История дизельных двигателей: технологии, покорившие мир
Для технического прорыва понадобилось всего 13 страниц – на них Рудольф Дизель изобразил и описал двигатель, названный впоследствии его именем. Патент на изобретение под номером 67207 был выдан Имперским патентным ведомством Германии 120 лет назад. Именно тогда, 23 февраля 1893 года, началась история, результатом которой стали миллионы легковых автомобилей, грузовиков и кораблей, работающих на дизельных двигателях сегодня. К сожалению, сам г-н Дизель не дожил до всемирного успеха своего детища: он умер во время морского путешествия 29 сентября 1913 года – ровно сто лет назад.
Секрет успеха его разработки заключался в самовоспламенении топливной смеси – именно это свойство остается ключевым в дизельном двигателе и сегодня. В конструкции Рудольфа Дизеля воздушно-топливная смесь была сжата в соотношении 20:1, что создавало условия для самовоспламенения. В результате эффективность агрегата значительно возросла. Когда Дизель начинал работу над своим двигателем, эффективность бензиновых моделей достигала всего 12%, а газовых – 17%. При этом даже первый прототип изобретателя демонстрировал 25% эффективности.
Дизельные двигатели выходят на рынок: от Mercedes-Benz 260 D до Golf GTD
Уже в 20-х годах прошлого века автомобильные эксперты пророчили дизельному двигателю большое будущее. Однако ждать наступления этого «золотого времени» пришлось не один год. Первый грузовой автомобиль с дизельным двигателем был выпущен в Германии в 1924 году, и только в 1929 году американский производитель двигателей Cummins в качестве эксперимента использовал дизельный двигатель в легковом автомобиле. Первой серийной легковой моделью, работающей на дизеле, стал Mercedes-Benz 260 D, вышедший в 1936 году. Однако понадобилась еще четверть века, чтобы водители перестали воспринимать дизели как медленные, скучные, шумные и грязные моторы.
Впрочем, со временем отношение потребителей изменилось. После Второй мировой войны дизельные авто стали постепенно завоевывать рынок. А появление в 1975 году автомобиля VW Golf Diesel произвело настоящий фурор. Этот компактный хэтчбек стал первой компактной моделью, оснащенной высокооборотным дизельным двигателем. При этом топливные насосы распределительного типа от Bosch обеспечивали автомобилю еще и высокую экономичность. Версия Golf GTD с турбонаддувом и, соответственно, повышенной производительностью, вошла в историю как первый спортивный дизельный легковой автомобиль. На волне такого успеха все ведущие автопроизводители Европы наладили выпуск моделей среднего и гольф-класса, оснащённых дизельными двигателями.
Рубеж в 1000 бар: повышение давления впрыска увеличивает производительность
Завоевав класс компактных автомобилей, дизельная технология продолжила покорение автопрома. Постепенно повышалось давление, а непосредственный впрыск заменил конструкцию с разделёнными камерами сгорания. В 1989 году в автомобиле Audi 100 TDI дебютировал первый аксиально-плунжерный топливный насос высокого давления распределительного типа для непосредственного впрыска дизельного топлива. По новой технологии Bosch топливо под давлением около 1000 бар подавалось непосредственно в цилиндр, что обеспечивало эффективное сгорание. В результате повышалась мощность двигателя, а расход топлива и уровень выбросов снижались. Спустя сто лет после изобретения дизельного двигателя Bosch совершил технический прорыв.
В конце 1990-х годов компания поставляла на рынок несколько разновидностей систем непосредственного впрыска, которые включали в себя радиально-поршневой распределительный насос, технологию с насос-форсунками, систему Common Rail. Уже первые модели были рассчитаны на работу при давлении около 1500 бар, а последующие поколения поддерживали 2000 бар и выше.
