ДВС: Спираль развития (Из истории двигателестроения)

История создания двигателя хотя и не является предметом широкого исследования и изучения, тем не менее действительно интересна и во многом поучительна. Например, она еще раз доказывает, что новое появляется только тогда, когда в нем возникает общественная необходимость.

Действительно, ДВС напрямую связан с развитием капиталистических форм производства, заменяющих прежние феодальные отношения. Точно так же, как когда-то поиск источников энергии, более мощных, чем мускульная сила человека, в большей части раба, замещался силой животного. Затем появились водяные колеса, прогрессивные в начальный период своего применения, но затем сдерживающие развитие промышленности. Им на смену пришла паровая машина. Но наступило время, когда возникла потребность заменить тяжелую и громоздкую паровую машину на более легкий и компактный источник энергии, который можно применять в любом месте, включая города с плотной застройкой и мелкие промышленные предприятия. Таким источником и стал ДВС. Причем параллельно созданию работоспособного ДВС и его совершенствованию шла разработка теории, которая в настоящее время отработана всесторонне, а сами двигатели доведены до такого совершенства, что, например, имеется мнение: традиционный четырехтактный двигатель уже достиг предела своего развития.

Конечно, таким он стал не сразу — развитие идет не столь прямолинейно. Появлению работоспособного двигателя предшествовал большой период удачных, менее удачных и вообще ошибочных решений, принятых целым рядом изобретателей. Однако благодаря обмену информацией о проделанных работах и преемственности, которая при всей сложности такого обмена была и в начале XIX века, во второй половине этого века работоспособный, но еще не очень экономичный ДВС стал реальностью. Начался период его повсеместного применения в промышленности. С одновременным совершенствованием: с 1860 г. (газовый двигатель Ленуара) до 1920—1930-х годов ДВС приобрел все черты, свойственные современному двигателю.

Работы по ДВС, повторяем, шли не гладко: с прогрессивными решениями соседствовали решения тупиковые; одни предложения сразу завоевывали умы изобретателей, а для понимания других требовались многие годы. Но что характерно: идеи создания ДВС появлялись и развивались совершенно "синхронно" с появлением капиталистических форм производства: сначала это была Англия, затем Франция и, наконец, Германия. В итоге именно в Германии были созданы ДВС, ставшие прообразом современных двигателей. Вот некоторые факты, подтверждающие сказанное.

Первые попытки осуществить "пороховую машину", прообраз ДВС, еще в конце XVII века сделали голландский ученый Гюйгенс и работавший некоторое время вместе с ним Д. Папен. Но ни тот, ни другой работающую машину не получили. И не могли получить, поскольку реальной потребности в ДВС общество тогда не ощущало. Поэтому идея Гюйгенса и опыты Папена были, по существу, стремлением научного познания процесса. Тем не менее именно Папен нашел решение, которое жизнеспособно и сейчас: рабочим органом ДВС должна быть пара "цилиндр—поршень". В связи с этим С. Карно в 1827 г. напишет: "Да, он (Д. Папен. — Ред.) ступил на правильный путь. Не его вина в том, что он смог сделать по этому пути только первый, самый первый шаг. Шаг этот был гениален. Французы не поняли его, как не поймут многого, чему суждено впоследствии перевернуть все представления о науке строения двигательных машин. Мне обидно за Папена, как, вероятно, кому-нибудь будет обидно за меня."

Да, не поняли. И не только французы. Именно поэтому почти 100 лет после опытов Гюйгенса и Папена все усилия изобретателей были направлены на создание паровой машины и ее совершенствование. И только в конце XIX века положение изменилось. Первым, кто попытался реализовать принцип ДВС, был англичанин Роберт Стрит (пат. № 1983, 1794 г.). Он предложил поджигать в цилиндре горючий газ в смеси с воздухом, получая этот газ при впрыскивании терпентина или керосина и нагревании днища цилиндра пламенем извне. Роль зажигания должна была играть специальная внешняя горелка, которая воспламеняла газ в цилиндре через окно, открываемое специальной заслонкой.

