Нефтяные двигатели. Часть 1. Двигатели Дизеля

Вступление
Дизели и полу-дизели для народного хозяйства

История двигателей внутреннего сгорания начинается чуть более, чем 100 лет назад. Речь в цикле статей пойдет об одном из типов ДВС - семействе дизельных и т.н. полудизельных двигателей, работающих на нефти и керосине. Поговорим также и о том, какой путь предпочли российские промышленники в развитии дизелей, т.к. еще на заре двигателестроения в 19 веке развитие нефтяных двигателей  пошло разными путями - простым и сложным..

Внизу двигательной технологической  пирамиды находились простейшие нефтяные двигатели -  малопроизводительные, но неприхотливые, всеядные и дешевые. Их называют "полудизельными", хотя начало свое они берут не от немца Рудольфа Дизеля, а от англичанина Герберта Акройда Стюарта.  К слову, этот англичанин на несколько лет раньше Дизеля собрал и успешно запустил другой двигатель, который позже конструктивно и повторил Дизель, и который сейчас называется дизельным. Но, в отличие от Дизеля, англичане решили, что производить этот двигатель будет невыгодно из-за чрезмерной сложности в изготовлении, и забросили проект, переключившись на простые, народные "нефтянки".

Имея малую степень сжатия, эти "нефтянки" были нетребовательны к производственным допускам, не нуждались в квалифицированном обслуживании, легко ремонтировались в любой сельской мастерской. Выгоды простого пути были очевидны: сравнительно недорогие в производстве, обслуживании и ремонте, т.н. "полудизельные" двигатели прекрасно подходили для фермерских хозяйств, кустарных мастерских и мелких производств.

Технологическая же вершина двигателестроения последнего десятилетия 19 века - двигатели конструкции Дизеля, выпускать которые могли далеко не все крупные машиностроительные предприятия Европы. Требования к точности деталей, прочности, жаростойкости материалов в производстве двигателей Дизеля были столь высоки, что вплоть до Первой мировой войны раздавались голоса сомневающихся в целесообразности их дальнейшего развития.

Часть 1. Настоящие дизельные двигатели.



Немецкий Дизель

Теоретическая концепция дизельного двигателя была разработана Рудольфом Дизелем в 1890 году, когда он отказался от создания аммиачного двигателя, идею которого прорабатывал, работая на холодильной фабрике. Он тогда написал: " Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него топливо и одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы как можно больше тепла использовать для полезной работы".

Рудольф Дизель
В 1892 году Рудольф Дизель получает немецкий патент на поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу воспламенения топлива от соприкосновения со сжатым разогретым воздухом. Проект двигателя был пока еще только на бумаге. Поначалу изобретатель предполагал, что топливом для двигателя послужит угольная пыль, работать он будет в соответствии с циклом Карно, без рубашки водяного охлаждения для сохранения тепла, а давление сжатия будет 250 атмосфер. Впоследствии, однако, в созданном Дизелем двигателе ничего не соответствовало вышеперечисленному.

В том же 1892 году Дизель также получает английский патент № 1892 от Патентной библиотеки Лондона на «Двигатель с компрессионным зажиганием». В описании патента было написано: «Сжатие в цилиндре воздуха или иного другого инертного газа до степени, обеспечивающей увеличение температуры сжатого газа значительно выше момента воспламенения топлива, не зависимо от типа используемого топлива».

 В 1892 году Рудольф Дизель обращается к руководству Аугсбургского завода за помощью в строительстве
нового двигателя. Генрих фон Буза, возглавлявший завод, первоначально отклонил запрос Дизеля. В повторном письме Дизель представил более точные расчеты. Наконец, 20 апреля 1892 г. Буз затем выразил готовность построить экспериментальный двигатель, не давая, впрочем, никаких гарантий.
Первый опытный двигатель Дизеля

В первом двигателе, построенном Аугсбургским заводом, не удалось достичь удовлетворительной работы ни на угольной пыли, ни на аммиаке.

В поисках подходящего топлива Дизель решает попробовать и бензин. 10 августа 1893 года в цеху раздается оглушительный взрыв, впрочем, почти не повредивший двигатель.

Сделали второй опытный образец, работающий на керосине. На этот раз двигатель проработал около минуты, что было огромным достижением. Дизель говорил: "Первый двигатель не работает, второй работает несовершенно, третий будет хорош!".

