Нефтяной двигатель Дизеля

— относится к классу двигателей с внутренним сгоранием, работающих на жидком горючем, по преимуществу, на нефти или керосине. Изобретатель этого двигателя, инженер Дизель (из Мюнхена), собственно предполагал создать двигатель, могущий работать не только на жидком или газообразном, но даже и на твердом топливе, как напр., на угольной пыли. Однако, применение газообразного горючего дало плохие результаты, употребление же угольной пыли оказалось практически вовсе невозможным, вследствие засаривания цилиндров двигателя густой, липкой массой, образуемой смесью золы со смазочным маслом. Также не вполне оправдались на практике и надежды Дизеля на возможность применения в его двигателе "основных условий совершенного сгорания", в осуществлении которых изобретатель видел залог победы своего двигателя не только над паровой машиной, но даже и над всеми существовавшими до того времени двигателями внутреннего сгорания. Об этого рода соображениях Дизеля см. R. Diesel, "Theorie und Konstruction eines rationellen Wärmemotors zum Erzatz der Dampfmaschine u. der heute bekannten Wärmemotoren" (1893). "Основные условия совершенного сгорания" сводятся к трем след. положениям: 1) получение наивысшей темпер. процесса (температуры сгорания) не посредством горения и не во время последнего, но перед ним и независимо от него, именно путем механического сжатия чистого воздуха с индифферентными газами или парами; 2) постепенное введение тонко распыленного топлива в этот сильно сжатый и потому сильно нагретый воздух во время части обратного хода поршня таким образом, чтобы во время самого процесса сгорания не происходило никакого повышения температуры в массе газа, т. е. так, чтобы кривая сгорания подходила возможно близко к изотерме; след., после воспламенения, гoрение не должно быть предоставлено самому себе, но должно быть управляемо извне во все время своего течения так, чтобы сохранялось правильное соотношение между давлением, объемом и температурой; 3) правильный выбор соотношения между количеством воздуха и теплопроизводительностью топлива при установленной заранее температуре сжатия (которая является в то же время и темп. сгорания), чтобы ход машины, смазка и т. п. были практически возможны без искусственного охлаждения стенок цилиндра. Соблюдением этих "основных условий" изобретатель стремился, по-видимому, достигнуть работы своего двигателя по циклу Карно. "Идеальный" его двигатель должен был работать след. образом (фиг. 1): AB — изотермическое сжатие воздуха при пост. темп. t; ВС — адиабатическое сжатие воздуха с повышением темп. от t до Т — темп., соответствующей воспламенению горючего; CD — горение при постоянной темп. Т и DA — расширение до начального давления и темп. t. Для поддержания пост. темп. ( во время изотермического сжатия воздуха AB — предусматривалось вспрыскивание воды. Для достижения же изотермического горения CD при пост. темп. Т — предполагалось регулирование впуска горючего, как то указано выше в пункте 2-м "основных условий". Возможность адиабатического сжатия воздуха ВС и адиабатического расширения продуктов горения DA — обусловливалось, с одной стороны, отсутствием охлаждения цилиндра двигателя водой, а с другой — таким устройством цилиндра двигателя, чтобы пространство сгорания было "тщательно защищено от потери тепла через стенки".

