120 лошадиных сил, которые изменили мир: история дизельного двигателя

Тепловозы, корабли, нефтяные бурильные установки, грузовая и военная техника, тракторы, легковые автомобили, электростанции — список техники, в которой применяются дизельные двигатели, можно долго продолжать.

В этом нет ничего удивительного — дизельный двигатель имеет несколько преимуществ в сравнении с тем же бензиновым ДВС. Например:

• выше КПД за счет большей степени сжатия и больше мощность;

• более неприхотлив к топливу — работает на бюджетной солярке (хотя для легковых авто дизельное топливо сейчас и стоит дороже АИ-92 — прим. автора);

• надежнее из-за отсутствия системы принудительного воспламенения топливовоздушной смеси и так далее.

Много лет легковых автомобилей с дизельным двигателем в Европе было больше, чем с бензиновым. Сейчас доля снижается, экологи после «Дизельгейта» и фейла Фольксвагена вопят о выбросах оксидов азота (хотя до этого с точки зрения выхлопа CO2 дизель считался более экологичным — прим. автора), а правительства продолжают регулировать отрасль и пытаются пересадить всех на электромобили. Однако в остальных сферах вроде грузовых или морских перевозок разумной альтернативы дизелю нет и вряд ли появится в ближайшем будущем. 

Давайте посмотрим на историю изобретения Рудольфа Дизеля и что было до него.

До изобретения

В XIX веке состоялась промышленная революция: в мире господствовали паровые машины, которым не требовался ветер или лошади. Первые устройства, работающие на пару, создали еще Ньюкомен и Северин в 1705 году. В 1769 году их конструкцию значительно улучшил Джеймс Уатт (конечно, и наш Иван Ползунов — причем на 3 года раньше, в 1766 году — прим. автора). В 1807 году первый пароход Фултона уже бороздил Гудзон, а в 1815 году паровоз «Блюхер» Стефенсона проходил первые испытания на железной дороге.

Преимущества паровых машин очевидны: для работы нужна только вода и любое топливо, выделяющее при сгорании энергию, достаточную для нагрева и парообразования в котле за заданное время. 

Однако у паровых машин есть существенные ограничения. Например:

• Если нам потребуется бОльшая мощность паровой машины, нужно будет увеличить размер цилиндров (площадь и ход поршня) и камеры сгорания. Из-за того, что она — внешняя, это приведет к существенному увеличению размеров. 

• Другой вариант увеличения мощности — поднять давление пара. Но корпус и арматура должны выдержать соответствующую нагрузку — в 19 веке технологии не позволяли «разойтись на полную».

Кроме этого, у паровых машин есть еще дополнительная проблема — низкая эффективность. Согласно теореме Карно, КПД любой тепловой машины, в том числе паровой, зависит только от начальной и конечной температур:

Грубо говоря, чем меньше температура пара на выходе, тем больше энергии остается внутри системы и может совершать полезную работу. Поэтому в паровые машины вносились существенные доработки: их конструкция усложнялась, а стоимость — увеличивалась. Например:

• Вода при кипении в котле превращается в насыщенный пар — его давление зависит от температуры и имеет предел, соответствующий так называемой «критической точке» в 374 оС. Использование такого пара неэффективно, поэтому применяются пароперегреватели. Пар в них дополнительно «высушивается» и имеет значительно большую температуру при том же давлении. 

• При выбросе отработанного пара в атмосферу теряется огромное количество энергии. Поэтому используют дополнительные конденсаторы на выходе с принудительным охлаждением, как бы возвращая часть энергии в систему и повышая эффективность. 

Однако КПД паровых машин того времени оставалось крайне низким — порядка 10%, вплоть до появления паровых турбин. 

Инженеры и ученые искали способ, как получить более эффективный двигатель. Основная идея заключалась в том, чтобы отказаться от внешней камеры сгорания и совместить все внутри двигателя. Это значительно уменьшило бы габариты и снизило потери, связанные с передачей энергии, как было в паровых машинах. 

В 1824 году Сади Карно, теорему которого мы упоминали выше, издал фундаментальную для термодинамику работу: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В ней он описал идеальную тепловую машину, хорошо подходящую под концепцию внутреннего сгорания. 

