Что представляет собой дизельный двигатель

Легковой дизель — 75 лет спустя

Расход топлива 3,6 литра на 100 километров — такой дизельный двигатель разрабатывают сейчас инженеры компании Bosch Diesel Systems. Впервые дизельный мотор для легковых машин был создан этой фирмой в 1936 году.

Peugeot Hoggar — дизельный концепт-кар

Mercedes-Benz 260 D — так называлась первая в мире легковая машина с дизельным двигателем. Она пошла в серию 15 февраля 1936 года.

Рудольф Дизель запатентовал свой «новый рациональный тепловой двигатель» уже в 1892 году. Основное преимущество дизельного двигателя перед бензиновым заключается в экономичности. Но поначалу дизельные моторы были слишком громоздкими, «ленивыми» и тяжелыми, а потому первые тридцать лет их ставили только на суда и локомотивы.

Рудольф Дизель запатентовал свой мотор в 1892 году

И только в начале 1920-х годов специалистам компании немецкого предпринимателя Роберта Боша (Robert Bosch) удалось приспособить дизельные двигатели для работы на грузовых автомобилях. Для этого инженеры Bosch разработали специальный топливный насос высокого давления (ТНВД) — это основная часть дизельного двигателя, предназначенная для подачи в цилиндры точно отмеренных порций топлива. Серийное производство дизельных грузовиков в Германии началось в 1924 году.

Дизель становится легче и веселее

Но только к началу 30-х годов прошлого века конструкторы компании Bosch сумели предложить мотор, который заинтересовал производителей легковых машин. Впервые дизель был поставлен на Mercedes-Benz 260 D. Однако его главное преимущество — экономичность — не оказалось тогда востребованным, поскольку вопрос о цене топлива не стоял так остро, как сейчас, а автомобили имели лишь богатые люди.

После войны, когда об экономичности двигателей стали думать больше, «мерседесы» с дизельными моторами широко использовались как такси. В 1975 году на рынок вышел первый VW Golf Diesel. Сильно помог популяризации дизельного двигателя Golf GTD — первый спортивный автомобиль с дизельным двигателем. После этого дизельные моторы появились на всех моделях всех фирм.

Opel GT: между 1968 и 1973 годами было выпущено 103000 экземпляров этой культовой машины

В 1972 году Opel GT с дизельным мотором установил более 20 международных рекордов скорости. В 1978 году специально подготовленный Mercedes с 3-литровым 5-цилиндровым мотором от Mercedes-Benz 300 D достиг скорости 338 км/час.

В середине 1980-х годов компания Bosch разработала управляемые электроникой дизельные моторы для BMW, а затем и дизели с турбонаддувом для Audi 100 TDI (Turbodiesel Direct Injection). Эта техника стала стандартной для дизелестроения. Она позволяет впрыскивать солярку под давлением более тысячи бар непосредственно внутрь цилиндра, что делает дизельные моторы более эффективными.

Common Rail — революция дизеля

В 1990-е годы процесс модернизации дизелей ускорился — появились сразу три новые системы впрыска топлива, в частности Common Rail, названная системой XXI века. Здесь впрыск осуществляется электрически управляемыми форсунками. Управляющий импульс при этом подается электронным блоком, получающим сигналы от набора датчиков, отслеживающих различные параметры двигателя. Эта система сделала дизельные моторы малошумными и спокойными. Благодаря этому они широко используются даже на дорогих автомобилях представительского класса.

В 2003 году Common Rail был дополнен электромагнитными и пьезоэлектрическими клапанами, позволяющими делать несколько впрысков за один такт. Это сделало их работу еще более плавной, легкой и улучшило экономические и экологические характеристики дизелей. Благодаря различным техническим новшествам они уже соответствуют новой экологической норме Евро-6.

