Опытно-конструкторские работы и первые образцы двигателей Рудольфа Дизеля ( 4 фото )

Часть 2

Тяжелый путь от теоретических воззрений к практическим результатам

Опытно-конструкторские работы и первые неудачи

И вот наконец в июле 1893 года был полностью собран первый опытный четырехтактный двигатель простейшей конструкции с вертикальным цилиндром и без рубашки охлаждения. Распределительный вал был расположен в нижней части, и клапаны работали от длинных поводков.


Тут же обнаружилось, что первоначальная идея Дизеля о сжатии воздуха до 250 атм. неосуществима, максимум чего удалось добиться – 34 атм. А тут еще к величайшей досаде изобретателя новая тепловая машина его сильно подвела и работать на угольной пыли отказалась наотрез. Сила давления газов, полученная в результате сгорания топлива, не могла преодолеть силу трения в механизмах. Столь же удручающий результат был получен при попытках использовать в качестве топлива светильный газ.

В итоге в августе 1893 года Дизель сделал первый отход от собственного патента и решил попробовать запустить двигатель, впрыснув в камеру сгорания бензин (горючее впрыскивалось непосредственно из нагнетательного насоса).

Результат превзошел все самые смелые ожидания – бензин немедленно вспыхнул, и возникшее давление моментально разорвало на части ввинченный в цилиндр контрольный манометр. Куски металла со свистом полетели во все стороны, чудом не поубивав экспериментаторов. Механики быстро исправили мотор, но все усилия заставить его работать оказались напрасными. В таком виде первая тепловая машина Рудольфа Дизеля оказалась нежизнеспособной.

И что самое удручающее – данный факт ставил под сомнение правильность выводов изобретателя, закрепленных в патентах и подробно изложенных в брошюре, разошедшейся по всему белу свету и наделавшей такой переполох в ученом сообществе.

Из случившегося печального события изобретатель вынес три истины:

Топливо действительно может воспламеняться от предварительно сжатого воздуха, и такому мотору не требуется отдельный зажигательный аппарат.

Нужно конструировать устройство для распыления подаваемого в цилиндр жидкого топлива.

Его теоретические выводы начинают трещать по швам.

В итоге 30 ноября 1893 года Дизель спешно заявляет второй патент, зарегистрированный за № 82168, в котором несколько расширяет объем первого патента, в частности допускает возможность работы мотора на разном топливе, а также описывает способ подачи горючего в цилиндр сжатым воздухом с помощью компрессора.

Первая же неудача, неизбежная в столь сложном деле, ввергла Дизеля в отчаяние. Мысли о возможной ошибочности его идей и теоретических обоснований приводили изобретателя в панику. Гордый Рудольф сильно переживал, в глазах старых заводских инженеров ему мерещились лукавые огоньки, казалось, что они втайне радуются постигшей конструктора неудаче и злорадно ухмыляются за его спиной. Навалилась глубокая депрессия, опять возникли сильные головные боли, и изобретатель совсем пал духом, оставил дальнейшую разработку тепловой машины на самотек и уехал на лечение в Италию.

Но тут сыграла роль еще одна примечательная особенность личности молодого Рудольфа: он сумел окружить себя талантливыми людьми, заразить их своими идеями и в итоге сплотить дружный конструкторский коллектив единомышленников, работающий ровно и слаженно, словно единый механизм.

И после дезертирства Дизеля этот механизм не остановился. Молодые инженеры и механики с немецкой педантичностью полностью разобрали машину, осмотрели детали, выявили все недочеты и, используя полученный опыт, мало-помалу приступили к постройке второго экспериментального мотора.

И вот вскоре Рудольф Дизель начинает получать письма, в которых товарищи подробно рассказывают изобретателю о проделанных шагах, делятся своими идеями, всячески подбадривают и умоляют не бросать начатое дело на полпути. Эти письма были словно бальзам для душевных ран конструктора, под их влиянием Рудольф Дизель воспрянул духом, снова обрел веру в успех и через пару месяцев, собрав волю в кулак, возвратился в Аугсбург и начал строить второй мотор.

В начале 1894 года второй опытный одноцилиндровый двигатель был завершен и готов к проведению экспериментов.

