«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.
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».
Можно работать и в два такта
В тот самый 1878 год, когда громко, на весь мир заявил свое право на существование четырехтактный двигатель внутреннего сгорания Отто, англичанин Дуглас Клерк, адвокат по образованию и инженер по призванию, предложил еще один оригинальный двигатель.
Двигатель Клерка должен был работать не в четыре такта, а в два.
И действительно, если глубже вдуматься в процесс работы четырехтактного двигателя, разве не напрашивается сам собой вопрос: нельзя ли получать вспышку в цилиндре чаще, не через оборот, а подряд, за каждый оборот вала?
Ведь что происходит за первый такт? Поршень идет вниз и всасывает рабочую смесь в цилиндр.
А за второй такт? Поршень идет вверх и сжимает рабочую смесь.
Ну, а за третий такт? Поршень идет вниз, совершается рабочий ход, газы расширяются.
И, наконец, за четвертый такт? Поршень идет вверх, выталкивая отработавшие газы, опорожняя цилиндр.
Как будто бы все четыре такта необходимы. Приходится мириться с тем, что первый и четвертый такты вроде как бы вспомогательные, то есть один оборот вала тратится на очистку и наполнение цилиндра. Без свежего заряда двигатель не смог бы и работать.
И, тем не менее, было бы куда целесообразнее, если бы каждый ход поршня вверх использовался для сжатия, а с каждым ходом вниз поршень совершал бы полезную работу. Тогда количество вспышек удвоилось бы, удвоилось бы за то же время количество рабочих ходов, а следовательно, — удвоилась бы и мощность двигателя.
Но как быть с очисткой цилиндра и с зарядкой его новой смесью?
И вот выход предложен.
Схема работы двухтактного двигателя с прямоточной продувкой.
Пусть через верхние клапаны всё время поступает свежий заряд рабочей смеси, а внизу цилиндра пусть будут вырезаны окна, через которые уйдут отработавшие газы. Тогда первым тактом, когда поршень пойдет вверх, он своим телом закроет нижние окна, и, если в цилиндре есть свежий заряд, он его сожмет. К концу первого такта (сжатия) в цилиндр будет подана электрическая искра, — произойдет вспышка и поршень пойдет вниз, совершая второй такт — расширение, рабочий ход. Но поршень в конце хода вниз откроет окна, и отработавшие газы устремятся через окна наружу. При этом специальным механизмом откроются также и клапаны в крышке, через которые особым насосом будет нагнетаться свежая рабочая смесь. За время, пока окна остаются открытыми, свежий поток газа должен успеть вытеснить отработавшие газы — «продуть» цилиндр. Затем, когда поршень, возвращаясь к верхней мертвой точке, вновь перекроет выхлопные окна, свежая рабочая смесь поступит через клапаны в цилиндр, заполнит его объем, зарядив для очередного сжатия.
Таким образом, вместо двух насосных тактов (всасывания и выхлопа) здесь появится процесс продувки цилиндра. Теперь уже за каждый оборот можно получить рабочий ход.
Казалось бы, новый двухтактный двигатель, позволяющий развить при тех же размерах цилиндра почти удвоенную мощность, должен перенять пальму первенства у двигателя четырехтактного.
Но этого не произошло.
Оказалось, что продувать цилиндры рабочей смесью дело не выгодное, — много топлива уносится вместе с выхлопными газами через продувочные окна. И четырехтактный двигатель стал господствовать.
Лишь в некоторых «нефтянках», где цилиндр мог продуваться и заполняться не смесью топлива с воздухом, а чистым воздухом (топливо впрыскивалось в цилиндр в конце хода сжатия), двухтактный процесс еще находил применение.
Однако, как только получили широкое распространение дизель-моторы, о двухтактном цикле вспомнили всерьез. Дизель-мотор не «нефтянка» — это экономичный тепловой двигатель, но коль скоро в цилиндр дизеля также засасывается не рабочая смесь, а воздух, который и будет продувать цилиндр, то прямой смысл двухтактный процесс применить и здесь. Ведь воздуха не жалко. Его можно подать побольше и очистить цилиндр получше.
Так появление дизелей открыло широкую дорогу еще одной разновидности двигателей внутреннего сгорания — двухтактным двигателям.
