Страница:
Первые промышленные паровые машины появились в Англии в виде водяных насосов для откачки воды из шахт и рудников. Раньше эту работу выполняли животные на ступальных колесах. На некоторых рудниках число лошадей, работающих на откачке воды, достигало 500. Угледобывающая промышленность Англии буквально гибла от непомерной стоимости откачки воды из шахт. Вот тут-то и появилась необходимость в тепловой машине, которая, потребляя имеющиеся в избытке уголь и воду, могла бы заменить лошадей.
И первой паровой машиной, откачивавшей воду из рудников, была «огненная машина» английского военного инженера Томаса Севери (1650—1715). Томас Севери получил патент на свою машину в 1698 г. Эта машина (рис. 269) имела один сосуд 1, верхняя часть которого соединялась трубкой 7 с котлом 2. Котел имел предохранительный клапан 4 и трубку 3 для заполнения котла водой. К сосуду 1 присоединялись также всасывающая трубка 12 с клапаном 11 и нагнетающая трубка 6 с клапаном 10. Машина была снабжена баком 8 с краном 9. При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался. Так как необходимо было периодически поворачивать оба крана – 5 и 9, их соединили пластиной.
В машине Севери, как и у Герона, использовались как избыточное давление пара, так и вакуум, возникающий при конденсации пара.
Но настоящий переворот в технике принесли лишь поршневые паровые машины. Среди их создателей первым был англичанин Томас Ньюкомен (1663—1729), кузнец по профессии, инженер-самоучка. Он сам устанавливал машины Севери на рудниках и хорошо знал об их недостатках – невозможности откачки воды из глубоких шахт.
В машине Ньюкомена мощностью 7,5 кВт, построенной в 1725 г., установленные в шахте насосы приводились длинной тягой 1 (рис. 270), подвешенной вместе с грузом 2 с помощью цепи 3 на одном из плеч 4 балансира 5. Другое плечо 6 балансира такой же цепью 8 было соединено с поршнем 9, установленным в вертикальном цилиндре. Пар в цилиндр 10 подавался из котла 12 с помощью крана 11. Этот кран открывали, когда поршень находился в нижнем положении. Избыточным давлением пара поршень поднимался в верхнее положение. Совершался холостой ход, тяга 1 опускалась.
В верхнем положении поршня кран 11 закрывался. Одновременно открывался кран 13, и в цилиндр впрыскивалась холодная вода из бачка 7. Пар в цилиндре конденсировался, в результате чего в нем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался. Совершался рабочий ход, и тяга 1 поднималась.
Таким образом, машина Ньюкомена была скорее атмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением. Атмосферные машины были огромной величины при скромных мощностях. Кстати, атмосферная машина русского инженера-самоучки И. Ползунова (1728—1766), заработавшая через неделю после его смерти, тоже была громадной по размерам. Да и КПД таких машин был ничтожно мал.
Но все-таки эолипилы, или паровые турбины, оказались победителями среди паровых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях, мощных судах (рис. 272). Их КПД на порядок выше, чем у машин Уатта, не говоря уже о мощностях в сотни мегаватт! Хитрый грек Герон и в этом опередил всех – он открыл паровую турбину!
Отто, Дизель… Герон?
Как начинался автомобиль?
Чем хороши тепломеханические гибриды?
И первой паровой машиной, откачивавшей воду из рудников, была «огненная машина» английского военного инженера Томаса Севери (1650—1715). Томас Севери получил патент на свою машину в 1698 г. Эта машина (рис. 269) имела один сосуд 1, верхняя часть которого соединялась трубкой 7 с котлом 2. Котел имел предохранительный клапан 4 и трубку 3 для заполнения котла водой. К сосуду 1 присоединялись также всасывающая трубка 12 с клапаном 11 и нагнетающая трубка 6 с клапаном 10. Машина была снабжена баком 8 с краном 9. При открытии крана 5 пар из котла 2 подавался в сосуд 1, выгоняя оттуда воду по трубке 6. Клапан 10 при этом открыт, а клапан 11 закрыт. В конце нагнетания кран 5 закрывался, и через кран 9 в сосуд 1 подавалась холодная вода. Пар в сосуде 1 охлаждался, конденсировался, и давление падало, засасывая туда воду по трубке 12. Клапан 11 при этом открывался, а клапан 10 закрывался. Так как необходимо было периодически поворачивать оба крана – 5 и 9, их соединили пластиной.
В машине Севери, как и у Герона, использовались как избыточное давление пара, так и вакуум, возникающий при конденсации пара.
Рис. 270. Первая поршневая атмосферная машина Т. Ньюкомена:
1 – тяга; 2 – груз; 3; 8 – цепи; 4; 6 – плечи балансира; 5 – балансир; 7 – бачок; 9 – поршень; 10 – цилиндр; 11; 13 – краны; 12 – котелНо настоящий переворот в технике принесли лишь поршневые паровые машины. Среди их создателей первым был англичанин Томас Ньюкомен (1663—1729), кузнец по профессии, инженер-самоучка. Он сам устанавливал машины Севери на рудниках и хорошо знал об их недостатках – невозможности откачки воды из глубоких шахт.
