Изобретатели двигателей

Г.С. Касаткин, кандидат технических наук, доцент МГУПСа (МИИТ)


Вернуться к содержанию рубрики

Версия для печати

 

Сегодня по всему миру в промышленности, на транспорте широко используются различные приводы на базе электрических и дизельных двигателей. В уходящем году научно-техническая общественность отметила две связанные с этим знаменательные даты: 170 лет со дня применения первого электродвигателя Якоби для привода транспортного средства - судна и 150 лет со дня рождения Рудольфа Дизеля - изобретателя дизельного двигателя внутреннего сгорания. 170 лет назад 13 сентября 1838 года. Б.С. Якоби одним из первых в мире применил созданный им электродвигатель для транспортных целей - движения по Неве катера (бота) с пассажирами.

Б.С. Якоби (1801–1874)

Борис Семенович Якоби (Мориц Герман, как он именовался до приезда в Россию) родился 21 сентября 1801 г. в Потсдаме. Высшее образование получил по специальности архитектор-строитель. Наряду с работой в строительном департаменте Пруссии Якоби с увлечением занимался исследованиями в области электромагнетизма. В 1834 г. он создал модель электродвигателя. Она состояла из восьми электромагнитов, расположенных попарно на подвижном и неподвижном деревянных барабанах.

В зависимости от направления тока в обмотках электромагнитов они то притягивались, то отталкивались друг от друга, за счет чего барабан приходил во вращение. Так Якоби впервые применил в своем электродвигателе коммутатор с вращающимися металлическими дисками и медными рычагами, которые при скольжении по дискам обеспечивали токосъем. В современных тяговых двигателях используется такой же принцип коммутации.

О своем изобретении Якоби сделал доклад в Парижской академии наук, благодаря которому его исследования приобрели мировую известность. В 1835 г. Якоби был приглашен в Россию на должность профессора архитектуры Дерптского университета. Позднее Россия стала для него второй родиной, которой он самоотверженно служил и внес большой вклад в развитие ее науки и техники.

В том же году он опубликовал «Мемуар о применении электромагнетизма для движения машин». Этот научный труд, по существу являвшийся обобщением всей его работы в области электромагнетизма, вызвал большой интерес ученых многих стран. По рекомендации известных ученых Петербургской академии наук, знакомых с работами Якоби, он составил докладную записку с предложением о практическом применении электродвигателя «для приведения в действие мельницы, лодки или локомотива» и обратился с этим к президенту Академии наук и министру просвещения графу С.С. Уварову.
 

Магнитный двигатель Якоби

Предложение Якоби было поддержано и доведено до сведения Николая I. Обращая внимание императора на первенство работ Якоби в области создания электродвигателя, Уваров писал, что двигатель мог бы с успехом заменить паровую машину: «…маленькое судно, к которому будет приделан этот двигатель, было бы удобнейшим средством испытания. Впрочем, можно было бы произвести опыт на карете по железной дороге».

Николай I дал указание создать комиссию из числа академиков по руководству опытами, на проведение которых были отпущены большие по тому времени деньги - 50 тыс. руб. Перед Якоби и учреждаемой комиссией была поставлена задача - направить все усилия на применение электродвигателя в судоходстве. Возглавил эту государственную комиссию по проведению первых натурных испытаний тягового электродвигателя с учетом водной специфики адмирал И.Ф. Крузенштерн (выдающийся мореплаватель, начальник первой русской кругосветной экспедиции). В комиссию входили также известные ученые - Э.Х. Ленц, М.В. Остроградский и другие.

Якоби переезжает из Дерпта в Петербург и на первом заседании комиссии 9 июля 1837 г. демонстрирует модель своего электродвигателя. Комиссия одобрила модель и предложила перейти к натурным испытаниям. В Петербурге под руководством Якоби была создана специальная мастерская (лаборатория), где он за короткий срок выполнил огромный объем работ по изготовлению электродвигателя, усовершенствованию источника питания (гальванической батареи) и созданию специальных электроизмерительных приборов.

