. с

В Д. с разделённой камерой сгорания последняя разделяется на 2 части для улучшения смесеобразования и условий работы системы топливоподачи. В зависимости от соотношения объёмов и протекающих процессов смесеобразования эти Д. разделяются на след. группы: 1) Д. с предкамерным распыливанием; 2) Д. с вихре-камерным распыливанием; 3) Д. с воздушно-камерным распыливанием.

В Д. с предкамерным распыливанием (рис. 3) при положении поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ) объём пространства сжатия делится на 2 части: большая часть камеры сгорания составляет в ср. 65 - 72%, меньшая (предкамера) - 35 - 28%. Горловина, соединяющая эти 2 объёма, имеет 1 или неск. отверстий. Площадь сечения этих отверстий равна 0,2 - 0,5% площади поршня. Распыливание топлива, поданного в предкамеру, осуществляется, гл. обр., за счёт интенсивного завихривания воздуха при поступлении его в предкамеру. Топливо, впрыснутое в предкамеру, частично сгорает. Это ведёт к повышению темп-ры и возрастанию давления в предкамере. Энергия газов, получившихся от сгорания части топлива, используется для распыливания не сгоревшего в предкамере топлива. Не сгоревшее в предкамере топливо давлением газов выбрасывается в надпоршневое пространство, распыливается и перемешивается с воздухом. Характерным для этих Д. являются сравнительно низкие давления впрыскивания топлива, в основном, не превышающие 150 атм. Удельный расход топлива у этих д. равен 210 - 220 ^г/_л. с. ч. Степень сжатия равна 15 - 22. Давление сгорания в цилиндре достигает 40 - 55 атм. В предкамере давление поднимается до 70 - 90 атм. Д. с предкамерным распыливанием с Успехом работают на топливах различных сортов. Эти Д. обладают хорошей приспособляемостью к изменению скоростного режима и характеризуют-ся плавным сгоранием топлива, мягкой работой. Недостатки - повышенный расход топлива, по сравнению с Д. с непосредственным распыливанием, и трудность пуска.

Рис. 10. Продольный разрез дизеля М-17

Рис. 11. Поперечный разрез дизеля М-17

В Д. с вихре-камерным распыливанием (рис. 4) вихревая камера составляет 65 - 85% всего объёма пространства сжатия. Горловина камеры располагается так, чтобы воздух, входящий в камеру, в период сжатия получил надлежащее завихривание. Площадь проходного сечения горловины составляет 2 - 4% площади поршня. Распыливание и смесеобразование осуществляются, гл. обр., за счёт энергии завихривания. Топливо впрыскивается поперёк направления вихря; смесеобразование происходит в камере. Иногда камера сгорания снабжается жароупорным вкладышем, аккумулирующим тепло и облегчающим самовоспламенение топлива. Давление сгорания сравнительно низкое, 50 - 60 атм. Максимальное давление впрыскивания - 250 - 350 атм., степень сжатия 14 - 18, удельный расход топлива - в пределах от 200 до 210 ^г/_л. с. ч.

В Д. с воздушно-камерным распыливанием (рис. 5) для смесеобразования используется струя воздуха, аккумулируемого во время процесса сжатия и поступающего во время расширения из особой камеры, причём смесеобразование происходит вне этой камеры. Давление впрыска, сгорания, удельный расход топлива близки к таковым в Д. с вихре-камерным распыливанием. Д. с воздушно-камерным распыливанием имеют различные соотношения объёмов пространства сжатия; камера составляет от 20 - 30 до 60 - 70% (рис. 5).

В Д. количество подаваемого в цилиндр топлива изменяется пропорционально нагрузке. Начиная с нек-рого предела, увеличение подачи топлива приводит к тому, что воздуха оказывается недостаточно для полного и хорошего сгорания распыливаемого топлива. Работа Д. в этом случае сопровождается дымным выхлопом, перерасходом топлива, перегревом двигателя и обильным отложением нагара на поверхности камеры сгорания, клапанах, днище поршня и т. д. Для предупреждения излишнего обогащения смеси и перехода предела дымления, подача топлива насосом, рассчитанным с известным запасом, ограничивается.