Первым начал работать над созданием двухтактных дизелей всё тот же завод «Людвиг Нобель» в Петербурге. Были построены специальные опытные цилиндры со стеклянными вставками, через которые наблюдался процесс продувки при разной форме и различном размещении продувочных и выхлопных окон.
Дело в том, что, кроме описанного выше способа продувки, который называется прямоточным, могут быть и другие способы — «петлевые».
При этих способах в крышке цилиндра нет клапанов, но зато в нижней части цилиндра имеется два ряда окон. Левую полуокружность занимают, например, продувочные окна, а правую — выхлопные. Выхлопные немного повыше; поэтому, опускаясь вниз, поршень сначала откроет эти окна, и отработавшие газы вырвутся наружу, а потом, когда поршень откроет и продувочные окна, в цилиндр через них начнет поступать нагнетаемый особой воздуходувкой воздух, который, обходя цилиндр «петлей», вытеснит через всё еще открытые выхлопные окна остаток отработавших газов. К концу продувки цилиндр окажется заполненным чистым воздухом, и поршень, поднимаясь вверх, перекрывая сначала продувочные, а затем и выхлопные окна, начнет сжатие свежего заряда.
Следует заметить, что со временем двухтактные дизели получили столь же широкое распространение, как и четырехтактные, а для мощных установок даже преобладающее.
Схема петлевой продувки цилиндра двухтактного двигателя.
Судьба Дизеля и дизелей
Двигатели с воспламенением от сжатия теперь называют дизелями. Но, как вам уже известно, первый дизель, который решил всю дальнейшую судьбу этого двигателя, был построен не Рудольфом Дизелем, а на русском машиностроительном заводе. И хоть не верил изобретатель в возможности русской промышленности, но именно в России было доказано, что нефтяной экономичный двигатель можно построить.
Надо сказать, что и в дальнейшем развитии этого двигателя много труда и конструкторской мысли было вложено русскими инженерами.
Рудольф Дизель, владея патентом, выдавал разрешения фирмам разных стран строить двигатель с воспламенением от сжатия лишь по своему усмотрению. Это сдерживало широкое развитие двигателя.
Только с 1908 года, после истечения срока патента, строительство дизель-моторов получило широкий размах.
Новый двигатель стал быстро совершенствоваться, всё дальше удаляясь от своего прообраза — первого двигателя Дизеля.
Рудольф Дизель, как и Отто в свое время, выдержал серию судебных процессов, где доказывалось, что всё, чем отличается новый двигатель, — высокое сжатие, самовоспламенение и постепенное сгорание, — уже предлагалось до него другими конструкторами. И многие из подобных утверждений имели к тому веские основания. Это лишний раз доказывало, что творчество многих и многих инженеров, техников и изобретателей подготовляло рождение новой машины. Должен был лишь появиться тот, кто сумел бы своей энергией и настойчивостью добиться претворения в жизнь созревшей идеи. Такими изобретателями были Ленуар, Отто и, наконец, Дизель.
Рудольф Дизель погиб при загадочных обстоятельствах. В 1913 году он отплыл на пароходе «Дрезден» из бельгийского порта Антверпен в Англию. Однако в английский порт Харвии пароход пришел без Дизеля. Вероятно, во время шторма Дизель был подхвачен и унесен в море нахлынувшей волной. Были, однако, и предположения об убийстве изобретателя по приказу германского генерального штаба из боязни, что накануне носившейся в воздухе войны Дизель передаст англичанам сведения о новых двигателях на немецких подводных лодках.
Некоторые считали, что утомленный борьбой Дизель покончил жизнь самоубийством, бросившись в воды океана. Таков трагический конец еще одного изобретателя в капиталистическом мире.
Но дизели продолжали свое победное шествие.
* * *
К директору Путиловского завода в Петербурге обратился студент технолог Тринклер с предложением построить двигатель высокого сжатия, который бы отличался от других дизелей тем, что для обеспечения впрыскивания топлива в цилиндр не требовалось бы строить специальный компрессор. Это было в 1898 году, на самой заре дизелестроения.
