8. Двигатель Рудольфа Дизеля

Не многие учёные и инженеры добиваются своей деятельностью того, чтобы их фамилия писалась с маленькой буквы. Это происходит тогда, когда плоды их творчества, связанные с именем автора получают такое распространение, что люди постепенно забывают, что название предмета связано с конкретной фамилией. Многие современные люди, произнося распространённое слово «дизель» никак не связывают этот тип двигателя внутреннего сгорания с конкретным человеком. Действительно, дизель – это двигатель внутреннего сгорания, а его автор Рудольф Дизель (1858 – 1913) – знаменитый немецкий конструктор, увековечивший свою фамилию изобретенным им совершенно оригинальной конструкцией силового агрегата, получившего распространение не меньшее, чем обычные, карбюраторные двигатели внутреннего сгорания.

Рудольф Дизель получил добротное техническое образование, в начале в реальном училище, где был самым лучшим, а затем высшей политехнической школе г. Мюнхена. Талант Рудольфа и его феноменальная работоспособность были замечены профессором от термодинамики Карлом фон Линде, который занимался теорией тепловых двигателей и изобрёл на основании своих разработок «холодильник Линде». Профессор пригласил Дизеля на работу в должности директора парижского филиала своей фирмы, которая занималась, помимо прочего, усовершенствованием только что появившихся двигателей Николауса Авгута Отто. Дизелю было поручено заниматься абсорбционными двигателями, работающие на аммиаке. В свободное от основных занятий время, Дизель изобретал микро моторчики для швейных машин и гигантские силовые агрегаты, использующие солнечную энергию. Но мечтой юного Дизеля было создать такой двигатель, который бы переплюнул по КПД и удельной мощности лучшие образцы паровиков.

Рудольф Дизель к своей цели пошёл не совсем типичным для того времени путём. Большинство конструкторов поступало старым проверенным способом. Строили опытный образец и методом многочисленных модернизаций доводили его до относительного совершенства. Рудольф же за советами обратился к трактату «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» незабвенного Сади Карно. По учению Карно двигатель с максимально возможным КПД можно получить, увеличивая температуру рабочего тела быстрым сжатием. Когда же топливо вспыхнет, то желательно температуру продуктов сгорания некоторое время оставлять неизменной. Такое возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении нагреваемых продуктов горения.

В 1890 г. Дизель переехал в Берлин, где его осенило, как можно исполнить в современных двигателях завещание великого Карно: «Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы». Вот как полезно читать классиков, имея за плечами приличное инженерное образование. Оформив свои мысли в виде соответствующих слов, в 1892 г. Дизель получает патент на новый тип двигателя внутреннего сгорания и публикует его описание (рис. 3.133). Рудольф понимал будущую значимость своего изобретения: «Моя идея, настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать – я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!».

Конструкция двигателя Рудольфа Дизеля, подкреплённая им же разработанной теорией вызвала у специалистов живой интерес. Как водится, все, ознакомившиеся с опусами Дизеля, разделились на два непримиримых лагеря. Одни в идею верили, а другие, не менее авторитетные, считали её теоретически красивой, но, несбыточной мечтой. Для примирения нужен был работающий образец двигателя. В течение 1893 г в г. Аугсбург под патронажем самого Дизеля были построены четыре варианта двигателей, из которых только последние два оказались работоспособными. Первый двигатель должен был использовать в качестве топлива мелкодисперсные частицы каменного угля, второй – светильный газ, а третий и четвёртый – жидкое топливо. В феврале 1895 г. наконец появляется вполне работоспособный образец двигателя, в конструкции которого было водяное охлаждение и жидкое топливо впрыскивалось сжатым воздухом. Интересно, что водяное охлаждение, вынужденно использованное в конструкции, было Дизелем очень изящно теоретически оправдано в докладе на съезде Союза германских инженеров: «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 главным 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».

Официальные испытания аппарата (рис. 3.34) прошли в 1897 г. под руководством профессора М. Шретера. Двигатель конструкции инженера Р. Дизеля при расходе керосина 0,24 кг/л.с. достиг эффективного КПД n ~ 0,26. В те времена такого КПД не имел ни один из эксплуатирующихся двигателей. Работа мотора Р. Дизеля проходила тоже за традиционные четыре такта.

1. Такт впуска. При движении поршня в цилиндре образуется разряжение и через воздушный фильтрв его полость поступает атмосферный воздух. При этом впускной клапан открыт.

2. Такт сжатия. Поршень движется, сжимая поступивший воздух. Для надежного воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.