В машине Ньюкомена мощностью 7,5 кВт, построенной в 1725 г., установленные в шахте насосы приводились длинной тягой 1 (рис. 270), подвешенной вместе с грузом 2 с помощью цепи 3 на одном из плеч 4 балансира 5. Другое плечо 6 балансира такой же цепью 8 было соединено с поршнем 9, установленным в вертикальном цилиндре. Пар в цилиндр 10 подавался из котла 12 с помощью крана 11. Этот кран открывали, когда поршень находился в нижнем положении. Избыточным давлением пара поршень поднимался в верхнее положение. Совершался холостой ход, тяга 1 опускалась.
В верхнем положении поршня кран 11 закрывался. Одновременно открывался кран 13, и в цилиндр впрыскивалась холодная вода из бачка 7. Пар в цилиндре конденсировался, в результате чего в нем создавался вакуум. Под действием атмосферного давления поршень опускался. Совершался рабочий ход, и тяга 1 поднималась.
Таким образом, машина Ньюкомена была скорее атмосферной, чем чисто паровой, так как рабочий ход у нее осуществлялся не давлением пара, а именно атмосферным давлением. Атмосферные машины были огромной величины при скромных мощностях. Кстати, атмосферная машина русского инженера-самоучки И. Ползунова (1728—1766), заработавшая через неделю после его смерти, тоже была громадной по размерам. Да и КПД таких машин был ничтожно мал.
Рис. 271. Схема работы паровой машины: а и б – прямой и обратный ход поршня
Первой настоящей паровой поршневой машиной (подчеркнем это, так как вообще первая паровая машина – все-таки эолипил Герона!) была машина, созданная Джеймсом Уаттом (1736—1819) в Англии в 1774 г. (рис. 271). Только в его машине именно пар своим давлением осуществлял рабочий ход поршня. Даже первая машина Уатта оказалась вдвое экономичнее машин Ньюкомена, не сравнивая уже их размеры. КПД лучших машин Уатта достигал фантастической величины в… 2,7 %! Нам эта цифра смешна, но именно машины Уатта изменили промышленную энергетику, именно они превратили XIX в. в век пара.Но все-таки эолипилы, или паровые турбины, оказались победителями среди паровых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях, мощных судах (рис. 272). Их КПД на порядок выше, чем у машин Уатта, не говоря уже о мощностях в сотни мегаватт! Хитрый грек Герон и в этом опередил всех – он открыл паровую турбину!
Рис. 272. Паровая турбина большой мощности
Отто, Дизель… Герон?
Но как бы то ни было, а подавляющее большинство современных тепловых двигателей – внутреннего сгорания. Они и на автомобилях, и на тракторах, мотоциклах, сельхозмашинах, на большинстве судов и мало ли еще где, даже на самолетах.
Как же они возникли? Делалось много безуспешных попыток создать двигатель, в котором топливо сжигалось бы не вне рабочего объема машины (цилиндров), как у паровых машин, а внутри его. Это должно было резко повысить КПД тепловой машины. Первая такая попытка принадлежит французу Лебону (1769(67) – 1804) – изобретателю светильного газа, двигатель на котором он запатентовал в 1801 г.
Но только в 1860 г. бельгийскому инженеру Ж. Ленуару (1822—1900) удалось создать работоспособный и используемый в промышленности двигатель внутреннего сгорания, тоже на светильном газе. Не удивляйтесь, но на газе, полученном нагреванием дерева без доступа воздуха (термолизом), изобретенном в 1799 г. Лебоном, работали некоторые советские грузовики 40 – 50-х гг. ХХ в.
Изготовленный Ленуаром двигатель напоминал паровую машину (рис. 273). Двигатель был с золотниковым распределителем. Один из золотников (нижний) обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Второй золотник (верхний) служил для выпуска отработанных газов. Газ и воздух до попадания в цилиндр не сжимались и к золотнику подводились по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась искрой. Давление сгоревшей смеси возрастало и действовало на поршень, производя работу расширения. После окончания расширения второй золотник соединял цилиндр с выхлопной трубой, и поршень вытеснял отработанные газы.
Вращался двигатель Ленуара с частотой порядка 100—150 оборотов в минуту, мощность его была около 0,5 кВт. Но КПД был всего 3 %, т. е. меньше, чем у тогдашних паровых машин. Но все-таки таких двигателей построили во Франции и Англии около 300, и на выставке 1864 г. двигателю Ленуара было присуждено первое место.
Тем не менее после изобретения двигателя Н. Отто и Э. Лангена и демонстрации его на парижской выставке 1867 г., двигатель Лену-ара был обречен. КПД нового двигателя был в 5 раз больше и достигал 15 % – цифры в то время неслыханной. И хотя эти, а также последующие двигатели Н. Отто строились на мощности до 1 000 лошадиных сил, они работали опять же на газе – светильном, доменном и др., т. е. им не было места на автомобилях.
Но главное, что совершил Н. Отто в двигателестроении, – это разработка в 1877 г. четырехтактного цикла действия двигателей: всасывание, сжатие, расширение (рабочий ход), выхлоп, по которому работает большинство двигателей и сейчас.
