Три основные размерные группы
В зависимости от мощности существуют три основные размерные группы дизельных двигателей: малые, средние и большие.Малые двигатели имеют выходную мощность менее 16 киловатт.Это наиболее распространенный тип дизельного двигателя.Эти двигатели используются в автомобилях, легких грузовиках, некоторых сельскохозяйственных и строительных машинах, а также в качестве небольших стационарных генераторов электроэнергии (например, на прогулочных судах) и в качестве механических приводов.Обычно это рядные четырех- или шестицилиндровые двигатели с непосредственным впрыском топлива.Многие из них оснащены турбонаддувом и дополнительными охладителями.

Средние двигатели имеют мощность от 188 до 750 киловатт или от 252 до 1006 лошадиных сил.Большинство этих двигателей используются в тяжелых грузовых автомобилях.Обычно это рядные шестицилиндровые двигатели с непосредственным впрыском топлива, турбонаддувом и промежуточным охлаждением.Некоторые двигатели V-8 и V-12 также относятся к этой размерной группе.

Большие дизельные двигатели имеют номинальную мощность более 750 киловатт.Эти уникальные двигатели используются в судовых, локомотивных и механических приводах, а также для производства электроэнергии.В большинстве случаев это системы с непосредственным впрыском, турбонаддувом и промежуточным охлаждением.Они могут работать со скоростью всего 500 оборотов в минуту, когда надежность и долговечность имеют решающее значение.

Двухтактные и четырехтактные двигатели
Как отмечалось ранее, дизельные двигатели предназначены для работы как в двух-, так и в четырехтактном цикле.В типичном четырехтактном двигателе впускной и выпускной клапаны, а также форсунка для впрыска топлива расположены в головке блока цилиндров (см. рисунок).Часто используются двухклапанные конструкции — два впускных и два выпускных клапана.
Использование двухтактного цикла может исключить необходимость использования одного или обоих клапанов в конструкции двигателя.Продувочный и всасываемый воздух обычно подается через отверстия в гильзе цилиндра.Выхлоп может осуществляться либо через клапаны, расположенные в головке блока цилиндров, либо через отверстия в гильзе цилиндра.Конструкция двигателя упрощается при использовании портальной конструкции вместо конструкции, требующей выпускных клапанов.

Топливо для дизелей
Нефтепродукты, обычно используемые в качестве топлива для дизельных двигателей, представляют собой дистилляты, состоящие из тяжелых углеводородов, содержащих не менее 12–16 атомов углерода на молекулу.Эти более тяжелые дистилляты получают из сырой нефти после удаления более летучих частей, используемых в бензине.Точки кипения этих более тяжелых дистиллятов колеблются от 177 до 343 ° C (от 351 до 649 ° F).Таким образом, температура их испарения намного выше, чем у бензина, у которого меньше атомов углерода на молекулу.

Вода и осадок в топливе могут нанести вред работе двигателя;чистое топливо имеет важное значение для эффективных систем впрыска.С топливом с высоким содержанием углерода лучше всего справляются двигатели низкооборотного вращения.То же самое касается и тех, которые имеют повышенное содержание золы и серы.Цетановое число, которое определяет качество воспламенения топлива, определяется с использованием ASTM D613 «Стандартный метод определения цетанового числа дизельного топлива».

Разработка дизельных двигателей
Ранняя работа
Рудольф Дизель, немецкий инженер, придумал идею двигателя, который теперь носит его имя, после того, как он искал устройство, повышающее эффективность двигателя Отто (первого четырехтактного двигателя, построенного немецким инженером XIX века Николаус Отто).Дизель понял, что процесс электровоспламенения бензинового двигателя можно исключить, если во время такта сжатия цилиндропоршневого устройства сжатие сможет нагреть воздух до температуры, превышающей температуру самовоспламенения данного топлива.Дизель предложил такой цикл в своих патентах 1892 и 1893 годов.
Первоначально в качестве топлива предлагался либо порошкообразный уголь, либо жидкая нефть.Дизель рассматривал порошкообразный уголь, побочный продукт угольных шахт Саара, в качестве легкодоступного топлива.Для введения угольной пыли в цилиндр двигателя предполагалось использовать сжатый воздух;однако контролировать скорость впрыска угля было сложно, и после того, как экспериментальный двигатель был разрушен взрывом, Дизель перешел на жидкую нефть.Он продолжал подавать топливо в двигатель со сжатым воздухом.
Первый коммерческий двигатель, построенный по патентам Diesel, был установлен в Сент-Луисе, штат Миссури, пивоваром Адольфусом Бушем, который видел его на выставке в Мюнхене и приобрел у Diesel лицензию на производство и продажу двигателя. в США и Канаде.Двигатель успешно работал в течение многих лет и был предшественником двигателя Busch-Sulzer, который использовался на многих подводных лодках ВМС США во время Первой мировой войны. Еще одним дизельным двигателем, использовавшимся для той же цели, был Nelseco, построенный New London Ship and Engine Company. в Гротоне, штат Коннектикут.

