Удивительная физика - Нурбей Гулиа

Отто, Дизель… Герон?

Но как бы то ни было, а подавляющее большинство современных тепловых двигателей – внутреннего сгорания. Они и на автомобилях, и на тракторах, мотоциклах, сельхозмашинах, на большинстве судов и мало ли еще где, даже на самолетах.

Как же они возникли? Делалось много безуспешных попыток создать двигатель, в котором топливо сжигалось бы не вне рабочего объема машины (цилиндров), как у паровых машин, а внутри его. Это должно было резко повысить КПД тепловой машины. Первая такая попытка принадлежит французу Лебону (1769(67) – 1804) – изобретателю светильного газа, двигатель на котором он запатентовал в 1801 г.

Но только в 1860 г. бельгийскому инженеру Ж. Ленуару (1822—1900) удалось создать работоспособный и используемый в промышленности двигатель внутреннего сгорания, тоже на светильном газе. Не удивляйтесь, но на газе, полученном нагреванием дерева без доступа воздуха (термолизом), изобретенном в 1799 г. Лебоном, работали некоторые советские грузовики 40 – 50-х гг. ХХ в.

Изготовленный Ленуаром двигатель напоминал паровую машину (рис. 273). Двигатель был с золотниковым распределителем. Один из золотников (нижний) обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Второй золотник (верхний) служил для выпуска отработанных газов. Газ и воздух до попадания в цилиндр не сжимались и к золотнику подводились по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась искрой. Давление сгоревшей смеси возрастало и действовало на поршень, производя работу расширения. После окончания расширения второй золотник соединял цилиндр с выхлопной трубой, и поршень вытеснял отработанные газы.

Рис. 273. Газовый двигатель Ж. Ленуара:

а – общий вид; б – схема: 1 – поршень; 2; 4 – золотники; 3 – цилиндр

Вращался двигатель Ленуара с частотой порядка 100—150 оборотов в минуту, мощность его была около 0,5 кВт. Но КПД был всего 3 %, т. е. меньше, чем у тогдашних паровых машин. Но все-таки таких двигателей построили во Франции и Англии около 300, и на выставке 1864 г. двигателю Ленуара было присуждено первое место.

Тем не менее после изобретения двигателя Н. Отто и Э. Лангена и демонстрации его на парижской выставке 1867 г., двигатель Лену-ара был обречен. КПД нового двигателя был в 5 раз больше и достигал 15 % – цифры в то время неслыханной. И хотя эти, а также последующие двигатели Н. Отто строились на мощности до 1 000 лошадиных сил, они работали опять же на газе – светильном, доменном и др., т. е. им не было места на автомобилях.

Но главное, что совершил Н. Отто в двигателестроении, – это разработка в 1877 г. четырехтактного цикла действия двигателей: всасывание, сжатие, расширение (рабочий ход), выхлоп, по которому работает большинство двигателей и сейчас.

Применение двигателей внутреннего сгорания на транспорте могло быть реальным только при жидком топливе, которое можно компактно хранить в баках. Самым удобным, хотя и опасным видом топлива оказался бензин – он легко испарялся в воздухе и образовывал горючие смеси. Первый бензиновый двигатель был построен в 1884 г. русским инженером И. С. Костовичем для дирижабля. Дирижабль, к сожалению, сгорел, а двигатель мощностью около 50 лошадиных сил остался цел и невредим, так как хранился отдельно от дирижабля. Никто его так и не использовал. Надо же – построить двигатель специально для дирижабля, как будто автомобилей и не существовало! И судьба двигателя, возможно, оказалась бы счастливее…

Предком современных бензиновых двигателей считается двигатель 1885 г. немецких инженеров Г. Даймлера (1834—1900) и В. Майбаха (1846—1929), развивавший мощность 0,5 лошадиной силы при объеме цилиндра 0,25 л и частоте вращения 200 оборотов в минуту.

Изобретатели поставили его на деревянный велосипед и получили первый в мире мотоцикл, тоже, разумеется, деревянный. А так как двигатель не мог эффективно работать без карбюратора, приготовляющего рабочую смесь (о карбюраторе мы уже говорили выше), то годом создания эффективного бензинового двигателя (рис. 274) нужно считать год патентования В. Майбахом карбюратора – 1893-й. Частота вращения двигателей постепенно росла и в 1914 г. составила 2 000 оборотов в минуту (сейчас она примерно в 3 раза выше).

Рис. 274. Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания с зажиганием от магнетоэлектрогенератора высокого напряжения:

1 – привод на маслонасос; 2 – распределительный вал; 3 – водяная помпа; 4 – поршень; 5 – запальная свеча; 6 – радиатор; 7 – топливный бак; 8 – карбюратор; 9 – выхлопная труба; 10 – магнето (генератор высокого напряжения)

Но… (Опять это «но»! Бензиновые двигатели завоевывали мир, они были почти на всех автомобилях, какое может быть «но»?) Но они имели все-таки небольшой КПД, который принципиально нельзя было повысить. Дело в том, что когда начинали повышать степень сжатия, т. е. все больше и больше сжимать рабочую смесь в цилиндрах именно для повышения КПД, смесь паров бензина с воздухом не выдерживала нагревания и взрывалась совсем не тогда, когда ей было положено. Почти как в пневматической зажигалке древних народов, о которой мы уже говорили…

Вот тут-то самый раз рассказать о дизельных двигателях, лишенных этого недостатка. Первый патент автора дизельных двигателей немецкого инженера Р. Дизеля относится к 1892 г. Суть работы этого двигателя ясна из формулы изобретения к этому патенту (приводимой здесь в сокращении): «Способ работы для двигателей внутреннего сгорания такого рода, что в цилиндре при помощи поршня сжимается чистый воздух… так, что достигаемая при этом температура значительно превышает температуру воспламенения применяемого горючего вещества, после этого производится постепенный впуск топлива, и вследствие этого его сгорание…»

Стало быть, чистый воздух можно сжимать до давлений, в несколько раз превышающих давления сжатия в бензиновых двигателях, без боязни того, что воздух, чего доброго, взорвется. Это давление доходит до 30—40 МПа, и температура воздуха при этом повышается до 500—700 °C. Впрыснутая особыми насосами и форсунками в этот сжатый и раскаленный воздух солярка тотчас же загорается и совершает работу по продвижению поршня с гораздо более высоким КПД, чем в бензиновых двигателях. Да и не только солярка, а любое топливо при такой температуре загорится, даже угольный порошок, который поначалу собирался всыпать в цилиндр сам Дизель.

Рис. 275. Дизельный двигатель:

1 – поршень; 2 – топливный насос; 3 – топливный бак; 4 – воздушный фильтр; 5 – клапаны; 6 – выхлопной патрубок; 7 – распределительный вал; 8 – привод масло-насоса; 9 – водяная помпа; 10 – радиатор

Как бы то ни было, КПД дизельного двигателя (рис. 275) вырос как минимум в 1,5 раза по сравнению с карбюраторными двигателями, да и само дизельное топливо было дешевле бензина. Вот почему дизельные двигатели успешно вытесняют бензиновые, прежде всего на мощных грузовых автомобилях. Во время Великой Отечественной войны с Германией наши танки оснащались именно дизельными двигателями, что во многом определяло их преимущества по сравнению с немецкими бензиновыми. Вот как дизель – немецкое изобретение – помог выиграть нам войну с Германией.

В настоящее время в связи с заменой карбюратора системами непосредственного впрыска топлива позиции дизельного и бензинового двигателей сближаются, что всем идет на пользу.

И наконец, самый «молодой» двигатель внутреннего сгорания, к тому же самый малогабаритный и легкий, самый мощный, самый перспективный. Такие двигатели используют как на вертолетах и самолетах, так и на электростанциях для выработки электроэнергии из газа. Этот двигатель называется газотурбинным, или газовой турбиной, и он, как говорится, уже на подножке автомобиля. Пока им оснащают опытные конструкции, но уже скоро он будет стоять на грузовых автомобилях и автобусах, а также, возможно, на легковых автомобилях.

Рис. 276. Схема газовой турбины:

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – форсунка; 5 – топливный насос; 6 – турбина

Газовая турбина – роторный двигатель. На лопатках его ротора энергия газа преобразуется в механическую работу (рис. 276). В компрессор 1 турбины поступает воздух и сжимается в нем за счет части работы, производимой турбиной. Сжатый воздух идет в регенератор (теплообменник) 2, где немного подогревается отработавшими в турбине горячими газами. Затем он попадает по трубе в полость между двойными стенками камеры сгорания 3. Здесь он подогревается еще сильнее и направляется в камеру сгорания вместе с топливом, которое насос 5 подает через форсунку 4. В камере сгорания образуются газы с очень высокой температурой и давлением. Через сопло они устремляются на рабочее колесо 6 турбины. Совершив работу, газы покидают установку через регенератор, нагревая поступающий из компрессора воздух. Запускается такая турбина пусковым электродвигателем – стартером.