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

Автор книги: Марк Левин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 16 страниц)

Вместо лошади – мотор

К этому же времени относятся и первые попытки создания двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе, для наземного транспорта.

В 1882 году произошла размолвка между Отто и одним из инженеров его завода – способным, знающим конструктором Даймлером.

Инженер Даймлер хотел создать четырехтактный двигатель для экипажей. Его увлекала идея самодвижущихся повозок. «Как можно было бы развить безрельсовый транспорт, – думал Даймлер, – если вместо лошади запрячь в телегу мотор!»

Но Отто не хотел заниматься ничем, кроме усовершенствования своего двигателя.

Даймлер ушел и открыл совместно со своим другом, инженером Майбахом, мастерскую.

К этому времени уже весь мир опоясывали железные дороги. Были попытки вслед за паровозом использовать паровую машину для безрельсового транспорта – появились паровые автомобили. Но это были громоздкие и неудобные сооружения, не получившие широкого развития.

«Надо, чтобы сам двигатель и топливо для него занимали как можно меньше места», – думал Даймлер. Так появилась идея создать двигатель, работающий на жидком топливе.

Заметим, что Костович над этой проблемой начал работать раньше Даймлера, еще в 1879 году, и к 1884 году имел уже построенный мощный двигатель.

Даймлер в 1883 году построил лишь опытный одноцилиндровый двигатель, сконструировав к нему простейший испарительный прибор – карбюратор. А двигатель, годный для установки на повозку, Даймлер и Майбах построили только в 1885 году.

Этот двигатель развивал мощность всего в 12 лошадиных сил, и на каждую лошадиную силу приходилось 25 килограммов веса.

В ноябре 1885 года повозка с двигателем Даймлера сама проехала по саду, окружавшему мастерскую.

Это был первый автомобильный пробег.

Первый автомобильный «пробег».

Было странно смотреть на движущуюся без лошади извозчичью пролетку, на которой восседал Даймлер. Следом, не отставая, бежали любопытные.

Позднее изобретатели добились скорости 18 километров в час – это уже в три-четыре раза превышало скорость пешехода, и бежать рядом с такой повозкой стало трудновато.

Тем не менее прошло еще пять лет, пока инженеры смогли привлечь к постройке автомобилей компаньонов с деньгами. Лишь в 1890 году «Акционерное общество Даймлера» начало производство автомобилей в заводском масштабе. Несколько раньше французская фирма «Панар и Левассер» купила патент Даймлера и тоже начала строить автомобили.

Итак, первые автомобили появились лишь в последнем десятилетии прошлого века, и способствовал этому новый, компактный, удобный двигатель – бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Так обозначилась еще одна линия развития двигателей – для авиации и наземного транспорта.

Двигатель «нефтянка»

Легкий двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе, всполошил владельцев угольных шахт.

Двигатель газовый не вызывал тревоги: чтобы получить газ, надо сжигать твердое топливо. Значит, пойдут в ход низкокачественные угли, торф, сланец…

Но двигатель на жидком топливе – это уже явление опасное. А вдруг начнут строить такие двигатели не только для автомобилей, но и для промышленности – для фабрик, заводов, мельниц, электростанций! Это будет на руку владельцам нефтяных промыслов, а угольную промышленность это может привести в упадок. Так рассуждали «угольные короли».

Иными глазами смотрели на происходящее «короли нефти». Они готовы были оказать поддержку изобретателям, работающим над тем, чтобы двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе можно было распространить шире.

Появилось много различных проектов четырехтактных двигателей, работавших не только на бензине, но и на более дешевом жидком топливе – керосине и даже на сырой нефти. Среди всех двигателей этого рода очень широко распространились двигатели, которые за границей назывались «калоризаторными» или «калорическими», а в России им дали более простое название: «нефтянки».

Такие двигатели еще и сейчас в небольшом количестве выпускаются промышленностью, и на многих сельских, колхозных, электростанциях их можно встретить.

Посмотрим, что же это за двигатель. «Нефтянка» имела один цилиндр, поршень и коленчатый вал с маховиком. Первые «нефтянки» работали, как и газовые или бензиновые двигатели, в четыре такта.

Двигатель «нефтянка».

