Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Изо всех лошадиныч сил ... Рудольф Дизель и его изобретение Изобретениеѕ никогда не было лишь продуктом творческого воображения: оно представляет собой результат борьбы между отвлеченной мыслью и материальным миромѕ Изобретателем история техники считает не того, кто с той или иной степенью определенности высказывал раньше подобные же мысли или идеи, а того, кто осуществил свою идею, мелькнувшую, может быть, в уме множества других людейѕ Рудольф Дизель Для большинства людей слово «дизель» — лишь техническое понятие, обозначающее вид двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Между тем этот двигатель, получивший название по имени своего великого создателя Рудольфа Дизеля, — результат труда нескольких инженеров, вывел человеческое общество на новый виток технического прогресса. Томас Эдисон когда-то сказал: «Легко сделать удивительные открытия, но трудность состоит в усовершенствовании их настолько, чтобы они получили практическую ценность». Так что рассказы о случайных удачах и внезапных озарениях, скорее, из числа легенд. Уатт, по его собственным словам, изобрел свою паровую машину во время прогулки, увидев, как пар вырывается из окна прачечной. Но ему пришлось потратить более 10 лет, прежде чем он смог наладить серийное производство таких машин. Пароходы строили и до Фултона, а паровозы — до Стефенсона, принцип радио был известен до Маркони, а телеграфная связь использовалась до Морзе. Подвиг великих изобретателей именно в том, что, взявшись за «сырую», может, даже чужую идею, упорным трудом они довели ее до практического воплощения. Цикл Карно: в стремлении к идеалу Рудольф Кристиан Карл Дизель родился в Париже 18 марта 1858 г. в семье немецких эмигрантов. Его предки были переплетчиками и книготорговцами, а свою родословную семья Дизелей ведет из тюрингского городка Песнека. С началом в 1870 г. франко-прусской войны глава семьи Теодор Дизель вынужден был вывезти семью в Англию, а позже принял решение отправить сына Рудольфа к родственникам в Германию, в Аугсбург. Мальчика отдают в реальное училище, и вскоре становится очевидным, что у него поистине незаурядные способности. В 1873 г. его принимают в Аугсбургскую политехническую школу с назначением ему государственной стипендии в 60 гульденов. Весной 1875 г. школу инспектирует директор Мюнхенской высшей технической школы профессор Бауернфейнд. Познания ученика выпускного класса Рудольфа Дизеля так поразили столичного профессора, что он принял беспрецедентное решение — зачислить Рудольфа в Мюнхенскую политехническую школу. Юный Рудольф теперь получает стипендию в 500 гульденов и подрабатывает частными уроками. Все 3 года учебы в Мюнхене он вполне сносно обеспечен и даже может поддерживать родителей, перебравшихся к тому времени в Германию. Именно в Мюнхене, в 1878 г. Дизель определяется в своем призвании. На одной из лекций своего учителя и покровителя Карла фон Линде он услышал о термодинамическом цикле инженера Сади Карно. Великий француз в 1824 г. выпустил свой классический труд — единственный бессмертный трактат Reflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres a developper cette puisance («Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»). В нем он поставил перед собой задачу — выяснить, каким образом должны протекать процессы в идеальном тепловом двигателе, чтобы его КПД был максимально возможным. Расчеты Карно взбудоражили многие изобретательские умы, пытавшиеся найти свой ответ на вопрос: как можно приблизить работу реальных тепловых двигателей к циклу Карно и тем самым получить наибольший КПД. Однако эти попытки оставались безуспешными. Так, например, КПД паровой машины при мощности в 100 л. с. не превышал 13%, а в маломощных двигателях он был и того ниже — менее 10%. Бензиновые и газовые двигатели давали КПД несколько выше, но и там он не превышал 22–24%. На полях студенческой тетрадки педантичный Рудольф сделал пометку: «Изучить возможность применения изотермы на практике». Тогда