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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Diesel. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Motor a diesel (diesel) - um motor alternativo de combustão interna que opera com base no princípio da autoignição do combustível atomizado pela ação do ar aquecido durante a compressão. A gama de combustíveis para motores a diesel é muito ampla, inclui todas as frações de refino de petróleo, do querosene ao óleo combustível e vários produtos de origem natural - óleo de colza, gordura de cozinha, óleo de palma e muitos outros. Um motor a diesel pode funcionar com petróleo bruto com algum sucesso.
Como você sabe, um dos principais indicadores pelos quais se avalia o funcionamento de qualquer motor, inclusive térmico, é sua eficiência. Quanto mais energia liberada durante a combustão do combustível for convertida em trabalho útil, quanto menos for perdida durante várias transformações, melhor. Em todos os motores térmicos existentes, essas perdas são muito altas, de modo que mais de dois terços da energia liberada neles é desperdiçada. Qual é o motivo aqui? Isso se deve a um projeto ruim ou um motor térmico pode, em princípio, não ser altamente eficiente por sua própria natureza? Pela primeira vez, o engenheiro francês Carnot, que publicou em 1824 a obra clássica Reflexões sobre a força motriz do fogo, pensou nessa questão. Carnot se propôs a descobrir como os processos deveriam ocorrer em uma máquina térmica ideal para que sua eficiência fosse a mais alta possível. Por meio de cálculos, ele acabou deduzindo o conceito de um processo circular no funcionamento de todas as máquinas térmicas (chamado de "ciclo de Carnot"), no qual entre duas temperaturas T1 e T2 do fluido de trabalho do motor (o fluido de trabalho é o gás que move o pistão; pode ser vapor em uma máquina a vapor ou uma mistura explosiva em uma máquina a gás), você pode obter o máximo de trabalho útil e, portanto, a maior eficiência.
O trabalho deste hipotético motor de alta eficiência, como Carnot provou, deveria consistir em quatro ciclos. No primeiro ciclo, o calor Q1 é fornecido ao fluido de trabalho do nível superior T1 a uma temperatura constante desse nível (ou seja, neste ciclo, o fluido de trabalho deve se expandir mantendo uma temperatura constante, o que é alcançado aquecendo o corpo). Durante o segundo ciclo, o fluido de trabalho se expande, mas sem fornecimento de calor, até que sua temperatura caia para o nível inferior T2. No terceiro ciclo, o fluido de trabalho é comprimido a uma temperatura constante T2 (para isso foi necessário remover constantemente o calor Q2). Na quarta etapa, o fluido de trabalho foi comprimido sem remoção de calor até sua temperatura subir novamente para T1. Se todas essas condições fossem atendidas, de acordo com os cálculos de Carnot, a eficiência do motor era determinada pela fórmula 100•(1 - T2/T1) e atingia cerca de 70-80%. Ao longo do século 100, os cálculos de Carnot estimularam o pensamento criativo de inventores que tentaram encontrar uma resposta para a pergunta: como aproximar o trabalho das máquinas térmicas reais do trabalho no "ciclo de Carnot" e obter a maior eficiência possível. Mas todas as tentativas de construir tal motor foram mal sucedidas. Por exemplo, a eficiência de um motor a vapor a uma potência de 13 hp. não excedeu 10% e em motores de baixa potência foi inferior a 22%. A eficiência dos motores a gasolina e a gás acabou sendo um pouco maior, mas também não excedeu 24-XNUMX%. Tal era a situação quando, no início dos anos 90, o jovem engenheiro alemão Rudolf Diesel assumiu a criação do "motor ideal". Ainda estudante, ele estabeleceu o objetivo de desenvolver um motor desse tipo, cujo desempenho seria próximo ao "ciclo de Carnot", e esse motor deveria ter superado um motor a gasolina convencional tanto em potência quanto em eficiência. Após vários anos de trabalho árduo, o projeto do motor foi desenvolvido. A essência da ideia de Diesel foi a seguinte. No primeiro estágio, o pistão comprime o ar no cilindro a uma alta pressão, devido à qual a temperatura no cilindro aumenta até a temperatura de ignição do combustível (isso corresponde ao quarto ciclo de Carnot - compressão sem remoção de calor). Assim, uma pressão de cerca de 90 atm e uma temperatura de cerca de 900 graus foram alcançadas no cilindro. O combustível era fornecido ao cilindro no final do ciclo de compressão e, devido à alta temperatura do ar, inflamado a partir de um contato com ele sem qualquer ignição externa. A injeção de combustível foi realizada de maneira uniforme, de modo que parte do movimento reverso do pistão e da expansão dos gases ocorresse a uma temperatura constante (de acordo com o primeiro "ciclo de Carnot"). Além disso, o pistão já se movia sob a influência de alta pressão sem queimar combustível (o segundo "ciclo de Carnot"). O terceiro ciclo correspondeu à exaustão e sucção de uma porção fresca do ar atmosférico. Em seguida, todos os ciclos foram repetidos. Graças a esse dispositivo, Diesel pensou em aumentar a eficiência de seu motor para um valor inédito - 73%. A princípio, ele esperava usar vapor de amônia como combustível, mas depois escolheu pó de carvão. Em 1892, Diesel recebeu uma patente para o princípio descrito de operação do motor e, em 1893, publicou o folheto "Teoria e Projeto de um Motor Térmico Racional" com uma descrição do motor e seus cálculos matemáticos.