Сам Дизель отнесся с сомнением к возможности практического достижения работы двигателя по этому идеальному циклу. Главное препятствие он справедливо видел в трудности достижения тех громадных величин сжатия до 250 атм., которые бы явились необходимыми при сохранении условия изотермического сжатия (AB). Не желая затруднять исполнение первого опыта и стремясь обойти это условия для возможности действительного испытания его машины, он предложил применить на практике "отклоняющийся от совершенного процесс", в котором сжатие воздуха целиком бы происходило по адиабате АС (фиг. 2). При таком упрощенном процессе потребовалось бы сжатие лишь до 90 атм., но зато и термический коэффициент цикла соответственно бы понизился. Дизель предполагал, что его двигатель будет в состоянии работать без охлаждения и даже полагал нужным для защиты камеры горения от потерь через стенки, одеть ее стеклянной или фарфоровой футеровкой. По его предположениям двигатель этот, при работе на угольной пыли, по сравнению с паровой машиной должен был потреблять в 6 или 7 раз меньше угля и иметь размеры цилиндров в 4 раза меньшие. Однако, в первом двигателе, построенном Аугсбургским заводом (1893—1897 г.) без охлаждающей рубашки и, вообще, по наружному виду (фиг. 3) приближавшемся к конструкции, намеченной Дизелем в упомянутой его брошюре, не удалось достигнуть удовлетворительной работы ни на угольной пыли, ни на газе, и он работал на керосине. Сжатие в нем достигало только 40 — 45 атм., т. е. всего только половины предположенного Дизелем для его "отклоняющегося" процесса. После этого была введена охлаждающая рубашка. Также на практике оказалось выгодным отклониться от предложенного Дизелем изотермического сгорания. Собственно, изотермического сгорания, в полном смысле слова, никогда и не удалось реализовать, но во всяком случае, судя по первым диаграммам, опубликованным проф. Шретером (фиг. 4), линия сгорания при первых опытах приближалась к изотерме и Дизель еще говорил о "приблизительно изотермическом сгорании". При дальнейших совершенствованиях двигателя пришлось еще более отклониться от изотермического процесса сгорания и приблизить его к изодинамическому, т. е. горению при равном давлении, как это видно из диаграммы современного двигателя Дизеля (фиг. 5). Причиной этого было то обстоятельство, что для осуществления, или вернее, для приближения только к изотермическому процессу, необходимо было ограничиться весьма малыми количествами вводимого в цилиндр топлива, что вело к работе двигателя при сравнительно небольшой нагрузке и, след., ставило работу его в неблагоприятные условия в отношении механического коэффициента его полезного действия, уже и без того низкого в этих двигателях. Переход от изотермического сгорания к изодинамическому привел, таким образом, к лучшему общему экономическому коэффициенту полезного действия, т. е., другими словами, к меньшему расходу горючего, который соответственно изменялся с 240 гр. до 185 гр. на одну действительную лошад. силу, а также к возможности, при том же конечном давлении сжатия, уменьшить размеры цилиндра, в виду относительного повышения среднего индикаторного давления. Последнее становится ясным из сравнения теоретических диаграмм Дизелевского процесса (с изотермическим сгоранием) и действительно применяемого теперь процесса с постоянным сгоранием (фиг. 6 и 7).

