Как создавался дизельный мотор

Л. ГУМИЛЕВСКИЙ

В 1878 году Карл Линде, знаменитый изобретатель холодильных машин, читал в Мюнхенском политехникуме обычную лекцию по термодинамике. Со свойственным ему блеском Линде рассказывал студентам о гениальном основоположнике термодинамики, французском ученом Сади Карно, предугадавшем на 100 лет вперед пути развития машиностроения. Линде говорил и о тепловом двигателе, предложенном Карно. Такой двигатель смог бы превращать в полезную работу до семидесяти процентов теплотворной способности топлива. Этого можно было достигнуть при условии, что процесс сгорания в двигателе будет происходить изотермически, т. e. при постоянной температуре, не изменяющейся во все время рабочего процесса.

— Наш лучший современный паровоз, — смеясь, заметил Линде, — работающий без конденсатора, превращает в механическую энергию не более пяти процентов теплотворной способности сожженного топлива. Остальные девяносто пять процентов буквально вылетают в трубу...

Один из слушателей взволнованно схватил тетрадь и на полях ее быстро записал: «Изучить возможности применения изотермы на практике».

Этот слушатель был Рудольф Дизель.

Дизель, сын немецкого ремесленника, родившийся 18 марта 1858 года в Париже, был послан родителями учиться в Германию и возвратился в Париж инженером.

— Я оставил высшее учебное заведение, начал работать и должен был завоевать себе положение, — писал он, — но мысль о моей задаче преследовала меня беспрерывно. Свободное от работы время я употреблял на расширение моих знаний по термодинамике, чтобы выполнить программу моей жизни.

*

В конце XIX века изобретателями было создано множество всякого рода двигателей. Из них наибольшее значение приобрели паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания — газовые и бензиновые. Haчало было положено немецким механиком Николаем Отто, впервые применившим принцип сжатия горючей смеси перед зажиганием и осуществившим четырехтактный рабочий процесс, получивший название «цикла Отто».

Приведенный в первоначальное движение посторонней силой, двигатель, работающий пo «циклу Отто», за первый ход поршня или первый такт засасывал в цилиндр смесь светильного газа (или превращенного в пар иного горючего) с воздухом. При втором такте обратным ходом поршня смесь тут же, в цилиндре, сжималась до 1/5—1/6 своего первоначального объема. При третьем такте в начале хода поршня сжатая смесь зажигалась электрической искрой, вследствие чего происходил взрыв смеси и образовывались продукты сгорания, которые с силой толкали поршень.

Этот третий такт являлся рабочим ходом поршня, приводившим в движение вал двигателя посредством шатуна и кривошипа во вращательное движение. Все остальные ходы поршня происходили за счет инерции маховика. При четвертом такте поршень выталкивал отработавшие газы из цилиндра, после чего цикл повторялся.

Из-за дороговизны топлива и относительной маломощности ни бензиновые, ни газовые двигатели не разрешили полностью задачу создания экономичного двигателя.

Рудольф Дизель, вооруженный всеми современными научными знаниями, пошел по пути, указанному Карно. Это был путь тяжелый и трудный, но он не был связан c тем багажом привычных технических воззрений, которые часто становятся помехой. В часы досуга Дизель в заводских лабораториях производил опыты с парами аммиака. Но создать давление в 50—60 атмосфер для аммиачных паров оказалось практически невозможным из-за несовершенства технических средств. Дизель перешел на опыты с обыкновенным атмосферным воздухом. Тогда-то у него появилась изумительная мысль, что воздух может служить не только рабочим телом, но и химическим реагентом, нужным для сгорания.

На возможность применения самовоспламенения топлива в двигателе указывалось и раньше французом Бо де Роша, но только теперь молодой изобретатель нашел остроумный способ. Воспламенение топлива, введенного в цилиндр двигателя, должно было происходить само по себе, в обычном атмосферном воздухе, подвергнутом предварительно такому высокому сжатию, что его температура превысит пределы температуры воспламенения топлива.

«Двигатель Дизеля — это та машина, которая без всякого предварительного процесса, непосредственно в самом цилиндре, превращает горючее в работу и использует его настолько, насколько это вообще возможно с точки зрения современной науки: Он является, таким образом, самым простым и одновременно самым экономичным двигателем. Успех лежит в новом принципе внутреннего процесса, а не в конструктивных усовершенствованиях или изменениях старых систем машин».

