На мой взгляд, первым очень примитивным двигателем сгорания можно назвать пушку. В ствол пушки закладывается заряд (рабочее тело) далее вставляется снаряд (поршень), порох заряда поджигается (воспламенение), сгорая порох вырабатывает большое количество пороховых газов (рабочий ход), которые, расширяясь, с силой выталкивают снаряд из ствола, то есть делают необходимую работу. Далее весь цикл, пусть медленно, но повторяется.
Первые устройства, отдалённо напоминающие двигатель внутреннего сгорания тоже использовали порох. В 17-ом веке изобретатель Кристиан Хайгенс (Christian Huygens) использовал водяной насос, работающий на порохе, для обеспечения водой садов Версальского дворца, которым требовалось в день не менее 3000 кубических метров воды. По существу это был первый, практически используемый, примитивный двигатель внутреннего сгорания. (По некоторым данным двигатель не был построен.)
К концу 18-го века получили развитие паровые двигатели. Создатели паровых машин уже тогда понимали, что лучше топливо сжигать непосредственно в цилиндре двигателя, просто в то время не было удобного для этого процесса топлива.
В 1780-х годах изобретатель Александро Вольта сделал игрушечный пистолет в стволе которого при помощи электрической искры взрывалась смесь воздуха с водородом. В результате взрыва из ствола выталкивалась пробка. На первый взгляд это не имеет отношения к двигателю внутреннего сгорания, но именно это подтолкнуло изобретателей на возможность применения в двигателе внутреннего сгорания газа, как рабочего тела, и возможность воспламенения газа при помощи электрической искры.
В последствии некоторые изобретатели, беря за основу опыты Вольта, пытались сделать двигатели внутреннего сгорания, работающие на смеси водорода с воздухом.
Двигатель Лебона
Ярким событием в долгой истории создания двигателя внутреннего сгорания было изобретение способа производства искусственного горючего газа.Способ производства горючего газа методом сухой перегонки из дерева или каменного угля был предложен французским инженером Филиппом Лебоном в 1799 году. Даже без учёта значимости этого газа в истории развития двигателя внутреннего сгорания, это изобретение сыграло важную роль в истории человечества, этот газ в начале 19-го широко использовался для освещения, что позволило заменить дорогие свечи и сделать жизнь светлее. Потому этот газ часто назвался «светильным газом», но, иногда, по способу производства газ назывался «угольным газом». Очень скоро Лебон определил, что смесь газа с воздухом легко взрывается, выделяя при этом большое количество тепла, в результате чего происходит сильное расширение сгоревшей смеси, то есть создаётся необходимое давление, которое можно использовать для получения механической энергии. На основе этого открытия в 1801 году Лебон получил патент, на двигатель, работающий на светильном газе.
Предлагаемый Лебоном двигатель не сильно по конструкции отличался от парового двигателя, просто вместо пара, находящегося под давлением, Лебон предлагал вводить в цилиндр смесь светильного газа с воздухом и далее эту смесь поджигать. В конструкции двигателя предусматривалось два компрессора и смесительная камера. Один из компрессоров предварительно сжимал воздух, подаваемый в смесительную камеру, в то время как второй компрессор сжимал светильный газ, поступающий от газогенератора. Далее воздушногазовая смесь подавалась в цилиндр двигателя для последующего воспламенения. Необходимо отметить, что двигатель Лебона назывался двухсторонним двигателем, в таких конструкциях газ (рабочее тело) поочерёдно давит на поршень с двух сторон. В дополнение к этому Филипп Лебон, основываясь на сделанном Александро Вольта игрушечном пистолете, изобрёл электрическое зажигание, в котором использовалась электрическая искра. К сожалению, Филипп Лебон погиб в 1804 году. Его преждевременная кончина не позволила воплотить в жизнь мечты о создании запатентованного им газового двигателя внутреннего сгорания.
В памяти человечества Филипп Лебон остался как изобретатель светильного газа, который в течении нескольких десятилетий использовался для освещения городов.
А для специалистов он помнится как изобретатель газового двигателя внутреннего сгорания и электрического зажигания.В первой половине 19-го века множество изобретателей пытались создать работающий двигатель внутреннего сгорания, только в Англии за этот период было получено более 50 (по некоторым данным 100 или даже 200) патентов на двигатель внутреннего сгорания. Подобные патенты получали и изобретатели других стран. Некоторым изобретателям удавалось только запатентовать двигатели, у некоторых получилось создать работающие двигатели, но эти двигатели не получили дальнейшего развития. Работы некоторых из изобретателей были очень интересны, но описать все конструкции в пределах одной статьи невозможно. Поэтому в дальнейшем остановимся только на самых ярких событиях и личностях, сыгравших заметную роль в истории создания и развития двигателя внутреннего сгорания.
В 1824 году произошло очень важное для развития двигателей внутреннего сгорания событие. Французский физик и военный инженер Карно, на основе законов термодинамики, в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» теоретически описал работу идеального теплового двигателя. Что особенно необходимо отметить в своей работе Карно теоретически обосновал необходимость сжатия горючей смеси перед воспламенением.
И не смотря на то, что Карно сам не создавал двигателя внутреннего сгорания, этот человек сыграл очень большую роль в создании и развитии теплового двигателя. Именно на теории Карно были созданы двигатели внутреннего сгорания Отто и Дизеля, являющиеся основой всех современных двигателей.
Двигатель Барсанти и Матечи
(Eugenio Barsanti и Felice Matteucci )
Итальянские изобретатели Барсанти и Матечи 12 июня 1854 года запатентовали в Лондоне свой двигатель внутреннего сгорания. Двигатель был запатентован в Лондоне, потому что итальянское законодательство того времени не обеспечивало надёжной международной защиты.
Это был двигатель со свободным поршнем, расширяющиеся газы, преодолевая усилие давления атмосферы и веса поршня, поднимали поршень вверх. Для воспламенения рабочей смеси использовалась электрическая искра. После охлаждения газов под поршнем образовывалось разрежение и поршень, под действием давления атмосферы, опускался вниз, производя при этом полезную механическую работу.
В последствии двигатель подобной конструкции был создан немецкими инженерами Отто и Лангеном, получивший широкое распространение и большой коммерческий успех.
Схема двигателя
На этом рисунке дана схема устройства двигателя Барсанти и Матечи.
Более подробна конструкция подобного двигателя будет рассмотрена при описании первого двигателя Отто.
Общий вид двигателя Барсанти и Матечи.
Двигатель Барсанти имел заметные преимущества по сравнению с широко применяемым в то время паровым двигателем, он был белее безопасным, компактным и его можно было быстро запустить в работу. Вес этого двигателя не позволял установить его на автомобиль, но он для этого не предназначался. Двигатель был предназначен для использования как источника механической энергии на мануфактурах, ремесленных мастерских или установки его на судах.
В некоторых источниках указывается, что двигатель Барсанти и Матечи был первым, практически используемым двигателем внутреннего сгорания. Но патент на этот двигатель был утерян, поэтому точно описать конструкцию двигателя не представляется возможным. Правда, сохранилось несколько финансовых документов подтверждающих штучное изготовление двигателя на заказ. Также сохранилось несколько старинных чертежей двигателя, но, рассматривая примеры, которые мне удалось найти, можно сказать, что конструкций двигателей было несколько, и что под каждый заказ изготавливался двигатель новой конструкции. Есть свидетельства, доказывающие, что штучно изготовленные двигатели устанавливались на судах или использовались как источник механической энергии на мануфактурах.
В 1856 году Барсанти и Матечи построили двухцилиндровый двигатель мощностью 5 л.с. в каждом цилиндре которого находилось два поршня, двигающиеся навстречу друг другу.
Модель двигателя
Музейная фотография одноцилиндрового двигателя Барсанти и Матечи
Шестерёнчатый механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала двигателя.
В большие шестерни, установленные на вал, очевидно, был встроен храповой механизм, а шестерня установленная вдоль оси вала была предназначена для синхронизации движения поршней. Когда один из поршней поднимался вверх, второй поршень опускался вниз.
Двигатель Барсанти с двумя поршнями
Двигатель Барсанти и Матечи с двумя, двигающимися навстречу поршнями
На этих трёх рисунках отображён двигатель Барсанти и Матечи, имеющий совершенно другую конструкцию. В цилиндр этого двигателя было установлено два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При помощи зубчатой рейки усилие от поршней передавалось на шестерни, внутри которых был встроен храповой механизм. Для синхронизации движения поршней на оба поперечных вала были установлены конические шестерни, которые передавали вращение на общий продольный вал, на обоих концах которого тоже были установлены конические шестерни.
Найти более точную и достоверную информацию о двигателе Барсанти и Матечи у меня не получилось, хотя этот двигатель постоянно упоминается в статьях по истории двигателя внутреннего сгорания. Причем часто упоминается как первый двигатель, нашедший практическое применение, но не выпускавшийся серийно. Возможно, путаница возникает из-за того, что в Италии творили и другие инженеры, работающие над созданием двигателя внутреннего сгорания. Например, в 1856 году итальянский инженер Петро Венини создал работающий прототип двигателя мощностью 5 л.с., а в последующие годы он создал и более мощные двигатели, которые использовались как стационарные источники механической энергии на промышленных предприятиях Италии.
Двигатель Ленуара
(Жан Этьен Ленуар)
К середине 19-го века идея создания двигателя внутреннего сгорания висела в воздухе. Многие изобретатели в разных странах создавали опытные конструкции двигателей, работающих на смеси водорода и воздуха, на светильном газе, на угольной пыли и даже на жидком топливе, используя для этого различные горючие жидкости.
Но создать практически работающий двигатель внутреннего сгорания, работающей на светильном газе, и первым наладить его коммерческое производство удалось только бельгийскому инженеру Этьену Ленуару(1822-1900) (Jean Joseph Etienne Lenoir ) в 1860 году.
Работая на бельгийском гальваническом заводе, Ленуар ознакомился с принципами электротехники. Эксперименты с электричеством, проводившиеся Ленуаром в 1859 году привели его к идее использования электрической искры для воспламенения воздушно-газовой смеси. Это привело его к решению создать двигатель, использующий этот принцип. Возможно, Ленуар был знаком с работами Лебона.
В 1860 году Ленуар получил патент на свой двигатель. И в течение этого же года Ленуар построил двигатель, работающий на основе полученного патента.
Многие инженеры, современники Ленуара, не считали его двигатель самостоятельным изобретением, поскольку Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. Но двигатель Ленуара оказался первым, практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение.
Принципы работы двигателя Ленуара.
По своей компоновке и конструкции двигатель Ленуара имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона.
Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания.
Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня.
Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра.
Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара попадает в группуатмосферных двигателей .
Устройство двигателя Ленуара
1 – Катушка Румкорфа; 2 – Гальванические батареи; 3 – Подшипник коленчатого вала; 4 – Коленчатый вал; 5 – Кривошип коленчатого вала; 6 – Маховик; 7 – Эксцентрик впускного золотникового клапана; 8 – Шток впускного клапана; 9 – Эксцентрик выпускного золотникового клапана; 10 – Шток выпускного клапана; 11 – Шатун; 12 – Шток поршня; 13 – Ползунковый распределитель зажигания; 14 – Поршень; 15 – Свеча зажигания задней камеры; 16 – Свеча зажигания передней камеры; 17 – Передняя камера цилиндра; 18 – Впускной золотниковый клапан; 19 – Выпускной золотниковый клапан; 20 – Цилиндр; 20 – Рубашка охлаждения.
Rochas ) тиражом 300 экземпляров издал книгу "Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра", в которой он обосновывал принципы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.В своей работе Бо де Роше отметил важность предварительного сжатия рабочей смеси перед воспламенением. Эта брошюра была издана за 16 лет до момента регистрации патента немецкого инженера Николауса Отто, во всём мире считающегося изобретателем четырёхтактного двигателя сгорания с предварительным сжатием рабочей смеси.
Сам Бо де Роше двигатель не построил.
Термины
«Атмосферный двигатель»
В то время этим термином обозначались двигатели внутреннего сгорания, в которых отсутствовало сжатие рабочей смеси перед воспламенением.
В настоящее время этот термин имеет совсем другое значение. Современные двигатели могут быть с наддувом и без наддува. Двигатели, не имеющие наддува (принудительного нагнетания воздуха в систему впуска двигателя), называются атмосферными.
Катушка Румкорфа
Катушка Румкорфа , очень напоминает катушку зажигания современного двигателя внутреннего сгорания. Конструкция катушки довольно проста, на металлический сердечник намотаны две обмотки. Первичная – небольшое количество витков толстого провода, а вторичная – большое количество витков тонкого провода. При подсоединении и отсоединении первичной обмотки к гальваническим элементам (батареям) во вторичной обмотке кратковременно генерируется ток высокого напряжения.
Двигатель для автомобиля, как и сам автомобиль, непременно должен был появиться в последней четверти прошлого века. И двигатель появился, а потом дот уже в течение 100 лет безраздельно господствует на автомобилях. Разговор идет о поршневом двигателе внутреннего сгорания (ДВС), работающем на бензине по четырехтактному циклу. О конструкциях ДВС других типов будет рассказано ниже.
Создатели первых транспортных ДВС отталкивались от конструкции паровой машины. Как сделать ее более компактной и производительной? Самые объемные, к тому же опасные ее элементы - топка и котел. Значит, их-то и нужно заменить, считали изобретатели. Чем? Ответ на этот вопрос казался простым: нужен резервуар с горючим газом, например светильным. Газ надо смешать с воздухом, вводить в цилиндр машины и там воспламенять. Горение и расширение смеси произведут силу, которая заменит пар. Топка и котел больше не понадобятся.
Газовый двигатель Ленуара
Еще в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900) построил газовый двигатель, напоминавший паровую машину. Однако сама по себе смесь светильного газа и воздуха в отличие от пара не давит на поршень. Нужно ее поджечь. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Двигатель Ленуара - двусторонний (или, как принято говорить, двойного действия; рабочий процесс происходит с двух сторон поршня) и двухтактный, т. е. полный цикл работы поршня длится в течение двух его ходов. При первом ходе происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре (рабочий ход), а при втором ходе - выпуск отработавших газов. Впуском и выпуском управляет задвижка-золотник, а золотником - эксцентрик, смонтированный на валу двигателя.
Преимущества нового двигателя перед паровой машиной не ограничивались ликвидацией котла и топки. Газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было нетрудно. Увы, масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя (л. с. или кВт), обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только 1 / 25 теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия (КПД) двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание действовало ненадежно, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 м3 воды в час(!). Температура газов доходила до 800°С. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.
Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см2, а к концу рабочего хода снижалось втрое. Простой расчет показывает, что одноцилиндровый двигатель рабочего объема 2 л при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 развивает мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель в тысячу раз менее производителен, чем двигатель нынешнего автомобиля.
Создание быстроходного самодвижущегося экипажа стало возможным после изобретения двигателя внутреннего сгорания, особенно четырехтактного. Его рабочий процесс - «цикл Отто» - сохранился до наших дней. На диаграмме показано, насколько он эффективнее первоначального, предложенного Э. Ленуаром. Слева - устройство двигателя Ленуара
Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему Николаю-Августу Отто (1832-1891) из Кёльна (Германия) совместно с Евгением Лангеном (1833-1895).
Удалось… Легко хвалить или критиковать дела изобретателей 100 лет спустя. За их редкими успехами - годы труда, неудач, лишений, они творили в условиях недостатка технической информации, отсутствия приборов, инструментов и материалов, при недоверии обывателей… Например, полученный Отто патент был в 1889 году аннулирован, так как четырехтактный цикл якобы обосновал ранее француз Л. Бо-де-Роша.
Лишь посмертно заслуги Отто признала мировая техническая общественность, цикл назвали его именем. В труде «Новые газовые и нефтяные двигатели» французский (подчеркиваю, французский) ученый Г. Ришар писал в 1892 году: «Без предложенного Отто рабочего тела - горючей смеси - современный двигатель не существовал бы» и «Бо-де-Роша не изобрел четырехтактный цикл, осуществленный до него (при внешнем сжатии смеси) Лебоном в 1801 году и (при сжатии внутри цилиндра) в 1861 году - Отто».
Принцип работы двигателя Отто
Обратимся теперь к существу изобретения. Наблюдая работу построенного газового двигателя, похожего на ленуаровский, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто испробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр, продолжал вращать маховик и включил зажигание лишь в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.
Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и соответственно двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Приведу самое краткое описание его.
При первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» - головки цилиндра, создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. В чем значение ее сжатия, особо подчеркиваемое Ришаром? Частицы топлива сближаются, смесь легче поддается воспламенению. Если объем цилиндра над поршнем (т. е. в камере сгорания) равен его рабочему объему (между «мертвыми точками»), то степень сжатия равна 2, как у ранних ДВС (т. е. вдвое больше атмосферного давления), а давление газов при их взрыве вчетверо больше атмосферного (у современных двигателей оно в 40-50 раз больше, чем у двигателя Отто). Третий такт - рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное закрыто.
Инерции маховика хватает и на то, чтобы поршень совершил еще три хода, повторяя четвертый, первый и второй такты. После них вал и маховик снова получают импульс. При пуске двигателя первые два такта происходят под действием внешней силы. Во времена Отто и еще в течение полувека маховик проворачивали вручную, а теперь его вращает электродвигатель - стартер. После первых нескольких рабочих ходов стартер автоматически отключается и двигатель работает самостоятельно.
Впускное и выпускное отверстия открывает и закрывает распределительный механизм. Своевременное воспламенение смеси обеспечивает система зажигания. Цилиндр может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно, процесс работы двигателя от этого не меняется.
К недостаткам двигателя Отто относят его тихоходность и большую массу. Увеличение числа оборотов вала до 180 в минуту приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Большое давление в цилиндре требовало крепких кривошипного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя достигала 500 кг на 1 кВт/ч. Для размещения всего запаса газа нужен был огромный резервуар. Все это предопределило неудачу: газовый двигатель Отто, так же как и первый его вариант, был непригоден для установки на автомобиль, однако получил широкое распространение в стационарных условиях.
Двигатель внутреннего сгорания Даймлера
Двигатель внутреннего сгорания стал годным для применения на транспорте, после того как заработал на жидком топливе, приобрел быстроходность, компактность и легкость.
Наибольший вклад в его создание внесли инженеры-машиностроители XIX века - технический директор завода Отто в Дойце Г. Даймлер (1834-1900) и его ближайший сотрудник В. Майбах (1846-1929), позднее основавшие собственную фирму.
Об изобретателях машин нередко пишут, что они с детства увлекались техникой, мастерили приборы, разбирали и собирали часы, что идею будущей новой машины они вынашивали чуть ли не с пеленок. И еще пишут, что изобретатели, мол, сознавали ее вероятное социальное и экономическое значение. В действительности дело обычно обстояло иначе. Мы это уже видели на примерах Кулибина, Кюньо и Болле. Но у Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха биографии «образцовых» изобретателей. Даймлер с юных лет посвятил себя машинам, последовательно накапливал знания по локомотивам. С успехом закончил Высшее политехническое училище в Штутгарте. Во время продолжительной службы в Эльзасе и на английских машиностроительных заводах Даймлер хорошо изучил передовую для того времени технику и к тому же, владея французским и английским языками, получил доступ к обширной специальной литературе. Сначала его попросту увлекало конструирование машины. Потом, как у многих конструкторов, возникла мысль о постройке второго, третьего вариантов машины, улучшенных по опыту работы над предыдущей, и… о ее продаже. Тут-то обнаруживается спрос, зарождаются коммерческие соображения. Такова наиболее типичная схема. В данном же случае кузен Даймлера, математик и политический деятель, человек широкого кругозора да еще и со средствами, помогал умельцу, не будучи сам способным на конструирование. А «гениальному» (как его называли биографы) самоучке Майбаху помогал сам Даймлер.
Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.
В официальной фирменной (1935) биографии Даймлера сказано: «В 1881 году Даймлер объездил Россию, чтобы на месте познакомиться с нефтью, ему уже тогда продукты нефти представлялись топливом для транспортного двигателя… 1882 год стал поворотным в жизни Даймлера. Этот год можно считать годом рождения автомобильного двигателя, хотя сам двигатель был готов только в следующем году».
Почему именно путешествие в Россию понадобилось Даймлеру для осуществления его замыслов? В России уже работал завод по перегонке сырой нефти в керосин. Химик А. А. Летний провел эксперименты и доказал, что перегонка нефти и ее остатков через раскаленные железные трубы дает различные продукты, в частности, такое горючее, как бензин. Легкое нефтяное топливо было как раз тем, что искал Даймлер для экипажного двигателя: оно хорошо испаряется, быстро и полно сгорает, удобно в транспортировке.
Один из первых двигателей Г. Даймлера - двухцилиндровый, так называемый У-образный.
Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал на газе и на бензине. Все позднейшие конструкции Даймлера рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Большую частоту вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Частота вращения вала двигателя Даймлера была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, и достигала 450-900 об/мин, а мощность на 1 л рабочего объема - вдвое больше. Соответственно могла быть уменьшена масса. К этим штрихам «транспортной специфики» добавим закрытый картер (кожух) двигателя, заполненный смазочным маслом и защищавший подвижные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель «рубашке» способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка… Теперь имелось все необходимое для создания легкого самодвижущегося экипажа - автомобиля.
От своих предков автомобиль унаследовал многое. «Автомобиль… нужно считать сыном паровоза, давшего ему душу, и велосипеда, снабдившего его телом», - так образно писал в 1902 г. один из русских журналов. Механическая повозка для своей работы не требовала каких-либо наземных устройств, кроме дороги. В отличие от конных повозок механическая не требует для своего движения приложения живой силы, кроме небольших, как это казалось, усилий водителя по управлению ею. Подчеркнем, что идея автомобиля была поначалу четко направлена на замену лишь легкого экипажа личного пользования. Возможность его использования для грузовых и массовых пассажирских перевозок рассматривалась позднее.
Изначально стоит оговориться, что приписать полное авторство в этой области кому-либо конкретно невозможно.
Например, уже в рукописях Герона Александрийского (150 год до н.э.) было высказано предположение, что возможно использование силы пара для привода механизмов и создания движителя. Позже, подобная мысль одолевала Леонардо да Винчи. В 1643 году Эванджелиста Торричелли описал силовое воздействие давления воздуха. Но они так и остались только авторами идей. Авторами (создателями) ДВС стали другие.
В 1680 году голландец Кристиан Гюйгенс спроектировал первую силовую машину, которая базировалась на явлении расширения газов в цилиндре при взрыве пороха. Фактически это был первый двигатель внутреннего сгорания!
Физик Дени Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счет нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц. Столетия силами многих инженеров паровая машина усовершенствовалась, среди них был и Джеймс Уатт, впервые использовавший термин «лошадиная сила» для обозначения мощности.
Небольшие мастерские не всегда могли воспользоваться паровым двигателем. Дело в том, что такой двигатель имел очень невысокий КПД (менее 10%). Кроме того, его использование было связано с большими затратами и хлопотами: для того чтобы запустить его в ход, необходимо было развести огонь и навести пары. Даже если машина была нужна только временами, её все равно приходилось постоянно держать под парами. Это было неудобно. Для мелкой промышленности требовался двигатель небольшой силы, занимающий мало места, который можно было бы запускать и останавливать в любое время и без долгой подготовки.
Алессандро Вольта (1777 год): в капсуле подрывалась с помощью электрической искры смесь воздуха с каменноугольным газом. В 1807 году швейцарец Исаак де Ривац получил патент на использование смеси воздуха с каменноугольным газом как средства генерации механической энергии.
1801 год. Филипп Лебон
В последний год XVIII века французский инженер Филипп Лебон (1769-1804) открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности: Лебон увидел, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками, и понял, какую пользу можно извлечь из этого явления. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего, для развития техники освещения. Во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать со свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека.
В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.
Но идея его продолжала жить! Действительно, принцип действия газового двигателя намного проще, чем паровой машины, так как здесь топливо само непосредственно производит давление на поршень, тогда как в паровом двигателе тепловая энергия сначала передаётся носителю - водяному пару, который и совершает полезную работу. В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровыми.
Следующий крупный шаг был сделан в 1825 году, когда Майкл Фарадей получил из каменного угля бензол — первое жидкое топливо для двигателя внутреннего сгорания.
1862 год. Этьенн Ленуар
Этьенн Ленуар (1822-1900) вынужден был оставить свою мечту стать инженером и начал работать официантом в довольно непритязательном ресторане "Холостой парижанин". Среди завсегдатаев заведения часто встречались владельцы мастерских и механики. Так, подавая закуски и разнося спиртное, молодой человек жил проблемами механиков и инженеров, а в его голове уже начинал рождаться смелый план по принципиальному усовершенствованию такой диковинки, как двигатель. Вскоре, оставив место гарсона, Ленуар поступил на работу в одну из мастерских, где его обязанностью стало составление новых эмалей. Примерно через год, поссорившись с хозяином, Ленуар стал механиком-одиночкой, чинившим всё подряд - от экипажей до отхожих мест и кухонной утвари. Поработав какое-то время и не добившись ни благодарности, ни денег, он поступил в механическое и литейное заведение итальянца Маринони, которое с помощью Ленуара преобразилось в гальванопластическую мастерскую. Наконец-то, Ленуар повёл безбедную жизнь и получил возможности для экспериментального изобретательства. В то время он создал свои вариации маломощного электромотора, регулятора динамомашин, водомера. Ленуар запатентовал все свои изобретения и продолжал опыты.
Первый, опытный образец двигателя приятно удивил Ленуара и его спонсора Маринони своей безшумностью. Были и минусы - он слишком быстро нагревался во время работы и требовал принципиально другого охлаждения. Из-за юридической промашки машина Ленуара была опечатана, однако (нет худа без добра), именно это подтолкнуло его к созданию собственной фирмы. И очень скоро начала работу фирма по выпуску газовых двигателей «Ленуар и Ко». Мотор Ленуара, мощностью в 4 лошадиные силы, производили французские фирмы «Маринони», «Лефевр», «Готье» и немецкая фирма «Кун».
В 1860 году Ленуар получил патент на своё изобретение, и в том же году с двигателем познакомился немецкий инженер Отто, создавший впоследствии вместе с Лангеном фирму для производства таких двигателей. Именно эта фирма, поначалу прославившая труд Ленуара, впоследствии отнимет его лавры.
Машина Ленуара с успехом демонстрировалась на Парижской выставке 1862 года. Французский журнал «Иллюстрасьон» предложил публике чертёж и описание омнибуса Ленуара — трехколесного восьмиместного экипажа с этим двигателем. Это было интересное время - время инженерных дерзаний и неисчерпаемых идей и возможностей. Самые смелые и революционные решения не давали покоя гениальным "технарям" по всему свету - впереди была эра прогресса. В декабре 1872 года газовый двигатель Ленуара был установлен на дирижабле, испытания прошли успешно. Однако, слава Ленуара была недолгой - уже в 1878 году его обошли немцы - шумная и громоздкая 4-тактная машина его бывшего коллеги Отто с большим вертикальным колесом маховика, работала с КПД равным 16%, тогда как в двухтактном двигателе Ленуара он достиг лишь 5%. Безусловно, рекорд был побит.
1878 год. Август Отто и его такты
В 1864 году Август Отто получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания». На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень, в результате чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась.
Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался до тех пор пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 16%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Наиболее сложной проблемой при такой конструкции двигателя было создание механизма передачи движения рейки на вал. Для этой цели было изобретено особое передаточное устройство с шариками и сухариками. Когда поршень с рейкой взлетал вверх, сухарики, охватывавшие вал своими наклонными поверхностями, так взаимодействовали с шариками, что те не препятствовали перемещению рейки, но как только рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и плотно прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Эта конструкция обеспечивала жизнеспособность двигателя.
Поскольку двигатели Отто были почти в 5 раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции.
Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же её движение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом).
Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. И в 1878 году новые двигатели уже были запущены в производство.
Во всех более ранних газовых двигателях смесь газа и воздуха зажигалась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Однако действие взрыва было тем сильнее, чем давление было больше. Следовательно, при сжимании смеси взрыв должен был быть более сильным. В новом газовом двигателе Отто, газ сжимался до 3 атм., вследствие чего двигатель стал меньше по размерам, но его мощность возросла.
Для того чтобы сделать вращение вала более равномерным, его снабжали массивным маховиком. Ведь из четырех ходов поршня только один соответствовал полезной работе, и маховик должен был давать энергию для трёх последующих ходов (или, что то же самое, во время 1,5 оборотов). Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем. Из-за кривошипно-шатунного соединения с валом получить расширение газа до атмосферного не удавалось, и поэтому КПД двигателя был ненамного выше, чем у предыдущих моделей. Зато он оказался самым высоким для тепловых двигателей того времени.
Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Во де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто болезненно переживал эту неудачу, между тем дела его фирмы шли совсем не плохо. Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности.
Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и в Петербурге. Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту - бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство (впоследствии оно стало называться карбюратором) для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом. Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Немец Майбах предложил не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало равномерное распределение смеси по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха. Карбюратор таким образом состоял из двух частей: поплавковой камеры и смесительной камеры. В камеру топливо свободно поступало из бака по трубке и держалось на одном уровне поплавком, который поднимался вместе с уровнем топлива и при наполнении, с помощью рычага, опускал иглу и тем закрывал доступ топливу. Количество доставляемой в цилиндр смеси регулировалось поворачиванием заслонки (дросселя).
Немецкий инженер Юлиус Даймлер . много лет работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто (как в свое время Уатт в аналогичной ситуации) отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение - 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.
Между тем другой немец, Карл Бенц, владелец компании "Бенц и К" в Мангейме, разработал свой двигатель с электрическим зажиганием. В 1886 году он выпустил трехколесный автомобиль, который может считаться первым настоящим автомобилем. В том же году Даймлер встроил двигатель в кузов.
Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые. Последние устраивались таким образом, что в каждом из цилиндров четырёхтактный цикл был сдвинут на один ход поршня. Благодаря этому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала.
История создания дизельного двигателя.
В наше время слово "дизель" у большинства людей вызывает ассоциации лишь с двигателем внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, работающим на жидком топливе. И немногие знают, что этот двигатель назван в честь немецкого изобретателя - Рудольфа Кристиана Карла Дизеля (1858-1913 г.г.)
Родители Рудольфа были переплетчиками, книготорговцами. Свою родословную семья ведёт из тюрингского городка Пёснека (Германия). Однако родился Рудольф в Париже 18 марта 1858 г.
Семья его отца, Теодора Дизеля, много лет жила в этом городе, и никто не вспоминал, что они немцы. Но в 1870 г. началась франко-прусская война и пришлось Дизелям перебраться в Англию. Позже мальчика отправили к родственникам, в город Аугсбург (Германия). Там Рудольф с отличием оканчивает Высшую Политехническую школу в Мюнхене. Музыка, поэзия и изобразительное искусство привлекали Рудольфа столь же сильно, как и математика. Работоспособность юноши была феноменальной, а упорство в достижении цели ошеломляло знакомых.
Вскоре профессор Карл фон Линде предложил ему место директора в парижском отделении своей фирмы. Изобретатель "холодильника Линде" заинтересовал Дизеля проблемами тепловых двигателей - паровых машин и моторов внутреннего сгорания, только что появившихся благодаря изобретениям Николауса Августа Отто.
За 10 лет Дизель разработал сотни чертежей и расчётов двигателя абсорбционного типа, работавшего на аммиаке. Фантазия молодого инженера не знала границ - от миниатюрных моторчиков для швейных машин до гигантских стационарных агрегатов, использующих солнечную энергию! И всё же Дизелю никак не удавалось создать, хотя бы на бумаге эффективный двигатель.
Задавшись целью построить экономичный двигатель, предложенный еще в 1824 г. французским офицером Никола Леонаром Сади Карно (1796-1832), Дизель тщательно изучил его единственный, безсмертный трактат "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных использовать эту силу". По мысли Карно, в максимально экономичном двигателе нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо лишь "изменением объема", т.е. быстрым сжатием. Когда же топливо вспыхнет, надо ухитриться поддерживать температуру постоянной. А это возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении нагреваемого газа.
В 1890 г. Рудольф переехал в Берлин и... заменил аммиак сильно нагретым сжатым воздухом. "В неустанной погоне за целью, в итоге безконечных расчётов родилась наконец-то идея, наполнившая меня огромной радостью, - писал изобретатель. Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, ввести в него распылённое топливо, и одновременно со сгоранием, расширить горящую смесь так, чтобы как можно больше тепла использовать для полезной работы."
В 1892 г. Дизель получил патент, оказавшийся одним из самых дорогостоящих в мире. А затем опубликовал описание двигателя. "Моя идея, писал он семье, настолько опережает всё, 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!"
Никогда ещё теоретические построения не вызывали такого огромного интереса среди специалистов. Однако большинство оценивало идею как практически неосуществимую. Но были и другие примеры. "Я прочел вашу работу с большим интересом: так радикально и смело ещё никто, кто предрекал паровому двигателю закат, не выступал. А такой смелости будет принадлежать и победа!"- писал профессор М. Шраттер. Дизель верил в свою машину...
1893 год. Дизельный двигатель. Этап 1.
Первый опытный двигатель был построен уже в 1893 г. в Аугсбурге. Постройкой руководил сам Дизель. Сразу же приступили к испытаниям, однако первый опытный образец взорвался, изобретатель и его помощник чуть не погибли. Двигатель использовал в качестве топлива буроугольную пыль и был без водяного охлаждения стенок цилиндра.
Не достигнув положительного результата на угольной пыли, Рудольф Дизель, после попытки использовать светильный газ, окончательно остановил свой выбор на жидком топливе.
1894 год. Дизельный двигатель. Этап 2.
В феврале 1894 года начались испытания второго опытного образца двигателя, в котором в качестве топлива использовался уже керосин.
1895 год. Дизельный двигатель. Этап 3.
После первых двух неудач он сконструировал третью модель. "Первый двигатель не работает, второй работает несовершенно, третий будет хорош!" - говорил Дизель своему коллеге Фогелю. В 1895 г. закончилась сборка третьего образца, содержащего уже все основные элементы будущего дизель-мотора. Он действительно оказался хорош! Но при его создании Дизелю пришлось отказаться от многих своих первоначальных замыслов. Например, совершенно не удалось ему достичь ожидаемых результатов от работы двигателя без водяного охлаждения. Хотя возможность такой работы, предсказанная Дизелем теоретически, и была во время испытаний доказана, но опыты убедили его, что осуществлять на практике это нецелесообразно. Положительные результаты появились лишь после того, как двигатель оборудовали водяным охлаждением, а подачу жидкого топлива в цилиндр и его распыливание стали выполнять при помощи сжатого воздуха.
По поводу введения водяного охлаждения Дизель, 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 главным образом даёт возможность получать при тех же размерах цилиндра большую работу."
1896 год. Дизельный двигатель. Этап 4.
В конце 1896 г. был построен окончательный, четвёртый вариант опытного двигателя мощностью 20 л.с.
При официальных испытаниях в феврале 1897 г., проводившихся под руководством профессора М. Шрётера, этот двигатель расходовал 240 г керосина на 1 л.с. в час, эффективный КПД его составил 26%. Таких показателей не имел ещё ни один из существоваших на то время двигателей. Работа двигателя осуществлялась за четыре такта. За первый ход поршня в цилиндр всасывался воздух, за второй он сжимался приблизительно до 4 МПа, нагреваясь при этом примерно до 600°С. И в среду разогретого сжатием воздуха через форсунку (сжатым воздухом под давлением 5-6 МПа) начинало вводиться жидкое топливо (керосин). Попадая в разогретый воздух, топливо самовоспламенялось и горело почти при постоянном давлении (но не при постоянной температуре, как ожидал Дизель, патентуя цикл). Подача керосина в цилиндр продолжалась примерно 1/5 часть третьего хода поршня. На остальной части хода, происходило расширение продуктов сгорания. За четвертый ход поршня - осуществлялся выпуск сгоревшего топлива в атмосферу. Рабочий цикл созданного двигателя сильно отличался от запатентованного.
Выставка паровых машин 1898 года в Мюнхене стала кульминацией невероятного успеха Дизеля. Заказы на двигатель приобретали немецкиие и иностранные предприятия нарасхват. На 39-летнего инженера обрушился золотой дождь!!!
Забросив исследования, Дизель ударился в коммерцию. Обладая уже шестимиллионным состоянием, он основал предприятие по строительству электропоездов, финансировал католические лотереи, покупал и продавал всевозможные фирмы. Но поразительно - ещё ни один мотор "системы Дизеля" к тому времени даже не был продан!
Скандал разразился, когда первые дизели оказались не в состоянии работать. Отменяются соглашения, приостанавливаются выплаты Дизелю. Принадлежавшая изобретателю Аугсбургская фабрика обанкротилась. Из-за обилия мелких неполадок дизель-мотор подорвал своё реноме. Необходимая точность при изготовлении ряда деталей значительно превышала уровень возможностей большинства заводов. Помимо технологических трудностей, встал вопрос о создании новых жаростойких материалов. Некоторые фирмы заявили о "непригодности" дизель-моторов для серийного производства...
Столкнувшись со стеной недоброжелательства в Германии, Дизель наладил взаимоотношения с зарубежными промышленниками. Во Франции, Швейцарии, Австрии, Бельгии, России и Америке.
1903 год. Приключение дизеля в России.
Как только промышленный мир облетела весть о новом двигателе, Эммануэль Нобель, владелец машиностроительного завода в Петербурге, сразу же понял, что в России дизелям уготовано большое будущее. Потому что в России находятся неисчерпаемые запасы нефти, которая даже в чистом виде, без переработки, способна стать топливом для нового двигателя. Ну и, конечно же, была в том выгода не только для всей Руси великой, но и конкретно для семейства Нобелей, владеющего нефтеперерабатывающим товариществом «Братья Нобель». И в 1897 году Эммануэль Нобель попытался приобрести патент на изготовление двигателя в России. Однако Дизель, купавшийся тогда в лучах всемирной славы, запросил запредельную цену - полмиллиона рублей золотом. Рачительный швед решил подождать более подходящего для сделки момента. Через год конструктор, получивший реалистические представления о законах бизнеса, снизил цену до 800 тыс. марок.
Приобретя патент, Нобель совершил акт неслыханного альтруизма: он предложил всем российским заводам соответствующего профиля, воспользовавшись чертежами патента, начать производство дизельных двигателей. Однако в связи с тем, что к тому моменту авторитет двигателя на Западе сильно пошатнулся, желающих не нашлось. И инженеры завода Нобеля начали самостоятельно разрабатывать модификацию двигателя, работающего на нефти. В ноябре 1899 года «нефтяной» дизель мощностью 20 л.с. был готов. В 1900 году на Парижской выставке его главный конструктор профессор Георгий Филиппович Депп доказал, что русский дизель превосходит зарубежные аналоги. Главной задачей для Нобеля было получение заказа военного ведомства на установку дизелей на военные корабли. В 1903 году в Петербурге, а также на Коломенском машиностроительном заводе начали выпускаться двигатели мощностью 150 л.с. Вначале дизели были установлены на два судна товарищества Нобелей - «Вандал» и «Сармат». Преимущества нефтяного двигателя по сравнению с паровой машиной были настолько очевидны, что владельцы пароходных компаний начали наперегонки оснащать дизелями свои суда.
Пока европейские державы спорили, кому взяться за производство моторов а-ля Дизель, их серийное производство наладила Россия, причем сразу нескольких типов: стационарный, быстроходный, судовой, реверсивный и пр. Дизель-моторы производили заводы в Коломне, Риге, Николаеве, Харькове и, конечно, завод «Людвиг Нобель» в Санкт-Петербурге (нефть Нобелей в моторах Нобелей для денег Нобелей) . В Европе дизель-мотор даже стали называть «русским двигателем». Дизель с удовольствием сотрудничал с русскими промышленниками - они единственные, кто регулярно платил изобретателю причитающиеся ему дивиденды.
Продолжение
"Изобретение... никогда не было лишь продуктом творческого воображения: оно представляет собой результат взаимосвязи между отвлеченной мыслью и материальным миром... Изобретателем история считает не того, кто с той или иной степенью определенности высказал первый подобные идеи, а того, кто осуществил свою идею, мелькнувшую, может быть, в уме множества других людей..."
Появление недорогого в эксплуатации двигателя означало победу нефти над углем, следовательно это не нравилось хозяевам угольного Рура. Несмотря на успехи нового типа двигателя, нападки недоброжелателей на Рудольфа Дизеля и его двигатель не ослабевали: "Дизель ничего не изобрел... он лишь собрал изобретения..."
В 1912 г., Рудольф Дизель приезжает в Америку. Инженерная общественность мира привыкла видеть в нем крупного преуспевающего специалиста, находящегося в зените славы,- недаром нью-йоркские газеты оповестили своих читателей о приезде "доктора Дизеля - знаменитого дипломированного инженера из Мюнхена". В лекционных залах, где он выступал с докладами, в вестибюлях гостиниц и фойе театров - всюду его осаждали корреспонденты. Сам Эдисон - чародей американского изобретательства - тогда публично заявил, что двигатель Рудольфа Дизеля является вехой в истории человечества.
Корректный, сдержанный, одетый в строгий черный фрак, Дизель стоически переносил длинные и высокопарные представления его публике. И ни один из слушавших его выступление американских инженеров не мог даже заподозрить тогда, что блестящий докладчик, рассказывающий на прекрасном английском языке о перспективах своего двигателя, находился в отчаянном положении, близком к полному краху и ни единым словом не обмолвился он о тех трудностях, промахах, неудачах, нападках и недоверии, с которым входило в жизнь его изобретение.
И в то же время, предвидя или предчувствуя неотвратимость своего краха, сразу по возвращении в Мюнхен Дизель на занятые в долг деньги покупает акции электромобильной фирмы, которая вскоре обанкротилась. В результате ему пришлось рассчитать почти всю прислугу и заложить дом, чтобы реализовать свой последний план, в который не был посвящен никто. Следующий год Дизель начал с разъездов: сначала он один побывал в Париже, Берлине, Амстердаме, а затем вместе с женой посетил Сицилию, Неаполь, Капри, Рим. "Мы можем попрощаться с этими местами. Больше мы их никогда не увидим". Такую странную фразу он обронил однажды, но жена тогда не обратила на неё внимания, а вспомнила и поняла её лишь позднее, когда уже всё произошло. Затем Дизель едет в Баварские Альпы к Зульцеру, на заводе которого когда-то проходил инженерную практику. Старых друзей поразили перемены, происшедшие за последнее время с Рудольфом. Всегда сдержанный и осторожный, он как будто без следа утратил эти качества и с видимым удовольствием стремился в опасные горные путешествия, предавался рискованным мероприятиям.
К концу лета 1913 г. разразился финансовый кризис. Дизель стал полным банкротом. И вот в этот момент, ещё совсем недавно отказавшийся от хорошо оплачиваемых должностей в американских фирмах, он вдруг даёт согласие на предложение нового двигателестроительного завода в Англии занять у них должность всего лишь инженера-консультанта. Узнав об этом, Британский королевский автоклуб обратился к нему с просьбой сделать доклад на одном из заседаний клуба, на что Дизель также ответил согласием и начал готовиться к поездке в Англию. В этот небольшой промежуток времени он совершает некоторые поступки, анализируя которые впоследствии, близкие Рудольфа Дизеля придут к выводу, что трагическое решение им уже было принято.
Проводив жену погостить к матери, он остался к началу сентября один в своем мюнхенском доме. Первое, что он сразу же при этом сделал,- отпустил до утра из дома оставшихся немногочисленных слуг и попросил старшего сына (тоже Рудольфа) срочно приехать к нему. По воспоминаниям сына, это была странная и печальная встреча. Отец показывал ему, что и где лежит в доме, в каких шкафах хранятся важные бумаги, давал соответствующие ключи и просил опробовать замки. После отъезда сына он занялся просмотром деловых документов, а вернувшаяся на следующее утро прислуга обнаружила, что камин забит пеплом сожженных бумаг, сам же хозяин находился в мрачном, подавленном состоянии.
Через несколько дней Дизель уехал во Франкфурт к дочери, где его уже ждала жена. Побыв с ними несколько дней, он уехал один 26 сентября в Гент, откуда отправил письмо жене и несколько открыток друзьям. Письмо было странным, смятённым и свидетельствовало о сильном расстройстве его автора.
29 сентября 1913 г. в Антверпене Дизель готовился к отплытию паром "Дрезден"... На верхней палубе ужин прошёл довольно непринужденно. Дизель рассказывал своим попутчикам о жене, о своих изобретениях. Но их интересовала политика. Уинстон Черчилль, назначенный лордом адмиралтейства, затеял реконструкцию английского флота, и это очень безпокоило двух новых знакомых Дизеля. Они были немцами, а война на Балканах виделась первой искрой будущей войны между Германией и Англией. Черчилль собирался перестраивать английский флот. Тонкий политик, он предчувствовал войну с Германией. Потому вошел в контакт с талантливым инженером Дизелем, ибо знал, что в кайзеровской Германии на броненосцы, в частности на «Принца-регента», уже поставлен многоцилиндровый судовой двигатель, спроектированный Дизелем, который давал значительное превосходство в скорости. Кроме того, двигатели Дизеля спешно приспосабливали для подводных лодок. Так что, возможно, не так уж случайно на борту немецкого парохода попутчиками Дизеля оказались двое немцев, готовые на всё ради Германии.
Около десяти вечера Рудольф Дизель раскланялся со своими знакомыми и спустился в каюту. Перед тем, как открыть дверь, он остановил стюарда и попросил разбудить его утром ровно в 6:15. В каюте он вынул из чемодана пижаму и разложил ее на постели. Извлек из кармана часы, завёл их и повесил на стенку рядом с подушкой… И больше его никто не видел.
Осмотр каюты показал: койка, приготовленная стюардом для сна, даже не смята; багаж не раскрыт, хотя в замок чемодана ключ вставлен; карманные часы Дизеля были положены так, чтобы стрелки можно было видеть будучи лежа на койке; записная книжка лежала раскрытой на столе и дата 29 сентября в ней отмечена крестиком. Выяснилось сразу же, что во время утреннего обхода судна дежурный офицер обнаружил чью-то шляпу и свернутое пальто, засунутыми под рельсы. Оказалось, что они принадлежали Дизелю.
Через десять дней команда маленького бельгийского лоцманского катера извлекла из волн Северного моря труп. Моряки сняли с распухших пальцев погибшего кольца, в карманах нашли кошелёк, футляр для очков и карманную аптечку. Тело, следуя морскому обычаю, отдали морю. Прибывший в Бельгию по вызову сын Рудольфа Дизеля - подтвердил, что все эти вещи принадлежали его отцу.
Родственники Дизеля были убеждены, что он покончил с собой. В пользу этой версии говорило не только странное и непонятное поведение Дизеля в последний год жизни, но также выяснившиеся позднее некоторые обстоятельства. Так, перед своим отъездом он подарил жене чемодан и просил не открывать его несколько дней. В чемодане оказалось 20 тысяч марок. Это было всё, что осталось от громадного состояния Дизеля. И еще: отправляясь в Англию, Дизель взял с собой не золотые часы, как обычно, а карманные стальные...
Заключение.
Мир воздал Рудольфу Дизелю довольно редкую в истории техники честь: начал писать его имя с маленькой буквы. Это - шаг в вечность...
Паром "Дрезден"
Первые идеи создания двигателей внутреннего сгорания относятся к XVII веку, в 1 680 году Гюйгенс предлагал построить двигатель, работающий за счет взрывов заряда пороха в цилиндре. К концу XVIII - началу XIX веков относится ряд патентов связанных с преобразованием тепла органического топлива в работу в цилиндре двигателя.
Дизельный двигатель
Однако первый двигатель подобного типа, пригодный для практического использования, построен и запатентован Ленуаром (Франция) в 1860 году. Двигатель работал на светильном газе, без предварительного сжатия, и имел КПД около 3%.
В 70-80-е годы XIX века началось широкое практическое применение бензиновых двигателей с искровым зажиганием, работавших по циклу быстрого сгорания. С 1885 года началась постройка автомобилей с бензиновыми ДВС. Большой вклад в развитие этого типа двигателей внесли Карл Бенц, Роберт Бош (Германия), Даймлер (Австрия). Имели развитие эти двигатели и в России - капитан русского флота И.С. Костович построил в 1879 году самый легкий в то время двигатель для дирижабля мощностью 80 л.с. с удельным весом 3 кг/л.с., намного опередив немецких инженеров.
Следующим этапом в развитии ДВС явилось создание так называемых «калоризаторных» двигателей, в которых топливо воспламенялось не от электрической искры, от раскаленной детали в цилиндре. Такие двигатели начали строить в начале 90-х годов XIX века.
В 1892 году Рудольф Дизель, инженер фирмы МАН (Германия), получил патент на устройство нового двигателя внутреннего сгорания (патент № 67207 от 28 февраля 1892 года). В 1893 году им была выпущена брошюра “Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели». В «рациональном» двигателе предполагалось давление сжатия - 250 ат, КПД - 75%, работа - по циклу Карно (подвод тепла при T=const), без охлаждения цилиндров, топливо-угольная пыль.
Официальным испытаниям в феврале 1897 года был предъявлен лишь 4-й двигатель, имевший мощность около 20 л.с., давление сжатия 30 ат и КПД 26-30%. Такой высокий КПД не достигался ранее ни в одном тепловом двигателе.
Костович у своего двигателя Цикл нового двигателя значительно отличался от описанного в патенте и в брошюре. В нем осуществлялись ранее известные и апробированные в других опытных двигателях принципы - предварительного сжатия воздуха в цилиндре, непосредственной подачи топлива в конце такта сжатия, самовоспламенения топлива и т.д. Отличия построенного двигателя от 1-го патента и использование идей других изобретателей послужили причиной многих выпадов против Р. Дизеля, его многочисленных судебных тяжб и финансовых затруднений.
Вероятно, это и дало повод к трагической гибели Р. Дизеля перед началом 1-й мировой войны. Тем не менее, в честь признания заслуг Р. Дизеля в создании нового двигателя и его широком внедрении в промышленности и транспорте двигатель с воспламенением топлива от сжатия получил название «дизель».
Русские инженеры решили многие конструктивные вопросы дизелестроения, при-дали деталям ту конструкцию, которая впоследствии стала общепринятой. В нашей стране были решены и вопросы, связанные с применением дизелей на судах. В 1903 году вступил в строй первый в мире теплоход «Вандал», танкер озерного типа грузоподъемностью 820 т с тремя нереверсивными 4-тактными двигателями суммарной мощностью 360 л.с. В 1908 году построен первый в мире морской теплоход - танкер «Дело» (впоследствии «В. Чкалов») для плавания в Каспийском море водоизмещением 6000 т с двумя дизелями по 500 л.с. Следом за заводом «Л. Нобель» к производству дизелей приступили Коломенский и Сормовский заводы.
Человек, который построил первый дизельный двигатель В 1893 году на заводе фирмы МАН в Аугсбурге была сделана попытка построить такой двигатель. Работами руководил сам автор. При этом выяснилась невозможность реализации идеи - на угольной пыли двигатель работать не мог, сгорание при T=const осуществить не удалось. В 1894 году построен 2-й двигатель, способный работать без нагрузки непродолжительное время. Более удачным оказался 3-й двигатель постройки 1895 года. В нем отказались от основных предложений Р. Дизеля - двигатель работал на керосине, распыливание топлива производилось сжатым воздухом, сгорание - при Р=const, предусматривалось водяное охлаждение цилиндров.
Благодаря успехам дизелестроения в России дизели стали называть одно время «русскими двигателями». Россия сохраняла ведущее положение в судовом дизелестроении вплоть до 1-й мировой войны. Так, до 1912 года во всем мире было построено 16 теплоходов с мощностью главных дизелей более 600 л.с.; из них 14 построено в России. Даже в 20-е годы, несмотря на большие разрушения народного хозяйства в период 1-й мировой и гражданской войн, в нашей стране были созданы и выпускались судовые малооборотные крейцкопфные двигатели марок 6 ДКРН 38/50, 4ДКРН 41/50 и 6ДКРН 65/86 агрегатной мощностью соответственно 750, 500 и 2400 л.с.
Преимущественное распространение в мировой практике от начала использования до середины 30-х годов имели компрессорные дизели, в которых топливо подавалось в цилиндр с помощью сжатого до высокого давления воздуха. Как правило, в качестве главных использовались малооборотные крейцкопфные 2-х или 4-тактные дизели, часто двойного действия. Продувка 2-тактных ДВС осуществлялась поршневым продувочным насосом, приводимым от коленчатого вала.
Идея бескомпрессорного дизеля, запатентованная в 1898 году студентом Петербургского технологического института Г.В. Тринклером (впоследствии профессором Горьковского института инженеров водного транспорта), получила широкое развитие лишь в 30-е годы, когда была создана достаточно надежная топливная аппаратура для непосредственного впрыска топлива с помощью насосов высокого давления.
Первый двигатель Рудольфа Дизеля В 1898 году Петербургский механический завод фирмы «Людвиг Нобель» (ныне завод
«Русский дизель») купил лицензию на производство новых двигателей. Была поставлена цель - обеспечить работу двигателя на дешевом топливе - сырой нефти (вместо дорогого керосина, применявшегося на Западе). Эта задача была успешно решена - в январе 1899 года был испытан первый дизель, построенный в России, мощностью 20 л.с. при частоте вращения 200 об/мин.
Особенно быстрое развитие дизелестроения наблюдалось после 2-й мировой войны. Преимущественное распространение в качестве главного двигателя на судах транспортного флота получил малооборотный крейцкопфный 2-тактный реверсивный бескомпрессорный дизель простого действия, работающий непосредственно на винт. В качестве вспомогательных двигателей использовались и используются по сей день среднеоборотные тронковые 4-тактные дизели.
В 50-е годы ведущие дизелестроительные фирмы развернули работы по форсировке двигателей с помощью газотурбинного наддува, испытанного и запатентованно¬го инж. Buchi (Щвейцария) еще в 1925 году. В малооборотных 2-тактных двигателях благодаря наддуву среднее эффективное давление в цилиндре Ре было поднято от 4-6 кг/см2 (начало 50-х годов) до 7-5-8,3 кг/см2 в 60-е годы при значении эффективного КПД двигателей до 38-40%. В 70-е годы при дальнейшей форсировке двигателей наддувом среднее эффективное давление в цилиндре было увеличено до 11-12 кг/см2; максимальные диаметры цилиндров достигли 1050-1060 мм при ходе поршня 1900-2900 мм и цилиндровой мощности 5000-6000 элс.
В настоящий период промышленность поставляет на мировой рынок судовые малооборотные двигатели со средним эффективным давлением в цилиндре 18-19,1 кг/см2, с диаметром цилиндров до 960-980 мм и хо¬дом поршня до 3150-3420 мм. Агрегатные мощности достигают 82000-93000 элс. при эффективном КПД до 48-52%. Таких показателей экономичности не добивались ни в одном тепловом двигателе.
У среднеоборотных 4-х тактных двигателей в 50-е годы среднее эффективное давление Ре лежало в пределах 6,75-8,5 кг/см2. В 60-е годы Ре было увеличено до 14-15 кг/см2. В 70-80-е годы все ведущие дизелестроительные фирмы достигли уровня Ре 17-20 кг/см2; в опытных двигателях получено Рe 25-30 кг/см2. Максимальный диаметр цилиндра составил Дц = 600-650 мм, ход поршня S = 600-650 мм, максимальная цилиндровая мощность Neц = 1500-1650 элс., эффективный КПД 42-45 %. Примерно такие показатели предлагаются на рынке среднеоборотных 4-тактных двигателей и сегодня.
Тенденция к более широкому использованию среднеоборотных двигателей в качестве главных на судах морского флота проявились в 60-е годы. В какой-то степени было связано с успехами фирмы Пилстик (Франция), создавшей двигатель РС-2 высокой конкурентоспособности, а также с потребностями развития специализированных судов, выдвигавших ограничение по высоте машинного отделения. В последующем двигатели этого типа были созданы и другими фирмами - V 65/65 Зульцер-МАН, 60М Митсуи, ТМ-620 Сторк, Вяртсиля 46 и др. Дальнейшее совершенствование среднеоборотных судовых двигателей идет по пути увеличения хода поршня, форсировки наддувом, повышения экономичности рабочих циклов и экономичности эксплуатации путем использования все более тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов с выхлопными газами в окружающую среду.
Судовой дизельный двигатель Вяртсиля Малооборотный 2-тактный дизель остается наиболее распространенным главным двигателем современных морских судов. При этом в результате острой конкурентной борьбы на рынке этого класса двигателей остались лишь 2 конструкции - фирмы Бурмейстер и Вайн (Дания) и Зульцер (Швейцария). Прекратили выпуск малооборотных двигателей подобной конструкции фирмы МАН (Германия), Доксфорд (Англия), Фиат (Италия), Гетаверкен (Швеция), Сторк (Голландия).
Фирма Зульцер, создав в начале 80-х годов достаточно высокоэффективный ряд двигателей типа RTA, тем не менее, из года в год сокращала их выпуск. В 1996 и 1997 гг. фирма вообще не получила заказов на двигатели RTA. Как итог, контрольный пакет акций фирмы Нью Зульцер Дизель был куплен фирмой Вяртсиля (Финляндия).
Фирма Бурмейстер и Вайн создала в 1981 году ряд высокоэкономичных длинноходовых двигателей типа МС. Однако фирма не могла преодолеть финансовых затруднений и уступила контрольный пакет акций фирме МАН. Объединение MAN-B&W продолжает совершенствовать двигатели ряда МС, предлагая потребителям крейцкопфные двигатели с диаметром цилиндров от 280 до 980 мм и с отношением хода поршня к диаметру, равным S/D = 2,8; 3,2 и 3,8.
В России современные малооборотные дизели выпускаются с 1959 года на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы Бурмейстер и Вайн. Двигатели устанавливаются как на отечественных судах, так и на судах иностранной постройки.
Дальнейшее совершенствование малооборотных крейцкопфных двигателей идет по пути их форсировки наддувом, уменьшения удельного веса, повышения надежности, увеличения срока службы между вскрытиями, использования самых тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов в окружающую среду. Учитывая ограниченность запасов жидкого нефтяного топлива на земле, проводятся исследовательские работы по использованию угольной пыли в качестве топлива в цилиндре малооборотного дизеля.