Мотор

6. Дизель

Рассмотренный нами двигатель внутреннего сгорания даёт по сравнению с паровой машиной огромную экономию топлива. Однако для своей работы он требует весьма дорогостоящего горючего — бензина.

Изобретатели задались целью — создать наиболее экономичный двигатель, который, обладая качествами бензинового мотора, работал бы на более дешёвом жидком горючем.

Такой двигатель, работающий на керосине, удалось создать изобретателю инженеру Дизелю, именем которого и назван новый двигатель внутреннего сгорания. Дизель же, работающий на самом дешёвом жидком топливе — на сырой нефти, был создан в России.

Рис. 15. Четыре такта работы дизеля.

Дизель показал высокое полезное использование тепла горючего — 34 процента против 24 процентов у бензинового мотора и 10–15 процентов у паровой машины.

Как же работает и устроен дизель? Чем он отличается от бензинового мотора?

Представьте себе обычный четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания с цилиндром, поршнем, коленчатым валом и маховиком. Создадим этому двигателю несколько иные условия работы и рассмотрим четыре такта его рабочего процесса (рис. 15).

Первый такт: в цилиндр двигателя всасывается чистый воздух, а не горючая смесь воздуха с парами бензина, как в обычном моторе.

Второй такт: воздух обратным движением поршня подвергается очень большому сжатию (до 35 атмосфер). В результате сжатия он мгновенно нагревается (до 700 градусов). Эта температура вполне достаточна для того, чтобы горючее вспыхнуло без зажигания электрической искрой. Поэтому, если в такой раскалённый сжатый воздух впрыснуть теперь жидкое топливо, оно самовоспламенится. Это и осуществляется в следующем такте.

Третий такт: горючее подаётся в цилиндр постепенно с тем, чтобы оно не взрывалось, а сгорало. При таком сгорании газы, расширяясь, будут давить на поршень во время всего рабочего хода, а не только в момент взрыва, как это было в бензиновом двигателе.

При четвёртом такте поршень выталкивает отработанные газы в выхлопную трубу.

— Но, — скажет поверхностный наблюдатель, — ведь почти то же самое происходит в бензиновом моторе. Правда, у него давление сжатия смеси меньше… Надо, видимо, увеличить давление…

Оказывается, в высоком давлении при сжатии заключается основное преимущество дизеля. Такое давление даёт наилучшее использование горючего. В обычном двигателе нельзя применить высокое давление, так как сжимаемая здесь горючая смесь при большом давлении может преждевременно самовоспламениться и нарушить всю работу мотора.

Горючее подаётся в цилиндр дизеля постепенно и так же постепенно сгорает в нём. Это позволяет сжигать в дизеле тяжёлое горючее: нефть, соляровое масло и т. п.

Как мы уже говорили, первые зарубежные дизели работали на бензине и керосине. Только после того, как в России, на Балтийском заводе в Петербурге, в 1899 году был построен первый в мире двигатель внутреннего сгорания, работавший на нефти, успех дизелей окончательно утвердился в технике.

Был создан самый дешёвый и экономичный двигатель внутреннего сгорания.

Усовершенствование дизелей на этом не прекратилось.

Вскоре был построен дизель, работающий двухтактно (рис. 16). Зачем на один рабочий ход поршня тратить три вспомогательных хода, когда весь рабочий процесс двигателя можно завершить при двух ходах поршня?

В двухтактном двигателе поршень не производит всасывания и выхлопа. Эти такты заменены искусственной продувкой цилиндра свежим воздухом, который выталкивает выхлопные газы и заполняет цилиндр перед сжатием.

Продувка совершается в тот момент, когда поршень выдвигается из цилиндра. В это короткое мгновение через специальные окна в цилиндр врывается струя сжатого свежего воздуха, вытесняет выхлопные газы и заполняет цилиндр. После этого сжатие и рабочий ход происходят, как обычно.

Рис. 16. Схема работы двухтактного дизеля.

Казалось, в этом случае, когда каждый рабочий ход приходится на два такта поршня, мощность двигателя должна возрасти вдвое. Практически же она возрастает процентов на семьдесят. Но при этом двухтактный двигатель потребляет и больше горючего, чем четырёхтактный. Может быть, поэтому в технике до сих пор ещё не решён вопрос о том, какой из двигателей лучше: четырёхтактный или двухтактный.

Двухтактными бывают не только нефтяные, но и бензиновые двигатели — чаще всего мотоциклетные.

7. Современный дизель

Рис. 17. Разрез транспортного дизеля.

Перед нами современный транспортный дизель (рис. 17). Часть чугунного блока двигателя представляет собой несколько вертикально расположенных цилиндров. Каждый цилиндр имеет двойные стенки. Наружные стенки составляют уже известную нам по автомобильному мотору «водяную рубашку», внутренние — сам цилиндр. Для того чтобы в случае износа не менять всего блока цилиндров, стенки цилиндров иногда делаются в виде вставных гильз — отрезков трубы, которые при необходимости можно заменять.