Применение двигателей внутреннего сгорания на транспорте могло быть реальным только при жидком топливе, которое можно компактно хранить в баках. Самым удобным, хотя и опасным видом топлива оказался бензин – он легко испарялся в воздухе и образовывал горючие смеси. Первый бензиновый двигатель был построен в 1884 г. русским инженером И. С. Костовичем для дирижабля. Дирижабль, к сожалению, сгорел, а двигатель мощностью около 50 лошадиных сил остался цел и невредим, так как хранился отдельно от дирижабля. Никто его так и не использовал. Надо же – построить двигатель специально для дирижабля, как будто автомобилей и не существовало! И судьба двигателя, возможно, оказалась бы счастливее…
Предком современных бензиновых двигателей считается двигатель 1885 г. немецких инженеров Г. Даймлера (1834—1900) и В. Майбаха (1846—1929), развивавший мощность 0,5 лошадиной силы при объеме цилиндра 0,25 л и частоте вращения 200 оборотов в минуту.
Изобретатели поставили его на деревянный велосипед и получили первый в мире мотоцикл, тоже, разумеется, деревянный. А так как двигатель не мог эффективно работать без карбюратора, приготовляющего рабочую смесь (о карбюраторе мы уже говорили выше), то годом создания эффективного бензинового двигателя (рис. 274) нужно считать год патентования В. Майбахом карбюратора – 1893-й. Частота вращения двигателей постепенно росла и в 1914 г. составила 2 000 оборотов в минуту (сейчас она примерно в 3 раза выше).
Но… (Опять это «но»! Бензиновые двигатели завоевывали мир, они были почти на всех автомобилях, какое может быть «но»?) Но они имели все-таки небольшой КПД, который принципиально нельзя было повысить. Дело в том, что когда начинали повышать степень сжатия, т. е. все больше и больше сжимать рабочую смесь в цилиндрах именно для повышения КПД, смесь паров бензина с воздухом не выдерживала нагревания и взрывалась совсем не тогда, когда ей было положено. Почти как в пневматической зажигалке древних народов, о которой мы уже говорили…
Вот тут-то самый раз рассказать о дизельных двигателях, лишенных этого недостатка. Первый патент автора дизельных двигателей немецкого инженера Р. Дизеля относится к 1892 г. Суть работы этого двигателя ясна из формулы изобретения к этому патенту (приводимой здесь в сокращении): «Способ работы для двигателей внутреннего сгорания такого рода, что в цилиндре при помощи поршня сжимается чистый воздух… так, что достигаемая при этом температура значительно превышает температуру воспламенения применяемого горючего вещества, после этого производится постепенный впуск топлива, и вследствие этого его сгорание…»
Стало быть, чистый воздух можно сжимать до давлений, в несколько раз превышающих давления сжатия в бензиновых двигателях, без боязни того, что воздух, чего доброго, взорвется. Это давление доходит до 30—40 МПа, и температура воздуха при этом повышается до 500—700 °С. Впрыснутая особыми насосами и форсунками в этот сжатый и раскаленный воздух солярка тотчас же загорается и совершает работу по продвижению поршня с гораздо более высоким КПД, чем в бензиновых двигателях. Да и не только солярка, а любое топливо при такой температуре загорится, даже угольный порошок, который поначалу собирался всыпать в цилиндр сам Дизель.
Как бы то ни было, КПД дизельного двигателя (рис. 275) вырос как минимум в 1,5 раза по сравнению с карбюраторными двигателями, да и само дизельное топливо было дешевле бензина. Вот почему дизельные двигатели успешно вытесняют бензиновые, прежде всего на мощных грузовых автомобилях. Во время Великой Отечественной войны с Германией наши танки оснащались именно дизельными двигателями, что во многом определяло их преимущества по сравнению с немецкими бензиновыми. Вот как дизель – немецкое изобретение – помог выиграть нам войну с Германией.
В настоящее время в связи с заменой карбюратора системами непосредственного впрыска топлива позиции дизельного и бензинового двигателей сближаются, что всем идет на пользу.
И наконец, самый «молодой» двигатель внутреннего сгорания, к тому же самый малогабаритный и легкий, самый мощный, самый перспективный. Такие двигатели используют как на вертолетах и самолетах, так и на электростанциях для выработки электроэнергии из газа. Этот двигатель называется газотурбинным, или газовой турбиной, и он, как говорится, уже на подножке автомобиля. Пока им оснащают опытные конструкции, но уже скоро он будет стоять на грузовых автомобилях и автобусах, а также, возможно, на легковых автомобилях.
Газовая турбина – роторный двигатель. На лопатках его ротора энергия газа преобразуется в механическую работу (рис. 276). В компрессор 1 турбины поступает воздух и сжимается в нем за счет части работы, производимой турбиной. Сжатый воздух идет в регенератор (теплообменник) 2, где немного подогревается отработавшими в турбине горячими газами. Затем он попадает по трубе в полость между двойными стенками камеры сгорания 3. Здесь он подогревается еще сильнее и направляется в камеру сгорания вместе с топливом, которое насос 5 подает через форсунку 4. В камере сгорания образуются газы с очень высокой температурой и давлением. Через сопло они устремляются на рабочее колесо 6 турбины. Совершив работу, газы покидают установку через регенератор, нагревая поступающий из компрессора воздух. Запускается такая турбина пусковым электродвигателем – стартером.
