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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
ディーゼル。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト ディーゼル エンジン (ディーゼル) は、圧縮中に加熱された空気の影響による霧化燃料の自己着火の原理で動作するピストン内燃機関です。 ディーゼルエンジン用の燃料の範囲は非常に広く、灯油から重油までの石油精製のすべての留分や、菜種油、食用油脂、パーム油などの多くの天然由来製品が含まれます。 ディーゼルエンジンは原油である程度の成功を収めることができます。
ご存知のように、熱エンジンを含むエンジンの動作を評価する主な指標のXNUMXつは、その効率です。 燃料の燃焼中に放出されるエネルギーが有用な仕事に変換されるほど、さまざまな変換中に失われるエネルギーが少なくなります。 既存のすべての熱機関では、これらの損失が非常に大きく、その中で放出されるエネルギーの XNUMX 分の XNUMX 以上が無駄になっています。 ここでの理由は何ですか？ これは設計が悪いためでしょうか、それとも熱機関はその性質上、原則として効率が高くないのでしょうか? 初めて、1824年に古典的な作品「火の原動力に関する反射」を出版したフランスのエンジニア、カルノーは、この問題について考えました。 カルノーは、理想的な熱機関でプロセスがどのように進行し、その効率が可能な限り高くなるかを発見するという課題を自分自身に課しました。 計算を通じて、彼は最終的に、すべての熱機関の動作における循環プロセスの概念を導き出しました (これは「カルノー サイクル」と呼ばれます)。ピストンを動かすガス; 蒸気エンジンの蒸気またはガスエンジンの爆発性混合物である可能性があります）、最大の有用な仕事、したがって最高の効率を得ることができます.
カルノーが証明したように、この架空の高効率エンジンの仕事は 1 サイクルで構成されるはずです。 最初のサイクルでは、熱 Q1 がこのレベルの一定温度で上層 T2 から作動流体に供給されます (つまり、このサイクルでは、作動流体は一定の温度を維持しながら膨張する必要があります。体）。 2 番目のサイクルでは、作動流体は膨張しますが、温度が低いレベル T2 に下がるまで、熱の供給はありません。 1番目のサイクルでは、作動流体は一定の温度T100で圧縮されます（このため、常に熱Q1を除去する必要がありました）。 第 2 段階では、作動流体の温度が再び T1 に上昇するまで、熱を除去せずに作動流体を圧縮しました。 これらの条件がすべて満たされている場合、カルノーの計算によれば、エンジンの効率は式 70・(80 - TXNUMX/TXNUMX) によって決定され、約 XNUMX ～ XNUMX% に達しました。 100 世紀を通じて、カルノーの計算は発明者の創造的な思考を刺激し、次の質問への答えを見つけようとしました。実際の熱機関の働きを「カルノー サイクル」での働きに近づけ、可能な限り最高の効率を得るにはどうすればよいかという問題です。 しかし、そのようなエンジンを構築する試みはすべて失敗しました。 たとえば、13馬力の蒸気エンジンの効率。 10％を超えず、低出力エンジンでは22％未満でした。 ガソリンエンジンとガスエンジンの効率はやや高いことが判明しましたが、24〜XNUMX％を超えることもありませんでした。 90 年代初頭、若きドイツ人エンジニアのルドルフ ディーゼルが「理想のエンジン」の開発に着手したのはこのような状況でした。 在学中に「カルノーサイクル」に近い性能のエンジンを開発することを目標に掲げ、従来のガソリンエンジンをパワー、効率ともに凌駕するはずだった。 数年間の懸命な作業の後、エンジンの設計が開発されました。 ディーゼルのアイデアの本質は次のようなものでした。 最初の段階では、ピストンがシリンダー内の空気を高圧に圧縮します。これにより、シリンダー内の温度が燃料の発火温度まで上昇します（これは、90番目のカルノーサイクルに対応します-熱除去なしの圧縮）。 したがって、約900気圧の圧力と約XNUMX度の温度がシリンダー内で達成されました。 圧縮サイクルの最後に燃料がシリンダーに供給され、気温が高いため、外部からの点火なしに、シリンダーとの接触から点火されました。 燃料の噴射は均等に行われたため、ピストンの逆方向の動きとガスの膨張の一部が一定の温度で発生しました（最初の「カルノーサイクル」に従って）。 