Внутри цилиндра ходит поршень. Сверху цилиндр закрыт крышкой, также имеющей «водяную рубашку». Между верхней крышкой и поршнем находится камера сгорания.

Коленчатый вал укреплён на подшипниках в блоке двигателя и приводится во вращение от поршней через шатуны.

Тяжёлый маховик, насаженный на коленчатый вал, обеспечивает двигателю плавный ход.

Ввиду того, что давление воздуха в цилиндре двигателя достигает в момент сжатия 30–35 атмосфер, горючее должно поступать в камеру сгорания с ещё большим давлением. Существует два способа такой подачи топлива: компрессорный и бескомпрессорный.

При первом способе специальный воздушный насос-компрессор, приводимый в движение от коленчатого вала двигателя, накачивает воздух в особый резервуар высокого давления, откуда воздух и подводится к топливной форсунке — прибору, разбрызгивающему горючее. К моменту рабочего хода поршня насос подаёт небольшую порцию горючего в форсунку, где оно подхватывается струёй сжатого воздуха и распыляется в камере сгорания. Такая установка довольно сложна. Однако достоинством этой установки является то, что сжатый воздух можно использовать для запуска самого двигателя. Благодаря большому давлению сжатия запуск дизеля является довольно трудным делом.

За последние годы в дизелестроении начали широко применять бескомпрессорную подачу топлива. Она применена и на изображённом на рисунке 17 дизеле. В этом случае горючее нагнетается в камеру сгорания под огромным давлением в 350–400 атмосфер, а в некоторых случаях даже до 600 атмосфер.

Такое давление создаётся небольшим топливным насосом. Плотно пригнанный поршенёк, двигаясь внутри насоса, сжимает горючее, пытаясь его вытеснить через тончайшие отверстия форсунки. Поскольку эти отверстия имеют диаметр не более 0,2–0,4 миллиметра, вытесняемое насосом топлива не может вытекать сразу и врывается в цилиндр под огромным давлением. Распыляясь и смешиваясь с раскалённым от сжатия воздухом, оно вспыхивает.

Сейчас топливные насосы почти полностью вытеснили компрессорное питание дизелей.

Число оборотов и мощность двигателя регулируются подачей горючего.

При работе дизеля на судах, на тепловозах и на тракторах приходится зачастую очень резко менять число оборотов двигателя, а иногда даже менять ход его на обратный.

При трогании тепловоза с места дизель должен давать сразу большую мощность. Однако именно в этом случае дизель развивает малую мощность, ибо она зависит от числа оборотов мотора, возрастая с их увеличением.

Что же делать? Поставить уже известную нам коробку скоростей? Нет. Если это просто выполнить на автомашине, где мощность двигателя не превышает 100–150 лошадиных сил, то на тепловозе и теплоходе, где мощность в десятки раз больше (2000—10 000 лошадиных сил), сделать такую коробку скоростей крайне трудно — она должна иметь огромные размеры.

Задача эта была разрешена в России, где дизель впервые был применён на транспорте. В нашей стране были изобретены различные системы передач усилия от дизеля на колёса локомотива и винт судна. Одна из этих передач — электрическая. Она состоит в том, что дизель вращает генератор, вырабатывающий электрический ток. Ток приводит в движение электромоторы, которые вращают винты судна или колёса тепловоза (рис. 18). Изменяя силу тока генератора, можно получить любое число оборотов электромотора, с любым усилием. Переключая электрические обмотки моторов, можно весьма просто изменять ход тепловоза на обратный.

Рис. 18. Схема силовой передачи тепловоза.

Применяется также гидравлическая передача. Она заменяет коробку скоростей; вместо зубчатых колёс здесь усилие передаётся через жидкость. Специальное приспособление позволяет плавно изменять число оборотов.

В последние годы обе эти передачи начали получать всё большее распространение.

8. Нефтяной двигатель на транспорте

Россия — родина теплохода.

Ранней весной 1903 года в Петербурге на Неве появилось необычное судно. Оно не имело труб и, глухо рокоча, двигалось вверх по течению. Это был первый в мире теплоход «Вандал». Винт этого судна приводился в движение от дизеля через электрическую передачу.

Весною следующего года на Волге появилось второе дизельное судно — «Сармат». На этом теплоходе были установлены два дизеля по 100 лошадиных сил каждый, построенные заводом «Русский дизель». Электрическая передача применялась здесь только при перемене хода на обратный и при маневрировании. При нормальном ходе винт соединялся непосредственно с дизелем.

О «Сармате» заговорил весь мир.

Вскоре две русские подводные лодки — «Минога» и «Акула» — были оборудованы первыми судовыми дизелями, имевшими обратный ход. Эти двигатели были созданы также русскими инженерами.