Система Common Rail со временем стала доминирующей технологией, что во многом связано с ее тихой и эффективной работой. Особенность системы заключается в том, что топливо подается во все цилиндры при постоянном давлении. Пиковое давление в таких системах ниже, чем при использовании технологии насос-форсунка (где показатели могут достигать значений гораздо более 2000 бар и обеспечивать низкий расход топлива), однако стабильно высокое давление, при котором топливо хранится в общем распределителе, позволяет осуществлять до восьми впрысков за один цикл. Возможность делать предварительные и дополнительные впрыски позволяет двигателю работать тише, а также сокращает уровень выбросов. Таким образом, система Common Rail позволяет снизить вредное воздействие на окружающую среду.
Каждый второй новый автомобиль в Германии – дизельный
Сегодня уже нет сомнения, что дизель предоставляет мощность и динамику, соответствующую или даже превосходящую другие типы двигателей. Благодаря турбокомпрессорам с изменяемой геометрией турбины, которые сейчас являются стандартом, современные дизельные двигатели демонстрируют высокий крутящий момент даже на низких оборотах. Распространенное мнение о том, что дизельные двигатели – это грязь и шум, давно осталось в прошлом. Современные транспортные средства, работающие на дизеле, тихие и экономичные. Системы обработки выхлопных газов, подобные Denoxtronic, дополнительно сокращают выбросы оксидов азота, позволяя соответствовать даже самым строгим стандартам, таким как Euro-6. Дизельный двигатель проделал путь от диковинки и статуса рабочей лошадки до повсеместного использования. Если в 1997 году только 22% автомобилей, проданных в Западной Европе, были дизельными, то сегодня эта цифра составляет около 50%. Даже учитывая активное развитие альтернативных силовых агрегатов, перспективы дизельных двигателей по-прежнему велики. Уже сейчас из Франкфурта в Рим можно доехать на одном баке, а уровень выбросов СО2 составит всего 100 г/км. Кроме того, дизельные двигатели могут быть объединены с электрическими компонентами для создания гибридного привода. Такой подход уже реализован в современных автомобилях Peugeot 3008_Hybrid4 и Volvo V60.
Конечно, Рудольф Дизель даже не мечтал ни о чем подобном, когда впервые собрал свой двигатель в 1897 году. Однако запись в дневнике изобретателя свидетельствует, что он высоко оценивал потенциал своего детища: «После долгих лет напряженных усилий и преодоления невообразимых трудностей, мне наконец-то удалось создать машину, воплощающую мою задумку. Это плавно работающий, очень простой и удобный в эксплуатации механизм, результаты работы которого превосходят все разработки, сделанные ранее». С мнением Рудольфа Дизеля и сегодня согласны миллионы водителей во всем мире.
История создания дизельного двигателя.
История дизельного двигателя началась с истории его изобретателя.
Теодор Дизель, немецкий иммигрант, владел в Париже небольшой мастерской. Но в 1870 году вместе с женой и 12-летним сыном Рудольфом уехал из занятой немецкими войсками столицы Франции в Лондон: через полвека искатели сенсаций сочтут это весьма многозначительным фактом. В 1871 году Дизели поселились в немецком городе Аугсбурге, а еще через девять лет Рудольф с отличием окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене, получил степень доктора и на полгода отправился практиковаться на машиностроительную фабрику братьев Зульцер в Швейцарию.
А вскоре мюнхенский профессор Карл фон Линде, очарованный прилежным и схватывающим все на лету молодым человеком, предложил ему место директора филиала своей фирмы в Париже. Именно профессор, изобретатель «холодильника Линде», заинтересовал Дизеля проблемами тепловых двигателей — паровых и только-только появившихся благодаря изобретениям еще одного немца, Николауса Августа Отто, моторов внутреннего сгорания.
За десять лет Дизель создал сотни чертежей и расчетов двигателя абсорбционного типа, работавшего на аммиаке (как в домашних холодильниках недавнего прошлого). Фантазия молодого инженера не знала границ — от миниатюрных моторчиков для швейных машин и прялок до гигантских стационарных агрегатов, использующих к тому же солнечную энергию! И все же цель ускользала — Дизелю никак не удавалось создать, хотя бы на бумаге, эффективный двигатель, чей КПД оказался бы выше 10-12 процентов и превзошел паровую машину.
