|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Diesel. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Silnik wysokoprężny (diesel) - tłokowy silnik spalinowy działający na zasadzie samozapłonu rozpylonego paliwa pod wpływem powietrza ogrzanego podczas sprężania. Gama paliw do silników Diesla jest bardzo szeroka, obejmuje wszystkie frakcje rafinacji ropy naftowej od nafty po olej opałowy oraz szereg produktów pochodzenia naturalnego - olej rzepakowy, tłuszcz jadalny, olej palmowy i wiele innych. Silnik wysokoprężny może z pewnym powodzeniem pracować na ropie naftowej.
Jak wiadomo, jednym z głównych wskaźników oceny pracy dowolnego silnika, w tym termicznego, jest jego sprawność. Im więcej energii uwalnianej podczas spalania paliwa zamienia się na pracę użyteczną, im mniej jest tracone podczas różnych przemian, tym lepiej. We wszystkich istniejących silnikach cieplnych straty te są bardzo wysokie, przez co ponad dwie trzecie uwalnianej w nich energii jest marnowane. Jaki jest tutaj powód? Czy to z powodu złej konstrukcji, czy też silnik cieplny w zasadzie nie może być wysoce wydajny ze względu na swoją naturę? Po raz pierwszy zastanawiał się nad tym francuski inżynier Carnot, który w 1824 roku opublikował klasyczną pracę Reflections on the Driving Force of Fire. Carnot postawił sobie za zadanie dowiedzieć się, jak powinny przebiegać procesy w idealnym silniku cieplnym, aby jego sprawność była jak najwyższa. Poprzez obliczenia wyprowadził ostatecznie koncepcję procesu okrężnego w pracy wszystkich silników cieplnych (tzw. „cykl Carnota”), w którym pomiędzy dwiema temperaturami T1 i T2 płynu roboczego silnika (płyn roboczy jest gaz, który porusza tłokiem, może to być para w silniku parowym lub mieszanka wybuchowa w silniku gazowym), można uzyskać maksymalnie użyteczną pracę, a tym samym najwyższą wydajność.
Praca tego hipotetycznego wysokosprawnego silnika, jak udowodnił Carnot, powinna składać się z czterech cykli. W pierwszym cyklu ciepło Q1 jest dostarczane do płynu roboczego z górnego poziomu T1 o stałej temperaturze tego poziomu (czyli w tym cyklu płyn roboczy musi się rozprężać przy zachowaniu stałej temperatury, co uzyskuje się poprzez podgrzanie ciało). Podczas drugiego cyklu płyn roboczy rozszerza się, ale bez dostarczania ciepła, aż jego temperatura spadnie do dolnego poziomu T2. W trzecim cyklu płyn roboczy jest sprężany w stałej temperaturze T2 (w tym celu konieczne było ciągłe odprowadzanie ciepła Q2). W czwartym etapie płyn roboczy był sprężany bez odprowadzania ciepła, aż jego temperatura ponownie wzrosła do T1. Przy spełnieniu wszystkich tych warunków, według obliczeń Carnota, sprawność silnika określona wzorem 100•(1 - T2/T1) wynosiła około 70-80%. Przez cały XIX wiek obliczenia Carnota ekscytowały twórczą myśl wynalazców, którzy próbowali znaleźć odpowiedź na pytanie: jak zbliżyć pracę prawdziwych silników cieplnych do pracy w „cyklu Carnota” i uzyskać najwyższą możliwą wydajność. Ale wszystkie próby zbudowania takiego silnika zakończyły się niepowodzeniem. Na przykład sprawność silnika parowego o mocy 100 KM. nie przekraczał 13%, aw silnikach małej mocy nie przekraczał 10%. Sprawność silników benzynowych i gazowych okazała się nieco wyższa, ale również nie przekroczyła 22-24%. Taki był stan rzeczy, gdy na początku lat 90. młody niemiecki inżynier Rudolf Diesel zajął się tworzeniem „silnika