Глава 2 Бензиновый и керосиновый двигатели внутреннего сгорания

У паровой машины топливо сгорает в топке котла, а в цилиндре работает водяной пар. В двигателе внутреннего сгорания горючее сгорает в самом цилиндре, а рабочим телом являются образующиеся при этом внутри цилиндра газы.

Вот почему такие моторы называются двигателями внутреннего сгорания.

Надо сказать, что в простейшем своём виде они возникли раньше парового двигателя. В сущности уже обыкновенная пушка представляет собой своеобразный двигатель внутреннего сгорания с той особенностью, что «поршень», т. е. снаряд, вовсе вылетает из цилиндра.

Попытки создать годный для работы двигатель внутреннего сгорания начались после того, как был найден способ получать из разного твёрдого топлива путём нагревания его без доступа воздуха светильный газ. Газ, подобно водяному пару, легко и удобно подводить в цилиндр из газогенератора. Попытка многих изобретателей не имела успеха. Практическое применение нашёл газовый двигатель французского самоучки-рабочего Жана Ленуара, взявшего свой патент в I860 году.

Двигатель Ленуара конструктивно копировал паровой двигатель, с той лишь разницей, что в цилиндр подавался не водяной пар, а светильный газ, смешанный с воздухом. Смесь взрывалась электрической искрой, газ и воздух распределялись коробчатым золотником, а прямолинейно-возвратное движение поршня превращалось во вращательное на валу двигателя при помощи кривошипа.

Потребность в небольшом, удобном для мелкой промышленности двигателе, не нуждающемся в громоздком паровом котле, была так велика, что даже маломощный и далеко не экономичный двигатель Ленуара имел большой, хотя и кратковременный успех. На новый двигатель возлагались такие надежды, ему сулили столь блестящие перспективы, что немецкий купец Николай Отто, забросив свои торговые дела, взялся за то же дело. Без всякой научной и практической подготовки он стал производить опыты с построенным для него газовым двигателем. Отто заставлял машину засасывать смесь воздуха и газа в самых разнообразных пропорциях, производил взрыв смеси при самых различных положениях поршня и после каждого опыта записывал, рассчитывал, соображал. Уважение к расчёту, привитое Отто торговым делом, он перенёс и в своё техническое предприятие.

Таким образом, этот купец экспериментировал не ради проверки теоретических положений, о которых он понятия не имел, а в поисках случая, который бы показал ему, при «каких условиях лучше всего может работать газовый двигатель.

В результате Отто убедился, что взрыв надо производить при самом начале хода поршня. И вот, однажды, выключив зажигание и желая вернуть поршень к его крайнему положению, когда смесь уже находилась в цилиндре, Отто повернул маховое колесо, а затем дал искру. Возвращаясь к своему верхнему положению, поршень, естественно, резко сжал находившуюся в цилиндре горючую смесь. Произведя затем взрыв, Отто, к великому своему удивлению и не меньшей радости, увидел, что маховое колесо на этот раз получило необычайно сильный толчок и сделало значительно больше оборотов, чем обычно.

Горючая смесь, подвергнутая предварительному сжатию, совершила гораздо большую работу, чем без сжатия. Случай открыл купцу истинный и верный путь к созданию наивыгоднейшего процесса работы в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, но ему нехватало хотя бы элементарных теоретических знаний, чтобы немедленно пойти по этому пути.

Ничего толком не понимая в рабочем процессе, происходящем в цилиндре двигателя, Отто не сразу воспользовался своим открытием. Сначала он стал выпускать в продажу вертикальные атмосферные газовые двигатели. В таких двигателях поршень взлетал вверх под давлением газов, расширяющихся после взрыва, а опускался под давлением атмосферного давления и собственной тяжести.

Однако впоследствии, продолжая свои занятия, Отто вспомнил о своём открытии и построил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Топливом для него служил газ. Это было уже в 1876 году.

Четырёхтактный рабочий процесс, лежащий в основе всего современного моторостроения, состоит в том, что пущенный в ход посторонней силой двигатель при первом ходе поршня втягивает в цилиндр смесь газа и воздуха, а при втором, обратном, ходе сжимает смесь поршнем в запертом цилиндре примерно до одной пятой первоначального объёма. При третьем ходе смесь взрывается электрической искрой, и образующиеся продукты сгорания, расширяясь, толкают поршень назад с большой силой. Обратным, четвёртым ходом поршня отработавшие газы выбрасываются из цилиндра.

Первые два хода и последний совершаются за счёт инерции маховика. Один только третий ход из четырёх является рабочим. Первый ход, или такт, называется ходом всасывания, второй — сжатием, третий — рабочим, а четвёртый — выхлопом. Приведённая в движение посторонней силой машина начинает далее работать самостоятельно, повторяя свой четырёхтактные циклы. Впуск газа и воздуха, как и выхлоп, совершается при помощи клапанов, автоматически открывающихся в нужный момент.

