Текст рассказывает историю появления четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания — от первых неудачных попыток XVII–XIX веков до прорыва, совершённого Николаусом Отто. Автор показывает, как ранние конструкции, включая двигатель Ленуара, оказались неэффективными, и как Отто, вдохновлённый идеей создать более экономичную машину, пришёл к принципу предварительного сжатия смеси и последовательного четырёхтактного цикла. В очерке подробно раскрываются параллельные исследования Бо де Роша и Карно, судебные споры о первенстве, а также испытания на Парижской выставке, где двигатель Отто доказал своё превосходство. Материал демонстрирует, как сочетание практических экспериментов и теоретических идей сформировало основу современного моторостроения.
Десятки тысяч автомобилей двигаются по улицам современного города. Сотни тысяч тракторов работают на колхозных полях Советского Союза. Тысячи самолётов, теплоходов и катеров бороздят воздух и моря нашей страны. Вся эта армия машин приводится в действие двигателями внутреннего сгорания. Большинство их работает по так называемому четырёхтактному циклу Отто, изобретённому восемьдесят назад.
По этому циклу четырьмя последовательными движениями поршня рабочая смесь паров бензина (или газа) с воздухом засасывается через впускной клапан в цилиндр двигателя, сжимается в камере сгорания, затем, после воспламенения, расширяется, совершая рабочий ход, и наконец выталкивается через выпускной клапан, освобождая место для новой порции смеси.
Однако к этой простой схеме рабочего процесса изобретатели пришли далеко не сразу. Попытки создать двигатель внутреннего сгорания были начаты ещё в XVII веке одним изобретателей паровой машины ши Дени Папеном, но только в 1860 г. они завершились успехом французского механика Ленуара.
Человек, сумевший подвести итог всем предыдущим изысканиям, большей частью неудачным, не обладал особенным талантом конструктора. Ленуар лишь рационально использовал опыт своих предшественников, соединив в одном агрегате усовершенствования, разбросанные раньше по многим моделям. Взяв почти все элементы своей конструкции из чужих патентов, Ленуар ввёл только одно новшество: он отказался от применения насосов, нагнетающих смесь горючего с воздухом в цилиндр. В двигателе Ленуара рабочая смесь засасывалась самим поршнем, без предварительного сжатия. В качестве горючего использовался газ.
Рабочий процесс в двигателе Ленуара осуществлялся следующим образом. При движении поршня от мёртвой точки золотник открывал специальную щель, через которую рабочая смесь засасывалась в цилиндр. На половине хода поршня впускной золотник закрывался, и включался электрический контакт. Засосанная смесь воспламенялась и сгорала, создавая давление около 4—5 атмосфер. Расширение продуктов сгорания заканчивалось к моменту прихода поршня к другому крайнему положению. Отработанные газы выпускались через выхлопной золотник.
Весть о создании работоспособного двигателя внутреннего сгорания произвела сенсацию во всем мире. Первые шаги Ленуара на деловом поприще были настоящим триумфальным шествием. Со времён Джеймса Уатта пар был наиболее совершенным средством получения механической энергии, и появление машины Ленуара, хотя и подготовленное всей предыдущей историей развития техники, было неожиданным для широкой публики.
Вот что писала, например, одна из немецких газет того времени о новом двигателе: «По сравнению с новым изобретением пар является чем-то доисторическим или, по меньшей мере, средневековым. Всё равно как современным облагороженным творениям предшествовали доисторические чудовища, кости которых мы теперь находим, так и грубая и во всех отношениях неуклюжая сила пара предшествует новому двигателю, который в скором времени станет крупным импульсом в жизни нашей индустрии».
Часть этих восторженных отзывов дошла до молодого коммерческого служащего в Кельне, Николая Отто. Встречаясь по вечерам со своими сослуживцами в дешёвом городском ресторане, он слышал со всех сторон разговоры о новой сенсации.
 |
Николай Отто, изобревший 80 лет назад четырёхтактный цикл,
по которому работает большинство современных двигателей внутреннего сгорания. |
Отто задумывался. Так же, как и его друзья, он не был техником. Его юность прошла за прилавком магазина. Карьера Ленуара, никому не известного механика, сразу выдвинувшегося своим изобретением, представлялась молодому служащему куда увлекательнее торгового дела. А что, если пойти по пути Ленуара и создать ещё более совершенный двигатель? Подобные мысли вереницей проносились в голове Отто, пока он рассеянно слушал своих товарищей. Вскоре Отто принял окончательное решение: он займётся изобретением более совершенного газового двигателя.
