Немного истории

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 

Три века назад, в 1680 г. голландский ученый-механик Христиан Гюйгенс придумал «пороховой дви­гатель». Согласно $го идее под поршень, размещенный в вертикальном цилиндре, нужно было заложить заряд пороха и поджечь его через маленькое отверстие в стен­ке цилиндра. Продукты горения подбрасывали бы пор­шень до большого отверстия, сообщающего камеру сго­рания с атмосферой. Опускаясь, поршень должен был тянуть груз, подвешенный на блоках. Для эпохи Гюй­генса это была сверхнеобычная «махина» (термины «двигатель» или «машина» еще не появились), ибо тогда единственным мощным двигателем было водяное колесо.

Сам X. Гюйгенс в то время увлекся шлифовкой линз для гигантских и по нынешним понятиям телескопов с фокусным расстоянием до 60 м. Поэтому постройку небезопасной «махины» поручил ученику — французско­му физику Дени Папену, воплотившему идею в металл. Его именем и открывается история тепловых двигате­лей. Распространенное утверждение, чтЬ первой появи­лась паровая машина, неверно. «Пороховая махина» Д. Папена — прообраз современного двигателя внутрен­него сгорания, поскольку горение внутри цилиндра — его неотъемлемый признак.

Провозившись с «махиной» несколько лет, Папен понял, что порох — горючее не из лучших. Судьба по­слала ему в ту пору новых выдающихся учителей. В Англии он знакомится с Робертом Бойлем, изучав­шим состояние газов, а позже, в Германии, с матема­тиком Готфридом Лейбницем. Возможно, что их рабо­ты и помогли Д. Папену создать «пароатмосферный двигатель», в котором поршень поднимал «получаемый при посредстве огня водяной пар». Когда источник теп­ла (огонь) убирали, пар «опять сгущался в воду», и поршень под действием веса и атмосферного давления (!) опускался вниз.

И хотя здесь уже используется пар, новую машину Папена нельзя назвать паровой: рабочее тело в ней не покидает пределов цилиндра и только источник теп­ла расположен снаружи. Поэтому можно сказать, что вслед за ДВС Папен изобрел двигатель внешнего сго­рания. Первый в мире двигатель внешнего сгорания де­лал всего один ход в минуту, что не отвечало даже не­притязательным требованиям тех времен. И Папен, от­делив котел от цилиндра, изобрел паровую машину!

Первая в мире пароатмосферная машина попала в «подмастерья» к водяному колесу. В книге Д. Папена «Новое искусство эффективно поднимать воду на вы­соту при помощи огня» сказано, что она качала воду, чтобы та... вращала водяное колесо.

Восемнадцатый век. Он не принес нового истории ДВС. Но зато Томас Ньюкомен в Англии (в 1711 г.), Иван Ползунов (в 1763 г.) и англичанин Джеймс Уатт (в 1784 г.) развили идеи Д. Папера. Началась самостоя­тельная жизнь паровой машины, ее победное шествие. Оживились и сторонники внутреннего сгорания. Да раз­ве не заманчиво объединить и топку и котел паровой машины с ее цилиндром? Когда-то Папен поступил на­оборот, а теперь...

В 1801 г. француз Ф. Лебон предположил, что све­тильный газ — неплохое топливо для ДВС. На претво­рение идеи в жизнь ушло 60 лет. Его земляк, Жак Эть-ен Ленуар, бельгиец по национальности, запустил в 1861 г. первый в мире ДВС. По устройству это была паровая машина двойного действия без котла, приспо­собленная для сжигания в ней4 смеси воздуха и све­тильного газа, подаваемой при атмосферном давлении.

Нельзя сказать, что Ленуар был первым. За 60 лет патентные ведомства получили множество заявок на «привилегии» по постройке необычных тепловых двига­телей. Например, в 1815 г. заработал «воздушный теп­ловой двигатель» Роберта Стирлинга, который в 1862 г. удалось превратить в холодильную машину. Были и другие попытки постройки ДВС.

