0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цикл работы двигателя дизеля

Идеальный цикл дизеля

Реальные рабочие процессы дизелей характеризуются сложным комплексом быстротекущих физико-химических процессов. На начальной стадии изучения теории рабочих процессов следует отвлечься от тепловых и механических потерь, связанных с теплообменом, неполнотой сгорания, трением в звеньях двигателя и другими условиями реальной работы двигателя. Этой цели служит понятие идеального цикла, представляющего идеализированную схему рабочего цикла. По идеальному циклу можно на качественном уровне оценить влияние основных конструктивных и эксплуатационных факторов на механическую напряженность и экономичность дизеля. Современные судовые дизели имеют газотурбинный наддув, выполняемый по двум конструктивным схемам: с импульсным подводом газов к турбине и с изобарным. Схемы систем наддува приведены на рисунке 1.1.

В варианте, изображенном на рис. 1.1 а), подвод газов из цилиндров разделен на три группы: 1 – цилиндр № 1; 2 – цилиндры № 3 и 4; 3 – цилиндры № 2 и 5. Выпускные трубы каждой группы образуют отдельный выпускной коллектор относительно небольшого объема (не более Vh) поэтому при выпуске газов в них возникают импульсы давления, температуры и скорости. Газовая турбина работает в импульсном режиме, но из-за большой инерционности ротор турбокомпрессора имеет постоянные обороты. Центробежный компрессор, приводимый в действие от газовой турбины, повышает давление от на всасывании до Pk=Ps. Температура воздуха tk при этом возрастает до 150-200°С (в зависимости от величины р к). Воздух с такой высокой температурой нельзя подавать в цилиндры, поэтому его охлаждают в воздухоохладителе ВО, прокачиваемом забортной или низкотемпературной пресной водой, до температуры ts = 40-50°С.

Двигатели, имеющие рассмотренную конструкцию выпускного тракта, называют двигателями с импульсным газотурбинным наддувом (ИГТН). В большинстве случаев ИГТН применяется в судовых среднеоборотных четырехтактных дизелях.

Судовые малооборотные дизели (реже мощные главные четырехтактные судовые дизели) выполняют с неразделенным выпускным трактом, как показано на рис. 1.1. б). Выпускной коллектор (ВК) в этом случае представляет собой цилиндр объемом (10-15) Vh, из которого газы подаются в газовую турбину. При поочередном выпуске газов из цилиндров в ВК из-за его большого объема здесь не возникает импульсов, давление и температура газов перед турбиной остаются постоянными. Процессы в воздушной части системы полностью аналогичны процессам в системе ИГТН. Двигатели с рассмотренной конструкцией выпускной системы называют двигателями с изобарным наддувом.

Для этих циклов принимаются следующие допущения:
– рабочее тело – идеальный газ;
– масса рабочего тела и его теплоемкость постоянны;
– процесс сгорания заменяется подводом теплоты от горячего источника;
– процесс газообмена заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику при постоянном объеме или постоянном давлении;
– процессы сжатия и расширения рабочего тела протекают адиабатно (без теплообмена с окружающей средой).

Идеальные циклы тепловых двигателей учитывают только одну потерю теплоты, связанную с ее отводом к холодному источнику.

На рисунках 1.2 а) и б) изображены теоретические циклы дизелей с газотурбинным наддувом при импульсном и изобарном подводе газов к турбине.

Процессы в цилиндре в обоих случаях идентичны: а-с – адиабатное сжатие от давления р а = р5 до р с при перемещении поршня от НМТ к ВМТ; c -z ‘ подвод тепла Qv к рабочему телу при постоянном объеме; z’-z – подвод тепла Qp к рабочему телу при постоянном давлении; z-b – адиабатное расширение рабочего тела при перемещении поршня к НМТ.

При импульсном подводе газов к турбине (Рис. 1.2. а) на участке b – f осуществляется адиабатное расширение рабочего тела в турбине до давления окружающей среды р 0. Участок f-o соответствует отводу тепла Q t отв от газовой турбины на холодный источник. На участке о

к осуществляется адиабатное сжатие рабочего тела в компрессоре. Для уменьшения температуры рабочего тела, поступающего в цилиндр из компрессора, на участке к-a осуществляется отвод тепла от рабочего тела (промежуточное охлаждение) при постоянном давлении Ps. Вследствие промежуточного охлаждения плотность рабочего тела увеличивается, а отрицательная работа сжатия в цилиндре уменьшается.

При изобарном подводе газов к турбине (рис. 1.2. б) на участке b-а рабочее тело перемещается из цилиндра в выпускной коллектор, при этом его давление мгновенно снижается от рb до ps. Далее по изобаре а – г оно подводится к турбине, где на участке r – f осуществляется расширение и далее, как описано выше. В точке а цикл замыкается.