idealnego”. Jeszcze jako student postawił sobie za cel opracowanie takiego silnika, którego osiągi byłyby zbliżone do „cyklu Carnota”, a silnik ten powinien przewyższać konwencjonalny silnik benzynowy zarówno pod względem mocy, jak i wydajności. Po kilku latach ciężkiej pracy opracowano konstrukcję silnika. Istota idei Diesela była następująca. W pierwszym etapie tłok spręża powietrze w cylindrze do wysokiego ciśnienia, dzięki czemu temperatura w cylindrze wzrasta do temperatury zapłonu paliwa (odpowiadało to czwartemu cyklowi Carnota - sprężanie bez odprowadzania ciepła). W ten sposób w cylindrze osiągnięto ciśnienie około 90 atm i temperaturę około 900 stopni. Paliwo było dostarczane do cylindra pod koniec cyklu sprężania i ze względu na wysoką temperaturę powietrza zapalało się od jednego kontaktu z nim bez żadnego zewnętrznego zapłonu. Wtrysk paliwa odbywał się równomiernie, dzięki czemu część ruchu wstecznego tłoka i rozprężania gazów zachodziła w stałej temperaturze (zgodnie z pierwszym „cyklem Carnota”). Ponadto tłok poruszał się już pod wpływem wysokiego ciśnienia bez spalania paliwa (drugi „cykl Carnota”). Trzeci cykl odpowiadał wywiewaniu i zasysaniu świeżej porcji powietrza atmosferycznego. Następnie wszystkie cykle zostały powtórzone. Dzięki takiemu urządzeniu Diesel pomyślał, że zwiększy sprawność swojego silnika do niespotykanej wartości - 73%. Początkowo spodziewał się, że jako paliwo użyje oparów amoniaku, ale potem wybrał pył węglowy. W 1892 r. Diesel otrzymał patent na opisaną zasadę działania silnika, aw 1893 r. opublikował broszurę „Teoria i konstrukcja racjonalnego silnika cieplnego” z opisem silnika i jego obliczeniami matematycznymi.
Broszura wzbudziła duże zainteresowanie. Jednak większość inżynierów uznała pomysł Diesela za nierealny. Największy ówczesny specjalista od silników gazowych, Koehler, ostrzegał, że nie można uzyskać tak wysokiej sprawności, ponieważ silnik wysokoprężny ma bardzo duże straty mocy na sprężanie powietrza do temperatury zapłonu oraz podczas pracy w „cyklu Carnota” cała użyteczna praca zostanie wydana tylko na utrzymanie własnego ruchu. Niemniej jednak Diesel zaczął agresywnie oferować swój model różnym niemieckim firmom. Początkowo wszędzie spotykał się z odrzuceniem. Bez rozpaczy kontynuował korespondencję, kłócił się, argumentował i w końcu odniósł sukces: firma Krupp w Essen zgodziła się sfinansować koszty, a kierownictwo fabryki w Augsburgu wyprodukować próbkę do badań. Już w lipcu 1893 roku wyprodukowano pierwszy jednocylindrowy silnik wysokoprężny. Zgodnie z pierwotną konstrukcją, sprężanie w jego cylindrze miało osiągnąć 90 atm, a temperatura przed rozpoczęciem dopływu paliwa wynosiła 900 stopni. Ponieważ temperatura nie powinna znacznie przekroczyć tego limitu, nie przewidziano systemu chłodzenia silnika. Sprężarki też nie planowano - miał być wdmuchiwany przez pompę. Ale nawet na etapie montażu Diesel, po sprawdzeniu swoich obliczeń, był przekonany, że Koehler ma rację - pobór mocy silnika do sprężania powietrza do 90 atmosfer okazał się zbyt wysoki i „zjadł” cały wzrost wydajności dzięki pracy na „cyklu Carnota”. Musiałem przerobić mój plan w podróży. Aby zmniejszyć utratę mocy na kompresję, Diesel zdecydował się zmniejszyć ciśnienie w cylindrze o ponad połowę - do 35-40 atm. Pod tym względem temperatura sprężonego powietrza zamiast 900 stopni powinna