Свет в конце тоннеля забрезжил в 1890 году. Рудольф оставил фон Линде, переехал в Берлин и… заменил аммиак сильно нагретым сжатым воздухом. «Не могу сказать, — писал позже изобретатель, — когда именно возникла у меня эта мысль. В неустанной погоне за целью, в итоге бесконечных расчетов родилась наконец идея, наполнившая меня огромной радостью, — нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо и одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».
28 февраля 1892 года Дизель подал заявку на изобретение «нового рационального теплового двигателя», а 23 февраля следующего, 1893 года получил немецкий патент № 67207 на «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин».
«Моя идея, — писал он семье в Мюнхен, — настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать — я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!»
Все изложенные в этих патентах и брошюре предложения Рудольфа Дизеля сводились в основном к тому, чтобы при работе двигателя температура в рабочем цилиндре, необходимая для сжигания топлива (жидкого, газообразного или пылевидного), создавалась не в процессе горения топлива, а еще раньше — в результате адиабатного (без теплообмена с окружающей средой) сжатия в цилиндре до высокого давления заряда чистого воздуха (а не смеси его с топливом, как в двигателе Н. Отто).
Сжатие именно чистого воздуха, а не горючей смеси давало возможность предотвратить преждевременные вспышки наиболее легких фракций топлива, что обычно происходило при повышении степени сжатия в уже существовавших тогда типах двигателей и мешало дальнейшему повышению их КПД. Причем наивысшая температура должна была по замыслу Дизеля создаваться также в этом процессе адиабатного сжатия заряда чистого воздуха, а не при сгорании топлива.
Топливо же в этот воздух, разогретый до температуры, значительно превышающей температуру самовоспламенения горючего вещества, находящегося в твердом, жидком или газообразном состоянии, должно было подаваться постепенно, малыми дозами с такой закономерностью, чтобы процесс сгорания и расширения газов во время горения почти не отличался от изотермического.
Увы, первый экспериментальный двигатель — махина весом в 4,5 тонны оснащена была трехметровым маховиком — взорвался, чудом не убив никого из рабочих и инженеров аугсбургской фабрики. Но уже через пять месяцев, в январе 1895 года, двигатель Дизеля работал целую минуту и при 88 оборотах развил 13,2 л. с.
Однако из-за сильного перегрева мотора прогорал поршень и ломались клапанные пружины. Тогда Дизель решил, что виноват во всем жидкий бензин, и стал использовать в качестве топлива его пары. Цилиндр снабдили водяной рубашкой, а в головку вмонтировали свечу зажигания, отказавшись от краеугольного камня открытия Дизеля — принципа «самовоспламенения от сжатия».
Для второго образца в качестве топлива выбрали керосин, это дало результат – во время испытаний в 1894 году он работал без нагрузки. Опираясь на данные, полученные во время опытов, ученый создает третий образец, в котором учтены ошибки первых двух. Этот вариант был сырым макетом современного дизельного двигателя, в нем использовался сжатый воздух для подачи топлива в цилиндры и распыления. Третья модель во время испытаний 1 мая 1895 года проработала 30 минут, а впоследствии были проведены тесты с различными нагрузками.
Полгода продолжались испытания. И не дали ничего, кроме убеждения, что исследования зашли в тупик.
Консорциуму ошибка Дизеля обошлась в 30 тысяч марок, но Рудольф сумел убедить представителей консорциума в близком успехе. И в конце 1895 года мотор «с воспламенением от сжатия системы Дизеля» работал без перерыва 17 суток. А еще через два года новый двигатель можно было без опаски показывать широкой публике. Агрегат высотой в три метра развивал 172 об/мин и при диаметре единственного цилиндра 250 мм и ходе поршня 400 мм «выдавал» от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя 258 г нефти на 1 л. с. в час. При этом термический КПД составлял 26,2 процента — вдвое выше, чем у паровой машины. Заводы очень быстро начали разбирать лицензии на производство таких двигателей.