Из рассмотренного выше ясно, что даже в идеальном варианте цикл дизеля с газотурбинным наддувом достаточно сложен, поэтому целесообразно для дальнейшего рассмотрения процессов, протекающих в цилиндре, ограничиться только той частью идеального цикла, которая относится к цилиндру. Процессы в системах газообмена и наддува с их теоретическим циклом подробно излагаются далее в главах – газообмен и наддув. При таком подходе будем условно допускать, что идеальный цикл замыкается по изохоре b-а. Теплота, условно отводимая при этом от рабочего тела (отвод на холодный источник), затем подводится к турбине.

Рассмотрим параметры идеального цикла.

ε = Va /Vc – степень сжатия рабочего тела в цилиндре;
р =VZ/VC – степень предварительного расширения, где Vz -объем цилиндра в конце подвода тепла;
δ =Vb/Vz – степень последующего расширения, где Vb -объем цилиндра в конце расширения.
Поскольку Vb = Va (см. рис. 1.2.), то не трудно получить соотношение между приведенными выше параметрами ε = рδ.

λ = рz/рс – степень повышения давления при подводе тепла, где рz и рс – соответственно максимальное давление цикла и давление в конце сжатия.

где Qпод, Qt, Qотв – подведенное, полезно использованное и отведенное количество тепла в цикле.

В технической термодинамике в зависимости от способа подвода тепла принято выделять три основных типа теоретических циклов поршневых ДВС: цикл Отто (все тепло подводится при постоянном объеме), цикл Дизеля (все тепло подводится при постоянном давлении) и цикл со смешанным подводом тепла (Тринклера – Сабатэ). Указанные типы циклов приведены на рисунке 1.3.

Эталоном термического совершенства циклов тепловых двигателей принят обратимый цикл Карно, имеющий максимальный термический КПД. В связи с этим, более совершенным считается идеальный цикл ДВС, имеющий наибольший ηt.

При сравнении идеальных циклов обязательно следует определить условия сравнения. Определенный интерес представляет сравнение упомянутых выше циклов при следующих условиях: во всех трех случаях значения давлений ра и рz остаются неизменными, также выполняется условие Qпод=const

Изменение эффективности циклов наиболее наглядно при их изображении в координатах T-s, как показано на рисунке 1.4. Здесь же для сравнения приведен цикл Карно, состоящий из следующих процессов: а-1 адиабатное сжатие рабочего тела, 1-2 подвод тепла при постоянной температуре Тmax, 2-bк адиабатное расширение и bк-а отвод тепла на холодный источник при постоянной температуре Tmin = Та. Полезно использованное в цикле тепло Qt представлено заштрихованной на рис. 1.4 площадью. Отведенной теплоте соответствует площадь fa-o-k-bk

Как известно из технической термодинамики, термический КПД цикла Карно определяется соотношением температур:

Так как Qпод во всех случаях остается неизменным, то соответствующие ему площади fo-a-l-2-bk-k (цикл Карно) f0-a-cv-zv-bv-v (цикл Отто), f0-a-cm-bm-m ( цикл со смешанным подводом тепла) и f0-a-cp-zp-bp-b
(цикл Дизеля) должны быть равны. Наибольшие значения давления и температуры в конце сжатия имеют место в цикле дизеля, наименьшие – в цикле Отто. Цикл со смешанным подводом тепла занимает промежуточное значение по величинам рс и Тс. При одинаковых значениях ра, Та и Va отмеченные различия в параметрах конца сжатия связано с различными значениями степени сжатия, а именно: εp > εm > εv

Количество тепла, отведенное на холодный источник, как видно из рисунка 1.4, наименьшим будет для цикла Карно (площадь f0-а -bk-k ), затем в порядке возрастания этого параметра идут циклы Дизеля, Тринклера-Сабате, Отто. Поскольку во всех случаях количество подводимой теплоты и максимальные давления циклов одинаковы, полезно использованное количество теплоты для этих циклов:
Qtk>Qtp>Qtm>Qtv Так же соотносятся и термические КПД сравниваемых циклов: ηtk> ηtp> ηtm> ηtv

Таким образом, чем больше степень сжатия, тем выше термический КПД цикла. Термический КПД цикла со смешанным подводом тепла равен

Термический КПД цикла Дизеля можно получить из выше приведенной формулы, если учесть, что в этом цикле λ = 1. Тогда

Термический КПД цикла Отто также получим из первой формулы, положив, что p = 1

Приведенные выше зависимости показывают, что при любом способе подвода тепла, если не ограничивать максимальное давление цикла, с увеличением степени сжатия термический КПД цикла будет возрастать.