A brochura atraiu muita atenção. No entanto, a maioria dos engenheiros considerou a ideia de Diesel irrealizável. O maior especialista em motores a gás da época, Koehler, alertou que era impossível obter uma eficiência tão alta, pois o motor Diesel tem perdas de potência muito altas para comprimir o ar até a temperatura de ignição e ao trabalhar no "ciclo de Carnot" todo trabalho útil será gasto apenas na manutenção de seu próprio movimento. No entanto, Diesel começou a oferecer agressivamente seu modelo para várias empresas alemãs. No início, ele foi recebido com rejeição em todos os lugares. Sem desespero, ele continuou a correspondência, discutindo, argumentando e finalmente obteve sucesso: a empresa Krupp em Essen concordou em financiar os custos e a administração da fábrica de Augsburg para produzir uma amostra de teste. Já em julho de 1893, o primeiro motor diesel monocilíndrico foi fabricado. De acordo com o projeto original, a compressão em seu cilindro deveria atingir 90 atm, e a temperatura antes do início da entrada de combustível era de 900 graus. Como a temperatura não deveria exceder muito esse limite, nenhum sistema de refrigeração foi fornecido para o motor. O compressor também não foi planejado - o pó de carvão deveria ser soprado por uma bomba. Mas mesmo na fase de montagem, Diesel, depois de verificar seus cálculos, estava convencido de que Koehler estava certo - o consumo de energia do motor para comprimir ar de até 90 atmosferas acabou sendo excessivamente alto e "comeu" todo o ganho de eficiência devido ao trabalho no "ciclo de Carnot". Eu tive que refazer meu plano em movimento. Para reduzir a perda de potência para compressão, Diesel decidiu reduzir a pressão no cilindro em mais da metade - para 35-40 atm. A este respeito, a temperatura do ar comprimido em vez de 900 graus deveria ter sido apenas 600. Isso foi muito pequeno - a diferença de temperatura na fórmula de Carnot acabou sendo muito pequena para obter alta eficiência. Para melhorar a situação e aumentar a potência do motor, Diesel teve que abandonar o segundo ponto importante de seu projeto - a expansão do fluido de trabalho a uma temperatura constante. Ele calculou que a temperatura durante a combustão do combustível deve aumentar para 1500 graus. E isso, por sua vez, exigia, em primeiro lugar, o resfriamento mais intensivo do motor e, em segundo lugar, mais combustível de alto teor calórico. O pó de carvão não podia dar uma temperatura tão alta, então o Diesel foi forçado a usar combustível líquido. Mas na primeira tentativa de injetar gasolina no cilindro, ocorreu uma explosão que quase tirou a vida do inventor e de seus assistentes. Assim terminou o primeiro teste. Teve dois resultados. Diesel teve que se desviar um pouco do esquema original de seu "motor ideal" passo a passo. Mas, por outro lado, alguns pontos fundamentais de seus cálculos foram confirmados - uma forte compressão da mistura de trabalho levou a um aumento na eficiência e, além disso (a explosão provou isso), descobriu-se que o combustível pode realmente ser inflamado por compressão sem recorrer a um sistema de ignição caro. Portanto, as empresas que financiaram o projeto ficaram geralmente satisfeitas com o sucesso alcançado e Diesel pôde continuar seus experimentos.