Стать автомобильным двигателем уже сейчас газовой турбине мешают две причины: неэкономичность маломощных двигателей (а автомобильный двигатель по сравнению с электростанцией – лилипут), а также… сильный шум при работе. Первый недостаток уже преодолен разработкой особых жаропрочных керамических материалов для турбин, что сделало КПД газотурбинного двигателя не ниже дизельного, а второй успешно преодолевается специальными акустическими мерами.
И здесь первым оказался Герон – газовая турбина тоже ведь эолипил, хотя и газовый!
Как же они возникли? Делалось много безуспешных попыток создать двигатель, в котором топливо сжигалось бы не вне рабочего объема машины (цилиндров), как у паровых машин, а внутри его. Это должно было резко повысить КПД тепловой машины. Первая такая попытка принадлежит французу Лебону (1769(67) – 1804) – изобретателю светильного газа, двигатель на котором он запатентовал в 1801 г.
Но только в 1860 г. бельгийскому инженеру Ж. Ленуару (1822—1900) удалось создать работоспособный и используемый в промышленности двигатель внутреннего сгорания, тоже на светильном газе. Не удивляйтесь, но на газе, полученном нагреванием дерева без доступа воздуха (термолизом), изобретенном в 1799 г. Лебоном, работали некоторые советские грузовики 40 – 50-х гг. ХХ в.
Изготовленный Ленуаром двигатель напоминал паровую машину (рис. 273). Двигатель был с золотниковым распределителем. Один из золотников (нижний) обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня. Второй золотник (верхний) служил для выпуска отработанных газов. Газ и воздух до попадания в цилиндр не сжимались и к золотнику подводились по отдельным каналам. Всасывание смеси в каждую полость происходило примерно до половины хода, после чего золотник перекрывал впускное окно, и смесь воспламенялась искрой. Давление сгоревшей смеси возрастало и действовало на поршень, производя работу расширения. После окончания расширения второй золотник соединял цилиндр с выхлопной трубой, и поршень вытеснял отработанные газы.
Рис. 273. Газовый двигатель Ж. Ленуара:
а – общий вид; б – схема: 1 – поршень; 2; 4 – золотники; 3 – цилиндрВращался двигатель Ленуара с частотой порядка 100—150 оборотов в минуту, мощность его была около 0,5 кВт. Но КПД был всего 3 %, т. е. меньше, чем у тогдашних паровых машин. Но все-таки таких двигателей построили во Франции и Англии около 300, и на выставке 1864 г. двигателю Ленуара было присуждено первое место.
Тем не менее после изобретения двигателя Н. Отто и Э. Лангена и демонстрации его на парижской выставке 1867 г., двигатель Лену-ара был обречен. КПД нового двигателя был в 5 раз больше и достигал 15 % – цифры в то время неслыханной. И хотя эти, а также последующие двигатели Н. Отто строились на мощности до 1 000 лошадиных сил, они работали опять же на газе – светильном, доменном и др., т. е. им не было места на автомобилях.
Но главное, что совершил Н. Отто в двигателестроении, – это разработка в 1877 г. четырехтактного цикла действия двигателей: всасывание, сжатие, расширение (рабочий ход), выхлоп, по которому работает большинство двигателей и сейчас.
Применение двигателей внутреннего сгорания на транспорте могло быть реальным только при жидком топливе, которое можно компактно хранить в баках. Самым удобным, хотя и опасным видом топлива оказался бензин – он легко испарялся в воздухе и образовывал горючие смеси. Первый бензиновый двигатель был построен в 1884 г. русским инженером И. С. Костовичем для дирижабля. Дирижабль, к сожалению, сгорел, а двигатель мощностью около 50 лошадиных сил остался цел и невредим, так как хранился отдельно от дирижабля. Никто его так и не использовал. Надо же – построить двигатель специально для дирижабля, как будто автомобилей и не существовало! И судьба двигателя, возможно, оказалась бы счастливее…
Предком современных бензиновых двигателей считается двигатель 1885 г. немецких инженеров Г. Даймлера (1834—1900) и В. Майбаха (1846—1929), развивавший мощность 0,5 лошадиной силы при объеме цилиндра 0,25 л и частоте вращения 200 оборотов в минуту.
Изобретатели поставили его на деревянный велосипед и получили первый в мире мотоцикл, тоже, разумеется, деревянный. А так как двигатель не мог эффективно работать без карбюратора, приготовляющего рабочую смесь (о карбюраторе мы уже говорили выше), то годом создания эффективного бензинового двигателя (рис. 274) нужно считать год патентования В. Майбахом карбюратора – 1893-й. Частота вращения двигателей постепенно росла и в 1914 г. составила 2 000 оборотов в минуту (сейчас она примерно в 3 раза выше).