он еще не знал, что это станет делом всей его жизни. Но он понимает, работа над двигателем возможна лишь при условии стабильного финансового положения, и Дизель принимает предложение Карла фон Линде возглавить завод Акционерного общества «Холодильник» в Париже. Следующие 10 лет его жизни посвящены работе над созданием принципиально нового двигателя. Вторая половина XIX в. была эпохой работы над паровым двигателем — устройством гениальным, но малоэффективным. Газовые двигатели Отто, потреблявшие дорогой светильный газ, и маломощные бензиновые моторы проигрывали паровой машине, которая работала на относительно дешевом топливе — каменном угле. Поэтому большинство изобретателей считало наиболее перспективным направлением разработку двигателей, использующих преимущественно твердое топливо. Самым успешным решением оказалась паровая турбина, сконструированная почти одновременно шведом французского происхождения Де Лавалем и англичанином Парнсоном. Работа над конструкцией паровых турбин сделала их вполне востребованными и в энергетике, и в судовых установках. Понимали инженеры и эффективность использования в двигателях внутреннего сгорания нефти и продуктов ее перегонки — бензина и керосина. Немец Шпиль и англичанин Пристман предложили керосиновые двигатели, которые в принципе мало отличались от двигателя Отто, за исключением того, что топливо в них впрыскивалось насосом. Однако в обеих конструкциях для перехода керосина в газообразное состояние предусматривался его предварительный подогрев. Английский изобретатель Харгревс в 1888 г. построил двигатель на тяжелом топливе, с форсункой, запальным шаром и охлаждением камеры сгорания водой. Почти в то же время немец Капитэн придумал подавать в камеру сгорания двигателя две струи жидкого топлива так, чтобы при их взаимодействии горючее распылялось, а после этого поджигалось свечой. В 1891 г. английский инженер Стюарт предложил так называемый «калоризаторный» двигатель тяжелого топлива, который работал при малых степенях сжатия, а топливо воспламенялось при соприкосновении с предварительно разогретой от внешнего источника поверхностью. Этот мотор вполне успешно работал, и, возможно, стал бы вполне востребованным, если бы не появился первый двигатель Дизеля. Вначале была теория «Парижский» период Дизеля окончился его переездом в Берлин, где он вошел в состав правления Акционерного общества холодильных машин. Здесь молодой инженер вернулся к своей давней изобретательской мечте — разработать мотор, показатели которого были бы близки к циклу Карно. При этом новый двигатель должен превосходить обычный бензиновый как по мощности, так и по экономичности. Суть идеи Дизеля заключалась в следующем: на первом этапе поршень сжимал воздух в цилиндре до высокого давления, за счет чего температура в нем повышалась до температуры воспламенения горючего. Таким образом, в цилиндре достигалось давление порядка 90 атм и температура около 900 °С. Горючее подавалось в цилиндр в конце цикла сжатия и вследствие высокой температуры воздуха воспламенялось от одного соприкосновения с ним без всякого внешнего зажигания. Нагнетание горючего осуществлялось равномерно, так что часть обратного движения поршня и расширение газов происходили при постоянной температуре. Далее поршень двигался уже под влиянием высокого давления без горения топлива с последующим выхлопом и всасыванием свежей порции атмосферного воздуха. Затем все циклы повторялись. Благодаря такому устройству Дизель рассчитывал повысить КПД своего мотора до неслыханной величины — 73%. Сначала в качестве горючего он думал применить пары аммиака, но потом остановился на угольном порошке. 