Но распространение получил лишь двигатель Ле-нуара, несмотря на то, что он был громоздок, капризен, поглощал массу смазки и воды, за что даже получил нелестное прозвище «вращающийся кусок сала». Но Жак Ленуар потирал руки — спрос на «куски сала» рос. Однако торжествовал он недолго. На Всемирной вы­

ставке 1867 г. в Париже вопреки ожиданиям первый приз получил «газовый атмосферный двигатель», при­везенный из Германии Николаусом Отто и Эйг^ном Лангеном. Он оглушал посетителей неимоверным тре­ском, но зато потреблял гораздо меньше топлива, чем двигатель Л єну ара, и имел на 10% больший КПД. Сек­рет его успеха — предварительное сжатие рабочей сме­си, чего в двигателях Ленуара не было.

Еще в 1824 г. французский инженер Никола Леонар Сади Карно издал книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Фейерверк идей: принципы теплопередачи, критерии для сравнения всех тепловых циклов, основы термоди­намики двигателей и среди них предварительное сжа­тие — был рассыпан на страницах этой маленькой книж­ки. Через десять лет эти идеи развил Б. Клапейрон, а чуть позднее — У. Томсон. Теперь эти имена всем зна­комы. Но ни Ленуар, ни Отто, ни Ланген об их трудах ничего не знали. Они предпочитали теории эксперимент. Не знали они и того, что в 1862 г. француз А. Бо де Роша уже запатентовал четырехтактный цикл. А вто­рой по счету такт — как раз и есть предварительное сжатие рабочей смеси.

Четырехтактный двигатель, практически не отлича­ющийся от современных ДВС, Отто и Ланге привезли лишь на Всемирную выставку 1873 г. До этого изобре­татели не только использовали опыт производства па­ровых машин, но применяли такой же, как у них, ме­ханизм газораспределения — золотник. В новом двига­теле вместо золотника стояли клапаны.

Неприступные позиции паровой машины пошатну­лись. ДВС перешел в наступление. Недолго поработав на светильном газе, он принялся за более калорийный — генераторный. А потом, и поначалу это казалось неве­роятным, добрался до «необычного» жидкога топлива.

Паровая машина сдалась не сразу. В 1880 г. М. Д. Можайский заказал для своего самолета две па­ровые машины. Об «удельном» весе, равном 5 кг/л. с, конструкторы ДВС в то время только мечтали, а М. Мо­жайский достиг этого без особого труда. Но уже через восемь лет «Товарищество по постройке воздушного корабля «Россия» собралось установить на свой дири­жабль один из первых в мире бензиновых двигателей, построенный Огнеславом Костовичем. Он добился не­

обычайной легкости конструкции: на 1 л. с. мощности в его двигателе приходилось всего по 3 кг веса. Ори­гинальной была и компоновка двигателя. Пары проти­волежащих поршней через расположенные с боков ко­ромысла вращали коленчатый вал, размещенный над цилиндрами (рис. 2). Двигатель сохранился, и с ним мож'но ознакомиться в Московском Доме авиации им. М. В» Фрунзе.

На рубеже XX в. в постройку здания ДВС был за­ложен последний камень. В 1893 г. с претенциозной идеей «рационального теплового двигателя, призванно­го заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели» выступил немецкий ин­женер Рудольф Дизель. Первый образец его двигателя заработал в 1897 г. Масса недостатков сполна компен­сировалась небывало высоким КПД, равным 26%. Для первого образца этого более чем достаточно. Интерес­но, что усовершенствование двигателей Дизеля, их доводку осуществили русские инженеры на Петербург­ском заводе Нобеля в 1899—1902 гг. Только после это­го дизель стал достойным конкурентом карбюраторно-

го ДВС.

Массовое распространение ДВС резко изменило жизнь человека. Грохот моторов стал слышаться со всех сторон. Он заставил пешеходов испуганно жаться к стенам домов, с любопытством задирать голову вверх, часами глазеть на манипуляции различных машин.

Экскурс в историю мотора на этом можно было и закончить. Дальше идет развитие, В автомобилестрое­нии с тех пор по сей день в основном используются дви­гатели с цилиндрами, расположенными в один или два ряда, в свою очередь, размещенных под углом (V-об-разная схема) или напротив друг друга (оппозитная схема). Двигатели, построенные по необычным схемам, чаще всего обязаны своим рождением авиации. -Начав с одноцилиндрового двигателя воздушного охлаждения


на самолете братьев Райт, авиастроители быстро пере­ключились на многоцилиндровые звездообразные и ряд­ные.