Рис. 274. Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания с зажиганием от магнетоэлектрогенератора высокого напряжения:
1 – привод на маслонасос; 2 – распределительный вал; 3 – водяная помпа; 4 – поршень; 5 – запальная свеча; 6 – радиатор; 7 – топливный бак; 8 – карбюратор; 9 – выхлопная труба; 10 – магнето (генератор высокого напряжения)Но… (Опять это «но»! Бензиновые двигатели завоевывали мир, они были почти на всех автомобилях, какое может быть «но»?) Но они имели все-таки небольшой КПД, который принципиально нельзя было повысить. Дело в том, что когда начинали повышать степень сжатия, т. е. все больше и больше сжимать рабочую смесь в цилиндрах именно для повышения КПД, смесь паров бензина с воздухом не выдерживала нагревания и взрывалась совсем не тогда, когда ей было положено. Почти как в пневматической зажигалке древних народов, о которой мы уже говорили…
Вот тут-то самый раз рассказать о дизельных двигателях, лишенных этого недостатка. Первый патент автора дизельных двигателей немецкого инженера Р. Дизеля относится к 1892 г. Суть работы этого двигателя ясна из формулы изобретения к этому патенту (приводимой здесь в сокращении): «Способ работы для двигателей внутреннего сгорания такого рода, что в цилиндре при помощи поршня сжимается чистый воздух… так, что достигаемая при этом температура значительно превышает температуру воспламенения применяемого горючего вещества, после этого производится постепенный впуск топлива, и вследствие этого его сгорание…»
Стало быть, чистый воздух можно сжимать до давлений, в несколько раз превышающих давления сжатия в бензиновых двигателях, без боязни того, что воздух, чего доброго, взорвется. Это давление доходит до 30—40 МПа, и температура воздуха при этом повышается до 500—700 °С. Впрыснутая особыми насосами и форсунками в этот сжатый и раскаленный воздух солярка тотчас же загорается и совершает работу по продвижению поршня с гораздо более высоким КПД, чем в бензиновых двигателях. Да и не только солярка, а любое топливо при такой температуре загорится, даже угольный порошок, который поначалу собирался всыпать в цилиндр сам Дизель.
Рис. 275. Дизельный двигатель:
1 – поршень; 2 – топливный насос; 3 – топливный бак; 4 – воздушный фильтр; 5 – клапаны; 6 – выхлопной патрубок; 7 – распределительный вал; 8 – привод масло-насоса; 9 – водяная помпа; 10 – радиаторКак бы то ни было, КПД дизельного двигателя (рис. 275) вырос как минимум в 1,5 раза по сравнению с карбюраторными двигателями, да и само дизельное топливо было дешевле бензина. Вот почему дизельные двигатели успешно вытесняют бензиновые, прежде всего на мощных грузовых автомобилях. Во время Великой Отечественной войны с Германией наши танки оснащались именно дизельными двигателями, что во многом определяло их преимущества по сравнению с немецкими бензиновыми. Вот как дизель – немецкое изобретение – помог выиграть нам войну с Германией.
В настоящее время в связи с заменой карбюратора системами непосредственного впрыска топлива позиции дизельного и бензинового двигателей сближаются, что всем идет на пользу.
И наконец, самый «молодой» двигатель внутреннего сгорания, к тому же самый малогабаритный и легкий, самый мощный, самый перспективный. Такие двигатели используют как на вертолетах и самолетах, так и на электростанциях для выработки электроэнергии из газа. Этот двигатель называется газотурбинным, или газовой турбиной, и он, как говорится, уже на подножке автомобиля. Пока им оснащают опытные конструкции, но уже скоро он будет стоять на грузовых автомобилях и автобусах, а также, возможно, на легковых автомобилях.
Рис. 276. Схема газовой турбины:
1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – форсунка; 5 – топливный насос; 6 – турбинаГазовая турбина – роторный двигатель. На лопатках его ротора энергия газа преобразуется в механическую работу (рис. 276). В компрессор 1 турбины поступает воздух и сжимается в нем за счет части работы, производимой турбиной. Сжатый воздух идет в регенератор (теплообменник) 2, где немного подогревается отработавшими в турбине горячими газами. Затем он попадает по трубе в полость между двойными стенками камеры сгорания 3. Здесь он подогревается еще сильнее и направляется в камеру сгорания вместе с топливом, которое насос 5 подает через форсунку 4. В камере сгорания образуются газы с очень высокой температурой и давлением. Через сопло они устремляются на рабочее колесо 6 турбины. Совершив работу, газы покидают установку через регенератор, нагревая поступающий из компрессора воздух. Запускается такая турбина пусковым электродвигателем – стартером.
Стать автомобильным двигателем уже сейчас газовой турбине мешают две причины: неэкономичность маломощных двигателей (а автомобильный двигатель по сравнению с электростанцией – лилипут), а также… сильный шум при работе. Первый недостаток уже преодолен разработкой особых жаропрочных керамических материалов для турбин, что сделало КПД газотурбинного двигателя не ниже дизельного, а второй успешно преодолевается специальными акустическими мерами.
И здесь первым оказался Герон – газовая турбина тоже ведь эолипил, хотя и газовый!
Как начинался автомобиль?
А что же можно называть автомобилем? Хорошо, колесница – это не автомобиль, так как экипаж тащит лошадь. А если лошадь поставить на шасси и заставить через трансмиссию приводить колеса (рис. 277), то будет ли тогда колесница автомобилем?
Тогда автомобилю, как и двигателю, тоже около 2 тысяч лет, даже больше. Например, мускулоход Деметрия Фалернского, датированный 308 г. до н. э. (рис. 278), имел все необходимое, чтобы признать его автомобилем, а именно: двигатель-человек на ступальном колесе, привод от ступального колеса к ведущим задним колесам, а также управляемое переднее колесо. Дизайн экипажа в виде улитки вполне соответствовал скорости движения.
