Рудольф Дизель (стр. 2 из 5)
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.
1.3 Борьба угля и нефти
В 1898 г. в Мюнхене открылась выставка паровых машин, ставшая кульминационным пунктом невероятного успеха Дизеля и его двигателя. Здесь была развернута целая экспозиция: тридцатисильный мотор Аугсбургского завода приводил в действие насос Бракемана, двадцатисильный двигатель завода "Отто-Дойц" работал на машину для получения жидкого воздуха, а тридцатипятисильный крупповский дизельмотор вращал вал насоса высокого давления, дававшего струю высотой 40 м. Успех на выставке был колоссальным. Лицензии на производство двигателей Дизеля разбирались немецкими и иностранными предприятиями нарасхват. В России за внедрение дизель-моторов в энергетику и судостроение взялся крупный промышленник Нобель. По его заданию главный инженер Нордстрем, используя технические решения лицензионного двигателя мощностью 20 л.с., приступил к проектированию собственного варианта мотора, который должен был работать на сырой нефти. Спустя год переконструированный двигатель поступил на испытания, закончившиеся успешно. Следует отметить, что этот результат оказался вовсе не лишним: дело в том, что, например, во Франции на первых порах из-за обилия "детских болезней" дизель-мотор серьезно подорвал свое реноме. Кроме того, потребная точность изготовления ряда деталей двигателей Дизеля значительно превышала уровень, достигнутый на большинстве машиностроительных заводов. Помимо технологических трудностей перед промышленностью встал вопрос о создании новых жаростойких материалов. Столкнувшись с проблемами, некоторые фирмы заявили о "непригодности" дизель-моторов для серийного производства. Недоброжелатели Дизеля подхватили эту мысль и принялись упрекать его во всех смертных грехах: от некомпетентности до воровства чужих идей. Временные неудачи, хотя и поколебали душевное здоровье изобретателя (он даже некоторое время был вынужден лечиться у психиатра), но не смогли изменить того факта, что именно такой двигатель был востребован мировой промышленностью. Если в 1902 -1904 гг. тонна нефти на мировом рынке стоила 6 руб. 10 коп., то в 1905 -1907 гг. цена увеличилась уже до 14 руб. 88 коп. Цифры наглядно демонстрируют, насколько вырос спрос на нефть; в немалой степени это произошло по причине все более широкого внедрения ДВС, в том числе дизель-моторов. Вместо обычного расхода 0,8...0,9 кг/л.с.Зч, характерного для судовых паровых машин, двигатели Дизеля потребляли вчетверо меньше топлива, что позволяло заметно увеличить дальность плавания. Помимо высокой экономичности важным козырем ДВС являлась простота топливоподачи. На броненосцах того времени, оснащенных паровыми машинами, в котельных отделениях непрерывно трудились десятки кочегаров, лопатами отправлявшие уголь в ненасытные топки. Применение жидкого топлива, которым питались дизель-моторы, практически полностью устраняло столь нерациональные трудозатраты. На рубеже веков электроэнергия все шире проникала во все стороны жизни общества. Электрическое освещение квартир, электрические двигатели на предприятиях, трамваи на улицах городов: Первое время генераторы электростанций работали совместно с быстроходными паровыми машинами, дававшими 400:600 об/мин. Такая частота вращения не обеспечивала эффективной работы динамо-машин. Кроме того, единичная мощность паровых машин являлась недостаточной для крупных электростанций. Потребность в специальном двигателе, быстроходном и экономичном, возникла после первых же успехов, сделанных электротехникой, и по мере их расширения только возрастала. Поэтому неудивительно, что выставленные на Всемирной выставке в Париже в 1900 г. двигатели Дизеля получили высшую награду - Гран При. Однако и конкуренты не стояли на месте. Появление паровых турбин чрезвычайно укрепило позиции угля в электроэнергетике, но прежде чем турбины окончательно завоевали здесь "место под солнцем", высокооборотные дизель-моторы пытались с ними конкурировать. Там, где единичная мощность агрегата не превышала нескольких сот лошадиных сил, они сумели закрепиться. В зоне более мощных машин двигателям Дизеля пришлось уступить. Следует отметить, что в начале века в Германии, из энергетических ресурсов располагавшей только запасами угля, против Дизеля и его идеи все более широкого использования жидкого топлива восстали как некоторые промышленники, так и широкая "инженерная общественность". При этом первые защищали свои коммерческие интересы, а вторые противились внедрению нового из-за косности мышления. Чтобы как-то обосновать свою позицию, немецкое инженерное сообщество сделало упор на различиях между содержанием патентов Дизеля и реальными конструкторскими решениями, которые были воплощены в дизель-моторах. И формально критики были правы: ведь ни угольная пыль в качестве топлива, ни изотермическое управляемое сжигание ее так и не были реализованы. Затем к травле Дизеля подключились изобретатели, полагавшие, что их идеи были украдены. С тем, чтобы пригасить волну недоброжелательства, Дизелю пришлось уплатить отступное - 20 тыс. марок трем немецким инженерам: Э. Капитену, Ю. Зонляйну и О. Келлеру. Но Общество германских инженеров не унималось. В 1904 г. на своем ежегодном съезде оно демонстративно присудило "турбинистам" Лавалю и Парсонсу высшую награду - медаль Грастгофа. Иностранцы чрезвычайно редко удостаивались этой награды, а немец Рудольф Дизель так и не стал ее обладателем. Редкостные по ожесточенности нападки не прекращались. В обиход был введен псевдотермин "двигатель Дизеля-и-компании", а в кулуарах съезда вполне серьезно обсуждали целесообразность применения термина "нефтяной двигатель" взамен "дизель-мотора".