Сбылись мечты сына скромного парижского ремесленника. Он — на вершине мира! Он крутит этот «маленький земной шарик», как захочет! И деньги не главное — Рудольф легко тратит 900 тысяч марок на строительство роскошного особняка, одно содержание которого обойдется ему в 90 тысяч в год. Но самое поразительное — еще ни один мотор «системы Дизеля» к тому времени даже не был продан!
Первые выпущенные двигатели оказались недееспособными из-за заводских просчетов. Изготовитель не задумались, что создание двигателя требовало высокой точности в изготовлении деталей и использовании жаропрочных материалов. Это было слишком дорого для заводов, поэтому вскоре в адрес Дизеля понеслась жесткая критика. Его обвиняли в надувательстве, потому что предприятия хотели наладить массовое производство агрегатов, но из-за больших затрат они могли позволить себе лишь мелкосерийные партии. К их возмущениям присоединяются владельцы угольных шахт и прочие завистники. Од такой критики фабрика в Аугсбурге, что принадлежавшая Дизелю, стала банкротом. А Рудольф отправился в Париж, где получил за свой мотор… Гран-при Всемирной выставки!
Поразительно везло этому человеку. Подлечив пошатнувшееся здоровье в психиатрической клинике в Нойвиттельсбахе, Дизель решил поправить и банковский счет, вспомнив, наконец, о своем инженерном таланте. И через несколько месяцев военное ведомство кайзеровской Германии с восторгом ухватилось за новый проект Дизеля — многоцилиндровый судовой двигатель для строящегося броненосца «Принцрегент Луитпольд».
Смерть Рудольфа Дизеля так и осталась загадкой. Это случилось 29 сентября 1913 года на лайнере «Дрезден». Корабль выехал из гавани Антверпена, это был первый корабль с дизельным двигателем, после ужина в 23 часа ученый отправился спать в свою каюту. На следующий день утром в ней никого не было, Дизель исчез с судна. Его тело было найдено через 10 дней. Его сын прибыл в Бельгию на опознание вещей, он подтвердил, что они принадлежали Рудольфу. Есть множество предположений о причине гибели ученого: одни говорили, что это самоубийство на фоне банкротства ( так как в наследство семье осталось всего 20 тыс. марок), другие заявляли, что это несчастный случай, третьи были уверены в том, что его убили немецкие солдаты, чтобы не допустить утечки секретной информации.
Производство и продажу дизельных двигателей купил Альфред Нобель, который наладил эту работу в России. В 1898 году Эммануил Нобель сделал производство дизельных моторов на заводе в Петербурге. В этом же году был создан первый в мире двигатель с внутренним смесеобразованием. И уже через год заработал первый дизельный двигатель. Всего в 1899 году их было выпущено 7 штук мощностью 30 и 40 л.
В начале XX века инженер Роберт Бош улучшил встроенный топливный насос и создал его многосекционным. Дизель стал очень популярен как силовое устройство для вспомогательного и общественного транспорта, но все же двигатели с электрическим зажиганием для пассажирских и грузовых машин покупались лучше. А дальше известность дизеля начинает возрастать как из-за экономичности и долговечности, так и из-за уменьшенной токсичности выбросов в атмосферу.
Новейшая история дизельного двигателя возникла в 1997 г. Более 10 лет назад компания Bosch впервые представила на рынке свою систему Common Rail для легковых машин. Alfa Romeo 156 JTD и Mercedes-Benz 220 CDI были первыми машинами, которые оборудовали данной системой.
Дизельные моторы: История развития
Может ли дизельный двигатель доставлять удовольствие от вождения
Первый официально засвидетельствованный запуск двигателя с «компрессионным зажиганием» был осуществлён в 1897 году французским изобретателем Рудольфом Дизелем. Разработку по достоинству оценили в тяжёлой промышленности и производстве грузового автотранспорта, где отмечали её непревзойдённую экономичность, а также высокий крутящий момент, что на тот момент и требовалось в сфере грузоперевозок.
