Войти
 Первое издание | |
| Автор | Рудольф Дизель |
|---|---|
| Первоначальное название | Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten |
| Страна | |
| Немецкое королевство | Немецкий |
| Жанр | Научная литература |
| Издательство | Verlag von Julius Springer |
| Дата публикации | 10 января 1893 г. |
| Опубликовано на английском языке | 1894 |
| Тип носителя | Печать |
| ISBN | 978-3-642-64949-3 |
25-летний Рудольф Дизель 
Патент Дизеля DRP 67 207 Теория и построение рационального Тепловой двигатель (немецкий : Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren; английский: Теория и построение рационального теплового двигателя с остроумием h цель замены известных сегодня паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания) - это эссе, написанное немецким инженером Рудольфом Дизелем. Он был составлен в 1892 году и впервые опубликован Springer в 1893 году. В 1894 году последовал перевод на английский язык. Была напечатана тысяча экземпляров первого немецкого издания. В этом эссе Рудольф Дизель описывает свою идею двигателя внутреннего сгорания на основе цикла Карно, преобразующего тепловую энергию в кинетическую энергию. используя высокое давление, с тепловым КПД до 73%, что превосходит любую паровую машину того времени.
Дизель разослал копии своего эссе известным немецким инженерам и университетских профессоров за распространение и продвижение его идеи. Он получил множество отрицательных отзывов; Многие считали, что позволить тепловому двигателю Дизеля стать реальностью нереально из-за возникающих высоких давлений 200–300 атм (20,3–30,4 МПа), которые, по их мнению, машины того времени не могли выдержать. Лишь немногие нашли настоящую ошибку в теории Дизеля: изотермическое - адиабатическое сжатие, на котором основана теория, невозможно. Даже при почти изотермически-адиабатическом сжатии двигатель не мог работать из-за бедной топливовоздушной смеси. Другими словами, двигатель, описанный в эссе, потребовал бы такой большой работы по сжатию, что он не мог бы выполнять какую-либо полезную работу.
Тем не менее, некоторые ученые того времени хвалили идею Дизеля, которая привела к Maschinenfabrik Augsburg и Krupp Essen образуют консорциум для создания дизельного двигателя. Дизель, которому тогда было приказано построить собственный двигатель, осознал свою ошибку и подумал об использовании модифицированного процесса сгорания. Ключевыми изменениями являются способ сжатия, который является адиабатическим только в модифицированном процессе сгорания, давление, которое Дизель значительно снизил, и впрыск топлива, при котором Дизель увеличил количество топлива. В 1897 году, после четырех лет работы, Дизель успешно закончил свой рациональный тепловой двигатель, 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.
Теория и построение рационального теплового двигателя состоит из девяти глав. Первая глава описывает теорию горения и разделена на пять отдельных процессов горения, из которых третий - процесс постоянного давления, используемый для рационального теплового двигателя. Поэтому более подробно он описан в этой статье. Во второй главе Дизель описывает, как он намеревается спроектировать и построить двигатель с указанной мощностью 100 л.с. В третьей главе Дизель пытается обратиться к использованию процесса только с адиабатическим сжатием; четвертая глава описывает проектирование реального двигателя для этого модифицированного процесса. В пятой главе рассматривается еще один модифицированный процесс с неполной фазой расширения, но Diesel не включает концепцию дизайна. Кроме того, он рассматривает полностью замкнутый цикл в шестой главе и использует свое изобретение в качестве холодильника в седьмой главе. Его теории о том, как использовать рациональный тепловой двигатель, описаны в восьмой главе. Девятая глава включает дополнительные комментарии. Его дополнительная работа Nachträge zur Bröschüre не включена в исходное эссе, но в новых изданиях она служит десятой главой.
