Сильнее пара и угля: как Рудольф Дизель создал свой двигатель и остался ни с чем

Идеальная тепловая машина

Изобретатель двигателя, названного его именем, родился в Париже 18 марта 1858 года в семье немецких эмигрантов. В 1870 году, когда началась франко-прусская война и французов охватила эпидемия гипертрофированного национального самосознания, Дизелям пришлось перебираться в Англию, где немецкое семейство не оскорбляло ничьих патриотических чувств.

Что же касается Рудольфа, то его отправили к родственникам в Аугсбург — на историческую родину, где мальчик с отличием окончил реальное училище. После чего последовала учеба в высшей Политехнической школе в Мюнхене, которую он также окончил с блеском. Обративший внимание на одаренного юношу профессор Карл фон Линде, крупнейший авторитет в области холодильных агрегатов, направил Дизеля в парижский филиал хладостроительной фирмы.

Так в 1880 году Дизель, вернувшись в оставленную им десять лет назад французскую столицу, получил скромную должность инженера. Однако в груди занимавшегося охлаждающей аппаратурой юноши пылал огонь честолюбия. Еще в школе он мечтал о том, чтобы воплотить в техническом устройстве теоретическую идею Сади Карно об идеальной тепловой машине.

Создавший теоретическую термодинамику французский ученый показал, что КПД придуманного им устройства превосходит и эффективность газового двигателя внутреннего сгорания Николауса Августа Отто, КПД которого не превышал 20%, и вообще эффективность любой мыслимой машины. Дизель дерзновенно решил создать двигатель с КПД идеальной машины Карно.

Спустя двенадцать лет, когда Рудольфу уже исполнилось тридцать пять, юношеский огонь в его груди пылал с прежней силой. Именно этим обстоятельством (а не попыткой одурачить коллег и инвесторов) объясняется то, что он «гарантировал» достижение 70-процентного КПД в двигателе нового типа, «работающем по циклу Карно». В 1892 году Рудольф Дизель подал в Берлинское патентное бюро заявку на «Одноцилиндровый тепловой двигатель», а 23 февраля 1893 года получил патент №67207, десятилетия спустя совершивший переворот в автомобилестроении.

Заявленный в патенте агрегат, который в дальнейшем назвали дизелем, представлял собой 4-тактный двигатель внутреннего сгорания с воспламенением горючего вещества от сжатия. За первый ход поршня в цилиндр всасывается воздух. За второй — воздух сжимается до 3 МПа (около 30 атм), нагреваясь при этом до 600 градусов. (В карбюраторных двигателях эти величины равны соответственно 1,5 МПа и 300 градусов.) В конце второго такта сжатым до 5–6 МПа воздухом в цилиндр через форсунки впрыскивается топливо, которое воспламеняется в разогретой воздушной среде. Продукты сгорания расширяются и толкают поршень — это третий, рабочий такт цикла. Во время четвертого такта поршень выдавливает продукты сгорания в атмосферу.

Теория и практика

Дизель предполагал, что в данном двигателе он сможет максимально приблизиться к циклу Карно, и поэтому отказался от водяного охлаждения. Дизель рассчитывал, что во время третьего, рабочего такта нагревание газов внутри цилиндра из-за сгорания топлива будет компенсироваться его охлаждением в результате их разрежения (как это происходит в холодильной камере).

Однако практика оказалась далека от теории. А самый первый опытный образец, построенный на Аугсбургском машиностроительном заводе в 1893 году, и вовсе имел не только теоретический, а вопиющий практический просчет.

По идее, в сильно разогретом цилиндре воспламеняет любое топливо: и газообразное, и жидкое, и твердое. И Дизель начал с твердого — с угольной пыли. Столь странный выбор был предопределен стратегическими соображениями: в Германии нет месторождений нефти, но в изобилии залегает бурый уголь. Уголь, конечно, воспламенялся. Но при этом оказался прекрасным абразивным материалом, буквально съедавшим цилиндр и поршень.

Затем была предпринята попытка использовать в качестве топлива светильный газ — смесь метана, водорода и окиси углерода, получающаяся при обработке угля и использовавшаяся для уличного освещения. Но и она не дала положительного результата.

Взлет и падение

В период от приобретения патента до изготовления работоспособного опытного образца Дизелю удалось увлечь своей идеей ряд крупнейших машиностроительных компаний, ставших его инвесторами: заводы Круппа, Аугсбургский и Нюрнбергский заводы, газомоторную фабрику «Дейтц» (Gasmotorenfabrik Deutz AG) и бельгийскую компанию «Братья Зульцер» (Gebrueder Sulzer Maschinenfabrik).

После того, как образец был успешно испытан, на изобретателя обрушился шквал предложений о приобретении прав на производство чудо-двигателя. И Рудольф Дизель мгновенно стал миллионером, продав за пять лет сто сорок один патент в тридцать семи стран мира.

И это в тот момент, когда двигатель с самовоспламенением топлива зарекомендовал себя с самой лучшей стороны. Экономичные дизели, имевшие рекордный КПД, работали как стационарные двигатели на электростанциях, внедрялись на флоте в качестве силовых установок.

В 1908 году Дизель создал малогабаритный двигатель, который начали устанавливать на грузовиках. Однако машиностроительные фирмы, опасаясь юридических проблем, связанных с неидентичностью конструкции и патента, разрывали контракты с изобретателем.