Только в цилиндр засасывалась не рабочая смесь газа или пара с воздухом, а один воздух. Верхняя часть цилиндра сообщалась с большим полым шаром, который назывался «калоризатором» или запальным шаром, или калильной головкой. Этот шар перед пуском двигателя разогревали паяльной лампой докрасна. Против шара в верхней части цилиндра помещалось специальное устройство, через которое можно было впрыскивать нефть (или керосин). Такие устройства называются «форсунками».

Что же происходило, когда после прогрева «калоризатора», или, как чаще его называли у нас, «калильной головки», начинали раскручивать маховик?

Происходило следующее. После всасывания воздух сжимался поршнем и, пока поршень подходил к своему верхнему положению, автоматически впрыскивалась порция топлива.

Попадая на раскаленную поверхность калильной головки, это топливо испарялось и к моменту подхода поршня воспламенялось. Далее начинался рабочий ход, за которым следовал последний такт – выхлоп.

Таким образом, здесь не требовался карбюратор, не нужно было запальной электрической искры. «Калильная головка» водой не охлаждалась и во всё время работы двигателя продолжала оставаться раскаленной.

Чем же был удобен такой двигатель?

Прежде всего он оказался очень простым, изготовить его было несложно: не надо точных станков, крупных производственных предприятий.

К топливу он был совсем не требователен, – самая дешевая нефть в нем сгорала.

Мощность, правда, такой двигатель развивал не большую, но для мелких производств этого оказывалось вполне достаточно.

«Нефтянку» долго надо было запускать, но зато потом уход за ней был весьма прост.

Неудобный запуск и большой вес делал, конечно, невозможным использование «нефтянки» на автомобиле, но на рыболовное судно можно было устанавливать. Здесь находилось время, чтобы заранее раскалить головку, а вес не имел особого значения.

Но большим недостатком «нефтянок» была и остается прожорливость.

Если двигатель Ленуара называли «пожирателем газа», то «нефтянки» следует назвать «пожирателями нефти». Это объясняется очень несовершенным процессом сгорания топлива, – не используется для полезной работы значительная часть выделяющегося тепла.

Строить «нефтянку» большой мощности, чтобы конкурировать с паровой машиной, было нельзя… Результаты оказались бы не в пользу «нефтянки». Покупать таких «пожирателей нефти» никто бы не стал.

Кроме того, «нефтянки» больших размеров оказывались очень недолговечными.

Шведский инженер Эриксон – один из первых создателей этого двигателя – решил построить «нефтянку» мощностью в 60 лошадиных сил. Ему действительно удалось соорудить такой относительно мощный двигатель. Двигатель этот был поставлен на судно и некоторое время эксплуатировался. Но через год пришлось заменить «нефтянку» обычной паровой машиной. «Нефтянка» требовала частого ремонта, – детали двигателя быстро выходили из строя, изнашивались.

Так, несмотря на то, что появилось много двигателей жидкого топлива – бензиновых, керосиновых и нефтяных, – «угольные короли» еще могли спать спокойно. Крупные заводы, мощные электростанции, морские и речные суда использовали только паровые двигатели – паровые машины или турбины – и нуждались в больших количествах угля.

Миф Дизеля

В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежавшая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину, и другие существующие в настоящее время двигатели».

Такое название, звучащее как реклама, заставляло всякого инженера, всякого любителя техники прочесть брошюру, поинтересоваться, – что за удивительную машину придумал автор? А предприимчивому автору как раз и нужна была популярность – его еще никто не знал, и появившуюся идею нового двигателя, которую он запатентовал годом раньше, ему негде было претворить в жизнь.

Идея эта была действительно заманчивой. Она сразу приковала к себе внимание, а имя Дизеля стали упоминать на страницах газет и журналов.

В чем же состояла эта идея? Дизель был инженером, и его идея была подсказана ему наукой – теорией тепловых двигателей.

Дизель, изучая термодинамику, знал, как Сади Карно представлял себе работу самого совершенного теплового двигателя, где бы использовалось наибольшее теоретически возможное количество тепла для механической работы.

И, следуя науке, Дизель рассуждал так: паровая машина плохо использует тепло; сгорание топлива происходит в топке котла, много тепла рассеивается, уходит с топочными газами, теряется в трубах по пути к машине. Там только 3–8 % от всего выделившегося из топлива тепла идет на полезную работу. Но вот – двигатель внутреннего сгорания. Здесь котла нет, а в газовом двигателе Ленуара использовалось тоже 3–4 % тепла. Лучше обстоит дело у Отто. С введением сжатия и четырехтактного процесса удалось раза в четыре увеличить коэффициент полезного действия. В двигателях Отто он доходит до 12–14 %.

