Теория и конструкция рационального теплового двигателя ( нем . Theorie und Konstruktion einesrationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren ; английский: Теория и конструкция рационального теплового двигателя с целью замены парового двигателя и двигателей внутреннего сгорания известный сегодня ) — эссе, написанное немецким инженером Рудольфом Дизелем . Он был составлен в 1892 году и впервые опубликован издательством Springer в 1893 году. В 1894 году последовал перевод на английский язык. Было напечатано тысячу экземпляров первого издания на немецком языке. [1] В этом эссе Рудольф Дизель описывает свою идею двигателя внутреннего сгорания , основанного на цикле Карно , преобразующего тепловую энергию в кинетическую энергию с помощью высокого давления, с тепловым КПД до 73%, превосходящего любой паровой двигатель того времени. . [2]
Дизель разослал копии своего эссе известным немецким инженерам и профессорам университетов для распространения и продвижения своей идеи. Он получил множество отрицательных отзывов; Многие считали, что позволить тепловому двигателю Дизеля стать реальностью невозможно из-за возникающего высокого давления в 200–300 атм (20,3–30,4 МПа), которое, по их мнению, машины того времени не могли выдержать. [3] Лишь немногие нашли настоящую ошибку в теории Дизеля: изотермически - адиабатическое сжатие, на котором основана теория, невозможно. Даже при почти изотермически-адиабатическом сжатии двигатель не мог работать из-за бедной топливовоздушной смеси. [4] Другими словами, двигатель, описанный в эссе, потребует настолько большой работы по сжатию, что не сможет выполнить никакой полезной работы . [5] [6]
Тем не менее, некоторые ученые того времени высоко оценили идею Дизеля, которая привела к тому, что Maschinenfabrik Augsburg и Krupp Essen сформировали консорциум для создания двигателя Дизеля. Дизель, которому затем было приказано построить собственный двигатель, осознал свою ошибку и задумался об использовании модифицированного процесса сгорания . Ключевыми изменениями являются способ сжатия, которое в модифицированном процессе сгорания является только адиабатическим, давление, которое Дизель значительно снизил [7] и впрыск топлива, при котором Дизель увеличил количество топлива. В 1897 году, после четырех лет работы, Дизель успешно завершил работу над своим рациональным тепловым двигателем, используя модифицированный процесс сгорания. Этот двигатель стал известен как дизельный двигатель . Публично Дизель никогда не признавал, что ему пришлось использовать процесс сгорания, отличный от того, который он описал в своем эссе, потому что это сделало бы его патент на тепловой двигатель устаревшим.
Всего в книге «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» девять глав. Первая глава описывает теорию сгорания и разделена на пять отдельных процессов сгорания, третий из которых представляет собой процесс постоянного давления, используемый для рационального теплового двигателя . Поэтому более подробно он описан в этой статье. Во второй главе Дизель описывает, как он намерен спроектировать и построить двигатель указанной мощностью 100 л.с. В третьей главе Дизель пытается рассмотреть использование только процесса адиабатического сжатия; в четвертой главе описывается разработка настоящего двигателя для этого модифицированного процесса. В пятой главе рассматривается еще один модифицированный процесс с незавершенной фазой расширения, но в Diesel не включена концепция конструкции. Кроме того, он рассматривает полностью закрытый цикл в шестой главе и использование своего изобретения в качестве холодильника в седьмой главе. Его теории о том, как использовать рациональный тепловой двигатель, описаны в восьмой главе. Девятая глава содержит дополнительные комментарии. Его дополнительная работа Nachträge zur Bröschüre не включена в оригинальное эссе, но в более новых изданиях она служит десятой главой. [8]
Идея Дизеля о рациональном тепловом двигателе заключалась в разработке цикла, который позволил бы максимально использовать тепло [9] на основе цикла Карно. [1] Чтобы преодолеть низкий КПД паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания того времени, Дизель хотел создать совершенно новый тип двигателя внутреннего сгорания. [10] В 1890-х годах обычные газовые двигатели были способны преобразовывать только 6% энергии топлива в кинетическую энергию; [11] хорошие паровые двигатели тройного расширения были немного лучше: они могли преобразовать 7,2% энергии топлива в кинетическую энергию. Дизель сказал, что его рациональный тепловой двигатель имеет термический КПД 73% и, таким образом, способен преобразовывать примерно в ″ 6–7 раз больше ″ химической энергии в кинетическую энергию, то есть его КПД составляет примерно 50%. Дизель даже утверждал, что будущие версии его двигателя будут иметь еще более высокий КПД. [2]
Несмотря на то, что он полагался на воспламенение от сжатия, Дизель говорит, что он никогда специально не проектировал свой двигатель с этой конкретной характеристикой. В своем патенте DRP 67 207 Дизель описывает, что двигатель с лучшим тепловым КПД автоматически будет иметь воспламенение от сжатия. [9] В своей книге «Die Entstehung des Dieselmotors» 1913 года он отрицает, что воспламенение от сжатия является ключевой особенностью его двигателя: [9]
Я не заявлял о воспламенении от сжатия ни в одном из своих патентов и не заявлял об этом в своих публикациях как о цели, которую стоит достичь.