Из рисунка 1.4 видно, что степень приближения ηt к «идеалу » – КПД цикла Карно – определяется величиной средней температуры рабочего тела в процессе подвода тепла, которая приближенно может быть определена как Тср =(Tz+Tc)/2. Следует отметить, что этот вывод справедлив для любых условий сравнения термодинамических идеальных циклов.

Цикл Отто является идеальным циклом бензиновых двигателей с воспламенением топлива от электрической искры. Поскольку в этих двигателях сжимается смесь паров бензина и воздуха, то для исключения самопроизвольного самовоспламенения топливовоздушной смеси в ходе сжатия и последующего детонационного (взрывного) сгорания степень сжатия в них невелика (менее 11).

Читать еще:  Двигатель 230vd что это

По этой причине КПД карбюраторных ДВС существенно меньше, чем у дизелей. Цикл дизеля являлся идеальным циклом компрессорных дизелей, которые в настоящее время не выпускаются, идеальным циклом для современных дизелей с непосредственным впрыском жидкого топлива в цилиндр в конце хода сжатия является цикл со смешанным подводом тепла. Степень сжатия в дизелях может достигать значений 18-23. Следует отметить, что деление идеальных циклов по типам ДВС весьма условно и более или менее справедливо только для номинальных (при 100% мощности дизеля) режимов работы. Современные судовые дизели, особенно с электронным управлением подачей топлива и фазами закрытия выпускных клапанов, позволяют в процессе работы изменять степень сжатия, фазы и закон подачи топлива, поэтому могут иметь рабочий цикл, соотносимый с любым из рассмотренных термодинамических циклов. Проиллюстрируем сказанное на следующем примере.

На рисунке 1.5 штриховкой выделен идеальный цикл со смешанным подводом тепла в координатах p -V и T-s. Штриховыми линиями на рисунке показаны циклы с подводом тепла только по изохоре (c-zv) и только по изобаре (c-zp). В данном случае сравнения термодинамических циклов предполагается, что это один и тот же ДВС, у которого изменяются только условия подвода тепла. Величины Qпод, объемы цилиндра Vh, Vc, Va, степень сжатия, ра и рс остаются одними и теми же во всех трех случаях.

Так как температура в точке с одинакова для всех трех циклов, то средняя температура рабочего тела в процессе подвода тепла будет наибольшей для того цикла, у которого больше Tz. Из рисунка 1.5 б) видно, что Tz наибольшее значение имеет в цикле с подводом тепла только по изохоре, наименьшее – в цикле с подводом тепла только по изобаре. В цикле со смешанным подводом тепла она занимает промежуточное значение. С учетом отмеченной ранее связи средней температуры с термическим КПД цикла, вполне очевидны следующие соотношения: ηtvtmtp.

Таким образом, с термодинамической точки зрения выгоднее всего подводить тепло в цикле только по изохоре, менее выгодно – по изобаре. Если полученный вывод перенести на реальные условия, то в дизелях следует так осуществлять подачу топлива, чтобы его сгорание происходило в непосредственной близости от верхней мертвой точки (ВМТ). Однако согласно рис. 1.5 а) указанный экономический выигрыш в этом случае будет сопровождаться не менее очевидным увеличением механических нагрузок двигателя, поскольку максимальное давление pz и параметр λ= pz /pc для цикла с подводом тепла только по изохоре имеют наибольшую величину: рzv> pzm> pzp (эти параметры являются показателями механической напряженности дизеля).

Второй крайний случай подвода тепла, когда (только при р = const), приводит к обратному выводу: при худшей экономичности механические нагрузки в двигателе будут наименьшими. При смешанном подводе тепла преимущества и недостатки указанных крайних случаев подвода в той или иной степени балансируются.

В абсолютном большинстве случаев подача топлива в судовых дизелях начинается до и заканчивается после ВМТ, так что их идеальный цикл характеризуется смешанным подводом тепла, однако встречаются примеры, когда доля Qv или Qp сравнительно невелика, поэтому диаграммы рабочего цикла в координатах p -V на участке сгорания топлива по своему виду приближаются к одному из рассмотренных на рис. 1.5 крайних случаев.

Анализ можно было бы продолжить, однако рассмотренные случаи и отмеченные при этом связи между параметрами идеальных термодинамических циклов в достаточной мере позволяют применять их для качественной оценки изменения экономичности и механической напряженности судовых дизелей в условиях эксплуатации.