Но предел ли это? А что, если попытаться построить двигатель, который бы работал так, как предлагал Карно?

Тогда, как уже показал Карно, не всё тепло, но значительная часть могла бы быть использована на полезную работу. Двигатель работал бы по «циклу Карно».

Но как осуществить этот цикл?

Какой двигатель надо построить?

Какой газ выбрать в качестве «рабочего тела»? Дизель не мог не вспомнить советов Карно: «Водяной пар может быть образован только в котле, в то время, как атмосферный воздух можно нагревать непосредственно сгоранием, происходящим в нем. Этим была бы избегнута не только большая потеря в количестве тепла, но и в его термометрических градусах. Преимущество принадлежит единственно атмосферному воздуху, другие газы им не обладают: нагреть их даже труднее, чем пар». Так еще в свое время писал Карно.

И Дизель предложил: это должен быть двигатель внутреннего сгорания. В цилиндр двигателя должен засасываться чистый атмосферный воздух. Дальше этот воздух должен быть очень сильно сжат, чтобы при сжатии он нагрелся до высокой температуры. Если в двигателях Отто сжатие идет до 10–12 атмосфер, то в таком двигателе следует, как предлагал Дизель, сжимать воздух до 250 атмосфер. В сильно нагретый воздух, когда поршень начнет переваливать через свою верхнюю мертвую точку, следует постепенно ввести несколько порций распыленного твердого или жидкого топлива. В раскаленном воздухе первая же порция топлива воспламенится и начнется медленное (по сравнению со сгоранием в двигателе Отто) его сгорание. Температура не должна возрастать, пока вводится топливо, – поршень будет понемногу отходить вниз, газ – расширяться, а давление хотя тоже начнет уменьшаться, но подводимым теплом это уменьшение будет сдерживаться – газ всё еще сохранит большую силу, толкая поршень.

Вот и получится, как рекомендовал Карно, изотермическое расширение.

Ну, а затем, после прекращения подачи топлива, можно предположить, что расширение газа будет продолжаться адиабатически, то есть давление будет уже снижаться скорее, но если от стенок тепло не отводить, то до самого нижнего положения поршня это давление будет достаточно большим, чтобы совершать полезную работу.

Дальше, правда, уже трудно сделать всё так, как говорил Карно. Надо удалить отработавшие газы – пойдет такт выхлопа, надо засосать свежий воздух – пойдет такт всасывания. И лишь затем можно снова начать сжатие. Таким образом, отводить тепло в охладитель по Карно, то есть при постоянной температуре, практически нельзя. Можно лишь очень быстро сжать свежий воздух до высокого давления, ну и предположить, что это сжатие совершится адиабатически, то есть при этом вся работа сжатия потратится на нагрев воздуха без отвода тепла через стенки.

Значит, такой двигатель будет работать не совсем по циклу Карно, но близко к нему. И коэффициент полезного действия такого двигателя должен быть выше, чем у всех существующих.

Так рассуждал Дизель. Вот эти-то мысли он и изложил в своей брошюре с многообещающим названием.

Для многих предложение Дизеля казалось новым и оригинальным. Однако те, кто был знаком с книгой Сади Карно, отмечали, что выдающийся французский инженер и ученый почти за семьдесят лет до Дизеля не только открыл термодинамический закон, но и предложил идею рационального двигателя.

Рассматривая одно из предложений по двигателям внутреннего сгорания, где рекомендовалось вводить в цилиндр порции мелкого горючего порошка ликоподия, Карно указывал, что сгорание такого порошка вызовет выделение золы и двигатель не найдет практического осуществления.

«Вместо того, чтобы делать так, как принято в двигателе Ньепса, – писал Карно, – было бы лучше, как нам кажется, сжимать воздух воздушным насосом, а затем пропускать его через закрытую камеру сгорания, в которую топливо вводилось бы постепенно небольшими порциями при помощи механизма, который легко было бы построить, затем предоставить этому газу действовать в цилиндре с поршнем и выпускать его в атмосферу!»

Дизель вначале предлагал, так же как и Карно, сжимать воздух насосом, хотя в его время уже зарекомендовал себя четырехтактный двигатель. Сжатие и сгорание, полагал Дизель, будет происходить в одном цилиндре, расширение – в другом.

