Навигация
1.2 Инженер все может
Вторая половина девятнадцатого века прошла под знаком паровой машины, устройства сколь гениального, столь и малоэффективного. Газовые двигатели Отто, нуждавшиеся в дорогом светильном газе, и появившиеся вскоре маломощные бензиновые моторы не могли конкурировать с паровой машиной, которая работала на относительно дешевом каменном угле. Последнее обстоятельство заставляло большинство изобретателей разрабатывать двигатели, приспособленные для использования преимущественно твердого топлива. Наиболее удовлетворительным решением оказалась паровая турбина, созданная практически одновременно и независимо друг от друга шведом французского происхождения Де Лавалем и англичанином Парсонсом. Постепенно улучшаясь, паровые турбины завоевали "место под солнцем" в энергетике и судовых силовых установках.
Не прекращались попытки использования нефти или продуктов ее перегонки - бензина и керосина - в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Важным шагом в этом направлении стали керосиновые двигатели, предложенные немцем Шпилем и англичанином Пристманом. Принципиально они мало отличались от двигателя Отто, однако впрыскивание топлива в них осуществлялось насосом. Обе конструкции предусматривали предварительный подогрев керосина с целью перевода его в газообразное состояние. В 1888 г. англичанин Харгревс построил прототип двигателя тяжелого топлива с форсункой, запальным шаром и охлаждением камеры сгорания водой.
Одновременно немец Капитэн предложил впрыскивать в камеру сгорания две струи жидкого топлива таким образом, чтобы при их столкновении горючее распылялось и только после этого поджигалось свечой. Наконец, в 1891 г. англичанин Стюарт построил так называемый "калоризаторный" двигатель тяжелого топлива. Он работал при малых степенях сжатия, а воспламенение топлива происходило при соприкосновении с предварительно разогретой от внешнего источника поверхностью. Калоризаторный мотор был вполне жизнеспособен и даже получил некоторое распространение, но его позиции навсегда подорвало появление первого двигателя Дизеля. Еще в 1890 г. Рудольф перебрался в Берлин, став членом правления Акционерного общества холодильных машин. Глава фирмы профессор Линде весьма заинтересовался идеей своего бывшего ученика и пообещал оказать необходимую поддержку на этапе реализации "в металле" двигателя с топливной эффективностью, на порядок превосходившей соответствующий показатель паровой машины.
За 10 лет Дизель разработал сотни чертежей и расчетов двигателя абсорбционного типа, работавшего на аммиаке.Фантазия молодого инженера не знала границ - от миниатюрных моторчиков для швейных машин до гигантских стационарных агрегатов, использующих солнечную энергию!
И все же Дизелю никак не удавалось создать, хотя бы на бумаге эффективный двигатель, чей КПД превзошел бы на 10-12% паровою машину.
Задавшись целью построить экономичный двигатель, Дизель тщательно изучил единственный, бессмертный трактат "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" французского офицера Никола Леонара Сади Карно (1796-1832). По мысли Карно, в максимально экономичном двигателе нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо лишь "изменением объема", т.е. быстрым сжатием. Когда же топливо вспыхнет, надо ухитриться поддерживать температуру постоянной. А это возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении нагреваемого газа.
Дизель решил сжимать не горючее, а только воздух, и к концу сжатия впрыскивать в цилиндр жидкое топливо под высоким давлением. Эти соображения изложены Дизелем в работе "Теория и конструкция рационального теплового двигателя". В начале своих изысканий он попытался создать двигатель, работающий на угольной пыли, но безрезультатно. Лишь когда Дизель использовал в качестве горючего частично очищенную нефть, он добился заметных результатов. Была открыта дорога к использованию в качестве топлива тяжелых нефтяных фракций.
В описании к патенту от 28 февраля 1892 г., названному "Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя", идея Рудольфа Дизеля излагалась следующим образом:
Рабочий процесс в двигателе внутреннего сгорания, отличающийся тем, что поршень в цилиндре настолько сильно сжимает воздух или смесь какого-нибудь другого индифферентного газа (пара) с воздухом, что возникающая при этом температура сжатия значительно превышает температуру воспламенения топлива; при этом сгорание постепенно вводимого после мертвой точки топлива совершается так, что в цилиндре двигателя не происходит существенного повышения давления и температуры.
При осуществлении рабочего процесса, описанного в п.1, к рабочему цилиндру присоединяется многоступенчатый компрессор с ресивером. Равным образом возможно соединение нескольких рабочих цилиндров между собой или же с цилиндрами для предварительного сжатия и последующего расширения. Через год после получения патента теоретическая часть работы Дизеля была изложена им в брошюре "Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели". В таком двигателе, считал Дизель, повышение температуры расширяющейся газовой смеси должно производиться не только в результате сгорания топлива, но и до начала этого процесса - путем предварительного сжатия чистого воздуха в цилиндре.