Действительно, сразу же, как только первые дизели получили распространение в промышленности, всем стало ясно, что основным недостатком нового двигателя является необходимость в компрессоре. Из общего числа цилиндров двигателя два, а то и три приходилось отводить под компрессор. В этих компрессорных цилиндрах не происходило сгорания топлива, а только сжимался воздух. Сжатый воздух подавался к форсунке, где он встречался с топливом и увлекал его дальше, в рабочий цилиндр, раздробляя жидкую струю на мельчайшие капельки.
Воздуха для распыливания топлива во всех цилиндрах требовалось много, и компрессор всё время работал, отбирая на себя часть мощности, утяжеляя машину, делая ее большой по размерам.
Так распыливалось жидкое топливо с помощью сжатого воздуха в компрессорных дизелях.
Вот почему предложение студента Тринклера заинтересовало Путиловский завод.
Надо сказать, что и сам Дизель об этом много думал, но ему ничего не удалось сделать для ликвидации компрессора.
Тринклер же предложил отказаться от компрессорных цилиндров, а в крышке каждого рабочего цилиндра сделать маленький компрессор, который бы сжимал лишь столько воздуха, сколько требуется, чтобы обеспечить только один впрыск после каждого такта сжатия. Такой цилиндрик с маленьким поршеньком занимал мало места, а приводился поршенек в движение толчком от специального механизма как раз в тот момент, когда нужно было впрыснуть топливо.
Так распыливается жидкое топливо в бескомпрессорных дизелях.
Предложение русского студента Тринклера явилось первым практическим шагом к созданию бескомпрессорного дизеля.
В царской России было в моде преклоняться только перед заграничными новинками, и Тринклеру пять лет пришлось добиваться патента на свое изобретение. Путиловский же завод, сначала взявшись горячо, потом, с приходом нового директора, перестал помогать изобретателю, и Тринклер вынужден был уехать в Германию, чтобы там построить свой двигатель. У Тринклера появились последователи, и работа над бескомпрессорным дизелем началась сразу в ряде стран.
В этой же области значительный вклад сделал еще один русский изобретатель — Яков Мамин. Этот, в то время молодой, талантливый самоучка-механик решил добиться впрыска топлива в цилиндр вообще без помощи воздуха.
Работая с «нефтянками», Мамин построил специальный топливный насос, который мог бы создавать большие давления и впрыскивать через форсунку топливо в цилиндр. Потом, в 1908 году, он построил на небольшом заводе в Балаково (на Волге) свой первый двигатель высокого сжатия, который им был назван «русским дизелем», чтобы тем самым обеспечить его распространение.
В «русском дизеле» впрыск топлива производился без сжатого воздуха: в нужный момент кулачок набегал на поршенек топливного насоса, и тот под высоким давлением продавливал топливо через отверстия форсунки, отчего оно дробилось на мелкие капли, то есть распыливалось.
Это был еще несовершенный, но в полном смысле слова бескомпрессорный дизель.
Именно по этому пути и пошли в дальнейшем конструкторы, — по пути насосного распыливания. И надо заметить, что полностью избавиться от компрессора, наладив хорошее распыливание бескомпрессорным способом при хорошем перемешивании капелек топлива с воздушным зарядом цилиндра, удалось лишь в 20—30-х годах нашего века.
Теперь уже нет ни одного завода в мире, где бы строили двигатели с компрессорами.
Оба изобретателя — и Густав Васильевич Тринклер и Яков Васильевич Мамин — дожили до наших дней.
Густав Васильевич Тринклер еще и поныне является профессором Горьковского института инженеров водного транспорта. Несмотря на свой преклонный возраст, он и сейчас руководит работами по созданию двигателей внутреннего сгорания новых разновидностей; а Яков Васильевич Мамин, которому принадлежит также честь изобретения первых тракторов с двигателями внутреннего сгорания, до последнего времени по день своей смерти работал в Челябинском институте механизации- сельского хозяйства, став за годы советской власти из самоучки-механика кандидатом технических наук.
Вспомним, в каком подавленном состоянии духа, оставшийся один, без поддержки окончил свой жизненный путь Дизель. И разве не ярким примером обратного является интересная, полная творческого труда старость двух других изобретателей, которым посчастливилось вторую половину жизни прожить в стране социализма, окруженными заботами и поддержкой народа!
* * *
Итак, двигатели с самовоспламенением топлива, которые до наших дней сохранили короткое название дизелей, отличаются значительно от первых двигателей Рудольфа Дизеля.
