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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Diesel. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Il motore diesel (diesel) è un motore a combustione interna a pistoni che funziona secondo il principio dell'autoaccensione del carburante atomizzato dall'influenza dell'aria riscaldata durante la compressione. La gamma di carburanti per motori diesel è molto ampia, comprende tutte le frazioni della raffinazione del petrolio dal cherosene all'olio combustibile e una serie di prodotti di origine naturale: olio di colza, grasso da cucina, olio di palma e molti altri. Un motore diesel può funzionare con petrolio greggio con un certo successo.
Come sapete, uno dei principali indicatori con cui viene valutato il lavoro di qualsiasi motore, incluso quello termico, è la sua efficienza. Più l'energia rilasciata durante la combustione del combustibile viene convertita in lavoro utile, meno viene persa durante le varie trasformazioni, meglio è. In tutti i motori termici esistenti, queste perdite sono molto elevate, tanto che più di due terzi dell'energia rilasciata in essi viene sprecata. Qual è il motivo qui? Ciò è dovuto a una progettazione scadente o al fatto che un motore termico non può, in linea di principio, essere altamente efficiente per sua stessa natura? Per la prima volta, l'ingegnere francese Carnot, che pubblicò nel 1824 l'opera classica Riflessioni sulla forza motrice del fuoco, pensò a questo problema. Carnot si è dato il compito di scoprire come dovrebbero procedere i processi in una macchina termica ideale in modo che la sua efficienza sia la più alta possibile. Attraverso calcoli, ha infine dedotto il concetto di un processo circolare nel funzionamento di tutti i motori termici (si chiama "ciclo di Carnot"), in cui tra due temperature T1 e T2 del fluido di lavoro del motore (il fluido di lavoro è il gas che muove il pistone; può essere vapore in una macchina a vapore o una miscela esplosiva in una macchina a gas), si ottiene il massimo lavoro utile, e quindi la massima efficienza.
Il lavoro di questo ipotetico motore ad alta efficienza, come ha dimostrato Carnot, dovrebbe consistere in quattro cicli. Nel primo ciclo, il calore Q1 viene fornito al fluido di lavoro dal livello superiore T1 a una temperatura costante di questo livello (cioè, in questo ciclo, il fluido di lavoro deve espandersi mantenendo una temperatura costante, che si ottiene riscaldando il corpo). Durante il secondo ciclo il fluido di lavoro si espande, ma senza apporto di calore, fino a che la sua temperatura non scende al livello inferiore T2. Nel terzo ciclo, il fluido di lavoro viene compresso a temperatura costante T2 (per questo era necessario rimuovere costantemente il calore Q2). Al quarto stadio, il fluido di lavoro è stato compresso senza rimozione di calore fino a quando la sua temperatura è risalita a T1. Se tutte queste condizioni erano soddisfatte, secondo i calcoli di Carnot, l'efficienza del motore era determinata dalla formula 100•(1 - T2/T1) e raggiungeva circa il 70-80%. Per tutto il XIX secolo, i calcoli di Carnot hanno entusiasmato il pensiero creativo degli inventori che hanno cercato di trovare una risposta alla domanda: come avvicinare il lavoro delle vere macchine termiche al lavoro sul "ciclo di Carnot" e ottenere la massima efficienza possibile. Ma tutti i tentativi di costruire un tale motore non hanno avuto successo. Ad esempio, l'efficienza di un motore a vapore con una potenza di 100 CV. non superava il 13% e nei motori a bassa potenza era inferiore al 10%. L'efficienza dei motori a benzina e gas si è rivelata leggermente superiore, ma non ha superato il 22-24%. Tale era lo stato delle cose quando, all'inizio degli anni '90, il giovane ingegnere tedesco Rudolf Diesel iniziò la creazione del "motore ideale". Mentre era ancora uno studente, si prefisse l'obiettivo di sviluppare un tale motore, le cui prestazioni sarebbero state vicine al "ciclo di Carnot", e questo motore avrebbe dovuto superare un motore a benzina convenzionale sia in termini di potenza che di efficienza. Dopo diversi anni di duro lavoro, è stato sviluppato il design del motore. L'essenza dell'idea di Diesel era la seguente. Nella prima fase, il pistone comprime l'aria nel cilindro ad alta pressione, a causa della quale la temperatura nel cilindro sale alla temperatura di accensione del carburante (questo corrispondeva al quarto ciclo di Carnot - compressione senza rimozione del calore). In tal modo nel cilindro si è raggiunta una pressione di circa 90 atm ed una temperatura di circa 900 gradi. Il carburante veniva fornito al cilindro alla fine del ciclo di compressione e, a causa dell'elevata temperatura dell'aria, veniva acceso da un contatto con esso senza alcuna accensione esterna. L'iniezione di carburante è stata effettuata in modo uniforme, in modo che parte del movimento inverso del pistone e l'espansione dei gas avvenissero a temperatura costante (secondo il primo "ciclo di Carnot"). Inoltre, il pistone si muoveva già sotto l'influenza dell'alta pressione senza bruciare carburante (il secondo "ciclo di Carnot"). Il terzo ciclo corrispondeva allo scarico e all'aspirazione di una porzione fresca di aria atmosferica. Quindi tutti i cicli sono stati ripetuti. Grazie a un tale dispositivo, Diesel ha pensato di aumentare l'efficienza del suo motore a un valore inaudito - 73%. All'inizio si aspettava di usare il vapore di ammoniaca come combustibile, ma poi scelse la polvere di carbone. Nel 1892 Diesel ricevette un brevetto per il descritto principio di funzionamento del motore e nel 1893 pubblicò l'opuscolo "Teoria e progettazione di un motore termico razionale" con una descrizione del motore e dei suoi calcoli matematici.