wynosić tylko 600 stopni. To było bardzo małe – różnica temperatur we wzorze Carnota okazała się zbyt mała, aby uzyskać wysoką sprawność. Aby poprawić sytuację i zwiększyć moc silnika, Diesel musiał zrezygnować z drugiego ważnego punktu swojej konstrukcji - rozprężania płynu roboczego w stałej temperaturze. Obliczył, że temperatura podczas spalania paliwa powinna wzrosnąć do 1500 stopni. A to z kolei wymagało, po pierwsze, jak najintensywniejszego chłodzenia silnika, a po drugie, większej ilości wysokokalorycznego paliwa. Pył węglowy nie mógł dać tak wysokiej temperatury, więc Diesel został zmuszony do przejścia na paliwo płynne. Ale przy pierwszej próbie wstrzyknięcia benzyny do cylindra nastąpiła eksplozja, która prawie pochłonęła życie wynalazcy i jego asystentów. Tak zakończył się pierwszy test. Miał dwa wyniki. Diesel musiał krok po kroku odejść od pierwotnego schematu swojego „idealnego silnika”. Ale z drugiej strony potwierdzono kilka podstawowych punktów jego obliczeń - silne sprężenie mieszaniny roboczej doprowadziło do wzrostu wydajności, a dodatkowo (wybuch to udowodnił) okazało się, że paliwo naprawdę można zapalić przez kompresję bez uciekania się do drogiego układu zapłonowego. Dlatego firmy, które sfinansowały projekt, były ogólnie zadowolone z osiągniętego sukcesu, a Diesel mógł kontynuować swoje eksperymenty.
W czerwcu 1894 roku zbudowano drugi silnik, do którego Diesel wynalazł dyszę sterującą wtryskiem nafty. W tym modelu ciśnienie w cylindrze zostało podniesione do 35-40 atm, a temperatura pod koniec kompresji - do 500-600 stopni. Silnik był w stanie nie tylko uruchomić się, ale także rozpędzić go na biegu jałowym z częstotliwością do 80 obr./min. To był wielki sukces – pomysł Diesela okazał się realny. W 1895 roku zbudowano trzeci silnik, który mógł pracować już przy niewielkim obciążeniu. Do wtrysku nafty po raz pierwszy przewidziano tutaj kompresor. Ponadto należało opracować system intensywnego chłodzenia, aby zapobiec zacinaniu się cylindra. Dopiero potem, w 1896 roku, sukces przyniosła premiera nowego prototypu. Podczas testów z obciążeniem sprawność silnika wyniosła 36%, a zużycie nafty wyniosło około 200 g na moc na godzinę. Chociaż te liczby były bardzo dalekie od parametrów „idealnego silnika”, nadal były imponujące: sprawność nowego silnika okazała się o 10-12% wyższa niż ówczesnych silników benzynowych, a pod względem wydajność prawie je podwoiła. Chociaż Diesel nie spełnił swojego marzenia, to jednak to, co zrobił, miało ogromne znaczenie - dzięki jego wytrwałości opracowano całkowicie nowy projekt silnika spalinowego, który był i pozostaje najlepszy przez ostatnie sto lat. Nowy silnik działał w następujący sposób. Podczas pierwszego suwu tłoka, dzięki sile roboczej koła zamachowego zgromadzonej do poprzedniej pracy maszyny, powietrze zostało zassane do cylindra. Podczas drugiego suwu, również dzięki sile roboczej koła zamachowego, powietrze uwięzione w cylindrze zostało sprężone do 35 atm. Jednocześnie ciepło uwalniane podczas sprężania doprowadzało go do temperatury zapłonu paliwa. Na początku trzeciego skoku pompką wprowadzono naftę. Ten zastrzyk trwał tylko niewielką część udaru. Podczas reszty suwu masa gazu rozszerzyła się, a siła robocza była przekazywana na tłok, który był przenoszony przez korbowód na wał korbowy silnika. W czwartym skoku produkty spalania przedostały się przez