Идея Дизеля о рациональном тепловом двигателе заключалась в разработке цикла, который позволил бы максимально использовать тепло, на основе цикла Карно. Чтобы преодолеть низкий КПД паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания того времени, Дизель хотел создать двигатель внутреннего сгорания совершенно нового типа. В 1890-х годах обычные газовые двигатели были способны преобразовывать только 6% энергии топлива в кинетическую энергию; хорошие паровые машины тройного расширения были немного лучше, они могли преобразовывать 7,2% энергии топлива в кинетическую энергию. Дизель сказал, что его рациональный тепловой двигатель имеет тепловой КПД 73%, таким образом, он способен преобразовывать примерно от 6 до 7 раз больше химической энергии в кинетическую энергию, что означает, что его КПД составляет примерно 50%. Дизель даже утверждал, что будущие версии его двигателя будут иметь еще более высокий КПД.
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. В своей книге 1913 года Die Entstehung des Dieselmotors он отрицает, что воспламенение от сжатия является ключевой особенностью его двигателя:
Я не заявлял о воспламенении от сжатия ни в одном из своих патентов, и не заявлял об этом в своих публикациях как о цели, которой стоит достичь.
— Рудольф ДизельНа странице 16 «Теории и конструирования рационального теплового двигателя» Дизель пишет, что воспламенение в его рациональном тепловом двигателе происходит либо посредством искусственного воспламенения, либо с помощью воспламенения от сжатия:
Теперь происходит воспламенение. либо искусственно, либо, если температура достаточно высока, с помощью воспламенения от сжатия
— Рудольф Дизель
Идеальный цикл Дизельный процесс - это гипотетическая модель постоянного давления с четырьмя различные процессы, так называемый цикл, означающий, что эти четыре различных процесса могут повторяться снова и снова. Эти различные процессы представляют собой те же процессы, которые можно найти в четырехтактном двигателе : впуск, сжатие, сгорание, выхлоп. Все четыре удара вместе образуют цикл, результатом которого должна быть полезная работа. В процессе дизельного топлива используется специальный ход сжатия, основанный на идее, что газ можно сжимать комбинированным изотермически-адиабатическим способом. Изотермический означает, что температура во время сжатия не изменяется, что требует отвода тепла; адиабатический означает, что газ меняет свой объем, но без рассеивания тепла. Это означает, что не существует отходящего тепла.
. В качестве средства сжатия, дизельное топливо предназначалось для использования условного цилиндра сжатия. Этот процесс требует работы и состоит из четырех этапов:
Для особого процесса сгорания дизель предполагал использование условного расширительного цилиндра. Опять же, он состоит из четырех фаз:
Добавление этих фаз приведет к диаграмме, подобной диаграмме Карно, показанной справа. Поскольку в газ будет добавляться топливо, начальная позиция 1 не будет идентична конечной позиции 1, а это означает, что всегда требуется немного больше работы. Однако компания Diesel рассматривала возможность использования очень обедненной топливовоздушной смеси, в результате чего объем необходимой дополнительной работы был незначительным. Теоретически процесс горения заканчивается в позиции 4 диаграммы. Но это не конец формирования работы, имеющей место в двух фазах горения (3–4) и расширения (4–1), как объяснялось. Дизель считал изотермическую фазу расширения невозможной, потому что это привело бы к гигантскому цилиндру расширения, что привело бы к очень большому и непрактичному двигателю. Вот почему расширение газа является адиабатическим и происходит только до достижения атмосферного давления. Он считал, что требуется дополнительная работа, приводящая к общей потере работы, «неважной», потому что он считал более разумным создание настоящего двигателя, чем сосредоточение внимания на максимальной эффективности. В результате получилась оригинальная диаграмма дизеля.
Теория Дизеля имела три основные проблемы:
Тепловой КПД и работа двигателя не работают. зависят от количества воздуха, но от степени сжатия. Чем больше будет степень сжатия, тем выше будет термический КПД; этот КПД совершенно не зависит от максимальной температуры процесса; следовательно, высокая температура сгорания не представляет интереса, необходима полная противоположность высокой температуры; при высокой температуре необходимо рассеивать тепловую энергию, чтобы предотвратить поломку деталей двигателя, поддержание 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 рассеивания тепла, поэтому водяное охлаждение практически не требуется.