L'opuscolo ha attirato molta attenzione. Tuttavia, la maggior parte degli ingegneri considerava l'idea di Diesel irrealizzabile. Il più grande specialista di motori a gas dell'epoca, Koehler, avvertì che era impossibile ottenere un'efficienza così elevata, poiché il motore Diesel ha perdite di potenza molto elevate per comprimere l'aria alla temperatura di accensione e quando si lavora sul "ciclo di Carnot" tutto il lavoro utile sarà speso solo per mantenere il proprio movimento. Tuttavia, Diesel iniziò a offrire in modo aggressivo il suo modello a varie aziende tedesche. All'inizio, è stato accolto con rifiuto ovunque. Senza disperazione, continuò a corrispondere, argomentare, argomentare e alla fine ci riuscì: la ditta Krupp di Essen acconsentì a finanziare i costi, e la direzione dello stabilimento di Augusta a produrre un campione di prova. Già nel luglio 1893 fu prodotto il primo motore diesel monocilindrico. Secondo il progetto originale, la compressione nel suo cilindro doveva raggiungere 90 atm e la temperatura prima dell'inizio dell'aspirazione del carburante era di 900 gradi. Poiché la temperatura non doveva superare di molto questo limite, non è stato previsto alcun sistema di raffreddamento per il motore. Anche il compressore non era previsto: la polvere di carbone doveva essere soffiata da una pompa. Ma anche in fase di assemblaggio, Diesel, dopo aver verificato i suoi calcoli, era convinto che Koehler avesse ragione: il consumo di energia del motore per la compressione dell'aria fino a 90 atmosfere si è rivelato eccessivamente elevato e "mangiato" l'intero guadagno di efficienza dovuto al lavoro sul "ciclo di Carnot". Ho dovuto rifare il mio piano in movimento. Al fine di ridurre la perdita di potenza per la compressione, Diesel ha deciso di ridurre la pressione nel cilindro di oltre la metà, fino a 35-40 atm. A questo proposito, la temperatura dell'aria compressa invece di 900 gradi avrebbe dovuto essere solo 600. Questo era molto piccolo: la differenza di temperatura nella formula di Carnot si è rivelata troppo piccola per ottenere un'elevata efficienza. Per migliorare la situazione e aumentare la potenza del motore, Diesel ha dovuto abbandonare il secondo punto importante del suo progetto: l'espansione del fluido di lavoro a temperatura costante. Ha calcolato che la temperatura durante la combustione del carburante dovrebbe aumentare a 1500 gradi. E questo, a sua volta, richiedeva, in primo luogo, il raffreddamento più intenso del motore e, in secondo luogo, un carburante più ipercalorico. La polvere di carbone non poteva fornire una temperatura così elevata, quindi Diesel fu costretto a passare al carburante liquido. Ma al primo tentativo di iniettare benzina nel cilindro, si è verificata un'esplosione che ha quasi causato la morte dell'inventore e dei suoi assistenti. Si è conclusa così la prima prova. Ha avuto due risultati. Diesel ha dovuto deviare un po' dallo schema originale del suo "motore ideale" passo dopo passo. Ma, d'altra parte, sono stati confermati alcuni punti fondamentali dei suoi calcoli: una forte compressione della miscela di lavoro ha portato ad un aumento dell'efficienza e, inoltre (l'esplosione lo ha dimostrato), si è scoperto che il carburante può effettivamente essere acceso per compressione senza ricorrere ad un costoso sistema di accensione. Pertanto, le aziende che hanno finanziato il progetto sono state generalmente soddisfatte del successo ottenuto e Diesel ha potuto continuare i suoi esperimenti.
