Сказка о ковре-самолете и фантазия Жюль-Верна, уносящая читателя вместе с героем его романов капитаном Немо в подводное царство, стали реальностью только после изобретения двигателя внутреннего сгорания.
Там, где нужны минимальные размеры, легкость и вместе с тем большая мощность, — там этот двигатель пока не имеет соперников. Двигатель внутреннего сгорания все больше и больше завоевывает самые различные области промышленности, транспорта и сельского хозяйства.
На мощных электростанциях и железных дорогах, особенно в пустынных и. безводных, лишенных топлива районах, на автомашинах, дирижаблях, самолетах и подводных лодках, двигатель внутреннего сгорания является пока единственным и почти незаменимым источником энергии.
Оборудование и эксплуатация всей этой системы требовали больших затрат. Паровые котлы весьма отяжеляют и усложняют паровую установку и делают ее непригодной там, где экономия места и веса играет решающую роль.
Как известно, источник силы пара — это тепло, получаемое при горении топлива в топках котлов. Эта тепловая энергия превращается паровой машиной в энергию механическую.
Но паровая установка работает с очень низким коэффициентом полезного действия. Только около пятой части полученного при горении топлива тепла превращается в полезную работу, остальное тратится совершенно непроизводительно.
Современная теплотехника выработала способы лучшего использования тепла в паросиловых установках. Например, часть тепловой энергии отходящих газов используется теперь для подогрева питательной воды, перегрева пара. Вода подогревается в так называемых экономайзерах. Это целая система трубок, по которым циркулирует вода, предназначенная для питания котла. Трубки эти «омываются», как говорят, горячими дымовыми газами. Пар же нагревается в специальных пароперегревателях тоже за счет тепла отходящих газов. Все это повышает коэффициент теплоотдачи, но в то же время весьма усложняет всю установку.
 |
| Схема котельной и паромашинной установки. Топливо сжигается под котлом А. Пар по трубопроводу отводится в паромашину В. Отработавший, мятый пар направляется из машины в холодильник С, где он сгущается и превращается в воду. Из конденсатора теплая вода стекает в теплый ящик Д, откуда водяной питательный насос Е берет воду снова для питания котла |
В конце XVII века была впервые выдвинута идея нового, более экономного и удобного двигателя. Развивающееся капиталистическое производство не удовлетворялось уже таким сложным и громоздким источником механической энергии, как паровая машина. Она требовала очень внимательного ухода, значительных запасов топлива и воды, больших зданий. Приготовить такую машину моментально к действию нельзя, так как она требует затраты известного времени на разведение паров в котле.
 |
| Тепловой баланс паросиловой установки. Здесь графически изображено распределение тепла, считая, что 100% его подводится к котлу при сжигании топлива |
Научная и техническая мысль, поставленная на службу буржуазии, лихорадочно искала новых способов получения энергии. Надо было создать более портативный, экономный и всегда готовый к пуску двигатель.
Громоздкость и сложность паросиловой установки вызывалась, главным образом, тем, что здесь были как бы два агрегата: топка с котлом, где получался пар, и рабочий цилиндр, где тепловая энергия пара превращалась в механическую энергию движения поршня.
И вот возникла задача — уничтожить эту двух-степенность и сделать так, чтобы сгорание топлива происходило в самом рабочем цилиндре.
Первым воплощением этой идеи была попытка создать двигатель, работающий от взрыва порохового заряда в цилиндре (Гюйгенс, 1680 г.). Принцип этот, в настоящее время вполне осуществимый, 250 лет назад потерпел неудачу. Гюйгенс не смог подыскать достаточно высококачественных материалов, которые были бы способны противостоять высоким температурам и давлениям, развивающимся в цилиндре при взрыве. Техника того времени не умела еще изготовлять соответствующие материалы. Идея двигателя Гюйгенса имела еще и целый ряд чисто конструктивных недостатков. Особенно трудно было предусмотреть очистку цилиндра от копоти и твердых шлаков. Все это отодвинуло решение задачи на 180 лет.
В 1860 г. парижский механик Ленуар построил первый практически годный двигатель, работавший смесью светильного газа с воздухом. Несмотря на то, что и этот двигатель требовал вспомогательной установки для добычи светильного газа, задача непосредственного сжигания топлива в цилиндре все же была решена.
