Текст книги "Машина-двигатель
От водяного колеса до атомного двигателя"

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 16 страниц)

Вот к ним-то теперь и перейдем.

Глава IV. Иными путями

«Пожиратель газа, вращающийся кусок сала»

Длинные языки пламени лизали стоящую на горелке колбу. Для опыта, который задумал инженер, надо было прогреть сосуд. Инженер нетерпеливо пересыпал с ладони на ладонь горсть опилок. Когда, по его расчетам, прогрев сосуда должен был окончиться, – инженер бросил опилки на дно колбы. Опилки задымили… Беловатая струйка потянулась из горловины колбы… Вдруг наружное пламя коснулось струйки и… дым загорелся. Это было удивительно. В воздухе, над колбой, повис синеватый язычок нового пламени. И пока опилки дымились, тлели, над колбой всё время трепетал синеватый огонек.

Для опыта, который задумал французский инженер, надо было прогреть сосуд.

Так в 1729 году был открыт французским инженером Лебоном способ получать газ, который горит. Потом этот способ был усовершенствован, появились специальные газовые заводы. На таких заводах сжигались дрова или другое топливо в закрытых сосудах при недостатке воздуха, и газ, выходящий из этих сосудов, направлялся по трубам в любое место.

Газ получил название «светильного», потому что в первое время его использовали для освещения, – зажигались специальные «газовые» лампы.

Появление светильного газа вновь вызвало к жизни идею создания двигателя внутреннего сгорания.

«Почему вновь?» – спросите вы. Но вспомните пороховую машину Папена и Гюйгенса. Разве, пытаясь создать такую машину, авторы не хотели построить тепловой двигатель, где сгорание топлива происходило бы внутри рабочего цилиндра?

Теперь, когда появилась возможность сжигать в цилиндре не порох, а газ, полученный из обычного топлива, стало казаться заманчивым избавиться от громоздких котлов и конденсаторов. Такой облегченный двигатель мог бы найти широкое применение на мелких предприятиях.

В технике так бывает часто: появившаяся сегодня идея не может быть осуществлена, – не хватает технических знаний, но завтра она станет осуществимой.

…В контору парижского заводчика Маринони вошел один из наиболее способных мастеров завода – Жан Ленуар. Заводчик был удивлен, когда узнал, что причиной визита мастера является не новый рецепт эмали, которые так искусно составлял Ленуар, а нечто совсем другое. Жан Ленуар изобрел новый двигатель и просит помочь в изготовлении первого образца.

Маринони насторожился. Ленуар вынул из кармана сложенный чертеж и развернул его на столе.

Заводчик не плохо разбирался в технике, он всегда с интересом относился к предложениям своего способного мастера. Маринони и теперь был готов выслушать Ленуара, хотя сама идея газового двигателя ему не казалась новой.

Маринони помнил, что еще тридцать лет назад в Лондоне по реке Темзе плавала моторная лодка с газовым двигателем изобретателя Броуна. Да и сам Лебон, как слышал Маринони, еще в 1801 году предлагал использовать горючий газ в двигателях.

Заводчик обо всем этом напомнил и Ленуару. Но Ленуар вынул из кармана свою записную книжку и показал ее Маринони: там был выписан еще более длинный перечень изобретателей, предлагавших газовые двигатели. И тем не менее, как уверял Ленуар, его двигатель отличен от всех прочих и может быть практически построен. Он, Ленуар, берется всё изготовить сам, лишь бы было согласие хозяина.

Маринони не сразу уступил просьбе мастера. Ему не хотелось затрачивать средства и отрывать от основного дела Ленуара, – он мало верил в газовые двигатели, которые вот уже полвека пытаются строить, но всё безуспешно.

При первом же взгляде на чертеж Маринони увидел, что у цилиндра нового двигателя много внешнего сходства с цилиндром паровой машины.

Первый двигатель внутреннего сгорания – газовый двигатель Ленуара.

