Знаменитый двигатель Рудольфа Дизеля имел КПД 35 %, почти в три раза выше, чем у других тепловых двигателей. Это обеспечило ему полный успех. За последующие сто лет КПД лучших двигателей внутреннего сгорания постепенно приблизился к 50 %. О дальнейшем его повышении говорят с трудом.
Заметим, что эти цифры относятся к «парадному» режиму работы с постоянной скоростью вращения и нагрузкой. Такое бывает далеко не всегда. Как правило, от двигателя требуется лишь часть его номинальной мощности. И совсем не та скорость вращения, которую ему «хочется» развивать. Приходится подключать редуктор или коробку скоростей. Еще мощность нужно передать к месту потребления. Это делает трансмиссия. Но у них есть свой рабочий режим… Потери растут. Вот и получается, что, когда двигатель внутреннего сгорания должен работать при постоянном изменении мощности и скорости, до потребителя доходит лишь ничтожная часть энергии, содержащаяся в топливе. Так, например, в городском цикле КПД автомобиля на колесе 7 %. В семь раз меньше, чем парадный КПД его двигателя.
Если бы существовал двигатель, который можно подключать непосредственно к колесу, получая от него нужную мощность и крутящий момент при высоком КПД, без применения передач и трансмиссий, то расход топлива на автомобиле уменьшился бы в семь раз. Но возможно ли такое?
Вспомним паровоз. Единственный цилиндр его паровой машины шатуном соединялся с колесами. Сцепления и коробки передач не было и в помине. Простой подачей пара в цилиндр паровозы трогали с места тысячетонные составы. Паровая машина имела способность к саморегулированию, обусловленную природой. На подъеме она автоматически замедляла ход, увеличивая крутящий момент. Происходило это оттого, что клапан дольше оставался открытым и в цилиндр успевало попасть больше пара. На горизонтальном участке паровоз разгонялся. Укорачивалось время открытия клапана, порции пара уменьшались. Но росли обороты, и в итоге росла мощность. Маленькие порции пара получали более полное расширение, и возрастал КПД двигателя. Однако у паровоза он не превышал 14 %. Поэтому его и заменил тепловоз. Система из дизеля, электрогенератора, мотора и шестеренчатой передачи, КПД — 25 %.
А возможен ли двигатель со свойствами паровой машины и экономичностью дизеля?
Да, и не нужно ломать над ним голову. В 1878 году, за пятнадцать лет до получения Дизелем своего патента, Д.Брайтон из Филадельфии построил двигатель, работавший необычным образом (рис. 1).
Рис. 1. Двигатель Брайтона в исполнении Симона .
Воздух сжимался в отдельном цилиндре. Затем он смешивался с топливом и поступал в рабочий цилиндр — цилиндр сгорания. У самого входа в него смесь поджигалась и врывалась струей пламени. Оно горело при постоянном давлении. Объем продуктов сгорания превышал объем воздуха в 3–5 раз. Горение продолжалось до тех пор, пока был открыт клапан. В это время продукты сгорания действовали на поршень с тем давлением, которое создал компрессор. После закрытия клапана газы продолжали толкать поршень, расширяясь под действием внутренней энергии. В итоге совершалась работа, значительно превышавшая работу сжатия.
Брайтон жил в эпоху, когда термодинамика лишь зарождалась. Он не знал о зависимости КПД цикла от давления. Действуя интуитивно, он поднял его до 4,75 атмосферы. Как следует из отчета об испытаниях независимой комиссии профессора Терстона, полная мощность, развиваемая рабочим цилиндром, достигала 8,62 л.с. Из нее 3 л.с. тратилось на сжатие воздуха в компрессоре, 1,62 л.с. терялось на трение в механизме и 4 л.с. составляли полезную мощность. При этом КПД двигателя равнялся 10–12 % на светильном газе и 7,5 % на керосине. (Последнее было связано с применением очень неудачного испарительного карбюратора.)
В то время КПД паровых машин мощностью до 10 л.с. равнялся 3–6 %, а КПД лучшей судовой машины мощностью 650 л.с. не превышал 12 %. Таким образом, двигатель Брайтона уже в момент своего появления оказался одним из самых эффективных двигателей своего времени.
Но инженерный мир не понял Д.Брайтона. Погнались за простотой. Предпочли сжатие, расширение и сгорание вести в одном и том же цилиндре. Что привело к результатам, которые мы видим сегодня.
Правда, Брайтон полностью не забыт. В газотурбинных двигателях сжатие происходит в отдельном компрессоре, сгорание при постоянном давлении, а расширение в турбине. С точки зрения термодинамики, не имеет значения, как процесс реализуется чисто технически. Поэтому процесс, происходящий в газотурбинных двигателях, называют циклом Брайтона. В основном это двигатели больших мощностей, хорошо зарекомендовавшие себя в авиации и на флоте. Их достоинства общеизвестны, и задерживаться на них мы не будем.
Вернемся к поршневому варианту двигателя Брайтона. Достаточно компрессор соединить с цилиндром сгорания через ресивер, в котором собрался бы приличный запас сжатого воздуха, как двигатель обретает свойства паровой машины. При увеличении нагрузки на валу скорость вращения уменьшается. Но теперь клапан дольше остается открытым, дольше работает горелка и в цилиндр попадает больше продуктов сгорания. Увеличивается работа и крутящий момент.
При старте достаточно открыть кран ресивера, зажечь горелку, и двигатель заработает. И тогда сдвинет с места тысячетонный состав. При разгоне все произойдет, как в паровой машине, только вместо уменьшения порций пара будут уменьшаться порции топлива. Регулировка его мощности производится простым изменением длительности открывания впускного клапана.
И в этом отношении брайтон (будем называть его, как дизели и стирлинги, с маленькой буквы) не только не хуже паровой машины, но, пожалуй, много лучше. Ему не нужен опасный паровой котел, а при давлении 30–40 атмосфер его КПД начинает превышать 40 %. С таким двигателем можно строить автомобили, не имеющие коробки скоростей, локомотивы без электрической передачи. Брайтон можно непосредственно присоединять к колесу. Как это было на паровозах. Одним словом, брайтон — идеальный двигатель для XXI века.
Но попробуем его усовершенствовать. Очень важно, чтобы на всех режимах работы КПД оставался высоким.
Теория показывает, что для этого необходимо ввести регенерацию, использовать тепло выхлопных газов для подогрева воздуха, выходящего из компрессора. При этом КПД может достигать 50 %. На рисунке 2 тепловоз с таким двигателем.
Рис. 2. Тепловоз с двигателем Брайтона :
1 — горелка; 2 — рабочий цилиндр; 3 — глушитель-регенератор; 4 — ресивер; 5 — свободнопоршневой брайтон-компрессор; 6 — топливный бак.
Внешне он напоминает паровоз. Только вместо цилиндра паровой машины цилиндр сгорания двигателя Брайтона. Он снабжен горелкой с электрическим клапаном для впуска воздуха и топлива, а также свечой зажигания. Кроме того, имеется электрически управляемый выпускной клапан. В корпусе тепловоза ресивер с запасом сжатого воздуха и свободно-поршневой компрессор. От обычного он отличается тем, что кривошипно-шатунного механизма в нем нет. Поршень цилиндра сгорания через шток соединен с поршнем компрессора. Отработавшие газы из главного двигателя поступают в регенератор, который одновременно является и глушителем шума. Здесь они отдают часть своего тепла воздуху, направляющемуся из ресивера в главный двигатель.
На принципах Брайтона можно строить свободнопоршневые, бесшатунные и даже роторные двигатели.
Последних предложены тысячи вариантов. Как правило, их трудно сделать и почти невозможно добиться в них качественного сгорания топлива. Пример тому двигатель Ванкеля. Несмотря на простоту и компактность, он применяется крайне редко. Причина — в узком, похожем на щель, объеме сгорание происходит неполно, в результате чрезмерный расход топлива и высокая токсичность выхлопа. И это несмотря на пятьдесят лет работы по доводке двигателя. Да и в цилиндрическом объеме обычного двигателя сгорание большая проблема.
Всякий раз, когда создается мотор с новыми размерами, на отладку процесса сгорания уходят многие годы. А в брайтоне мы имеем нечто совсем иное. Сгорание начинается и полностью (без образования токсичных продуктов) заканчивается в горелке на коротком участке длиною в несколько миллиметров. В рабочий объем входят только продукты сгорания.
Форма его для них безразлична. Поэтому цикл Брайтона можно осуществить на роторном двигателе любого типа. На нашем рисунке 3 схема силовой установки с роторным брайтоном. За основу можно взять любой роторный двигатель с компрессором такого же типа. Мы отдали предпочтение двигателю, который построил в 1941 году советский инженер, впоследствии академик Махолдиани.
Рис. 3. Роторный брайтон:
1 — горелка; 2 — шиберная пластина; 3 — ротор; 4 — компрессор.
Здесь ротор специальной формы вращается в цилиндре с двумя выдвигающимися пластинами (шиберами). Рабочий объем двигателя образован одним из выступов на роторе и шибером. После кратковременной вспышки горелки продукты сгорания создают давление на выступ ротора, вызывая его движение. В определенный момент наклонный скат другого выступа ротора выдвинет шибер, и вращение продолжается.
На оси двигателя стоит компрессор аналогичного типа. Роторные машины шиберного типа отличаются исключительно низким трением и плавностью хода.
В заключение подумаем об экологической чистоте двигателей Брайтона. Ответ на этот вопрос могут дать чисто бытовые наблюдения. Когда в закрытом гараже заводят автомобиль, то обычно не успевают добежать до двери, задыхаясь от выхлопных газов.
В двигателе обычного типа сгорание происходит внутри замкнутого объема, заполненного смесью, химический состав которой быстро и непредсказуемо меняется. Он почти не управляем, не доходит до конца и сопровождается выделением ядовитых веществ.
В горелках процесс окисления топлива идет непрерывно и легко поддается контролю. Поэтому токсичность двигателей Брайтона будет в сотни раз ниже, чем у двигателей обычного типа.
Мы нарисовали привлекательную картину. Все уже было.
Что же придумывать нечто новое! Сочетание известных элементов приводит к весьма необычному и полезному результату. Но если это и изобретение, то получить на него патент будет чрезвычайно трудно. Но мы попробуем…
А.ИЛЬИН
Рисунки автора