さらに、ピストンは、燃料を燃焼させることなく高圧の影響下ですでに移動しました（73番目の「カルノーサイクル」）。 1892 番目のサイクルは、大気の新鮮な部分の排気と吸引に相当します。 その後、すべてのサイクルが繰り返されました。 このような装置のおかげで、ディーゼルはモーターの効率を前代未聞の値 - 1893% まで高めることを考えました。 当初、彼はアンモニア蒸気を燃料として使用することを期待していましたが、その後石炭粉を選択しました。 XNUMX 年に、ディーゼルは説明されたエンジンの動作原理に関する特許を取得し、XNUMX 年に、モーターと彼の数学的計算の説明を含むパンフレット「Rational Heat Engine の理論と設計」を発行しました。
パンフレットは多くの注目を集めました。 しかし、ほとんどのエンジニアは、ディーゼルのアイデアは実現不可能だと考えていました。 当時のガスエンジンの最大の専門家であるケーラーは、ディーゼルエンジンは空気を点火温度まで圧縮するための出力損失が非常に大きく、「カルノーサイクル」に取り組んでいるため、このような高効率を得ることは不可能であると警告しました。すべての有用な作業は、独自の動きを維持するためだけに費やされます。 それにもかかわらず、ディーゼルは彼のモデルをさまざまなドイツ企業に積極的に提供し始めました。 最初、彼はいたるところで拒絶されました。 絶望することなく、彼は通信を続け、議論し、議論し、最終的に成功しました。エッセンのクルップ社は費用を負担することに同意し、アウグスブルク工場の管理者はテストサンプルを生産しました。 1893 年 90 月には、最初の単気筒ディーゼル エンジンが製造されました。 元の設計では、シリンダー内の圧縮は 900 気圧に達し、燃料吸入開始前の温度は XNUMX 度でした。 温度がこの制限を大幅に超えてはならないため、モーター用の冷却システムは提供されませんでした。 コンプレッサーも計画されていませんでした-石炭粉はポンプで吹き込まれるはずでした。 しかし、組み立て段階でも、ディーゼルは計算をチェックして、ケーラーが正しいと確信していました.90気圧まで空気を圧縮するためのエンジンの消費電力は過度に高く、作業による効率の向上をすべて「食べました」。 「カルノーサイクル」について。 外出先で計画をやり直さなければなりませんでした。 圧縮による動力の損失を減らすために、ディーゼルはシリンダー内の圧力を半分以上、最大で 35 ～ 40 気圧まで下げることにしました。 この点で、圧縮空気の温度は 900 度ではなく 600 度である必要がありました。これは非常に小さく、カルノー式の温度差が小さすぎて高効率を得ることができませんでした。 状況を改善し、エンジンの出力を高めるために、ディーゼルは彼の設計の1500番目の重要なポイントである一定温度での作動流体の膨張を放棄しなければなりませんでした。 彼は、燃料の燃焼中の温度がXNUMX度まで上昇するはずだと計算しました。 そして、これには、第一に、エンジンの最も集中的な冷却が必要であり、第二に、より高カロリーの燃料が必要でした。 石炭の粉塵はそのような高温を与えることができなかったため、ディーゼルは液体燃料に切り替えることを余儀なくされました。 しかし、シリンダーにガソリンを注入しようとした最初の試みで、爆発が発生し、発明者とその助手の命がほとんど奪われました。 こうして一次試験は終了。 XNUMX つの結果が得られました。 ディーゼルは、彼の「理想的なエンジン」の当初の計画から段階的にかなり逸脱しなければなりませんでした。 しかし、一方で、彼の計算のいくつかの基本的な点が確認されました-作動混合物の強力な圧縮が効率の向上につながり、さらに（爆発がこれを証明しました）、燃料が実際に点火できることが判明しました高価な点火システムに頼ることなく圧縮によって。 したがって、プロジェクトに資金を提供した企業は、達成された成功に概ね満足しており、ディーゼルは実験を続けることができました。