Принципиально он ничем не отличался от первого.


Он оказался более удачливым и 17 февраля 1894 года впервые самостоятельно заработал и совершил аж 88 оборотов. В качестве топлива в нем использовался керосин, который сначала пробовали подогревать, а потом пытались организовать подачу его паров в цилиндр через карбюратор.

11 октября 1894 года в качестве топлива использовали бензин, и мотор показал достаточно хорошие характеристики. Но последующие испытания утвердили Дизеля во мнении, что конструкция двигателя несовершенна, и дальнейшая возня по его доработке не имеет смысла. Нужно было прекращать заниматься ерундой и строить третий мотор совершенно иной конструкции. Также изобретатель осознал, что его первоначальная идея впрыскивать в цилиндр водяную пыль есть досадное заблуждение.

Тут хочу сделать дельное замечание и отметить, что серьезные теоретические обоснования мало помогли Рудольфу Дизелю, и он, подобно многим изобретателям-самоучкам, в итоге пошел экспериментальным путем и постоянно изменял и переделывал конструкцию своей машины, в зависимости от показанных двигателем тех или иных порой совершенно неожиданных для изобретателя результатов. И по ходу неоднократно убеждался, что в действительном двигателе процессы протекают именно не так, как он ранее себе представлял, в чем впоследствии никогда не сознавался.

И что самое важное – рядом с ним трудились оставшиеся на втором плане истории талантливые немецкие механики, которые своим упорным трудом в буквальном смысле насильно впихнули жизнь в эту сложную и капризную тепловую машину.

Рудольф Дизель превращается в удачливого коммерсанта

Между тем слухи об опытах Дизеля мало-помалу начали доходить до машиностроителей, и он, словно ловкий бизнесмен, охотно пошел на контакт с капиталистическими акулами. Инженер провел ряд презентаций своего все еще не сконструированного двигателя. Это принесло хорошие плоды: в мае 1894 года фирма братьев Корель из Гента спешит приобрести патент на производство будущего мотора. Затем Рудоьф заключает контракт с французскими дельцами об утверждении общества «Дизель», которое принимает обязательства построить моторный завод в городе Бар-ле-Дюк.

В скором времени он закрепил права на своё изобретение в патентных учреждениях всех основных промышленно развитых стран. В России им была получена Привилегия за № 261 от 9 августа 1897 года.

Необходимо отметить, что в 1898 году эту привилегию выкупил русский швед Эммануил Людвигович Нобель – директор и совладелец завода АО «Людвиг Нобель» (в 1918 году переименован в «Русский Дизель»).

Данный факт свидетельствует о том, что в этот период перед нами предстает уже не самозабвенный изобретатель, работающий ради науки и технического прогресса. Началось перерождение личности конструктора, он уже начал задумываться о тех выгодах, которые должен сполна извлечь из своего смелого проекта. Запахло большими деньгами, и Дизель не желал их упускать.

Третий опытный двигатель

В январе 1895 года был построен третий опытный мотор, имеющий (вразрез первоначальным заявлениям изобретателя) водяную рубашку, обойтись без которой ну никак не получалось. Теперь распредвал с пятью кулачками был расположен вверху.
А самое главное – в конструкцию был введен компрессор, предварительно сжимающий воздух в ресивере. Потом тот подавался в форсуночную камеру, куда одновременно нагнетался керосин. Затем игла, запирающая отверстие форсунки, поднималась, и благодаря избытку давления воздух вгонял керосин в цилиндр.

Вначале двигатель стабильно работать отказался, и лишь в результате многочисленных доделок-переделок 1 мая этого же года моторчик, на радость изобретателю, самостоятельно потарахтел полчаса, после чего остановился из-за поломки.

26 июня 1895 года двигатель был окончательно отлажен и впервые испытан под нагрузкой для снятия рабочей характеристики. Результаты явились ошеломляющими: эффективный КПД образца составил около 0,23; расход топлива на лошадиную силу в час (л. с. ч.) – 206 г. Полученный КПД намного превосходил аналогичный показатель царивших в те годы наилучших стационарных паровых машин (0,15), а также был выше КПД использующихся на некоторых предприятиях двигателей Ленуара (0,05) и широко распространенных четырехтактных двигателей Отто (0,15).

