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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Diesel. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. El motor diésel (diésel) es un motor de combustión interna de pistón que funciona según el principio de autoignición del combustible atomizado por la influencia del aire calentado durante la compresión. La gama de combustibles para motores diésel es muy amplia, incluye todas las fracciones de refinado de petróleo desde el queroseno hasta el fuel oil y una serie de productos de origen natural: aceite de colza, grasa para cocinar, aceite de palma y muchos otros. Un motor diesel puede funcionar con petróleo crudo con cierto éxito.
Como sabes, uno de los principales indicadores por los que se evalúa el funcionamiento de cualquier motor, incluido el térmico, es su eficiencia. Cuanta más energía liberada durante la combustión del combustible se convierta en trabajo útil, menos se perderá durante varias transformaciones, mejor. En todos los motores térmicos existentes, estas pérdidas son muy altas, por lo que se desperdicia más de dos tercios de la energía liberada en ellos. ¿Cuál es la razón aquí? ¿Se debe esto a un diseño deficiente o, en principio, una máquina térmica no puede ser altamente eficiente por su propia naturaleza? Por primera vez, el ingeniero francés Carnot, quien publicó en 1824 la obra clásica Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego, reflexionó sobre este tema. Carnot se dio a la tarea de averiguar cómo deben proceder los procesos en una máquina térmica ideal para que su eficiencia sea lo más alta posible. A través de cálculos, finalmente dedujo el concepto de un proceso circular en la operación de todos los motores térmicos (se llama el "ciclo de Carnot"), en el que entre dos temperaturas T1 y T2 del fluido de trabajo del motor (el fluido de trabajo es el gas que mueve el pistón; puede ser vapor en una máquina de vapor o una mezcla explosiva en una máquina de gas), se puede obtener el máximo trabajo útil, y por tanto la mayor eficiencia.
El trabajo de este hipotético motor de alta eficiencia, como demostró Carnot, debería constar de cuatro ciclos. En el primer ciclo, el calor Q1 se suministra al fluido de trabajo desde el nivel superior T1 a una temperatura constante de este nivel (es decir, en este ciclo, el fluido de trabajo debe expandirse manteniendo una temperatura constante, lo que se logra calentando el cuerpo). Durante el segundo ciclo, el fluido de trabajo se expande, pero sin suministro de calor, hasta que su temperatura desciende al nivel inferior T2. En el tercer ciclo, el fluido de trabajo se comprime a una temperatura constante T2 (para esto, era necesario eliminar constantemente el calor Q2). En la cuarta etapa, el fluido de trabajo se comprimió sin eliminación de calor hasta que su temperatura subió nuevamente a T1. Si se cumplían todas estas condiciones, según los cálculos de Carnot, la eficiencia del motor se determinaba mediante la fórmula 100•(1 - T2/T1) y alcanzaba alrededor del 70-80%. A lo largo del siglo XIX, los cálculos de Carnot despertaron el pensamiento creativo de los inventores que intentaron encontrar una respuesta a la pregunta: cómo acercar el trabajo de los motores térmicos reales al trabajo en el "ciclo de Carnot" y obtener la mayor eficiencia posible. Pero todos los intentos de construir un motor de este tipo fracasaron. Por ejemplo, la eficiencia de una máquina de vapor a una potencia de 100 hp. no superaba el 13%, y en motores de baja potencia era inferior al 10%. La eficiencia de los motores de gasolina y gas resultó ser algo mayor, pero tampoco superó el 22-24%. Tal era el estado de las cosas cuando, a principios de los 90, el joven ingeniero alemán Rudolf Diesel asumió la creación del "motor ideal". Siendo aún estudiante, se fijó el objetivo de desarrollar un motor de este tipo, cuyo rendimiento sería cercano al "ciclo de Carnot", y este motor debería haber superado a un motor de gasolina convencional tanto en potencia como en eficiencia. Después de varios años de arduo trabajo, se desarrolló el diseño del motor. La esencia de la idea de Diesel era la siguiente. En la primera etapa, el pistón comprime el aire en el cilindro a alta presión, por lo que la temperatura en el cilindro aumenta hasta la temperatura de ignición del combustible (esto corresponde al cuarto ciclo de Carnot: compresión sin eliminación de calor). Así, se consiguieron en el cilindro una presión de unas 90 atm y una temperatura de unos 900 grados. Se suministró combustible al cilindro al final del ciclo de compresión y, debido a la alta temperatura del aire, se encendió a partir de un contacto con él sin ningún tipo de encendido externo. La inyección de combustible se realizó de manera uniforme, de modo que parte del movimiento inverso del pistón y la expansión de los gases se produjeron a temperatura constante (de acuerdo con el primer "ciclo de Carnot"). Además, el pistón ya se movía bajo la influencia de alta presión sin quemar combustible (el segundo "ciclo de Carnot"). El tercer ciclo correspondía a la extracción y aspiración de una nueva porción de aire atmosférico. Luego se repitieron todos los ciclos. Gracias a tal dispositivo, Diesel pensó en aumentar la eficiencia de su motor a un valor inaudito: 73%. Al principio, esperaba usar vapor de amoníaco como combustible, pero luego eligió polvo de carbón. En 1892, Diesel recibió una patente por el principio de funcionamiento del motor descrito, y en 1893 publicó el folleto "Teoría y diseño de un motor térmico racional" con una descripción del motor y sus cálculos matemáticos.