Двигатель Дизеля в настоящем его виде может быть охарактеризован как двигатель с весьма высоким сжатием и постепенным сгоранием. Высокая степень сжатия, являющаяся одним из главных факторов необыкновенной экономичности этого двигателя, делается возможной благодаря тому, что сжатию подвергается один только воздух, а не смесь его с горючим, как то делается в других системах двигателей. Вследствие применения сильного сжатия, результатом которого является чрезвычайно высокая температура сжатого воздуха (около 600° Ц.), воспламенение горючего становится возможным без применения каких-либо зажигательных приборов, а лишь благодаря этой высокой температуре. Горючее вводится постепенно в течение 10 — 12 % хода поршня; этим устраняется возможность резких и вредных повышений давления и достигается горение при почти равном давлении. Вследствие того, что горючее поступает в цилиндр в распыленном виде в самом центре масс сжатого воздуха, т. е. там, где температура наиболее высока и где меньше всего сказывается охлаждающее влияние стенок, сгорание его происходит быстро и совершенно, что также является одним из факторов, определяющих высокий термический коэффициент двигателя. По роду своего действия современный двигатель Дизеля принадлежит к типу 4-тактных, простого действия, с вертикальным расположением цилиндров. Однако, эти черты не являются уже характерными для двигателя Дизеля, так как, независимо от того, будет ли двигатель 4-тактным, или 2-тактным, простого или двойного действия, с вертикальным или же с горизонтальным расположением цилиндров, основные условия его работы, а именно, отдельное сжатие воздуха, высокая степень этого сжатия, самовоспламенение горючего и постепенное его горение, могут остаться неизменными. Пока еще было сделано сравнительно мало попыток к видоизменению двигателя Дизеля в этих направлениях. Однако, следует думать, что переход к двигателям 2-тактным, или же двойного действия, есть вопрос недалекого будущего и что от разрешения этого вопроса надо ожидать дальнейшего развития и совершенствования двигателя, как в отношении возможности достижения более крупных по силе единиц двигателя, так и в отношении уменьшения размеров и веса его на единицу силы. Конструкция современного двигателя Дизеля и способ его работы видны на фиг. 8. Здесь изображен вертикальный 2-цилиндровый, 4-тактный двигатель, конструкции завода Нобеля в СПб. Основанием двигателя служит чугунная рама А, в которой помещаются подшипники коленчатого вала В. На вале находится маховик, рядом с которым оставлено место для ременного или канатного шкива. С — станина со вставленным в нее рабочим цилиндром D. Цилиндрическая в верхней части станина уширяется к низу и образует две ноги, которыми она крепится к раме. В рабочем цилиндре ходит удлиненный поршень Е, на цапфу которого F надевается шатун G, передающий движение коленчатому валу. К станине сверху притянута крышка цилиндра H, в которой находятся все необходимые клапаны: в центре — нефтяной, или, так назыв., игольчатый клапан J, служащий для пульверизации нефти в цилиндр; справа от него впускной клапан К — для засасывания воздуха; слева — выпускной клапан L — для удаления продуктов горения, и, наконец, поближе к распределительному валу Р — клапан для пускания двигателя в ход M. Все 4 клапана — приводные. В закрытом положении они удерживаются пружинами, а открываются под действием рычагов, получающих движение от вала P при помощи насаженных на него кулачных шайб. Когда выступающая часть кулачной шайбы подходит к ролику соответственного рычага и подымает или опускает одно его плечо, то другое плечо рычага действует на шпиндель клапана и открывает его. Когда выступающая часть кулачной шайбы отошла от рычага, клапан закрывается под действием пружин. Распределительный горизонтальный вал получает вращение от вертикального регуляторного вала Q, который в свою очередь получает вращение от главного вала двигателя. Передача вращения в обоих случаях производится зубчатыми винтовыми шестернями. Передача от главного вала к распределительному устроена таким образом, что последний вращается в два раза тише, чем первый, что необходимо ввиду работы двигателя в 4 такта, при каковой открывание и закрывание нефтяного, впускного и выпускного клапана должно происходить только по одному разу за каждые два оборота главного вала. Посмотрим теперь, что происходит внутри каждого из цилиндров двигателя во время работы. Начнем с того хода поршня вниз, когда открыт всасывающий (впускной) клапан, дающий доступ атмосферному воздуху в цилиндр (фиг. 9). Пока поршень идет вниз, клапан остается открытым, и в цилиндр