Строились автомобили и на накопленной механической энергии. И если об автомобиле с приводом от маховика мы уже говорили, то были и пружинные автомобили, о которых известно из истории транспорта. Пружиномобиль с мускульным подзаводом для выездов королей оказался буквально безделушкой по сравнению с заводным пружинным омнибусом, построенном в США в городе Новом Орлеане в 1870 г.
Омнибус массой около 500 кг был снабжен восемью пружинными двигателями из стальных ленточных пружин. Утверждают, что пружинный омнибус развивал мощность в 16 лошадиных сил (около 12 кВт) и перевозил десяток пассажиров. Но, зная о малой удельной энергии пружин, можно думать, что пробег омнибуса был очень незначителен – сотни метров, если не меньше.
Автор знает об этом из собственного опыта, так как в свое время построил гибрид из маховика и пружин с приводом на колеса лобовым вариатором. Распугивая студентов, он разъезжал на этом чуде по коридорам Политехнического института в городе Тольятти, где он тогда работал.
Если же говорить об автомобилях обязательно с тепловыми двигателями, то первым был автомобиль с паровым двигателем, который появился в Китае в 1668 г. Изготовил его в Пекине миссионер ордена иезуитов бельгиец Фердинанд Вербист, служивший астрономом при дворе императора Канси. На тележке находилась реторта с трубкой, направленной на турбину, соединенную шестернями с ведущими колесами (рис. 282). Машина имела 60 см в длину. При разведении огня под ретортой вырывающийся из нее пар вращал турбину, и автомобиль двигался, причем мог ездить больше часа. Тележка была неуправляемой, никто на ней не ездил, хотя принципиально она вполне могла быть изготовлена больших размеров и возить людей.
А дальше произошла интересная история. Изобретатель парового двигателя Дж. Уатт, которому сам Бог, казалось, велел заниматься паровыми автомобилями, вдруг на старости лет стал ретроградом и, пользуясь своими патентными правами, начал запрещать строить паромобили. Уильям Мердок, один из учеников Уатта, тайком построил действующий небольшой паромобиль (рис. 283) и испытывал эту «огнедышащую машину» по ночам (что привело к смерти от страха случайно встретившего этот паромобиль священника).
В результате машина плохо слушалась руля и постоянно наезжала своим опасным котлом и кочегаркой на стены домов и ограды, что видно из старинного рисунка (см. рис. 284, б). От французского слова «шофер», что означает «кочегар», и пошло название профессии водителя.
Неудачи первых паровиков не сломили энтузиастов, и вскоре появились более изящные паромобили, например английский паромобиль изобретателя Р. Треветика (рис.285), построенный в 1803 г.
Автомобиль Маркуса (рис. 290), который он построил в 1874—1878 гг. (это была следующая модель), до сих пор цел и хранится в венском Политехническом музее. В 1950 г. 75-летний первый автомобиль вывели на улицы Вены и торжественно проехали на нем, демонстрируя приоритет Австрии.
Рис. 277. Экипаж, приводимый в движение лошадью, толкающей назад бесконечную дорожку, приводящую ведущие колеса
Многие (в том числе и автор) считают, что это уже автомобиль. Автомобилем можно называть такой экипаж, который едет с помощью ведущих колес, содержит двигатель (в том числе и живой), имеет привод от двигателя к ведущим колесам и меняет направление движения манипуляцией с колесами. То есть его маршрут определяют не рельсы – направляющие, а непосредственно водитель, управляющий колесами – их поворотом, торможением и т. д.Тогда автомобилю, как и двигателю, тоже около 2 тысяч лет, даже больше. Например, мускулоход Деметрия Фалернского, датированный 308 г. до н. э. (рис. 278), имел все необходимое, чтобы признать его автомобилем, а именно: двигатель-человек на ступальном колесе, привод от ступального колеса к ведущим задним колесам, а также управляемое переднее колесо. Дизайн экипажа в виде улитки вполне соответствовал скорости движения.
Рис. 278. Мускулоход-улитка Деметрия Фалернского
Доктор философии Джовани да Фонтана создал мусколоход, чертеж которого сохранился до сих пор (рис. 279). Внешне он напоминает маленький городской автомобиль, этакий сити-кар XV века, так как построен он был в 1420 г.Рис. 279. «Сити-Кар» XV в. Джовани да Фонтана
А вот парализованный часовщик из города Альтдорфа Стефан Фарфлер в 1680 г. изготовил для себя инвалидную коляску с приводом единственного колеса от рукоятей с зубчатой передачей (рис. 280). Так что «самобеглая коляска» русского крестьянина Леонтия Шамшуренкова, построенная в 1752 г. и приводимая в движение двумя спрятанными в ней людьми, отнюдь не являлась первым автомобилем, за который ее многие годы выдавали.Рис. 280. Инвалидная коляска часовщика С. Фарфлера
Но самокатка знаменитого И. П. Кулибина, имевшая, помимо мускульного привода, еще и маховичный, своеобразную коробку передач и рекуперативный пружинный тормоз (рис. 281), была действительно чудом, обогнавшим время.Рис. 281. Самокатка И. П. Кулибина
В наше время мусколоходы блестяще представлены велосипедами и веломобилями, причем последним предсказывают большое будущее.Строились автомобили и на накопленной механической энергии. И если об автомобиле с приводом от маховика мы уже говорили, то были и пружинные автомобили, о которых известно из истории транспорта. Пружиномобиль с мускульным подзаводом для выездов королей оказался буквально безделушкой по сравнению с заводным пружинным омнибусом, построенном в США в городе Новом Орлеане в 1870 г.