Сейчас это машины высокого класса, оборудованные сложными системами управления, развивающие большие мощности.
Изготовляли (правда, отдельные экземпляры) многоцилиндровые дизели мощностью до 22 000 лошадиных сил.
Вообще же есть дизели и малых мощностей — от 1,5 до 150 лошадиных сил, — и средних мощностей — от 150 до 800 лошадиных сил, — и более крупных мощностей — от 800 лошадиных сил и выше, до 10–12 тысяч лошадиных сил.
Такой широкий диапазон мощностей позволяет применять дизели и для тракторов, и для электростанций, и на железной дороге, для тепловозов, и на судах — теплоходах.
Современный мощный дизель с газотурбинным наддувом. Выхлопные газы двигателя вращают турбинку. От турбинки приводится в движение воздухонагнетатель, который гонит в цилиндры двигателя воздух под повышенным давлением От этого цилиндр «заряжается» большим количеством воздуха, сюда впрыскивается и большее количество топлива. А значит, и мощность в цилиндре двигателя с наддувом развивается большая, чем в цилиндре двигателя без наддува.
Особое значение в современной технике приобретают дизели больших мощностей.
В директивах XX съезда КПСС ставится перед нашей промышленностью весьма важная задача:
«Организовать серийное производство новых мощных тепловозных, судовых и стационарных дизелей».
Это должны быть современные двигатели, развивающие мощность по нескольку тысяч лошадиных сил. Такие двигатели нужны для отечественных тепловозов. Тепловозы вместе с электровозами призваны заменить на железнодорожном транспорте малоэкономичные паровозы. Вспомним о том, что паровые машины, которые двигают паровозы, ведь очень невыгодные тепловые двигатели, — в них используется полезно только 3–4 % тепла, выделяющегося при сгорании угля.
А в тепловозах?
Но ведь эти локомотивы оборудуются дизелями, дизели же пока являются самыми экономичными тепловыми двигателями, — их коэффициент полезного действия равен 35 %, а в ряде случаев и выше.
Какое имеет значение замена паровозов тепловозами для железнодоржного транспорта нашей страны, представить себе нетрудно.
Раз у дизеля коэффициент полезного действия более чем в 10 раз превышает коэффициент полезного действия паровой машины, то вес потребного для тепловозов жидкого топлива оказывается значительно меньше, чем вес угля, требующегося для паровозов.
Значит, для перевозки тех же грузов и на те же расстояния тепловозам потребуется меньше топлива. От этого стоимость перевозок удешевится.
Тепловозу не надо возить с собой большие топливные запасы, отчего он сможет перевозить больше полезного груза. На станционные склады тоже не придется завозить много запасов топлива, а значит, те поезда, которые были заняты перевозкой угля для железных дорог, теперь будут перевозить полезные грузы для промышленности и сельского хозяйства. Тепловозы не нуждаются и в частой заправке водой, как этого требуют паровые котлы. В результате тепловозные составы будут меньше времени терять на стоянки, а их средняя скорость движения возрастет. Грузы будут скорее доставляться на место назначения. Тепловозы смогут вести составы по безводным степям и пустыням.
Мощный советский тепловоз «ТЭ-3».
Было подсчитано, например, что в 1954 году перевозки грузов тепловозами на дорогах нашей страны стоили в два с половиной раза дешевле, чем паровозами. А на тех дорогах, где ощущались трудности в снабжении водой, тепловозные перевозки оказывались дешевле почти в пять раз!
Там, где стали использоваться тепловозы, вес топлива, подвозимого к заправочным станциям, оказался в 13 раз меньше, чем прежде. Если средние скорости паровозных составов равны 30–40 километрам в час, то тепловозные составы идут со скоростями 70 километров в час и смогут в дальнейшем делать до 100 километров в час.
В Советском Союзе первый тепловоз был построен еще в 1924 году, по прямому указанию Владимира Ильича Ленина. Мощность этого тепловоза равнялась одной тысяче лошадиных сил. Это был, пожалуй, первый в мире построенный тепловоз.
Количество тепловозов, курсирующих по дорогам нашей страны, увеличивалось с каждым годом. Однако потребности также быстро возрастали. За годы шестой пятилетки количество выпускаемых тепловозов должно возрасти в 12 раз.