El folleto llamó mucho la atención. Sin embargo, la mayoría de los ingenieros consideraron irrealizable la idea de Diesel. El mayor especialista en motores a gas de la época, Koehler, advirtió que era imposible obtener una eficiencia tan alta, ya que el motor Diesel tiene pérdidas de potencia muy altas para comprimir el aire a la temperatura de ignición, y al trabajar en el "ciclo de Carnot". todo el trabajo útil se gastará solo en mantener su propio movimiento. Sin embargo, Diesel comenzó a ofrecer agresivamente su modelo a varias firmas alemanas. Al principio, fue recibido universalmente con rechazo. Sin desesperarse, continuó manteniendo correspondencia, discutiendo, discutiendo y finalmente tuvo éxito: la firma Krupp en Essen acordó financiar los costos y la gerencia de la planta de Augsburg para producir una muestra de prueba. Ya en julio de 1893 se fabricó el primer motor diésel monocilíndrico. De acuerdo con el diseño original, la compresión en su cilindro debía llegar a 90 atm, y la temperatura antes del inicio de la toma de combustible era de 900 grados. Dado que la temperatura no debería haber excedido mucho este límite, no se proporcionó ningún sistema de refrigeración para el motor. El compresor tampoco estaba planeado: se suponía que el polvo de carbón sería soplado por una bomba. Pero incluso en la etapa de ensamblaje, Diesel, después de verificar sus cálculos, estaba convencido de que Koehler tenía razón: el consumo de energía del motor para comprimir aire hasta 90 atmósferas resultó ser excesivamente alto y "consumió" toda la ganancia en eficiencia debido al trabajo. en el "ciclo de Carnot". Tuve que rehacer lo que había planeado sobre la marcha. Para reducir la pérdida de potencia por compresión, Diesel decidió reducir la presión en el cilindro a más de la mitad, hasta 35-40 atm. En este sentido, la temperatura del aire comprimido en lugar de 900 grados debería haber sido solo 600. Esto fue muy pequeño: la diferencia de temperatura en la fórmula de Carnot resultó ser demasiado pequeña para obtener una alta eficiencia. Para mejorar la situación y aumentar la potencia del motor, Diesel tuvo que abandonar el segundo punto importante de su diseño: la expansión del fluido de trabajo a temperatura constante. Calculó que la temperatura durante la combustión del combustible debería aumentar a 1500 grados. Y esto, a su vez, requería, en primer lugar, el enfriamiento más intensivo del motor y, en segundo lugar, más combustible con alto contenido calórico. El polvo de carbón no podía dar una temperatura tan alta, por lo que Diesel se vio obligado a cambiar a combustible líquido. Pero al primer intento de inyectar gasolina en el cilindro, ocurrió una explosión que casi cobra la vida del inventor y sus ayudantes. Así terminó la primera prueba. Tuvo dos resultados. Diesel tuvo que desviarse bastante del esquema original de su "motor ideal" paso a paso. Pero, por otro lado, se confirmaron algunos puntos fundamentales de sus cálculos: una fuerte compresión de la mezcla de trabajo condujo a un aumento de la eficiencia y, además (la explosión lo demostró), resultó que el combustible sí puede encenderse por compresión sin recurrir a un costoso sistema de encendido. Por lo tanto, las empresas que financiaron el proyecto en general quedaron satisfechas con el éxito obtenido y Diesel pudo continuar con sus experimentos.