Дизель пришел даже в Калифорнию

Mercedes- Benz F 700 — концепт дизельно-бензинового автомобиля

Это привело к небывалому росту их популярности. К 2006 году более половины новых автомобилей в мире имели дизельные моторы. В 1997 году их было не более 20 процентов. Дизельные двигатели с техникой Common Rail (CR) стали пользоваться растущим спросом в США и были допущены к эксплуатации даже в штате Калифорния, где установлены самые жесткие в мире экологические требования к двигателям. Немецкие автостроители ожидают, что к 2015 году доля дизельных автомобилей вырастет с нынешних 5 до 10 процентов.

Предела усовершенствованию дизельных двигателей, похоже, нет. На 2015 год запланирован выпуск автомобилей, расходующих не более 3,6 литра на 100 километров. Это на треть лучше, чем сейчас.

Многие автостроители считают, что значительно больше смысла и пользы было бы, если бы в ЕС стимулировали развитие не электродвигателей, а дизельных моторов. Ведь методы улучшения выхлопа хорошо известны, в большинстве стран мира заправочная сеть для дизельных моторов уже хорошо развита, в любой деревне есть качественное дизельное топливо, а пунктов подзарядки аккумуляторов даже в проекте пока нет.

Автор: Виктор Агаев
Редактор: Андрей Кобяков

Архив

Преимущества

Силовые агрегаты на дизельном топливе характеризуются рядом общих преимуществ.

• Экономичность. КПД таких моторов составляет 40% и может достигать 50% при наличии системы наддува.
• Мощность. При эксплуатации дизельных двигателей с турбиной не наблюдается классической ярко выраженной турбоямы, а весь крутящий момент становится доступен практически с самых низких оборотов.
• Надежность. Пробег дизельных силовых агрегатов составляет до 700 000 км.
• Экологичность. Использование технологии EGR и значительно меньший объем СО в выхлопных газах позволяют существенно снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Современные возможности

Переоборудование

Это кардинальный способ перехода дизельного мотора на газ. Однако после завершения переоборудования обратный переход становится невозможным, что объясняется внесением существенных изменений в систему зажигания, питания и ряд других. Такая необходимость обусловлена особенностями используемого топлива. Для воспламенения солярки необходима температура 300-400С, а газ начинает гореть при 700С.

В этом случае изменения в дизельном двигателе выглядят так:

вместо форсунок используются свечи зажигания;

осуществляется установка газовых форсунок или дозатора;

снижается степень сжатия, что позволяет использовать высокооктановое горючее.

В результате переоборудования получается газовый двигатель, который имеет следующие преимущества:

существенно увеличивается ресурс силового агрегата;

снижается объем вредных выбросов, которые наносят меньший вред окружающей среде;

возрастает крутящий момент и мощность двигателя;

работа мотора становится менее шумной и сопровождается детонацией.

К отрицательным моментам такого перехода относится:

безальтернативность используемого топлива;

усложняется настройка и регулировка;

газовый баллон занимает много места в легковом автомобиле;

сложности запуска при снижении температуры;

сокращается интервал регламентного технического обслуживания.

Газодизель

На современные дизельные моторы установка обычного ГБО невозможна, что связано с принципиальным отличием работы системы зажигания, поэтому устанавливается газодизель. В этой системе дизельное топливо применяется только для воспламенения смеси, а работа мотора происходит на газе. Для стабильной работы мотора требуется, чтобы соблюдался топливный баланс, который контролируется датчиками и управляется ЭБУ.

При переходе дизеля на газ целесообразно использовать метан, который может быть разбавлен соляркой 1:4. Современные технологии позволяют получать этот газ путем переработки органики, поэтому открываются широкие перспективы при эксплуатации техники в местах непосредственного производства топлива — в сельской местности.

При использовании пропана потребность в газе возрастает в 2 раза, а его стоимость выше цены метана. Однако сеть метановых заправок находится в стадии становления, в отличие от пропановых АГНС.

Для подачи топлива может использоваться механический насос высокого давления, а также современная разработка — Common Rail, соответствующая стандарту Евро 4.