В 1913 году Рудольф Дизель находился на грани катастрофы. Огромное состояние было пущено по ветру. Дело дошло до того, что он был вынужден заложить дом и рассчитать почти всю прислугу. Ни одна компания в Европе не решается заключить с ним контракт на проведение совместных конструкторских работ. Лишь в Англии на новом двигателестроительном заводе ему предлагают унизительную должность инженера-консультанта. И он, недавний баловень судьбы, соглашается.

Его главный неистовый обличитель — профессор Людерс готовится издать в октябре 1913 года книгу «Миф о Дизеле». На 236 страницах Людерс стремился доказать, что Рудольф Дизель в действительности ничего не изобрел, что все принципы работы «теплового двигателя высокого сжатия» были известны и раньше. И что двигатель, построенный Дизелем, имеет множество просчетов, недоработок и ошибок, что делает его и неэффективным, и ненадежным. В общем, Людерс намеревался своим объемистым трудом «прихлопнуть» Дизеля.

Но не успел. Вечером 29 сентября 1913 года Дизель вместе с двумя коллегами сел в Антверпене на паром, идущий через Ла-Манш в Харвич. После ужина все разошлись по каютам. Утром Дизеля на пароме не было. Дежурный офицер, совершая обход, нашел на палубе его свернутое пальто, засунутое под рельсы. Через десять дней команда маленького бельгийского лоцманского катера обнаружила его тело, которое по морской традиции было предано воде.

Существует ряд версий происшедшей на пароме трагедии. Самоубийство. Несчастный случай. И, наконец, убийство с целью предотвратить передачу британским специалистам технических секретов германских подводных лодок, которое могли совершить немецкие агенты. Каждая из этих версий имеет под собой достаточно веские основания. Но ни одна из них в ходе следствия не была доказана.

Приключения дизеля в России

Как только промышленный мир облетела весть о новом двигателе, Эммануил Нобель, владелец машиностроительного завода в Петербурге, сразу же понял, что в России дизелям уготовано большое будущее. Потому что в России находятся неисчерпаемые запасы нефти, которая даже в чистом виде, без переработки, способна стать топливом для нового двигателя. Ну и, конечно же, была в том выгода не только для всей Руси великой, но и конкретно для семейства Нобелей, владеющего нефтеперерабатывающим товариществом «Братья Нобель».

В ноябре 1899 года «нефтяной» дизель мощностью 20 л.с. был готов. В 1900 году на Парижской выставке его главный конструктор профессор Георгий Филиппович Депп доказал, что русский дизель превосходит зарубежные аналоги.

Главной задачей для Нобеля было получение заказа военного ведомства на установку дизелей на военные корабли. Казалось бы, все шло к тому. В 1903 году в Петербурге, а также на Коломенском машиностроительном заводе начали выпускаться двигатели мощностью 150 л.с. Вначале дизели были установлены на два судна товарищества Нобелей — «Вандал» и «Сармат». Преимущества нефтяного двигателя по сравнению с паровой машиной были настолько очевидны, что владельцы пароходных компаний начали наперегонки оснащать дизелями свои суда.

Однако военно-морское министерство продолжает игнорировать выгодные предложения Нобеля. И лишь после поражения в русско-японской войне, продемонстрировавшей несостоятельность паросиловых установок, военные корабли наконец-то начинают оснащаться дизелями.

В июле 1908 года инженеры Нобеля создали реверсивный дизельный двигатель, опередив тем самым на несколько лет дизелестроение Европы и Америки. Для российского флота это был неоценимый подарок. Используя обычный дизельный двигатель, для осуществления заднего хода судна приходится применять реверс-редуктор, переключающий вращение винта в обратную сторону. В связи с чем возникают дополнительные потери и снижается КПД силовой установки.

Реверсивный дизель позволяет жестко соединять вал двигателя с гребным винтом. Реверс осуществляется за счет изменения фазы открытия впускного и выпускного клапанов и впрыска топлива. Это достигается расположением на распределительном вале двойного количества кулачков — для прямого хода и обратного.

Жизнь дизеля после смерти Дизеля

Существенным недостатком первых дизелей были невысокие скорости их работы, что препятствовало широкому применению в автомобильном транспорте. В 1923 году эту проблему решил немецкий инженер Роберт Бош, который сконструировал топливный насос высокого давления. Взамен воздушного компрессора он стал применять для нагнетания и впрыска топлива гидравлическую систему, получив за счет этого высокооборотистый двигатель. Новые двигатели начали широко использоваться в грузовиках и тепловозах.

В 1934 году швейцарскому инженеру Ипполиту Зауэру удалось увеличить мощность дизеля за счет применения особой, «кустистой», форсунки с распылением топлива двумя турбулентными потоками. Благодаря этим нововведениям в 1936 году начал серийно выпускаться первый легковой дизельный автомобиль Мерседес-Бенц 260D. Значительный прорыв в применении двигателя с экономичным расходом топлива, каковым является дизель, произошел в 70-е годы прошлого века, что было спровоцировано разразившимся энергетическим кризисом.

В начале XXI века в Европе наблюдался дизельный бум: продажи легковых автомобилей с дизельными двигателями в Старом Свете превышали 50%. Если бы профессор Людерс, главный обличитель Рудольфа Дизеля, дожил до этого времени, ему пришлось бы съесть свою монографию «Миф Дизеля». (Постепенно производители легковых машин начали отказываться от дизельных автомобилей в пользу гибридов и электрокаров. В 2023 году в Евросоюзе на долю машин с дизельным двигателем пришлось менее 14% продаж. — Прим. Vokrugsveta.ru).

_{Материал опубликован в феврале 2007 в проекте «Телеграф Вокруг света», частично обновлен в июне 2024}