Работать "рациональный двигатель", как и газовые двигатели Отто, должен был по четырехтактному циклу. Однако последние всасывали не чистый воздух, а рабочую смесь воздуха и газообразного горючего, что не позволяло из-за возможности преждевременного воспламенения смеси достигать высоких степеней сжатия. Чистый воздух, всасываемый по циклу Дизеля, можно было доводить до каких угодно технически осуществимых степеней сжатия. Если в двигателях Отто смесь зажигалась электрической искрой, то в двигателе Дизеля раскаленный воздух сам воспламенял поступающее горючее. Наконец, Дизель планировал осуществить постепенное сжигание топлива по мере его поступления без существенного повышения температуры в цилиндре на этапе рабочего хода, в то время как в двигателе Отто смесь сгорала быстро, почти взрывообразно. Таким образом, Дизель надеялся вплотную приблизиться к реализации термодинамического цикла Карно.
Никогда еще одни теоретические построения без практически осуществленного изобретения не вызывали такого огромного интереса среди специалистов во всем мире. Однако, как и следовало ожидать, большая часть критиков оценивала идею автора как практически неосуществимую. Впрочем, были примеры и иного рода. Профессор Шреттер, скептически относившийся прежде к работам Дизеля, после публикации брошюры написал ему: "Я прочел вашу работу с большим интересом: Так радикально и смело еще никто из всех тех, кто предрекал паровому двигателю его закат, не выступал, как Вы. А такой смелости будет принадлежать и победа".
Ободренный признанием своих учителей, Дизель принимает решение о постройке экспериментального образца двигателя на заводе в Аугсбурге. В июле 1893 г. он был готов к испытаниям. В отличие от идей, изложенных в патенте и брошюре, вместо мелкодисперсной угольной пыли в качестве топлива применялся керосин. Первоначально Дизель предполагал получить давление в цилиндре на уровне 250 атм, впоследствии этот параметр из соображений технической реализуемости пришлось уменьшить до 90 атм. На деле, начав с восемнадцати, после целого ряда доработок он сумел довести степень повышения давления только до тридцати четырех. По поводу введения водяного охлаждения Дизель позднее, поясняя работу и результаты испытаний первого опытного двигателя в своем докладе на съезде Союза германских инженеров, скажет следующее:
"Обращаю внимание на то, что эта машина работала без водяной рубашки и что, таким образом, была доказана возможность работать без водяного охлаждения, предусмотренная теоретически. По практическим соображениям при дальнейших выполнениях машины была применена водяная охлаждающая рубашка, которая глазным образом дает возможность получать при тех же размерах цилиндра большую работу. На основании большого опыта, приобретенного на испытаниях, для меня стало совершенно ясно, что точка зрения, будто водяная рубашка при двигателях внутреннего сгорания является главным препятствием для достижения более высокой отдачи,- неправильна."
При официальных испытаниях в феврале 1897 г., на заводе в Аугсбурге был создан первый практический дизельный двигатель проводившихся под руководством профессора М. Шретера, этот Агрегат высотой в три метра развивал 172 об/мин и при диаметре единственного цилиндра 250 мм, ходе поршня 400 мм "выдавал" от 17,8 до 19,8 л.с., расходуя 258 г нефти на 1 л.с. в час. При этом термический КПД составлял 26,2% - вдвое выше, чем у паровой машины. Таких показателей не имел еще ни один из существовавших до того времени двигателей.
Работа двигателя осуществлялась за четыре такта. За первый ход поршня в цилиндр всасывался воздух, за второй он сжимался приблизительно до 3,5-4 МПа, нагреваясь при этом примерно до 600°С. В конце второго хода поршня в среду сжатого (разогретого сжатием) воздуха через форсунку с воздушным распыливанием (сжатым воздухом под давлением 5-6 МПа) начинало вводиться жидкое топливо (при испытаниях использовался керосин). Попадая в среду разогретого воздуха, топливо самовоспламенялось и горело почти при постоянном давлении (но не при постоянной температуре, как ожидал Дизель, патентуя цикл) по мере подачи его в цилиндр, продолжавшейся примерно на 1/5-1/ части третьего хода поршня. На остальной части хода поршня происходило расширение продуктов сгорания. За четвертый ход поршня осуществлялся выпуск отработавших продуктов сгорания в атмосферу. Рабочий цикл созданного двигателя сильно отливался от запатентованного.
