В 1893 году в экспериментальном цеху завода в немецком Аугсбурге прогремел страшный взрыв. Тяжелый латунный измерительный прибор, вкрученный в крышку цилиндра, с грохотом сорвало с резьбы. Металлическая болванка со свистом пролетела в считанных сантиметрах от головы изобретателя, осыпав его и ассистентов градом осколков.
Этим человеком был Рудольф Дизель, а разорвавшийся на части стальной монстр , самым первым в мире прототипом мотора, который сегодня носит его имя. В этой статье мы разберем термодинамику идеального газа, поймем, почему профессора считали затею Дизеля самоубийственной, и как катастрофа, отправившая его на больничную койку, стала величайшим триумфом в истории двигателестроения.
Тупик бензиновой эпохи
К концу XIX века двигатели внутреннего сгорания Николауса Отто уже вовсю работали. Но у них был фундаментальный недостаток топливо-воздушная смесь засасывалась в цилиндр и сжималась поршнем одновременно.
Физика ставила жесткий предел: если сжать такую смесь слишком сильно, она нагреется и самопроизвольно взорвется (сдетонирует) еще до того, как проскочит искра. Из-за этого двигатели Отто работали на смешной степени сжатия (около 4:1) и выдавали крошечный КПД. Львиная доля энергии топлива просто вылетала в выхлопную трубу в виде тепла.
Рудольф Дизель, одержимый идеей создания идеального «рационального теплового двигателя», понял главное: чтобы кардинально повысить КПД, нужно сжимать газ до безумных значений.
Но как это сделать, если смесь взрывается раньше времени? Ответ Дизеля был гениально прост: нужно сжимать не смесь. Нужно сжимать только чистый воздух.
Термодинамика и 800 градусов из пустоты
Согласно законам термодинамики (адиабатическое сжатие), если резко уменьшить объем газа, его температура стремительно возрастает.
Дизель рассчитал, что если поршень сожмет чистый воздух в 30–40 раз, давление внутри цилиндра достигнет чудовищных 30–40 атмосфер, а температура скакнет до 600–800 градусов Цельсия. В этот самый момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке, в раскаленный воздух нужно впрыснуть топливо.
При такой температуре оно самовоспламенится мгновенно. Не нужны ни свечи зажигания, ни магнето, ни карбюраторы. Теория на бумаге выглядела безупречно. Но на практике никто в мире еще не пытался создать цилиндр и поршень, способные выдержать рабочее давление в десятки атмосфер.
Железный монстр из Аугсбурга
Получив финансирование и поддержку от Maschinenfabrik Augsburg (компании, которая позже станет знаменитым концерном MAN), Дизель приступает к постройке первого экспериментального прототипа в 1893 году.
Это был гигантский 3-метровый вертикальный цилиндр из чугуна. Причем Дизель принципиально не стал делать ему водяную рубашку охлаждения. Он считал, что отвод тепла в воду это преступная потеря энергии, и его двигатель должен работать горячим.
Главной технической проблемой стало то, как впрыснуть топливо в цилиндр, где уже бушует давление в 30 бар. Любой насос того времени просто выдавило бы обратно. Дизель решил использовать воздушный компрессор (воздуходувку), который пневматическим ударом вдувал бы порцию топлива прямо в раскаленное пекло.
Для фиксации результатов на верхнюю часть цилиндра накрутили «индикатор» — прибор с поршеньком и карандашом, который должен был нарисовать на бумаге график давления внутри камеры.
10 августа 1893 года Рудольф Дизель и его помощник Люсьен Фогель подошли к тяжелому маховику, чтобы впервые запустить этот процесс в реальности.
Взрыв, изменивший всё
Дизель раскрутил маховик через ременную передачу. Огромный поршень пошел вверх, сжимая воздух. Давление достигло 33 атмосфер. Затем Дизель дернул рычаг, и компрессор впрыснул топливо в цилиндр.(по некоторым данным это был бензин).
Но изобретатель не учел задержку воспламенения и жесточайшую природу объемного взрыва в закрытом пространстве. Топливо скопилось в цилиндре, а затем сдетонировало всем своим объемом с колоссальной, неконтролируемой силой.
Произошел катастрофический скачок давления. Двигатель не выдержал. Тот самый латунный индикатор давления вырвало с корнем, и он выстрелил из мотора, словно артиллерийский снаряд, разбив измерительную аппаратуру. Осколки металла полетели в инженеров.
Дизель получил серьезные травмы и на несколько месяцев оказался на больничной койке, чудом избежав смерти. Казалось, это абсолютный провал. Теория слишком опасна для реальной жизни, а двигатель пытался убить своего создателя.
Триумф из осколков
Но когда дым рассеялся, а Дизель пришел в себя в госпитале, он осознал самое главное. График на уцелевшем клочке индикаторной бумаги и сам факт взрыва доказывали одну неоспоримую истину: топливо действительно воспламенилось исключительно от тепла сжатого воздуха. Его сумасшедшая физическая гипотеза оказалась верной.
Выйдя из больницы, Дизель потратил еще четыре года на полную переработку конструкции. Он признал свою ошибку и добавил водяное охлаждение. Он усовершенствовал систему распыления топлива. И в 1897 году на том же заводе MAN был запущен Motor 250/400 - первый в истории полностью рабочий дизельный двигатель.
Его термический КПД составил невероятные 26,2%. Для сравнения: лучшие паровые машины того времени выдавали жалкие 10%, а бензиновые моторы Отто около 15%. Дизель буквально удвоил эффективность использования топлива на планете.
Тот самый кусок латуни, который едва не снес голову 35-летнему инженеру, стал точкой отсчета новой эры. Сегодня потомки того взорвавшегося чугунного прототипа двигают 90% всей мировой торговли, вращая винты гигантских контейнеровозов и колеса тяжелых грузовиков.
Как ты считаешь, рискнули бы современные инженеры с таким же бесстрашием тестировать свои теории, стоя в метре от экспериментального прототипа под давлением в десятки атмосфер?