3. Такт расширения (или рабочий ход). Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, начинается процесс сгорания с быстрым повышением температуры и

давления. В этот момент оба клапана закрыты. Под действием давления газов поршень перемещается, тем самым совершая полезную работу.

4. Такт выпуска. Поршень перемещается вверх, выталкивая в выпускной коллектор отработанные газы, температура которых снижается.

После завершения последнего такта рабочий цикл повторяется заново, в той же самой последовательности.

Следует отметить, что работа реального дизеля не соответствовала схеме, заявленной в патенте. Дизель заявлял постоянство температуры, так хотелось, а протекал процесс при постоянном давлении. Тем не менее, первый практический дизель был создан в Аугсбурге в 1897 г. Одноцилиндровый агрегат с диаметром поршня 250 мм делал 172 об/мин и развивал мощность около 20 л.с., расходуя 0,258 кг сырой нефтина 1 л.с в час. КПД двигателя составил n ~ 0,26, что было практически в два раза больше, чем у лучших образцов паровых машин. В 1989 г. Рудольф Дизель продемонстрировал возможности своего детища на технической выставке в Мюнхене, после чего за лицензиями на производство двигателей новой конструкции предприимчивые промышленники стали в очередь. А далее случился скандал, потому, что построенные на разных заводах дизели не работали. В Германии репутация Дизеля стремительно сходила на нет. А дело оказалось в том, что все кто брался за изготовление дизельных двигателей, не располагали соответствующим станочным парком. Детали новых моторов необходимо было изготавливать с большей точностью, чем аналогичные комплектующие паровиков. Кроме того особые требования предъявлялись к материалам, они должны были быть термостойкими. Вместе с тем, за пределами Германии, были люди, готовые преодолеть технические и технологические трудности производства. Так, например, небезызвестный Нобель, ознакомившись с проектом Дизеля, переориентировал свой петербургский машиностроительный завод на производство двигателей нового типа.

При непосредственном участии Альфреда Нобеля двигатель, принятый к производству был модернизирован системой внутреннего смесеобразования и в 1900 г. начал выпускаться. За год было построено 7 дизелей мощностью 30 и 40 л. с. Двигатели работали исправно. Нобель наращивал производство. К 1912 г. на заводе работало более 1000 рабочих, которые вместе с инженерно-техническим персоналом выпускали 300 силовых агрегатов в год. Двигатели «Русского дизеля» исправно крутили динамо-машины нескольких петербургских электростанций, приводили в движение насосы водозаборных станций и освещали Невский проспект.

В 1912 г. в американском Сент-Луисе случилась научно-практическая конференция, куда был приглашён и Рудольф Дизель с докладом. В частности Дизель развил такую мысль: «Изобретение… никогда не было лишь продуктом творческого воображения: оно представляет собой результат борьбы между отвлеченной мыслью и материальным миром… Изобретателем история техники считает не того, кто с той или иной степенью определенности высказывал раньше подобные же мысли и идеи, а того, кто осуществил свою идею, мелькнувшую, может быть, в уме множества других людей…».

А сказал Дизель это совсем не для красного словца. Если бы вариант двигателя с питанием каменноугольной пылью пошёл бы в серию, то этой сентенции бы не потребовалось. Шла полномасштабная энергетическая война, вернее её очередной всплеск. Воевали угольщики и нефтяники, воевали жестоко и неистово. Вот между этими жерновами и попал Дизель со своим изобретением. В Германии, несмотря на очевидные преимущества нового типа двигателя, его и конструктора организованно травили. Профессор Людерс, нанятый угольщиками, разразился целым фолиантом на 236 стр. в котором «тепловой двигатель высокого сжатия» был представлен, как образец несовершенства, а сам Дизель был обвинён в научной, инженерной и технической безграмотности.

Промышленный шпионаж был развит и вначале XX в. Заказчики снабдили Людерса данными о всех неудачах, произошедших во время испытаний нового двигателя. Естественно, что мелкие конструкторские недоработки были возведены в книге в ранг принципиальных ошибок. Книга была написана в лучших традициях хулительно – разгромного чтива. Выход пасквиля Людерса ожидался в октябре 1913 г., а в ночь с 29 по 30 сентября Рудольф Дизель трагически погибает. Некоторые биографы Дизеля считают, что это было самоубийство. Рудольф Дизель, по их мнению, предвидя новые войны за своё изобретение и пошатнувшиеся экономические дела, решил свести счёты с жизнью, прыгнув с высокого борта парома «Дрезден», который вёз пассажиров через пролив Ламанш из Антверпена в Харвич. Хотя этой версии гибели Дизеля придерживаются далеко не все исследователи биографии великого изобретателя. Вполне обоснованной является версия о расправе над конструктором немецкой разведкой, которой стало известно, что Дизель собрался передать документы на новые образцы двигателей Англичанам. А Европа, как известно, стояла на пороге Первой мировой войны.