Em junho de 1894, um segundo motor foi construído, para o qual Diesel inventou um bico que controlava a injeção de querosene. Neste modelo, a pressão no cilindro foi aumentada para 35-40 atm e a temperatura no final da compressão - até 500-600 graus. O motor não só conseguiu dar partida, mas também deixá-lo ocioso em uma frequência de até 80 rpm. Foi um grande sucesso - a ideia de Diesel provou ser viável. Em 1895, foi construído um terceiro motor, que já podia funcionar com uma pequena carga. Para a injeção de querosene, um compressor foi fornecido aqui pela primeira vez. Além disso, um sistema de resfriamento intensivo teve que ser desenvolvido para evitar que o cilindro emperrasse. Só depois disso, em 1896, o lançamento de um novo protótipo trouxe sucesso. Quando testado com carga, a eficiência do motor foi de 36% e o consumo de querosene foi de cerca de 200 g por cavalo-vapor por hora. Embora esses números estivessem muito longe dos parâmetros do "motor ideal", eles ainda eram impressionantes: a eficiência do novo motor acabou sendo 10-12% maior do que a dos motores a gasolina da época, e em termos de sua eficiência ultrapassou-os quase duas vezes. Deixe que Diesel não consiga realizar seu sonho, mas o que ele fez foi de grande importância - graças à sua perseverança, foi desenvolvido um design fundamentalmente novo do motor de combustão interna, que foi e continua sendo o melhor nos últimos cem anos. O novo motor funcionou da seguinte forma. Durante o primeiro curso do pistão, devido à mão de obra do volante armazenada para a operação anterior da máquina, o ar era sugado para dentro do cilindro. Durante o segundo tempo, também devido à mão de obra do volante, o ar preso no cilindro foi comprimido a 35 atm. Ao mesmo tempo, o calor liberado durante a compressão o levou à temperatura de ignição do combustível. No início do terceiro curso, o querosene foi introduzido usando uma bomba. Esta injeção durou apenas uma pequena parte do curso. Durante o resto do curso, a massa de gás se expandiu e a força de trabalho foi transmitida ao pistão, que foi transmitida através da biela para o virabrequim do motor. No quarto curso, os produtos da combustão irromperam através do tubo de escape para a atmosfera. O motor estava equipado com um compressor, que em um reservatório especial condensava o ar a uma pressão ligeiramente superior à pressão mais alta do cilindro. A partir desse reservatório, o ar era direcionado através de um tubo de diâmetro muito pequeno para uma pequena câmara de bico, ou seja, um aparelho para pulverizar o combustível fornecido, no qual era fornecido simultaneamente querosene. Esta câmara comunicava-se com o interior do cilindro através de um pequeno orifício fechado por uma agulha: quando esta agulha era levantada, o querosene era empurrado para dentro do cilindro devido ao excesso de pressão na câmara. A combustão no cilindro era regulada, dependendo da força que o motor tinha que desenvolver, seja alterando a duração da entrada de combustível, seja alterando a pressão no compressor. O mesmo ar comprimido também foi usado para a partida inicial do motor a partir de um estado frio. Em cima do motor havia uma árvore de cames com cinco cames, um controlava a válvula que deixava entrar o ar, o outro - a válvula que deixava entrar o querosene, o terceiro - a válvula que liberava os produtos da combustão. Os dois últimos cames controlavam as válvulas, através das quais o ar comprimido era admitido no cilindro durante a partida inicial do motor.
Os primeiros testes oficiais do novo motor fizeram uma verdadeira sensação entre os engenheiros. Desde então, começou a marcha vitoriosa dos "diesels" pelo mundo. Muitas empresas que não haviam respondido anteriormente à oferta de Diesel estavam com pressa para comprar dele o direito de construir os motores que ele inventou, e isso agora lhes custou caro (por exemplo, Emmanuel Nobel, querendo estabelecer a produção de diesel na Rússia, pagou Diesel cerca de 500 mil dólares). Já em 1898, Diesel, inesperadamente para si mesmo, tornou-se milionário. No entanto, os primeiros motores colocados em produção em massa revelaram-se insatisfatórios, caprichosos e muitas vezes falhados. O lançamento de uma máquina tão complexa e de alta tecnologia estava além do poder de muitas fábricas com equipamentos desatualizados. Como Watt em seu tempo, Diesel teve que se esforçar muito para aperfeiçoar o processo de produção de motores a diesel - desenvolver novas máquinas, encontrar ligas adequadas e treinar especialistas. Por vários anos ele vagou pela Europa e América, visitando as fábricas onde seus motores eram fabricados. No início do século XX, as principais dificuldades foram superadas e os motores diesel começaram a conquistar cada vez mais novas áreas de aplicação na indústria e nos transportes. Em 1900, na Exposição Mundial de Paris, os motores Diesel receberam o Grand Prix. O prestígio dos novos motores foi especialmente aumentado pela notícia de que a fábrica Nobel na Rússia havia lançado a produção de motores muito bons que funcionavam com petróleo bruto. Autor: Ryzhov K.V.
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