Между тем исследования двигателя Ленуара, предпринятые Треска, Эйтом, Мейдингером и другими учёными, установили, что между реальной машиной и рекламой о ней существует большая разница. Рекламы сообщали о ничтожном расходе топлива, действительный расход оказался в шесть раз больше. Коэффициент полезного действия машин Ленуара не подымался выше 4—5 процентов, а сами они вскоре приобрели обидное, но заслуженное прозвище «пожирателей газа». Это охладило многих восторженных поклонников Ленуара. Было ясно, что паровую машину собрались хоронить слишком рано.
 |
| Двигатель Ленуара, прозванный «пожирателем газа». |
Приобретя двигатель Ленуара и тщательно изучив его, Отто решил прежде всего выяснить причину слишком большого расхода газа. Он обратил внимание на то, что запал смеси происходит на половине хода поршня, и, таким образом, большая часть объёма цилиндра остаётся неиспользованной. Предположив, что в этом, быть может, заключается одна из причин повышенного расхода топлива, Отто начал искать средство использовать полную длину хода поршня для сгорания и расширения газов.
Ему пришла в голову мысль сжать смесь, засосанную в цилиндр. Впустив рабочую смесь в цилиндр и слегка повернув в обратную сторону маховик, Отто включил электрический запал. Эффект получился выше всяких ожиданий. Если прежде силы вспышки едва хватало только для одного оборота маховика, то теперь, после предварительного сжатия рабочей смеси, маховик в результате той же вспышки энергично вращался.
 |
| Впустив рабочую смесь в цилиндр и слегка повернув в обратную сторону маховик, Отто включил запал. Получилась энергичная вспышка. |
Отто повторил опыт несколько раз и всё с тем же результатом. Было ясно, что предварительное сжатие смеси придаёт какую-то особенную силу вспышке. Отто не смог теоретически обосновать это явление и разобраться в достигнутом успехе.
Однако с увеличением интенсивности сгорания смеси возросла и неравномерность работы двигателя. Как заставить двигатель работать равномерно? Направив все свои усилия в эту сторону, Отто построил первый двигатель, работавший в четыре такта.
Оценивая это открытие, крупнейший немецкий специалист по двигателям Гюльднер писал: «Таким образом ощупью и почти бессознательно Отто пришёл к мысли сжимать смесь перед запалом, зажигать её в мёртвом положении кривошипа и производить полный процесс, то есть всасывание, сжатие, сгорание и выталкивание газов, в одном рабочем пространстве цилиндра, пришёл, словом, к тому принципу работы, который впоследствии лёг в основу моторостроения всего мира».
Но после нескольких месяцев экспериментов с двигателем изобретатель так и не добился равномерной его работы. Тогда Отто отказался от попытки осуществить двигатель прямого действия (то есть двигатель, в котором рабочий ход совершается благодаря давлению сгоревших газов). Работа над усовершенствованием нового цикла была оставлена на пятнадцать лет. Отто вместе со своим компаньоном Лангеном занялся конструированием атмосферной машины, в которой рабочий ход поршня совершался под действием атмосферного давления.
*
В то время как Отто в Кельне проводил свои опыты с двигателем Ленуара, в Париже вышла небольшая брошюра инженера французской железной дороги Альфонса Бо-де-Роша. Она была издана очень скромно, без подписи автора и издателя. Только на обложке нескольких экземпляров была написана чернилами никому не известная фамилия Бо-де-Роша. В брошюре подробно разбирался вопрос о лучшем использовании теплового двигателя. Автор при этом приходил к выводу, что наиболее рациональный рабочий цикл получится, если «в течении четырёх его последовательных периодов производить следующие процессы: 1) всасывание смеси во время первого хода; 2) сжатие во время следующего затем хода; 3) воспламенение в мёртвой точке и расширение во время третьего хода; 4) выталкивание сгоревших газов из цилиндра за время четвёртого, последнего хода».
