Миф Дизеля

В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежавшая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину, и другие существующие в настоящее время двигатели».

Такое название, звучащее как реклама, заставляло всякого инженера, всякого любителя техники прочесть брошюру, поинтересоваться, — что за удивительную машину придумал автор? А предприимчивому автору как раз и нужна была популярность — его еще никто не знал, и появившуюся идею нового двигателя, которую он запатентовал годом раньше, ему негде было претворить в жизнь.

Идея эта была действительно заманчивой. Она сразу приковала к себе внимание, а имя Дизеля стали упоминать на страницах газет и журналов.

В чем же состояла эта идея? Дизель был инженером, и его идея была подсказана ему наукой — теорией тепловых двигателей.

Дизель, изучая термодинамику, знал, как Сади Карно представлял себе работу самого совершенного теплового двигателя, где бы использовалось наибольшее теоретически возможное количество тепла для механической работы.

И, следуя науке, Дизель рассуждал так: паровая машина плохо использует тепло; сгорание топлива происходит в топке котла, много тепла рассеивается, уходит с топочными газами, теряется в трубах по пути к машине. Там только 3–8 % от всего выделившегося из топлива тепла идет на полезную работу. Но вот — двигатель внутреннего сгорания. Здесь котла нет, а в газовом двигателе Ленуара использовалось тоже 3–4 % тепла. Лучше обстоит дело у Отто. С введением сжатия и четырехтактного процесса удалось раза в четыре увеличить коэффициент полезного действия. В двигателях Отто он доходит до 12–14 %.

Но предел ли это? А что, если попытаться построить двигатель, который бы работал так, как предлагал Карно?

Тогда, как уже показал Карно, не всё тепло, но значительная часть могла бы быть использована на полезную работу. Двигатель работал бы по «циклу Карно».

Но как осуществить этот цикл?

Какой двигатель надо построить?

Какой газ выбрать в качестве «рабочего тела»? Дизель не мог не вспомнить советов Карно: «Водяной пар может быть образован только в котле, в то время, как атмосферный воздух можно нагревать непосредственно сгоранием, происходящим в нем. Этим была бы избегнута не только большая потеря в количестве тепла, но и в его термометрических градусах. Преимущество принадлежит единственно атмосферному воздуху, другие газы им не обладают: нагреть их даже труднее, чем пар». Так еще в свое время писал Карно.

И Дизель предложил: это должен быть двигатель внутреннего сгорания. В цилиндр двигателя должен засасываться чистый атмосферный воздух. Дальше этот воздух должен быть очень сильно сжат, чтобы при сжатии он нагрелся до высокой температуры. Если в двигателях Отто сжатие идет до 10–12 атмосфер, то в таком двигателе следует, как предлагал Дизель, сжимать воздух до 250 атмосфер. В сильно нагретый воздух, когда поршень начнет переваливать через свою верхнюю мертвую точку, следует постепенно ввести несколько порций распыленного твердого или жидкого топлива. В раскаленном воздухе первая же порция топлива воспламенится и начнется медленное (по сравнению со сгоранием в двигателе Отто) его сгорание. Температура не должна возрастать, пока вводится топливо, — поршень будет понемногу отходить вниз, газ — расширяться, а давление хотя тоже начнет уменьшаться, но подводимым теплом это уменьшение будет сдерживаться — газ всё еще сохранит большую силу, толкая поршень.

Вот и получится, как рекомендовал Карно, изотермическое расширение.

Ну, а затем, после прекращения подачи топлива, можно предположить, что расширение газа будет продолжаться адиабатически, то есть давление будет уже снижаться скорее, но если от стенок тепло не отводить, то до самого нижнего положения поршня это давление будет достаточно большим, чтобы совершать полезную работу.

Дальше, правда, уже трудно сделать всё так, как говорил Карно. Надо удалить отработавшие газы — пойдет такт выхлопа, надо засосать свежий воздух — пойдет такт всасывания. И лишь затем можно снова начать сжатие. Таким образом, отводить тепло в охладитель по Карно, то есть при постоянной температуре, практически нельзя. Можно лишь очень быстро сжать свежий воздух до высокого давления, ну и предположить, что это сжатие совершится адиабатически, то есть при этом вся работа сжатия потратится на нагрев воздуха без отвода тепла через стенки.

Значит, такой двигатель будет работать не совсем по циклу Карно, но близко к нему. И коэффициент полезного действия такого двигателя должен быть выше, чем у всех существующих.

Так рассуждал Дизель. Вот эти-то мысли он и изложил в своей брошюре с многообещающим названием.

Для многих предложение Дизеля казалось новым и оригинальным. Однако те, кто был знаком с книгой Сади Карно, отмечали, что выдающийся французский инженер и ученый почти за семьдесят лет до Дизеля не только открыл термодинамический закон, но и предложил идею рационального двигателя.

Рассматривая одно из предложений по двигателям внутреннего сгорания, где рекомендовалось вводить в цилиндр порции мелкого горючего порошка ликоподия, Карно указывал, что сгорание такого порошка вызовет выделение золы и двигатель не найдет практического осуществления.

«Вместо того, чтобы делать так, как принято в двигателе Ньепса, — писал Карно, — было бы лучше, как нам кажется, сжимать воздух воздушным насосом, а затем пропускать его через закрытую камеру сгорания, в которую топливо вводилось бы постепенно небольшими порциями при помощи механизма, который легко было бы построить, затем предоставить этому газу действовать в цилиндре с поршнем и выпускать его в атмосферу!»