28 февраля 1892 г. Рудольф Дизель получает патент на описанный принцип работы двигателя «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателей». Спустя год он выпускает брошюру Theorie und Konstruktion eines rationellen Warmemotors zum Ersatz der Dampfmaschinen und der heute bekannten Verbrennungsmotoren («Теория и конструкция рационального теплового двигателя») с описанием мотора и авторскими математическими расчетами. Эта брошюра привлекла к себе огромное внимание, хотя большинство инженеров и считали идею Дизеля дерзкой утопией. Крупнейший специалист по газовым двигателям того времени Келер уверял, что получить такой высокий КПД невозможно, т. к. в двигателе Дизеля слишком велики потери мощности на сжатие воздуха до температуры воспламенения, и при работе по циклу Карно вся полученная полезная работа будет расходоваться только на поддержание его собственного движения. Тем не менее неутомимый Дизель настойчиво и, увы, безуспешно предлагал свою модель немецким фирмам. Он спорил, доказывал, пока, наконец, фирма Круппа в Эссене не согласилась профинансировать расходы на его изыскания, а руководство Аугсбургского завода — изготовить пробный образец двигателя. Первые опыты В июле 1893 г. в Аугсбурге был готов к испытаниям первый опытный одноцилиндровый двигатель, созданием которого руководил сам Дизель. В отличие от идей, изложенных в описании патента и брошюре, вместо мелкодисперсной угольной пыли в качестве топлива применялся керосин. Согласно первоначальному проекту, сжатие в цилиндре должно было достигать 90 атм, а температура перед началом впрыскивания горючего — 900 °С. Поскольку температура не должны была сильно превышать этот предел, никакой системы охлаждения не предусматривалось. Не планировалось и наличие компрессора — ведь угольный порошок предполагалось вдувать насосом. Но еще на стадии сборки Дизель, проверив расчеты, убедился в правоте Келера — затраты мощности двигателя на сжатие воздуха до 90 атм оказались чрезмерными и «съедали» весь выигрыш в КПД за счет работы по циклу Карно. Пришлось на ходу переделывать задуманное. Чтобы уменьшить потери мощности на сжатие, Дизель решил снизить давление в цилиндре более чем вдвое — до 35–40 атм, тем самым температура сжатого воздуха должна была упасть с 900 до 600 °С. Но этого было очень мало — разность температур в цикле Карно получалась слишком незначительной для получения высокого КПД. Чтобы этого избежать и повысить мощность мотора, Дизелю пришлось отказаться и от второго важного момента своей конструкции — расширения рабочего тела при постоянной температуре. По его новым расчетам, во-первых, температура сгорания топлива должна была возрасти до 1500 °С (это в свою очередь требовало самого интенсивного охлаждения мотора), а во-вторых, необходимо было более калорийное горючее. Угольная пыль таким требованиям не соответствовала, а потому Дизель обратился к жидкому топливу. Однако при первой же попытке впрыснуть в цилиндр бензин произошел взрыв — Дизель и его помощники едва не погибли. Очевидно, изобретатель не придавал особого значения эффекту самовоспламенения топлива. Не имел опытный образец и системы охлаждения. Кроме того, из-за чрезмерного трения в узлах двигатель оказался неработоспособен. В отчете по испытаниям Дизель сделал запись: «Считать, что осуществление рабочего процесса на этой несовершенной машине невозможно». Результат первого, чуть было не ставшего трагическим испытания, был неоднозначен. С одной стороны, Дизель отступил от первоначально задуманной схемы идеального мотора. Но с другой стороны, некоторые принципиальные моменты его расчетов подтвердились. Так, сильное сжатие рабочей смеси вело к увеличению КПД и, кроме того, оказалось, что топливо действительно может воспламеняться путем сжатия. Фирмы, участвовавшие своими деньгами в проекте, в целом были удовлетворены успехом, что позволило изобретателю продолжить эксперименты. На изготовление усовершенствованного образца ушло около 5 месяцев. Дизель оформил второй патент, в котором признал свой отказ от изотермического сжигания топлива в пользу изобарического. 