Звездообразные были всем хороши, но при скоро­сти первых самолетов в 40—60 км/ч нужного охлажде­ния цилиндров все же не обеспечивали. Изобретатели обошли это препятствие, выполнив блок цилиндров вра­щающимся вокруг неподвижного вала, заодно подарив миру термин «ротативный двигатель» (рис. 3).

Препятствием для широкого распространения дви­гателей этого типа было резкое увеличение нагрузок на основные двигатели, вызванное центробежными си­лами.


Наш соотечественник А. Г. Уфимцев попытался сни­зить влияние центробежных сил, построив биротатив-ный двигатель. Вал и блок цилиндров стали вращать­ся в разные стороны с вдвое меньшей скоростью. Но вскоре такое решение стало ненужным — скорость са­молетов перевалила за цифру 100. Торчащие в стороны цилиндры прекрасно обдувались потоком воздуха от винта, но... (это «но» вечно кочует от одной конструк­ции к другой и вряд ли когда-либо успокоится) созда­вали значительное аэродинамическое сопротивление.

и

Прижать бы цилиндры к валу! Сделать бы их ком­пактнее! Этому мешал в первую очередь шатун. Его длина связана с ходом и диаметром поршня жестким соотношением. Выход вскоре был найден. Цилиндры расположили параллельно валу, а их штоки (не ша­туны!) связали с шайбой, косо посаженной на валу. Получился компактный блок, названный двигателем с косой шайбой (рис. 4). В России он использовался с 1916 г. (конструкция А. А. Микулина и Б. С. Стечкина) по 1924 г. (двигатель Старостина). Детальные испыта­ния, проведенные в 1924 г., выявилй повышенные поте­ри на трение и большие нагрузки на отдельные элемен­ты, что обусловливает относительную ненадежность" и неэффективность двигателей с косой шайбой.

Внимательный читатель, верно, подметил, что в тек­сте было выделено слово шатун. Он не сразу стал не­пременной деталью поршневых двигателей.

В паровой машине Ньюкомена шатуна еще не было, Ивану Ползунову он уже служил верой и правдой, а Уатт даже запатентовал несколько механизмов того же назначения, так как просто шатун к тому времени уже был запатентован.

Явившись прогрессивнейшим решением своего вре­мени, исправно прослужив людям два столетия, шатун уже в 20-е годы нашего века стал вызывать нарекания моторостроителей. Дескать, и название-то какое: «ша­тун». Шатается, раскачивается, разбивает все. И габарит не дает уменьшить. И поршни то к одной, то к другой стороне цилиндра прижимает, и инерционные нагрузки увеличивает. Словом, всем нехорош стал ша­тун. Да только сладить с ним оказалось непросто.

Авиамоторостроители неустанно доводили свои кон­струкции. К 1940 г. были учтены все мелочи, убран весь лишний вес, использованы тысячи ухищрений, примене­ны самые экзотические материалы. И только основная схема — кривошипно-шатунный механизм не претерпе­ла никаких изменений. В это время никто, пожалуй, не мог предсказать грядущего триумфа реактйвных дви­гателей. Поэтому во всех странах велись крупные ра­боты по созданию мощных малогабаритных поршневых авиадвигателей. Но несмотря на интенсивную работу, поршневой авиадвигатель мощностью более 4000 л. с. ни в одной зарубежной стране создан не был.

В Англии фирма «Хипл» создала двигатель с про­тиволежащими поршнями и расположенным над ними коленчатым валом. С боков располагались коромысла. То есть англичане возродили схему Костовича. А если перевернуть еще несколько страниц истории, то окажет­ся, что это же и схема Ньюкомена. Только у него во­обще не было коленчатого вала. Привязанная к коро­мыслу веревка таскала вверх-вниз поршень насоса. Недалеко ушла й швейцарская фирма «Зульцер». Ее двигатель отличался от «Хипл» лишь формой коромыс­ла. Свою лепту внесли даже новозеландцы: в их двига-. теле коромысла размещены внутри поршней. Но с ко­ромыслами связан все тот же шатун.