Омнибус массой около 500 кг был снабжен восемью пружинными двигателями из стальных ленточных пружин. Утверждают, что пружинный омнибус развивал мощность в 16 лошадиных сил (около 12 кВт) и перевозил десяток пассажиров. Но, зная о малой удельной энергии пружин, можно думать, что пробег омнибуса был очень незначителен – сотни метров, если не меньше.
Автор знает об этом из собственного опыта, так как в свое время построил гибрид из маховика и пружин с приводом на колеса лобовым вариатором. Распугивая студентов, он разъезжал на этом чуде по коридорам Политехнического института в городе Тольятти, где он тогда работал.
Если же говорить об автомобилях обязательно с тепловыми двигателями, то первым был автомобиль с паровым двигателем, который появился в Китае в 1668 г. Изготовил его в Пекине миссионер ордена иезуитов бельгиец Фердинанд Вербист, служивший астрономом при дворе императора Канси. На тележке находилась реторта с трубкой, направленной на турбину, соединенную шестернями с ведущими колесами (рис. 282). Машина имела 60 см в длину. При разведении огня под ретортой вырывающийся из нее пар вращал турбину, и автомобиль двигался, причем мог ездить больше часа. Тележка была неуправляемой, никто на ней не ездил, хотя принципиально она вполне могла быть изготовлена больших размеров и возить людей.
Рис. 282. Паромобиль Ф. Вербиста. Модель, воспроизведенная в 1775 г. физиком Бекманом
Паровой реактивный автомобиль Ньютона появился уже гораздо позже.А дальше произошла интересная история. Изобретатель парового двигателя Дж. Уатт, которому сам Бог, казалось, велел заниматься паровыми автомобилями, вдруг на старости лет стал ретроградом и, пользуясь своими патентными правами, начал запрещать строить паромобили. Уильям Мердок, один из учеников Уатта, тайком построил действующий небольшой паромобиль (рис. 283) и испытывал эту «огнедышащую машину» по ночам (что привело к смерти от страха случайно встретившего этот паромобиль священника).
Рис. 283. Паромобиль У. Мердока (схема)
Во Франции же, где английский патент Уатта не имел силы, артиллерийский офицер Н. Кюньо разработал и построил паровой автомобиль – лафет с двухцилиндровой паровой машиной (рис. 284). Это фактически первый полноразмерный паровой автомобиль массой 4,5 тонны с приводом на переднее управляемое колесо, на котором, кстати, и «висел» паровой двигатель с котлом.Рис. 284. Паромобиль-лафет Н. Кюньо:
а – чертеж; б – наезд паромобиля на стенку (старинный рисунок)В результате машина плохо слушалась руля и постоянно наезжала своим опасным котлом и кочегаркой на стены домов и ограды, что видно из старинного рисунка (см. рис. 284, б). От французского слова «шофер», что означает «кочегар», и пошло название профессии водителя.
Неудачи первых паровиков не сломили энтузиастов, и вскоре появились более изящные паромобили, например английский паромобиль изобретателя Р. Треветика (рис.285), построенный в 1803 г.
Рис. 285. Паромобиль Р. Треветика (схема)
Рис. 286. Паровоз Р. Треветика – первый в мире
Появились и паровозы, первый из которых был построен также Р. Треветиком в 1803 г. (рис. 286). Вообще, Ричард Треветик, один из самых талантливых создателей парового транспорта, был проклят Уаттом (который, как уже было упомянуто, деспотически запрещал паровой транспорт), умер в полной нищете и был похоронен в безымянной могиле для нищих. Но его дело не пропало даром, и вскоре появились паровозы – как «ногастые» уроды (рис. 287 а, б), так и знаменитый красавец «Ракета» Дж. Стефенсона (рис. 288), которого многие считают создателем паровоза вообще. Ведь XIX в. был веком триумфа паромобилей, а паровозы сохранились до половины XX в. Автор этих строк имел счастье в детстве ездить на поездах с паровозной тягой, где после выхода поезда из туннеля пассажиры вытирали сажу с лиц друг у друга. А что делалось в старом Лондонском метро, где поезда, ведомые паровозом, ходили по туннелям, представить трудно!Рис. 288. Паровоз «Ракета» Дж. Стефенсона
Современная эра автомобиля начинается с использования на колесном экипаже двигателя внутреннего сгорания. Обычно считают, что первый автомобиль с таким двигателем построил Карл Бенц в 1885 г. (рис. 289). Даже столетие автомобиля отмечали в 1985 г. Между тем еще в 1864 г. австрийский инженер-электротехник Зигфрид Маркус на 21 год раньше Бенца создал первый автомобиль с двухтактным бензиновым двигателем с электрическим зажиганием!Рис. 289. Первый автомобиль К. Бенца, развивавший скорость 15 км/час
Но почему-то вклад Маркуса в автомобилестроение был забыт, а создателями первых автомобилей были объявлены те, кто организовал их производство и продажу – Даймлер и Бенц!Автомобиль Маркуса (рис. 290), который он построил в 1874—1878 гг. (это была следующая модель), до сих пор цел и хранится в венском Политехническом музее. В 1950 г. 75-летний первый автомобиль вывели на улицы Вены и торжественно проехали на нем, демонстрируя приоритет Австрии.