Правда, Карно возражал против сжигания в цилиндре твердого топлива – порошка ликоподия, а вот Дизель этого не боялся. Первый козырь в руках Дизеля – экономное сжигание угольной пыли.

Дизель был энергичен и предприимчив. Да, он предлагает двигатель, работающий почти по циклу Карно. Но ведь ни Карно, ни кто другой такого двигателя не построил, а вот он, Рудольф Дизель, берется построить такой двигатель!

Неохотно шли заводчики на затрату средств для постройки какого-то «заумного» двигателя, – не книжная ли затея всё это? Можно ли получить в действительных условиях такой процесс?

Наконец, после многих мытарств, Дизелю удалось убедить дирекцию машиностроительного завода в городе Аугсбурге в том, что стоит сделать попытку.

И вот в одной из мастерских завода Дизель и его помощники приступили к постройке нового двигателя.

Уже проектируя первый двигатель, Дизель отошел от многих своих предложений. Прежде всего он убедился в том, что двигатель должен работать по обычному четырехтактному циклу, только, в отличие от газового двигателя, топливо должно вводиться здесь внутрь цилиндра постепенно, после сжатия. Вместо воспламенения от электрической искры должно происходить самовоспламенение топлива в горячем воздухе.

В июле 1893 года был построен первый одноцилиндровый опытный двигатель.

И вместе с первым двигателем появились и новые поправки, которые всё дальше и дальше уводили Дизеля от тех широких обещаний, которые он дал в своей нашумевшей книге.

Прежде всего оказалось, что с угольным порошком ничего не получится: за время, отводимое на сгорание, можно подать только одну шестую часть того количества порошка, которое необходимо для получения нужной работы. Кроме того, оказалось сложным его приготовление и ввод в цилиндр, появилось опасение значительных износов.

Затем, сколько ни старались Дизель и его помощники, но очень высокого сжатия в цилиндре не получалось. Вместо 250 атмосфер удалось, да и то с большим трудом, дойти только до 34 атмосфер.

Убедившись, что большего не достичь, Дизель решил попробовать при таком сжатии ввести жидкое горючее. И вот, как-то раз в цилиндр двигателя был впрыснут бензин.

Раздался резкий свист и из крышки цилиндра вместе с краном, к которому обычно присоединялся манометр, вырвалась горячая струя газа.

Прочность первого двигателя оказалась недостаточной, но опыты с ним уже позволили сделать некоторые выводы.

Выяснилось, что сгорание путем самовоспламенения действительно осуществимо. Однако обеспечить сгорание при постоянной температуре, то есть так, как полагается по циклу Карно, практически нельзя. Можно лишь попытаться произвести сгорание при постоянном давлении, но и над этим придется немало поработать. Ведь поднялось давление во время первой вспышки!

Приступая к постройке нового двигателя, Дизель вынужден был фактически признать свое отступление от первоначальной идеи. Двигатель, отвечающий полностью требованиям теории, построить пока невозможно.

Взяв второй патент, Дизель уже не претендовал на идеальный двигатель, он лишь закреплял за собой право строить двигатели с самовоспламенением топлива от высокого сжатия. При этом, что вытекало из теоретических предпосылок, должен был повыситься и коэффициент полезного действия. Он будет, правда, ниже, чем в цикле Карно, но выше, чем у других двигателей внутреннего сгорания.

«Итак, – писали в технических журналах того времени, – нет никаких оснований считать новый двигатель „рациональным“, Дизель сам себя опроверг».

Один немецкий профессор назвал всё, что было обещано Дизелем, сказкой, которую чуть было мир не принял за действительность. «Но Дизель развеял созданный им самим же миф!» – заключил этот профессор.

Развеяв собственный миф о двигателе, работающем по циклу Карно, Дизель всё же продолжал работать над новым мотором.

Вслед за первым, неудачным, двигателем Дизель построил второй, который уже смог самостоятельно работать, и, наконец, третий, который уже можно было нагружать.

Летом 1898 года на выставке силовых машин в Мюнхене демонстрировалось несколько дизель-моторов, как их теперь стали называть.

Двигатели эти работали на керосине, который впрыскивался в цилиндр с помощью струи сжатого в специальном компрессоре воздуха.

Действительно, оказалось, что коэффициент полезного действия у дизель-моторов выше, чем у газовых и бензиновых двигателей, работающих с небольшим сжатием и с воспламенением от искры, и в этом смысле он был всё же «рациональным».

Дизель-моторами заинтересовался весь мир.

Но… первый керосиновый дизель-мотор, поставленный для производственной работы на спичечной фабрике «Унион» в Камптоне, не оправдал возлагаемых на него надежд. Одна деталь за другой выходила из строя. В двигателе развивались высокие давления и высокие температуры. То и дело двигатель приходилось останавливать на ремонт. Администрация фабрики шумно выражала свое негодование.

Дурные вести расползлись по всем странам. Вера в новый двигатель падала.

Русский двигатель

Профессор Санкт-Петербургского Практического Технологического института Георгий Филиппович Депп, присутствуя на съезде Общества германских инженеров, внимательно выслушал сообщение Рудольфа Дизеля о новом двигателе.

«Как нужен был бы России такой двигатель! – думал Депп, рассматривая чертежи, вывешенные докладчиком. – Сколько мелких предприятий, электростанций можно было бы обеспечить экономичным, компактным мотором! А если к тому же заставить его работать не на керосине, а на сырой нефти, – можно было бы выбросить из употребления нефтянки, эти пожиратели жидкого топлива».

В перерыве Депп подошел к Дизелю с вопросом:

– Скажите, не имеете ли вы намерения поручить изготовление двигателей вашей системы не только американским, английским, немецким, бельгийским, французским, но и русским заводам?

Дизель, старый знакомый Деппа еще по студенческой скамье, взял русского профессора под руку и смущенно ответил:

– Право, не знаю. Для изготовления деталей двигателя нужна безукоризненная точность обработки. Я сомневаюсь в том, что механическое дело настолько подвинуто в России, что уже можно русским заводам поручить столь сложные и ответственные работы.

Депп горячо и убедительно стал доказывать Дизелю, насколько он заблуждается, пользуясь неправильной информацией о России. В России к тому времени уже успешно осваивались сложные артиллерийские механизмы и точнейшие машины, не говоря уже о насосном и прочем оборудовании этого типа.

Выслушав Деппа, Дизель изъявил согласие продать свои патентные права и русским фирмам.

Такой фирмой, пожелавшей начать постройку нового двигателя, была фирма «нефтяных королей» – «Братья Нобель».

Это была богатая фирма, эксплуатировавшая нефтяные источники Баку и имевшая свой машиностроительный завод в Петербурге, на Выборгской стороне. Глава фирмы миллионер Нобель вовсе не стремился дать русской промышленности новый двигатель. Его прельщало только одно обстоятельство: двигатель работает на жидком топливе, двигатель удобен, экономичен, – его охотно будут приобретать, а следовательно, и спрос на горючее поднимется.

Нобель, как и Депп, считал, что было бы совсем хорошо, если бы удалось построить новый двигатель, работающий на сырой нефти.

И вот перед инженерами машиностроительного завода «Людвиг Нобель» в Петербурге (ныне завод «Русский дизель») была поставлена новая техническая задача: создать двигатель, работающий с самовоспламенением от сжатия на сырой нефти.

Началась напряженная творческая работа. Около года длилось проектирование и изготовление первого русского двигателя с воспламенением от сжатия. Идя своими путями, инженеры завода «Людвиг Нобель» к концу 1899 года построили двигатель, работающий на сырой нефти.

В ноябре 1899 года председатель Русского технического общества профессор Депп получил приглашение завода провести испытание нового двигателя.

Тщательно поставленные испытания показали весьма высокие достоинства двигателя. Он работал четко, без перебоев, топливо – сырая нефть – сгорало полностью, отчего выхлопные газы были чистыми, почти бесцветными. Что же касается экономичности, то двигатель работал с таким КПД, который еще не достигался в других двигателях – 33–35 %.

Докладывая членам Русского технического общества о результатах своих испытаний, Депп говорил:

– Безукоризненно выполненный нефтяной дизель-мотор пущен в ход, и я не могу не отметить, что именно у нас разрешен вопрос об экономичном тепловом двигателе. Только с переходом на нефть окончательно и бесповоротно решается судьба таких двигателей.

Вновь заговорил мир об экономичном двигателе, причем, желая подчеркнуть, что имеется в виду именно такой двигатель, какой был построен в России, в заграничных газетах и журналах стали часто называть новый двигатель «русским двигателем».