Оценка Д. по нагрузке и экономичности позволяет характеризовать свойства данного Д. Для оценки Д. пользуются характеристиками, к-рые получаются при испытании двигателя. Стационарные Д., работающие при неизменном скоростном режиме, оцениваются по совокупности качеств, экономичности и нагрузке. Зависимость экономичности двигателя от нагрузки Р_е при постоянном числе оборотов и нормальных условиях называется экономической характеристикой Д. На рис. 6 приведена экономическая характеристика Д. завода "Коммунист", тип 2 Д 16/20.

Автомобильные и тракторные Д. работают при изменяющихся режимах нагрузки и переменных числах оборотов. Для оценки по нагрузке и экономичности, в условиях переменных чисел оборотов, пользуются также характеристиками. На рис. 7 приведена регуляторная характеристика Д. марки М-17 на тракторе С-65.

Конструкция Д. Ввиду чрезвычайного разнообразия областей применения Д. они имеют широкие пределы мощностей (от 1 до 22000 л. с. и выше) и различные числа оборотов (от 90 до 4000 ^об/_мин.); конструктивное оформление их весьма разнообразно. За исключением Д. самых мелких мощностей (5 - 15 л. с), Д. обычно выполняются многоцилиндровыми (до 16). До последнего времени были распространены преимущественно вертикальные Д. В связи с использованием Д. на автомобилях, тракторах и самолётах появились Д. горизонтальные, звездообразные и т. п. Конструктивная схема Д, с механическим предкамерным распыливанием топлива приведена на рис. 8 и 9, изображающих схематический разрез 2-тактного стационариого Д. Воронежского з-да им. Сталина. Блок цилиндров 1 (рис. 8) и картер представляют одно целое - остов двигателя. Коленчатый вал 2 лежит в коренных подшипниках 3 блок-картера. Внутрь блок-картера вставляется гильза цилиндра 4, устройство к-рой допускает свободное расширение вдоль оси цилиндра. Верхняя часть блок-картера образует водяную рубашку. Циркулирующая вода омывает гильзу цилиндра, охлаждая её. Ниже расположены продувочные окна 5, а против них выхлопные. К блок-картеру сверху крепятся головки, к-рые имеют коробчатое сечение для увеличения жёсткости. В головке помещается форсунка для подачи топлива. Продувочный воздух подаётся от отдельного насоса 6 коловоротного типа в полость блок-картера. К продувочным окнам воздух подаётся по специально направленным каналам 7. Продувочный воздух подводится к цилиндру с 2 сторон двумя потоками, направленными под углом к оси цилиндра, с уклоном в сторону, противоположную выхлопным окнам. Продувочный насос приводится во вращение системой шестерён от коленчатого вала. Одна из шестерён 8 имеет зубчатый венец, упруго соединённый со ступицей для поглощения инерционных усилий при резком изменении скоростного режима. Для равномерности вращения на коленчатом валу 2 имеется маховик 9. Для передачи вращения на трансмиссию или генератор укрепляются шкивы ю. Поршень 11 имеет днище, соответствующее принятой системе распиливания топлива. В данном случае распыливание предкамерное. Топливный насос 12 получает движение от коленчатого вала. Топливо от насоса под давлением поступает к форсунке 13, к-рая впрыскивает его в предкамеру. Смазка двигателя - под давлением, циркуляционная. Масло из маслоохладителя под давлением подводится к коренным, а от них, по сверлениям в коленчатом вале, к шатунным подшипникам и далее по сверлению в шатуне 14 к поршневому пальцу. Масляный насос приводится в действие от той же шестерни, что и привод топливного насоса. Центробежный регулятор установлен на одном валу с топливным насосом. Пуск Д. осуществляется сжатым воздухом. Вес Д. ок. 30 ^кг/_л. с. Расход топлива 200 ^г/_л. с. ч. В табл. 1 приведены основные показатели стационарных Д. отечественного производства, а в табл. 2 показатели быстроходных Д. Последние применяются на тракторах и автомобилях отечественного производства. Наибольшее распространение имеют Д. типа М-17 Челябинского з-да им. Сталина.