Изложенное позволяет сделать важный вывод: упорным трудом сплоченного коллектива немецких механиков и техников, возглавляемых Рудольфом Дизелем, на опытном производстве АМЗ путем многолетних практических экспериментальных работ и фактически наугад был построен доселе неизвестный и никем не описанный двигатель (опытный образец) нового типа с воспламенением от сжатия, выполненный по ещё никем не запатентованной конструктивной схеме и являвший собой совсем не тот двигатель, что был описан в патентах Р. Дизеля.

А происходящие в нем термодинамические процессы даже для самих создателей в то время являлись полной загадкой, и лишь впоследствии были изучены в ходе многочисленных опытов, проведенных разными учеными. Истинная роль этого события в истории двигателестроения заключалась в том, что Рудольф Дизель доказал возможность постройки двигателя с воспламенением топлива от сжатия, который по своему эффективному КПД значительно превосходил самые совершенные моторы тех лет.

Одним словом, как метко сформулировал современник Дизеля инженер Аугсбургского завода Г. Гюльднер:

«…Постулат «опыт перекрывает теорию» имеет для моторостроителя особенно острое значение. Бесчисленные изобретения – и между ними такие, успех которых был почти несомненно доказан теоретическим расчетом – разбивались опытом, или же, путем практики достигали такого конечного результата, который едва позволял узнать первоначальные идеи изобретателя…»

Четвертый опытный образец одноцилиндрового двигателя Дизеля

Руководство предприятия на радостях тут же приняло решение немедленно приступить к строительству очередного большого опытного двигателя, предназначенного для официальных испытаний, который после очередных многочисленных мелких усовершенствований и переделок был окончен в октябре 1896 года и являл собой слегка усовершенствованную и увеличенную в размерах копию мотора № 3. Под этим номером он и вошел в историю, хотя фактически являлся четвертым опытным образцом.

Это был четырехтактный двигатель мощностью около 20 л. с. с вертикальным цилиндром. В первом такте за счет ранее запасенной силы инерции маховика поршень шел от ВМТ к НМТ и засасывал в цилиндр воздух. Во втором такте движимый маховиком поршень возвращался в ВМТ и сжимал воздух до 35 атм. При этом воздух разогревался до 600–700 °С. В начале третьего такта («расширение») предварительно сжатый компрессором высокого давления в отдельном резервуаре (ресивере) атмосферный воздух под сильным напором подавался в топливную форсунку, и после поднятия запорной иглы перемешивался с керосином и устремлялся внутрь цилиндра, где за доли секунды смешивался с раскаленным воздухом.

В результате смесь вспыхивала, и образовавшиеся газы перемещали поршень вниз, а тот давил на шатун и приводил во вращение коренной вал. Мощность мотора могла регулироваться либо изменением интенсивности подачи керосина топливным насосом, либо изменением силы давления воздуха, развиваемого компрессором. А запасенный в ресивере воздух использовался для пуска остановленного мотора.

Распределительный вал находился вверху и имел пять кулачков: один управлял клапаном, выпускающим из ресивера воздух, другой клапаном, выпускающим керосин, третий – клапаном выпуска отработавших газов. Два остальных кулачка управляли клапанами, регулирующими подачу воздуха из ресивера в цилиндр для пуска мотора в ход.

Можно сказать, что мотор был оснащен пневматическим стартером, о котором в патентах не упоминалось. Вот к такой конструкции техники и механики пришли опытным путём в результате двух лет упорных трудов и многочисленных переделок.

Стоит отметить, что в соответствие с ныне принятой классификацией топливная система этого двигателя занимает промежуточное положение межу внешним и внутренним смесеобразованием, поскольку в двигатель впрыскивается не топливо, а топливо с воздухом, т. е. образование горючей смеси фактически начинается вне цилиндра, а оканчивается в цилиндре. В отечественной технической литературе такие двигатели получили название «компрессорные дизели».

В том же 1896 году на Аугсбургском заводе был построен большой опытный трехцилиндровый двигатель с целью разрешить казавшийся в то время важным вопрос о двойном расширении газов (последовательно в двух цилиндрах), где служащий для дополнительного расширения цилиндр размещался посредине. В качестве топлива использовался керосин.