Короткий ход поршня

Р удольф Дизель родился 18 марта 1858 года в семье Теодора Дизеля и Элис Штробель — эмигрантов из Германии, осевших во Франции и владевших небольшой переплетной мастерской в Париже. С самого раннего детства у Рудольфа проявился интерес к разным машинам и механизмам: излюбленным времяпровождением умного, послушного, аккуратного и трудолюбивого мальчика было посещение парижского Музея искусств и ремесел.

В 1870 году началась Франко-прусская война, и из-за роста антинемецких настроений Дизелям пришлось перебраться в Англию, где вскоре они оказались в нищете. На семейном совете было принято решение отправить Рудольфа в Германию, в семью брата, любезно согласившуюся принять племянника. Дядя Дизеля был профессором и преподавал математику в Королевском земском училище, куда в 1871 году пристроил и Рудольфа, заметив у того склонность к технике, а уже в 1873-м юноша его успешно закончил, опередив по успеваемости всех остальных учеников.

Затем Рудольф отправляется в Аугсбург, в Техническую школу, а через два года досрочно поступает в престижный Королевский баварский политехнический институт в Мюнхене. Во время учебы произошла судьбоносная для Дизеля встреча — его заметил один из преподавателей, профессор Карл фон Линде, помимо научной работы занимавшийся коммерцией, а именно созданием холодильного оборудования. В 1880 году, когда Дизель окончил институт, Линде пригласил его на работу в свою компанию на должность директора парижского филиала. В наше время Linde — одна из крупнейших и авторитетнейших в мире химических компаний, инжиниринговое подразделение которой занимается строительством «под ключ» крупнотоннажных химических производств, в том числе заводов по сжижению природного газа.

«Инженер все может»

Так ответил студент Рудольф Дизель на вопрос директора Высшей технической школы в Мюнхене профессора Бауэрфайнда о возможности создать двигатель внутреннего сгорания, способный заменить паровой. Теперь амбициозному молодому человеку предстояло доказать это на практике.

К концу XIX века в мире существовало множество поршневых двигателей, однако их КПД не превышал 10–12%, поскольку воспламенение горючей смеси в них производилось либо при помощи электричества, либо за счет тепла, идущего от стенок камеры сгорания. Однако уже в 1824 году французский инженер Сати Карнопредложил более перспективную схему работы двигателя. По его мнению, следовало «сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу…». Эта схема, получившая наименование «цикла Карно», стала эталоном цикла теплового двигателя. Ее и попытался на практике реализовать Рудольф Дизель.

Забегая вперед, надо сказать, что у него это получилось не в полной мере: в дизелевском варианте в цилиндре сжималась не топливная смесь, а воздух, причем до запредельных для того времени значений.

Двенадцать лет проб и ошибок

А пока в течение десяти лет, с 1880-го по 1892-й, работая на фирме Линде, он постоянно занимался этим проектом, пытаясь найти такое рабочее тело, которое при соединении с топливом, создавало бы необходимую для воспламенения температуру. В его качестве последовательно использовались аммиак, уголь и бензин, но все было безрезультатно.

Помогла случайность. Использование воздуха в пневматической зажигалке для прикуривания сигар натолкнуло Рудольфа на мысль, что таким рабочим телом может стать сжатый воздух. «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».

Основываясь на этом, Дизель разработал новую схему двигателя, в котором воздух должен был быть сжат с такой силой, чтобы при его соединении с топливом возникшая смесь воспламенилась до температуры 600–650 °С и в цилиндр начало поступать уже готовое для работы двигателя топливо.

Есть прототип!

В 1892 году Рудольф покидает компанию Линде и организовывает собственное предприятие, на котором в течение четырех лет изготавливает несколько опытных образцов. В том же году он получает свой первый патент № 67207 «Рабочий процесс и способ конструирования двигателя внутреннего сгорания для машин», которым закрепил за собой право собственности на «рациональный тепловой двигатель», и издает книгу, в которой дает теоретическое обоснование созданной им конструкции такого двигателя. «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!»

В 1897 году с третьей попытки ему наконец удалось построить готовый к практическому использованию прототип. Современники вспоминали, что это «был двигатель высотой три метра, который развивал 172 об/мин имел диаметр единственного цилиндра 250 мм, ход поршня 400 мм и мощность от 17,8 до 19,8 л. с., расходуя при этом 258 г нефти на 1 л. с. в час. Термический КПД был у него 26,2%, намного выше, чем имели паровые машины». Кроме того, двигатель Дизеля работал на дешевых видах топлива вроде керосина и не имел системы зажигания.

Читать еще:  Что такое двс контрактный двигатель

Как удалось достичь такого очень высокого для того времени КПД? Главным образом за счет многократного увеличения давления сжатия с помощью специального компрессора — в двигателе англичанина Герберта Акройда-Стюарта, наиболее похожего по конструкции на дизелевский, оно равнялось шести атмосферам, а в устройстве Рудольфа достигало 36 атмосфер.