13 сентября 1838 г. провели первые натурные испытания тягового электродвигателя. Сохранился текст донесения Крузенштерна графу Уварову. Вот выдержки из него: «13 сентября 1838 г. на Неве был произведен опыт плавания судна, приводимого в движение электромагнитной силой - опыт впоследствии многократно повторенный… Время не позволило устроить для этих опытов особое судно и пришлось довольствоваться обыкновенным восьмивесельным катером… На нем была устроена двигательная машина с гальваническим прибором. Сама машина занимает на катере пространство 1,4 м в ширину и 0,8 м в длину. Батареи, состоявшие из 320 пластинок, удобно устроены вдоль боковых стенок так, что на судне разместилось без стеснения до 12 человек. В одном опыте лодка проплыла 7 верст кряду по Неве и каналам, совершив свой путь в течение 3 часов». Одновременно комиссия отметила некоторые недостатки тяговой установки и вынесла решение продолжать опыты, а в случае их успешного результата - приступить к сооружению большого судна с электрической тягой 10 л.с.

После года напряженной работы 8 августа 1839 г. было проведено испытание электрохода с усовершенствованной конструкцией электродвигателя и батареи. Электроход развивал мощность порядка 0,5 л.с. и скорость около 4 верст в час с 11 пассажирами. Объем батареи уменьшился более чем в 6 раз. Опыты продолжались до 1842 г., за это время электроход проплыл по Неве около 40 верст, имея временами на борту до 14 пассажиров.

Труды Б.С. Якоби стали важной вехой в истории развития электрического транспорта и вызвали целую серию работ по применению электродвигателей для тяги. Однако все попытки изобретателей до создания в 1871 г. динамо-машины не выдерживали конкуренции с паровой машиной из-за дороговизны и несовершенства гальванических батарей, их значительного веса и эксплуатационных расходов. Якоби надеялся на изобретение в недалеком будущем нового, более мощного источника электроэнергии. Вот что он писал об этом: «Но на одном пункте необходимо стоять твердо и неуклонно - я имею в виду дальнейшее развитие науки. Дайте нам только время. Однако, к сожалению, мы находимся в том же положении, как и астрономы, которые воздвигают себе научные памятники на отдаленное будущее с той разницей, что мы стоим перед необходимостью «жертвовать» своими детьми, едва они покинут материнское лоно».

Такая участь постигла только одно детище Якоби - электродвигатель. Другими его изобретениями в области электротехники «жертвовать» не пришлось, и они принесли автору подлинный триумф. Наиболее важным из них было изобретение гальванопластики. К нему он пришел еще в 1836 г., во время работ по созданию электродвигателя и совершенствованию гальванической батареи. В процессе подбора различных пластин для батареи Якоби обратил внимание, что на медной пластине, помещенной в раствор медного купороса, при протекании электрического тока образуется слой меди. Его затем можно было легко отделить, и он точно копировал рельеф пластины. Якоби вырезал на поверхности медных пластин различные рельефы и надписи и получал точные выпуклые копии матрицы. Их образцы он приложил к сообщению о своем открытии, посланному в Академию наук и многим видным зарубежным ученым. Так, на одной пластине он по-английски начертал: «Фарадею от Якоби с приветом».

Изобретение было высоко оценено. В 1840 г. Академия наук присудила Якоби «Демидовскую премию», в том же году был издан его труд «Гальванопластика». Это открытие вскоре нашло широкое применение в типографском деле. Гальванопластика дала возможность изготавливать прочные матрицы с типографских наборов и с произведений мастеров гравюры.

За свои научные и практические достижения в 1838 г. Якоби был избран членом-корреспондентом Академии наук. В следующем году ему поручили работы по совершенствованию телеграфных аппаратов и созданию самовоспламеняющихся (гальваноударных) мин. Было создано несколько оригинальных конструкций электромагнитных телеграфных аппаратов, в том числе и буквопечатающих, а также осуществлена прокладка в 1841-1843 гг. первых телеграфных линий в столице - между Петербургом и Царским Селом.