Двигатель этот работал следующим образом. Поршень начинал двигаться от одного конца цилиндра к другому. При этом в пространство, которое поршень прошел, устремлялось (засасывалось) рабочее тело — смесь светильного газа с воздухом. Когда поршень доходил до середины цилиндра (т. е. делал половину хода), смесь взрывалась электрической искрой. Газы, получавшиеся при взрыве, повышали давление в цилиндре (примерно до 6 ат) и поршень проходил вторую половину хода, производя полезную работу, т. е. нажимая через шатунно-кривошипный механизм на колено вала. На коленчатый вал насаживался маховик. Инерция этого маховика, т. е. его стремление продолжать вращение, заставляла вращаться вал, пока поршень снова не возвращался в исходное положение, выталкивая из цилиндра отработанные газы — продукты сгорания.
 | |
| В 1860 г. парижский механик Ленуар построил первый практически годный двигатель, работавший смесью светильного газа с воздухом. На рисунке—схема действия двигателя Ленуара. 1—Начало всасывания (поршень идет вниз); 2—Рабочий ход (поршень идет вниз); 3—Начало выталкивания (порошень идет вверх); 4—конец выталкивания (поршень подходит к верхней мертвой точке) |
Двигатель Ленуара расходовал много газа, перегревался и требовал обильной смазки. Несмотря на сложность и несовершенство этой конструкции, он все же получил довольно широкое распространение.
Через семь лет кельнский купец Отто и инж. Ланген построили двигатель, работавший тем же рабочим телом, что и двигатель Ленуара, но по принципу движения резко отличный от него.
Рабочий ход этого двигателя вызывался давлением на поршень не продуктов сгорания, а атмосферного воздуха. Цилиндр ставился в вертикальном положении. На 1/10 хода поршня в цилиндр засасывалась рабочая смесь. От отдельного газового пламени рабочее тело воспламенялось. При взрыве, благодаря резкому повышению давления, поршень вместе со штоком, представляющим собой зубчатую рейку, стремительно взлетал вверх. По инерции движение продолжалось до тех пор, пока давление в цилиндре не переходило в разрежение и атмосферное давление извне не тормозило поршень. В этот момент зубчатая рейка сцеплялась с шестеренкой, насаженной на общий вал с маховиком, и поршень под давлением атмосферного воздуха двигался вниз, вращая шестеренку.
Рабочий ход продолжался до тех пор, пока давление внутри цилиндра не становилось равным атмосферному. Тогда рейка расцеплялась с шестерней, и поршень, двигаясь вниз от собственного веса, выталкивал из цилиндра продукты сгорания.
В нижней мертвой точке шестерня вновь сцеплялась с рейкой, под влиянием инерции маховика поршень начинал движение вверх, засасывая смесь. Затем весь процесс повторялся вновь.
 |
| У двигателя Отто-Лангена цилиндр ставился в вертикальном положении. При взрыве рабочей смеси поршень вместе со штоком, представляющим собой зубчатую рейку, стремительно взлетал вверх |
Двигатель Отто-Лангена при всех своих недостатках все же успешно конкурировал с машинами другого типа и применялся в ряде производств.
Работая над дальнейшим усовершенствованием своей машины, купец Отто в 1878 г. создал новый тип двигателя. Основное отличие его состояло в том, что рабочее тело перед воспламенением подвергалось сжатию.
В этом двигателе смесь засасывалась на протяжении всего хода поршня. Обратным ходом смесь сжималась (примерно до 2 ат). Сжатая смесь быстро воспламенялась от отдельного газового пламени. Давлением газов при взрыве осуществлялся рабочий ход, после которого поршень выталкивал продукты сгорания, и весь процесс повторялся. Предварительное сжатие рабочей смеси позволило повысить полезную теплоотдачу.
Здесь мы видим, что на 4 хода поршня приходится только один рабочий ход. Такой двигатель и называется поэтому четырехтактным.
Новый двигатель Отто и положил начало дальнейшему развитию четырехтактных машин быстрого сгорания. А самый цикл быстрого сгорания назван в честь изобретателя циклом Отто.
Описанные газовые двигатели не освобождали от сложных дополнительных установок, а требовали специального генератора для получения светильного газа.
Но горючие газы в некоторых отраслях производства являются побочным продуктом. Рационально использовать их было выгодно предпринимателю. Целый ряд западноевропейских промышленных центров освещался в те времена газом. Все это способствовало тому, что газовые двигатели получили широкое распространение.
В настоящее время ни одно металлургическое производство с доменными или коксовыми печами не выпускает ценных горючих газов в атмосферу, а наоборот, стремится использовать их или в качестве топлива под паровыми котлами или, что гораздо целесообразнее, в газовых двигателях.
 |
| Газовый двигатель, спаренный с генератором трехфазного тока |
Современные газовые двигатели строятся обычно больших мощностей — до 2 тыс. лош. сил. Зажигание в современных газовых двигателях происходит с помощью электрической искры от магнето или специальной батареи.
Рабочий процесс в этих двигателях осуществляется или по четырехтактному принципу или по двухтактному (на 2 хода поршня один ход рабочий). Двухтактный двигатель работает так, что в конце рабочего хода расширения цилиндр очищается от продуктов сгорания путем продувки и заполняется рабочей смесью. Обратным ходом смесь сжимается, воспламеняется электрической искрой, и процесс повторяется.
В СССР на южных и уральских металлургических заводах имеются крупные установки с газовыми двигателями. Они работают на колошниковом (доменном) газе, например на Макеевском металлургическим заводе им. Томского двигатели фирмы Эрхард-Земмер, на Надеждинском заводе — двигатели Тиссен, Клейн и др.
Дальнейшее развитие производства двигателей внутреннего сгорания пошло в двух направлениях.
Первое совершенствовало уже имевшийся тип газового двигателя.
Второе же ставило своей задачей полное отрешение от вспомогательных установок для добычи горючих газов. В связи с этим начались опыты по применению в качестве топлива для двигателей жидких горючих.
К жидким топливам относятся: нефть и продукты ее перегонки, а также спирты и смолы. Наиболее употребительные жидкие горючие получаются из нефти. Это известные всем легкие топлива или бензины, испаряющиеся при сравнительно низких температурах. Они различаются по сортам: керосины, имеющие более высокую температуру испарения и больший удельный вес; моторные топлива (соляровое масло, моторная нефть), отличающиеся маслянистостью, трудной испаряемостью и еще большим удельным весом; мазуты или густые топлива — остатки от перегонки нефти, имеющие низкую температуру застывания. Мазуты применяются в качестве топлива для паровых котлов. Лучшие сорта их идут теперь для нефтяных двигателей.
Спирты испаряются при низких температурах, но в чистом виде обычно как топливо не применяются.
Смолы получаются при сухой перегонке угля и дерева (каменноугольные и древесные смолы). Это сравнительно тяжелое топливо и как горючее для двигателей стало применяться лишь недавно. Специальными методами обработки угля (гидрогенизация) последнее время удалось получить из него и легкие топлива.
Бензины и керосины являются наиболее легким видом жидкого топлива, относительно легко испаряющимся. Они позволяют образовывать горючие смеси паров этих веществ с воздухом даже при нормальных температурах (бензины) при подогревании в специальных подогревателях (керосины). Промежуточные продукты перегонки нефти — соляровые масла и моторная нефть — испаряются при более высоких температурах. Поэтому получать пары этих топлив для образования горячей смеси трудно, и они применяются в распыленном виде в смеси с воздухом.
Применение жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания было сопряжено вначале с большими трудностями. Надо было найти способ приготовления рабочей смеси, т. е. превращения жидкого топлива в пар и смешивания его с воздухом.
Часть изобретателей пошла по пути применения легких горючих, способных испаряться при низких температурах. Пары их, смешанные с воздухом, образуют рабочую смесь, пригодную для обычных газовых двигателей.
Двигатели этого типа снабжались специальным прибором, служившим для приготовления взрывчатой или рабочей смеси. Прибор этот, называемый карбюратором, должен был содействовать превращению топлива в пары и возможно лучше перемешивать их с воздухом.
Для быстрого испарения топлива наиболее удобным способом является пульверизация или разбрызгивание его. Карбюратор представляет собой камеру, соединенную с цилиндром особым трубопроводом. Когда в цилиндре в момент всасывания получается разрежение, то в смесительной камере карбюратора также понижается давление, и атмосферный воздух с большой скоростью устремляется в нее. При этом воздух проходит через суженное отверстие, к которому по тоненькой трубке (жиклеру) подведено легкое горючее. Воздух увлекает горючее с собой и распыляет его в мельчайшие капельки, быстро испаряющиеся и смешивающиеся с воздухом. Образуется рабочая смесь, которая и устремляется в цилиндр, проходя специальную заслонку в трубопроводе.
 |
| Схема действия карбюратора. Трубопровод S имеет вращающуюся заслонку V и соединен с цилиндром двигателя. В момент всасывания в смесительной камере К создается разрежение. Атмосферный воздух по трубопроводу О поступает через суженное сечение G в камеру, разбрызгивая горючее, подведенное по тонкой трубке В, и смешивается с ним. Топливо находится в баке A и поступает в жиклер В черев камеру Р с поплавком F |
Такой двигатель, работавший на бензине, впервые был построен немецким инженером Даймлером на заводе фирмы Дейтц в 1885 г.
Другая часть изобретателей пыталась применить в качестве топлива для двигателей тяжелые сорта горючих. Первым приближением к разрешению этой задачи был двигатель, в котором приготовление рабочей смеси осуществлялось в так называемом калоризаторе. Его сконструировали англичане Гамиль—Акройдт—Стюарт и Ричард Бенней. Идея калоризатора, или запального шара, заключается в том, что на крышке цилиндра двигателя помещается полый чугунный шар, разогревающийся перед началом работы до темнокрасного каления. Посредством насоса через специальное разбрызгивающее отверстие или форсунку в калоризатор вспрыскивается топливо и от соприкосновения с горячими стенками шара испаряется. Температура калоризатора остается высокой благодаря происходящим в нем вспышкам рабочей смеси. Такой двигатель с запальным шаром работает следующим образом: в конце хода сжатия в калоризатор вспрыскивается топливо, которое перемешивается со сжатым воздухом, воспламеняется от раскаленных стенок шара и толкает поршень обратно. Двигатели этого типа могут работать как по двухтактному, так и по четырехтактному циклу.
В 1886 г. на заводе "Горнсби и сын", в Англии, впервые был построен такой двигатель. Благодаря простоте своей конструкции эти двигатели получили широкое распространение, главным образом, в скандинавских странах. В приморских странах, богатых заливами, озерами и фиордами, моторный флот и посейчас наиболее удобное и дешевое средство сообщения. Известная шведская фирма Болиндер является главным поставщиком двигателей этого типа для катеров и поныне.
 |
| 24-сильный судовой двигатель с калоризатором завода "Коммунар" |
В СССР рыбопромысловый флот широко пользуется калоризаторным двигателем. Простотой ухода он завоевал себе заслуженный авторитет. У нас двигатели с запальным шаром строят завод «Коммунист» в Марксштадте (Республика немцев Поволожья) и завод «Победа» в Мелитополе.
Все описанные конструкции двигателей внутреннего сгорания требовали для воспламенения топлива особых зажигательных приспособлений. Была ли это «свеча», дававшая электрическую искру, или запальный шар, без них не мыслилось осуществить рабочий процесс. Это, конечно, усложняло конструкцию двигателя. Кроме того, быстрое сгорание смеси (взрыв) давало резкие толчки и удары, от которых преждевременно изнашивалась материальная часть двигателя. Коэффициент полезного действия их не превышает 25%.
Сравнительно невысокий коэффициент полезной теплоотдачи объясняется невозможностью в двигателях этого типа осуществить высокое давление сжатия, обычно не превышающее 4—6 ат.
Перед инженерами и техниками была поставлена новая задача: создать такой двигатель, который бы не нуждался в специальном зажигательном приспособлении и имел более высокий коэффициент полезного действия.
Особенно настойчиво работал в этой области немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1893 г. вниманию технического мира был представлен небольшой печатный труд Дизеля «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить тепловую машину и другие существующие в настоящее время тепловые двигатели». В нем Рудольф Дизель доказывал целесообразность двигателя с высокой степенью сжатия рабочей смеси. Топливо, по его мнению, должно было дать огромное преимущество, так как при большом сжатии топливо воспламеняется не от постороннего источника тепла, а вследствие высокой температуры, возникающей при повышении давления в цилиндре.
Известно, что при сжатии газов часть энергии, затраченной на увеличение давления, переходит в теплоту. Если сжать воздух до 25—30 ат, то его температура поднимется до 600—700°. При этой температуре введенное в цилиндр топливо воспламенится без всякого зажигательного приспособления.
В 1897 г. Аугсбургский машиностроительный завод, в Германии, построил первый экономично и бездымно работавший двигатель по проекту инж. Дизеля. И этот тип машин получил название дизелей.
В том же 1897 г. право изготовления двигателей Дизеля в России было приобретено заводом Л. Нобель (ныне завод «Русский дизель» в Ленинграде). Здесь под руководством проф. Депп в 1899 г. был закончен и испытан первый русский дизель.
 |
| 300-сильный двухтактный дизель завода "Русский дизель" |
Двигатель Дизеля отличается высокой экономичностью в расходе топлива. Сгорание рабочей смеси в нем происходит наиболее полно и бездымно. Он позволяет также применять низкосортное тяжелое топливо (сырую нефть). Все это обеспечило огромный успех этому двигателю. С начала XX века дизелестроение принимает широкие масштабы.
Тепловой процесс постепенного сгорания в отличие от цикла Отто назван циклом Дизеля.
Потери тепла в двигателе Дизеля намного меньше, чем в паровой машине и двигателях внутреннего сгорания других типов.
На полезную работу в двигателях Дизеля затрачивается около 37% тепловой энергии, полученной за счет сжигания топлива.
 |
| Диаграмма теплового баланса современного двигателя-дизеля |
Подача топлива в цилиндр осуществляется в двигателе Дизеля посредством специального приспособления, называемого форсункой. Из форсунки топливо попадает в цилиндр в мелкораздробленном (распыленном) состоянии.
В ранних конструкциях это распыление достигалось вдуванием топлива в цилиндр сжатым воздухом, хранившимся в специальных баллонах. Поэтому в двигателях этого типа приходилось иметь специальный насос-компрессор — для подкачивания воздуха в баллоны. Отсюда эти двигатели и получили наименование компрессорных.
Баллоны с сжатым воздухом и насосы утяжеляют общий вес дизельных установок. Развитие дизелестроения в последние десять лет позволило устранить этот недостаток. Были разработаны такие конструкции, у которых распыление топлива осуществляется не сжатым воздухом, а путем подачи его в цилиндр под очень большим давлением, в пределах 250—500 ат. Для этого нужны только специальные топливные насосы. Они вспрыскивают в цилиндр топливо, которое, проходя через форсуночные отверстия (сопла), распыляется в мельчайшие капельки, что обеспечивает хорошее сгорание и бездымность в работе.
Такие двигатели в отличие от компрессорных называются бескомпрессорными.
Двигатели Дизеля применяются в самых различных отраслях промышленности. Особенно большое значение имеют они в морском флоте.
 |
| Судовой двигатель-дизель немецкого завода MAN. Мощность его — 7 тыс. лош. сил. |
Теплоход, движимый моторами внутреннего сгорания, имеет много преимуществ перед пароходом. При том же запасе топлива он может пройти гораздо большее расстояние, чем пароход. Теплоход освобожден от громоздкой и тяжелой котельной установки и всегда готов к действию.
Для военных кораблей дизели особенно важны. Они позволяют кораблям уходить от своей базы на продолжительное время. Отсутствие дыма уменьшает видимость судна в море. Палубы освобождаются от дымовых труб, и благодаря этому можно более рационально распределить орудия. В случае необходимости топливо для дизелей легко погрузить в открытом море.
Дизели облегчают общую нагрузку судов. При замене паровых машин дизелями на судах, плавающих от Одессы до Владивостока и обратно, оказался достаточным запас топлива в 500 т на весь путь (около 20 тыс. миль), в то время, как пароходы при запасе топлива в 1200 т не могли пройти без пополнения его больше 8 тыс. миль.
Впервые попытка использовать двигатель Дизеля для судна была сделана в России заводом Л. Нобель в 1903 г. на нефтеналивной барже «Вандал». Этот двигатель вращал динамомашину, которая давала ток электромотору, приводившему в движение вал гребного винта.
В 1908 г. был построен так называемый реверсивный двигатель Дизеля. Реверсивный двигатель позволяет вращать гребной винт в обе стороны, т. е. давать передний или задний ход без промежуточной электрической передачи. Поэтому и можно было осуществить передачу движения непосредственно от двигателя к гребному винту. Этот двигатель был впервые установлен на подводной лодке «Минога».
В этом же году Коломенский машиностроительный завод построил первый колесный буксирный теплоход «Мысль» для волжского пароходства.
За границей первая опытная установка двигателя Дизеля на судно была осуществлена в 1903 г. На барже «Пти Пьера» был поставлен 25-сильный двигатель.
Дальше постройка судовых дизелей развертывалась весьма интенсивно. В 1911 г. уже 38 заводов занимаются постройкой судовых дизелей. В 1916 г. число заводов достигает 74 (64 в Европе и 10 в Америке).
После первой удачной установки на подлодке «Минога» двигатель Дизеля завоевывает первое место в подводных флотах всего мира.
На кораблях подводного флота его применение тормозится тем, что пока не удалось достигнуть достаточно высоких мощностей в одном агрегате. Но и это затруднение не кажется нам непреодолимым.
Преимущества двигателя Дизеля ставят вопрос о применении его для нужд автотракторного парка и авиации.
Недавно закончившийся пробег советских автомашин с дизельными двигателями доказал полную целесообразность их использования в безрельсовом транспорте. Советские научно-исследовательские институты моторостроения разрабатывают сейчас конструкции дизелей, обеспечивающих внедрение их в самые различные отрасли народного хозяйства.
Развитие дизелестроения идет чрезвычайно быстро. Каждый месяц приносит нам сведения о новых достижениях в этой области. Наша молодежь должна овладеть техникой двигателей внутреннего сгорания, так как им принадлежит весьма важная роль в техническом развитии народного хозяйства и обороны нашей социалистической родины.
Комментариев нет:
Отправить комментарий