— Рудольф Дизель [N 1]
На странице 16 книги «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» Дизель пишет, что воспламенение в его рациональном тепловом двигателе происходит либо посредством искусственного зажигания, либо воспламенения от сжатия:
Теперь воспламенение происходит либо искусственно, либо, если температура достаточно высокая, посредством воспламенения от сжатия.
— Рудольф Дизель [N 2]
Процесс Дизеля представляет собой гипотетическую модель постоянного давления с четырьмя отдельными процессами, так называемым циклом , что означает, что эти четыре отдельных процесса могут повторяться снова и снова. Эти отдельные процессы аналогичны процессам, которые можно обнаружить в четырехтактном двигателе : впуск, сжатие, сгорание, выхлоп. [1] Все четыре удара в совокупности образуют цикл , который, как предполагается, приводит к полезной работе . В дизельном процессе используется специальный такт сжатия, основанный на идее о том, что газ можно сжимать комбинированным изотермически-адиабатическим способом. [12] Изотермический означает, что температура во время сжатия не меняется, что требует отвода тепла; адиабатический означает, что газ меняет свой объем, но без тепловыделения . Это означает, что нет отходящего тепла . [13]
В качестве средства сжатия Дизель намеревался использовать условный цилиндр сжатия . [14] Этот процесс требует работы и состоит из четырех этапов:
Для четкого процесса сгорания Дизель намеревался использовать условный расширительный цилиндр . И снова он состоит из четырех этапов: [15]
Добавление этих фаз приведет к созданию диаграммы, похожей на диаграмму Карно, как показано справа. Поскольку к газу будет добавляться топливо, начальное положение 1 не будет идентично конечному положению 1, а это означает, что работы всегда требуется немного больше. Однако Дизель рассматривал возможность использования очень бедной топливовоздушной смеси, в результате чего объем необходимой дополнительной работы был незначительным. [16] Теоретически процесс сгорания заканчивается в позиции 4 диаграммы. Но это не конец образования работы, происходящей в двух фазах горения (3–4) и расширения (4–1), как объяснялось. Дизель считал этап изотермического расширения невозможным, поскольку это привело бы к образованию гигантского цилиндра расширения, в результате чего получился бы очень большой и непрактичный двигатель. Вот почему расширение газа является адиабатическим и происходит только до тех пор, пока не будет достигнуто атмосферное давление. Он считал, что требуемая дополнительная работа, приводящая к общим потерям работы, «неважна», поскольку он считал, что создание настоящего двигателя более разумно, чем сосредоточение внимания на максимальной эффективности. [17] В результате появилась оригинальная диаграмма Дизеля. [18]
Теория Дизеля имела три основные проблемы:
Тепловой КПД и работа мотора зависят не от количества воздуха, а от степени сжатия. Чем больше будет степень сжатия, тем выше будет тепловой КПД; эта эффективность совершенно не зависит от высшей температуры процесса; следовательно, наличие высокой температуры горения не представляет интереса, необходимо как раз противоположное высокой температуре; при высокой температуре необходимо рассеивать тепловую энергию, чтобы предотвратить поломку деталей двигателя, сохранение смазки и т. д.; высокие температуры сгорания увеличивают эту тепловую энергию; следовательно, мы должны снизить температуру горения. Уравнение сразу показывает, что для этой цели необходимо выбрать большое количество воздуха. Целью большого количества воздуха является уменьшение тепловыделения, поэтому водяное охлаждение практически не требуется.
