柴油机。发明和生产的历史

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柴油机（diesel）是一种活塞内燃发动机，其工作原理是雾化燃料在压缩过程中受热空气的影响而自燃。

柴油发动机的燃料范围非常广泛，包括从煤油到燃料油的所有炼油馏分以及许多天然来源的产品 - 菜籽油、食用油、棕榈油等。柴油发动机可以使用原油运行，并取得了一些成功。

柴油发动机

如您所知，评估任何发动机（包括热发动机）运行的主要指标之一是其效率。燃料燃烧过程中释放的能量越多转化为有用功，在各种转化过程中损失的能量越少越好。在所有现有的热机中，这些损失都非常高，因此其中超过三分之二的能量被浪费掉了。这是什么原因？这是由于设计不佳，还是热机原则上就其本质而言效率不高？

1824年出版经典著作《对火的驱动力的思考》的法国工程师卡诺第一次思考了这个问题。卡诺为自己设定了一项任务，即找出理想热机中的过程应如何进行，以使其效率尽可能高。通过计算，他最终推导出了所有热机运行中的循环过程的概念（称为“卡诺循环”），其中发动机工作流体的两个温度 T1 和 T2 之间（工作流体为移动活塞的气体；它可以是蒸汽机中的蒸汽或燃气机中的爆炸性混合物），您可以获得最大的有用功，因此效率最高。

柴油发动机
卡诺循环：1-2-等温膨胀； 2-3 - 绝热膨胀； 3-4——等温压缩； 4-1 - 绝热压缩

正如卡诺所证明的那样，这种假设的高效发动机的工作应该包括四个循环。在第一个循环中，热量 Q1 从上层 T1 以该级别的恒定温度供应给工作流体（即在此循环中，工作流体必须在保持恒定温度的同时膨胀，这是通过加热来实现的）身体）。在第二个循环期间，工作流体膨胀，但没有热量供应，直到其温度降至较低水平 T2。在第三个循环中，工作流体在恒定温度 T2 下被压缩（为此必须不断地去除热量 Q2）。在第四阶段，工作流体被压缩而不去除热量，直到其温度再次上升到 T1。如果满足所有这些条件，根据卡诺的计算，发动机的效率由公式 100•(1 - T2/T1) 确定，达到 70-80% 左右。

在整个 100 世纪，卡诺的计算激发了发明家们的创造性思维，他们试图找到这个问题的答案：如何让真正的热机的工作更接近“卡诺循环”的工作，并获得尽可能高的效率。但是所有建造这种引擎的尝试都没有成功。例如，功率为 13 hp 的蒸汽机的效率。不超过 10%，在低功率发动机中低于 22%。结果证明汽油和燃气发动机的效率要高一些，但也没有超过 24-XNUMX%。

上世纪 90 年代初，年轻的德国工程师鲁道夫·迪塞尔 (Rudolf Diesel) 着手打造“理想发动机”，情况就是这样。在还是学生的时候，他就为自己设定了开发这样一种发动机的目标，其性能将接近“卡诺循环”，而且这种发动机在动力和效率上都应该超过传统的汽油发动机。

经过几年的努力，开发出发动机设计。 Diesel 的想法的精髓如下。在第一阶段，活塞将气缸中的空气压缩到高压，因此气缸中的温度升高到燃料的点火温度（这对应于第四个卡诺循环 - 没有热量排出的压缩）。因此，在气缸中实现了大约 90 个大气压的压力和大约 900 度的温度。在压缩循环结束时向气缸供应燃料，由于空气温度高，燃料在没有任何外部点火的情况下与气缸一接触就被点燃。

燃料的喷射是均匀地进行的，因此活塞的部分反向运动和气体的膨胀发生在恒定温度下（根据第一个“卡诺循环”）。此外，活塞已经在高压的影响下移动而不燃烧燃料（第二个“卡诺循环”）。第三个循环对应于新鲜空气部分的排气和吸入。然后重复所有循环。多亏了这样的设备，Diesel 想将他的电机效率提高到前所未有的价值 - 73%。起初，他希望使用氨蒸气作为燃料，但后来他选择了煤粉。 1892 年，Diesel 获得了所描述的发动机工作原理的专利，并于 1893 年出版了小册子“理性热机的理论与设计”，其中描述了电机及其数学计算。

柴油发动机
柴油机图纸

宣传册引起了广泛关注。然而，大多数工程师认为 Diesel 的想法无法实现。当时最大的燃气发动机专家科勒警告说，不可能获得如此高的效率，因为柴油发动机在将空气压缩到点火温度以及在“卡诺循环”工作时具有非常高的功率损失所有有用的工作都将只用于维持其自身的运动。尽管如此，Diesel 开始积极地向多家德国公司提供他的模型。起初，他到处遭到拒绝。没有绝望，他继续通信，争论，争论，最后成功了：埃森的克虏伯公司同意为费用和奥格斯堡工厂的管理人员提供资金，以生产测试样品。

早在 1893 年 90 月，第一台单缸柴油发动机就制造出来了。按照原设计，其气缸内的压缩量要达到900个大气压，开始进油前的温度是XNUMX度。由于温度不应大大超过此限制，因此没有为电机提供冷却系统。压缩机也没有计划 - 煤粉应该由泵吹入。

但即使在组装阶段，Diesel 已经检查了他的计算，确信 Koehler 是对的 - 将空气压缩到 90 个大气压的发动机功率消耗变得过高，并且“吃掉”了由于工作而获得的全部效率增益关于“卡诺循环”。我不得不在旅途中重做我的计划。为了减少压缩功率损失，Diesel 决定将气缸中的压力降低一半以上 - 最多 35-40 个大气压。在这方面，压缩空气的温度而不是 900 度应该只有 600 度。这非常小 - 卡诺公式中的温差太小而无法获得高效率。