Что же касается паровозов, то время этих локомотивов прошло, и строить их заводы больше не будут.
Мощные дизели нужны морскому и речному флоту. Правда, кроме дизелей морские суда двигаются от паровых или газовых турбин, но всё больше и больше теплоходов, снабженных мощными дизелями, начинают бороздить воды морей и океанов. На речных же судах дизель становится основным первичным двигателем.
Мы можем с удовлетворением отметить, что первой страной, построившей теплоход, была наша страна. В 1903 году завод Нобеля в Петербурге построил дизельное нефтеналивное судно «Вандал». В следующем году на том же заводе был построен еще один такой же теплоход. К 1912 году во всем мире насчитывалось 15 теплоходов с мощностью двигателей от 600 до 1000 лошадиных сил, из них 14 таких теплоходов принадлежало России.
Какие преимущества имеет теплоход по сравнению с пароходом? Современный пароход, как нам известно, имеет в качестве двигателя паровую турбину. Пар при этом вырабатывается в паровом котле, в топке которого сжигается либо уголь, либо нефть. Коэффициент полезного действия судовых паровых турбин оказывается ниже коэффициента полезного действия дизелей. Значит, и на теплоходах, так же как и на тепловозах, надо меньше хранить топлива. А если теплоход снабдить такими же топливными запасами, то он увеличит свой район плавания. Так, при движении на самых больших скоростях теплоход может без наполнения топливом пройти путь раз в пять длиннее, чем паротурбоход.
У дизелей есть и другие преимущества — они не дымят, легко и быстро запускаются, легко управляются. Всё это очень важно для судна.
Наконец, как сказано в директивах XX съезда Коммунистической партии, нужен выпуск и мощных стационарных дизелей.
Стационарные двигатели — это те, которые работают не на транспортных установках, а на электростанциях, на насосных станциях, на компрессорных станциях.
Среди тепловых электростанций сейчас не так много дизельных. Основной двигатель здесь, как мы знаем, — паровая турбина. Но в ряде случаев, например в нефтедобывающих районах, в степных районах, если не требуется очень больших мощностей, есть смысл сооружать дизельные электростанции.
Вернемся к «старичкам»
Дизели — наиболее «молодые» двигатели внутреннего сгорания. Но и «старички» — газовые двигатели и двигатели карбюраторные — еще не отошли в область преданий. До сих пор они несут свою службу. Правда, их тоже коснулось время. Они уже не похожи на своих праотцев, они стали совершенней и заняли свое особое место среди других двигателей.
Газовые двигатели — самые старые, им от роду скоро будет сто лет (если вести счет годам от двигателя Ленуара), но они еще нужны народному хозяйству. В них по-прежнему сжигается и природный газ и светильный газ. Современные двигатели работают и на так называемом газогенераторном газе.
Что такое газогенератор? Это устройство, вырабатывающее газ. Вы помните, как в колбе Лебона появился горючий газ? Деревянные опилки сжигали при малом доступе воздуха. На этом, собственно, принципе работают и современные газогенераторы. Стоит особая печь, в нее заваливают дрова, торф или уголь, там топливо тлеет, а горючие газы засасываются двигателем прямо из этой печи — газогенератора. По пути в двигатель газы проходят фильтры, холодильники, — в цилиндры они попадают чистые и несколько охлажденные.
Чем удобен газогенераторный двигатель? Да тем, что он работает на любом местном топливе. Вот, например, на лесоразработках, — здесь много древесных отходов, а нефть или бензин подвозить сюда далеко и сложно, дороги плохие. Выручает двигатель с газогенератором. И на автомашине и на передвижной электростанции и на тракторе-лесовозе — везде можно применить такой двигатель.
Однако надо заметить, что газогенератор — капризное устройство и газ подается в двигатель не всегда хорошего качества. Большое значение имеет вид топлива, которое сжигается. Это топливо, например, должно быть не очень влажным, мало содержать смол, иначе двигатель будет работать плохо, с недостаточной мощностью, а топлива уйдет много. От смол же быстро загрязнятся клапаны, появится слой нагара на поршне и двигатель придется часто промывать бензином, чистить.