— Рудольф Дизель [N 3]
На самом деле, высокая степень сжатия повышает эффективность, однако, только до определенного момента, потому что, как подсчитал Дизель, пришлось бы рассеивать слишком много тепловой энергии и возникало бы слишком большое трение, которое невозможно было бы компенсировать работой двигателя. С другой стороны, выбранная слишком низкая степень сжатия приводит к недостаточному использованию тепла. [21] При разработке своей теории Дизель уже рассматривал возможность снижения сжатия до 90 атм (9,1 МПа), что, по его мнению, приведет лишь к 5%-ной потере теплового КПД, но к значительному увеличению фактического КПД, [22] однако он рекомендует увеличить давление как можно больше. [23] Его решение проблемы рассеивания тепла по-прежнему было неверным: он решил использовать больше воздуха, в результате чего топливно-воздушная смесь оказалась слишком бедной. Такая топливовоздушная смесь не может совершить никакой работы, поскольку не может сгореть даже при искусственном зажигании. [20]
Как уже упоминалось, Дизеля в основном критиковали за его идею теплового двигателя, но он также получил и положительные отзывы. Однако большинство критиков критиковали не недостаток теории, а то, что тепловая машина Дизеля использовала для работы очень высокое давление. [5] Сам Дизель признал отзыв:
Публикация моего эссе вызвала яростные отзывы... в среднем они были неблагоприятными, скорее разгромными... Положительных отзывов было всего три, но они были весьма важными. Перечисляю имена: Линде , Шретер , Цойнер ...
— Рудольф Дизель [N 4]
[Что касается отрицательных отзывов], я считаю актуальными только обзор профессора Ридлера и [Цюблина].
— Рудольф Дизель [N 5]
Вильгельм Цюблин, инженер компании Sulzer, и профессор Алоис Ридлер пришли к выводу, что двигателю Дизеля может потребоваться такая большая работа сжатия, что он, возможно, не сможет выполнять никакой полезной работы. [24] [5] В своей работе 1887 года «Теория газового мотора » Отто Кёлер уже отмечал, что идеальный цикл не подходит для реального двигателя, и пришел к тому же выводу, что и первый. Он предвидел проблему потерь на трение, делающих работу двигателя бесполезной [5] [N 6] и в письме, адресованном другу Дизеля Венатору, считал необходимое давление слишком высоким:
Кроме того, создание теплового двигателя, использующего цикл Карно и воздух, я считаю невозможным. Невозможно избежать огромного давления поршня, которое требует очень огромной трансмиссии. И сейчас я не говорю о проблемах, которые может вызвать сам процесс. (...) По моему мнению, вся указанная работа двигателя Дизеля потребуется для преодоления огромного трения.
- Отто Кёлер [N 7]
Другие критики скорее опасались, что материал не выдержит огромной нагрузки, но в остальном не критиковали ошибочность теории Дизеля:
Надеюсь, вы не будете на меня обижаться, но имея большой практический опыт, у меня есть серьезные сомнения относительно создания реального двигателя на основе этих теорий. Никто еще не накопил опыта создания двигателя, способного развивать скорость 300 об/мин, выдерживать давление более 200 атмосфер и потреблять и сжигать твердое топливо за очень короткое время, и я полагаю, что не ошибусь, если предположу, что этот опыт будет огромным. разочарование.
— Ойген Ланген [N 8]
Другие похвалили Дизеля и теорию:
... Я желаю вам, чтобы вы преуспели ... вывести на рынок хорошо спроектированный продукт, тщательно изготовленный в тишине, и сместить паровую машину с ее трона в конце века, который он это предполагал! Никто из тех, кто предсказал падение парового двигателя, никогда не был столь радикальным, как вы, следовательно, победа будет за вами...
- Мориц Шретер [N 9]
Учитывая, насколько уступают сжигание угля в паровой машине и сжигание газа в газовой машине, как трудно было достичь современного уровня КПД двигателя и как мало осталось шансов, что на нынешнем пути еще можно будет достичь чего-то существенного, Оставить этот путь — это то, что нужно сделать, и нужно проложить новый путь.
- Мортис Шретер [N 10]
Путь, который, как мы надеемся, приведет нас ближе, чем когда-либо прежде, к идеальному циклу Карно, был предопределен как безмятежно и вдумчиво, так и со смелостью и достоверностью в его осуществлении.