Двигатель Р. Стрита не был построен. Однако, по мнению Ленуара, проанализировавшего все известные до него попытки реализовать ДВС, "...в этой машине, несомненно, были заложены все здоровые начала подлинного двигателя современности: зажигание от горелки, втягивание воздуха уходящим поршнем и т. д. Но, насколько я могу судить по описанию и рисункам, все части машины были выполнены так плохо, что она не могла работать".

Французский изобретатель генераторного газа Ф. Лебон в 1799 г. оформил патент на способ получения светильного газа, а в 1801 г. — дополнение к патенту, в котором описал использование газа в двигателе внутреннего сгорания. Он предложил сжимать газ и воздух отдельными насосами и смешивать их в особой камере, а затем подавать смесь в цилиндр и воспламенять ее от электростатической машины.

ДВС на светильном газе тоже не строился: в 1804 г. Лебон погиб.

В 1820 г. Р. В. Сесиль из Кембриджа прочел в собрании членов Кембриджского философического общества доклад "Применение водорода к производству двигательной силы в машинах с описанием двигательной машины, которая приводится в действие давлением атмосферы и разряжением, образуемым сжиганием водорода в атмосферном воздухе". Докладчик сообщил, что им построена машина, в которой обеспечено правильное чередование вспышек в цилиндре при n = 60 мин-1 и расходе газа 17,6 фт3/мин. По мнению Ленуара, это была первая действующая модель двигателя в Европе.

Двигатель Сесиля был атмосферным, давление от сгорания водорода обеспечивало вспомогательный процесс — подъем поршня.

В 1823 г. С. Броун запатентовал (пат. № 4874) первый вариант своей атмосферной машины, а в 1826 г. — второй (пат. № 5350). Оба варианта работали на искусственном газе, имели несколько цилиндров (в первом варианте — два, во втором — три).

С. Броун не ограничился созданием "опытных образцов" ДВС: он организовал промышленную компанию, занимавшуюся выпуском его машины, причем трех "модификаций" — для перекачивания воды, приведения в движение механических экипажей и лодок. Например, в 1824 г. машины Броуна поднимали 300 галлонов воды на высоту 15 фт (-4,5 м) на 1 фт3 потребляемого газа. В 1832 г. в Англии действовали четыре насосные установки Броуна, в 1826 г. был испытан паровой экипаж с его машиной, а в 1827 г. такую машину установили на лодке и испытали на Темзе.

Приведенные примеры показывают, что в 1820-е годы атмосферные двигатели внутреннего сгорания уже создавались и даже предпринимались попытки их промышленного использования. И не только перечисленных выше. Так, именно в эти годы Ньепс предложил свой вариант двигателя. По его замыслу, в цилиндр должен впрыскиваться порошок ликоподия (порошок из спор плауна), который поджигается электрической искрой. И хотя предложение Ньепса не имело практического значения, оно примечательно тем, что, анализируя его, Карно высказал свои взгляды на принцип работы ДВС, которые стали основополагающими в теории двигателей.

Капитан корпуса инженеров Франции С. Карно в 1824 г. издал книгу "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Анализируя предложение Ньепса, он писал: "Чтобы дать воздуху возможность сильно расширяться и расширением вызывать большое изменение температуры, надо его иметь при достаточно высоком давлении. Его следовало бы сжать пневматическим насосом или каким-либо другим способом раньше, чем нагревать... Было бы лучше, как нам кажется, более выгодным действовать не как господа Ньепсы, а сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через закрытую камеру сгорания, вводя туда маленькими порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществимого. Затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем и, наконец, вбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся в нем теплоты".

Как видим, Карно высказал все те принципиальные положения, реализация которых позволила создать работоспособный ДВС. Причем сделал это тогда, когда термодинамика как наука еще не существовала и объяснение природы теплоты основывалось на гипотезе так называемого "теплорода". Тем не менее все положения остались верны и с позиций современной теории.

Сформулируем принципы, вытекающие из высказанного С. Карно.

1. Атмосферные машины — далеко не лучший вариант двигателя. Нужно использовать избыточное давление, получаемое при сгорании топлива.