 |
Схема работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания:
I — всасывание рабочей смеси; II — сжатие; III — взрыв рабочей смеси; IV —
выхлоп (удаление отработанных газов). |
Но автор брошюры совершенно не касался конструктивного оформления описываемого им четырёхтактного двигателя. Отпечатанная в количестве всего лишь трёхсот экземпляров, работа Бо-де-Роша, конечно, не могла рассчитывать на большую популярность в технических кругах. Содержание этого исследования получило широкую известность лишь в 1884 г., когда оно явилось главным оружием конкурентов Отто в споре о первенстве изобретения четырёхтактного двигателя и прав его на патент.
Оставшийся почти не замеченный современниками, Бо-де-Роша первым понял огромное значение предварительного сжатия рабочей смеси. Однако и Бо-де-Роша имел своего предшественника. Заключение, к которому пришёл Бо-де-Роша, логически вытекало из работы Сади Карно, напечатанной ещё несколько десятков лет назад, в 1824 г.
В судьбе работ Карно и Бо-де-Роша много общего. Брошюра Карно «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу», несмотря на богатство заключённых в ней мыслей, при выходе в свет почти не нашла читателей. А между тем это была замечательная книга. Исходя из неправильного представления о теплоте, как о какой-то невесомой жидкости, Карно пришёл к ряду правильных выводов, ставших основой термодинамики наших дней. В книжке с предельной ясностью говорилось о теории тепловых машин, о их лучшем экономическом использовании, и, наконец, был сформулирован один из основных законов теории тепла. Чрезвычайно интересно замечание Карно о попытке изобретателей Ньепсов(?) сконструировать двигатель внутреннего сгорания. «Изобретателя назвали свой аппарат пиреолофором, — говорит Карно. — Вот, примерно, его устройство: атмосферный воздух наполнял при обычной плотности цилиндр с поршнем. Кроме того, туда вводился очень горючий материал в виде мелкого порошка, который некоторое время оставался в воздухе взвешенным; наконец, туда подводили огонь. Воспламенение производит почти такой же эффект, как если бы внутри цилиндра находилась смесь воздуха и горючего газа».
Дальше Карно пишет: «Нам казалось бы более выгодным действовать не как Ньепсы, а сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу поршня в цилиндре или в любом другом расширяющемся сосуде и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся температуры».
В этом коротком замечании Карно гениально наметил две проблемы, разрешённые лишь много лет спустя после выхода его книги. В описании предлагаемого им теплового процесса нетрудно узнать эскизный набросок цикла Дизеля, а предложение использовать «оставшуюся температуру» отработанных газов выросло в настоящее время в целую часть практической теплотехники, занимающейся утилизацией избыточного тепла двигателей внутреннего сгорания.
Отто и другие изобретатели не знали ни о Карно, ни о Бо-де-Роша, и поэтому тепловые процессы их собственных двигателей были от них загадочны и непонятны.
Но Отто не был одинок и в своих практических исканиях.
В 1872—1873 гг. мюнхенские обыватели, принося в починку свои часы придворному часовщику Христиану Рейтману, обычно подолгу простаивали в мастерской, наблюдая работу его станков. Все станки Рейтмана приводились в движение двигателем, построенным им самим при помощи самых простых средств. Двигатель Рейтмана работал на газе по четырёхтактному циклу и во всех деталях своего рабочего процесса соответствовал циклу Отто, запатентованному четыре года спустя.
Изобретатель не делал официального заявления кому бы то ни было о своей машине. Постоянно ища способов улучшить свой двигатель, Рейтман воздерживался от патентных заявок, считая, что сначала нужно устранить все конструктивные недочёты.
Чрезмерная скромность Рейтмана привела к тому, что он впоследствии оказался в стороне от успехов машины, которая впервые увидела свет в его мастерской.