- Мортис Шретер [N 11]
С точки зрения простой теории я на вашей стороне и ценю ваше предложение о новом тепловом двигателе; Я давно не читал ничего такого интересного о нашей дисциплине. Ваши основные теории новы и верны.
- Густав Цойнер [N 12]
Несмотря на то, что мы еще не оцениваем техническую ценность двигателя Дизеля, поскольку он еще не был построен, следует признать, что он придаст конструкции двигателя внутреннего сгорания правильное направление к совершенствованию теплового двигателя. Кроме того, перед инженером стоит интересная задача — разработать новый двигатель для промышленного применения, как небольшого, так и огромного по своим размерам, а также для локомотивов и кораблей. Не зависящий от пара, сжатого воздуха, электричества и газовых труб, не требующий котла, дымохода и заправки углем, не вызывающий дымных выхлопов, но очень эффективно использующий топливо, очевидно, окажет влияние на машиностроение и транспортную отрасль. Высокая научная, техническая и экономическая значимость рационального теплового двигателя Дизеля, несомненно, будет способствовать его развитию...
- Макс Фридрих Гутермут [N 13]
Ваша машина снова атакует могучую паровую машину, превосходя ее по эффективности. Когда-то технология должна прийти к тому моменту, когда она избавится от давно известных недостатков своего старого парового двигателя.
- Франц Рело [N 14]
Поскольку Дизель счел реакцию Ридлера и Цюблина на его эссе актуальной, он попытался аргументировать их точку зрения о том, что двигатель не будет выполнять никакой полезной работы. В письме, адресованном Морицу Шретеру, от 13 февраля 1893 года, Дизель описывает тепловой КПД своего рационального теплового двигателя, предполагая максимальные потери. Он приходит к выводу, что абсолютный минимум термического КПД составляет не менее 30,4–31,6 %, что все же более чем в 2,5 раза превышает тепловой КПД паровой машины тройного расширения и в 4–5 раз превышает тепловой КПД паровой машины среднего размера. двигатель . [5] В то время Дизель еще не осознавал, что его рациональный тепловой двигатель не будет работать: все еще пытаясь понять, как еще больше повысить эффективность, он рассматривал возможность увеличения продолжительности периода допуска за счет увеличения предполагаемой длины изотермы на идеальной диаграмме своего двигателя. что, по мнению Дизеля, приведет к повышению эффективности. Чего он тогда не понимал, так это того, что на его диаграмме не было изотермы . При реальной изотерме объем входной работы был бы почти больше выходной работы, что привело бы к узкой диаграмме pV, указывающей на то, что рациональный тепловой двигатель не будет выполнять никакой работы. [24]
Дизелю потребовалось несколько месяцев, чтобы разобраться в проблеме. В мае 1893 года он приступил к разработке нового процесса сгорания под названием «Schlußfolgerungen über die definitiv fd Praxis zu wählende Arbeitsmethode des Motors» (вывод о принципе работы, который обязательно должен быть выбран для практического двигателя); это продолжалось до сентября того же года. К 16 июня 1893 года, [8] еще до того, как он начал эксперименты со своим двигателем на машиностроительной фабрике в Аугсбурге, он понял, что цикл Карно практически невозможен и что, следовательно, ему придется изменить способ работы своего двигателя: «Несмотря на мои более старое противоположное утверждение, необходимо ответить на вопрос, приведут ли процессы сгорания, отличные от изотермического процесса, к более крупной диаграмме » (= фактическая работа двигателя). Таким образом, Дизель в конце концов отказался от своей идеи изотермически-адиабатического сжатия. Позже он сделал запись в своем дневнике: «Мы не должны сжимать воздух комбинированным изотермически-адиабатическим способом, вместо этого мы должны сжимать его только адиабатически» . [25]