Наконец, с учетом всех ошибок, в начале 1895 года был собран третий, вполне рабочий опытный образец, содержащий уже все базовые узлы современных дизельных двигателей. КПД первого рабочего двигателя было ошеломляющим: 26% - вдвое больше, чем у паровой машины. Появилось водяное охлаждение, а подача жидкого топлива в цилиндр и его распыление производилось при помощи сжатого воздуха.  Для этого использовался компрессор, который в специальном ресивере поддерживал давление воздуха, превышавшее максимальное значение давления в цилиндре. Для своей работы компрессор требовал отбора большой мощности, занимал большой объём, был технически сложен и ненадёжен. Что, однако,не мешало использовать этот принцип впрыска топлива до 1910 года. Сжатый компрессором воздух также использовался для запуска двигателя.

Принцип работы двигателя заключался в следующем: в цилиндр всасывался воздух, затем сжимался, нагреваясь при этом до температуры около 600°С. Затем через форсунку сжатым воздухом под более высоким, чем в цилиндре, давлением начинало вводиться жидкое топливо - керосин. Попадая в среду разогретого воздуха, топливо самовоспламенялось, и на остальной части хода поршня происходило расширение продуктов сгорания. За последний ход поршня осуществлялся выпуск отработавших продуктов сгорания.

Очевидные преимущества двигателя такие: 1) при установке этот двигатель требует мало места, 2)  безопасен в пожарном отношении, 3) легко пускается в ход, за 2-3 минуты, 4) работает без зажигателей и подогрева, 5) продукты горения не имеют сильного запаха и 6) требует весьма мало охлаждающей воды
Недостатки: 1)сложность изготовления и, как следствие,  дороговизна, 2) необходимость в тщательном и умелом уходе

Несмотря на сложность в изготовлении, дизельным двигателем в скором времени активно заинтересовались в гражданском и военном хозяйстве.

Массовая постройка дизельных двигателей началась в 1897 г. Первый из них мощностью 56 кВт был установлен на фабрике "Унион", расположенной в г. Кемтене (Бавария). А ведущим предприятием по выпуску дизелей стал Аугсбургский завод, предшественник фирмы "МAН". С 1898 по 1900 год МАНом были изготовлены 16 дизельных двигателей мощностью 580 лошадиных сил.

Но по мере освоения массового выпуска  дизельных двигателей возникли неожиданные проблемы: новый двигатель оказался настолько трудоемок в изготовлении, что не все производители, купившие у Дизеля лицензию, были способны его изготовить. Дело в том, что требования к жаростойким материалам, прочности и точности деталей из-за повышенных нагрузок на систему впрыска и поршневую превышали технические возможности большинства предприятий тех лет. Кроме того, нельзя забывать, что бурное развитие новых типов двигателей грозило спаду в угольной отрасли, что вызывало сильное раздражение в определенных финансовых кругах.

Некачественные двигатели стали быстро ломаться и заказчики массово стали возвращать двигатели на заводы-изготовители. Вместо того, чтобы признаться в несовершенстве производства, промышленники начали кампанию против Дизеля. Начали раздаваться голоса, критикующие и даже обвиняющие Дизеля в техническом невежестве и шарлатанстве. Поводом для обвинений служило и то, что рабочий цикл созданного двигателя сильно отливался от первоначально запланированного. Круп также был недоволен Дизелем, поскольку последний обещал ему сконструировать двигатель, работающий на угольной пыли, что было бы очень актуально  для Германии, не имеющей собственной нефти.

Это не помешало дизельному двигателю в 1899 году получить гран-при на всемирной выставке в Париж. Несмотря на это, нападки на Дизеля за то, что он ничего не изобрёл, а только скомпилировал то, что было известно и до него, продолжались до самой смерти Дизеля. Апофеозом  подобных разоблачений был готовящийся к печати в октябре 1913 года труд профессора Людерса объемом 236 страниц под названием "Миф Дизеля". Но доведенный до отчаяния изобретатель сам решил свою судьбу: судя по всему, заранее задумав суицид, то ли по роковому стечению обстоятельств, совпавшим с фатальным пренебрежением к собственной жизни, то ли по заранее задуманому плану инженер утонул, упав за борт парома "Дрезден".