Дизель вначале предлагал, так же как и Карно, сжимать воздух насосом, хотя в его время уже зарекомендовал себя четырехтактный двигатель. Сжатие и сгорание, полагал Дизель, будет происходить в одном цилиндре, расширение — в другом.

Правда, Карно возражал против сжигания в цилиндре твердого топлива — порошка ликоподия, а вот Дизель этого не боялся. Первый козырь в руках Дизеля — экономное сжигание угольной пыли.

Дизель был энергичен и предприимчив. Да, он предлагает двигатель, работающий почти по циклу Карно. Но ведь ни Карно, ни кто другой такого двигателя не построил, а вот он, Рудольф Дизель, берется построить такой двигатель!

Неохотно шли заводчики на затрату средств для постройки какого-то «заумного» двигателя, — не книжная ли затея всё это? Можно ли получить в действительных условиях такой процесс?

Наконец, после многих мытарств, Дизелю удалось убедить дирекцию машиностроительного завода в городе Аугсбурге в том, что стоит сделать попытку.

И вот в одной из мастерских завода Дизель и его помощники приступили к постройке нового двигателя.

Уже проектируя первый двигатель, Дизель отошел от многих своих предложений. Прежде всего он убедился в том, что двигатель должен работать по обычному четырехтактному циклу, только, в отличие от газового двигателя, топливо должно вводиться здесь внутрь цилиндра постепенно, после сжатия. Вместо воспламенения от электрической искры должно происходить самовоспламенение топлива в горячем воздухе.

В июле 1893 года был построен первый одноцилиндровый опытный двигатель.

И вместе с первым двигателем появились и новые поправки, которые всё дальше и дальше уводили Дизеля от тех широких обещаний, которые он дал в своей нашумевшей книге.

Прежде всего оказалось, что с угольным порошком ничего не получится: за время, отводимое на сгорание, можно подать только одну шестую часть того количества порошка, которое необходимо для получения нужной работы. Кроме того, оказалось сложным его приготовление и ввод в цилиндр, появилось опасение значительных износов.

Затем, сколько ни старались Дизель и его помощники, но очень высокого сжатия в цилиндре не получалось. Вместо 250 атмосфер удалось, да и то с большим трудом, дойти только до 34 атмосфер.

Убедившись, что большего не достичь, Дизель решил попробовать при таком сжатии ввести жидкое горючее. И вот, как-то раз в цилиндр двигателя был впрыснут бензин.

Раздался резкий свист и из крышки цилиндра вместе с краном, к которому обычно присоединялся манометр, вырвалась горячая струя газа.

Прочность первого двигателя оказалась недостаточной, но опыты с ним уже позволили сделать некоторые выводы.

Выяснилось, что сгорание путем самовоспламенения действительно осуществимо. Однако обеспечить сгорание при постоянной температуре, то есть так, как полагается по циклу Карно, практически нельзя. Можно лишь попытаться произвести сгорание при постоянном давлении, но и над этим придется немало поработать. Ведь поднялось давление во время первой вспышки!

Приступая к постройке нового двигателя, Дизель вынужден был фактически признать свое отступление от первоначальной идеи. Двигатель, отвечающий полностью требованиям теории, построить пока невозможно.

Взяв второй патент, Дизель уже не претендовал на идеальный двигатель, он лишь закреплял за собой право строить двигатели с самовоспламенением топлива от высокого сжатия. При этом, что вытекало из теоретических предпосылок, должен был повыситься и коэффициент полезного действия. Он будет, правда, ниже, чем в цикле Карно, но выше, чем у других двигателей внутреннего сгорания.

«Итак, — писали в технических журналах того времени, — нет никаких оснований считать новый двигатель „рациональным“, Дизель сам себя опроверг».

Один немецкий профессор назвал всё, что было обещано Дизелем, сказкой, которую чуть было мир не принял за действительность. «Но Дизель развеял созданный им самим же миф!» — заключил этот профессор.

Развеяв собственный миф о двигателе, работающем по циклу Карно, Дизель всё же продолжал работать над новым мотором.

Вслед за первым, неудачным, двигателем Дизель построил второй, который уже смог самостоятельно работать, и, наконец, третий, который уже можно было нагружать.

Летом 1898 года на выставке силовых машин в Мюнхене демонстрировалось несколько дизель-моторов, как их теперь стали называть.

Двигатели эти работали на керосине, который впрыскивался в цилиндр с помощью струи сжатого в специальном компрессоре воздуха.

Действительно, оказалось, что коэффициент полезного действия у дизель-моторов выше, чем у газовых и бензиновых двигателей, работающих с небольшим сжатием и с воспламенением от искры, и в этом смысле он был всё же «рациональным».

Дизель-моторами заинтересовался весь мир.

Но… первый керосиновый дизель-мотор, поставленный для производственной работы на спичечной фабрике «Унион» в Камптоне, не оправдал возлагаемых на него надежд. Одна деталь за другой выходила из строя. В двигателе развивались высокие давления и высокие температуры. То и дело двигатель приходилось останавливать на ремонт. Администрация фабрики шумно выражала свое негодование.

Дурные вести расползлись по всем странам. Вера в новый двигатель падала.