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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Diesel. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Dieselmotor (Diesel) ist ein Kolben-Verbrennungsmotor, der nach dem Prinzip der Selbstentzündung von zerstäubtem Kraftstoff durch den Einfluss von bei der Kompression erhitzter Luft arbeitet. Das Kraftstoffspektrum für Dieselmotoren ist sehr breit gefächert und umfasst alle Fraktionen der Ölraffination von Kerosin bis Heizöl sowie eine Reihe von Produkten natürlichen Ursprungs – Rapsöl, Speisefett, Palmöl und viele andere. Ein Dieselmotor kann mit einigem Erfolg mit Rohöl betrieben werden.
Wie Sie wissen, ist einer der Hauptindikatoren, anhand derer der Betrieb eines Motors, einschließlich eines thermischen, bewertet wird, seine Effizienz. Je mehr Energie bei der Verbrennung von Kraftstoff in nutzbare Arbeit umgewandelt wird, je weniger sie bei verschiedenen Umwandlungen verloren geht, desto besser. Bei allen bestehenden Wärmekraftmaschinen sind diese Verluste sehr hoch, sodass mehr als zwei Drittel der darin freigesetzten Energie verschwendet werden. Was ist hier der Grund? Liegt das an einer schlechten Konstruktion oder kann eine Wärmekraftmaschine grundsätzlich nicht von Natur aus hocheffizient sein? Zum ersten Mal hat sich der französische Ingenieur Carnot, der 1824 das klassische Werk Reflections on the Driving Force of Fire veröffentlichte, Gedanken über diese Frage gemacht. Carnot hat es sich zur Aufgabe gemacht, herauszufinden, wie die Prozesse in einer idealen Wärmekraftmaschine ablaufen sollten, damit ihr Wirkungsgrad möglichst hoch ist. Durch Berechnungen leitete er schließlich das Konzept eines Kreisprozesses im Betrieb aller Wärmekraftmaschinen ab (man nennt ihn „Carnot-Kreisprozess“), bei dem zwischen zwei Temperaturen T1 und T2 des Arbeitsmediums des Motors (das Arbeitsmedium) liegt das Gas, das den Kolben bewegt; es kann Dampf in einer Dampfmaschine oder ein explosives Gemisch in einer Gasmaschine sein), können Sie die maximale Nutzarbeit und damit den höchsten Wirkungsgrad erzielen.
Die Arbeit dieses hypothetischen Hochleistungsmotors sollte, wie Carnot bewies, aus vier Zyklen bestehen. Im ersten Kreislauf wird dem Arbeitsmedium Wärme Q1 aus dem oberen Niveau T1 bei konstanter Temperatur dieses Niveaus zugeführt (d. h. in diesem Kreislauf muss das Arbeitsmedium unter Beibehaltung einer konstanten Temperatur expandieren, was durch Erwärmung erreicht wird Karosserie). Während des zweiten Zyklus expandiert das Arbeitsmedium, jedoch ohne Wärmezufuhr, bis seine Temperatur auf das niedrigere Niveau T2 abfällt. Im dritten Zyklus wird das Arbeitsmedium bei einer konstanten Temperatur T2 verdichtet (dazu musste ständig Wärme Q2 abgeführt werden). In der vierten Stufe wurde das Arbeitsmedium ohne Wärmeabfuhr komprimiert, bis seine Temperatur wieder auf T1 anstieg. Wenn alle diese Bedingungen erfüllt waren, wurde nach den Berechnungen von Carnot der Wirkungsgrad des Motors durch die Formel 100•(1 - T2/T1) bestimmt und erreichte etwa 70-80%. Während des gesamten 100. Jahrhunderts erregten Carnots Berechnungen das kreative Denken von Erfindern, die versuchten, eine Antwort auf die Frage zu finden: Wie kann man die Arbeit echter Wärmekraftmaschinen näher an die Arbeit am "Carnot-Kreis" bringen und den höchstmöglichen Wirkungsgrad erzielen. Aber alle Versuche, einen solchen Motor zu bauen, blieben erfolglos. Zum Beispiel der Wirkungsgrad einer Dampfmaschine bei einer Leistung von 13 PS. 10 % nicht überschritten und bei Motoren mit geringer Leistung weniger als 22 %. Der Wirkungsgrad von Benzin- und Gasmotoren fiel etwas höher aus, überschritt aber auch 24-XNUMX% nicht. Das war der Stand der Dinge, als Anfang der 90er Jahre der junge deutsche Ingenieur Rudolf Diesel sich an die Entwicklung des „Idealmotors“ machte. Noch als Student setzte er sich zum Ziel, einen solchen Motor zu entwickeln, dessen Leistung nahe am „Carnot-Zyklus“ liegen sollte und der einen herkömmlichen Ottomotor sowohl in Leistung als auch im Wirkungsgrad übertreffen sollte. Nach mehreren Jahren harter Arbeit wurde das Motordesign entwickelt. Die Essenz von Diesels Idee war folgende. In der ersten Stufe komprimiert der Kolben die Luft im Zylinder auf einen hohen Druck, wodurch die Temperatur im Zylinder auf die Zündtemperatur des Kraftstoffs ansteigt (dies entsprach dem vierten Carnot-Zyklus - Kompression ohne Wärmeabfuhr). So wurde im Zylinder ein Druck von etwa 90 atm und eine Temperatur von etwa 900 Grad erreicht. Kraftstoff wurde dem Zylinder am Ende des Kompressionszyklus zugeführt und aufgrund der hohen Lufttemperatur durch einen Kontakt mit ihm ohne externe Zündung gezündet. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgte gleichmäßig, so dass ein Teil der Rückwärtsbewegung des Kolbens und die Expansion von Gasen bei konstanter Temperatur stattfanden (gemäß dem ersten "Carnot-Zyklus"). Außerdem bewegte sich der Kolben bereits unter dem Einfluss von hohem Druck, ohne Kraftstoff zu verbrennen (zweiter „Carnot-Zyklus“). Der dritte Zyklus entsprach dem Ausstoßen und Ansaugen eines frischen Teils atmosphärischer Luft. Dann wurden alle Zyklen wiederholt. Dank eines solchen Geräts dachte Diesel daran, den Wirkungsgrad seines Motors auf einen unerhörten Wert zu steigern - 73%. Zuerst erwartete er, Ammoniakdampf als Brennstoff zu verwenden, aber dann entschied er sich für Kohlepulver. 1892 erhielt Diesel ein Patent für das beschriebene Funktionsprinzip des Motors und veröffentlichte 1893 die Broschüre „Theory and Design of a Rational Heat Engine“ mit einer Beschreibung des Motors und seinen mathematischen Berechnungen.
Die Broschüre erregte viel Aufmerksamkeit. Die meisten Ingenieure hielten Diesels Idee jedoch für nicht realisierbar. Der damals größte Spezialist für Gasmotoren, Köhler, warnte davor, dass ein so hoher Wirkungsgrad nicht zu erreichen sei, da der Dieselmotor sehr hohe Leistungsverluste beim Verdichten der Luft auf Zündtemperatur und beim Arbeiten am „Carnot-Kreisprozess“ habe. alle nützliche Arbeit wird nur darauf verwendet, seine eigene Bewegung aufrechtzuerhalten. Trotzdem begann Diesel, sein Modell offensiv verschiedenen deutschen Firmen anzubieten. Anfangs stieß er überall auf Ablehnung. Ohne Verzweiflung setzte er die Korrespondenz fort, argumentierte, argumentierte, und hatte schließlich Erfolg: Die Firma Krupp in Essen erklärte sich bereit, die Kosten zu finanzieren, und die Leitung des Augsburger Werks, ein Testmuster herzustellen. Bereits im Juli 1893 wurde der erste Einzylinder-Dieselmotor gefertigt. Gemäß der ursprünglichen Konstruktion sollte die Kompression in seinem Zylinder 90 atm erreichen und die Temperatur vor Beginn der Kraftstoffansaugung 900 Grad betragen. Da die Temperatur diese Grenze nicht wesentlich überschreiten sollte, wurde für den Motor kein Kühlsystem vorgesehen. Auch der Kompressor war nicht geplant – Kohlepulver sollte von einer Pumpe eingeblasen werden. Doch schon bei der Montage war Diesel nach Überprüfung seiner Berechnungen überzeugt, dass Koehler Recht hatte – die Motorleistungsaufnahme zum Verdichten von Luft auf bis zu 90 Atmosphären erwies sich als zu hoch und „fraß“ den gesamten Effizienzgewinn durch Arbeit auf dem "Carnot-Zyklus". Ich musste meinen Plan unterwegs wiederholen. Um den Leistungsverlust für die Kompression zu reduzieren, beschloss Diesel, den Druck im Zylinder um mehr als die Hälfte zu reduzieren - auf 35-40 atm. Dabei hätte die Temperatur der Druckluft statt 900 Grad nur 600 Grad betragen sollen. Das war sehr gering – die Temperaturdifferenz in der Carnot-Formel erwies sich als zu klein, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Um die Situation zu verbessern und die Leistung des Motors zu steigern, musste Diesel den zweiten wichtigen Punkt seiner Konstruktion aufgeben - die Ausdehnung des Arbeitsmediums bei konstanter Temperatur. Er berechnete, dass die Temperatur während der Verbrennung von Kraftstoff auf 1500 Grad ansteigen sollte. Und das wiederum erfordert erstens die intensivste Kühlung des Motors und zweitens mehr hochkalorischen Kraftstoff. Kohlenstaub konnte keine so hohe Temperatur erzeugen, sodass Diesel gezwungen war, sich flüssigem Kraftstoff zuzuwenden. Doch beim ersten Versuch, Benzin in den Zylinder einzuspritzen, ereignete sich eine Explosion, die dem Erfinder und seinen Helfern beinahe das Leben gekostet hätte. Damit endete der erste Test. Es hatte zwei Ergebnisse. Vom ursprünglichen Schema seines „Idealmotors“ musste Diesel Schritt für Schritt ein ganzes Stück abweichen. Andererseits wurden einige grundlegende Punkte seiner Berechnungen bestätigt - eine starke Verdichtung des Arbeitsgemisches führte zu einer Steigerung des Wirkungsgrades und außerdem (die Explosion bewies dies) stellte sich heraus, dass der Kraftstoff wirklich gezündet werden kann durch Kompression, ohne auf ein teures Zündsystem zurückzugreifen. Daher waren die Firmen, die das Projekt finanzierten, im Allgemeinen mit dem erzielten Erfolg zufrieden, und Diesel konnte seine Experimente fortsetzen.
Im Juni 1894 wurde ein zweiter Motor gebaut, für den Diesel eine Düse erfand, die die Kerosineinspritzung steuerte. Bei diesem Modell wurde der Druck im Zylinder auf 35-40 atm und die Temperatur am Ende der Kompression auf 500-600 Grad erhöht. Der Motor konnte nicht nur starten, sondern auch mit einer Frequenz von bis zu 80 U / min im Leerlauf laufen. Es war ein großer Erfolg – Diesels Idee erwies sich als tragfähig. 1895 wurde ein dritter Motor gebaut, der bereits mit geringer Last arbeiten konnte. Für die Kerosineinspritzung wurde hier erstmals ein Kompressor vorgesehen. Außerdem musste ein intensives Kühlsystem entwickelt werden, um ein Blockieren des Zylinders zu verhindern. Erst danach, 1896, brachte die Einführung eines neuen Prototyps den Erfolg. Beim Test mit Last betrug der Wirkungsgrad des Motors 36% und der Kerosinverbrauch betrug etwa 200 g pro PS und Stunde. Obwohl diese Zahlen sehr weit von den Parametern des "idealen Motors" entfernt waren, waren sie dennoch beeindruckend: Der Wirkungsgrad des neuen Motors war 10-12% höher als der der damaligen Benzinmotoren, und in Bezug auf dessen Effizienz hat es sie fast verdoppelt. Obwohl Diesel seinen Traum nicht erfüllen konnte, war das, was er tat, von großer Bedeutung - dank seiner Beharrlichkeit wurde eine grundlegend neue Konstruktion des Verbrennungsmotors entwickelt, die in den letzten hundert Jahren die beste war und ist. Der neue Motor funktionierte wie folgt. Während des ersten Hubs des Kolbens wurde aufgrund der für den vorherigen Betrieb der Maschine gespeicherten Arbeitskraft des Schwungrads Luft in den Zylinder