– Да, действительно, – объяснял Ленуар, – он похож на паровую машину с цилиндром двойного действия, но работает он, конечно, совсем иначе.

Через левый канал, когда его откроет золотник, в левую полость цилиндра будет поступать не пар, а светильный газ; для этого придется прокрутить маховик и поршень немного оттянуть вправо… Примерно на половине полного пути поршня левый канал золотником закроется, и через электрический запальник в газ будет послана электрическая искра. Газ загорится, большое количество выделяющегося тепла поднимет газовое давление, и поршень пойдет дальше уже под силой этого давления. В конце хода поршня откроется правый канал на впуск, а левый откроется на выпуск. Затем маховик, провертывая по инерции вал, заставит поршень двигаться справа налево. При этом в левой части цилиндра будет происходить вытеснение отработавшего газа, а в правой заполнение новой порцией газовоздушной смеси. Вспышка от искры произойдет в правой полости цилиндра, и так далее.

Ленуар пояснил, что в цилиндр двигателя будет засасываться не чистый газ, а смесь газа с воздухом, – ведь воздух нужен для горения. Расход горючего газа, по его, Ленуара, предположению, не должен будет превосходить одного кубического метра в час на каждую лошадиную силу мощности.

Работа двигателя, как ее описал Ленуар, казалась осуществимой. Расход газа в 1 кубический метр на лошадиную силу в час не вызывал возражения. Маринони решил рискнуть своими средствами.

Так в 1860 году возникло первое промышленное производство двигателей внутреннего сгорания.

Вскоре после того, как Ленуару удалось заинтересовать своим двигателем заводчика Маринони, были построены три опытных двигателя. И хотя Ленуар, в сущности, не был оригинальным и выдающимся изобретателем, но, тщательно и кропотливо изучив недостатки своих предшественников, обладая достаточной энергией и технической сноровкой, он сумел довести свой двигатель до работоспособной конструкции.

Фирма Маринони стала широко рекламировать новый двигатель. Появился спрос, – для мелких предприятий такой двигатель был незаменим, потому что установка паровых машин вместе с паровыми котлами требовала много средств и места.

Но… прошел год, прошел другой. Накопился опыт эксплуатации двигателей Ленуара. И опыт этот оказался печальным.

В технических журналах того времени появились статьи, в которых сначала слегка, а затем всё сильнее и сильнее стали поругивать новый двигатель.

«Это не машина – это какой-то „пожиратель газа“! Вместо разрекламированного одного кубометра на лошадиную силу в час он потребляет целых три!» – возмущались одни.

«Какой же это двигатель? Ему не надо кочегара, но зато он требует столько смазочного масла, что смазчик должен всё время стоять и заполнять масленки. Нет, увольте, это не двигатель, а вращающийся кусок сала!» – вторили им другие.

И действительно, обладая малым коэффициентом полезного действия, двигатель Ленуара потреблял много топлива, а конструктивное несовершенство его приводило к большому расходу смазочного масла.

Но двигатель внутреннего сгорания был нужен. Инженерная мысль начала работать в новом направлении: почему оказался неудачным двигатель Ленуара и как добиться создания экономичного и надежного двигателя?

«Зайдите в магазин Шопена»

Русских инженеров, которые сами много работали над совершенствованием тепловых двигателей и чутко следили за прогрессом зарубежной техники, живо заинтересовал новый двигатель Ленуара. Какие возможности открылись бы для распространения легкого двигателя внутреннего сгорания в России – стране, где столько мелких предприятий, где создается новый флот и где вместе с тем такое разнообразие в топливе!

Возникшим интересом не замедлили воспользоваться предприимчивые купцы. В петербургских газетах 1862 года появилось рекламное сообщение:

«Желающие видеть машину ЛЕНУАРА могут посетить магазин Шопена на Большой Морской улице, между Невским проспектом и Кирпичным переулком.

Машина для посетителей пускается в ход каждый день от 2-х до 4-х часов пополудни».