В связи с этим неоднократно вставал вопрос: кто первый изобрел ДВС, Стюарт или Дизель? Известно, что основные признаки современного дизельного двигателя — непосредственный впрыск топлива (без применения сжатого воздуха) и компрессионное зажигание. В 1890 году Стюарт получил патент № 7146 «Усовершенствование в работе двигателей при помощи взрыва воспламеняемых паров или смеси газа с воздухом». Но этот патент был дан только на компрессионное зажигание, о применении сжатого воздуха для воспламенения смеси там речи не шло.

Спустя некоторое время Стюарт построил экспериментальный образец устройства, функционировавшего на бензине и проработавшего всего несколько часов. Дизель же патент на компрессионное зажигание получил только в 1892 году, но в отличие от Стюарта в его патент уже была включена идея о сжатом воздухе, которую позже, в 1897 году, он и воплотил. Так что если вести отсчет от идеи, то первенство в изобретении ДВС принадлежит, безусловно, Дизелю. А поскольку идею придумал он и он же построил реально работающий образец, то и сам двигатель стали называть по его фамилии. Топливо такого двигателя, состоит из керосиново-газойлевых фракций переработанной нефти и имеет высокую — 200–350 °С — температуру кипения, в дизельном двигателе оно самовоспламеняется при сильном сжатии. В бензиновом двигателе горючую смесь образуют бензин и воздух, она воспламеняется от искры зажигания.

Развитие изделия

Это был успех. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году изделие Дизеля произвело фурор, началась массовая скупка лицензий на производство его двигателей. Однако в начале промышленного изготовления дизелевских двигателей возникли серьезные трудности: первые партии оказывались бракованными, часто ломались и выходили из строя, на многих заводах не было необходимого оборудования и рабочей силы нужной квалификации.

Постепенно болезни роста были преодолены, и двигатель Дизеля стал постепенно использоваться во многих сферах жизнедеятельности, связанных с техникой. А его изобретатель стал миллионером. Дизеля стали приглашать повсюду — во Францию, Швейцарию, Австрию, Бельгию, Россию, Америку… Особый интерес к нему был проявлен в России. Уже в 1898 году Людвиг Нобель, купив у Дизеля лицензию на двигатель, организовал его производство на своем заводе в Санкт-Петербурге (сейчас это известное на всю страну предприятие «Русский дизель»).

Устройство быстро завоевало популярность и стало использоваться всюду — на электростанциях, водонапорном оборудовании, с его помощью освещались крупные магазины и центральные улицы Санкт-Петербурга и других известных городов Российской империи.

Велись работы по его модификации. Известный русский инженер Вадим Аршаулов создал так называемый русский дизель, который, в отличие от своего прототипа, работал на нефти, а не на керосине, и имел топливный насос высокого давления, работавший от сжатого в цилиндре воздуха. На Путиловском заводе инженер Густав Тринклер построил «Тринклер-мотор», который отличался от дизелевского варианта тем, что не имел воздушного компрессора для накачки воздуха, его роль играла гидравлическая система для нагнетания и впрыска топлива.

Дизеля наконец-таки признали и на родине: сам кайзер Вильгельм II вручил ему диплом о присвоении почетного звания доктора-инженера и пригласил в оборонные проекты. Занялся Дизель и совершенствованием конструкции реверсивного судового четырехтактного мотора и созданием двигателя для грузовых автомобилей.

Закат

Дизель жил на широкую ногу. Построил в Мюнхене дворец стоимостью 900 тысяч марок, покупал нефтяные участки в Баварии, где, как выяснялось потом, не было нефти, широко и необдуманно спекулировал акциями, вкладывал деньги в католические лотереи. В итоге финансовые дела стали настолько плохи, что, как пишут его биографы, «пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом».

Нервы Дизеля были издерганы постоянными нападками недоброжелателей и конкурентов, среди которых были как малоизвестные инженеры, так и могущественные люди вроде угольных и нефтяных магнатов, постоянно таскавшие его по судам по обвинениям в плагиате и других неблаговидных поступках.

Характерный пример — намерение его ярого противника профессора Людерса издать книгу под названием «Миф Дизеля», пытаясь доказать, что ничего нового в его изобретении нет, поскольку основа работы его двигателя была известна и раньше, а сам Дизель присвоил себе чужие заслуги.

Третьи вспоминали «нобелевскую» историю: незадолго до своей смерти, изобретатель обратился с письмом к председателю Нобелевского комитета Эммануилу Нобелю, в котором намекал на возможность получения Нобелевской премии за свое изобретение, рассчитывая, таким образом, поправить свои финансовые дела и заодно напомнив всем о себе. Но тот отказал. И это ввергло Дизеля в пучину черной депрессии.

