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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
디젤. 발명과 생산의 역사
디젤 엔진(디젤) - 압축 중에 가열된 공기의 작용으로 원자화된 연료가 자체 점화되는 원리에 따라 작동하는 왕복 내연 기관입니다. 디젤 엔진용 연료의 범위는 매우 넓으며, 여기에는 등유에서 연료유에 이르는 정유의 모든 부분과 유채씨유, 식용유, 야자유 등 여러 천연 제품이 포함됩니다. 디젤 엔진은 약간의 성공으로 원유로 작동할 수 있습니다.
아시다시피 열 엔진을 포함한 모든 엔진의 작동을 평가하는 주요 지표 중 하나는 효율성입니다. 연료 연소 중에 방출되는 에너지가 유용한 일로 변환되면 많을수록 다양한 변환 중에 손실되는 에너지가 적을수록 좋습니다. 기존의 모든 열 엔진에서 이러한 손실은 매우 높아서 방출되는 에너지의 XNUMX분의 XNUMX 이상이 낭비됩니다. 여기에 이유가 무엇입니까? 이것은 열악한 설계 때문입니까, 아니면 열 기관이 본질적으로 매우 효율적이지 않을 수 있습니까? 1824년에 고전 작품인 불의 추진력에 대한 반성(Refections on the Driving Force of Fire)을 출판한 프랑스 엔지니어 카르노(Carnot)는 처음으로 이 문제에 대해 생각했습니다. Carnot은 효율이 최대한 높아지도록 이상적인 열 기관에서 프로세스가 어떻게 진행되어야 하는지를 찾는 작업을 스스로 설정했습니다. 계산을 통해 그는 결국 엔진 작동 유체의 두 온도 T1과 T2 사이(작동 유체는 피스톤을 움직이는 가스, 증기 기관의 증기 또는 가스 기관의 폭발성 혼합물이 될 수 있음) 최대의 유용한 작업을 얻을 수 있으므로 최고의 효율성을 얻을 수 있습니다.
Carnot이 증명했듯이 이 가상의 고효율 엔진의 작업은 1개의 사이클로 구성되어야 합니다. 첫 번째 사이클에서 열 Q1은 이 레벨의 일정한 온도에서 상위 레벨 T2에서 작동 유체로 공급됩니다(즉, 이 주기에서 작동 유체는 일정한 온도를 유지하면서 팽창해야 하며, 이는 가열함으로써 달성됩니다. 신체). 두 번째 사이클 동안 작동 유체는 온도가 더 낮은 수준 T2로 떨어질 때까지 열 공급 없이 팽창합니다. 세 번째 사이클에서 작동 유체는 일정한 온도 T2에서 압축됩니다(이를 위해서는 열 Q1를 지속적으로 제거해야 함). 네 번째 단계에서 작동 유체는 온도가 다시 T100으로 상승할 때까지 열 제거 없이 압축되었습니다. 이 모든 조건이 충족되면 Carnot의 계산에 따르면 엔진의 효율은 공식 1•(2 - T1/T70)에 의해 결정되며 약 80-XNUMX%에 도달했습니다. 100세기 내내 Carnot의 계산은 실제 열 기관의 작업을 "Carnot 주기"에 대한 작업에 더 가깝게 가져오고 가능한 최고의 효율성을 얻는 방법에 대한 질문에 대한 답을 찾으려고 노력한 발명가의 창의적인 생각을 자극했습니다. 그러나 그러한 엔진을 구축하려는 모든 시도는 실패했습니다. 예를 들어, 13hp의 출력에서 증기 기관의 효율성. 10%를 초과하지 않았으며 저출력 엔진에서는 22% 미만이었습니다. 가솔린 및 가스 엔진의 효율은 다소 높은 것으로 판명되었지만 24-XNUMX %를 초과하지 않았습니다. 