В магазин заходило много любознательных. Машину запускали. Поглощая газ, машина вырабатывала энергию, вращала станки. Зрители, познакомившись с двигателем, переходили к осмотру прочих механизмов, продававшихся в магазине, Шопен бойко торговал.

Среди других посетителей в магазин часто захаживал молодой инженер Павел Кузьминский. Для него новый двигатель не был только заморской диковиной. Он внимательно и терпеливо наблюдал за работой двигателя, изучая его свойства, и вскоре обратил внимание на главный его недостаток – низкий коэффициент полезного действия.

Когда двигатель пускался, его наружные стенки были холодны, как все металлические предметы вокруг. Но вот двигатель немного проработал – и до стенок уже нельзя дотронуться рукой.

Кузьминский знал, что вдоль стенок цилиндра двигателя просверлены специальные каналы и через эти каналы непрерывно пропускается охлаждающая вода, вытекающая из специального бака. И всё же двигатель очень нагревался.

«Значит, плохо используется тепло, выделяющееся из газа, – думал Кузьминский. – Оно, это тепло, должно производить работу, а не нагревать окружающий воздух».

В 1862 году в журнале «Морской сборник» Кузьминский поделился своими замечаниями о недостатках двигателя Ленуара и предложил сочетать принцип сжигания топлива внутри цилиндра двигателя с предварительным сжатием воздуха. Он рассуждал так: если в цилиндр каким-либо путем подать сжатый воздух, то, расширяясь, этот воздух может толкать поршень, но тогда он, наоборот, будет охлаждаться и охлаждать стенки цилиндра, отнимая при расширении тепло от окружающих его предметов. Так работают воздушные двигатели. А что, если бы в тот момент, когда начинается расширение, впустить в цилиндр порцию газа и поджечь? Выделяющееся тепло снова подогревало бы воздух и давление его при расширении не так быстро снижалось бы, то есть он мог бы сильнее толкать поршень на всем его ходе от одного крайнего положения до другого. Значит, такой двигатель, правильно используя тепло сгорания, смог бы развивать большую мощность, чем просто воздушные двигатели или чем двигатель Ленуара, работающий без сжатия.

Заметка Кузьминского была короткой. Автор не предлагал новой конструкции, – он только обращал внимание инженеров на тот путь, который, по его мнению, может привести к созданию более экономичного и надежного двигателя, чем двигатель Ленуара.

Сам Ленуар плохо разбирался в науке и не видел, в чем состоит принципиальный порок его двигателя.

И это несмотря на то, что уже почти сорок лет прошло со времени издания книги его гениального соотечественника – Сади Карно, где впервые говорилось о том, как следует создавать тепловой двигатель с высоким коэффициентом полезного действия.

Судебное дело о четырех тактах

Так же, как Уатт и Болтон пробили дорогу паровой машине широкой рекламой, так и Ленуар с Маринони приложили все старания к тому, чтобы весь мир заговорил о только что созданном газовом двигателе.

Уже в 1860 году на заводе Маринони было построено десять двигателей Ленуара, а в течение нескольких лет более трехсот машин работало в различных странах Европы.

В одной из кельнских газет, в Германии, появилась хвалебная статья, посвященная новому двигателю. В статье говорилось о небывалом успехе двигателя внутреннего сгорания, о тех широких перспективах, которые открываются перед транспортом и промышленностью с применением такого двигателя. «Конец паровым машинам!» – восклицал автор статьи.

Среди других статью прочел тридцатилетний конторщик Николай Отто. Машин он не знал, а двигателей тем более. До сих пор ему приходилось работать приказчиком, бухгалтером, конторщиком. Но такая жизнь ему казалась скучной, бесперспективной. Он жаждал найти применение своим силам, найти свой особый путь к успеху.

Прочитав статью о двигателе Ленуара, он загорелся сам идеей постройки таких двигателей, их совершенствования.