— Рудольф ДизельФактически, высокая степень сжатия увеличивает эффективность, однако, только до определенного момента, потому что, как полагал Дизель, должно было быть рассеяно слишком много тепловой энергии и возникло бы слишком большое трение, которое не могло быть компенсировано работой двигателя. С другой стороны, слишком низкая степень сжатия приводит к недостаточному использованию тепла. Разрабатывая свою теорию, Дизель уже рассматривал возможность снижения сжатия до 90 атм (9,1 МПа), что, по его мнению, приведет только к 5% потере теплового КПД, но к значительному увеличению фактического КПД, однако он рекомендует максимально увеличить давление. Его решение проблемы рассеивания тепла по-прежнему было неправильным: он решил использовать больше воздуха, в результате чего получилась слишком бедная воздушно-топливная смесь. Такая топливно-воздушная смесь не может обеспечить никакой работы, потому что она не может гореть даже при искусственном воспламенении.
Как уже упоминалось, Дизеля больше всего критиковали за его идею теплового двигателя, но тоже получил положительные отзывы. Однако большинство критиков не критиковали недостаток теории, а именно то, что тепловая машина Дизеля для работы использовала очень большое давление. Сам Дизель признал отзывы:
Публикация моего эссе вызвала резкие отзывы... в среднем они были неблагоприятными, довольно разрушительными... Положительных отзывов было всего три, но они были весьма важны. Я перечисляю имена: Linde, Schröter, Zeuner...
— Rudolf Diesel[В отношении отрицательных отзывов] я рассматриваю только Отзыв профессора Ридлера и [Цублина] имеет отношение к делу.
— Рудольф Дизель, инженер Sulzer, и профессор Алоис Ридлер пришли к выводу, что двигатель Дизеля может потребовать столько компрессионной работы, что он не может выполнять какую-либо полезную работу. В своей работе 1887 года «Theorie der Gasmotoren» Отто Кёлер уже указывал, что идеальный цикл не подходит для настоящего двигателя, и пришел к тому же выводу, что и предыдущий. Он предвидел проблему потерь на трение, делающих работу двигателя бесполезной, и в письме, адресованном другу Дизеля Венатору, он счел необходимое давление слишком высоким:
Кроме того, я рассматриваю возможность создания теплового двигателя, используя цикл Карно и воздух., невыполнимо. Нельзя избежать огромного давления поршня, которое требует очень большой трансмиссии. И здесь я не говорю о проблемах, которые сам процесс может вызвать в первую очередь. (...) По моему мнению, вся указанная работа двигателя Дизеля потребуется для преодоления огромного трения.
— Отто КёлерДругие критики скорее опасались, что материал не выдержит огромной нагрузки, но В остальном я не критиковал ошибку теории Дизеля:
Надеюсь, вы не обидитесь на меня, но, имея большой практический опыт, я серьезно сомневаюсь в создании реального двигателя на основе этих теорий. Никто никогда не имел опыта создания двигателя, способного развивать скорость 300 об / мин, выдерживать давление более 200 атмосфер, а также потреблять и сжигать твердое топливо за очень короткое время, и я считаю, что не ошибаюсь, если я предполагаю, что этот опыт будет огромным. разочарование.
— Ойген ЛангенДругие хвалили Дизель и теорию:
... Я желаю вам успеха... вывод на рынок хорошо спроектированного продукта, тщательно изготовленного в молчании, и вытеснения паровой двигатель со своего трона в конце века он принял его! Никто, предсказавший падение паровой машины, никогда не был столь радикален, как вы, поэтому победа будет за вами...