2. Целесообразно применять предварительное сжатие воздуха.

3. Постепенное введение топлива — это работа дизеля при сгорании при постоянном давлении.

4. Необходимость утилизации теплоты отработавших газов.

Взгляды Карно на процессы в двигателях оценили только впоследствии, заслуженно признав Карно "отцом термодинамики". В то же время, когда вышла его книга, мало кто обратил внимание на нее. Но эти взгляды постепенно, порой очень медленно и даже неосознанно, изобретатели все-таки воплощали в реальных конструкциях.

Так, в 1833 г. Райт в Англии оформляет патент (№ 6525) на газовый двигатель двойного действия с использованием давления газов в цилиндре, а не атмосферного давления.

Цилиндр имел водяное охлаждение. Газ и воздух слегка сжимались до их подачи в цилиндр. Зажигание — от дежурной газовой горелки. По сохранившемуся чертежу невозможно выявить, какой механизм преобразования движения предполагалось использовать, но у машины был маховик.

В 1838 г., также в Англии, В. Барнетт получает последовательно три патента на газовые двигатели двойного действия. Во всех трех газ и воздух сжимаются порознь, каждый своим поршневым насосом, после чего смешиваются в ресивере. Затем смесь сжимается до давления 25 фт/д2 (~1 МПа, или 10 кгс/см2). Зажигание — от газовой горелки и вращающегося запального устройства. Преобразование поступательного движения поршня во вращательное движение вала — с помощью кривошипно-шатунного механизма.

Таким образом, можно утверждать, что к концу первой половины XIX века изобретатели уже отошли от атмосферного принципа и стали применять предварительное сжатие. Утвердился и кривошипно-шатунный механизм, отработанный на паровых машинах. Однако в дальнейшем на смену прогрессивным решениям приходят регрессивные. Например, в 1843 г. американец Дрэк создал газовый двигатель, работающий на светильном газе. Конструкция имела точное регулирование состава и количества подаваемой в цилиндры горючей смеси, зажигание последней осуществлялось от разогреваемой извне трубки накаливания, но предварительного сжатия не было.

В 1855 г. И. Ньютон оформляет патент на двигатель, во многом подобный двигателю Дрэка. Этот двигатель — тоже двойного действия, с зажиганием от чугунной трубки накаливания, разогреваемой снаружи до красного каления пламенем газовой горелки, но тоже без предварительного сжатия смеси.

В 1857 г. итальянцы Барзанти и Матеуччи получают бельгийский патент (№ 1655) на двигатель, который по конструктивным решениям был явным отступлением от уже отработанных принципов. Он — атмосферного типа: в вертикальном цилиндре большой высоты за счет сгорания газа поршень подбрасывало вверх, при этом храповой механизм расцеплял рейку поршня с валом; после охлаждения и выпуска продуктов сгорания поршень перемещался вниз под давлением атмосферного воздуха, при соединенных рейке и вале (рабочий ход). Положительным в этом двигателе было одно — электрическая система зажигания смеси.

Своего рода "венцом" развития атмосферных двигателей стал двигатель Ленуара. Он, говоря современным языком, провел патентно-информационные исследования, касающиеся ДВС, и создал двигатель, в котором нашли отражение все лучшие, с его точки зрения, технические решения, апробированные на практике. В итоге его газовый двигатель, запатентованный в 1860 г., был двигателем двойного действия, имел водяную систему охлаждения цилиндра, кривошипно- шатунный механизм преобразования движения, золотниковое газораспределение (золотник приводился от эксцентриков на валу двигателя), электрическую систему зажигания (медно-цинковые батареи, катушки Румкорфа и автоматический распределитель зажигания). Только одно не осмелился применить Ленуар — предварительное сжатие смеси в цилиндре. И это — не упущение. При анализе известных в то время двигателей Ленуар специально останавливался на вопросе предварительного сжатия газовоздушной смеси в цилиндре перед ее зажиганием. Но теории ДВС тогда еще не существовало. Доводы Карно о необходимости предварительного сжатия в цилиндре, изложенные в его книге, были лишь предположением, основанным на интуиции. Судя по книге Н.Н. Шпатова "Рождение мотора" (ОГИЗ, 1934), Ленуар не только был знаком с книгой С. Карно "Размышление о движущей силе огня и о машинах, пригодных к развитию этой силы", но и тщательно изучал ее. Однако не менее внимательно он читал и книгу Э. Дюльби де-ла-Фоша "Поучительная история великого неудачника, или жизнеописание незадачливого открывателя новых машин и фантаста господина Дени Папена" с автографом Карно, в котором последний по заслугам оценивает деятельность Папена. Поэтому Ленуар не без оснований считал, что данная книга относится к художественной литературе, т. е. в ней не исключен авторский вымысел. Проанализировав вопрос о необходимости предварительного сжатия, который был высказан еще в 1801 г. в патенте Лебона, он, в изложении Н.Н. Шпатова, пришел к выводу, что такое сжатие — это повторение ошибки Лебона. "Зачем усложнять конструкцию ради возможности предварительного сжатия смеси? Нужно ли это вообще? Что это дает? Эти вопросы для меня не ясны. С этим придется разбираться", — писал Ленуар в своих заметках. Но, к сожалению, так и не разобрался в вопросе до конца жизни.

Двигатель Ленуара, демонстрировавшийся на Парижской Всемирной выставке в 1862 г., стал тиражироваться, и за 20 лет был изготовлен более чем в 500 экземплярах. Причем работал довольно успешно. Не случайно приоритет Ленуара многие пытались оспорить. В частности, директор Парижской газовой компании Югон предъявил иск Ленуару по нарушению своих прав по патенту 1858 г. (т. е. полученному им на два года ранее Ленуара). Двигатель Югона был двойного действия: газ и воздух смешивались в камере до подачи смеси в цилиндр (в двигателе Ленуара смесеприготовление было внутреннее, т. е. газ и воздух вводились в цилиндр отдельными потоками). Суд не признал прав Югона. Впрочем, так же, как и прав Рейтмана из Германии, который доказывал, что он в 1858 г. уже строил двигатель по подобной схеме. В данном случае решающую роль сыграл тот факт, что французский суд защищал интересы гражданина Франции (правда, бельгийца по национальности) от требований со стороны гражданина Германии. Но главное, в патентных исследованиях Ленуара именно двигатели Югона и Рейтмана не фигурировали.

Вся эта история еще раз подтверждает, насколько насущным был вопрос создания двигателя в период бурного развития капиталистических отношений во Франции.

Сам Ленуар отмечал следующее. "Мои ожидания оправдались. Не могло случиться так, чтобы мысль Папена о двигателе, в котором тепло, выделяемое топливом, должно быть использовано в современной нам поршневой паровой машине, не была подхвачена потомками. Этого не могло быть. Такие идеи не погибают. Их хоронят лишь до тех пор, пока общество не предъявит требование к их использованию. Тогда находятся счастливые люди: разрыв старые могилы, они извлекают из-под праха истлевших и отмерших присказок и заблуждений нетленные идеи гениев. То, что я разыскал в архивах патентных бюро, в старых газетах, книгах и материалах, доказывает, что не была забыта и идея порохового двигателя. Тогда начатое Папеном дело было несвоевременным, может быть, теперь оно будет уместным". ;

Аналогичные мысли высказаны русским автором Хотинским в книге "История машин, пароходов и паровозов", выпущенной в 1853 г., т. е. именно тогда, когда Ленуар искал пути к созданию своего двигателя. Хотинский писал: "Любое изобретение, опережающее требование практики, должно остаться без применения до тех пор, пока в нем не возникнет неотложная нужда". Такая потребность возникла в начале второй половины XIX века. Ленуар удовлетворил ее, скомпилировав известные технические решения, что и определило успех этого изобретения. Но спустя 20 лет стало очевидным, что двигатель Ленуара крайне неэкономичен: КПД — не более 4 %, расход газа — свыше 3 м3/(л.с.*ч.). Стала ясной и причина — отсутствие предварительного сжатия смеси.