– Покончить с паровыми машинами – вот над чем мне надо работать! – увлеченно говорил он в кругу друзей.

– Но как? – удивлялись друзья. – Ты же ничего не смыслишь в технике!..

Однако Николай Отто был тверд в своем решении. Он стал много заниматься и упорно читать технические книжки, познакомился с устройством двигателя Ленуара.

С помощью кустарных мастерских он построил себе маленькую опытную машину. Но заставить работать эту машину было нелегко. Тут только Отто и понял, что между желанием и его исполнением лежит путь огромного труда и исканий.

Как-то, настойчиво повторяя свои бесконечные попытки запуска двигателя, Отто заметил любопытное явление. Начав, как обычно, всасывать в цилиндр рабочую смесь – вращая при этом маховик и отводя поршень, – он позабыл включить электрическое зажигание. Не дав засосанному газу уйти из цилиндра, Отто повернул маховик в обратном направлении и тем самым сжал газ. После этого он включил зажигание, искра подожгла сжатый газ, и поршень рвануло вперед сильнее обычного: вместо двух-трех оборотов, маховик после взрыва сделал чуть ли не десять.

Так своими опытами Отто пришел к Значительному техническому открытию, которое, однако, уже предвидели инженеры, знающие термодинамику, и в их числе русский инженер Кузьминский: если газ предварительно сжимать, то работа, совершаемая этим газом при сгорании, окажется больше.

В один год со статьей Кузьминского, то есть в 1862 году, вышла брошюра французского инженера Бо де Роша, где также научно доказывалось преимущество предварительного сжатия. Больше того, Бо де Роша предложил способ выполнения такого сжатия, – он рекомендовал производить работу в цилиндре двигателя за четыре приема:

1) сначала, отводя поршень внешним усилием (например вращая маховик), засосать через отверстия в цилиндре рабочую смесь воздуха с газом;

2) затем закрыть всасывающие отверстия специальными клапанами и сжать поршнем на обратном его ходе рабочую смесь;

3) когда поршень дойдет до крайнего положения, – электрической искрой поджечь смесь. Произойдет вспышка, выделившееся тепло поднимет давление газа, отчего поршень совершит уже рабочий ход – сам повернет вал с маховиком;

4) как только под давлением расширяющихся газов поршень пройдет весь ход и дойдет до другого крайнего положения, – надо открыть специальные выхлопные отверстия в цилиндре, через которые отработавшие газы вырвутся наружу, а их остаток будет выталкиваться поршнем, так как раскрутившийся маховик заставит по инерции поршень идти снова вверх.

Затем всё должно повториться в такой же последовательности еще и еще раз – непрерывно, но уже без помощи человека – автоматически, за счет использования инерции маховика. Отто ничего, по-видимому, не знал о предложении Кузьминского, но знал ли Отто о книжке Бо де Роша? Трудно сказать. Во всяком случае, двигатель, который он построил совместно с инженером Лангеном, стал работать именно в четыре приема, или, как теперь говорят, в четыре такта.

Новый четырехтактный газовый двигатель Отто – Лангена появился впервые на Всемирной Парижской выставке в 1873 году.

Свыше пятнадцати лет прошло с тех пор, как конторщик Отто стал увлекаться двигателями. За это время, найдя себе компаньона в лице состоятельного инженера Лангена, он стал заводчиком, и двигатель 1878 года был изготовлен по всем правилам промышленного производства того времени. Развивал он мощность в 4 лошадиные силы. Топливом служил светильный газ.

Как же выглядит этот первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания?

Первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания – газовый двигатель Отто – Лангена, построенный в 1878 году.

На массивном фундаменте лежит плита. К плите крепится горизонтальный цилиндр. В подшипниках справа лежит коленчатый вал с маховиком. Поршень через шатун связан с валом. На коленчатом валу сидит коническая шестерня, которая может вращать другую шестерню, связанную с маленьким валиком, доходящим до крышки цилиндра.