Опыты показали бесперспективность данной конструкции (удельный расход керосина оказался в несколько раз больше, чем в одноцилиндровом двигателе).


В апреле 1897 года привлеченный в качестве независимого эксперта бывший учитель Рудольфа Дизеля профессор Мюнхенской высшей технической школы Шретер провел трехдневные испытания последнего опытного образца (оконченного в октябре 1896 года), который показал потрясающие для того времени характеристики: при номинальной нагрузке мотор выдавал мощность 18–20 лошадиных сил, расходуя 0,238 кг керосина на 1 л. с. ч., показывая при этом невероятно высокий для машин тех лет эффективный КПД=0,26. Таким образом, в этом двигателе 26 % полученной энергии расходовалось на полезную работу. А самое удивительное, что при половинной (частичной) нагрузке КПД снижался лишь до 0,23!

Чтобы понять технический скачок, отражаемый вышеуказанными числами, в качестве сравнения любопытно упомянуть, что в 1963 году были проведены испытания двигателя М-21 при движении автомобиля «Волга» в различных эксплуатационных режимах.

Исследователи установили, что при движении по городу средний эффективный КПД двигателя составляет лишь 0,13; при движении автомобиля на загородном шоссе он слегка увеличивался и в среднем составлял 0,17. А наивысший КПД, полученный в результате эксперимента, оказался равным 0,27 (практически такой же, как у опытного двигателя Дизеля 1897 году).

КПД наилучших современных дизельных моторов легковых автомобилей составляет 0,42. А при частичных нагрузках эта цифра снижается почти наполовину и приближается по значению к полученному при работе в таких же режимах КПД допотопного опытного двигателя Дизеля. В результате чаще всего более 70 % тепла от сгоревшего топлива в современных автомоторах бездумно выпускается в атмосферу.

Данный пример наглядно показывает, насколько труден путь усовершенствования двигателей, и как конструкторы десятилетиями буквально по крупицам «отвоёвывают» у природы проценты эффективного КПД изобретаемых ими двигателей внутреннего сгорания.

Теперь снова возвращаемся в 1897 год и обнаруживаем там Дизеля, купающегося в лучах неожиданно обрушившейся на него славы. И лишь одно обстоятельство омрачало достигнутый успех: совершенствование мотора все дальше и дальше уводило его конструкцию и рабочие процессы от описания изобретателя, приложенного к патентам и подкрепленного теоретическими обоснованиями, изложенными в знаменитой дизельной брошюре.

Но время было упущено, вносить изменения в уже проданные патенты было как-то неловко, да и признаваться в теоретических просчетах в столь торжественный момент выхода в свет «рационального двигателя», подрывая свою научную репутацию, Рудольфу Дизелю было как-то не к лицу.

Слава и богатство

Отчет профессора Шретера вверг промышленников в шоковое состояние. Потом они опомнились, и неожиданно уверовав в волшебную силу этого еще толком не испытанного и непроверенного в деле двигателя, засыпали изобретателя предложениями о выкупе прав на возможность строить такие моторы на своих заводах.

Рудольф Дизель, словно купец на ярмарке, принялся распродавать патенты налево и направо, на него хлынул золотой дождь и, казалось, что ему никогда не будет конца. Буквально за месяц он стал очень состоятельным человеком и вскоре уже являлся членом правления многочисленных акционерных обществ, собирающихся строить заводы для производства двигателей по его патентам, скупал нефтеносные месторождения в Галиции, земельные участки в Гамбурге, начал закладку фундамента роскошного особняка на самой лучшей улице Мюнхена.

Ученый инженер быстро превращался в дельца и тоже захотел стать промышленником – расторг свой контракт с Аугсбургским машиностроительным заводом и основал в Аугсбурге собственный машиностроительный завод, где намеревался наладить массовое производство моторов измененной конструкции по собственным чертежам. Рудольф чувствовал себя триумфатором. Казалось, будто весь мир распростерся у его ног.
В те дни он был еще слишком молод и не понимал, что деньги и слава не всегда запряжены в карету, везущую человека к счастью...

