Как работает дизельный двигатель

Огонь от сжатия

Если резко сжать воздух, он нагревается — это знает каждый, кто накачивал шину насосом. Дизельный двигатель использует этот эффект: в нём топливо поджигает не искра, а горячий сжатый воздух. Это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от разогретого при сжатии воздуха^[1].

Изобретатель Рудольф Дизель заметил, что КПД двигателя растёт со степенью сжатия. Но горючую смесь сильно сжимать нельзя — она вспыхнет раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать чистый воздух, а топливо впрыскивать под большим давлением в самом конце сжатия. Сжатый воздух разогревался до 600–650 °C, топливо самовоспламенялось, и расширяющиеся газы толкали поршень^[2].

Четыре такта

Классический дизель работает за четыре хода поршня — два оборота коленчатого вала^[1]:

1. Впуск. Поршень идёт вниз, через открытый клапан в цилиндр входит воздух.
2. Сжатие. Клапаны закрыты, поршень идёт вверх и сжимает воздух в 16–25 раз — сильнее в быстроходных двигателях. Воздух раскаляется.
3. Рабочий ход. Форсунка распыляет топливо в горячий воздух, оно воспламеняется и горит, пока идёт впрыск; газы расширяются и толкают поршень вниз. Только этот такт совершает полезную работу.
4. Выпуск. Поршень поднимается и выталкивает отработавшие газы.

Горение в дизеле идёт не взрывом, как в бензиновом моторе, а почти при постоянном давлении — столько времени, сколько длится впрыск порции топлива^[1]. Чтобы топливо сгорело полностью, воздуха нужен избыток; если его не хватает, двигатель коптит^[1].

Плюсы и минусы

Главное достоинство — экономичность. Современные дизели имеют КПД 40–45 %, а крупные малооборотные судовые — больше 50 %. Дизель неприхотлив к топливу: он работает на продуктах перегонки нефти от керосина до мазута, на рапсовом и подсолнечном масле и даже на сырой нефти^[1]. На низких оборотах он выдаёт большой крутящий момент^[1].

Минусы — оборотная сторона того же устройства. Топливу нужно время, чтобы загореться, поэтому дизель не может развивать высокие обороты. Высокое давление в цилиндрах требует массивных и дорогих деталей, и двигатель получается тяжелее бензинового той же мощности^[1].

Поэтому дизели особенно хороши там, где нужна тяга и экономия, а не лёгкость: на судах, тепловозах, грузовиках, тракторах, в бронетехнике и на дизельных электростанциях; к концу XX века они распространились и на легковых машинах^[1].

Как его изобрели

Рудольф Дизель родился 18 марта 1858 года в Париже в семье немецкого переплётчика^[2]. 27 февраля 1892 года он подал заявку на патент «нового рационального теплового двигателя» и получил его в 1893 году ^[2]. Первый двигатель по этому принципу он построил в 1893 году^[1].

Разработку вели на Аугсбургском машиностроительном заводе (с 1904 года — MAN) на деньги Круппа и братьев Зульцер. Первый работоспособный двигатель появился там в 1897 году: мощность 20 лошадиных сил, КПД 26,2 % при весе пять тонн. Двигатели Отто того времени давали около 20 %, а судовые паровые турбины — около 12 % ^[2].

Дизели в России

Россия быстро подхватила новинку. В 1898 году Эммануил Нобель купил лицензию Дизеля, двигатель приспособили к работе на нефти, а с 1899 года петербургский завод «Людвиг Нобель» начал их массовый выпуск ^[1]. Тогда же, в 1898 году, на Путиловском заводе инженер Густав Тринклер независимо от Дизеля построил «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления» — дизель в его современном виде ^[1].

О том, что ещё приводят в движение двигатели, — в статьях «Как устроена подводная лодка» и «Почему летает самолёт».