Установка газодизеля имеет следующие преимущества:

возможности использования топлива двух видов;

снижается уровень загрязнения окружающей среды;

продлевается ресурс мотора;

увеличивается интервал замены масла;

А также некоторые недостатки:

усложняется процесс регулировки и настройки;

необходимо отвести много места для размещения газового баллона в легковой машине;

приобретение и установка ГБО требуют значительных затрат, что делает переоборудование легковых автомобилей на газ нецелесообразным. Однако монтаж ГБО на грузовики, специальную и сельскохозяйственную технику позволяет получить ощутимый экономический эффект.

Турбодизель

Принцип действия турбированного двигателя не отличается от атмосферных моторов. Таким образом, переоборудование турбодизеля вполне возможно и выполняется аналогично атмосферным моделям.

Как работает камера сгорания, типы

Камеры сгорания бывают следующих типов:

1. разделенные;
2. неразделенные.

Топливо при раздельном типе направляется в камеру, которая находится в головке блока цилиндров. К тому же у такого варианта разные конструкции, зависящие от создания смеси: вихрекамерный либо предкамерный.

Предкамерный впрыск выполняется в предварительную камеру, которая с цилиндром соединяется с помощью небольших отверстий либо каналов. После воспламенения смесь с высокой скоростью перемещается по отверстиям, создавая значительный перепад давления и отправляясь в главную камеру, где и сгорает.

Вихрекамерный вариант демонстрирует начало горения смеси в камере, в целом она похожа на полую сферу. При такте сжатия туда направляются воздушные массы, которые вихревым потоком закручиваются там, вследствие чего топливо хорошо перемешивается с воздухом.

Преимущества разделенной камеры заключается в том, что топливо сгорает за пару этапов, что обеспечивает стабильное и мягкое функционирование мотора.

Минусы разделенной камеры: значительный расход топлива вследствие определенных потерь из-за значительной поверхности подобной камеры, в том числе возникающих потерь при перетекании воздушных масс.

В случае неразделенного варианта камера сгорания выполняется в днище поршня, непосредственный впрыск топлива осуществляется в цилиндр. Благодаря такому подходу обеспечивалась значительная экономия. Однако на легковых автомобилях эта схема применялась редко, так как были конструктивные проблемы, вибрационные и шумовые недостатки. Тем не менее, благодаря новым электронным системам управления по дозировке топлива, удалось провести оптимизацию сгорания рабочей смеси и устранению недостатков.

Почему занавеска в душе хочет к вам прилипнуть

31-летний профессор машиностроения Дэвид Шмидт из Университета Массачусетса в Амхерсте в 2001 году получил Шнобелевскую премию за то, что на софте за 28 000 долларов для моделирования потоков жидкостей просчитал модель, частично объясняющую, почему занавеска хочет прилипнуть к вам в душе. (Публикация в Scientific American )

Дэвид Шмидт исследовал способы точной имитации брызг и распыления (spray). Обычно они использовали эти симуляции распыления, чтобы помочь разработать лучшие дизельные и авиационные двигатели. Однако тот же анализ в равной степени применим и к душевой кабине в ванной. В конце концов, душ — это просто большая струя брызг.

В своей симуляции Дэвид Шмидт учел эффекты дробления капель, модель также учитывала деформацию (distortion) капель, которая существенно влияет на аэродинамическое сопротивление.

Все предыдущие объяснения были теоретические: от эффекта Бернулли (Bernoulli effect) до теории плавучести (buoyancy effect).

Гипотеза эффекта Бернулли

Самым популярным объяснением эффекта занавески для душа является принцип Бернулли. Принцип Бернулли гласит, что увеличение скорости приводит к снижению давления. Эта теория предполагает, что вода, вытекающая из насадки для душа, заставляет воздух, через который движется вода, течь в том же направлении, что и вода. Это движение будет параллельно плоскости занавески для душа. Согласно принципу Бернулли, если воздух движется по внутренней поверхности занавески для душа, давление воздуха там упадет. Это приведет к перепаду давления между внутренним и внешним пространством, что приведет к перемещению занавески внутрь. Эффект будет наиболее сильным, когда зазор между человеком и занавеской будет наименьшим, в результате чего занавеска будет прилипать к человеку.