В перерывах между сделками Дизель вместе с профессором Шретером мотались по всей Европе, где собирали огромные аудитории, оповещая общественность о новом мировом открытии, и выступали с пространными докладами, более походившими на рекламную кампанию, чем на научно-просветительскую деятельность. Статьи, посвященные дизель-моторам, не сходили с первых страниц научных журналов по всему миру.

И вот наконец настало триумфальное событие в жизни Рудольфа Дизеля.

16 июня 1897 года в городе Кассель открылся очередной годовой съезд Союза германских инженеров, на котором также присутствовали инженеры из всех ведущих мировых стран. Изобретатель выступил с докладом «Рациональный двигатель Дизеля». Начал он с того, что еще раз напомнил слушателям о своих теоретических изысканиях, объясняющих принципы работы «рационального теплового двигателя», изложенные в знаменитой брошюре 1893 года, подчеркнув, что в принципе все ранее сделанные теоретические выкладки оказались правильными. Затем перешел к изложению достигнутых результатов, и заодно поведал о своих неудачах и успехах, в итоге приведших к убедительной победе.

После чего он довел слушателям четыре теоретических тезиса, описывающих цикл работы сконструированного им двигателя, которые можно изложить в следующем упрощенном виде:

1) сильное сжатие воздуха поршнем в одном цилиндре и получение в этом такте наивысшей температуры рабочего процесса;

2) достижение в цилиндре при сжатии давления около 50 технических атмосфер (вместо ранее задекларированного в патентах последовательного сжатия до 200 ата в двух соединенных цилиндрах);

3) постепенное введение в цилиндр топлива (твердого, жидкого или газообразного) таким образом, чтобы процесс его сгорания в цилиндре шел при постоянной температуре, ранее достигнутой в такте сжатия;

4) сжигание топлива при большом избытке воздуха.

Потом Дизель, предвосхищая неудобный вопрос: «зачем в его двигателе сделана система охлаждения – водяная рубашка, если он всегда настаивал на том, что «рациональный двигатель» охлаждать не нужно и даже вредно», несколько туманно пояснил, что «водяная рубашка не является неизбежным злом, но теоретической необходимостью». И напомнил слушателям, что его первый опытный двигатель (чуть не убивший конструктора при взрыве манометра) рубашки не имел, чем «была доказана возможность работать без водяного охлаждения, предусмотренная теоретически». Что было неправдой, поскольку этот неудачный мотор так никогда и не заработал, но, видимо, изобретатель за давностью лет данный факт как-то запамятовал.

Затем Дизель, немного замявшись и тяжело вздохнув, добавил, что ранее принятая им «точка зрения, будто водяная рубашка при двигателях внутреннего сгорания является главным препятствием для достижения более высокой отдачи – неправильна». Хотя каких-то 20 минут назад он убедительно доказывал обратное (и вообще, непонятно, зачем вы прицепились к этой злосчастной рубашке). Про свой отказ от первоначального решения впрыскивать в цилиндр воду он даже не упомянул.

Словом, доклад Рудольфа Дизеля временами более напоминал речь политика, чем отчет конструктора.

Очень печально, что Рудольф, несмотря на свой величайший ум, так и не понял банальную истину: можно легко убедить в правильности сомнительных выводов технически безграмотных алчных промышленников, бросающихся, словно акулы, на все появляющиеся новшества, видя в них возможные источники очередных барышей. Но не получится с такой же легкостью одурачить своих товарищей-инженеров, которые без особого труда посредством общеизвестных физических и математических формул могут перепроверить предоставленные им на ознакомление материалы, описывающие свойства расхваливаемого на съезде двигателя. И не нужно чрезмерно зазнаваться, полагая, что тебя окружают одни лишь недоумки.

Критика теоретических построений Дизеля, изложенных в его патентах

К докладам Дизеля и Шретера прилагалась индикаторная диаграмма дизель-мотора, полученная в ходе испытаний, на которой для сравнения были нанесены линии, характеризующие работу паровых машин, т. е. наиболее распространенного двигателя тех лет. Рисунок наглядно показывал существенное преимущество двигателя Дизеля.

Впоследствии при анализе графиков дотошными инженерами было обнаружено, что диаграмма парового двигателя построена некорректно, занижает его эффективные показатели, и таким образом допущенная ошибка играет на руку новому мотору.