К лету 1913 года Дизель стал полным банкротом и, по всей видимости, не видя другого выхода, решился на самоубийство. На это указывает его странное поведение: сначала он вместе с женой объехал всю Европу, как будто прощаясь с ней. Когда он погиб, его жена вспомнила странную фразу, которую он как-то обронил: «Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим». Затем он поехал в Баварские Альпы, где участвовал в опасных горных путешествиях и рискованных мероприятиях.

29 сентября 1913 года, в Антверпене 55-летний Рудольф Дизель и еще двое его друзей сели на паром «Дрезден», идущий в Англию, где он собирался работать инженером-консультантом на одном из двигателестроительных заводов. И ночью пропал. А через десять дней в Северном море рыбаки выловили труп. В одежде были найдены некоторые личные вещи, и сын Дизеля подтвердил, что они принадлежали его отцу.

«Дизельный двигатель в своем мощностном ряду пока вне конкуренции»

После распада СССР российская дизелестроительная отрасль оказалось в непростых условиях. Для её возрождения требуются существенные инвестиции и новые высокотехнологичные разработки. Почему это важно, каковы перспективы двигателей внутреннего сгорания и где запустят первый водородный поезд в России «Известиям» рассказал заместитель генерального директора «ТМХ – Энергетические решения» Денис Тарло.

— В каких отраслях промышленности сегодня востребованы дизельные двигатели?

Спрос на дизельные двигатели есть во всех отраслях, нуждающихся в автономной выработке электроэнергии. К примеру, там, где нет возможности или экономически нецелесообразно подключаться к электросетям: в море, на удаленных нефтяных и газовых платформах, в отдаленных регионах, таких как Артика, Чукотка, Камчатка, Курилы, на неэлектрифицированных участках железных дорог, где сегодня по-прежнему преимущественно используются тепловозы. Или там, где важно иметь резервное питание: в воинских частях, больницах, на АЭС. Собственное энергообеспечение также необходимо крупным промышленным предприятиям, а дизельные установки меньшей мощности и размера востребованы в быту. Резервное питание почти всегда обеспечивается за счет работы дизель-генератора.

— Как двигателестроение может повысить энергетическую безопасность страны?

Говоря об энергобезопасности, следует в первую очередь сказать о надежности энергообеспечения. Представьте себе, что в 50-градусный мороз где-нибудь в Якутии отключится генератор, снабжающий электроэнергией целый поселок или в больнице, во время операции, прервется подача электроэнергии и не будет резервного питания? Авария на АЭС «Фукусима-1» произошла из-за того, что резервный дизель-генератор, питающий систему аварийного охлаждения, был залит водой. Современные системы, обеспечивающие работу дизель-генераторов, проектируются с учетом опасности затопления, делая невозможным повторении фукусимской трагедии.

Что касается энергобезопасности страны в целом, она обеспечивается в том числе способностью российской промышленности выпускать качественный и надежный продукт широкого мощностного ряда в необходимом объеме.

Представьте, что было бы, если бы у нас не было своих дизелей? Военные, удаленные регионы, системы жизнеобеспечения были бы зависимы от иностранных изготовителей. Поэтому наша главная задача на сегодняшний день — обеспечить производство всей линейки двигателей, полностью закрывая имеющуюся потребность ключевых отраслей страны.

— Насколько дизелестроение сейчас зависимо от импорта?

Любую из наших машин мы можем изготовить с применением исключительно российских комплектующих, и это достаточно распространенное требование многих заказчиков. Другое дело, что некоторые комплектующие и компоненты проигрывают зарубежным аналогам по техническо-экономическим характеристикам. Хотя еще раз подчеркиваю: при необходимости мы можем обойтись без поставок из-за рубежа.

Кроме того, нужно помнить, что у дизельного двигателя, как у любого механизма, есть срок эксплуатации, поэтому важно обеспечить его своевременный ремонт или замену. Причем рынок хочет получать эту услугу комплексно. Важно не только поставить двигатель, но и поддерживать его работу. Двигатель рассчитан на длительный срок эксплуатации, и на всем протяжении жизненного цикла его требуется гарантированно обеспечить запчастями и технической поддержкой, что не всегда возможно в условиях приобретения импортной машины. Поэтому поставлять иностранные машины в значимые отрасли экономики — недопустимо для безопасности страны.

Читать еще:  Что такое ограничитель оборотов двигателя

— Что сейчас делается для импортозамещения?