Чтобы добиться этого, Дизель теперь хотел поднять точку 3 на своей диаграмме вместо увеличения продолжительности периода впуска 2–3 за счет уменьшения времени впрыска. Дизель, получивший патент (DRP 67 207) на процесс сгорания без значительных изменений давления или температуры, думал, что этот патент также будет охватывать кривые сгорания при постоянном давлении, но гарантировать, что изменения в его процессе сгорания также будут на который распространяется патент, он подал заявку на новый дополнительный патент 29 ноября 1893 г., который позже был ему выдан (DRP 82 168). И снова Дизель допустил ошибку: вместо более быстрого впрыска топлива в данном случае правильным решением был бы впрыск большего количества топлива. Делая расчеты по модификации своего испытательного двигателя в сентябре 1893 года, он сравнил свой испытательный двигатель с обычным парафиновым двигателем: «Средние парафиновые двигатели имеют расход топлива примерно 600 г/ПШ = 750 см 3 /ПШ парафина, т. е. 7500 см3. 3 по 10 ПШ. Нам пришлось бы принять одинаковое количество топлива для нашего двигателя, работающего при максимальной нагрузке и 150×60=9000 впрысков в час». [26] Так Дизель узнал, что ему приходится использовать соотношение воздух-топливо ~14. :1, а не ~100:1 для работающего двигателя. [20] Кроме того, Дизель наконец решил отказаться от своей концепции высокого давления сжатия в пользу более низкого давления в 30 атм (3 МПа), более подходящего для машин 1890-х годов. [27] Он правильно предположил, что более низкое сжатие, несмотря на меньший тепловой КПД, приведет к меньшему трению, что позволит двигателю иметь более высокий общий КПД, чем двигатель с более высоким тепловым КПД, но с большими потерями на трение: [7 ]
Фактическая эффективность составляет максимум от 30 до 40 атмосфер и от 500 до 600°. Более высокое сжатие бесполезно, поскольку дополнительный тепловой КПД становится бесполезным из-за потери механического КПД, а также потому, что удельная выходная мощность уменьшается с увеличением сжатия из-за высоких потерь на трение.
- Рудольф Дизель, лето 1893 г. [N 15]
Публично Дизель никогда не признавал своих ошибок, несмотря на то, что знал о них и о том, как их преодолеть. Он сделал это, чтобы спасти свой патент: публичное признание того, что рациональный тепловой двигатель не может работать, сделало бы его патент DRP 67 207 устаревшим и, следовательно, разрушило бы его личную работу, [20] [28] , поскольку это позволило бы построить дизельный двигатель без приобретения лицензию на его патент. [29]
Дизель опасался, что у потенциальных лицензиатов может сложиться «неприятное впечатление» [30] , когда они увидят высокое давление сжатия. Поэтому Дизель рассмотрел несколько различных отклонений от идеального процесса в главах 3 и 5 своего эссе. Постепенно снижая температуру сжатия, он изобразил постепенное снижение давления сжатия. Он пишет, что снижение давления с 250 атм (25,3 МПа) до 90 атм (9,1 МПа) приведет лишь к потере теплового КПД всего на 5%, но к увеличению общего КПД, поэтому Дизель посчитал, что ″ не может быть никаких сомнений в том, что отклоняющийся процесс должен быть выбран для конкретного двигателя ″. [22] Самое низкое давление дизельного топлива, которое считается разумным, составляет 44 атм (4,5 МПа), что обеспечивает тепловой КПД 60%. По словам Дизеля, в то время материалы уже были способны выдерживать такое высокое давление. [1] Он также признал, что давление примерно 30 атм (3 МПа) может использоваться в качестве последнего временного решения, если более высокое сжатие невозможно. [7] Во время своих экспериментов в Аугсбурге Дизель обнаружил, что идеальная компрессия для двигателя находится в диапазоне от 30 до 35 атм (3–3,5 МПа), [21] после того, как он впервые рассмотрел несколько более высокие значения 30–40 атм. (3–4,1 МПа) разумно. [31] При снижении давления сжатия Дизель всегда старался поддерживать его выше температуры самовоспламенения топлива, поэтому в итоге решил выбрать 30 атм. [9]
В восьмой главе Дизель дает пять предложений по использованию своего двигателя: [32]
Хельмут Дроша в книге 1991 года Leistung und Weg: Zur Geschichte des MAN-Nutzfahrzeugbaus оценивает , что основным намерением Дизеля была разработка двигателя для мелкой промышленности. По словам Дроша, Дизель думал, что с помощью дизельного двигателя он сможет повысить конкурентоспособность малых предприятий. В 19 веке только более крупные фирмы могли позволить себе паровые двигатели, поскольку паровые двигатели были экономичны только в больших количествах. [33]