Этот валик, вращаясь в два раза медленнее коленчатого вала, открывает золотником то всасывающие, то выхлопные окна в крышке цилиндра.

На Парижской выставке двигатель работал и вызвал огромный интерес.

Шутка ли – вместо коэффициента полезного действия в 3–4 %, как у Ленуара, здесь на полезную работу шло уже 12–14 % выделяющегося тепла! А на сколько меньше сжигалось газа!

Вот когда удалось получить расход в 1 кубический метр газа на лошадиную силу в час!

Двигатель стал быстро распространяться. Владелец патента Отто и его компаньон Ланген были завалены заказами.

Четыре такта принесли успех двигателю Отто – Лангена.

Четыре такта. Но ведь о них значительно раньше говорил Бо де Роша, причем говорил со знанием термодинамики, доказал их преимущество?

И французские наследники Бо де Роша возбудили судебное дело против Отто.

Факты были очевидны; суд признал, что французский инженер первый предложил четырехтактный процесс. Германский патент Отто был аннулирован. Четырехтактный двигатель получил широкую дорогу – новые двигатели этого типа стали строить повсюду.

Заслуга Отто в том и состоит, что он создал первую промышленную конструкцию четырехтактного газового двигателя, за которой последовало бурное развитие нового двигателестроения.

Капитан русского флота Костович и его двигатель

27 декабря 1879 года на 6-м съезде естествоиспытателей, собравшемся в Петербурге, был большой день.

С докладом «О сопротивлении среды» выступал выдающийся русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев.

После доклада группа молодых любителей воздухоплавания окружила профессора, – надо было уяснить еще много важных деталей, о которых в коротком докладе нельзя было говорить подробно. Дмитрий Иванович, сам увлеченный идеей воздухоплавания, охотно делился своими знаниями. Разговоры продолжались на улице, – все шли на квартиру лейтенанта Спицына. Здесь должно было состояться первое собрание будущего общества воздухоплавателей.

Лейтенанта Спицына знали все. Уже девять лет он трудился над созданием летательных аппаратов. Его квартира – музей и мастерская одновременно. Здесь можно увидеть чучела разнообразных птиц, модели гигантских крыльев, хитроумные станки, с помощью которых малыми усилиями вызываются очень сложные движения крыльев.

Хозяин любезно принял гостей, и сразу вокруг аппаратов завязались жаркие споры.

– Ну нет, – горячился уже ставший знаменитым изобретателем капитан флота Огнеслав Костович, – на таких крылышках далеко не улетишь!

– Но и на ваших аэростатах тоже не улетишь или улетишь, да не туда, куда хочешь, – смеясь возражал лейтенант Спицын. Однако капитана Костовича поддержал Менделеев.

– А ну-ка, Огнеслав Стефанович, расскажите-ка им о том, что вы задумали. Господа, прошу внимательно отнестись к сообщению капитана Костовича, – его воздухоплавательное судно в ряду изобретений на почве аэронавтики занимает первое место.

Собравшиеся с интересом приготовились слушать.

Капитан Костович открыл портфель и, достав чертежи, приступил к подробному изложению своего проекта управляемого дирижабля.

Это был интересный проект. Предлагался управляемый воздушный корабль, снабженный легким двигателем внутреннего сгорания любопытной конструкции. Паровую машину изобретатель отказывался ставить на дирижабль, – слишком много места требовалось отвести под уголь, а также под котел, машину и остальные устройства. Всё это утяжелило бы дирижабль, заставило бы увеличить его размеры.

Но и газовый двигатель Отто также не устраивал Костовича. Он не мог мириться с тем, что для этого двигателя необходимо брать на борт дирижабля запасы газа. Ведь пришлось бы ставить специальные баллоны, занимающие много места.

И Костович предложил для своего дирижабля другой изобретенный им двигатель – двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе.

