К 100-летию двигателя внутреннего сгорания. В одном из журналов в прошлом году была опубликована беседа с известным доктором технических наук, специалистом по надежности транспорта, где было сказано буквально следующее: «Вы уверены, что в обычном автомобильном моторе в самом деле бывают последовательно всасывание, сжатие, рабочий ход поршня, выхлоп! Я не уверен… По-моему, при 3—4 тысячах оборотов в минуту все эти такты не успевают ни состояться, ни сменить друг друга, и наши представления о них не более чем подходящая схема для расчета…»
Конечно, это высказывание не мешает уважаемому доктору ездить на автомобилях, снабженных двигателями внутреннего сгорания, в цилиндрах которых, с завидным постоянством сменяя друг друга, чередуются те самые четыре такта. И они «успевают состояться» не только при 3—4 тысячах, но и при вдвое и втрое больших оборотах, а «схема для расчета» зиждется не на субъективных представлениях, а на объективных реальностях, которыми, безусловно, являются индикаторные диаграммы этих двигателей.
УПРЯЖЬ ДЛЯ ОГНЯ?
Немногим более ста лет назад всего лишь несколько человек отдавали себе отчет в том, что для обеспечения рабочего процесса теплового двигателя должны сменяться четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Первым, кто доказал это, был капитан корпуса инженеров Франции Сади Карно. Именно он в изданной я 1824 году в Париже книге «Размышление о движущей силе и о машинах, способных развить эту силу» предложил цикл идеальной машины для превращения тепла в работу. Впрочем, поначалу на книгу Карно мало кто обратил внимание. Молодую промышленность Европы пока вполне удовлетворяли громоздкие паровые машины.
Иное положение сложилось к середине XIX столетия. Нарождавшимся повсеместно небольшим производствам потребовался компактный двигатель. Такой, который можно было бы установить в любом помещении, и чтобы он при работе не извергал клубы черного дыма, как паровая машина, и был прост в обслуживании, и не требовал бы длительного времени для запуска.
Тогда-то и начали появляться двигатели внутреннего сгорания. Одним из них был двигатель Ленуара.
170 ПАТЕНТОВ ДО ЛЕНУАРА?
Жан Ленуар не был первооткрывателем двигателя внутреннего сгорания. К тому времени только Британский регистр патентов насчитывал более 170 патентов, выданных на двигатели со сгоранием в цилиндре. Но именно двигатели Ленуара, первый из которых был построен к концу 1860 года, получили наиболее широкое распространение.
Как же работала машина Ленуара? При движении поршня (рис. 1) в одной из полостей цилиндра — а надо отметить, что машина Ленуара была двойного действия, — образуется разрежение. Сюда через золотник всасываются светильный газ и воздух. Когда поршень проходит часть своего пути, в запальном приспособлении проскакивает электрическая искра, получаемая с помощью катушки. Румкорфа и батареи. Искра воспламеняет газовую смесь, продукты сгорания, расширяясь, топкают поршень, и он приводит в движение коленчатый вал.
Рис. 1. Двигатель Ленуара:
1 — коленвал, 2 — шатун, 3 — шток золотника, 4 — направляющая штока поршня, 5 — золотник, 6 — поршень, 7 — свеча.
Один из первых двигателей Ленуара, с диаметром цилиндра 120 мм и ходом поршня 100 мм при 130 об/мии развивал 0,57 л. с. Топливная смесь образовывалась из одной части газа и девяти частей воздуха. Расход газа при этом составлял примерно 3,2 м3 на лошадиную силу в час. Коэффициент полезного действия машины равнялся 4%, то есть был равен КПД паровой машины.
Правда, топливо для такого двигателя обходилось в шесть раз дороже, чем для парового. Но этот недостаток для мелких предпринимателей затушевывался его достоинствами: двигатель был почти бесшумен и бездымен, работал без тряски, не нуждался в специальном фундаменте. Заказы сыпались к Ленуару отовсюду. С 1860 года всего за два-три десятилетия во Франции и Англии было построено более 500 двигателей, работавших по описанному выше принципу.
Между тем в 1863 году произошло еще одно событие, не замеченное современниками. В Париже тиражом триста экземпляров вышла брошюра Апьфонса Бо-де-Роша «Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра». Основываясь на теоретических разработках Карно, автор описал практический цикл, осуществление которого позволило бы поднять экономичность двигателей внутреннего сгорания в пять-шесть раз. Предложенный Бо-де-Роша цикл заключался в последовательной смене всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. По его представлениям, экономичность цикла определялась предварительным сжатием рабочего тела. Чем оно выше, тем выше ожидаемая экономичность.
Таким образом, уже в начале 60-х годов прошлого столетия имелись все условия для создания четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Был разработан цикл, существовал вполне работоспособный доведенный двигатель. Оставалось только объединить усилия двух изобретателей.
Но случай рассудил иначе. Бо-де-Роша и Ленуар встретились слишком поздно, уже после начала триумфального шествия четырехтактного двигателя.
ОТТО И «БЕДНАЯ СМЕСЬ»
В то время, наверное, не было ни одного техника, который, познакомившись с двигателями Ленуара, не уделил бы им особого внимания. Не прошел мимо них и Николай Август Отто. Он не мог похвалиться большой образованностью: после окончания начальной школы будущий изобретатель ишь несколько пет посещал реальное училище. Затем стал коммивояжером, а такой род занятий вряд ли способствовал углубленному самообразованию. И тем не менее, познакомившись с описанием двигателя Ленуара, Отто уже в 1861 году построил аналогичный работоспособный мотор и даже внес в него ряд усовершенствований.
Отто внимательно следил за новинками в области ДВС Но так получилось, что о работах Карно, о его четырехтактном цикле, осуществление которого позволило бы резко подмять КПД двигателей внутреннего сгорания, он так и не узнал. Неудивительно, что, живя в одно время с Бо-де-Роша, он был вынужден пятнадцать пет идти по самому длинному в технике пути — по пути проб и ошибок.
Экспериментируя с первым двигателем, Отто установил, что сгорающие в цилиндре газы действуют на поршень слишком малое время. В мемуарах, которые он начал писать более чем через 25 лет после названных событий, Отто говорит о поисках в этот период: «…Воспламенение и сгорание должно происходить в начале хода поршня. И эта идея была сразу же проверена. Я заполнил цилиндр на 1/2 или 3/4 хода рабочей смесью и попытался поворотом за маховик ее как можно сильнее сжать. Затем поджег и сразу заметил, что маховик сделал с большой силой несколько оборотов».
Говоря через много лет, когда он уже осуществил на практике четырехтактный процесс, Отто с полным правом заключил приведенную выше цитату словами: «Это было начало 4-тактного двигателя». Но в то время он не отдавал себе ясного отчета в происходящем. Он обратил внимание на другое: поршень получил слишком сильный толчок.
А надо заметить, что основными достоинствами двигателя Ленуара современники считали бесшумность и плавность его работы. И Отто не был исключением. Для сглаживания хода машины он попытался ввести в конструкцию буферные поршни, создающие упругую воздушную подушку. Однако реализация этого «усовершенствования» привела к аварии: из-за сильной тряски двигатель разрушился. Кстати, во время работы над своей неудачной машиной Отто попутно изобрел атмосферный двигатель (рис. 2). Работал он следующим образом. После воспламенения горючей смеси поршень шел вверх. Отработавшие газы выходили наружу, а давление под поршнем снижалось. Наружный воздух действовал на поршень, и он опускался. Именно этот ход и являлся рабочим; во время же движения поршня вверх его шток не был даже сцеплен с валом двигателя.
Рис. 2. Атмосферный двигатель Отто.
Всеобщее признание к атмосферному двигателю пришло после парижской Всемирной выставки 1867 года. Во время испытаний, проводившихся на выставке, машина Отто превзошла по экономичности все представленные там тепловые двигатели и получила золотую медаль.
Атмосферные двигатели акционерного общества «Фабрика газовых моторов Дейтц» расходились по свету. Всего к 1877 году их было выпущено около 500 общей мощностью 6000 л. с. Над их совершенствованием работали такие выдающиеся инженеры, как Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. Но, несмотря на увеличение выпуска и улучшения, вносимые в такие моторы, их возможности были исчерпаны. Двигатель мощностью более трех лошадиных сип в одном цилиндре построить так и не удалось.
Между тем развивающаяся индустрия заставляла потребителя обращаться к другим фирмам, пусть с более прожорливыми, но зато мощными моторами. В этих условиях Отто возвращается к своим старым опытам, но уже на нескольких двигателях. Один полностью разрушается, но оставшиеся работают по новому принципу — один рабочий ход на два оборота. Для повышения плавности хода поршня Отто экспериментирует с бедными смесями.