Первенец теплоходостроения — «Сармат» до последних лет плавал по Онежскому озеру, а теперь передан, как пловучий музей, Горьковскому институту инженеров водного транспорта.

Применение дизелей на судах во много раз снизило расход горючего. Так, дизель-пароход на рейсе от Баку до Астрахани расходовал нефти всего лишь 9 тонн вместо 48 тонн, сжигаемых в топке парохода.

В 1912 году в Дании, на основе русского опыта, был построен и спущен на воду первый океанский теплоход «Зеландия». Он курсировал между Европой и Дальним Востоком. Интересно отметить, что пассажиры боялись ездить на этом теплоходе потому, что у него не было труб!

— Что это за судно без труб? С ним ещё застрянешь в дороге… Уж лучше подождать парохода, — говорили многие.

«Зеландия» стала последним теплоходом без труб. С тех пор, вплоть до нашего времени, все теплоходы мира строятся с огромными разукрашенными трубами, из которых никогда не идёт дым! Эти трубы являются лишь украшением океанских теплоходов, вселяя своим видом уверенность в сердца пассажиров.

Применение дизелей на железной дороге началось позже, чем на море. Основным препятствием этому служил уже упомянутый нами недостаток дизеля — при запуске он не даёт полной мощности. На судах этот недостаток не был так заметен, так как вода не создаёт большого начального сопротивления движению корабля.

Когда в 1912 году Дизель пытался приспособить свой двигатель для нужд железнодорожного транспорта, он был вынужден отказаться от этой попытки. Его неудачный тепловоз был сдан на слом.

Только после того, как в России освоили электрическую передачу, дизель-поезда получили всеобщее признание. Удачные тепловозы, сконструированные в России в 1924 году, положили начало развитию тепловозостроения во всём мире. Владимир Ильич Ленин горячо поддержал строительство тепловозов в Советском государстве, и наша страна быстро освоила их производство. Тепловозы не нуждаются в воде и в несколько раз экономичнее паровоза. Примером наиболее современного тепловоза может послужить обтекаемый мощный тепловоз серии ТЭ-2, выпущенный в 1948 году Харьковским заводом. У нас тепловозы ходят главным образом на закавказских и среднеазиатских железных дорогах.

Однако самое широкое распространение получили дизели в тракторном хозяйстве. Нигде не сказались так наглядно все достоинства дизеля, как здесь. Ещё в 1880 году на Нижегородской ярмарке механик Фёдор Блинов, приехав из города Вольска, показывал свой паровой «самоход» на гусеницах — первый в мире трактор. Было это за 32 года до создания американского гусеничного трактора.

Последователь Блинова Яков Мамин задолго до Октябрьской революции создал первую в мире тележку с нефтяным двигателем. Затем он построил отечественный трактор «Карлик». Отказавшись от паровой машины, Мамин применил здесь одноцилиндровый двухтактный нефтяной двигатель собственной конструкции. Это был первый в мире случай применения нефтяного двигателя на тракторе.

После Октябрьской революции в Советском Союзе была создана мощная тракторная промышленность.

В нашей стране коллективного земледелия трактор занимает особое место. Когда-то Владимир Ильич Ленин мечтал о 100 тысячах тракторов для России. Уже в 1940 году это число было превзойдено в несколько раз.

«Завезти в сельское хозяйство в течение 1946—50 годов не менее 325 тысяч тракторов…» — такие задачи поставил перед нашей промышленностью Закон о пятилетием плане восстановления и развития народного хозяйства. Эти задачи успешно выполняются. Вместо существовавших ранее трёх-четырёх основных типов тракторов наша страна будет иметь теперь шесть типов: мелкий колёсный трактор на 12 лошадиных сил — для работы в огородах и садах; малый колёсный трактор, 24 лошадиных силы — для пропашных культур; средний гусеничный трактор, 36 лошадиных сил — для обработки колхозных полей; вышесредний трактор, 48 лошадиных сил — для тех же целей; мощный гусеничный трактор, 64 лошадиных силы — для степных районов и трактор большой мощности на 80 лошадиных сил — для крупных совхозов.

Основной трактор социалистического хозяйства — 36-сильный «Кировец-35» (рис. 19). Двигатель этого трактора — четырёхтактный, четырёхцилиндровый дизель. Дизель запускается в ход маленьким бензиновым моторчиком. Расходуя до 225 граммов топлива на лошадиную силу в час, «Кировец-35» может быть поставлен на первое место в мире по экономичности.

Рис. 19. Советский дизельный трактор «Кировец-35».