Первый серийно выпускаемый дизельный двигатель был установлен на автомобиль Citroen Rosalie в 1933 году, достаточно быстро после этого появились очень красивый и редкий в наши дни Mercedes-Benz 260D и Hanomag Rekord в 1936 году.
К концу 1950 годов широкое внедрение в серийных образцах получило сочетание дизельного двигателя внутреннего сгорания и турбонагнетателя, которое активно использовалось в производстве грузовиков и кораблестроении. Параллельно с этим компания Rover активно работала над четырёхцилиндровым дизельным мотором рабочим объёмом 2,5 литра для легковых автомобилей, однако в качестве товарной продукции эти разработки были представлены лишь в 1963 году.
После этого прошло ещё 15 лет, прежде чем первый двигатель с турбонаддувом был запущен в серийное производство компанией Mercedes-Benz в модели 300SD 1978 года.
До сих пор не утихают споры о том, почему столь удачная и выгодная технология турбонаддува внедрялась в производство в течение столь длительного периода времени. В качестве основной из версий высказывается мнение о том, что это связано с лоббированием производителей бензина, стремящихся получить максимальную прибыль.
Конечно, если отбросить в сторону «теорию заговора», то очевидным становится тот факт, что передовые технологии на начальном этапе внедрения слишком дороги для массового производства и имеют множество недостатков, которые и определяют столь долгий путь к конвейеру.
Но, достаточно истории, вернёмся к заголовку нашей статьи и постараемся понять, почему мы объединили такие понятия, как прагматичный дизель и удовольствие от вождения. Если подробно рассмотреть прогресс этой технологии за прошедшие десятилетия, то от медлительных и шумных автомобилей конца 70-х годов прошлого столетия характеристики дизеля были настолько усовершенствованы к 90-м, что динамика была на уровне с бензиновыми аналогами.
И всё же, ряд ключевых проблем изжить не удавалось, именно поэтому дизельные моторы были менее популярны у потребителей. Речь в конечном итоге ведётся вовсе не о том, чтобы получить хорошие показатели от мотора, а о том, как сделать агрегат, который разрабатывался для нужд промышленности, с целью достижения максимальной экономичности и обеспечения работы на дешёвом топливе, способным доставлять удовольствие от скоростного вождения весьма искушённым людям.
На начальном этапе создания такие побочные явления как шумность, вибронагруженность и чадящий выхлоп воспринимались как должное, поскольку потребителям нужна была хорошая тяга и экономичность, остальное в коммерческих перевозках второстепенно. В новой же ипостаси эти недостатки ставили крест на возможностях адаптировать дизель для установки в спортивные автомобили.
Не стоит забывать и о такой особенности подобных моторов, как работа на малых оборотах, что для интенсивного ускорения совершенно не подходит. Тем не менее, постоянная работа в этом направлении позволила если не устранить, то существенно снизить эти недостатки.
В конце 90-х – начале 2000-х дизельный двигатель под капотом семейного автомобиля воспринимался как должное, поскольку его характеристики и рабочие параметры уже не делали машину похожей на чадящий самосвал. Однако основной причиной такой покупки оставалась экономичность, ради которой жертвовали динамикой и отчасти – комфортом.
Ряд производителей, стремясь наглядно продемонстрировать прогресс технологий, продвигают на рынке спортивные модели, оснащённые дизельным двигателем. Если принять во внимание тот факт, что уже примерно 50% автомобилей в Европе оснащены такими моторами, автоконцерны сделали верный вывод о том, что люди вполне могут получать удовольствие от вождения. Но добиться надлежащих характеристик, подобающих спортивной модели, удалось всего двум производителям: BMW и Audi, которые и выпустили агрегат с маркировкой модели 123d в 2008 году. Характеристики и впрямь получились отменными: с двух литров рабочего объёма удалось снять 204 л.с. и 400 нм крутящего момента.