Nel giugno 1894 fu costruito un secondo motore, per il quale Diesel inventò un ugello che controllava l'iniezione di cherosene. In questo modello, la pressione nel cilindro è stata portata a 35-40 atm e la temperatura alla fine della compressione - fino a 500-600 gradi. Il motore non solo è stato in grado di avviarsi, ma anche di farlo girare al minimo a una frequenza fino a 80 giri/min. È stato un grande successo: l'idea di Diesel si è rivelata fattibile. Nel 1895 fu costruito un terzo motore, che poteva già funzionare con un piccolo carico. Per l'iniezione di cherosene, qui è stato fornito per la prima volta un compressore. Inoltre, è stato necessario sviluppare un sistema di raffreddamento intensivo per evitare che il cilindro si inceppasse. Solo dopo, nel 1896, il lancio di un nuovo prototipo portò al successo. Quando è stato testato con un carico, l'efficienza del motore è risultata essere del 36% e il consumo di cherosene era di circa 200 g per potenza all'ora. Anche se queste cifre erano molto lontane dai parametri del "motore ideale", erano comunque impressionanti: l'efficienza del nuovo motore risultò essere del 10-12% superiore a quella dei motori a benzina dell'epoca, e in termini di efficienza li ha superati quasi due volte. Sebbene Diesel non sia riuscito a realizzare il suo sogno, ciò che ha fatto è stato di grande importanza: grazie alla sua perseveranza, è stato sviluppato un design fondamentalmente nuovo del motore a combustione interna, che è stato e rimane il migliore negli ultimi cento anni. Il nuovo motore ha funzionato come segue. Durante la prima corsa del pistone, a causa della manodopera del volano immagazzinata per il precedente funzionamento della macchina, l'aria veniva aspirata nel cilindro. Durante la seconda corsa, anche a causa della manodopera del volano, l'aria intrappolata nel cilindro veniva compressa a 35 atm. Allo stesso tempo, il calore rilasciato durante la compressione lo portava alla temperatura di accensione del combustibile. All'inizio della terza corsa, il cherosene è stato introdotto utilizzando una pompa. Questa iniezione è durata solo una piccola parte dell'ictus. Durante il resto della corsa, la massa di gas si è espansa e la forza di lavoro è stata impartita al pistone, che è stato trasmesso attraverso la biella all'albero motore del motore. Nella quarta corsa, i prodotti della combustione sono esplosi attraverso il tubo di scarico nell'atmosfera. Il motore era dotato di un compressore, che in uno speciale serbatoio condensava l'aria a una pressione leggermente superiore alla pressione massima nel cilindro. Da questo serbatoio, l'aria veniva diretta attraverso un tubo di diametro molto piccolo in una piccola camera dell'ugello, cioè un apparato per spruzzare il carburante fornito, in cui veniva fornito contemporaneamente cherosene. Questa camera comunicava con l'interno del cilindro attraverso un piccolo foro chiuso da un ago: quando questo ago veniva sollevato, il cherosene veniva forzato all'interno del cilindro a causa dell'eccessiva pressione nella camera. La combustione nel cilindro era regolata, a seconda della forza che il motore doveva sviluppare, sia modificando la durata dell'aspirazione del carburante, sia modificando la pressione nel compressore. La stessa aria compressa è stata utilizzata anche per l'avviamento iniziale del motore da uno stato freddo. Sopra il motore c'era un albero a camme con cinque camme, una controllava la valvola che immetteva l'aria, l'altra - la valvola che immetteva il cherosene, la terza - la valvola che rilasciava i prodotti della combustione. Le ultime due camme controllavano le valvole, attraverso le quali l'aria compressa veniva immessa nel cilindro durante l'avviamento iniziale del motore.
I primissimi test ufficiali del nuovo motore hanno fatto davvero scalpore tra gli ingegneri. Da quel momento iniziò la marcia vittoriosa dei "diesel" in tutto il mondo. Molte aziende che in precedenza non avevano risposto alla proposta di Diesel avevano fretta di acquistare da lui il diritto di costruire i motori da lui inventati, e questo in questo momento è costato loro caro (ad esempio, Emmanuel Nobel, volendo stabilire la produzione di diesel in Russia, ha pagato Diesel circa 500 mila dollari). Già nel 1898 Diesel, inaspettatamente per se stesso, divenne milionario. Tuttavia, i primi motori messi in produzione in serie si sono rivelati insoddisfacenti, capricciosi e spesso guasti. Il rilascio di una macchina così complessa e high-tech era al di là del potere di molte fabbriche con apparecchiature obsolete. Come Watt ai suoi tempi, Diesel ha dovuto dedicare molti sforzi per perfezionare il processo di produzione per la produzione di motori diesel: sviluppare nuove macchine, trovare leghe adatte e formare specialisti. Per diversi anni ha vagato per l'Europa e l'America, visitando le fabbriche dove venivano prodotti i suoi motori. All'inizio del 1900° secolo le difficoltà principali erano state superate e i motori diesel iniziarono a conquistare progressivamente sempre più nuovi ambiti di applicazione nell'industria e nei trasporti. Nel XNUMX, all'Esposizione Universale di Parigi, i motori Diesel ricevettero il Gran Premio. Il prestigio dei nuovi motori è stato sollevato soprattutto dalla notizia che lo stabilimento Nobel in Russia aveva avviato la produzione di ottimi motori che funzionavano a petrolio greggio. Autore: Ryzhov KV
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