Затем перешли к впрыску горючего. Вопреки ожиданиям его сгорание происходило очень быстро, в связи с чем давление и температура в цилиндре резко росли. Двигатель едва не взорвался, в ходе одного из экспериментов разлетелся на части индикатор давления, сам Дизель чуть было не получил удар обломком по голове. По-видимому, до этого Рудольф не придавал особого значения эффекту самовоспламенения топлива. Опытный двигатель не имел системы охлаждения. Кроме того, из-за чрезмерного трения в отдельных узлах он оказался неработоспособен. В отчете по испытаниям появилась запись: "Считать, что осуществление рабочего процесса на этой несовершенной машине невозможно". На изготовление усовершенствованного образца ушло пять месяцев. Параллельно Дизель взял второй патент, в котором он фактически отказывался от осуществления изотермического сжигания топлива в пользу изобарического. 17 февраля 1894 г. второй опытный двигатель Дизеля проработал в течение одной минуты, сделав 88 оборотов. Наконец-то Дизель смог записать в своем дневнике: "Жизнеспособность моего дела, осуществимость моей идеи доказаны". Вторая серия опытов, продолжавшаяся до середины марта, вселила в окружающих такую же уверенность. К осени удалось получить диаграмму работы двигателя, полностью соответствовавшую теории.
Дизель предложил созвать техническую конференцию с участием представителей фирмы Круппа, которая пожелала подключиться к созданию нового двигателя. По итогам работы конференции второй опытный образец мотора, нуждавшийся в дальнейшей доводке, отправили в Австрию на один из крупповских заводов, а в Аугсбурге приступили к изготовлению усовершенствованного третьего экземпляра. "Первый не работает, второй работает несовершенно, третий будет хорош", - с непоколебимой уверенностью заявил Дизель.
Суета, поднявшаяся вокруг работ изобретателя, свидетельствовала о несомненном успехе. Дизеля принялись атаковать "предшественники", предъявлявшие свои претензии на авторство идеи двигателя тяжелого топлива. Многочисленные европейские фирмы проявили заинтересованность в изобретении. Первой патент приобрела германская фирма "Братья Карель", затем во Франции было создано акционерное общество "Дизель", приступившее к постройке собственного завода в Бар-де-Люке. А ведь по-настоящему работоспособного мотора еще не было! Только в начале 1895 г. закончилась постройка третьего опытного экземпляра, содержавшего уже все основные элементы будущего дизель-мотора. Он имел жидкостное охлаждение и воздушный насос для впрыска топлива. Первого мая двигатель проработал непрерывно 30 минут, а в конце июня были произведены первые опыты с работой под нагрузкой.
К созданию дизельмотора подключалось все больше людей. Обладая исключительной проницательностью, Дизель окружил себя превосходными сотрудниками. Уверенность изобретателя передавалась сомневающимся, его трудолюбие и упорство в достижении цели самым благоприятным образом влияло на темпы работ.
В декабре 1896 г. было закончено изготовление первого "большого" двигателя мощностью 20 л.с., который мог иметь промышленное применение. Дизель отправил письмо Круппу: "Наконец, мы имеем совершенно готовый экономичный двигатель, с которым мы одержим победу". Степень повышения давления в цилиндре достигала тридцати пяти, а температура воздуха в конце цикла сжатия 700:800 АС. В качестве топлива использовался керосин, впрыскивавшийся топливным насосом через форсунку. Впечатляли размеры цилиндра: его диаметр составлял 250 мм, а ход поршня - 400 мм. В то время как лучшие паровые машины имели к.п.д. не более 15 %, еще несовершенный дизельмотор продемонстрировал к.п.д. на уровне 34 %. Расход топлива не превышал 240 г/л.с.Зч на номинальном режиме и 280 г/л.с.Зч на режиме половинной мощности.
Похожие работы
... . В 1897г. Дизель сумел продемонстрировать работу действующего двигателя своей конструкции мощностью 25л.с. Высокоэффективный двигатель заинтересовал фирму Круппа, машиностроительные заводы Аугсбурга. К Рудольфу Дизелю пришел коммерческий успех, но через некоторое время лицензионные отчисления (роялти) прекратились из-за конструкторских просчетов, устраненных уже другими изобретателями. Рудольф ...
... в минуту, эффективность (к.п.д.) 26.2 %. при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с к.п.д. 20 % и судовые паровые турбины с к.п.д. 12 %, что вызвало немедленный интерес промышленности. Существенным недостатком первых дизелей являлась невозможность реверсирования (изменения направления вращения), затруднявшая их использование на водном транспорте. Первый судовой ...
... создается за счет выбора материала для изготовления его частей, конструктивного оформления деталей остова, проверки выбранных размеров расчетом на прочность и способа соединения деталей остова между собой. В судовых дизелях применяют различные схемы конструктивного оформления деталей остова. Рассмотрим три основные схемы. 1. Остов креицкопфного двигателя (рис. 1) состоит из фундаментной рамы ...
... любом месте. Это обусловило широкое применение Двигателей внутреннего сгорания на транспортных средствах (автомобилях, строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.). Совершенствование Двигателей внутреннего сгорания идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций . Можно наметить также такие тенденции в ...
0 комментариев