^Достойный преемник кривошипно-шатунного меха­низма был нужен всем, нужен он и по сей день. Поэто­му его поиски не прекращались. Не в силах избавиться от шатуна совсем изобретатели-одиночки и целые кол­лективы принялись варьировать его расположением (рис. 5). Подобные двигатели выпускаются малыми сериями целым рядом фирм и величаются «двигателя­ми со сложными кинематическими схемами». Существо­вали и более экзотические конструкции. Так, австрийцы расположили шесть поршней по сторонам треугольника, поместив коленчатый вал в центре. Их двигатель «Фиа-ла-Фернбраг» выделялся среди других лишь звучным именем. Его характеристики оставляли желать лучшего.

В похожей схеме, использованной американцами, в углах квадрата помещены сдвоенные цилиндры, а в

Рис. 5. Двигатели со сложной кинематической схемой:

а — схема А. А. Агатова; б — схема, распространенная в авиации в 30-х годах, представляющая собой модификацию схемы О. С, Костовича, раз­работанной в 1878—1881 гг.

центре — множество шатунов и два коленчатых вала. «Дина-Стар» нарекли конструкторы свое детище. Но и в нем совершенно оригинально только название.

Не обойдена вниманием и косая шайба. Сейчас она широко применяется в различных гидромоторах. А в конце 50-х годов английский изобретатель Хюгенс де­монстрировал коллегии экспертов ведущих моторо­строительных фирм «новейший» ротативный двигатгель с двенадцатью цилиндрами. Он был похож на бочонок. А внутри пряталась все та же косая шайба. И хотя Хю­генс утверждал, что «двигатель объединяет термодина­мическую мощность ДВС с преимуществами турбины» и что «потери на трение, благодаря отсутствию шату­нов, на 60% меньше», чем в ДВС, эксперты подивились, тщательно осмотрели двигатель, и... больше о н^м не слышно. Впрочем, и изобретатели-одиночки, и даже фирмы до сих пор пытаются создать работоспособный двигатель с косой шайбой. Есть сообщения о паровых машинах, «стирлингах» и обычных ДВС, использующих эту схему. Ведутся такие работы и в нашей стране, однако особых перспектив они, по-видимому, не имеют. Виной всему — потери на трение, с которыми так упор­но боролся Хюгенс. В быстроходных шатунных ДВС и двигателях с косой шайбой на них тратится 15—25% полезной мощности. А у необычных «Хипла», «Фиалы», «Дины» и того больше.

Другой «враг» двигателей, коварно появляющийся при повышении оборотов, — инерционные силы. Они не только помогают силам трения, но и просто-напросто недопустимо перегружают многие детали.

Есть и третий — тепловая напряженность цилиндра. С ростом оборотов, а следовательно, и количества вспы­шек стенки цилиндра не успевают отводить тепло. А тут еще повышенное трение «подливает масла» и в без того накаленный цилиндр.

Вот этих-то «врагов», ближайших родственников ша­туна, и не смогли по сей день одолеть изобретатели все­го мира. Конечно, не следует думать, что разработка двигателей со сниженными потерями на трение и умень­шенным числом оборотов решит все проблемы, стоящие перед двигателестроением. Одна из главных задач — уменьшение токсичности выхлопных газов решается сейчас как в результате улучшения рабочего процесса и применения иных видов топлива, так и в результате дефорсировки двигателя.

Зарубежные конструкторы ввиду появления жест­ких требований по охране окружающей среды вынуж­дены были пойти в последние годы на снижение оборо­тов и степени сжатия карбюраторных двигателей. А это неизбежно сказалось на -их технико-экономических по­казателях. Так, средняя литровая мощность американ­ских автодвигателей сейчас находится на уровне 30— 40 л. с./л. Возрос и удельный расход топлива. И ста­ло быть, автомобили оснащаются более громоздкими и менее эффективными двигателями. Поэтому разработку конструкций, позволяющих сохранить эффективность и весовые показатели двигателей по крайней мере на су­ществующем уровне, можно считать одной из главных задач. Как будет показано ниже, эта задача может быть успешно решена путем С9здания бесшатунных дви­гателей, в которых резко снижены потери на трение. Косвенно такое решение сказывается в лучшую сторону и на экономичности, надежности весовых показателях.

Другой путь — разработка двигателей принципиаль­но иной конструкции — ротационных и двигателей, ос­нованных на ином тепловом цикле. В двигателях этих типов могут быть эффективно использованы многие ре­шения, касающиеся улучшения обычных ДВС.