Через два дня устье Шельды флиссингенские рыбаки нашли труп хорошо одетого человека [109]. Они подобрали плавающее в воде тело и направились к берегу. Внезапно поднялись ветровые волны. Рыбаки были недалёкими и суеверными людьми, хоть и жили не в Полинезии, в просвещенной Европе. Не раздумывая, они вернули тело волнам, и никто и никогда уже тело Рудольфа дизеля не видел.

Двигатели Рудольфа дизеля получали всё большее распространение по мере совершенствования станочного парка и внедрения новых термостойких материалов. С позиций КПД дизели, по сравнению с карбюраторными, имеют ряд преимуществ. Низкооборотные двигатели большого объёма могут иметь КПД до 0,5. Высокооборотные малогабаритные дизели нашли применение в автомобилях. Лидером в выпуске дизельных автомобилей стал концерн «Мерседес-Бенц», который освоил в 30 годах прошлого века выпуск автомобилей всех классов.

Весьма эффективными оказались дизели и на флоте, особенно на военном и ещё более особенно, на подводном флоте. Попыток создания подводных лодок, как эффективного наступательного и патрульного средства за историю флота было предпринято довольно много, однако лодки стали в первом приближении такими, как хотели моряки и военно-морские стратеги только с появлением на субмаринах дизельных двигателей. Подводный ход лодок обеспечивался электрическими моторами, питаемыми от аккумуляторов. Такая схема движения могла работать ограниченное время, систематически требовалась подзарядка аккумуляторов. Нужна была силовая установка, которая бы крутила электрогенераторы. Как нельзя лучше для этих целей подошли дизели. Лодки прибавили в автономности, особенно при использовании, изобретенного пред последней мировой войной шноркеля (дыхательной трубы для подачи к дизелю воздуха из атмосферы). Подводные лодки могли, как правило ночами, подсвплывать на шноркельную глубину, запускать дизели, подзаряжать на ходу аккумуляторы, а с рассветом снова нырять в пучину и перемещаться глубоко под водой эклектическим ходом. Современные дизельные подлодки создают гораздо меньше шума, чем атомные. Отечественная подводная лодкакласса «Лада» оснащена воздушно- независимым двигателем. Специальные топливные элементы вырабатывают кислород для питания дизелей. Автономность таких лодок возросла до 45 суток. В подводном положении, без всплытия лодка может проходить расстояние до 500 морских миль.

Вообще с определённого момента времени дизельные двигатели, как самые надёжные и достаточно эффективные стали неотъемлемым атрибутом армий и флотов всего мира. В сухопутных войсках у дизельных двигателей, особые заслуги, если можно так сказать о железе, в бронетанковых войсках. Первыми в мировой практике дизельный двигатель БД-2 мощностью 400 л.с. был поставлен на Советский серийный средний танк Т-34, который по итогам XX в. специалистами разных стран был признан лучшим за историю Второй мировой войны. Появление дизеля на танке, кстати, многими специалистами было встречено без особого восторга. Дизель не обеспечивал танку по шоссе скорости в 90 км/час, но со скоростью 40 км/час стальная машина могла двигаться, практически по любой пересечённой местности. и это стало её несомненным достоинством. Кроме того, перед войной при запуске бензиновых танков должен был обязательно присутствовать пожарный наряд. Вспыхивали они часто, питались-то авиационными сортами бензина, да и двигатели стояли на танках почти авиационные. А дизельный танк стал более неуязвим, непосредственное вспыхивание топлива свелось к минимуму. Танк Т-34 (рис. 3.37) стал самым знаменитым военным механизмом, практически во всех городах и посёлках эти танки ставили в качестве памятников. В ноябре 2009 г. на военном параде участвовала целая колонна танков Т-34, некоторые из которых ещё участвовали в боях Великой Отечественной войны. Вот такую уникальную технику умели делать наши отцы и деды. Когда у Уинстона Черчилля после войны спросили, какие виды оружия он считает самыми совершенными, он ответил: «Три. Английская пушка. Немецкий самолет «Мессершмитт». Русский танк Т-34. Однако, если в первых двух случаях мне понятно, как это было сделано, то я совершенно не понимаю, как появился такой танк…». Это признание многого стоит. На современном танке Т-90 стоит дизель В-92С2, мощностью 1000 л. с. Танк с таким мотором может двигаться со скоростью 60 – 65 км/час.