Диаграмма Карно в PV координатах — площадь фигуры представляет собой совершенную работу

Она состоит из четырех циклов — кратко напомним:

• АВ (изотермическое расширение). Газ с температурой Т1 получает некоторое количество теплоты Q1 — скажем, из-за воспламенения. При этом его температура не изменяется (T1=const), а объем — увеличивается. Вся переданная энергия полностью переходит в механическую работу перемещения поршня, а энтропия — возрастает. 

• BC (адиабатическое расширение). Газ перестает получать внешнюю энергию и расходует запасенную, продолжая двигать поршень. А раз так и его энтропия не изменяется, то температура логично уменьшится до Т2.

• CD (изотермическое сжатие). Газ начинает сжиматься (скажем, под действием движущегося по инерции поршня), отдавая окружающей среде энергию Q2 при постоянной температуре Т2 — энтропия уменьшается. 

• DA (адиабатическое сжатие). Газ продолжает сжиматься, но уже не сообщаясь с окружающей средой — температура увеличивается до первоначальной Т1, и цикл повторяется. 

Простыми словами цикл Карно — это идеальная инструкция, как тепловая энергия может максимально эффективно превратиться в механическую работу. 

Разумеется, в реальности так не бывает из-за трения поршня, рассеяния тепла через стенки цилиндра и прочего. Более того, описанные процессы передачи тепла должны были бы происходить бесконечно долго (иначе невозможно было бы добиться изотермического процесса), а это значит — мощность (энергия в единицу времени) стремилась бы к нулю. Подробное объяснение здесь. 

Однако это не мешало стремиться к совершенству и как можно более высокому КПД, что и делали разработчики разных двигателей внутреннего сгорания. 

В 1859 году появился первый двигатель внутреннего сгорания, в котором использовался «светильный газ»: смесь водорода, метана и угарного газа, массово применяемая в те годы для освещения улиц. Конструктор двигателя — француз Жан Этьен Ленуар — придумал, как воспламенять этот газ при помощи высоковольтной свечи зажигания. 

Устройство напоминало паровую машину: один цилиндр, работающий на прямом и обратном ходе, кривошипно-шатунный механизм и маховик. В крайнем положении в одну камеру поступает «светильный газ», а другая соединяется с атмосферой — через нее выбрасываются продукты сгорания. В определенном положении поршня подача газа прекращается: на свечу поступает разряд и смесь мгновенно воспламеняется, тут же толкая поршень в противоположную сторону. Дальше золотник переключает подачу и сброс — процесс зеркально повторяется. 

Устройство газового двигателя внутреннего сгорания из патента Ленуара — очень напоминает конструкцию паровых машин того времени

При запуске маховик нужно было раскрутить вручную

Двигатель Ленуара был намного компактнее и проще в обслуживании, чем паровые машины, но имел такой же низкий КПД — около 3-4%, и мощность всего 2 л.с. при объеме цилиндра в 18 литров. Это было связано с тем, что двигатель имел всего два рабочих такта — отдельного сжатия смеси не происходило. Несмотря на некоторые преимущества вроде отсутствия шума и вибрации, Ленуар продал всего 500 двигателей.  

В 1862 году немецкий инженер Николаус Август О́тто проводил исследования двигателя Ленуара в попытках сделать его более эффективным. В какой-то момент он обнаружил, что если поджигать смесь в процессе сжатия, то образуется намного большие давления и температура при тех же размерах. А следовательно, теоретически увеличивается и КПД.

Однако двигатель работал всего несколько минут, после чего цилиндр разрушался от взрывов. Нужно было найти способ, при котором бы внутри происходил «контролируемый сильный толчок», не приводящий к разрушению цилиндра. На такие исследования нужны были деньги.  

Николаус Август О́тто

В 1867 вместе с инженером Ойгеном Лангеном они представили на Всемирной Парижской выставке новый двигатель оригинальной конструкции. Принцип работы заключался в том, что цилиндр двигался вертикально и передавал вращение на маховик через зубчатую рейку и специальную обгонную муфту. 

В нижнем положении, когда тяжелый поршень опускался, внутрь подавался газ и поджигался. В тот момент, когда поршень взлетал вверх, вращающий момент на вал не передавался. Но когда он опускался под действием силы тяжести и вакуума в нижней части цилиндра, он входил в зацепление c шестерней и передавал вращающий момент на вал. 

Мощность двигателя получилась всего 0,5 л.с., зато расход газа снизился в 2,6 раза по сравнению с двигателем Леграна, а КПД поднялся до 15%! Дополнительно повысилась надежность: вместо нестабильно работающих на тот момент высоковольтных свечей зажигания Отто использовал обычную и надежную газовую горелку.

Атмосферный двигатель Отто 1867 года — тут можно почитать более подробное описание

Удивительная конструкция, скопированная и доработанная современными энтузиастами

Успех двигателя — было продано больше 5000 штук — позволил найти деньги и продолжить исследовать процесс воспламенения смеси при сжатии. 

В 1877 году, спустя 14 лет изысканий, Отто наконец-то получил патент на 4-тактный двигатель (хотя многие считают, что он украл идею у Альфонса де Роше — прим. автора). Он нашел способ, как добиться более плавной подачи смеси «светильного газа» с воздухом в цилиндр, чтобы происходил не взрыв, а «толчок» (позже эту проблему решит бензиновый карбюратор — прим. автора). 

Разумеется, происходящие в двигателе процессы намного сложнее — цикл Отто лишь показывает принцип действия

Ключевой момент: в цикле Отто не используются изотермические переходы, как в цикле Карно. Напомним для тех, кто забыл принцип работы современного ДВС: 

• Участок 1-2: адиабатное сжатие, при котором под действием вакуума открывается впускной клапан и газ поступает в камеру. 

• Участок 2-3: тот самый цикл, за который так бился Отто — поршень замирает в верхней точке при максимальном сжатии смеси. После чего происходит воспламенение смеси: давление и температура возрастают при постоянном объеме. 

• Участок 3-4: адиабатное расширение, или основной рабочий ход поршня. 

• Участок 4-1: на обратном ходе открывается выпускной клапан и отработанные газы сбрасываются в атмосферу — изохорное охлаждение.

Анимация взята с вот этого замечательного сайта

Оригинальный четырехтактный двигатель Отто по-прежнему работал на «светильном газе»

В 1885 году инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, работающие на Отто, уволились из-за разногласий с руководителем и серьезно доработали 4-тактный двигатель. На тот момент из-за спора с французским инженером Бо Де Рошем Отто потерял патентные права на свое изобретение, поэтому для уволившихся инженеров это не вызвало никаких проблем.  

Например, их заслуга — массовое применение карбюратора, что дало возможность работать с бензином, а не дорогим и неудобным «светильным газом» (заводов для его получения в Европе оставалось уже не так много — прим. автора). А еще они придумали 2-тактный двигатель и использовали его на первом мотоцикле. 

Запатентованная конструкция с карбюратором

Разумеется, технических сложностей в двигателях Отто хватало — нужно было решить вопросы: 

• с увеличением давления в цилиндрах для большой мощности и детонационной устойчивостью, 

• с охлаждением блока цилиндров,

• с созданием надежной системы электрического зажигания, 

• с регулированием состава смеси в разных режимах работы, и много чем еще.

Конечно, с годами это удалось сделать: при степени сжатия от 1:8 до 1:12 в современных моделях ДВС с принудительным воспламенением КПД доходит до 30-35%. 

Но в XIX веке итоговый КПД 4-тактного двигателя Отто едва дотягивал до 20%. И это было в несколько раз эффективнее, чем все, что использовалось до этого (и уж точно компактнее при той же мощности — прим. автора). 

В целом, к концу XIX века паровые машины еще активно использовались для своих задач (промышленность потихоньку переходила на более эффективные паровые турбины — основной способ выработки электроэнергии сейчас — прим. автора), но газовые и особенно бензиновые 4-тактные двигатели внутреннего сгорания с принудительным зажиганием распространялись все быстрее. Было ясно, что за ними будущее.

Поэтому когда Рудольф Дизель поставил себе цель создать более простой двигатель без принудительного воспламенения, но с более высоким КПД, чем у двигателя Отто— это выглядело довольно странно.

История изобретения

В 1878 году Рудольф Дизель, будучи студентом политехнического университета Мюнхена, услышал про цикл Карно и эффективность тепловых двигателей. По его словам, это «зажгло в нем страстное желание создать идеальный двигатель». Дизель принялся за исследования. 

Человек, придумавший дизельный двигатель — правда, не все современники считали так же

Идея была еще проще, чем в двигателях Отто. Для чего нужно дозированно подавать смесь и затем поджигать ее при небольшой степени сжатия? Вместо этого Дизель предлагал увеличить сжатие и температуру воздуха настолько сильно, чтобы впрыскиваемое топливо воспламенялось само.

В 1892 году Рудольф Дизель издает свою работу «Теория и конструкция рационального теплового двигателя». В ней он фактически описал двигатель, приближающийся по своим характеристикам к идеальному циклу Карно. По мнению автора, чтобы этого добиться, требовалось всего лишь повысить степень сжатия в 100 раз — в этом случае топливо сгорало бы очень быстро и эффективно. Причем системе не требовалось бы внешнее охлаждение — сам газ при обратном ходе поршня сильно охлаждался бы при расширении. Итоговый КПД в этом случае повысился бы до небывалых значений в 70%.

Дизель разослал работу в университеты и ждал волны хвалебных отзывов. Однако получил в ответ только критику, причем обоснованную:

• При больших степенях сжатия давление смеси и температура без внешнего охлаждения будут огромными. Не существует материалов, способных выдержать подобный цикл работы.

• На столь сильное сжатие смеси уходила бы так много энергии системы, что мощность двигателя и возможность совершать полезную работу была бы ничтожно малой. 

Научное сообщество призывало Дизеля не гнаться за идеальным КПД цикла Карно, что и так невозможно, но стремиться к балансу и учитывать все факторы. Рудольф Дизель никого не послушал и в 1893 году получил патент, в котором его двигатель должен был работать по изотерме, как в цикле Карно.

«Моя конструкция более совершенная, чем все другие конструкции современных двигателей. Я горжусь, что я — первый в своей области!», — писал он жене.

Некоторые даже пытались обвинить Дизеля в краже и аннулировать патент. Якобы он использовал идею двигателя Брайтона, созданного еще в 1872 году. Правда, это вызывало вопросы: двигатель Брайтона был двухтактным и в нем использовалось два цилиндра — один нагнетал давление (как наддув), другой перемещался при сгорании смеси. Первоначально Дизель тоже хотел использовать нагнетательный цилиндр, но позже отказался от идеи. Поэтому все патентные претензии судом были отвергнуты. 

Кстати, двигатель Брайтона какое-то время конкурировал с двигателями Отто и даже использовался на первой подводной лодке и в первом автомобиле Селдена (но как говорится в одной известной передаче, это уже «совсем другая история» — прим. автора). 

Двигатель Брайтона, идею которого якобы украл Дизель

Вернемся к Дизелю. В 1893 году он заручился поддержкой крупного промышленника Фридриха Круппа и приступил к созданию прототипа на его заводе. 

Патент Дизеля №67207 от 23.02.1893 года

Сначала Дизель пробовал использовать в качестве топлива угольную пыль — в отличие от бензина, она практически ничего не стоила. Правда, через несколько секунд абразивные частицы уничтожали уплотнения — от идеи пришлось отказаться и перейти на испытания с керосином и бензином.

Дополнительно Дизель проверил свою главную идею — воспламенение при сверхвысоком сжатии. При компрессии в 90 раз все закончилось взрывом — хорошо хоть никто не пострадал. Дальнейшие испытания показали: нужно уменьшать степень сжатия и, как следствие, температуру воспламенения. Первоначальная идея Дизеля об изотермическом расширении, как в идеальном цикле Карно, провалилась. 

«Фактическая эффективность максимальна между 30 и 40 атмосферами, а температура — между 500 °С и 600 °С. При более высоком сжатии увеличиваются потери на трение, из-за чего выходная мощность падает», — писал Дизель в своем дневнике.

В период испытаний с 1895 по 1897 год Дизель построил три разных прототипа, и в каждом случае вносились важные доработки. Например:

• Добавилась рубашка водяного охлаждения, чтобы уменьшить нагрев и деформацию металла и уплотнений — идея самоохлаждения при небольшой степени сжатия не работала.

• Изменили систему прямого впрыска — в отличие от бензинового двигателя Отто, здесь не нужен был сложный карбюратор, приготавливающий топливно-воздушную смесь в нужном соотношении. Однако топливный насос низкого давления работал недостаточно эффективно, и нужно было создать что-то типа наддува. Поэтому решено было использовать баллоны со сжатым воздухом: регулируя давление в них, можно было управлять составом топливной смеси. Воздух в баллоны подавался компрессором, который приводился от коленвала двигателя — система получилось автономной, но достаточно громоздкой.

Последний прототип, получивший название «Мотор 250/400», был построен в 1897 году и стал первым в истории работающим дизельным двигателем. Он имел один цилиндр с диаметром поршня 250 мм и ходом 400 мм (собственно, код модели оттуда и произошел — прим. автора). Головку блока цилиндра пришлось несколько раз отливать из чугуна заново, чтобы она выдержала нужное давление — опрессовку проводили водой при давлении 80 атмосфер. 

17 февраля 1897 года Мориц Шретер, профессор Мюнхенского университета, провел официальные испытания двигателя. Мощность составила 13,4 кВт (около 18 л.с.), частота вращения — 154 об/мин. При этом был зафиксирован КПД в 26%. 

Конечно, это не задуманные изначально Дизелем 70%, но тем не менее показатели «Мотора 250/400» превзошли КПД двигателя Отто с принудительным зажиганием смеси.

Первый в истории работающий дизельный двигатель «Мотор 250/400» сейчас находится в Немецком музее г. Мюнхен

Главное отличие дизельного двигателя от других ДВС — в цикле воспламенения.

• Участок 1-2: адиабатное сжатие, как и в цикле Отто. Но при этом давление и степень сжатия выше — в современных моделях от 1:18 до 1:22. В конце такта впрыскивается топливо (позже появились более эффективные модели с непрямым впрыском, но об этом далее — прим. автора). 

• Участок 2-3: в цикле Отто бензин сгорает быстро — поршень просто не успевает переместиться, поэтому давление повышается при неизменном объеме. В цикле Дизеля топливо, напротив — воспламеняется медленно и все время поддавливает, перемещая поршень. Поэтому топливо сгорает полнее, а процесс происходит при постоянном давлении. 

• Участок 3-4 и участок 4-1: все, как и в цикле Отто — адиабатические расширение и изохорное охлаждение при выпуске в атмосферу отработанных газов. 

В результате дизельные двигатели были не только эффективнее, но и надежнее двигателей Отто — в нем не используется карбюратор и система зажигания. Но из-за больших давлений и температур дизель был намного массивнее и дороже, а также работал более шумно. Дизель видел его применение в промышленности. 

Судьба изобретения

Рудольф Дизель решился монетизировать свое детище и взял курс на использование в промышленности: например, для поездов, судов, мощных станков и так далее. В 1897 году он создал компанию Diesel Motoren-Fabrik Actien-Gesellschaft и принялся за производство двигателей, а также продажу патентов: они были проданы сотням предприятиям в 37 странах мира. 

В марте 1898 года первый коммерческий дизельный двигатель мощностью 22 кВт появился на заводе по производству спичек в г. Кемптен. Однако в условиях фабричного производства в Кемптене, двигатель показал очень низкую надежность: система подачи топлива постоянно ломалась, а материалы не выдерживали длительной работы под нагрузкой. Требовалась доработка, а на нее нужны были деньги. 

В 1898 году Дизель заключает судьбоносную сделку с русским нефтепромышленником Эммануилом Людвиговичом Нобелем — он слышал о проблемах в работе двигателей, но полагал, что их смогут решить наши инженеры. Как оказалось, это было правдой.

В том же 1898 году завод «Людвиг Нобель» изготовил первый дизельный двигатель. Спустя всего два года, в 1900 году оригинальную конструкцию Дизеля доработали и улучшили при участии наших выдающихся ученых Георгия Филипповича Деппа и Густава Васильевича Тринклера (по некоторым источникам, Тринклер ничего не знал об изобретении Дизеля и действовал сам, но это неточно — прим. автора). Последний даже придумал оригинальную модель бескомпрессорного двигателя, в котором использовалась форкамера. Это позволило уменьшить расход топлива из-за лучшего перемешивания и сделать работу более стабильной. Отсюда же появился смешанный цикл Тринклера, совмещающий работу циклов Отто и Дизеля. 