*
Между тем со времени опытов Отто прошло пятнадцать лет. К этому времени его атмосферная машина получила окончательное конструктивное оформление и завоевала себе прочное место на рынке. Отто вернулся к работе над четырёхтактным двигателем внутреннего сгорания. Считая, что главной причиной неравномерной работы двигателя было слишком интенсивное сгорание смеси, изобретатель искал способов смягчить это явление. Он пришёл к мысли о послойном введении рабочей смеси в цилиндр. Сущность этой идеи заключалась в том, что содержание газа в смеси постепенно увеличивалось по мере заполнения цилиндра. Сгорание стало действительно несколько спокойнее.
Скоро изготовление первой машины новой конструкции было закончено. её испытания дали прекрасные результаты, и в 1877 г. Отто получил патент на четырёхтактный цикл, который ничем не отличался от цикла, описанного Бо-де-Роша, и от того процесса, который сам Отто осуществил ещё пятнадцать лет назад.
 |
| Первый четырехтактный газовый двигатель Отто. |
Новому двигателю Отто предстояло выдержать борьбу с машиной Ленуара. Скоро к этому представился и подходящий случай. В 1878 г. в Париже была организована Всемирная выставка. На этой выставке был отдел тепловых двигателей. Двигатель Отто был послан в Париж и установлен в большом павильоне рядом с машинами его многочисленных конкурентов. Ещё до открытия выставки посмотреть на машину Отто пришёл сам Ленуар. Внимательно оглядев небольшой невзрачный двигатель, он снисходительно улыбнулся.
Вскоре на выставку пришли первые посетители. Но машина Отто почти не привлекала к себе внимания. Все проходили мимо небольшого одноцилиндрового двигателя, затерявшегося среди красивых машин.
Близился день закрытия выставки. Члены технической комиссии должны были решить, какая из выставленных машин лучше. В большом зале собрались конструкторы машин, репортёры газет и любители сенсаций. Ленуар с пренебрежительной улыбкой осматривал машину своего конкурента, он был уверен в победе.
— Господа, — начал председатель комиссии, и все притихли, — внимательно изучив все выставленные тепловые двигатели, мы решили, что ни один из них не достоин премии.
— Этого не может быть! — раздалось сразу несколько голосов.
— По сравнению с прошлыми годами, — продолжал председатель комиссии, — мы не обнаружили никаких успехов в конструкциях машин...
— Испытайте сначала наши машины, — перебил его Отто, — а потом делайте свои выводы.
Один из членов жюри, профессор Рело, поддержал предложение Отто.
И тут же, в выставочном павильоне, машины были поочерёдно пущены в ход. Сначала был испытан двигатель Ленуара. «Пожиратель газа» снова оправдал свою кличку. Другие машины также расходовали много газа. Наконец очередь дошла до двигателя Отто. Все насторожились: ни одна из машин ещё не работала по четырёхтактному циклу.
— Одна целая и одна десятая кубического метра газа на лошадиную силу в час, — огласил результаты испытания Рело.
Расход горючего был в три раза меньше, чем у машины Ленуара! Двигатель Отто одержал решительную победу.
*
Даже после получения патента на новый двигатель Отто не придавал особенного значения сжатию смеси. Он не понимал, что именно в этом заключалась причина высокой экономичности его машины. Тогдашние видные специалисты, участвовавшие в испытании двигателя Отто, не внесли ясности в этот вопрос. Главным достоинством своего двигателя Отто считал замедленное сгорание смеси, что, по его мнению, достигалось послойным распределением газа и воздуха в цилиндре. Описание способа получения рабочей смеси было вставлено поэтому в патентную формулу, сделавшись таким образом основой всего изобретения.
Теория замедленного сгорания, имевшая вначале только научный интерес, вскоре приобрела большое практическое значение в связи с рядом судебных процессов, оспаривавших патентоспособность машины Отто. Это наступление конкурентов оказало положительное влияние на дальнейшее изучение рабочего процесса двигателя, так как в борьбу за и против монополии на четырёхтактный цикл включились десятки учёных и инженеров. В это время стала известна и работа Бо-де-Роша. Предварительное сжатие рабочей смеси получило наконец теоретическое объяснение.
Так закончился сложный путь создания четырёхтактного цикла. Предсказанный Карно и описанный Бо-де-Роша, дважды изобретённый Отто, он вошёл в золотой фонд мировой техники, продолжая и в наши дни быть основой современной энергетики.
Комментариев нет:
Отправить комментарий