gesaugt. Während des zweiten Takts wurde die im Zylinder eingeschlossene Luft, auch aufgrund der Arbeitskraft des Schwungrads, auf 35 atm komprimiert. Gleichzeitig brachte ihn die bei der Verdichtung freigesetzte Wärme auf die Zündtemperatur des Kraftstoffs. Zu Beginn des dritten Taktes wurde Kerosin mit einer Pumpe eingebracht. Diese Injektion dauerte nur einen kleinen Teil des Schlaganfalls. Während des restlichen Hubs expandierte die Gasmasse und die Arbeitskraft wurde auf den Kolben übertragen, der über die Pleuelstange auf die Motorkurbelwelle übertragen wurde. Beim vierten Takt schossen die Verbrennungsprodukte durch das Auspuffrohr in die Atmosphäre. Der Motor war mit einem Kompressor ausgestattet, der in einem speziellen Reservoir Luft mit einem etwas höheren Druck als dem höchsten Druck im Zylinder kondensierte. Aus diesem Reservoir wurde Luft durch ein Rohr mit sehr kleinem Durchmesser in eine kleine Düsenkammer geleitet, dh eine Vorrichtung zum Versprühen des zugeführten Kraftstoffs, in die gleichzeitig Kerosin zugeführt wurde. Diese Kammer war durch ein kleines Loch, das von einer Nadel verschlossen wurde, mit dem Inneren des Zylinders verbunden: Wenn diese Nadel angehoben wurde, wurde das Kerosin aufgrund des Überdrucks in der Kammer in den Zylinder getrieben. Die Verbrennung im Zylinder wurde je nach Kraft, die der Motor entwickeln musste, entweder durch Änderung der Dauer der Kraftstoffzufuhr oder durch Änderung des Drucks im Kompressor geregelt. Dieselbe Druckluft wurde auch für den Erststart des Motors aus kaltem Zustand verwendet. Oben auf dem Motor befand sich eine Nockenwelle mit fünf Nocken, einer steuerte das Ventil, das Luft einließ, der andere - das Ventil, das Kerosin einließ, der dritte - das Ventil, das Verbrennungsprodukte freisetzte. Die letzten beiden Nocken steuerten die Ventile, durch die beim ersten Start des Motors Druckluft in den Zylinder eingelassen wurde.
Schon die ersten offiziellen Tests des neuen Motors sorgten bei den Ingenieuren für Furore. Seit dieser Zeit begann der Siegeszug des „Diesels“ um die Welt. Viele Firmen, die zuvor nicht auf Diesels Angebot reagiert hatten, hatten es eilig, ihm das Recht abzukaufen, die von ihm erfundenen Motoren zu bauen, und dies kostete sie jetzt viel Geld (zum Beispiel bezahlte Emmanuel Nobel, der eine Dieselproduktion in Russland aufbauen wollte Diesel etwa 500 Tausend Dollar). Bereits 1898 wurde Diesel völlig unerwartet Millionär. Die ersten Serienmotoren erwiesen sich jedoch als unbefriedigend, launisch und fielen oft aus. Die Freigabe einer so komplexen und hochtechnologischen Maschine überstieg die Macht vieler Fabriken mit veralteter Ausrüstung. Wie seinerzeit Watt musste Diesel viel Mühe aufwenden, um den Produktionsprozess für die Herstellung von Dieselmotoren zu perfektionieren – neue Maschinen zu entwickeln, geeignete Legierungen zu finden und Fachkräfte auszubilden. Mehrere Jahre lang reiste er durch Europa und Amerika und besuchte die Fabriken, in denen seine Motoren hergestellt wurden. Zu Beginn des 1900. Jahrhunderts waren die Hauptschwierigkeiten überwunden und Dieselmotoren eroberten nach und nach immer mehr neue Anwendungsgebiete in Industrie und Verkehr. XNUMX erhielten Dieselmotoren auf der Weltausstellung in Paris den Grand Prix. Das Prestige der neuen Motoren wurde besonders durch die Nachricht gesteigert, dass das Nobel-Werk in Russland mit der Produktion sehr guter Motoren begonnen hatte, die mit Rohöl betrieben wurden. Autor: Ryzhov K.V.
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