En junio de 1894 se construyó un segundo motor, para el cual Diesel inventó una boquilla que controlaba la inyección de queroseno. En este modelo, la presión en el cilindro se elevó a 35-40 atm y la temperatura al final de la compresión, hasta 500-600 grados. El motor no solo podía arrancar, sino también dejarlo en ralentí a una frecuencia de hasta 80 rpm. Fue un gran éxito: la idea de Diesel demostró ser viable. En 1895, se construyó un tercer motor, que ya podía funcionar con una pequeña carga. Para la inyección de queroseno, aquí se instaló por primera vez un compresor. Además, se tuvo que desarrollar un sistema de enfriamiento intensivo para evitar que el cilindro se atascara. Solo después de eso, en 1896, el lanzamiento de un nuevo prototipo trajo éxito. Cuando se probó con una carga, la eficiencia del motor resultó ser del 36% y el consumo de queroseno fue de aproximadamente 200 g por caballo de fuerza por hora. Aunque estas cifras estaban muy lejos de los parámetros del "motor ideal", no dejaban de ser impresionantes: la eficiencia del nuevo motor resultó ser un 10-12% superior a la de los motores de gasolina de la época, y en cuanto a su eficiencia los superó casi dos veces. Aunque Diesel no pudo cumplir su sueño, sin embargo, lo que hizo fue de gran importancia: gracias a su perseverancia, se desarrolló un diseño fundamentalmente nuevo del motor de combustión interna, que ha sido y sigue siendo el mejor en los últimos cien años. El nuevo motor funcionó de la siguiente manera. Durante la primera carrera del pistón, debido a la mano de obra del volante almacenada para la operación anterior de la máquina, se succionó aire al interior del cilindro. Durante el segundo golpe, también debido a la mano de obra del volante, el aire atrapado en el cilindro se comprimió a 35 atm. Al mismo tiempo, el calor liberado durante la compresión lo llevó a la temperatura de ignición del combustible. Al comienzo del tercer golpe, se introdujo queroseno mediante una bomba. Esta inyección duró solo una pequeña parte del golpe. Durante el resto de la carrera, la masa de gas se expandió y la fuerza de trabajo se transmitió al pistón, que se transmitió a través de la biela al cigüeñal del motor. En el cuarto golpe, los productos de la combustión salieron a la atmósfera a través del tubo de escape. El motor estaba equipado con un compresor, que en un depósito especial condensaba aire a una presión ligeramente superior a la presión más alta del cilindro. Desde este depósito, el aire se dirigía a través de un tubo de diámetro muy pequeño hacia una pequeña cámara de boquilla, es decir, un aparato para rociar el combustible suministrado, en el que se suministraba simultáneamente queroseno. Esta cámara se comunicaba con el interior del cilindro a través de un pequeño orificio cerrado por una aguja: cuando se levantaba esta aguja, el queroseno entraba a la fuerza en el cilindro debido al exceso de presión en la cámara. La combustión en el cilindro se regulaba en función de la fuerza que debía desarrollar el motor, bien cambiando la duración de la entrada de combustible, bien cambiando la presión en el compresor. El mismo aire comprimido también se utilizó para el arranque inicial del motor desde un estado frío. En la parte superior del motor había un árbol de levas con cinco levas, una controlaba la válvula que dejaba entrar el aire, la otra, la válvula que dejaba entrar el queroseno, la tercera, la válvula que liberaba los productos de la combustión. Las dos últimas levas controlaban las válvulas por las que se admitía aire comprimido en el cilindro durante el arranque inicial del motor.
Las primeras pruebas oficiales del nuevo motor causaron sensación entre los ingenieros. Desde ese momento, comenzó la marcha victoriosa de los "diésel" en todo el mundo. Muchas empresas que antes no habían respondido a la propuesta de Diesel se apresuraron a comprarle los derechos para construir los motores que inventó, y esto ahora mismo les costó muy caro (por ejemplo, Emmanuel Nobel, queriendo establecer la producción de diesel en Rusia, pagó Diésel unos 500 mil dólares). Ya en 1898, Diesel, inesperadamente para él, se hizo millonario. Sin embargo, los primeros motores que se pusieron en producción en masa resultaron ser insatisfactorios, caprichosos y, a menudo, fallaron. El lanzamiento de una máquina tan compleja y de alta tecnología estaba más allá del poder de muchas fábricas con equipos obsoletos. Al igual que Watt en su momento, Diesel tuvo que esforzarse mucho para perfeccionar el proceso de producción para la fabricación de motores diesel: desarrollar nuevas máquinas, encontrar aleaciones adecuadas y capacitar a especialistas. Durante varios años deambuló por Europa y América, visitando las fábricas donde se fabricaban sus motores. A principios del siglo XX, se habían superado las principales dificultades y los motores diésel comenzaron a conquistar gradualmente más y más nuevas áreas de aplicación en la industria y el transporte. En 1900, en la Exposición Universal de París, los motores Diesel recibieron el Gran Premio. El prestigio de los nuevos motores aumentó especialmente con la noticia de que la planta de Nobel en Rusia había iniciado la producción de muy buenos motores que funcionaban con petróleo crudo. Autor: Ryzhov K.V.
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