История создания дизельного двигателя: от идеи Рудольфа Дизеля до Common Rail

Автор материала: Олег Тимошенко

Дизельный двигатель, то есть двигатель с воспламенением от сжатия, изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель: патент на него он получил в 1890-х годах, а первый работоспособный двигатель был построен в 1897 году в Аугсбурге и имел термический КПД 26,2%, примерно вдвое выше, чем у паровых машин того времени. Распространиться на автомобилях дизель смог после появления компактных топливных насосов высокого давления в 1920-х годах, а современный этап его развития связан с системой Common Rail, которую Bosch вывел на рынок легковых автомобилей в 1997 году.

Рудольф Дизель: путь к изобретению

Рудольф Кристиан Карл Дизель (Rudolf Christian Karl Diesel) родился 18 марта 1858 года в Париже в семье ремесленника из Аугсбурга. Его предки были переплетчиками и книготорговцами, а родословную семья вела из тюрингского городка Пёснек. Семья Теодора Дизеля много лет жила в Париже, но с началом франко-прусской войны 1870 года была вынуждена переехать в Англию. Позже мальчика отправили к родственникам в Аугсбург, где он стал первым учеником реального училища, а затем с отличием окончил Высшую политехническую школу в Мюнхене. Музыка, поэзия и изобразительное искусство привлекали его так же, как и математика.

Профессор Карл фон Линде, изобретатель холодильной машины, пригласил молодого инженера на работу в парижское отделение своей фирмы. Линде заинтересовал Дизеля проблемами тепловых двигателей - паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, только появившихся благодаря изобретениям Николауса Августа Отто. Несколько лет Дизель работал над расчетами и чертежами двигателя, работавшего на парах аммиака, но создать хотя бы на бумаге двигатель, заметно более экономичный, чем паровая машина, ему не удавалось.

Идея: сжимать воздух, а не топливо

Стремясь построить экономичный двигатель, Дизель тщательно изучил трактат «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» французского инженера Никола Леонара Сади Карно (1796-1832). По мысли Карно, в максимально экономичном двигателе рабочее тело нужно нагревать до температуры горения топлива лишь «изменением объема», то есть быстрым сжатием, а после воспламенения топлива поддерживать температуру постоянной. Это возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении газа.

Дизель решил сжимать не горючую смесь, а только воздух, и к концу сжатия впрыскивать в цилиндр жидкое топливо под высоким давлением. Эти соображения он изложил в работе «Теория и конструкция рационального теплового двигателя» (1893). Сначала он пытался создать двигатель, работающий на угольной пыли, но безрезультатно. Заметных успехов он добился, лишь когда применил в качестве топлива частично очищенную нефть; так открылся путь к использованию тяжелых нефтяных фракций.

Патент и первые двигатели

В 1892 году Дизель подал заявку на патент, а затем опубликовал описание двигателя. Теоретическая работа вызвала большой интерес специалистов, хотя большинство считало идею практически неосуществимой. Первый опытный двигатель построили в 1893 году в Аугсбурге под руководством самого Дизеля. Испытания и создание новых опытных образцов продолжались свыше трех лет.

За это время было построено еще несколько опытных двигателей. Положительные результаты появились после того, как двигатель оборудовали водяным охлаждением, а подачу жидкого топлива в цилиндр и его распыливание стали выполнять сжатым воздухом. В 1897 году на заводе в Аугсбурге был создан первый практический дизельный двигатель. По данным источника, агрегат высотой около трех метров с одним цилиндром диаметром 250 мм и ходом поршня 400 мм развивал 172 об/мин и от 17,8 до 19,8 л.с., расходуя 258 г нефти на 1 л.с. в час. Термический КПД составлял 26,2% - примерно вдвое больше, чем у паровой машины.

Выставка силовых и рабочих машин 1898 года в Мюнхене принесла двигателю широкое признание, и лицензии на его производство активно покупали немецкие и иностранные предприятия. Однако история развития дизельных двигателей и жизнь самого изобретателя знали как успехи, так и неудачи. В ночь с 29 на 30 сентября 1913 года Рудольф Дизель погиб при невыясненных обстоятельствах во время переправы через Ла-Манш.

От стационарных установок к автомобилям

Принцип Дизеля стал основой современных двигателей с воспламенением от сжатия. Следующие двадцать-тридцать лет такие двигатели широко применяли в стационарных установках и на морских судах. Существовавшие тогда системы впрыска с воздушным компрессором не позволяли использовать дизели на быстроходных агрегатах: невысокая частота вращения и значительная масса компрессора делали невозможным их применение на автотранспорте.

В 1920-х годах компания Bosch разработала компактный рядный многосекционный топливный насос высокого давления (серийное производство началось в 1927 году). Такой насос заменил воздушный компрессор и позволил повысить частоту вращения дизеля. Быстроходный дизель начали применять на грузовом и общественном транспорте, тогда как на легковых и небольших грузовых автомобилях преобладали бензиновые двигатели с искровым зажиганием, более простые и дешевые в производстве.

В 1950-1960-х годах дизели массово устанавливали на грузовики и фургоны, а после резкого роста цен на топливо в 1970-х годах на них обратили внимание производители недорогих небольших легковых автомобилей. В дальнейшем популярность дизеля на легковых и грузовых автомобилях росла благодаря экономичности, долговечности и более низким выбросам CO2 по сравнению с бензиновыми двигателями; при этом для дизелей пришлось внедрять системы очистки отработавших газов от оксидов азота и сажи.

Common Rail: новейшая история

Новейшая история дизельного двигателя началась в 1997 году, когда компания Bosch первой вывела на рынок систему впрыска Common Rail для легковых автомобилей. Первыми моделями с этой технологией стали Alfa Romeo 156 JTD и Mercedes-Benz C 220 CDI.

Имя изобретателя стало нарицательным: двигатель и топливо для него называют «дизелем» и «дизельным топливом» - редкая честь в истории техники.