Історія створення дизельного двигуна: від ідеї Рудольфа Дизеля до Common Rail

Автор матеріалу: Олег Тимошенко

Дизельний двигун, тобто двигун із запалюванням від стиснення, винайшов німецький інженер Рудольф Дизель: патент на нього він отримав у 1890-х роках, а перший працездатний двигун був збудований у 1897 році в Аугсбурзі і мав термічний ККД 26,2%, приблизно вдвічі вищий, ніж у тогочасних парових машин. Поширитися на автомобілях дизель зміг після появи компактних паливних насосів високого тиску в 1920-х роках, а сучасний етап його розвитку пов'язаний із системою Common Rail, яку Bosch вивів на ринок легкових автомобілів у 1997 році.

Рудольф Дизель: шлях до винаходу

Рудольф Крістіан Карл Дизель (Rudolf Christian Karl Diesel) народився 18 березня 1858 року в Парижі в родині ремісника з Аугсбурга. Його предки були палітурниками і книготорговцями, а родовід сім'я вела з тюринзького містечка Песнек. Родина Теодора Дизеля багато років жила в Парижі, але з початком франко-прусської війни 1870 року мусила переїхати до Англії. Згодом хлопця відправили до родичів в Аугсбург, де він став першим учнем реального училища, а потім з відзнакою закінчив Вищу політехнічну школу в Мюнхені. Музика, поезія та образотворче мистецтво приваблювали його так само, як і математика.

Професор Карл фон Лінде, винахідник холодильної машини, запросив молодого інженера на роботу в паризьке відділення своєї фірми. Лінде зацікавив Дизеля проблемами теплових двигунів - парових машин і двигунів внутрішнього згоряння, які щойно з'явилися завдяки винаходам Ніколауса Августа Отто. Кілька років Дизель працював над розрахунками і кресленнями двигуна, що працював на парах аміаку, але створити навіть на папері двигун, помітно економічніший за парову машину, йому не вдавалося.

Ідея: стискати повітря, а не пальне

Прагнучи побудувати економічний двигун, Дизель ретельно вивчив трактат «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» французького інженера Ніколя Леонара Саді Карно (1796-1832). За думкою Карно, в найекономічнішому двигуні робоче тіло слід нагрівати до температури горіння палива лише «зміною об'єму», тобто швидким стисненням, а після займання палива підтримувати температуру сталою. Це можливо лише за одночасного згоряння палива і розширення газу.

Дизель вирішив стискати не горючу суміш, а лише повітря, і наприкінці стиснення впорскувати в циліндр рідке паливо під високим тиском. Ці міркування він виклав у праці «Теорія і конструкція раціонального теплового двигуна» (1893). Спочатку він намагався створити двигун, що працює на вугільному пилу, але без результату. Помітних успіхів він досяг, лише коли застосував як паливо частково очищену нафту; так відкрився шлях до використання важких нафтових фракцій.

Патент і перші двигуни

У 1892 році Дизель подав заявку на патент, а згодом опублікував опис двигуна. Теоретична робота викликала великий інтерес фахівців, хоча більшість вважала ідею практично нездійсненною. Перший дослідний двигун збудували в 1893 році в Аугсбурзі під керівництвом самого Дизеля. Випробування і створення нових дослідних зразків тривали понад три роки.

За цей час було збудовано ще кілька дослідних двигунів. Позитивні результати з'явилися після того, як двигун обладнали водяним охолодженням, а подачу рідкого палива в циліндр і його розпилювання стали виконувати стисненим повітрям. У 1897 році на заводі в Аугсбурзі був створений перший практичний дизельний двигун. За даними джерела, агрегат заввишки близько трьох метрів з одним циліндром діаметром 250 мм і ходом поршня 400 мм розвивав 172 об/хв і від 17,8 до 19,8 к.с., витрачаючи 258 г нафти на 1 к.с. за годину. Термічний ККД становив 26,2% - приблизно вдвічі більше, ніж у парової машини.

Виставка силових і робочих машин 1898 року в Мюнхені принесла двигуну широке визнання, і ліцензії на його виробництво активно купували німецькі та іноземні підприємства. Проте історія розвитку дизельних двигунів і життя самого винахідника мали як успіхи, так і невдачі. У ніч з 29 на 30 вересня 1913 року Рудольф Дизель загинув за нез'ясованих обставин під час переправи через Ла-Манш.

Від стаціонарних установок до автомобілів

Принцип Дизеля став основою сучасних двигунів із запалюванням від стиснення. Наступні двадцять-тридцять років такі двигуни широко застосовували в стаціонарних установках і на морських суднах. Тодішні системи впорскування з повітряним компресором не дозволяли використовувати дизелі на швидкохідних агрегатах: невисока частота обертання і значна маса компресора унеможливлювали їх застосування на автотранспорті.

У 1920-х роках компанія Bosch розробила компактний рядний багатосекційний паливний насос високого тиску (серійне виробництво почалося в 1927 році). Такий насос замінив повітряний компресор і дозволив підвищити частоту обертання дизеля. Швидкохідний дизель почали застосовувати на вантажному і громадському транспорті, тоді як на легкових і невеликих вантажних автомобілях переважали бензинові двигуни з іскровим запалюванням, які були простішими і дешевшими у виробництві.

У 1950-1960-х роках дизелі масово встановлювали на вантажівки і фургони, а після різкого зростання цін на паливо в 1970-х роках на них звернули увагу виробники недорогих невеликих легкових автомобілів. Надалі популярність дизеля на легкових і вантажних автомобілях зростала завдяки економічності, довговічності та нижчим викидам CO2 порівняно з бензиновими двигунами; водночас для дизелів довелося впроваджувати системи очищення відпрацьованих газів від оксидів азоту і сажі.

Common Rail: новітня історія

Новітня історія дизельного двигуна почалася в 1997 році, коли компанія Bosch першою вивела на ринок систему впорскування Common Rail для легкових автомобілів. Першими моделями з цією технологією стали Alfa Romeo 156 JTD і Mercedes-Benz C 220 CDI.

Ім'я винахідника стало загальною назвою: двигун і паливо для нього називають «дизелем» і «дизельним паливом» - рідкісна честь в історії техніки.