В 1840-50-е годы Якоби много времени уделял созданию гальваноударных подводных мин, которые включались в электрическую цепь гальванической батареи и взрывались при ударе о корпус корабля. Во время Крымской войны по проекту Якоби были установлены минные заграждения Кронштадтского рейда, которые способствовали обороне города. Якоби предложил так же защитить и Севастополь, однако князь Меньшиков отказался от минных заграждений, мотивируя это тем, что, «несмотря на деятельную поспешность приготовления предлагаемых мин … доставка их из Петербурга потребует много времени и, может быть, еще доставятся они не совершенно в исправном виде». Важное место в деятельности академика Б.С. Якоби (он стал им в 1847 г.) занимали исследования в области электрических измерений и метрологии. Он разработал несколько новых электроизмерительных приборов и ряд оригинальных конструкций реостатов, много сделал для введения в России метрической системы.

В 1867 г. Якоби был направлен в качестве представителя России в Париж на международную выставку. Ему было поручено ознакомиться с достижениями мировой техники. На этой выставке огромным успехом пользовались и достижения самого Якоби в области гальванопластики. При выставке был создан специальный Комитет, именовавшийся «комитет, учрежденный при Парижской всемирной выставке 1867 г., о единообразии мер и весов». Якоби возглавил одну из его комиссий.

В 1869 г. он выступил с докладом на физико-математическом отделении Академии наук о задачах, стоящих перед метрологией, и призвал Академию обратиться с предложением о создании по этому вопросу международной комиссии из представителей разных стран. Это удалось завершить уже после смерти Якоби, когда была заключена международная конвенция, согласно которой в Париже образовано Международное бюро мер и весов. Преемником работ Якоби в области метрологии стал другой выдающийся русский ученый Д.И. Менделеев. Многолетний напряженный труд подорвал здоровье Бориса Семеновича. 27 февраля 1874 г. он ушел из жизни.
 

Рудольф Дизель (1858–1913)

150 лет назад 18 марта 1858 г. в Париже в семье выходца из Баварии родился Рудольф Дизель - создатель названного по его имени двигателя внутреннего сгорания, нашедшего широкое применение в промышленности и на транспорте. В связи с началом франко-прусской войны в 1870 г. семья переехала в Англию, а двенадцатилетнего Рудольфа отправили к родственникам в Германию. После получения среднего образования он, как один из лучших учеников, был приглашен на учебу в Высшую техническую школу в Мюнхене. Во время одной из лекций по термодинамике, когда читавший ее профессор Линде указал на крайне низкий к.п.д. паровых машин, Рудольф был настолько поражен этим, что решил посвятить себя делу создания более совершенного теплового двигателя.

В 1878 г. по окончании Высшей технической школы по рекомендации профессора Линде Рудольф Дизель отправился в Швейцарию в качестве практиканта на машиностроительный завод братьев Зульцер, бывший тогда одним из лучших в Европе. После практики он начал работать на заводе акционерного общества «Холодильник» в Париже и уже через год стал его директором. Рудольф Дизель был постоянно в курсе всех новых разработок тепловых двигателей. Он хорошо видел их недостатки и настойчиво шел к решению задачи создания простого, экономичного и мощного двигателя внутреннего сгорания. В итоге многолетних исследований пришел к выводу, что для получения такого двигателя нужно изменить рабочий процесс по сравнению с существующим в тепловых двигателях.

Новый процесс был сформулирован в 1892 г. и на него Дизелю был выдан патент «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрового и многоцилиндрового двигателя». По идее изобретателя самовоспламенение топлива в двигателе должно происходить от сжатия, что позволяло отказаться от устройства зажигания и использовать любое топливо, включая сырую нефть. Более подробно принцип работы будущего двигателя автор изложил в своей брошюре, изданной в 1893 г. под названием «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели».

Для постройки двигателя Дизелю необходимы были значительные средства, и он настойчиво ищет богатых предпринимателей. В итоге ему удалось заключить договор с дирекцией Аугсбургского машиностроительного завода о проведении опытов и постройке двигателя, а финансирование работ взяла на себя фирма Г. Круппа. Обеим фирмам Дизель уступил свои права на изобретение, а сам возглавил работу в опытных мастерских, где разрабатывался его двигатель.

В июле 1893 г. первый двигатель был построен, однако нужного давления воздуха в его цилиндре не достигалось. В августе удалось повысить давление до 34 атм. При первом впрыске горючего (им был бензин) произошла авария. Изобретатель едва не получил удар по голове металлическим осколком. Несмотря на неудачу, Дизель с огромной энергией продолжал работу. Он внес ряд изменений в конструкцию, и в начале 1894 г. был создан второй опытный экземпляр двигателя, в цилиндре которого удалось довести давление до 40 атм. После проведения всесторонних испытаний этого двигателя Дизель написал в своем дневнике: «Первый не работает, второй работает несовершенно, третий будет работать хорошо». Своей непоколебимой верой в успех он воодушевлял всех окружающих.

Созданный в 1895 г. третий двигатель был снабжен охлаждающей водяной «рубашкой» и воздушным насосом. Работая с нагрузкой, двигатель имел малый расход топлива и к.п.д. около 30%. Через год был изготовлен дизель-мотор мощностью 20 л.с. и начались его испытания. В качестве топлива в нем использовался керосин, который вместе со сжатым воздухом от компрессора распылялся с помощью форсунки. Сжатие воздуха в компрессоре было большим, чем в цилиндре двигателя (в цилиндре воздух сжимался до 35 атм). Пары керосина под действием разности давления поступали через небольшое отверстие из форсунки в цилиндр. Температура сжатого воздуха в цилиндре достигала 600 - 700° С, что приводило к воспламенению горючего и сообщало энергию поршню.

Высокую оценку двигателю дал профессор Мюнхенской Высшей технической школы Шретер (в прошлом учитель Дизеля): «Как четырехтактный двигатель с одним цилиндром, он уже в первой стадии своего развития стоит выше всех современных тепловых двигателей. В высшей степени простое разрешение такого трудного вопроса, как подача горючего посредством впрыскивания сжатым воздухом, указывает на совершенство конструкции, знания и талант изобретателя». После испытаний учитель поздравил Дизеля с выдающимся успехом. Ныне этот испытанный в 1897 г. экземпляр работоспособного экономичного двигателя хранится в музее в Мюнхене как «первый дизель-мотор».

После успешных испытаний Дизелю стали поступать предложения от многих фирм на изготовление двигателей. За один только первый год реализации своего патента Дизель получил огромную сумму - около трех миллионов марок золотом. Новые машины стали называть по имени его создателя дизель-моторами или просто дизелями.

Право на реализацию своего патента Дизель продал немецким, английским, французским и бельгийским фирмам. Перспективным оказался и рынок России, где патентные права приобрел Э. Нобель (младший) за большую сумму, около 0,5 млн. руб. золотом.

Именно в Петербурге на заводе Нобеля (позже «Русский дизель») и в Винтертуре на заводе фирмы «Братья Зульцер» были изготовлены мощные, надежные в эксплуатации двигатели, построенные на основе чертежей дизель-мотора 1897 г. Мощные дизели начали постепенно вытеснять паровые машины сначала в промышленности, а затем и на транспорте. Первыми транспортными средствами, на которых установили дизели, были речные суда. Одними из первых таких теплоходов в России были нефтеналивные баржи «Вандал» и «Сармат», построенные на Коломенском машиностроительном заводе в 1903 и 1904 гг.

Труднее, оказалось, использовать дизели на локомотивах железных дорог. Проблемой стала передача - как трансформировать вращающий момент, передаваемый от вала дизеля на колесо. Дело в том, что мощность дизельного двигателя при неизменной подаче топлива прямо пропорциональна частоте вращения вала. Поэтому необходимо обеспечить возможность работы дизеля с постоянной (наибольшей для реализации его расчетной мощности) частотой вращения вала при переменной частоте вращения ведущих колес локомотива, зависящей от скорости его движения.
 

Третий опытный двигатель
Дизеля, официально испытанный
в 1897г. и находящийся ныне
в Немецком музее в Мюнхене

Другая особенность дизельного двигателя - это его неспособность работать на малых оборотах вала, когда при медленном осуществлении процесса сжатия воздуха в цилиндре не может быть получена температура, необходимая для воспламенения топлива. На решение этой трудной задачи - создания мощного работоспособного дизельного локомотива - ученым и конструкторам многих стран пришлось потратить несколько десятков лет. Одним из первых взялся за это сам изобретатель двигателя. Первая попытка построить поездной тепловоз относится к 1906 г., когда, в какой-то мере по инициативе Дизеля, управление Прусских железных дорог заказало двум крупнейшим европейским заводам - паровозостроительному «Аугуст Борзит» в Берлине и двигателестроительному «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) - пассажирский тепловоз типа 2-2-2 с двухтактным двигателем Дизеля.

При участии изобретателя было организовано «Общество термолокомотивов». Около шести лет Дизель и инженер завода Клозе работали над проектом дизельного локомотива. Построенный тепловоз имел четырехцилиндровый V-образный двигатель мощностью 960 л.с. Для разгона тепловоза (с составом) использовался сжатый воздух из резервуаров.

После проведения первых испытаний на местной швейцарской линии дизельный локомотив решено было отправить в Германию для дальнейших испытаний и пробного обслуживания пассажирских поездов на линии Берлин - Манфельд.

При переезде из Швейцарии в Берлин тепловоз вел пассажирский состав. На локомотиве находились Дизель и Клозе, которые в целом были удовлетворены его работой. На отдельных участках скорость поезда достигала 100 км/ч. Однако дальнейшие эксплуатационные испытания, которые проводились уже после смерти изобретателя, выявили ряд существенных недостатков локомотива. Эти недостатки были принципиальными и неустранимыми, связанными с отсутствием передачи. Вскоре тепловоз был снят с поездной работы. Последний период жизни Р. Дизеля был чередой побед и огорчений. Огромную радость и гордость доставляли ему известия о создании все более совершенных и мощных конструкций его двигателя.

В Петербурге, куда он приехал в 1909 г., ему был показан 4-тактный реверсивный двигатель, построенный на заводе «Русский дизель». Дизельными двигателями оборудовали новейшие океанские теплоходы, подводные лодки и дирижабли. Знаменитый Р. Амундсен, благодаря замене на шхуне «Фрам» (на которой Ф. Нансен пытался достичь Северного полюса) паровой машины на дизель мощностью 180 л.с. выгадал 60% в весе и месте. Это во многом предопределило успех его экспедиции на «Фраме» в Антарктиду и открытие в 1911 г. Южного полюса.

В 1912 г. Дизель совершил триумфальную поездку в США, где выступал с многочисленными докладами, восторженно встреченные слушателями. Ему предлагались выгодные финансовые контракты, но поскольку это требовало его задержки в США на полтора года, он отказался от всех предложений. Дизель встретился с Эдисоном и был восхищен великим изобретателем и его лабораторией в Менло-Парке. Вскоре он вернулся в Германию.

Наряду с поклонниками у Дизеля было немало завистников и недоброжелателей. Владельцы заводов паровых машин инспирировали злобную кампанию против изобретателя, в ходе которой опровергались все его заслуги. Дизель пытался защищаться.

В 1912 г. он выступил с докладом об истории создания своего двигателя на собрании немецких судостроителей и вскоре подготовил рукопись своей книги «Происхождение дизель-моторов».

Еще во время напряженной работы по созданию двигателя его из-за большого переутомления мучили головные и сердечные боли. В последние годы жизни они стали особенно сильными. 29 сентября 1913 г. Р. Дизель после посещения Бельгии отплыл на пароходе в Англию. Однако утром 30 сентября его не нашли в каюте. Согласно предположениям, он покончил с собой, выбросившись за борт. Таков трагический конец великого изобретателя. Но за свою сравнительно короткую жизнь он подарил миру простой и экономичный двигатель, без которого не может обойтись в настоящее время ни одна отрасль промышленности и транспорта.
 

Закон о рекламе

 

Кольцо Патриотических Ресурсов

Хостинг от AGAVA
Яндекс цитирования