Это была совсем новая, оригинальная идея. Изобретатель подробно описал конструкцию специального приспособления, которое позволяло сжигать в цилиндрах двигателя не горючий газ, а пары жидкого топлива – керосина или бензина.

На призыв Д. И. Менделева и других ученых откликнулись многие передовые люди страны. Начался сбор средств, и в 1882 году Костович на Охтенской верфи в Петербурге стал строить свой дирижабль и прежде всего – двигатель для него. Костович считал, что успех всего дела зависит от того, удастся или не удастся создать легкий, но мощный двигатель.

Увидев, что изобретение Костовича может принести огромные прибыли тому, кто первый им овладеет, зарубежные предприниматели предложили изобретателю строить дирижабль за границей, но патриот Костович объявил в печати, что «воздушный корабль будет строиться из отечественных материалов и руками только русских рабочих».

В 1884 году двигатель Костовича – первый в мире двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе, – был построен, а в 1885 году успешно прошел испытания.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работавший на жидком топливе, – двигатель русского изобретателя Огнеслава Костовича.

Это был весьма интересный двигатель. Он сохранился до наших дней (утеряны только некоторые второстепенные части) и находится в Доме авиации имени М. В. Фрунзе, в Москве.

Давайте познакомимся с этим двигателем.

Основанием двигателя служит плита, к которой крепятся девять клепаных стоек. Три из них, те, что повыше, – посредине, а слева и справа – по три более низких стойки. На этих стойках в подшипниках лежат три вала. Крайние валы – прямые, а средний – коленчатый – имеет четыре кривошипа. На хвостовике этого вала сидит большое колесо со спицами, вроде велосипедного. Это маховик. На прямых валиках свободно качаются по четыре коромысла с каждой стороны. Верхние концы коромысел шарнирно связаны с шатунами, а те – с кривошипами коленчатого вала. Нижние концы коромысел через вторые шатуны связаны с поршнями цилиндров двигателя. «Цилиндров? – спросите вы. – Но где они?»

Всмотритесь внимательнее. Внизу, на плите, лежат четыре трубы. Это и есть цилиндры, каждый из которых имеет по два поршня – левый и правый.

Схема работы цилиндра двигателя Костовича с двумя расходящимися поршнями.

Но как происходит работа в таком цилиндре? Когда оба поршня сходятся, – заключенный между ними газ сжимается. Сюда посылается электрическая искра – газ воспламеняется, давление растет и сила этого давления заставляет поршни расходиться.

После рабочего хода наступает выхлоп, во время которого поршни вновь сближаются и через открывшийся от автоматического привода выхлопной клапан выбрасывают отработавшие газы. Затем поршни коленчатым валом вновь разводятся. Но теперь уже открывается всасывающий клапан и пространство между двумя поршнями заполняется свежей горючей смесью.

Однако в двигателе Костовича эта рабочая смесь уже составлялась не из воздуха и горючего газа, как в двигателе Ленуара или Отто, а из воздуха и паров легкого жидкого топлива – бензина.

Но откуда получались пары бензина? В приборе, который придумал Костович (потом такие устройства стали называть «карбюраторами»), жидкий бензин испарялся и его пары смешивались с подходящим к впускному клапану цилиндра воздухом.

Построив такой двигатель, Костович мог взять на дирижабль сравнительно небольшой бак с бензином, и его хватило бы для полета на относительно далекое расстояние.

В 1885 году двигатель испытывался. Он оказался очень легким – весил всего 240 килограммов, а развивал мощность в 80 лошадиных сил, то есть на каждую лошадиную силу мощности приходилось всего 3 килограмма веса машины. Это было неслыханно для того времени. Именно такой легкий и мощный двигатель требовался воздухоплаванию.

Но Костовичу, как и многим другим русским изобретателям, не удалось довести до конца начатое дело. Средства иссякли, царское правительство в помощи отказало, а тут еще возник пожар, который уничтожил все труды изобретателя. Уцелел лишь двигатель, находившийся в другом помещении.