90년대 초반 독일의 젊은 엔지니어인 Rudolf Diesel이 "이상적인 엔진"을 만들기 시작했을 때의 상황이었습니다. 그는 학창시절에 "카르노 사이클"에 가까운 성능을 낼 수 있는 그런 엔진을 개발하겠다는 목표를 세웠고 이 엔진은 출력과 효율성 면에서 기존의 가솔린 엔진을 능가했어야 했다. 수년간의 노력 끝에 엔진 설계가 개발되었습니다. Diesel의 아이디어의 본질은 다음과 같았습니다. 첫 번째 단계에서 피스톤은 실린더의 공기를 고압으로 압축하여 실린더의 온도가 연료의 점화 온도까지 상승합니다(이것은 네 번째 카르노 사이클에 해당함 - 열 제거 없이 압축). 따라서 실린더에서 약 90 기압의 압력과 약 900도의 온도가 달성되었습니다. 압축 사이클이 끝날 때 연료가 실린더에 공급되었고 공기의 고온으로 인해 외부 점화 없이 한 번의 접촉으로 점화되었습니다. 연료 분사는 균일하게 수행되어 피스톤의 역방향 운동과 가스 팽창의 일부가 일정한 온도에서 발생했습니다(첫 번째 "Carnot 주기"에 따라). 또한 피스톤은 연료를 태우지 않고 이미 고압의 영향을 받아 움직였습니다(두 번째 "카르노 사이클"). 세 번째 주기는 대기의 신선한 부분의 배출 및 흡입에 해당합니다. 그런 다음 모든 주기를 반복했습니다. 이러한 장치 덕분에 Diesel은 모터 효율을 73%라는 전례 없는 가치로 높일 수 있다고 생각했습니다. 처음에 그는 암모니아 증기를 연료로 사용할 것으로 예상했지만 나중에는 석탄 가루를 선택했습니다. 1892년 Diesel은 설명된 엔진 작동 원리에 대한 특허를 받았고 1893년에는 모터 및 그의 수학적 계산에 대한 설명이 포함된 브로셔 "Theory and Design of the Rational Heat Engine"을 출판했습니다.
브로셔가 많은 관심을 받았습니다. 그러나 대부분의 엔지니어는 Diesel의 아이디어를 실현할 수 없다고 생각했습니다. 당시 가장 큰 가스 엔진 전문가인 Koehler는 디젤 엔진이 공기를 점화 온도까지 압축하기 위한 전력 손실이 매우 높기 때문에 그리고 "Carnot 사이클"에서 작업할 때 이러한 고효율을 얻는 것이 불가능하다고 경고했습니다. 모든 유용한 작업은 자체 움직임을 유지하는 데만 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 Diesel은 다양한 독일 회사에 그의 모델을 적극적으로 제공하기 시작했습니다. 처음에는 여기저기서 거절을 당했습니다. 절망하지 않고 그는 서신을 계속하고 논쟁하고 주장했고 마침내 성공했습니다. Essen의 Krupp 회사는 비용을 조달하고 테스트 샘플을 생산하기 위한 Augsburg 공장의 관리에 동의했습니다. 이미 1893년 90월에 최초의 단일 실린더 디젤 엔진이 제조되었습니다. 원래 설계에 따라 실린더의 압축은 900 기압에 도달하고 연료 흡입이 시작되기 전의 온도는 XNUMX도였습니다. 온도가 이 한계를 크게 초과해서는 안 되므로 모터에 냉각 시스템이 제공되지 않았습니다. 압축기도 계획되지 않았습니다. 석탄 가루는 펌프로 불어넣어야 했습니다. 그러나 조립 단계에서도 Diesel은 자신의 계산을 확인한 Koehler가 옳았다고 확신했습니다. 최대 90기압의 공기를 압축하기 위한 엔진 소비 전력이 과도하게 높아 작업으로 인한 효율성의 전체 이득을 "먹었습니다" "카르노 사이클"에 대해. 나는 이동 중에 계획을 다시 해야 했다. 압축을 위한 동력 손실을 줄이기 위해 Diesel은 실린더의 압력을 35-40atm까지 절반 이상 줄이기로 결정했습니다. 이와 관련하여 900도가 아닌 압축 공기의 온도는 600도에 불과해야 합니다. 이것은 매우 작았습니다. Carnot 공식의 온도 차이가 너무 작아서 고효율을 얻기에는 부족했습니다. 상황을 개선하고 엔진의 출력을 높이기 위해 Diesel은 설계의 두 번째 중요한 포인트인 일정한 온도에서 작동 유체를 확장하는 것을 포기해야 했습니다. 그는 연료 연소 중 온도가 1500도까지 증가해야한다고 계산했습니다. 그리고 이것은 차례로 엔진의 가장 집중적인 냉각과 두 번째로 더 많은 고칼로리 연료가 필요했습니다. 석탄 가루는 그렇게 높은 온도를 줄 수 없었기 때문에 디젤은 액체 연료로 전환해야 했습니다. 그러나 실린더에 가솔린을 주입하려는 첫 번째 시도에서 발명가와 그의 조수들의 생명을 거의 앗아갈 뻔한 폭발이 발생했습니다. 이렇게 XNUMX차 테스트를 마쳤습니다. 두 가지 결과가 있었습니다. Diesel은 "이상적인 엔진"의 원래 계획에서 단계적으로 상당히 벗어나야 했습니다. 그러나 다른 한편으로 그의 계산의 몇 가지 근본적인 요점이 확인되었습니다. 작동 혼합물의 강한 압축으로 인해 효율성이 증가했으며 또한 (폭발이 이것을 증명함) 연료가 실제로 점화 될 수 있음이 밝혀졌습니다. 값비싼 점화 시스템에 의존하지 않고 압축에 의해. 따라서 프로젝트에 자금을 지원한 회사는 달성한 성공에 대체로 만족했으며 Diesel은 실험을 계속할 수 있었습니다.
1894년 35월에 Diesel이 등유 분사를 제어하는 노즐을 발명한 두 번째 엔진이 제작되었습니다. 이 모델에서 실린더의 압력은 최대 40-500 atm, 압축 종료 시 온도는 최대 600-80도입니다. 모터는 시동할 수 있을 뿐만 아니라 최대 1895rpm의 주파수에서 유휴 상태로 만들 수 있습니다. 그것은 대성공이었습니다. Diesel의 아이디어는 실행 가능한 것으로 판명되었습니다. 1896년에 세 번째 엔진이 만들어졌으며 이미 작은 부하에서도 작동할 수 있었습니다. 등유 주입을 위해 여기에 처음으로 압축기가 제공되었습니다. 또한 실린더 걸림을 방지하기 위해 집중 냉각 시스템을 개발해야 했습니다. 그 후 XNUMX년에 새로운 프로토타입이 출시되어 성공을 거두었습니다. 부하로 테스트했을 때 모터의 효율은 36%로 밝혀졌고 등유 소모량은 시간당 마력당 약 200g이었다. 이 수치는 "이상적인 모터"의 매개 변수와는 매우 거리가 멀었지만 여전히 인상적이었습니다. 새 엔진의 효율은 당시 가솔린 엔진의 효율보다 10-12% 높았으며, 효율성은 거의 두 배를 능가했습니다. Diesel은 그의 꿈을 이루지 못했지만 그가 한 일은 매우 중요했습니다. 그의 인내 덕분에 근본적으로 새로운 설계의 내연 기관이 개발되었으며 이는 지난 XNUMX년 동안 최고였으며 여전히 최고입니다. 새 모터는 다음과 같이 작동했습니다. 피스톤의 첫 번째 스트로크 동안 기계의 이전 작동을 위해 저장된 플라이휠의 인력으로 인해 공기가 실린더로 흡입되었습니다. 