Дизельный двигатель стал основной силовой установкой подводных лодок во время Первой мировой войны. Он был не только экономичен в использовании топлива, но и доказал свою надежность в условиях военного времени.Дизельное топливо, менее летучее, чем бензин, было более безопасно хранить и обращаться с ним.
В конце войны многие мужчины, работавшие на дизелях, искали работу в мирное время.Производители начали адаптировать дизели для экономики мирного времени.Одной из модификаций стала разработка так называемого полудизеля, который работал по двухтактному циклу при более низком давлении сжатия и использовал горячую лампу или трубку для воспламенения топливного заряда.Эти изменения привели к тому, что двигатель стал менее дорогим в изготовлении и обслуживании.

Технология впрыска топлива
Одной из нежелательных особенностей полностью дизельного двигателя была необходимость в компрессоре высокого давления с впрыском воздуха.Для привода воздушного компрессора требовалась не только энергия, но и охлаждающий эффект, который задерживал воспламенение, возникал, когда сжатый воздух, обычно с давлением 6,9 мегапаскаля (1000 фунтов на квадратный дюйм), внезапно расширялся в цилиндр, давление которого составляло около 3,4 мегапаскаля (1000 фунтов на квадратный дюйм). до 4 мегапаскалей (от 493 до 580 фунтов на квадратный дюйм).Дизелю требовался воздух под высоким давлением, чтобы ввести в цилиндр порошкообразный уголь;Когда жидкая нефть заменила порошкообразный уголь в качестве топлива, вместо воздушного компрессора высокого давления можно было создать насос.

Существовало несколько способов использования насоса.В Англии компания Vickers использовала так называемый метод Common-Rail, при котором батарея насосов поддерживала топливо под давлением в трубе, проходящей по всей длине двигателя и ведущей к каждому цилиндру.Из этой топливопроводной магистрали (или трубы) ряд впрыскивающих клапанов подавал топливный заряд в каждый цилиндр в нужный момент его цикла.В другом методе использовались кулачковые толчковые или плунжерные насосы для подачи топлива под кратковременно высоким давлением к впрысковому клапану каждого цилиндра в нужный момент.

Отказ от компрессора впрыска воздуха был шагом в правильном направлении, но предстояло решить еще одну проблему: выхлопные газы двигателя содержали чрезмерное количество дыма, даже при мощности, находящейся в пределах номинальной мощности двигателя, и даже при том, что в цилиндре было достаточно воздуха, чтобы сжечь топливный заряд, не оставляя обесцвеченных выхлопных газов, которые обычно указывают на перегрузку.Инженеры, наконец, поняли, что проблема заключалась в том, что впрыскиваемый под высоким давлением воздух, взорвавшийся в цилиндр двигателя, рассеивал топливный заряд более эффективно, чем это могли сделать заменяющие механические топливные форсунки, в результате чего без воздушного компрессора топливо должно было распыляться. найдите атомы кислорода, чтобы завершить процесс сгорания, а поскольку кислород составляет только 20 процентов воздуха, каждый атом топлива имел только один шанс из пяти встретить атом кислорода.Результатом стало неправильное сгорание топлива.

Топливная форсунка обычной конструкции подавала топливо в цилиндр в виде конусной струи, при этом пары исходили из форсунки, а не в виде струи или струи.Очень мало что можно было сделать для более тщательного рассеивания топлива.Улучшение смешивания должно было достигаться за счет придания воздуху дополнительного движения, чаще всего за счет завихрений воздуха, создаваемых индукцией, или радиального движения воздуха, называемого сплющиванием, или того и другого, от внешнего края поршня к центру.Для создания этого вихря и хлюпания использовались различные методы.Наилучшие результаты, по-видимому, достигаются тогда, когда завихрение воздуха имеет определенную связь со скоростью впрыска топлива.Эффективное использование воздуха внутри цилиндра требует скорости вращения, которая заставляет захваченный воздух непрерывно перемещаться от одного распыления к другому в течение периода впрыска, без чрезмерного оседания между циклами.