ТМХ последовательно уходит от импортозависимости, реализуя собственную инвестпрограмму. Ее реализация позволит не просто отказаться от импорта, но и гарантированно выпускать необходимый объем продукции исключительно силами российских производителей.

К примеру, Коломенский завод (принадлежит группе ТМХ) осваивает производство перспективных двигателей типа Д300. Они разработаны для замены дизелей американской фирмы GE, являющихся на сегодняшний день безальтернативным вариантом для обеспечения вождения поездов массой 7,1 тыс. т на полигоне Байкало-Амурской магистрали.

Для выполнения стратегии экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года уже сейчас требуется разработка модификаций тепловозных двигателей внутреннего сгорания, работающих на природном газе, и такая задача успешно реализуется силами инженеров ТМХ.

С сентября 2019 года ТМХ участвует в четырехстороннем соглашении о сотрудничестве и взаимодействии по проекту организации железнодорожного сообщения на острове Сахалин с применением поездов на водородных топливных элементах. В рамках проекта предусматривается создание центра компетенций, который позволит развить отработанные в Сахалинской области организационные и технологические решения и затем распространить их на другие неэлектрифицированные железные дороги, прежде всего на Дальнем Востоке.

Вопрос разработки и производства отечественных тепловозных дизельных, газодизельных и газопоршневых двигателей, отвечающих современным требованиям надежности, экономичности и экологичности, находится на непрерывном контроле Министерства промышленности и торговли РФ и нашего основного заказчика — ОАО «РЖД».

— У дизельных машин есть конкуренты?

На земле, там, где не важны габариты, конкурентами можно было бы назвать газовые турбины, вырабатывающие электричество. Однако газовые турбины эффективны на мощностях от 20 мегаватт. На меньших мощностях лучший результат показывают дизельные двигатели. Кроме того, последние можно отремонтировать в местах установки, тогда как турбины — только на заводе. Этих отличий достаточно, чтобы понять, что они занимают разные ниши на рынке.

Таким образом, в своем мощностном ряду дизельный двигатель пока вне конкуренции. Рядом можно поставить разве что возобновляемые источники энергии. Но и к ним всегда ставят резервное питание, позволяющее снизить зависимость от погодных условий.

В перспективе конкурентами дизельного двигателя станут силовые установки, в основе которых лежит не двигатель внутреннего сгорания, а химический процесс, основанный на использовании водорода.

Водород, несомненно, является топливом будущего. Однако его использование в качестве топлива связано с рядом сложностей. Поскольку водород имеет свойство испаряться, обеспечение его длительного хранения — технологически трудная и дорогостоящая задача. Кроме того, на сегодняшний день отсутствует необходимая инфраструктура, в связи с чем полномасштабное развитие этого направления остается вопросом будущего. Не ближайшего, но и не слишком отдаленного.

Способен ли водород полностью вытеснить дизельные двигатели?

Уменьшение углеродного следа и переход на альтернативную энергетику — либо полностью безуглеродную, либо стремящуюся к снижению выбросов — важный глобальный тренд, вытекающий из общемировой борьбы с изменением климата. Мы понимаем, что в развитых странах этот тренд обретает всё большую значимость, и считаем жизненно важным ему следовать. Очевидно, что требования к выбросам будут ужесточаться и, несомненно, повлияют на наших заказчиков и на нас.

Крупные международные компании и конечные потребители будут обращать внимание на наличие углеродного следа, выработанного не только при производстве продукта, но и при его хранении и доставке. Так, к примеру, покупая продукт, доставленный на электромобиле, вы поддерживаете борьбу с изменением климата. В связи с этим логистическая инфраструктура тоже будет вынуждена идти по пути снижения углеродного следа.

Помимо водородного поезда, на железной дороге есть еще несколько перспективных направлений, одним из которых является электрификация. На сегодняшний день остается много неэлектрифицированных участков, где используются дизельные двигатели. Тем не менее, на наш взгляд, электрификация многих из них экономически нецелесообразна: строительство генерации и обновление сетей требует значительных затрат. Кроме, того, может оказаться, что потраченные усилия не приведут к желаемому снижению выбросов.

Мы видим хорошие перспективы в переходе на сжиженный газ в подвижном составе. Скорее имеет смысл отказаться не от двигателей внутреннего сгорания, а от дизельного топлива. Газ значительно дешевле и экологичнее. Для перехода на газ потребуется создать заправочную инфраструктуру. Однако с учетом разницы в цене предполагаем, что это не приведет к увеличению тарифа на перевозку. Тем более в перспективе благодаря значительному сходству систем заправки и хранения такая инфраструктура может стать базой для перехода на водородную энергетику.

— Какие в целом перспективы у классических двигателей внутреннего сгорания?