С таким заявлением выступил изобретатель, представляя на суд технической общественности свой многолетний труд в виде изданной в 1893 году. в Берлине брошюры. Она называлась решительно и смело: «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели».

Автор исходил из убеждения, что сгорание при постоянной температуре, которой требовал Карно для своего идеального двигателя, может быть достигнуто при ряде условий. В рациональном тепловом двигателе, считал Дизель, температура расширяющихся отработанных газов в цилиндре должна быть создаваема не только сгоранием во время процесса, как это делалось во всех известных двигателях, но и до начала процесса сгорания, предварительным механическим сжатием чистого воздуха в цилиндре, при котором давление, на него доводится до 200 атмосфер. Этот основной принцип противоречил существовавшим взглядам.

Рабочий процесс дизельмотора должен был сводиться в основной к циклу, получившему название «цикла Дизеля». В цилиндр двигателя ходом поршня всасывается из атмосферы обыкновенный воздух, который затем обратным ходом поршня подвергается сильному сжатию. В результате этого воздух нагревается до температуры, стоящей за пределами самовоспламенения топлива, примерно до 750° Ц. После этого в цилиндр вводится горючее, твердое или жидкое, но в чрезвычайно распыленном состоянии и так постепенно, чтобы сгорание шло без взрыва, при постоянной температуре.

Воздух в цилиндре уже настолько раскален предварительным сжатием, что горючее, поступая в цилиндр, вспыхивает без зажигания. Далее следует расширение газов, как обычно, а затем, при обратном ходе поршня, —  выталкивание продуктов сгорания.

В отличие от всех современных двигателей внутреннего сгорания, дизельмотор засасывал чистый воздух, а не смесь воздуха с парами горючего. Это могло иметь огромное значение, так как было доказано, что чем выше степень сжатия, тем больше используется горючее. В двигателях Отто невозможно было повысить степень сжатия, так как взрыв смеси в этом случае происходил преждевременно, еще до зажигания, что делало работу мотора непроизводительной и опасной. Чистый воздух, всасываемый по циклу Дизеля, можно было доводить до каких угодно, степеней сжатия. Мотор Отто нуждался в аппарате для зажигания смеси. Дизельмотоpy он был не нужен. Двигатели Отто работали взрывами. Дизельмотор являлся новым типом двигателя постепенного сгорания, так как горючее в него вводилось постепенно и не в газообразном состоянии, а в распыленном.

Теоретически двигатель Дизеля мог работать на любом виде топлива: жидком или твердом — от угля до бензина. Исходя из практических соображений и имея целью заменить паровую машину, сам Дизель выдвигал на первое место в качестве топлива для дизельмотора уголь, превращенный в пыль, вдуваемую в цилиндр посредством сжатого воздуха.

*

Брошюра и патент Дизеля вызвали большой интерес у специалистов. Никто не оспаривал правильности теоретических выкладок Дизеля, но мало кто допускал возможность практического осуществления «рационального двигателя». Специалисты-практики, вроде главного инженера Аугсбургского завода Крумпера, просто смеялись над тем, что можно одним движением поршня сжать воздух с такой силой, что он раскалится до температуры самовоспламенения топлива. Однако, научные авторитеты, как Линде, Цейнер и Шреттер, были на стороне молодого ученого.

Осуществлению своего двигателя в Аугсбурге Дизель посвятил четыре года неустанного труда. Это было время суровой борьбы с людьми, c природой, с несовершенством технических средств, с ошибками, допущенными в теоретических выкладках.

Уже при постройке первого опытного двигателя, законченного в июле 1893 года, Дизель убедился, что основным препятствием к достижению сгорания при постоянной температуре является попытка применять в качестве топлива угольную пыль. Нужного для такого изотермического сгорания количества топлива оказалось недостаточно даже для того, чтобы сдвинуть поршень с места. Надо было отказаться от изотермического сгорания или от угольного топлива. Дизель решился на второе и перешел на применение керосина и бензина. Убедившись, далее, в невозможности достигнуть сжатий в 90 атмосфер, он стремился к сжатиям, вдвое меньшим, однако, практически ему удалось сжимать воздух лишь до 30—40 атмосфер.

После 20-дневных опытов, 10 августа, Дизель решил ввести в цилиндр горючее. Был выбран бензин. С величайшим волнением следил изобретатель за приготовлениями. Возле него стоял его старый приятель по студенческой скамье Люсьен Фогель, теперь руководивший мастерскими. Машина была приведена в движение трансмиссией. Мотор, по знаку Дизеля, подал из нагнетательного насоса порцию бензина в цилиндр. Друзья с волнением смотрели на индикатор, указывавший высоту давления отработавших газов.

— Вспышка сейчас произойдет! —  воскликнул Дизель.

Действительно, стрелка индикатора тотчас же шарахнулась ввысь, свидетельствуя о том, что вспышка действительно произошла и началось расширение продуктов сгорания.

— Давление восемьдесят! — заметил Дизель.

Но давление в действительности было выше: индикатор разлетелся на куски. Дизель едва не получил удара в голову. Свистящий воздух оставил след на виске. Бледный Люсьен с испугом оглянулся на друга. Несколько секунд они смотрели друг на друга в безмолвном волнении. Несчастный случай доказал, что чистый воздух, подвергнутый сжатию в 35 атмосфер действительно тем самым доводится до температуры, далеко превосходящей температуру самовоспламенения, и топливу не нужно для зажигания искры.

Первый опытный двигатель Дизеля

Дизель был быстро исправлен и подвергся новым испытаниям, но вдохнуть в него жизнь не удалось: эта машина Дизеля никогда не работала самостоятельно. Однако, она дала Дизелю опыт, с которым он принялся строить второй опытный двигатель, с некоторыми конструктивными изменениями. Этот второй опытный мотор, ничем не отличавшийся от первого, был сооружен в начале 1894 года. На новом экземпляре удалось добиться сжатий до 40 атмосфер. 17 февраля в течение одной минуты мотор впервые самостоятельно работал, дав 88 оборотов.

Сам Дизель не заметил первого холостого хода. Но монтер Линден, который обслуживал клапан для керосина, находясь на железной галерее, окружавшей двигатель, обратил внимание на то, что ремень трансмиссии, вращавший двигатель, натягивается в обратную сторону, свидетельствуя о самостоятельной работе машины.

В это мгновение монтер радостно обнажил голову и этим обратил внимание изобретателя на всю важность момента. Дизель в молчаливой радости пожал ему руку. Они были одни.

— Сегодня мы достигли своей цели, — говорил монтер, покидая мастерские.

Дизель же после двух месяцев опытной работы двигателя решительно записал в своем дневнике: «Первый не работает, второй работает несовершенно, третий будет хорош».

Разрез двигателя Дизеля.

Он не ошибся: третий опытный мотор, построенный в 1895 году, с изменениями в конструкции, вполне доказал свою работоспособность и не только был испытан под нагрузкой, но и опробован на производственной работе.

Подгоняемый нетерпеливыми предпринимателями, финансировавшими его, не имея в своем распоряжении более совершенных технических средств, Дизель примирился со сжатием в 40 атмосфер. На время он отказался от применения угольной пыли, снабдил двигатель водяной рубашкой для охлаждения, в чем сначала не видел надобности, и, не добившись изотермического сгорания, примирился с значительной разницей температур в начале и в конце рабочего процесса. Отложив на будущее осуществление полностью своего «рационального дизельмотора», изобретатель приступил к постройке двигателя мощностью в 20 л. с.

Этот дизельмотор был смонтирован и пущен в ход в конце 1896 года, а в феврале 1897 года в Аугобурге был испытан в присутствии многих специалистов из разных стран.

В Мюнхенском музее хранится первый дизель 1897 года.

Это был четырехтактный двигатель. При первом такте ходом поршня за счет инерции маховика, запасенной при предыдущей работе машины, воздух засасывался внутрь цилиндра. Во время второго такта, также за счет инерции, запертый в цилиндр воздух сжимался до 40 атмосфер. При этом теплота, выделяемая при сжатии, доводила температуру воздуха до 700° Ц. В начале третьего такта в цилиндр вводился керосин при помощи маленького насоса, управляемого системой кулачков, форма которых давала желаемую степень впуска. Впуск горючего совершался лишь в течение малой части хода и управлялся особым регулятором. В течение остальной части хода газы расширялись и сообщали поршню ту работу, которая и передавалась через шатун коленчатому валу. В четвертом такте обратным ходом поршня продукты сгорания выбрасывались через выхлопную трубу в воздух.