rurę wydechową do atmosfery. Silnik został wyposażony w sprężarkę, która w specjalnym zbiorniku skraplała powietrze o ciśnieniu nieco wyższym niż najwyższe ciśnienie w cylindrze. Z tego zbiornika powietrze było kierowane rurką o bardzo małej średnicy do komory małej dyszy, czyli aparatu do rozpylania dostarczanego paliwa, do którego jednocześnie podawana była nafta. Komora ta komunikowała się z wnętrzem cylindra przez mały otwór zamknięty igłą: kiedy ta igła była podnoszona, nafta była wpychana do cylindra z powodu nadciśnienia w komorze. Spalanie w cylindrze regulowano w zależności od siły, jaką musiał wytworzyć silnik, albo poprzez zmianę czasu trwania dopływu paliwa, albo poprzez zmianę ciśnienia w sprężarce. To samo sprężone powietrze zostało również użyte do pierwszego uruchomienia silnika ze stanu zimnego. Na górze silnika znajdował się wałek rozrządu z pięcioma krzywkami, jedna sterowała zaworem wpuszczającym powietrze, druga - zaworem wpuszczającym naftę, trzecią - zaworem uwalniającym produkty spalania. Dwie ostatnie krzywki sterowały zaworami, przez które sprężone powietrze było wpuszczane do cylindra podczas początkowego rozruchu silnika.
Już pierwsze oficjalne testy nowego silnika wywołały wśród inżynierów prawdziwą sensację. Od tego czasu rozpoczął się zwycięski pochód „diesli” po całym świecie. Wiele firm, które wcześniej nie odpowiedziały na ofertę Diesela, spieszyło się z zakupem od niego prawa do budowy silników, które wymyślił, a to teraz drogo je kosztowało (na przykład Emmanuel Nobel, chcący rozpocząć produkcję diesla w Rosji, zapłacił Diesel około 500 tysięcy dolarów). Już w 1898 roku Diesel, zupełnie niespodziewanie dla siebie, został milionerem. Jednak pierwsze silniki wprowadzone do masowej produkcji okazywały się niezadowalające, kapryśne i często zawodne. Wydanie tak złożonej i zaawansowanej technologicznie maszyny było poza zasięgiem wielu fabryk z przestarzałym sprzętem. Podobnie jak Watt w swoim czasie, Diesel musiał włożyć wiele wysiłku, aby udoskonalić proces produkcji silników wysokoprężnych - opracować nowe maszyny, znaleźć odpowiednie stopy i wyszkolić specjalistów. Przez kilka lat wędrował po Europie i Ameryce, odwiedzając fabryki, w których produkowano jego silniki. Na początku XX wieku główne trudności zostały przezwyciężone, a silniki wysokoprężne zaczęły stopniowo podbijać coraz to nowe obszary zastosowań w przemyśle i transporcie. W 1900 roku na Wystawie Światowej w Paryżu silniki Diesla otrzymały Grand Prix. Prestiż nowych silników szczególnie podniosła wiadomość, że fabryka Nobla w Rosji uruchomiła produkcję bardzo dobrych silników na ropę naftową. Autor: Ryzhov K.V.
▪ Toster
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Sztuczne kryształy do chłodzenia elektroniki ▪ Zestaw do budowy myszy bezprzewodowej od TI i Cypress ▪ Ruch drogowy może nasilać alergie ▪ Sterownik MOSFET typu MAX5078
▪ sekcja serwisu Zegary, timery, przekaźniki, przełączniki obciążenia. Wybór artykułu ▪ artykuł Analiza spektralna. Historia i istota odkryć naukowych ▪ artykuł Jaka jest różnica między oposami a oposami? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Kompozycja funkcjonalna telewizorów Luxor. Informator ▪ artykuł Zdjęcie stróża z pulsującą wiązką. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł Prosty filtr kwarcowy. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony