100 великих изобретений
Шрифт:
Хозяин гальванической мастерской снабдил Ленуара деньгами, на которые тот и построил в 1860 году свой первый двигатель. И по внешнему виду, и по устройству он напоминал паровую машину. Двигатель был двойного действия. Нижний золотник поочередно подавал воздух и газ в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Верхний золотник служил для выпускания отработанных газов. Газ и воздух подводились к золотнику по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась электрической искрой. Сгорая, она расширялась и действовала на поршень, производя полезную работу. После окончания реакции второй золотник сообщал цилиндр с выхлопной трубкой. Тем временем происходило воспламенение смеси с другой стороны поршня. Он начинал двигаться назад, вытесняя отработанные газы.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.
После объявления об этом изобретении мастерская стала получать заказы на новый двигатель, но работа его продолжала оставаться неудовлетворительной — система зажигания часто давала сбои, золотник без смазки не работал, а наладить его удовлетворительную смазку при температуре 800 градусов так и не удалось. КПД двигателя едва достигал 4%, он потреблял огромное количество смазки и газа. Тем не менее двигатель быстро получил распространение. Основными его покупателями стали маленькие предприятия (типографии, ремонтные мастерские и пр.), для которых паровые машины были слишком дороги и громоздки. Между тем двигатель Ленуара оказался прост в эксплуатации, легок и имел небольшие габариты. В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило ее судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто. В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».
На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объем газа увеличивался и давление падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Наиболее сложной проблемой при такой конструкции двигателя было создание механизма передачи движения рейки на вал. Для этой цели было изобретено особое передаточное устройство с шариками и сухариками. Когда поршень с рейкой взлетал вверх, сухарики, охватывавшие вал своими наклонными поверхностями, так взаимодействовали с шариками, что те не препятствовали перемещению рейки, но как только рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и плотно прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Эта конструкция обеспечивала жизнеспособность двигателя.
Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же ее движение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом). Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.
Во всех более ранних газовых двигателях смесь газа и воздуха зажигалась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Однако действие взрыва было тем сильнее, чем давление было больше. Следовательно, при сжимании смеси взрыв должен был быть более сильным. В новом газовом двигателе Отто газ сжимался до 2, 5 или 3 атм, вследствие чего двигатель стал меньше по размерам, а мощность его возросла. Для помещения газовой смеси цилиндр на одной из своих сторон был удлинен. Когда поршень доходил здесь до своего конечного положения, еще оставалось некоторое пространство, наполненное сжатой газовой смесью. Благодаря этому стало возможным производить взрыв при конечном положении поршня, когда он при перемене движения имеет нулевую скорость. При этой системе зажигания в мертвой точке удалось избежать ударов, толчков и сотрясений поршня о стенки цилиндра, которые были в прежнем двигателе. Ход поршня был следующий. 1) При первом ходе поршня через открытый впускной клапан и клапан для впуска смеси всасывалась бедная газом смесь, состоявшая из 1/10 газа и 9/10 воздуха. 2) При обратном ходе поршня впускное отверстие закрывалось и всосанная смесь сжималась в цилиндре. 3) В конце этого хода в мертвой точке происходило воспламенение и развивающееся давление газообразных продуктов взрыва перемещало поршень. В начале третьего такта давление достигало 11 атм, а при расширении понижалось почти до 3 атм. 4) При вторичном обратном ходе поршня открывался выпускной клапан, и поршень вытеснял из цилиндра продукты горения. Когда он доходил до крайней точки, в цилиндре еще оставались некоторые остатки продуктов горения, однако они не мешали дальнейшей работе двигателя. Наоборот, их присутствие имело благоприятное воздействие — вместо взрыва происходило более ровное горение, отчего и ход поршня получался более ровным, без рывков, и двигатель можно было применять там, где прежде это казалось недопустимым — например, для движения ткацких станков и динамо-машин. В этом заключалось важное преимущество двигателя Отто. Для того чтобы сделать вращение вала еще более равномерным, его снабжали массивным маховиком. Ведь из четырех ходов поршня только один соответствовал полезной работе, и маховик должен был давать энергию для трех последующих ходов (или, что то же самое, во время 1, 5 оборотов), чтобы работающие машины могли идти без замедления хода. Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем. Из-за кривошипно-шатунного соединения с валом получить расширение газа до атмосферного не удалось, и поэтому КПД двигателя был ненамного выше, чем у предыдущих моделей, но он оказался самым высоким для тепловых двигателей того времени.
Четырехтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счел их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто болезненно переживал эту неудачу, между тем дела его фирмы шли совсем неплохо. Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту — бензину. Но для того чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство (впоследствии оно стало называться карбюратором) для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Изобретателем его был немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто (как в свое время Уатт в аналогичной ситуации) отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом. Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.
Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки. Здесь P — бак для бензина, из которого при помощи запорного клапана p через трубу пропускалось столько бензина к прибору для испарения его AB, что A всегда оставался наполненным примерно на 2/3. B — это лампа, которая наполнялась первой, еще до попадания бензина в A. Из лампы B через трубку с клапаном V бензин подводился к горелке, находившейся в оболочке L; он вытекал тонкой струйкой из узкого наконечника горелки и благодаря высокой температуре горелки сейчас же испарялся. Пламя горело вокруг платинового зажигателя и накаляло его. В приборе для испарения A пары бензина образовывались при просасывании через бензин подогретого воздуха. Пары эти смешивались с воздухом в регулировочном кране H, и таким образом получалась горючая газовая смесь. При ходе поршня вниз он всасывал эту смесь, при обратном ходе сжимал ее в пространстве,) предназначенном для сжатия. В то время, когда поршень находился в верхней мертвой точке, распределительный механизм открывал накаленный платиновый зажигатель, заряд взрывался, и газообразные продукты горения давили на поршень. Для образования паров бензина воздух, как отмечалось выше, должен был предварительно нагреваться. Это достигалось тем, что воздух перед поступлением в испаритель проходил через кожух горелки.