1894 年 35 月に 40 番目のエンジンが製造され、そのためにディーゼルは灯油の噴射を制御するノズルを発明しました。 このモデルでは、シリンダー内の圧力は最大500〜600気圧、圧縮終了時の温度は最大80〜1895度になりました。 モーターは始動するだけでなく、最大 1896 rpm の頻度でアイドル状態にすることもできました。 それは大成功でした。ディーゼルのアイデアは実行可能であることが証明されました。 XNUMX 年に XNUMX 番目のエンジンが製造されましたが、これはすでに小さな負荷で動作することができました。 灯油の注入には、ここに初めてコンプレッサーが設置されました。 さらに、シリンダーの詰まりを防ぐために、集中的な冷却システムを開発する必要がありました。 その後、XNUMX 年に新しいプロトタイプの発売が成功を収めました。 負荷をかけてテストしたところ、モーターの効率は 36% で、灯油の消費量は 200 時間あたり 10 馬力あたり約 12 g でした。 これらの数値は「理想的なモーター」のパラメーターからはかけ離れていましたが、依然として印象的でした。新しいエンジンの効率は、当時のガソリン エンジンの効率よりも XNUMX ～ XNUMX% 高いことが判明しました。効率はそれらをほぼXNUMX倍上回りました。 ディーゼルは彼の夢を実現できませんでしたが、彼がしたことは非常に重要でした-彼の忍耐力のおかげで、根本的に新しい内燃エンジンの設計が開発されました。これは過去XNUMX年間で最高であり続けています。 新しいモーターは次のように機能しました。 ピストンの最初のストローク中に、機械の前の操作のために保存されたフライホイールの人力により、シリンダーに空気が吸い込まれました。 35 回目のストロークでは、フライホイールの人力によって、シリンダー内に閉じ込められた空気が XNUMX 気圧まで圧縮されました。 同時に、圧縮中に放出された熱により、燃料の発火温度に達しました。 XNUMX 回目のストロークの開始時に、ポンプを使用して灯油を導入しました。 この注射は、脳卒中のごく一部しか続きませんでした。 ストロークの残りの部分では、ガス質量が膨張し、作動力がピストンに与えられ、コネクティング ロッドを介してエンジンのクランクシャフトに伝達されました。 XNUMX 回目の行程では、燃焼生成物が排気管を通って大気中に噴出しました。 エンジンにはコンプレッサーが装備されており、特別なリザーバーでシリンダー内の最高圧力よりわずかに高い圧力で空気を凝縮しました。 このリザーバーから、空気は非常に小さな直径のチューブを通って小さなノズルチャンバー、つまり供給された燃料を噴霧するための装置に向けられ、そこに灯油が同時に供給されました。 このチャンバーは、針で閉じられた小さな穴を介してシリンダーの内部と連通していました。この針が上がると、チャンバー内の過剰な圧力のために灯油がシリンダーに押し込まれました。 シリンダー内の燃焼は、エンジンが発生しなければならない力に応じて、燃料吸入の持続時間を変更するか、コンプレッサー内の圧力を変更することによって調整されました。 冷間状態からのエンジンの初期始動にも、同じ圧縮空気が使用されました。 エンジンの上部には XNUMX つのカムを備えたカムシャフトがあり、XNUMX つは空気を入れるバルブ、もう XNUMX つは灯油を入れるバルブ、XNUMX つ目は燃焼生成物を放出するバルブを制御していました。 最後の XNUMX つのカムは、エンジンの初期始動時に圧縮空気をシリンダーに入れるためのバルブを制御します。
新しいエンジンの最初の公式テストは、エンジニアの間で大きなセンセーションを巻き起こしました。 その時以来、世界中の「ディーゼル」の勝利の行進が始まりました。 以前はディーゼルの提案に応じなかった多くの企業が、彼が発明したエンジンを製造する権利を彼から急いで購入しました。これは現在、彼らに大きな代償を払っています（たとえば、ロシアでディーゼル生産を確立したいと考えていたエマニュエル・ノーベルは、ディーゼル約500万ドル）。 すでに 1898 年に、ディーゼルはまったく予想外なことに、億万長者になりました。 しかし、大量生産に投入された最初のエンジンは、満足のいくものではなく、気まぐれで、しばしば失敗することが判明しました。 このような複雑でハイテクな機械のリリースは、時代遅れの設備を備えた多くの工場の力を超えていました。 当時のワットのように、ディーゼルはディーゼル エンジンの製造プロセスを完成させるために多くの労力を費やさなければなりませんでした。つまり、新しい機械の開発、適切な合金の発見、専門家の訓練などです。 数年間、彼はヨーロッパとアメリカを放浪し、彼のモーターが製造された工場を訪れました。 1900 世紀の初めまでに、主な困難は克服され、ディーゼル エンジンは、産業および輸送におけるますます多くの新しい適用分野を徐々に征服し始めました。 XNUMX年、パリ万国博覧会でディーゼルエンジンがグランプリを受賞。 新しいエンジンの名声は、ロシアのノーベル工場が原油で動く非常に優れたエンジンの生産を開始したというニュースによって特に高まりました. 著者：Ryzhov K.V.
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