устремляется воздух, всасываемый поршнем. Когда поршень дошел до нижнего своего положения и цилиндр наполнился свежим воздухом, то всасывающий клапан закрывается. При обратном ходе поршня все клапаны закрыты (фиг. 10), и воздух, заключенный в цилиндре, подвергается сжатию, сопровождающемуся повышением температуры. Когда поршень дошел до своего высшего положения, воздух в цилиндре сжат до 32 — 35 атм., и темп. его возросла до 500 —600° Ц. С самого начала следующего хода поршня вниз открывается нефтяной клапан (фиг. 11), через который вбрызгивается нефть. Последняя, попадая в раскаленный воздух, немедленно воспламеняется и горит. Введение нефти и горение ее происходит лишь на части хода поршня (10 — 12 %), а далее нефтяной клапан закрывается (фиг. 12) и образовавшиеся продукты горения с высоким давлением расширяются на остальной доле хода. Наконец, во время хода поршня вверх, открывается выпускной клапан (фиг. 13) и продукты горения выгоняются через отводную трубу наружу. В следующий ход поршня вниз снова открывается впускной клапан (фиг. 9) и т. д. Итак, весь процесс, происходящий внутри цилиндра, обнимает 4 такта. Из них только третий такт доставляет энергию и является рабочим. След., в 1-цилиндровом двигателе на 2 оборота вала приходится один рабочий такт. В 2-цилиндровом двигателе процессы протекают в каждом цилиндре аналогично, но при этом 1-й такт в одном цилиндре совпадает с 3-м тактом в другом и, след., на каждые 2 оборота вала приходится 2 рабочих такта. В 3-цилиндровом двигателе соответственно на 2 оборота вала приходится 3 рабоч. такта, в 4-цилиндровом — 4. Характер и схема работы двигателя Дизеля выясняются еще лучше из рассмотрения индикаторной его диаграммы (фиг. 5). Прямая (1 — 2) соответствует всасыванию воздуха (1 такт); кривая (2 — 3) — сжатию воздуха (2 такт); кривая (3 — 4) — вбрызгиванию и горению нефти, а (4 — 5) — расширению продуктов горения (3 такт) и, наконец, прямая (5 — 1) соответствует выпуску отработавших продуктов горения (4 такт). Вернемся теперь к дальнейшему описанию частей двигателя. Конструкция выпускного, впускного, а также клапана для пуска в ход совершенно тождественна и не представляет никаких особенностей (фиг. 8). Стерженек g (фиг. 14), называемый иглой, проходит через длинную втулку i и нижний конец его под действием спиральной пружины плотно закрывает впускное отверстие. Специальная помпочка подает, 1 раз за каждые 2 оборота, по трубке т своевременно такое количество горючей жидкости, какое необходимо для 1 раб. хода. Эта жидкость располагается в нижней части клапана около нижней части иглы. По трубке l в верхнюю часть клапана притекает сильно сжатый воздух, который в течение первой части раб. хода, когда распределительный механизм приподымает иглу g, вгоняет горючую жидкость через образовавшееся отверстие в цилиндре двигателя. Сжатый воздух доставляется особым воздушным насосом (компрессором) U (фиг. 8), приводимым в движение от главного шатуна помощью двух тяг, коромысла Z и маленького шатуна Y. Воздушные насосы в небольших двигателях одноцилиндровые, а в больших — системы компаунд; воздух в одном цилиндре сжимается до 7 — 10 атм., а затем в другом далее до 50 атм. Насос подает сжатый воздух в особый цилиндрический резервуар, из которого воздух этот и вступает в верхнюю часть игольчатого клапана. Для получения полного сгорания горючее непременно должно быть доставлено в цилиндр в мелко раздробленном, пульверизованном виде. Для этой цели служат несколько шайб p с мелкими отверстиями (фиг. 14). Сжатый воздух из верхней части игольчатого клапана, под действием значительной разности давлений сверху и снизу, с огромной скоростью входит в отверстия шайб, разделяется на много отдельных струй, увлекает и мелко распыливает жидкое топливо и в таком пульверизованном виде вводит его в цилиндр двигателя, где оно и сгорает. Впускное отверстие находится в особом наконечнике h, который привинчен к седлу игольчатого клапана и легко может быть заменен другим, так, что величина отверстия может быть так подобрана, что сгорание горючего в цилиндре будет происходить с требуемой интенсивностью и быстротой. Нефтяной насос (фиг. 8 и 15) подает нефть из резервуара-фильтра в нефтяной (игольчатый) клапан. Из резервуара-фильтра нефть подводится к насосу самотеком и через всасывающий клапан b поступает под ныряло нефтяного насоса, при нисходящем ходе которого часть нефти выгоняется через открытый всасывающий клапан обратно в резервуар-фильтр, а остальная часть, с момента закрытия всасывающего клапана, вгоняется через нагнетательный клапан по подводящей трубке к пульверизатору. Ныряло