Двигатель был снабжен компрессором, то есть насосом (приводимым в движение самим же двигателем), который в особом резервуаре сжимал воздух до давления, несколько большего, чем это могло быть в цилиндре. Из этого резервуара воздух через трубку очень малого просвета направлялся в маленькую камеру форсунки, аппарата для распыления горючего, куда одновременно подавался и керосин. Эта камера сообщалась с внутренностью цилиндра маленьким отверстием, запираемым иглой. Когда эта игла приподнималась, керосин вгонялся в цилиндр благодаря избытку давления, господствовавшему в камере.

Двухцилиндровый двигатель Дизеля.

Сгорание в цилиндре регулировалось, смотря по мощности, которую должен был развить двигатель, либо изменением продолжительности впуска горючего, либо изменением давления в компрессоре. Этот же сжатый воздух компрессора употреблялся и для пуска двигателя в ход.

Лучшие паровые машины давали не свыше 10—12% использования тепла, газовые двигатели Отто — не свыше 20—24%, дизельмотор имел коэффициент полезного действия в 34%, причем расходовал всего лишь 240 г топлива на 1 л. с. в час.

Выступая с докладом о произведенном им испытании дизельмотора на Кассельском годовом съезде немецкого союза инженеров, проф. Шреттер восклицал:

— Это триумф теории, триумф. полнее которого нельзя себе представить, если принять во внимание, что настоящее выполнение основной мысли не есть еще последнее слово!

Изобретатель был засыпан золотом, почестями, наградами. Все крупные европейские и американские заводы начали строить новые моторы, внося новые и новые усовершенствования в дизельмотор. В то время как дизель совершал свое победоносное вторжение во все области промышленности и транспорта, изобретатель подвергся ожесточенным преследованиям со стороны тех, чьим интересам вредило его изобретение. В ночь на 30 сентября 1912 года он покончил жизнь самоубийством.

*

Современное распространение дизельмоторов, несомненно, превзошло самые смелые мечты изобретателя, хотя его предсказание о закате паровых машин и не осуществилось. Основным моментом в развитии дизелестроения следует считать переход на нефть.

Завоевывая постепенно одну область промышленности за другой, дизельмотор не подвергся никаким принципиальным изменениям. Однако, в конструкцию внесено столько нового, что первый двигатель Дизеля столь же мало напоминает современный дизель, как первая машина Уатта — современный паровой двигатель.

Если раньше думали, что мощности меньше 20 л. с. являются конструктивно непреодолимыми, а крупные мощности невыгодными по сравнению с паровыми установками, то теперь обе границы мощностей дизеля пройдены. Несколько месяцев назад в цехах Сормовского завода были испытаны дизели мощностью всего в 2 л. с. В Дании, на Копенгагенской электростанции, работает дизельмотор мощностью в 25000 л. c., коленчатый вал которого имеет 0,75 м в диаметре. Основными усовершенствованиями в конструкции дизельмоторов являются: замена дизелевского компрессора механическими аппаратами (бескомпрессорные дизели), изменение четырехтактного цикла в двухтактный, переход к дизелям двойного действия, в которых сгорание топлива происходит то по одну, то по другую сторону поршня.

Современный бескомпрессорный дизель мощностью в 3000 л. с.

В этих машинах каждый ход поршня является рабочим ходом. Дизели все более и более распространяются в качестве двигателей авиационных, тракторных, автомобильных.

В Советском Союзе, располагающем огромными запасами нефти, значение двигателей Дизеля особенно велико. Основную массу их выпускает завод «Русский дизель» в Ленинграде. Дизели строят Сормовский завод, Коломенский завод, завод им. Сталина в Воронеже и ряд других.

Сборка грузовых автомобилей с дизельмоторами на Ярославском автозаводе.

В нынешнем году бывшему ассистенту Дизеля, инженеру Рудольфу Павликовскому, удалось построить двигатель, работающий на угольной пыли, названный им, по примеру учителя, «рупамотором».