Рис. 290. Первый в мире автомобиль, работавший с двигателем внутреннего сгорания, по строенный З. Маркусом
Чем хороши тепломеханические гибриды?
Мы уже имеем современные, аэродинамических форм автомобили, оснащенные мощными экономичными двигателями внутреннего сгорания. КПД карбюраторных двигателей уже доведен до 30—35 %, дизелей – до 40—43 %. Но помните великого Станиславского с его знаменитым: «Не верю!»? Давайте и мы проверим, так ли это на самом деле.
1 кг бензина или солярки при сгорании выделяет 46,1 МДж. А легковой автомобиль, прошедший 100 км со средней для городского движения скоростью 40—60 км/ч, расходует на механическую работу по своему перемещению 20 МДж. Выходит, при КПД двигателя около 40 % расход топлива на 100 км должен быть около 1 кг! Спросите даже у опытных таксистов, сколько они расходуют топлива на 100 км пути в городе, и вы узнаете, что реальный КПД двигателя не более 10 %. В чем же дело? Почему КПД оказался отброшенным к временам Бенца и Даймлера и даже дальше?
Здесь хочется ответить вопросом на вопрос: а каков будет КПД крупной тепловой электростанции, если ее энергией питать… одну электролампочку? Еще меньше.
Любой тепловой двигатель рассчитан на определенную мощность, и КПД его максимален при мощности, близкой к максимальной. Если автомобиль, например легковой, будет эту мощность расходовать целиком, то ехать он должен со скоростью 150—200 км/ч. При этом почти вся энергия уйдет на «взбалтывание» воздуха – аэродинамические потери. Если же ехать со средней скоростью 60 км/ч (что для города даже много, она составляет для крупных городов 40—20 и менее км/ч), то двигатель не будет использовать даже десятой части своей мощности. Почти как лампочка, питаемая всей электростанцией. Вот и выходит КПД ниже Бенцовского.
Предположим, что КПД двигателя – это отношение механической энергии, выделенной для перемещения автомобиля, к тепловой энергии сгоревшего топлива. С КПД всего автомобиля сложнее, но давайте условно считать им отношение минимальной работы перемещения автомобиля к тепловой энергии сгоревшего топлива на этом же перемещении. Рассмотрим результаты зависимости этих КПД от скорости автомобиля. Что же мы получаем? Наиболее экономичное движение автомобиля наблюдается на скорости 40—50 км/ч для грузовиков и 60—70 км/ч для легковых автомобилей. Минимальный расход топлива при этом даже называется контрольным расходом, но КПД двигателя – ниже 10 %.
1 кг бензина или солярки при сгорании выделяет 46,1 МДж. А легковой автомобиль, прошедший 100 км со средней для городского движения скоростью 40—60 км/ч, расходует на механическую работу по своему перемещению 20 МДж. Выходит, при КПД двигателя около 40 % расход топлива на 100 км должен быть около 1 кг! Спросите даже у опытных таксистов, сколько они расходуют топлива на 100 км пути в городе, и вы узнаете, что реальный КПД двигателя не более 10 %. В чем же дело? Почему КПД оказался отброшенным к временам Бенца и Даймлера и даже дальше?
Здесь хочется ответить вопросом на вопрос: а каков будет КПД крупной тепловой электростанции, если ее энергией питать… одну электролампочку? Еще меньше.
Любой тепловой двигатель рассчитан на определенную мощность, и КПД его максимален при мощности, близкой к максимальной. Если автомобиль, например легковой, будет эту мощность расходовать целиком, то ехать он должен со скоростью 150—200 км/ч. При этом почти вся энергия уйдет на «взбалтывание» воздуха – аэродинамические потери. Если же ехать со средней скоростью 60 км/ч (что для города даже много, она составляет для крупных городов 40—20 и менее км/ч), то двигатель не будет использовать даже десятой части своей мощности. Почти как лампочка, питаемая всей электростанцией. Вот и выходит КПД ниже Бенцовского.
Предположим, что КПД двигателя – это отношение механической энергии, выделенной для перемещения автомобиля, к тепловой энергии сгоревшего топлива. С КПД всего автомобиля сложнее, но давайте условно считать им отношение минимальной работы перемещения автомобиля к тепловой энергии сгоревшего топлива на этом же перемещении. Рассмотрим результаты зависимости этих КПД от скорости автомобиля. Что же мы получаем? Наиболее экономичное движение автомобиля наблюдается на скорости 40—50 км/ч для грузовиков и 60—70 км/ч для легковых автомобилей. Минимальный расход топлива при этом даже называется контрольным расходом, но КПД двигателя – ниже 10 %.