Но эффект Бернулли основан на соотношении давления и ускорения и не учитывает наличия капель. И, по расчетам лауреата Шнобелевской премии, этот эффект не отвечает за прогиб занавески в душе.

Гипотеза плавучести

Также называемый эффектом дымохода или эффектом стека/тяги, подразумевает, что теплый воздух (из горячего душа) поднимается над занавеской душа, когда более прохладный воздух (около пола) проталкивается под занавеску, заменяя поднимающийся воздух. Если придвинуть занавеску к струе, вихрь (ближнего действия) и эффекты Коанда становятся более значительными. Однако эффект занавески для душа сохраняется при использовании холодной воды, что означает, что это не может быть единственным действующим механизмом.

Теория плавучести предполагает, что горячий душ вызывает повышение температуры воздуха в душе, уменьшая его плотность. В этом случае давление на душевой стороне занавески будет ниже, чем давление снаружи на той же высоте от пола, что приведет к смещению занавески в сторону более низкого давления. Проблема с этим объяснением состоит в том, что занавеска так же будет втягиваться внутрь к холодному душу.

Эффект Коанда

Эффект Коанда, также известный как «прикрепление пограничного слоя», представляет собой тенденцию движущейся жидкости прилипать к соседней стене.

Гипотеза горизонтального вихря

Для расчета Дэвид Шмидт нарисовал модель типичного душа и разделил зону душа на 50 000 крохотных ячеек. Ванна, душ, карниз и комната за пределами душа также были включены. Шмидт запускал программу Fluent в течение двух недель на своем домашнем компьютере по вечерам и по выходным (когда его жена не использовала компьютер). За это время ему удалось смоделировать 30 секунд потока брызг.

Компьютерное моделирование показало, что брызги образуют горизонтальный вихрь. Этот вихрь имеет в центре зону низкого давления, которая всасывает завесу. Эта область низкого давления притягивает занавеску. Вихрь вращается вокруг оси, перпендикулярной занавеске. Это немного похоже на пылевой смерчик, но в отличие от смерча, этот вихрь не гаснет, потому что он постоянно подпитывается потоком капель.

Капли воды в ливне показаны цветом по величине скорости. На занавеске для душа обозначены заполненные контуры давления.

Векторы скорости показывают движение воздуха в душе. Помимо движения, вызванного лобовым сопротивлением, вблизи ливня имеется большая картина рециркуляции над ним.

Показанный здесь прогиб душевой занавески (не в масштабе) был рассчитан с использованием баланса сил.

Тяга достаточно слабая, поэтому если напор воды небольшой, или душ недостаточно распыляет поток на капли, или занавеска тяжелая, то засасывание не заметно.

Профессор Шмидт непреклонен в том, что это исследование было сделано «для развлечения» в свободное время без использования грантов.

Мое личное десятилетнее наблюдение за «эффектом душевой занавески» показало, что широкая «лейка» вызывает бомбическую тягу, а от температуры воды тяга не меняется.

Неутешительный вывод

Сравнение ISV и «Сармат-2» может показаться некорректным, ведь американская машина определенно дороже (от 177 тысяч долларов в 2020 году) и больше. Но не стоит забывать общую концепцию двух машин, которые максимально унифицированы с гражданскими моделями. А здесь уже важны достижения массового автопрома.

При всем уважении к заслугам «Нивы», сложно сравнивать конструкцию из 1970-х с современными (пусть, местами архаичными) автомобилями. Электронные блокировки, адаптивная подвеска, система управления – этого у «Сармата-2» пока нет. Как нет и турбодизельного двигателя, который дает запас крутящего момента в габаритах рядной «четверки» ВАЗ-2123.

Единственное, что можно отнести к преимуществам «Сармат-2», так это ремонтопригодность. Определенно, в полевых условиях будет легче отремонтировать «честный» и механический «Сармат-2», чем ISV. Но стоит ли строить машину исключительно под вероятность поломки? Более того, будь у создателей «Сармата-2» возможность использовать более совершенную базу, ограничились бы они «Нивой»?