18 февраля 1894 г. был представлен второй опытный двигатель, для которого Дизель придумал форсунку, управлявшую впрыскиванием керосина. В этой модели давление в цилиндре повышалось до 35–40 атм, а температура в конце фазы сжатия — до 500–600 °С. Удавалось не только запустить мотор, но и заставить его работать без нагрузки, на холостом ходу с частотой до 80 об/мин. Это был несомненный успех, доказавший принципиальную жизнеспособность идеи Дизеля. Он записал в своем дневнике: «Жизнеспособность моего дела, осуществимость моей идеи доказаны». К осени удалось построить диаграмму работы двигателя, полностью подтверждавшую справедливость теории. Успех был неоспорим, а ажиотаж вокруг работ Дизеля сопровождался и притязаниями на первенство в авторстве многих разработок. На основе анализа первых двух опытных образцов у Дизеля возникает идея создания еще одного варианта, в котором он учитывает результаты предыдущих испытаний. Построенный в 1895 г. третий опытный образец был более схож с современным дизельным двигателем, который используется сейчас. Кроме того, этот мотор уже мог работать с небольшой нагрузкой. Для подачи топлива (керосина) в цилиндры и его распыления впервые был применен компрессор. Кроме того, пришлось разработать систему интенсивного охлаждения, чтобы избежать заклинивания цилиндра. К работе над дизель-мотором изобретатель привлекал все больше людей. Он собрал вокруг себя команду истинных единомышленников, что сказалось на ускорении темпов работы. Успех с четвертой попытки Запуск очередного, четвертого, образца в декабре 1896 г. свидетельствовал о несомненном успехе. Это был первый «большой» двигатель мощностью 20 л. с. При испытании с нагрузкой он показал КПД=36% против 15% у лучших паровых машин того времени. Степень повышения давления в цилиндре достигала 35, а температура в конце цикла сжатия — 700–800 °С. В качестве топлива использовался керосин, впрыскивавшийся топливным насосом через форсунку. Расход топлива в номинальном режиме и в режиме половинной мощности составил соответственно около 240 и 280 г на 1 л. с. в час. Хотя эти показатели были далеки от параметров идеального мотора, они все же впечатляли. КПД нового двигателя был на 10–12% выше, чем у бензиновых устройств той поры, а по своей экономичности он превосходил их почти в 2 раза. Да, инженерная мечта Дизеля об «идеальном двигателе» пока не сбылась, и все же сделанное им трудно переоценить. Ведь удалось разработать принципиально новую схему двигателя внутреннего сгорания, которая была и остается лучшей на протяжении вот уже более столетия. «Наконец, мы имеем совершенно готовый экономичный двигатель, с которым мы одержим победу», — писал Дизель в письме Круппу. Работал новый мотор следующим образом. При первом ходе поршня, за счет энергии маховика, запасенной за предыдущую работу машины, воздух всасывался внутрь цилиндра. Во время второго хода, совершавшегося также за счет энергии маховика, запертый в цилиндре воздух сжимался до 35 атм. При этом теплота, выделявшаяся при сжатии, повышала его температуру до температуры воспламенения горючего. В начале третьего хода при помощи насоса впрыскивалось керосиновое топливо. Время впрыскивания занимало лишь незначительную часть времени хода. В течение остальной части хода газовая масса расширялась и поршню сообщалась рабочая сила, которая и передавалась через шатун коленчатому валу. При четвертом ходе продукты сгорания выбрасывались в атмосферу через выхлопную трубу. Двигатель был оснащен компрессором, который в особом резервуаре сгущал воздух при давлении, несколько превышавшем самое высокое значение давления в цилиндре. Из резервуара воздух через трубку очень малого диаметра направлялся в маленькую камеру форсунки, куда одновременно подавался и керосин. Эта камера сообщалась с внутренностью цилиндра при помощи маленького отверстия, запираемого иглой. Когда игла приподнималась, керосин вгонялся в цилиндр благодаря избытку давления в камере. Горение в цилиндре регулировалось, смотря по силе, которую должен был развивать двигатель, посредством изменения либо продолжительности впрыскивания горючего, либо давления в компрессоре. Этот же сжатый воздух употреблялся и для начального пуска двигателя из холодного состояния. Наверху агрегата помещался распределительный вал с пятью кулачками. Первые