Постепенно двигатели внутреннего сгорания становятся менее востребованными. По сравнению с электрическими или электрохимическими генераторами ДВС менее надежны, а оборудованные ими машины ломаются чаще, чем электромобили. Хотя использование литий-ионных аккумуляторных батарей также имеет свои издержки. Например, до сих пор не изобретено на 100% эффективной технологии утилизации отработанных аккумуляторов.

Тем не менее очевидно, что количество ДВС будет снижаться. Многие страны уже отказываются от них в автомобильной отрасли. Но железнодорожному и морскому транспорту требуются принципиально большие мощности, поэтому в этих нишах в ближайшие лет 15, скорее всего, заменить ДВС не получится.

— Как планируется модернизировать дизельные двигатели? Можно ли, к примеру, уменьшить выбросы?

— Можно, но уменьшение выбросов отразится на мощности. На Западе существует множество альтернативных проектов с использованием других видов топлива, таких как газ и биотопливо. Мы планируем не отставать от наших зарубежных коллег.

— Какие у вас сейчас новые проекты и решения?

Мы разработали газовые и двухтопливные машины, рассматриваем био- и смешанное топливо. Эти направления очень востребованы.

В период с 2015 по 2020 год ТМХ инвестировал в развитие технологической базы двигателестроения 11 млрд рублей. Еще несколько проектов по модернизации находятся на рассмотрении. В случае успешной реализации всех инвестпроектов мы сможем производить практически любой вид ДВС на своих мощностях и быть готовым выполнить различные заказы, выпуская до тысячи машин в год, что позволит удовлетворить потребности экономики страны.

Цикл работы двигателя дизеля

Увеличить степень сжатия в ДВС можно путем сжатия в цилиндре только воздуха с последующим впрыскиванием в него топлива. При сжатии воздуха отсутствует ограничение на температуру самовоспламенения топлива, а высокая температура воздуха в конце процесса сжатия позволяет осуществить самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в цилиндр, без электрической свечи. Такой ДВС был предложен Дизелем (Германия) поэтому в настоящее время эти двигатели называют дизелями. Схема дизельного ДВС показана на рис. 11.5.

Воздух поступает в цилиндр двигателя и сжимается до 30 – 36 бар, в конце сжатия температура воздуха достигает 600 – 800 °С. Впрыск топлива осуществляется при достижении поршнем ВМТ. Для распыления топлива используется форсунка, куда компрессором подается сжатый воздух. Топливо самовоспламеняется, а процесс его горения идет одновременно с движением поршня в сторону НМТ. Условно такой процесс подвода теплоты к рабочему телу считается изобарным. После полного сгорания топлива расширение продуктов сгорания топлива приводит к перемещению поршня в НМТ. Далее осуществляется выхлоп продуктов сгорания и перемещение поршня в ВМТ.

Условный идеальный цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении показан на рис. 11.6.

Определяющими характеристиками данного цикла являются: степень сжатия ε=v1/v2 и степень предварительного расширения ρ=v3/v2. Используя эти характеристики и параметры первой точки, остальные параметры цикла определяются соотношениями:

Термический КПД цикла определяется выражением

Выразив температуры в выражении 11.7 через Т1 и характеристики цикла, получим выражение КПД в виде

Из уравнения 11.6 видно, что чем больше степень сжатия и меньше степень предварительного расширения, тем больше КПД. Снижение КПД за счет увеличения степени предварительного расширения объясняется тем, что изобара Р2 более пологая, чем изохора v1. При увеличении ρ точка 3 стремиться к точке 4, что приводит к большему возрастанию q2 по отношению к q1.

Зависимость КПД идеального цикла ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении от степени сжатия и степени предварительного расширения показана на рис. 11.7.

Из рис. 11.7 видно, что не смотря на большую степень сжатия дизельный двигатель имеет практически такой же термический КПД как и цикл карбюраторного двигателя. Внутренний относительный КПД этих двигателей также практически одинаков. При этом необходимо отметить, что нулевые значения КПД дизельного двигателя соответствуют степеням сжатия больше единицы, возрастающим с увеличением значения ρ.

Основным преимуществом дизельного двигателя является отсутствие карбюратора и возможность использования низкосортного жидкого топлива.

Основным недостатком дизельного двигателя является необходимость больших затрат работы на привод топливного насоса и компрессора по сравнению с карбюраторным двигателем. Это вызвано большим давлением воздуха в цилиндре, куда впрыскивается топливо, и необходимостью его распыливания через форсунку (она имеет значительное гидравлическое сопротивление. К недостатку дизельного двигателя относится и его тихоходность (малые обороты коленчатого вала), что определяет медленный процесс сгорания топлива в двигателе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector