|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Дизель. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Дизельний двигун (дизель) - поршневий двигун внутрішнього згоряння, що працює за принципом самозаймання розпорошеного палива від впливу розігрітого при стисканні повітря. Спектр палива для дизельних двигунів дуже широкий, сюди включаються всі фракції нафтоперегонки від гасу до мазуту і ряд продуктів природного походження - ріпакова олія, фритюрний жир, пальмова олія та багато інших. Дизельний двигун може з певним успіхом працювати і на сирій нафті.
Як відомо, одним з основних показників, за яким оцінюється робота будь-якого, у тому числі теплового двигуна, є його ККД. Чим більше енергії, що виділилася при згорянні палива, перетворюється на корисну роботу, чим менше її втрачається при різних перетвореннях, тим краще. У всіх існуючих теплових двигунах ці втрати дуже великі, так що більше двох третин енергії, що виділилася в них, розтрачується даремно. У чому причина? Чи відбувається це через невдалу конструкцію, чи тепловий двигун у принципі не може мати високий ККД за самою своєю природою? Вперше над цим питанням замислився французький інженер Карно, який випустив у 1824 році класичну працю "Роздум про рушійну силу вогню". Карно поставив собі завдання з'ясувати, яким чином повинні протікати процеси в ідеальному тепловому двигуні, щоб ККД його був максимально можливим. Шляхом розрахунків він зрештою вивів поняття про круговий процес у роботі всіх теплових двигунів (його називають "циклом Карно"), при якому між двома температурами T1 і T2 робочого тіла двигуна (робоче тіло - це той газ, який рухає поршень; ним може бути пар у паровій машині або вибухова суміш у газовому двигуні) можна отримати максимум корисної роботи, а отже, і найвищий ККД.
Робота цього високоефективного гіпотетичного двигуна, як довів Карно, повинна складатися з чотирьох циклів. На першому циклі до робочого тіла підводиться тепло Q1 від верхнього рівня T1 за постійної температури цього рівня (тобто цьому циклі робоче тіло має розширюватися, зберігаючи постійну температуру, що досягається з допомогою нагрівання тіла). Під час другого циклу відбувається розширення робочого тіла, але вже без підведення тепла, доки температура його не опуститься до нижнього рівня T2. На третьому циклі робоче тіло стискається при постійній температурі T2 (для цього необхідно було постійно відводити тепло Q2). На четвертому етапі робоче тіло стискалося без відведення тепла доти, доки його температура не підніметься знову до T1. У разі дотримання цих умов, за розрахунками Карно, ККД двигуна визначався формулою 100•(1 - T2/T1) і досягав порядку 70-80%. Протягом усього XIX століття розрахунки Карно розбурхували творчу думку винахідників, які намагалися знайти відповідь на питання: яким чином роботу реальних теплових двигунів наблизити до роботи по "циклу Карно" та отримати максимально можливий ККД. Але всі спроби збудувати такий двигун виявилися безуспішними. Наприклад, ККД парової машини при потужності 100 к.с. не перевищував 13%, а у малопотужних двигунах він був меншим за 10%. ККД бензинових і газових двигунів виходив дещо вищим, але теж не перевищував 22-24%. Такий був стан справ, коли на початку 90-х років за створення "ідеального двигуна" взявся молодий німецький інженер Рудольф Дізель. Ще будучи студентом, він поставив собі за мету розробити такий мотор, показники якого були б близькі до "циклу Карно", причому цей двигун повинен був перевершувати звичайний бензиновий як за потужністю, так і за економічністю. Після кількох років наполегливої роботи проект двигуна було розроблено. Суть ідеї Дизеля полягала в наступному. На першому етапі поршень стискав повітря в циліндрі до високого тиску, за рахунок чого температура в циліндрі підвищується до температури займання пального (це відповідало четвертому циклу Карно - стиску без відведення тепла). Таким чином, у циліндрі досягався тиск близько 90 атм та температура близько 900 градусів. Пальне подавалося в циліндр наприкінці циклу стискування і внаслідок високої температури повітря спалахнуло від одного зіткнення з ним без жодного зовнішнього запалення. Нагнітання пального здійснювалося рівномірно, тому частина зворотного руху поршня і розширення газів відбувалися за постійної температури (відповідно до першого " циклом Карно " ). Далі поршень рухався вже під впливом високого тиску без горіння палива (другий "цикл Карно"). Третьому циклу відповідали вихлоп та всмоктування свіжої порції атмосферного повітря. Потім усі цикли повторювалися. Завдяки такому пристрої Дизель думав підвищити ККД свого двигуна до нечуваної величини - 73%. Спочатку як паливо він розраховував застосувати пари аміаку, але потім зупинив свій вибір на вугільному порошку. В 1892 Дизель отримав патент на описаний принцип роботи двигуна, а в 1893 випустив брошуру "Теорія і конструкція раціонального теплового двигуна" з описом мотора і своїми математичними викладками.
Брошура привернула до себе велику увагу. Втім, більшість інженерів вважали ідею Дизеля нездійсненною. Найбільший фахівець з газових двигунів того часу Келер попереджав, що отримати такий високий ККД неможливо, оскільки у двигуні Дизеля дуже високі втрати потужності на стиск повітря до температури займання, і при роботі з "циклом Карно" вся корисна робота витрачатиметься лише на підтримку його власного руху. Тим не менш, Дизель став наполегливо пропонувати свою модель різним німецьким фірмам. Спочатку він усюди зустрічав відмову. Не впадаючи у відчай, він продовжував листування, сперечався, доводив і нарешті досяг успіху: фірма Круппа в Ессені погодилася фінансувати витрати, а керівництво Аугсбурзького заводу - виготовити пробний зразок. Вже липні 1893 року було виготовлено перший одноциліндровий двигун Дизеля. Відповідно до початкового проекту, стиснення в його циліндрі мало досягати 90 атм, а температура перед початком впуску пального - 900 градусів. Оскільки температура не повинна була сильно перевищувати цю межу, жодної системи охолодження для двигуна не передбачалося. Компресор також не планувався – вугільний порошок передбачалося вдихати насосом. Але ще на стадії складання Дизель, перевіривши свої розрахунки, переконався, що Келер правий - витрати потужності двигуна на стиск повітря до 90 атмосфер виявилися надмірно великими і "з'їдали" весь виграш у ККД за рахунок роботи з "циклу Карно". Довелося просто на ходу переробляти задумане. Щоб знизити втрати потужності на стиск, Дизель вирішив зменшити тиск у циліндрі більш ніж удвічі – до 35-40 атм. У зв'язку з цим температура стисненого повітря замість 900 градусів мала становити лише 600. Це було дуже мало - різниця температур у формулі Карно виявлялася надто незначною для отримання високого ККД. Щоб виправити справу і підвищити потужність двигуна, Дизелю довелося відмовитися і від другого важливого моменту своєї конструкції - розширення робочого тіла при постійній температурі. Він розрахував, що температура при згорянні палива має зростати до 1500 градусів. А це, своєю чергою, вимагало, по-перше, найінтенсивнішого охолодження мотора, а по-друге, більш калорійного пального. Вугільний пил не міг дати такої високої температури, тому Дизель змушений був звернутися до рідкого палива. Але при першій спробі впорснути в циліндр бензин, стався вибух, який ледь не забрав життя винахідника і його помічників. Так закінчилося перше випробування. Воно мало подвійний результат. Дизелю довелося крок за кроком досить відступити від початкової схеми свого "ідеального мотора". Але, з іншого боку, деякі принципові моменти його розрахунків підтвердилися - сильне стиснення робочої суміші вело до підвищення ККД і, крім того (вибух довів це), виявилося, що паливо справді можна спалахувати шляхом стиснення, не вдаючись до дорогої системи запалення. Тому фірми, які фінансували проект, залишилися задоволені досягнутим успіхом, і Дизель отримав можливість продовжувати свої експерименти.
У червні 1894 був побудований другий двигун, для якого Дизель придумав форсунку, що керувала упорскуванням гасу. У цій моделі тиск у циліндрі доводилося до 35-40 атм, а температура в кінці стиснення – до 500-600 градусів. Двигун не тільки вдалося запустити, а й змусити працювати на холостому ходу з частотою до 80 обертів на хвилину. Це був великий успіх – ідея Дизеля виявилася життєздатною. У 1895 році було збудовано третій двигун, який міг уже працювати з невеликим навантаженням. Для впорскування гасу тут вперше було передбачено компресор. Крім того, довелося розробити систему інтенсивного охолодження, щоб запобігти заклиненню циліндра. Тільки після цього у 1896 році запуск нового досвідченого зразка приніс успіх. При випробуванні з навантаженням ККД двигуна виявився 36%, а витрата гасу склала близько 200 г на кінську силу на годину. Хоча ці показники і були дуже далекі від параметрів "ідеального мотора", вони все ж таки вражали: ККД нового двигуна виявився на 10-12% вище, ніж у бензинових двигунів того часу, а за своєю економічності він перевершував їх майже вдвічі. Нехай Дизелю не вдалося виконати свою мрію, все ж таки зроблене ним мало величезне значення - завдяки його наполегливості була розроблена принципово нова конструкція двигуна внутрішнього згоряння, яка була і залишається найкращою протягом ста останніх років. Працював новий мотор так. При першому ході поршня за рахунок живої сили маховика, запасеного за попередню роботу машини, повітря всмоктувалося всередину циліндра. Під час другого ходу, що здійснюється також за рахунок живої сили маховика, замкнене в циліндрі повітря стискалося до 35 атм. При цьому теплота, що виділялася під час стиснення, доводила його до температури займання пального. На початку третього ходу за допомогою насоса вводили гас. Це впорскування тривало лише незначну частину ходу. Протягом решти ходу газова маса розширювалася, і поршню повідомлялася робоча сила, яка передавалася через шатун колінчастому валу двигуна. При четвертому процесі продукти згоряння вивергалися через вихлопну трубу в атмосферу. Двигун був забезпечений компресором, який в особливому резервуарі згущував повітря при тиску, який дещо перевищував найвищий тиск в циліндрі. З цього резервуара повітря через трубку дуже незначного діаметра прямував в маленьку камеру форсунки, тобто апарату для розпилення палива, куди одночасно подавався гас. Ця камера повідомлялася з начинкою циліндра за допомогою маленького отвору, що замикається голкою: коли ця голка піднімалася, гас вганявся в циліндр завдяки надлишку тиску в камері. Горіння в циліндрі регулювалося, дивлячись за силою, яку мав розвинути двигун, або зміною тривалості впуску пального, або зміною тиску в компресорі. Це ж стиснене повітря вживалося і для початкового пуску двигуна з холодного стану. Нагорі двигуна поміщався розподільний вал із п'ятьма кулачками один керував клапаном, що впускав повітря, інший - клапаном, що впускав гас, третій - клапаном, що випускав продукти згоряння. Два останні кулачки керували клапанами, за допомогою яких впускалося стиснене повітря в циліндр при початковому пуску двигуна.
Перші ж офіційні випробування нового двигуна справили сенсацію серед інженерів. З цього часу розпочалася переможна хода "дизелів" по всьому світу. Багато фірм, які раніше не відгукнулися на пропозицію Дизеля, поспішали купити у нього право будувати винайдені ним мотори, і це право обходилося їм тепер недешево (наприклад, Еммануїл Нобель, бажаючи налагодити виробництво дизелів у Росії, заплатив Дизелю близько 500 тисяч доларів). Вже 1898 року Дизель, зовсім несподівано собі, став мільйонером. Втім, перші двигуни, пущені в серійне виробництво, виявилися незадовільними, примхливими і часто виходили з ладу. Випуск такої складної та високотехнологічної машини виявився не під силу багатьом заводам із застарілим обладнанням. Як свого часу Уатту, Дизелю довелося витратити багато сил на те, щоб довести до досконалості виробничий процес виготовлення дизелів – розробити нові верстати, знайти відповідні сплави, підготувати спеціалістів. Протягом кількох років він кочував Європою та Америкою, відвідуючи заводи, на яких йшло виробництво його моторів. До початку XX століття основні труднощі були подолані, і дизелі стали поступово завойовувати нові й нові сфери застосування у промисловості та транспорті. У 1900 році на Всесвітній виставці в Парижі двигуни Дизеля отримали гран-прі. Особливо підняло престиж нових моторів звістку про те, що завод Нобеля в Росії налагодив випуск дуже непоганих двигунів, які працювали на сирій нафті. Автор: Рижов К.В.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Нова модель розширення Всесвіту ▪ Наддешевий комп'ютер на флешці від Dell
▪ розділ сайту Паліндроми. Добірка статей ▪ стаття Тому можеш ти не бути, але громадянином бути зобов'язаний. Крилатий вислів ▪ стаття Як телевізійні програми транслюються через супутники? Детальна відповідь ▪ стаття Кваліфікація професійних захворювань ▪ стаття Про зміну опору під час нагрівання металів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page