Рис. 12. Продольный разрез дизеля КД-35-НАТИ

Рис. 13. Поперечный разрез дизеля КД-35-НАТИ

Табл. 1. Основные показатели отечественных стационарных дизелей

Табл. 2. Основные показатели отечественных быстроходных дизелей

Д. М-17 (рис. 10 и 11) 4-тактный, 4-цилиндровый, предкамерный. Цилиндры вертикальные, блок-картер имеет вставные мокрые гильзы. Головка одна на 2 цилиндра. Водяное пространство головки и блока сообщаются; блок разделён перегородками. Анкерные болты полностью разгружают блок от растягивающих усилий. Предкамера и форсунка расположены под углом 15э к вертикали. Объём предкамеры 28% объёма цилиндра при положении поршня в ВМТ или 2% рабочего объёма. Поршень двигателя из алюминиевого сплава. В днище поршня имеется сферическая выемка. Шатун двутавровый. Коленчатый вал 5-опорный с продольной фиксацией. Смазка - принудительная, масляный насос сдвоенный. Масло, подаваемое в магистраль, проходит через фильтр. Система охлаждения - водяная, с центробежным насосом и термостатом. Топливо подаётся к закрытой форсунке топливным насосом золотникового типа (см. Дизельная топливная аппаратура). С левой стороны Д. расположен бензиновый пусковой двигатель марки В-20 с автоматическим механизмом выключения и редуктором. Для облегчения пуска Д. М-17 снабжён декомпрессором. Д. М-17 установлен на тракторах ЧТЗ С-65 (см. Трактор).

Д. КД-35-НАТИ, предназначенный для установки на трактор "Кировец Д-35" (рис. 12 и 13), 4-тактный, 4-цилиндровый, с вихре-камерным распиливанием. Блок двигателя чугунный, цилиндровые гильзы сменные мокрого типа, коленчатый вал сверленный, 5-опорный, с противовесами. Осевая фиксация вала в 5-м коренном подшипнике; коренные и шатунные подшипники с взаимозаменяемыми стальными вкладышами, залитыми свинцовистой бронзой. Шейки вала имеют поверхностную закалку. Шатун двутаврового сечения. Поршень из алюминиевого сплава; пальцы плавающего типа. Головка двигателя одна на все 4 цилиндра. Камера сгорания сферической формы (рис. 4); нижняя половина с горловиной из жароупорной стали. Для улучшения смесеобразования имеются дополнительные каналы, направленные касательно к сфере камеры. Давление в начале подачи топлива 125 атм. Топливный насос конструкции НАТИ. Форсунка завода ККАЗ (см. Дизельная топливная аппаратура). Смазка под давлением с охлаждением масла в спец. радиаторе. Для пуска Д. имеет пусковой 1-цилиндровый, 2-тактный, бензиновый двигатель, развивающий при 3500 ^об/_мин. около 8 л. с.

На автомобилях Ярославского завода устанавливается 2-тактный, 4-цилиндровый Д. с непосредственным распыливанием (неразделённая камера). Продувка цилиндра и заполнение свежим воздухом при помощи спец. продувочного насоса. Блок чугунный, цилиндровые гильзы сухого типа с 2 рядами продувочных окон. Коленчатый вал 5-опорный с взаимозаменяемыми вкладышами, залитыми свинцовистой бронзой. Поршень из спец. чугуна. Для охлаждения днища поршня через сверление в шатуне и распылитель в верхней головке подводится масло.

Поршневые пальцы плавающего типа. Головка общая для всех цилиндров. Для выпуска продуктов сгорания при продувке в головке имеются выхлопные клапаны (по 2 на цилиндр). Подача топлива осуществляется при помощи насос-форсунки (см. Дизельная топливная аппаратура) под давлением счэ 1400 атм. (при 2000 ^об/_мин.). Смазка под давлением. Для охлаждения масла имеется спец. радиатор. Пуск при помощи электростартера.

Д. Попов

Литература: Болтинский В., Автотракторные двигатели, 4 изд., М., 1948; его же, Трактор "Кировец Д-35", М., 1948; Брилинг Н., Двигатели внутреннего сгорания, 3 изд., М.-Л., 1935; Ваншейдт В., Судовые двигатели внутреннего горения, ч. 1, Л.-М., 1938; Засс Ф., Бескомпрессорные двигатели Дизеля со струйным смесеобразованием, 2 изд., М.-Л., 1935; Карнаухов Н., Розанов В., Трактор "Сталинец-65", 4 изд., М., 1947; Никифоров А. [и др.], Трактор "Сталинец-80", 2 изд., М., 1948; Тракторный дизель "М-17" (с атласом чертежей), под ред. А. В. Лебедева, Челябинск, 1938.

Источники:

1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 1 (А - Е)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1949, с. 620