насоса получает движение от эксцентрика с, насаженного на распределительном валу. Как явствует из только что сказанного, нефтяной насос забирает большее количество нефти, чем необходимо для сгорания в рабочем цилиндре, и затем выбрасывает обратно в резервуар известное количество ее. Разумеется, что чем дольше будет удерживаться открытым всасывающий клапан, тем большее количество нефти попадет обратно и тем меньшее количество ее попадет в пульверизатор. На этом основано регулирование двигателя. Таким образом, регулятор должен действовать на всасывающий клапан нефтяного насоса. С этою целью муфта центробежного регулятора, укрепленного на верхнем конце вала Q, связана с горизонтальным передаточным валиком, идущим параллельно валу Р. Этот валик заканчивается у нефтяного насоса пальцем, действующим на всасывающий клапан насоса. Когда при уменьшении нагрузки шары регулятора расходятся более обыкновенного, движение муфты вызывает поворот валика, и палец на конце валика устанавливается в таком положении, что всасывающий клапан открыт на большей доле возвратного хода ныряла насоса и, след., приток нефти в пульверизатор уменьшается. При увеличении нагрузки происходит обратное. Итак, регулирование двигателя производится вполне автоматически: при изменении нагрузки от полной до холостого хода регулятор сам по себе тотчас же нормирует приток нефти, соответствующий установившейся нагрузке. Пускание двигателя в ход производится сжатым воздухом. Для пуска двигателя необходимо сначала, повернув вручную маховик, привести его в такое положение, чтобы поршень перевалил за верхнюю мертвую точку. Если в этот момент произвести впуск сжатого воздуха поверх поршня, то двигатель придет в движение. Для того же, чтобы двигатель мог начать действовать самостоятельно, необходимо привести его в такое состояние, при котором могло бы произойти первое сгорание нефти при положении поршня, соответствующем 3 такту, а для этого необходимо сжать воздух в цилиндре до 32 атм. и поднять его температуру до 500° Ц., для чего нужно, чтобы сжатие было весьма быстрое. Таким образом, для пуска двигателя в ход недостаточно только сдвинуть его с места, но нужно дать ему еще достаточный разгон, что достигается несколько раз повторенным впуском сжатого воздуха. Сжатый воздух берется из особого резервуара, куда этот воздух накачивается при работе двигателя воздушным насосом, о котором уже было говорено. Понятно, что во время пускания двигателя в ход нефтяной клапан должен бездействовать, а взамен его должен действовать клапан для пускания двигателя в ход. С этой целью валик а (фиг. 8), на котором сидят рычаги, открывающие клапаны, устроен так, что его можно повернуть в два положения: при одном рычаг нефтяного клапана не затрагивается выступом нефтяной шайбы и, след., нефтяной клапан при этом всегда закрыт; при другом — рычаг клапана для пуска в ход не затрагивается выступом его шайбы и, след., при этом положении валика клапан для пуска в ход всегда закрыт. Итак, при пускании двигателя в ход валик а помощью ручки h ставится в первое положение: открывается вентиль у резервуара сжатого воздуха, воздух устремляется в цилиндр, гонит поршень и дает двигателю разгон, после чего валик переставляется во второе положение, вводится нефть и двигатель начинает работать. Весь процесс пускания двигателя в ход занимает 1 — 3 мин. Для остановки двигателя достаточно прекратить подачу нефти к пульверизатору. Это производится при помощи особой ручки i, которая останавливает всасывающий клапан нефтяного насоса и удерживает его все время открытым, благодаря чему вся входящая под ныряло насоса нефть обратно выгоняется в резервуар-фильтр и подача ее к пульверизатору совершенно прекращается. Для охлаждения цилиндры двигателя и компрессора, а также их крышки, снабжены рубашками, в пространстве между которыми и стенками цилиндров происходит беспрерывная циркуляция воды. Расход воды в двигателях Дизеля не велик, в среднем можно считать 1 ведро на 1 лошад. силу-час. Что касается смазки двигателя, то поршень и поршневая цапфа смазываются под давлением, помощью аппарата Моллеруп приводимого в движение самим двигателем. Остальные трущиеся части смазываются капельными лубрикаторами. В коленчатом вале колено смазывается центробежной, а подшипники кольцевой смазкой. Отработавшее масло стекает в кольцеобразную часть фундаментной рамы и отсюда собирается в ведро или горшок и затем выливается в фильтр. Расход масла в двигателях Дизеля не велик, в особенности при употреблении фильтров. Можно принять его в среднем: на 1 лош. силу-час равным 1 зол. цилиндрового масла и 1,5 зол. обыкновенного.