два из них управляли клапанами, впускавшим соответственно воздух и керосин, а третий — клапаном, выпускавшим продукты сгорания. Два последних кулачка управляли клапанами, при помощи которых впускался сжатый воздух в цилиндр при начальном пуске двигателя. Первое же официальное испытание явилось настоящей сенсацией среди специалистов. Началось победное шествие «дизелей» по миру. Многие фирмы, ранее отказавшие изобретателю в рассмотрении его проекта, теперь добивались покупки у него лицензии на строительство дизель-моторов, а это обходилось теперь уже недешево. Сотрудничать в изобретении выразили готовность многие европейские фирмы. Первой приобрела патент немецкая фирма «Братья Карель», затем во Франции было создано Акционерное общество «Дизель», незамедлительно приступившее к строительству собственного завода в Бар-де-Люке. Эммануил Нобель, намереваясь наладить производство дизелей в России, заплатил изобретателю около 500 тыс. долл. И это при том, что ни один двигатель по-настоящему еще не работал! Мировое признание Дизель становится миллионером. Однако первые дизельные двигатели, пущенные в серийное производство, были очень капризными и часто выходили из строя. По большей части моторы не работали просто из-за множества недоделок, допущенных на заводах. Выпуск такой высокотехнологичной продукции оказался им не под силу, т. к. требовал повышенной точности изготовления деталей, использования новых жаропрочных материалов и высокой квалификации рабочих. В Германии поднялась настоящая волна жесткой критики в адрес Дизеля и его изобретения. Некоторые изготовители утверждали, что такой мотор предназначен лишь для показательной демонстрации, а не для серийного производства. Эти сомнения подогревали угольные магнаты и коллеги-завистники. Аугсбургская фабрика, принадлежащая изобретателю, стала банкротом. Дизелю пришлось заниматься тем, чтобы довести до совершенства производственный процесс изготовления своих моторов — разрабатывать новые станки, находить сплавы, готовить специалистов. Он был вынужден обратиться за помощью в другие страны и сумел наладить отношения с промышленниками Франции, Швейцарии, Австрии, Бельгии, России и Америки. Альфред Нобель купил у Дизеля права на выпуск и продажу его двигателей в России, а Эммануил Нобель переориентировал производство петербургского завода Нобелей на изготовление дизелей. При участии братьев Нобель в 1898 г. был построен первый в мире двигатель с внутренним смесеобразованием, а в следующем году первый такой мотор был запущен в производство. В 1900 г. завод выпустил уже семь агрегатов мощностью по 30 и 40 л. с. Швейцарский завод братьев Зульцер построил двухтактный дизель-мотор с клапанной продувкой. Такой двигатель уступал четырехтактным в экономичности, но при одинаковой с ними массе почти вдвое превосходил по мощности. Еще одним достоинством двухтактного мотора была относительная простота реверса, который был абсолютно необходим для судовых силовых агрегатов. Именно в Швейцарии впервые приступили к постройке локомотива с дизельным двигателем. В России были достигнуты огромные успехи в деле внедрения двигателей Дизеля на судах. В 1904 г. на Волге появился танкер-теплоход «Сармат», на котором была применена так называемая «силовая установка по системе Дель-Пропосто». При движении вперед дизель-мотор работал непосредственно на винт, а при обратном направлении он переключался на электрогенератор, дававший мотору ток с противоположным направлением вращения ротора. Итог первого же сезона навигации: теплоход оказался в 5 раз экономичнее парохода такого же водоизмещения! Вскоре дизельные моторы оказались востребованы и только появлявшимся тогда подводным флотом. Первой российской подлодкой, оснащенной дизелем, стала «Минога», а вслед за ней — «Акула». Канонерские лодки, построенные для Амурской речной флотилии, также оснащались дизелями. Высказывалась идея о целесообразности применения подобных силовых установок на крейсерах и броненосцах. В 1908 г. Дизель предпринял попытку создать