В цикле Тринклера добавляется участок 2-3 — здесь смесь предварительно воспламеняется в форкамере при постоянном объеме

Но главное отличие дизельных двигателей, произведенных на заводе Нобеля, заключалась в работе не на легком бензине, а на более тяжелой нефти. Это позволило дополнительно повысить эффективность — КПД достигал 32-35%. Это объясняется физикой процесса:

• Бензин на такте сжатия должен проще воспламеняться и как можно быстрее повысить давление, толкая поршень. Для него главным показателем является октановое число — способность противостоять детонации и работать с большим сжатием и КПД.  

• Нефть (а впоследствии и продукт ее перегонки — дизельное топливо — прим. автора) для дизельного двигателя дает совершенно другие преимущества. Устойчивое горение на всем цикле воспламенения, которое обеспечивает максимальную эффективность, характеризуется цетановым числом — можно сказать, инерционностью топливо-воздушной смеси. Чем больше цетановое число, тем меньше «время отклика» системы (кстати, по этой же причине более тяжелое дизельное топливо густеет при низких температурах, в отличие от бензина, и теряет свои свойства — прим. автора).

Двигатели Нобеля получили признание по всей Европе и прозвище: «Русский дизель». С 1903 года, когда многочисленные инженерные доработки позволили получить более совершенное устройство двигателя, начинается массовое применение дизелей в России и в мире. Вот некоторые вехи:

1903 год. Три дизельных двигателя по 120 л.с. — каждый впервые — установлены на русское нефтеналивное судно «Вандал». В период с 1903 до 1911 года наши заводы построили 43 теплохода с дизельными двигателями. 

1904 год. Французы устанавливают дизельный двигатель на свою подводную лодку Aigrette 150 л.с. для надводного хода. Кстати, там же стоял и электрический двигатель мощностью 130 л.с. — еще один важнейший этап в развитии промышленности XX века, о котором мы поговорим в другой статье. 

1907 год. Инженер Карл Васильевич Хангелин руководил разработкой первого в мире реверсивного двигателя для судов. Модель двигателя мощностью 1000 л.с. успешно прошла испытания на буксире «Коломенский дизель». В том же году дизельный трехцилиндровый двигатель был установлен на подводную лодку «Минога» в составе Балтийского флота. 

1912 год. Рудольф Дизель сумел усовершенствовать оригинальную модель и решил сосредоточиться на применении двигателей для железных дорог. Он создал компанию Diesel-Sulzer-Klose GmbH для производства дизельных локомотивов. Первая модель с двигателем мощностью 1184 л.с прошла испытания в Швейцарии, на участке между Винтертуром и Романсхорном. 

1915 год. Фирма MAN, активно помогавшая Дизелю при создании первой модели двигателя «Мотор 250/400», сумела создать компактный 4-цилиндровый дизельный двигатель с непрямым пуском (технологию запатентовал Проспер Л'Оранж в 1907 году — прим. автора) мощностью 45 л.с. 

К 1913 году от оригинального двигателя Рудольфа Дизеля уже мало что осталось — инженеры по всему миру продолжали патентовать свои доработки. Изобретатель, продававший в начале 1900-х годов права на использование своих патентов, осознал, что остался ни с чем. Его попытка в 1912 году поставить на поток производство дизельных локомотивов провалилась из-за бюрократических проволочек. 

Быть может, из-за возникшей депрессии на фоне банкротства он совершил самоубийство, находясь 29 сентября 1913 года на борту парохода «Дрезден» (обстоятельства гибели Дизеля до сих пор неясны, что породило много конспирологических теорий — прим. автора). 

Дальше дизельные двигатели продолжали совершенствоваться и сейчас используются повсеместно: от судовых перевозок до легковых автомобилей и военных применений, а КПД современных моделей с наддувом достигает 53%. 

Но все началось с той самой «Модели 250/400». И сейчас невозможно переоценить, насколько изобретение Рудольфа Дизеля изменило наш мир.

Источник