为了改善这种情况并增加发动机的功率，Diesel 不得不放弃他设计的第二个重点——工作流体在恒温下的膨胀。他计算出燃料燃烧过程中的温度应该增加到1500度。反过来，这首先需要对发动机进行最强烈的冷却，其次需要更多的高热量燃料。煤尘不能产生如此高的温度，因此柴油被迫转向液体燃料。但在第一次尝试将汽油注入气缸时，发生了爆炸，几乎夺去了发明者及其助手的生命。

至此第一次测试结束。它有两个结果。 Diesel 不得不一步步偏离他“理想发动机”的原定方案。但是，另一方面，他的计算的一些基本点得到了证实——工作混合物的强烈压缩导致效率提高，此外（爆炸证明了这一点），事实证明燃料确实可以被点燃通过压缩而不求助于昂贵的点火系统。因此，资助该项目的公司普遍对取得的成功感到满意，迪塞尔得以继续他的实验。

柴油发动机

1894 年 35 月，第二台发动机建成，迪塞尔为此发明了一种控制煤油喷射的喷嘴。在这个模型中，气缸中的压力被提高到 40-500 大气压，压缩结束时的温度高达 600-80 度。电机不仅能够启动，而且能够以高达 1895 rpm 的频率使其空转。这是一个巨大的成功——Diesel 的想法被证明是可行的。 1896 年，制造了第三台发动机，它已经可以在小负载下工作。对于煤油的注入，这里首次配备了压缩机。此外，必须开发强化冷却系统以防止气缸卡住。此后，在 XNUMX 年，新原型的推出取得了成功。

带负载测试时，电机效率为 36%，每马力每小时消耗煤油约 200 克。尽管这些数字与“理想发动机”的参数相差甚远，但仍然令人印象深刻：新发动机的效率比当时的汽油发动机高出 10-12%，而且就其性能而言效率几乎超过了他们两倍。尽管 Diesel 未能实现他的梦想，但他所做的事情非常重要 - 由于他的坚持不懈，开发了一种全新的内燃机设计，在过去的一百年中一直是并且仍然是最好的。

新电机工作如下。在活塞的第一个冲程中，由于飞轮为机器的先前操作而储存的人力，空气被吸入气缸。在第二次冲程中，同样由于飞轮的人力，被困在气缸中的空气被压缩到 35 个大气压。同时，压缩过程中释放的热量使其达到燃料的着火温度。在第三冲程开始时，使用泵引入煤油。这种注射只持续了中风的一小部分。在剩下的冲程中，气体质量膨胀，工作力被传递给活塞，活塞通过连杆传递到发动机曲轴。在第四个冲程中，燃烧产物通过排气管喷入大气。

该发动机配备了一个压缩机，该压缩机在一个特殊的储气罐中以略高于气缸内最高压力的压力冷凝空气。从这个储气罐，空气通过一根直径很小的管子被引导到一个小喷嘴室，即一个用于喷射所供应燃料的装置，同时向其中供应煤油。这个腔通过一个被针头封闭的小孔与气缸内部相通：当这个针被抬起时，由于腔内的压力过大，煤油被迫进入气缸。

气缸内的燃烧受到调节，这取决于发动机必须产生的力，或者通过改变燃料摄入的持续时间，或者通过改变压缩机中的压力。相同的压缩空气也用于发动机从冷态的初始启动。发动机顶部是一个带有五个凸轮的凸轮轴，一个控制进气门，另一个控制进气门，第三个控制释放燃烧产物的气门。最后两个凸轮控制在发动机初始启动期间压缩空气进入气缸的阀门。

柴油发动机
内部混合物形成的二冲程内燃机示意图： 1 - 排气窗； 2——吹扫窗口； 3 - 吸气阀

内部混合气形成的四冲程内燃机示意图（柴油） 1 - 活塞销； 2——连杆； 3——曲轴； 4——活塞； 5——燃油泵； 6——进水阀； 7——空气净化器； 8——吸入歧管； 9——高压燃油管路； 10——喷嘴； 11——发动机头； 12——排气歧管； 13——排气阀； 14——凸轮轴； 15 - 向泵供应燃油的低压燃油管路（在图中，为清楚起见，阀门位于气缸体中，并由两个凸轮轴驱动；实际上，柴油发动机的阀门位于缸盖中，几乎被驱动，如一条规则，由一个凸轮轴）

新引擎的第一次正式测试在工程师中引起了轰动。从那时起，“柴油”在世界各地的胜利进军开始了。许多以前没有响应 Diesel 提议的公司急于从他那里购买制造他发明的发动机的权利，而这现在让他们付出了沉重的代价（例如，想要在俄罗斯建立柴油生产的 Emmanuel Nobel 支付了柴油约 500 万美元）。

早在 1898 年，迪塞尔出人意料地成为了百万富翁。然而，第一批投入批量生产的发动机结果并不令人满意，反复无常，而且经常失败。如此复杂的高科技机器的发布超出了许多设备过时的工厂的能力。和他那个时代的瓦特一样，Diesel 不得不花费大量精力来完善制造柴油发动机的生产流程——开发新机器、寻找合适的合金和培训专家。几年来，他在欧洲和美国四处游荡，参观了制造他的电机的工厂。

到 1900 世纪初，主要困难已被克服，柴油机开始逐渐征服越来越多的工业和交通等新应用领域。 XNUMX 年，在巴黎世界博览会上，柴油发动机获得了大奖赛。俄罗斯诺贝尔工厂开始生产使用原油的非常好的发动机的消息尤其提升了新发动机的声望。

作者：Ryzhov K.V.

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