А в сентябре 1897 года в журнале «Летопись Союза немецких инженеров» была опубликована статья профессора Е. Мейера, в которой уважаемый ученый привел отчет по результатам подробного анализа материалов испытаний новоявленного двигателя, и с помощью уравнения Клайперона подсчитал, что в конце процесса сгорания абсолютная температура газов по отношению к температуре в конце сжатия возросла в 2,2 раза, что состояло в явном противоречии с главным утверждением Дизеля о том, что процесс сгорания в цилиндре происходит при постоянной температуре, ранее достигнутой в такте сжатия.

Также было установлено, что максимальное давление в цилиндре составляло 33 ата (Дизель приводил цифру 50 ата). Исследование оканчивалось убедительным выводом:

«Диаграммы на самом деле обнаруживают, что часть топлива сгорает при приблизительно постоянном объеме, другая часть – при приблизительно постоянном давлении и только остаток, который догорает, сжигается при приблизительно постоянной температуре.
Эти факты, обнаруживаемые опытом, заставляют, таким образом, сделать заключение, что основные точки зрения, из которых исходит Дизель в своей брошюре и на которых основаны приведенные тезисы, ошибочны».

А тут еще вдобавок к выявленным несоответствиям проведенные инженерами дополнительные испытания опытного двигателя показали, что сгорание в нем происходило при коэффициенте избытка воздуха равном 1,26, что не соответствовало четвертому тезису Дизеля о сжигании топлива при большом избытке воздуха. А температура в результате сгорания возрастала аж в 2 раза (от 800–900 К до 1 700–1 800 К), что противоречило третьему тезису Дизеля и доказывало правильность выводов профессора Мейера.

Таким образом, возникала комическая ситуация – в итоге получались два двигателя:

1) рациональный двигатель Дизеля, защищенный многочисленными патентами, устройство и теоретические циклы работы которого изобретатель очень подробно и неоднократно излагал, как в патентах, так и в многочисленных докладах, сделанных за последний год;

2) представленный на испытание профессору Шретеру опытный образец двигателя, сконструированный Рудольфом Дизелем на Аугсбургском машиностроительном заводе (чертежи которого Рудольф вручал вместе с переуступкой своих патентных прав), конструктивные решения и реальные рабочие процессы которого (за исключением воспламенения от сжатия) противоречили описаниям в патентах.

Выходило, что Дизель продавал патенты не на тот двигатель, который был им воплощен в металле.

В воздухе повис тяжелый вопрос: либо Шретер и Дизель при составлении графиков (индикаторных диаграмм) совершенно случайно допустили многочисленные ошибки, либо они предоставили неверные сведения намеренно, дабы выдать желаемое за действительное и хоть немного подогнать сконструированный двигатель под описания патентов.

Одним словом, судьба предоставила Дизелю уникальный шанс выйти из неловкой ситуации с открытым лицом, честно признать свои научные ошибки и теоретические заблуждения, повиниться перед коллегами. И я уверен, что никто из них его бы не осудил.

Каждый инженер, присутствующий на съезде в Касселе и слышавший доклад изобретателя, прекрасно понимал, что означает идти первым и делать свое дело наперекор всем сложившимся представлениям. И итоговое достижение Рудольфа – воплощенный в металле двигатель высокого сжатия, являлось наглядным доказательством недюжинного ума и большого творческого и организаторского таланта изобретателя, его неординарности.

Также ничто не мешало Дизелю получить новые патенты, где бы описание полностью соответствовало процессам, происходящим в изобретенном моторе. Но гордец не захотел воспользоваться представившейся возможностью признаться в своих теоретических заблуждениях, которые фактически никакой пользы при конструировании двигателя ему не оказали.

И вот ранее возникшая трещинка в отношениях между Рудольфом Дизелем и сообществом немецких инженеров еще больше расширилась и постепенно начала превращаться в пропасть. Прозвучал первый тревожный звонок, но изобретатель его не услышал.

Продолжение следует…

Автор:Лев ТюринСтатьи из этой серии:А что мы знаем о Рудольфе Теодоровиче Дизеле