두 번째 스트로크 동안에도 플라이휠의 인력으로 인해 실린더에 갇힌 공기가 35기압으로 압축되었습니다. 동시에 압축 중에 방출되는 열은 연료의 점화 온도까지 가져왔습니다. 세 번째 행정이 시작될 때 펌프를 사용하여 등유가 도입되었습니다. 이 주사는 뇌졸중의 일부만 지속되었습니다. 나머지 스트로크 동안 가스 덩어리가 팽창하고 작동력이 피스톤에 전달되어 커넥팅로드를 통해 엔진 크랭크 샤프트로 전달되었습니다. 네 번째 행정에서는 연소 생성물이 배기관을 통해 대기 중으로 분출되었습니다. 엔진에는 압축기가 장착되어 있으며 특수 저장소에서 실린더의 최고 압력보다 약간 높은 압력으로 공기를 응축합니다. 이 저장소에서 공기는 매우 작은 직경의 튜브를 통해 작은 노즐 챔버, 즉 등유가 동시에 공급되는 공급된 연료를 분사하는 장치로 안내되었습니다. 이 챔버는 바늘로 막힌 작은 구멍을 통해 실린더 내부와 연결되어 있습니다. 이 바늘을 올리면 챔버의 과도한 압력으로 인해 등유가 실린더로 강제 유입됩니다. 실린더의 연소는 연료 흡입 시간을 변경하거나 압축기의 압력을 변경하여 엔진이 발전해야 하는 힘에 따라 조절되었습니다. 차가운 상태에서 엔진을 처음 시동할 때도 동일한 압축 공기가 사용되었습니다. 엔진 상단에는 XNUMX개의 캠이 있는 캠축이 있었는데, 하나는 공기를 유입시키는 밸브를 제어하고 다른 하나는 등유를 유입시키는 밸브, 세 번째는 연소 생성물을 방출하는 밸브를 제어합니다. 마지막 두 개의 캠은 엔진의 초기 시동 동안 압축 공기가 실린더로 유입되는 밸브를 제어했습니다.
새로운 엔진에 대한 최초의 공식 테스트는 엔지니어들 사이에서 큰 반향을 일으켰습니다. 그 이후로 전 세계에서 "디젤"의 승리 행진이 시작되었습니다. 이전에 Diesel의 제안에 응답하지 않은 많은 회사들은 그가 발명한 엔진을 만들 권리를 그에게서 사려고 서두르며, 이것은 현재 비용이 많이 듭니다(예: Emmanuel Nobel은 러시아에서 디젤 생산을 원하고 디젤 약 500달러). 이미 1898년에 Diesel은 예기치 않게 백만장자가 되었습니다. 그러나 대량 생산에 투입된 첫 번째 엔진은 불만족스럽고 변덕스럽고 종종 실패하는 것으로 나타났습니다. 이러한 복잡하고 첨단 기술을 갖춘 기계의 출시는 오래된 장비를 갖춘 많은 공장의 힘을 넘어서는 것이었습니다. 당시 Watt와 마찬가지로 Diesel은 새로운 기계를 개발하고 적합한 합금을 찾고 전문가를 양성하기 위해 디젤 엔진 제조를 위한 생산 공정을 완성하기 위해 많은 노력을 기울여야 했습니다. 몇 년 동안 그는 유럽과 미국을 돌아다니며 자신의 모터가 제조되는 공장을 방문했습니다. 1900세기 초에 이르러 주요 어려움이 극복되었고 디젤 엔진은 산업 및 운송에서 점점 더 많은 새로운 응용 분야를 정복하기 시작했습니다. XNUMX년 파리 세계 박람회에서 디젤 엔진이 그랑프리를 수상했습니다. 특히 러시아의 노벨 공장이 원유로 작동하는 아주 좋은 엔진을 생산하기 시작했다는 소식으로 새 엔진의 명성이 높아졌습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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