9. Мотор в воздухе

Автомобиль и трактор заменили лошадь на дороге и в поле. Вместе с тем двигатели внутреннего сгорания возродили к жизни новый вид транспорта — авиацию. Ещё в конце прошлого века русский изобретатель Александр Фёдорович Можайский, делая опыты с огромным воздушным змеем, на котором он сам поднимался, пришёл к созданию совершенно правильной конструкции самолёта. В 1876 году Можайский построил летающую модель своего самолёта с воздушным винтом, который приводился в движение пружиной. Почти за тридцать лет до зарубежных и русских изобретателей Можайский разработал проект самолёта. Этот самолёт был построен в 1882 году и успешно прошёл испытания: оторвавшись от земли, он пролетел через поле.

На первом в мире самолёте русский изобретатель поставил две паровые машины, так как бензинового мотора в те годы ещё не существовало. Эти паровые машины имели малую мощность. Можайский понимал это и использовал для дополнительного разгона самолёта высокий наклонный настил, с которого самолёт скатывался при взлёте.

Блестящая конструкция самолёта Можайского безусловно обеспечила бы ему ещё более поразительные успехи, если бы тогда существовал более лёгкий и мощный двигатель, чем паровой.

Самолётостроение не могло широко войти в жизнь до тех пор, пока не был найден двигатель, способный сам тянуть себя в воздухе. Дело в том, что для самолёта лёгкий и достаточно мощный двигатель есть необходимое условие возможности полёта. Лётчики-истребители шутливо говорят: «Самолёт по существу — это мотор, к которому приделаны крылья и хвост для того, чтобы он мог держаться в воздухе». Подсчитано, что полёт возможен только тогда, когда двигатель весит не свыше 5–6 килограммов на лошадиную силу развиваемой мощности.

Авиация требует от двигателей следующих качеств: лёгкости, малых размеров, исключительной надёжности, способности мотора работать на разной высоте полёта и, наконец, экономичности — двигатель должен брать мало горючего — это определяет дальность полёта.

На протяжении всей истории развития авиации и двигателей конструкторы самолётов всегда обращали свои взоры к двигателю в надежде, что именно он сможет поднять их летательный аппарат в воздух. Так было с паровой машиной и с газовым двигателем. Так было с первыми бензиновыми моторами.

Когда почти через 20 лет после Можайского в 1903 году братья Райт совершили свой полёт на аппарате тяжелее воздуха с 12-сильным бензиновым мотором, весившим 5,25 килограмма на одну лошадиную силу, двигатель не мог сам оторвать самолёт от земли. Самолёту в момент подъёма создавали дополнительный толчок, привязывая его за верёвку к грузу, который падал со специальной вышки.

Когда в 1908 году самолёт перелетел через Ламанш, то его тянул уже 100-сильный двигатель. В этом моторе кривошип был неподвижным — вращались сами цилиндры с поршнями, охлаждаясь воздухом и одновременно выполняя роль маховика. Удельный вес этого мотора был по тому времени поразительно мал — всего 1 килограмм на лошадиную силу, но смазки и горючего мотор «ел» за пятерых; к тому же он каждую минуту грозил прекратить работу вследствие своей ненадёжности.

Ещё более оригинальный авиационный двигатель был разработан и построен русским изобретателем Уфимцевым. В этом моторе цилиндры, вращаясь в одну сторону, приводили в движение один винт, а вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, был соединён со вторым винтом.

Усилия авиационных инженеров были направлены не только на то, чтобы облегчить двигатель, но и на то, чтобы увеличить его надёжность и экономичность. Лёгкие двигатели брали в путь столько горючего и масла, что при продолжительных полётах их лёгкость совершенно не окупалась — запас горючего весил очень много. Появился более тяжёлый, но и более надёжный и экономичный шестицилиндровый мотор с водяным охлаждением; он весил 1,67 килограмма на лошадиную силу мощности. Мотор был лучше прежних, но вес его был велик.

В 1916 году был построен такой же надёжный мотор с удельным весом 0,88 килограмма на лошадиную силу; этот мотор имел алюминиевые поршни и алюминиевый блок мотора со стальными гильзами.

С этого момента авиационные, а затем и автомобильные двигатели начали строиться с применением высокопрочных лёгких сплавов.

Дизель также применяется в авиации.

Бензиновый авиадвигатель расходует в час на одну лошадиную силу около 250 граммов дорогостоящего бензина, а дизель — всего 180 граммов более дешёвого дизельного топлива, да к тому же более безопасного в пожарном отношении. Поэтому сейчас дизели начали применяться главным образом в дальней авиации.

Устройство авиадвигателей крайне разнообразно. В стремлении уменьшить размеры мотора, обеспечить лучшее его охлаждение и надёжность двигателям стали придавать самые необычные формы. Есть моторы с расположением цилиндров в ряд, наклонно в виде буквы V, в виде W, в форме буквы Н и т. п. Очень много двигателей воздушного охлаждения выпускается с расположением цилиндров в виде звезды (рис. 20).