Ниже приведены 3 табл. с нек. данными относительно норм. стационарных двигателей Дизеля. В табл. I приведены данные испытания двигателей в 8 и в 70 д. л. с. Аугсбургского зав. (1902 г., проф. Мейер). Во II таблице указаны некот. данные для 1- и 2-цилиндров. двигателей завода Нобеля для мощностей от 10 до 250 д. л. с. В табл. III приведены данные о расходе топлива в таких же двигателях при разных нагрузках (в грамм. на 1 д. л. силу-час).

Таблица I.

Примечание. Испытание производилось русск. керосином уд. в. 0,806 и с теплопровзводительн. в 10300.

Таблицa II.

Таблица III.

Примечание. Расход топлива показан при теплопроизводит. его в 10000. На фиг. 16, 17 и 18 изображены двигатели Дизеля постройки завода Л. Нобеля в СПб. Два из них, в 10 и 150 д. л. с., представляют тип обыкновенного, тяжелого, тихоходного стационарного двигателя, третий — представляет быстроходный, 4-цилиндровый двигатель в 180 сил, установленный на нефтеналивной барже Нобеля "Сармат". Заграничные двигатели Дизеля мало отличаются от описанного выше. Двигатели эти строятся самой разнообразной величины, начиная от 8 сил до 100. Большая часть их установлена в России и служит для самых разнообразных целей, главным образом для электрических станций, для приведения в действие насосов и трансмиссий на заводах и фабриках, для мельниц и т. д., а также в последнее время зав. Нобеля была сделана попытка применения его для движения судов. С этой целью заводом были оборудованы двигателями Дизеля две нефтеналивных баржи "Вандал" и "Сармат" водоизмещением по 1000 тонн, уже совершившие несколько рейсов по Волге. Широкое распространение двигателя Дизеля объясняется главным образом его необыкновенно высоким коэффициентом полезного действия, доходящим до 33 %, и чрезвычайной его экономичностью в расходе горючего материала. В самом деле, расход топлива на 1 д. л. с. в час для разного рода машин составляет:

Кроме этого, самого важного, преимущества двигателя Дизеля следует отметить еще и другие, а именно: 1) при установке этот двигатель требует весьма мало места, 2) он совершенно безопасен в пожарном отношении, 3) легко пускается в ход, без всяких предварительных приготовлений, 4) работает без зажигателей, 5) продукты горения не имеют никакого запаха, так как сгорание происходит полное и 6) требует весьма мало охлаждающей воды. К недостаткам двигателя Дизеля следует отнести: тяжеловесность конструкции, вызываемую значительными усилиями, действующими в двигателе, и деликатность конструкции некоторых его частей. Эти недостатки двигателя приводят к высокой первоначальной его стоимости и необходимости весьма тщательного и умелого ухода. Следует, однако, заметить, что недостатки эти в последних двигателях в значительной мере уменьшены. Что же касается высокой первоначальной стоимости двигателя, то она в большинстве установок компенсируется, с одной стороны, экономией в месте и уменьшением стоимости других частей установки, и, с другой стороны, дешевизной эксплуатации. Условия для установки двигателей Дизеля особенно благоприятны у нас в России, имеющей громадные запасы нефти и потому следует ожидать именно в России весьма широкого распространения этого двигателя.

Литература. A. Musil, "Grundlagen der Theorie und des Baues der Wärmekraftmaschinen"; A. v. Ihering, "Die Gasmaschinen. Berechnung, Untersuchung und Ausführung"; R. Scböttler, "Die Gasmaschine. Ihre Entwickelung, ihre Heutige Bauart und ihr Kreisprocess"; H. Быков, "Газовые двигатели" (курс, чит. в спб. технол. инст.); Д. Филиппов, "О применимости машин с внутр. сгоранием для движения современных боевых судов"; Diesel, "Theorie und Konstruction eines rationellen Wärmemotors"; O. Lueger, "Lexikon der Gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften"; A. Witz, "Traité théor. et prat. des moteurs à gaz et à petrole"; H. Güldner, "Das Entwerfen und Berechnung der Verbrennungsmotoren"; "Zeitschr. d. Vereins Deutsch. Ingen." (1897, 1898, 1899 и 1903, статьи Дизеля, Мейера, Стодоля и Шретера).

Д. Филиппов.