Русский дизель Нобеля
Один из первых диз. двигателей завода Нобеля

Механический завод Людвига Нобеля в конце 19 века считался одним из ведущих производителей паровых двигателей, котлов, насосов. Как любое предприятие, нацеленное на развитие, завод Нобеля внимательно следил за перспективными новинками индустрии. Как только руководств завода узнало о изобретении Дизеля, оно направило комисиию на осмотр экспериментального двигателя, а 14 февраля 1898 года прошла встреча Р. Дизеля с Эммануилом Нобелем, главой самой могущественной в России нефтяной компании «Бранобель», племянником знаменитого изобретателя динамита.  Через два дня стороны подписывают контракт стоимостью 800 000 марок о производстве двигателей  Дизеля в России, причем 200 000 марок из этой суммы выплачивалось обществу Russische Dieselmotor Co. из Нюрнберга. ("Русское общество моторов Дизеля" (РОМД) было основано в 1898 году и контролировало использование всех патентов, выданных в России и Финляндии на производство двигателей внутреннего сгорания)

Соглашение разрешало Нобелям построить завод дизельных двигателей в Санкт-Петербурге и использовать двигатели для оснащения ими собственной флотилии нефтяных танкеров.

Двухцилиндровый 150-сильный дизель Нобеля

Как это обычно бывает, при производстве первого опытного экземпляра на заводе Нобеля в СПБ начались сложности. Конструкцию двигателя пришлось изменить. Так или иначе, в 1899 году двигатель был собран, имел один цилиндр диаметром 260 мм, частоту вращения 200 об/мин, мощность 20 л.с. Работал двигатель на нефти. В Германию понеслась новость об успешном пуске двигателя на заводе Нобеля.


 "Людвиг Нобель" приступил к серийному выпуску дизелей в 1900 г. Всего на конец 1910 гг. было сделано 450 машин. Были  модификации одноцилиндровые от 10 до 125 л.с. и двухцилиндровые от 30 до 250 л.с. Стоимость двигателей была установлена от 3000 рублей за 10-сильный до 42 000 рублей за 250-сильный.

Коломенский дизель

Еще один передовой на тот момент завод - Коломенский машиностроительный, в наше время известный, как Коломенский тепловозостроительный. Во второй половине 19 века это было первое предприятие в России по постройке железных мостов и крупный производитель паровозов. Помимо основной деятельности, связанной с железными дорогами, с 1882 года здесь началась постройка локомобилей, с 1883 года – сельскохозяйственных машин и орудий (паровые и конные молотилки, сеялки, соломорезки, веялки, конные приводы и т. п.).

В июле 1902 г. "Русское общество моторов Дизеля" (Russische Dieselmotor Co.) продало Коломенскому машиностроительному заводу права пользования патентами №№ 261, 4082 и 4083. Эти были лицензии на "моторы постоянные и переменные всех величин и сил, какие могут быть осуществлены". В том же году на Коломенском заводе был создан отдел двигателей Дизеля, и уже в 1903 г. был построен первый одноцилиндровый дизель мощностью 18 л.с.

Коломенский завод стал вторым в России (после завода Нобеля)  изготовителем двигателей системы Дизеля. С 1904 по 1914 год коломенские дизели различной мощности были установлены на 85 промышленных объектах и 100 электростанциях, и это не учитывая судовых дизелей.

Дизель и Россия 


После получения известия об успешных испытаниях первого дизельного двигателя на заводе Нобеля, сын Р. Дизеля, Е. Дизель написал: "Радостная весть пришла к нам из Петербурга об успешном запуске Аугсбургского двигателя. Механический завод Людвига Нобеля теперь знает, как правильно делать эти двигатели".

Несколькими годами позже, выступая с докладом "О развитии двигателей Дизеля" сам Дизель отметил: "Что касается распространения дизель-мотора, как судовой машины, то Россия занимает второе место (после Франции)... Россия является одной из стран, представляющих самые благоприятные условия для дизель-мотора. Надеюсь, что она извлечёт значительную пользу из этого обстоятельства"

Продолжение о нефтяных полудизелях - в следующей части.


Использованы материалы:

1. Из словаря Брокгауза и Ефрона о дизельных двигателях.  (http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/136403/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9)

2. Вики-статья об Эммануэле Нобеле (https://en.wikipedia.org/wiki/Emanuel_Nobel)

3. "Рудольф Дизель". Е.Н. Жарцов  (http://autology.jimdo.com/устройство-автомобиля/двигатель-внутреннего-сгорания/рудольф-дизель)

4. Как Нобели покупали технологию Дизеля. (http://www.branobelhistory.com/themes/innovations/developing-the-diesel-engine/)

5. Дизель в судостроении. (http://www.kliper2.ru/archiv/archiv-5/dizel-istorija.html)

6. История двигателя Дизеля на сайте MAN (http://museum.man.eu/en/historical-figures/rudolf-diesel/the-invention)