Огромная работа, направленная на адаптацию мотора под нужды спортивного автомобиля, позволила достигать пиковой мощности при 4400 об/мин, имея в распоряжении всего одну турбину. Это произвело фурор! Крупный автомобильный концерн BMW с авторитетным спортивным подразделением оснастил свою компактную заднеприводную модель дизельным мотором с уникальными показателями – вот, что действительно могло доставить удовольствие на пустынной загородной трассе. Даже расход топлива теперь не сможет этому помешать, поскольку, по расчётам, на одной заправке автомобиль способен преодолеть 883 км, что фактически определяет средний расход топлива в 4,5 л. на 100 км.
123d является отличным образцом инженерной работы, поскольку при всех заявленных характеристиках способен разогнать автомобиль до 100 км/ч за 7 сек. Это довольно серьёзный результат, но, всё же по современным меркам – явно недостаточный для спортивной модели.
Это прекрасно понимают и разработчики, которые уже представили новую модель дизельного двигателя. Эта трёхлитровая рядная шестёрка,мощностью 381 л.с. и крутящим моментом 740 нм способна буквально катапультировать полноприводное шасси M550d до 100 км/ч за 4,7 сек, что всего на три сотые медленнее, чем показатель легендарной М5.
Благодаря системе постоянного полного привода весь мощностной потенциал полностью реализуется в интенсивной динамике. По сути, представленная модель способна удовлетворить самую взыскательную публику. Этот мотор, который не уступает бензиновым аналогам, выигрывает в экономичности, удобстве и техническом совершенстве. Автомобиль, оснащённый им, может с лёгкостью вместить пять человек вместе с дорожными сумками, а затем пощекотать им нервы интенсивным разгоном, заставив вспомнить о ремнях безопасности.
Спортивный дизель – это не просто очередная техническая новинка, это новая сфера применения традиционных вещей, которую непременно хочется с кем-нибудь обсудить. Неплохих результатов на этом поприще добились и инженеры из Audi с двигателем BiTDI, представляющим собой V-образную шестёрку, мощностью 313 л.с., что открывает столь перспективную нишу и для других производителей. Пока речь идёт о единичных успешных разработках в этой сфере, но, как показывает история, всё новое и передовое с годами становится доступнее и распространяется на массовую продукцию.
Уже сейчас в кругах автомобильных экспертов активно обсуждается мнение, что дизель – это будущее спортивных автомобилей. То, что мы сейчас называем дизелем, первоначально разрабатывалось для того, чтобы работать на арахисовом масле, поэтому в постнефтяную эру подобные технологии открывают гораздо больше возможностей и перспектив. Когда нефть закончится, а это рано или поздно произойдёт, без современных технологий в сфере создания дизельных двигателей мы будем вынуждены массово пересаживаться на электромобили, которые абсолютно лишены чего-то, что мы называем «удовольствие от вождения».
Кроме того, для выработки электроэнергии вполне смогут использоваться и те же самые дизельные моторы, адаптированные для работы на биотопливе или каких-либо химических отходах.
Эти моторы при незначительных доработках будут способны работать на любой маслянистой субстанции, в том числе и органического происхождения, что открывает нам новые источники альтернативного топлива. Кроме того, ещё в самом начале 20 века существовали разработки по использованию в качестве топлива в таких двигателях угольной пыли. И если такое горючее и станет слишком дорогим или дефицитным, то для того чтобы получить удовольствие от вождения, нам всё равно придётся прибегнуть к к изобретению Рудольфа Дизеля.
Источник https://abs-magazine.ru/article/istoriya-dizeljnih-dvigateley-tehnologii-pokorivshie-mir
Источник https://www.drive2.ru/l/4890634/
Источник https://1gai.ru/publ/517648-dizelnye-motory-istoriya-razvitiya.html
