Машина-двигательОт водяного колеса до атомного двигателя
Шрифт:
«Нефтянку» долго надо было запускать, но зато потом уход за ней был весьма прост.
Неудобный запуск и большой вес делал, конечно, невозможным использование «нефтянки» на автомобиле, но на рыболовное судно можно было устанавливать. Здесь находилось время, чтобы заранее раскалить головку, а вес не имел особого значения.
Но большим недостатком «нефтянок» была и остается прожорливость.
Если двигатель Ленуара называли «пожирателем газа», то «нефтянки» следует назвать «пожирателями нефти». Это объясняется очень несовершенным процессом сгорания топлива, — не используется для полезной работы значительная часть выделяющегося тепла.
Строить «нефтянку» большой мощности,
Кроме того, «нефтянки» больших размеров оказывались очень недолговечными.
Шведский инженер Эриксон — один из первых создателей этого двигателя — решил построить «нефтянку» мощностью в 60 лошадиных сил. Ему действительно удалось соорудить такой относительно мощный двигатель. Двигатель этот был поставлен на судно и некоторое время эксплуатировался. Но через год пришлось заменить «нефтянку» обычной паровой машиной. «Нефтянка» требовала частого ремонта, — детали двигателя быстро выходили из строя, изнашивались.
Так, несмотря на то, что появилось много двигателей жидкого топлива — бензиновых, керосиновых и нефтяных, — «угольные короли» еще могли спать спокойно. Крупные заводы, мощные электростанции, морские и речные суда использовали только паровые двигатели — паровые машины или турбины — и нуждались в больших количествах угля.
Миф Дизеля
В 1893 году на весь мир прогремела брошюра, принадлежавшая перу немецкого инженера Рудольфа Дизеля, с кричащим, сенсационным названием: «Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину, и другие существующие в настоящее время двигатели».
Такое название, звучащее как реклама, заставляло всякого инженера, всякого любителя техники прочесть брошюру, поинтересоваться, — что за удивительную машину придумал автор? А предприимчивому автору как раз и нужна была популярность — его еще никто не знал, и появившуюся идею нового двигателя, которую он запатентовал годом раньше, ему негде было претворить в жизнь.
Идея эта была действительно заманчивой. Она сразу приковала к себе внимание, а имя Дизеля стали упоминать на страницах газет и журналов.
В чем же состояла эта идея? Дизель был инженером, и его идея была подсказана ему наукой — теорией тепловых двигателей.
Дизель, изучая термодинамику, знал, как Сади Карно представлял себе работу самого совершенного теплового двигателя, где бы использовалось наибольшее теоретически возможное количество тепла для механической работы.
И, следуя науке, Дизель рассуждал так: паровая машина плохо использует тепло; сгорание топлива происходит в топке котла, много тепла рассеивается, уходит с топочными газами, теряется в трубах по пути к машине. Там только 3–8 % от всего выделившегося из топлива тепла идет на полезную работу. Но вот — двигатель внутреннего сгорания. Здесь котла нет, а в газовом двигателе Ленуара использовалось тоже 3–4 % тепла. Лучше обстоит дело у Отто. С введением сжатия и четырехтактного процесса удалось раза в четыре увеличить коэффициент полезного действия. В двигателях Отто он доходит до 12–14 %.
Но предел ли это? А что, если попытаться построить двигатель, который бы работал так, как предлагал Карно?
Тогда, как уже показал Карно, не всё тепло, но значительная часть могла бы быть использована на полезную работу. Двигатель работал бы по «циклу Карно».
Но как осуществить этот цикл?
Какой двигатель надо построить?
Какой газ выбрать в качестве «рабочего тела»? Дизель не мог не
И Дизель предложил: это должен быть двигатель внутреннего сгорания. В цилиндр двигателя должен засасываться чистый атмосферный воздух. Дальше этот воздух должен быть очень сильно сжат, чтобы при сжатии он нагрелся до высокой температуры. Если в двигателях Отто сжатие идет до 10–12 атмосфер, то в таком двигателе следует, как предлагал Дизель, сжимать воздух до 250 атмосфер. В сильно нагретый воздух, когда поршень начнет переваливать через свою верхнюю мертвую точку, следует постепенно ввести несколько порций распыленного твердого или жидкого топлива. В раскаленном воздухе первая же порция топлива воспламенится и начнется медленное (по сравнению со сгоранием в двигателе Отто) его сгорание. Температура не должна возрастать, пока вводится топливо, — поршень будет понемногу отходить вниз, газ — расширяться, а давление хотя тоже начнет уменьшаться, но подводимым теплом это уменьшение будет сдерживаться — газ всё еще сохранит большую силу, толкая поршень.
Вот и получится, как рекомендовал Карно, изотермическое расширение.
Ну, а затем, после прекращения подачи топлива, можно предположить, что расширение газа будет продолжаться адиабатически, то есть давление будет уже снижаться скорее, но если от стенок тепло не отводить, то до самого нижнего положения поршня это давление будет достаточно большим, чтобы совершать полезную работу.
Дальше, правда, уже трудно сделать всё так, как говорил Карно. Надо удалить отработавшие газы — пойдет такт выхлопа, надо засосать свежий воздух — пойдет такт всасывания. И лишь затем можно снова начать сжатие. Таким образом, отводить тепло в охладитель по Карно, то есть при постоянной температуре, практически нельзя. Можно лишь очень быстро сжать свежий воздух до высокого давления, ну и предположить, что это сжатие совершится адиабатически, то есть при этом вся работа сжатия потратится на нагрев воздуха без отвода тепла через стенки.
Значит, такой двигатель будет работать не совсем по циклу Карно, но близко к нему. И коэффициент полезного действия такого двигателя должен быть выше, чем у всех существующих.
Так рассуждал Дизель. Вот эти-то мысли он и изложил в своей брошюре с многообещающим названием.
Для многих предложение Дизеля казалось новым и оригинальным. Однако те, кто был знаком с книгой Сади Карно, отмечали, что выдающийся французский инженер и ученый почти за семьдесят лет до Дизеля не только открыл термодинамический закон, но и предложил идею рационального двигателя.
Рассматривая одно из предложений по двигателям внутреннего сгорания, где рекомендовалось вводить в цилиндр порции мелкого горючего порошка ликоподия, Карно указывал, что сгорание такого порошка вызовет выделение золы и двигатель не найдет практического осуществления.
«Вместо того, чтобы делать так, как принято в двигателе Ньепса, — писал Карно, — было бы лучше, как нам кажется, сжимать воздух воздушным насосом, а затем пропускать его через закрытую камеру сгорания, в которую топливо вводилось бы постепенно небольшими порциями при помощи механизма, который легко было бы построить, затем предоставить этому газу действовать в цилиндре с поршнем и выпускать его в атмосферу!»