двигатель для использования его на автомобилях. Опытный образец был установлен на грузовик, но испытания провалились из-за стремления довести размеры и массу дизеля до характеристик бензинового двигателя (20 кг/л. с.). Это негативно сказалось на надежности механизма, и изобретателю пришлось отступить от своей идеи. Подобной попыткой Дизель, по сути, пытался опередить время, так что его неудача была предопределена. Несмотря на этот провал к Рудольфу Дизелю вернулось признание на родине, где ему в присутствии кайзера Вильгельма II был вручен диплом о присвоении почетного звания доктора-инженера. Технический талант Дизеля кайзер решил использовать в деле создания новых средств вооружений. Инженер был задействован в работе над секретным оружием — огнеметом, и занимался зажигательными смесями. Одновременно он продолжал совершенствовать конструкцию реверсивного судового четырехтактного мотора и добился положительного результата. Биографы Дизеля полагают, что именно это задание оказалось для него роковым. Разработками заинтересовалась Великобритания, традиционно отстаивавшая свое право считаться «владычицей морей». В августе 1913 г. Дизель получил приглашение посетить Соединенное Королевство. Считается, что официальной целью поездки было приглашение английского королевского автоклуба стать его почетным членом. Тем не менее на торжественное заседание клуба Рудольф Дизель не попал. Вечером 29 сентября 1913 г. на борту лайнера «Дрезден» он покинул порт Антверпена, а в 11 часов вечера, пожелав своим vis-а-vis по столику в ресторане спокойной ночи, отправился в каюту. И исчез. Поиски на судне ничего не дали. Эта загадочная смерть повлекла за собой шквал сплетен и различных версий — самоубийство*, несчастный случай, происки англичан, хитроумный замысел немецкой разведкиѕ Как бы то ни было, но последние минуты жизни великого немецкого изобретателя стали еще одной великой загадкой XX в. История продолжается Когда-то профессор Шретер, кстати, весьма скептически относившийся к работам Дизеля, писал ему: «Еще никто из всех тех, кто предрекал паровому двигателю его закат, не выступал так радикально и смело, как Вы. А такой смелости будет принадлежать и победа». Двадцатый век, пожалуй, можно было бы назвать эпохой дизельного двигателя. Ведь ни один мотор не был так широко востребован и не служил человеку так надежно, как великое изобретение Рудольфа Дизеля. Большие объемы использования дизелей приходятся на тракторостроение, но ежегодно возрастает их применение и в автомобилестроении. Они по-прежнему широко применяются в железнодорожном транспорте и на флоте. Дизелями оборудуют самоходную военную технику — танки и ракетные установки. Незаменимы эти двигатели в качестве передвижных и стационарных установок в районах, удаленных от линий электропередачи. Совершенствование дизелей осуществляется путем повышения удельной мощности, частоты вращения, надежности и долговечности, расширения ассортимента применяемых топлив. В последние годы появилась еще одна немаловажная характеристика двигателя — степень его экологичности. Автомобильные компании уже объявляют о выпуске на рынок экологически чистых дизельных двигателей. Так, например, фирма Honda к 2009 г. планирует выпустить четырехцилиндровый экодизель, а затем дизельный V6. Audi объявила о выпуске следующего поколения двигателей TDI, которые позиционируются компанией как самые экологичные дизельные моторы в мире. Новые агрегаты будут иметь ультранизкие показатели выбросов парниковых газов и потребления топлива, но при этом сохранят все мощностные параметры нынешних TDI. Компания сообщает, что, например, новые 1,9-литровые TDI будут потреблять менее 4,5 л топлива на 100 км и иметь выброс СО2 менее 119 г/км. Так что «движок» Рудольфа Дизеля, начавший свой путь с пометки в студенческой тетради, вошел с человечеством в XXI в. и готов и дальше отстукивать такты. Валерия Лазарева * Несмотря на все успехи, Дизель оказался на грани банкротства и после смерти оставил своей семье всего лишь 20 тыс. марок.