— Мориц ШретерУчитывая, насколько хуже сжигание угля в паровой машине и сжигание газа в бензиновые двигатели, насколько сложно было достичь современного уровня эффективности двигателя и как мало шансов, что на текущем пути еще можно будет достичь чего-то значительного, оставить этот путь - это то, что нужно сделать, и новый путь
— Мортис ШретерПуть, который, как мы можем надеяться, приведет нас ближе, чем когда-либо прежде, к идеальному циклу Карно, был предопределен как спокойствием и вдумчивостью, так и смелостью и достоверностью в его достижении.
— Мортис ШретерС точки зрения простой теории, я на вашей стороне, и я ценю ваше предложение о новом тепловом двигателе; Я давно не читал ничего о нашей дисциплине, которая меня так интересовала. Ваши основные теории и новые, и правильные.
— Густав ЗойнерНесмотря на то, что я еще не оценивал техническую ценность двигателя Дизеля, поскольку он еще не построен, следует признать, что он должен дать конструкции двигателя внутреннего сгорания верное направление к совершенствованию теплового двигателя. Кроме того, перед инженером будет поставлена удовлетворительная задача - спроектировать новый двигатель для промышленного применения, как маленького, так и огромного по своим размерам, а также для локомотивов и кораблей. Независимо от пара, сжатого воздуха, электричества и газовых труб, отсутствие необходимости в котле, дымовой трубе и топливном угле, отсутствие дыма в выхлопных газах, но очень эффективное использование топлива, несомненно, окажет влияние на машиностроение и транспортную отрасль. Высокая научная, техническая и экономическая важность рационального теплового двигателя Дизеля, несомненно, будет способствовать его развитию...
—Ваша машина снова атакует могучий паровой двигатель, превосходя его по эффективности. Однажды технология должна прийти к тому моменту, когда она избавится от давно известных недостатков ее старого парового двигателя.
— Франц Рило
Фаза 2–3, обратимое постоянное давление нагрев (изотерма) невозможен. 
Тепловой двигатель, использующий модифицированный процесс сгорания Дизеля, построенный Langen Wolf в 1898 году по лицензии; находится в Техническом музее в Вене Поскольку Дизель считал, что реакция Ридлера и Цублина на его эссе имеет отношение к делу, он попытался объяснить их точку зрения, 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 с учетом максимальных потерь. Он приходит к выводу, что абсолютный минимум теплового КПД составляет не менее 30,4–31,6%, что все еще более чем в 2½ раза превышает тепловой КПД паровой машины тройного расширения и в 4–5 раз превышает тепловой КПД. КПД средней паровой машины. 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 подумал об увеличении продолжительности периода допуска за счет увеличения предполагаемой длины изотермы на идеальной диаграмме своего двигателя (красная линия на диаграмму справа), что, по мнению Дизеля, приведет к повышению эффективности. В то время он не понимал, что его диаграмма не показывает изотерму . При реальной изотерме объем входной работы был бы почти больше, чем выходной, что привело бы к узкой диаграмме pV, указывающей на то, что рациональный тепловой двигатель не будет выполнять никакой работы.
Дизелю потребовалось несколько месяцев чтобы понять проблему. В мае 1893 г. он приступил к разработке нового процесса сжигания под названием «Schlußfolgerungen über die Definitiv f. d. Praxis zu wählende Arbeitsmethode des Motors »(вывод из принципа работы, который обязательно должен быть выбран для практического двигателя); прошло до сентября того же года. К 16 июня 1893 года, до того, как он начал эксперименты со своим двигателем на Maschinenfabrik Augsburg, он понял, что цикл Карно практически невозможен, и поэтому он должен изменить способ работы своего двигателя: «Несмотря на мое старое противоположное утверждение., необходимо ответить на вопрос, приведут ли другие процессы сгорания, кроме изотермического, к большей диаграмме ″ (= фактическая работа двигателя). Таким образом, Дизель в конце концов отказался от своей идеи изотермино-адиабатического сжатия, позже он сделал запись в своем журнале: «Мы не должны сжимать воздух комбинированным изотермически-адиабатическим способом, вместо этого мы должны сжимать его только адиабатически».
Чтобы добиться этого, Дизель теперь хотел поднять точку 3 на своей диаграмме вместо увеличения продолжительности периода допуска 2–3 за счет сокращения 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 для гарантии того, что изменения в его процессе сгорания также будут покрытый патентом, 29 ноября 1893 года он подал заявку на новый дополнительный патент, который позже был ему выдан (DRP 82 168). И снова компания Diesel совершила ошибку: вместо того, чтобы впрыскивать топливо быстрее, правильным решением в этом случае было бы впрыскивание большего количества топлива. Выполняя расчеты 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 / PSh = 750 см / PSh парафина, таким образом, 7500 см для парафина. 10 PSh. Мы должны предположить такое же количество топлива для нашего двигателя, работающего при максимальной нагрузке, и 150 × 60 = 9000 впрысков в час ». Так Дизель обнаружил, что он должен использовать соотношение воздух-топливо ~ 14: 1, а чем ~ 100: 1 для исправного двигателя. Кроме того, Дизель, наконец, решил отказаться от своей концепции высокого давления сжатия в пользу более низкого давления 30 атм (3 МПа), более подходящего для машин 1890-х годов. Правильно, он предположил, что более низкая компрессия, несмотря на меньшую тепловую эффективность, приведет к меньшему трению, что позволит двигателю иметь более высокий общий КПД, чем двигатель с более высоким тепловым КПД, но большими потерями на трение:
Фактический КПД имеет максимум от 30 до 40 атмосфер и от 500 до 600 °. Более высокое сжатие бесполезно, потому что дополнительный тепловой КПД становится бесполезным из-за потери механического КПД и потому, что удельная выходная мощность уменьшается с увеличением сжатия из-за высоких потерь на трение.
— Рудольф Дизель, лето 1893 г.Публично, Дизель никогда не признал свои ошибки, несмотря на то, что знал их и как их преодолевать. 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, уничтожило бы его личную работу, потому что это позволило бы построить дизельный двигатель без получения лицензии на его патент.
Дизель опасался, что возможные лицензиаты могут получить «неблагоприятное впечатление», увидев значение высокого давления сжатия. Таким образом, 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 только к потере теплового КПД на 5%, но увеличению общего КПД, поэтому Diesel решил, что ″ не может быть никаких сомнений, что процесс отклонения должен быть выбран для фактического двигателя ″. Самое низкое давление для дизельного топлива, которое считается приемлемым, составляет 44 атм (4,5 МПа), что дает тепловой КПД 60%. По словам Дизеля, в то время материалы уже были способны выдерживать такое высокое давление. Он также признал, что давление около 30 атм (3 МПа) может быть использовано в качестве последнего решения для перекрытия, если более высокое сжатие невозможно. Во время своих экспериментов в Аугсбурге Дизель в конечном итоге обнаружил, что идеальное сжатие для двигателя находится в диапазоне от 30 до 35 атм (3–3,5 МПа) после того, как он сначала рассмотрел несколько более высокие значения 30–40 атм (3–4,1 МПа). разумно. При снижении давления сжатия Дизель всегда старался поддерживать его выше температуры самовоспламенения топлива, поэтому в конечном итоге он решил выбрать 30 атм.
В В восьмой главе Дизель дает пять предложений, как его двигатель можно использовать в качестве:
оценивает в книге 1991 года Leistung und Weg: Zur Geschichte des MAN-Nutzfahrzeugbaus, что основным намерением Дизеля была разработка двигателя для малых промышленность. По словам Дроши, Дизель думал, что с помощью дизельного двигателя он может повысить конкурентоспособность малых предприятий. В 19 веке только более крупные фирмы могли позволить себе паровые двигатели, поскольку паровые двигатели были экономичными только в больших количествах.