Путь к стабильному воспламенению бедных смесей Отто видит в применении послойного наполнения цилиндра. Здесь следует остановиться на том, идя, казалось бы, совершенно не относящееся к делу наблюдение может натолкнуть на сажную мысль. В своих дневниках Отто пишет: «Меня постоянно мучил вопрос, как поджигать бедную смесь, и вот однажды в начале 1876 года, раздумывая над этим вопросом, я обратил внимание на дым, выходящий из трубы. Сначала я смотрел на него, как и сотни раз до этого и как, вероятно, смотрели многие люди, но затем у меня возникла ассоциация с горючей смесью… И тут ко мне пришло открытие. Я сказал себе: если распределить горючую смесь во впущенном и пи имеющемся в цилиндре воздухе, то получится смесь по типу дыма, то есть на месте выхода из трубы он уплотнен, но чем дальше от трубы, тем менее плотным он становится».
НА ВЕСАХ ИСТОРИИ
Сила самовнушения была так велика, что, когда после некоторых переделок двигатель заработал, Отто приписал весь успех именно послойному заполнению цилиндра горючей смесью, а не ее предварительному сжатию. Но двигатель работал, с него были сняты индикаторные диаграммы и подана заявка на получение патента. По этому поведу друг и компаньон Отто Лакген писал жене: «Все цветы, какие есть в Кельне, брось к ногам старого друга. Если нам удастся довести до совершенства новую машину (а с Даймлером мы этого достигнем), то имя Отто будет на весах истории весить столько же, сколько весит имя Уатта».
Патент на новый двигатель удалось получить только в августе 1877 года, и о том же году была пущена в производство первая серия в сто машин. В общих чертах эта машина представляла следующее (рис. 3). Двигатель — горизонтальный. В отличие от большинства машин того времени он работал не по принципу двойного действия: газы давили на поршень только с одной стороны. Поршень не доходил до головки цилиндра на одну четверть хода, образуя камеру сгорания. Для придания большей плавности вращения вала двигателя, в котором лишь один ход из четырех является рабочим, маховое колесо было значительно большего веса, чем на других машинах. Воспламенение смеси производилось не электрической искрой, а газовой горелкой. Она давала пламя постоянно и сообщалась золотником с рабочей смесью, находящейся внутри цилиндра.
Рис. 3. Горизонтальный четырехтактный двигатель Отто.
Триумф ожидал двигатель а июне 1878 года — в дни работы выставки а Париже. Во французском зале демонстрировался отлично выполненный двигатель Ленуара облегченного типа. Рядом, в немецком зале, со стуком и шумом работала газовая машина, выставленная фирмой Дейтц в Кельне. Внешне машина не выдерживала никакого сравнения с прекрасными образцами французских тепловых двигателей. Но… проведенные испытания выявили, что коэффициент полезного действия мотора Отто достигает шестнадцати процентов, в то время как у машины Ленуара он составляет всего пять. После этих испытаний двигателю Отто была присуждена большая золотая медаль.
В дни работы Парижской выставки состоялась первая встреча Николая Отто с Альфонсом Бо-де-Роша. Не претендующий на приоритет, счастливый уже тем, что его принцип работы тепловой машины претворен в жизнь, Бо-де-Роша наконец-тo объяснил Отто основное достоинство изобретенного им двигателя, заключающееся в предварительном сжатии смеси.
К чести Отто следует отметить, что он проникся уважением к Бо-де-Роша. Так, в письме Лангену он пишет: «И как вы думаете, кто открыл мне глаза на мои собственные возможности! Тот, кого вы считали нашим врагом, — г. Бо-де-Роша. Он, ставший моим настоящим другом, объяснил мне истинный смысл моего открытия и, как дважды два четыре, доказал, что мой двигатель — это только печальная ошибка на пути к отыскиванию истины».
Итак, прошло сто лет с момента окончательного претворения а жизнь идеи двигателя внутреннего сгорания. Сейчас уже миллиарды лошадиных сип, полученных в цилиндрах двигателей, вращают колеса и винты. За прошедшее время коэффициент полезного действия этих двигателей вырос в два с лишним раза. В связи с этим хочется привести слова Николая Отто, сказанные им незадолго до кончины: «Разве я был не прав, говоря, что такого двигателя хватит нашим потомкам на сто лет». Стоит пи добавлять к этому высказыванию, что и сейчас двигателю внутреннего сгорания нет достойного соперника!
И. ЗИНОВЬЕВ, инженер