Поэтому газогенераторный двигатель оказывается и не всегда выгодным. Если таких двигателей много — например, на лесоразработках, — то можно организовать большое вспомогательное хозяйство по подготовке топлива, просушке его. Тогда это обойдется в общем недорого и газогенераторные двигатели можно использовать. Но там, где требуется всего один-два двигателя, там часто предпочитают применять дизели, даже если вокруг много леса или торфа.
Но особое значение сейчас приобретают другие газовые двигатели, работающие на природном или промышленном газе. Природный, подземный, газ в изобилии выделяется на нефтеразработках.
Есть районы, где под землей скопились такие запасы газа, что его подают по длинным трубопроводам (газопроводам) в города. Вот на этом газе могут работать двигатели, обслуживающие такие районы.
Много горючего газа выделяется и в промышленности; наряду с газовыми турбинами, о которых будет сказано ниже, этот газ могут использовать и газовые поршневые двигатели.
Газогенераторная установка с газовым двигателем.
«Старичок» помоложе — бензиновый карбюраторный двигатель — тоже еще не сошел со сцены. На легковых автомобилях, мотоциклах, речных катерах и моторных лодках этот двигатель пока преобладает.
Внутри цилиндра бензинового двигателя, работающего с воспламенением от искры, степень сжатия ниже, чем в цилиндре дизеля, где воздух сжимается до более высоких давлений. Там, как мы знаем, сжимаемый воздух нагревается до значительных температур, при которых уже не надо электрической искры, — происходит самовоспламенение топлива.
При меньшей степени сжатия в бензиновых двигателях образуются и меньшие давления в цилиндре от вспышки рабочей смеси. Это означает, что детали таких двигателей — коленчатый вал, шатун, поршень — можно делать не такими прочными и массивными, как у дизелей. Ну, а более легким деталям можно разрешить вращаться быстрее. Опасные, разрушающие центробежные силы у них возникают на более высоких оборотах, чем у тяжелых деталей дизеля.
Значит, бензиновые двигатели могут работать при более высоких оборотах. Но, чем чаще двигается поршень в цилиндре, чем чаще происходят вспышки, тем большую мощность развивает двигатель. Вот и выходит, что легкие бензиновые двигатели могут вместе с тем развивать сравнительно большие мощности.
Правда, такие двигатели менее экономичны, чем дизели, но зато для легковых автомобилей, мотоциклов, моторных лодок, катеров они очень удобны, — мало занимают места. От этого и сами автомобили, мотоциклы и лодки могут быть небольших размеров, но сильными и подвижными.
Наконец, еще один «старичок» — «нефтянка». Ей бы давно пора сойти со сцены, — уж больно неэкономичный этот двигатель — «пожиратель нефти». Однако так велика нужда нашего народного хозяйства в малых двигателях внутреннего сгорания и так прост этот двигатель, что до сих пор, правда в очень небольшом количестве, этот двигатель строится заводами.
Но можно с уверенностью сказать, — «нефтянка» доживает последние дни. Простой, надежный и экономичный дизель скоро повсюду заменит этот устаревший двигатель.
…Так мы познакомились с путями становления особого класса двигателей, где превращение тепловой энергии в механическую происходит путем сгорания топлива непосредственно внутри рабочих цилиндров. Мы теперь знаем, каковы те разновидности двигателей внутреннего сгорания, которые существуют и поныне. Мы, наконец, вкратце познакомились с тем, где какой тип этих двигателей находит свое применение.
Паровые машины, паровые турбины, поршневые двигатели внутреннего сгорания — это двигатели, прочно вошедшие в нашу жизнь. Но беспокойный, неутомимый человеческий разум продолжает отыскивать еще более совершенные способы получать двигательную силу. Открываются новые виды энергии, новые прочные материалы, создаются новые конструкции двигателей.
На наших глазах рождается новая энергетика.
Еще пятнадцать-двадцать лет назад с трудом верилось, что такие двигатели, как газовые турбины или реактивные моторы, когда-либо удастся построить и применить практически.
А сегодня эти двигатели уверенно входят в жизнь, найдя свое место в технике.
Еще совсем недавно — пять-десять лет назад — о создании атомного двигателя говорили, как о далекой и заманчивой перспективе.
А сегодня в Советском Союзе уже работает промышленная электростанция на атомной энергии.
Следующие главы этой книжки и будут посвящены двигателям, вступающим в жизнь.