Двигатели Отто, оказавшиеся несравненно более экономичными, чем двигатели Ленуара, получили очень большое распространение во всех областях промышленности: на фабриках, заводах, в мелких предприятиях, вроде типографий, мастерских. А уже через год после их появления в Германии были выданы два патента на локомотивы с газовыми двигателями.

Однако, пока проектировались, рассчитывались и строились эти первые локомотивы, инженер Люринг решил, что будет удобнее поставить двигатель в самый вагон. Затея удалась как нельзя лучше, и в 1892 году по Дрезденской городской железной дороге стал курсировать пассажирский вагон с газовым двигателем. В вагоне помещалось несколько резервуаров с газом, сжатым до шести атмосфер. Специальные двигатели располагались под сиденьями по середине вагона. Валы их связывались с движущими осями посредством цепей Галля. На крыше вагона находились резервуары с водой для охлаждения цилиндра двигателя.

Опытный вагон понравился публике. Через два года была построена в Дессау первая железная дорога с такими газоходами. Она работала довольно долго, но не могла конкурировать с трамваями.

На конечных пунктах линии имелись станции для сжатия газа; его поставлял городской газовый завод. Линию протяжением около пяти километров обслуживали десять вагонов-газоходов.

Зависимость от газового завода и дороговизна топлива не могли содействовать повсеместному применению газовых двигателей.

Стремление избавиться от газового топлива заставило изобретателей искать чего-нибудь другого. Уже на заводе «Отто-Дейтц» главный инженер предприятия Готлиб Даймлер, оказавший очень много услуг Отто при создании газовых двигателей, пробовал заменять светильный газ парами керосина и бензина. Конструктор в конце концов бросил работу у Отто и организовал собственные мастерские, чтобы заняться разработкой конструкции бензинового мотора.

В 1883 году Даймлер построил быстроходный двигатель, работавший по циклу Отто, но не на газе, а на бензине. Даймлер построил особый аппарат, получивший потом название карбюратора: в нём происходили испарение бензина и смешивание его паров с воздухом.

Смесь поступала в цилиндр, где сначала сжималась, а затем взрывалась электрической искрой.

Освободившись от необходимости иметь при моторе целый «газовый завод», Даймлер поставил свой двигатель на обыкновенные извозчичьи дрожки и заставил его вращать колёса экипажа.

Испытывая свой мотор, Даймлер не знал ещё, где он найдёт настоящее применение. Одновременно он построил локомотивчик для узкоколейных заводских путей, а затем и пассажирский вагон. Сейчас бензиновые моторы сохранились лишь на автодрезинах и мотовозах малой мощности.

Найдя себе широчайшее применение в автомобильном и воздушном транспорте, бензиновые двигатели, как и газовые, не привились в качестве тепловозных машин главным образом вследствие их небольшой мощности, малой экономичности, сложности устройства и дороговизны топлива.

Керосиновый двигатель Яковлева В то же время в России инженером В. С. Яковлевым был создан ещё один тип двигателя внутреннего сгорания — керосиновый двигатель.

Русский конструктор исходил из потребностей русской мелкой кустарной промышленности и сельского хозяйства, нуждавшихся в небольшом, экономичном, легко переносимом универсальном двигателе, с одной стороны, а с другой — из наличия в стране превосходного по качеству знаменитого «русского керосина», выработку которого, как известно, первыми в мире начали братья Дубинины на Северном Кавказе в 1823 году.

Братья Дубинины предложили способ «очищения чёрной нефти», превращения нефти в «белую нефть», т. е. керосин, и тем положили начало новой огромной отрасли промышленности.

Крупный деятель нефтяной промышленности прошлого века инженер-химик В. А. Рагозин справедливо писал по этому поводу в своей книге «Нефть и нефтяная промышленность»: «В то время, когда ещё патентованные учёные Европы смотрели на нефть как на материал, годный лишь для «обмазки колёс и других машин», в горах Северного Кавказа люди, ближе стоящие к жизни и наблюдавшие вещи непосредственно, работали уже над «превращением чёрной нефти в белую», то-есть над перегонкой нефти и получением из неё продуктов дистилляции, более пригодных для освещения, чем сырая нефть. Люди эти — братья Дубинины, крестьяне графини Паниной, Владимирской губернии, Гороховецкого уезда, села Нижнего Ландика, и им принадлежит по праву имя основателей керосинового производства».

Демонстрировавшиеся на всех выставках Петербурга и Москвы двигатели Яковлева представляли собой вертикальные двигатели внутреннего сгорания, топливом которым служил обыкновенный керосин. Очень интересно была разрешена конструкция испарителя, в которой для нагревания испарительной чугунной коробки, было использовано тепло отработавших в цилиндре газов. Самый испаритель представлял собой чугунную коробку, состоящую из целого ряда наклонных плоскостей, по которым стекал поступающий в испаритель керосин. Так как нагревание испарителя шло через стенки отработавшими газами, то смешение паров керосина с этими газами было невозможно.

Те же отработавшие газы Яковлев использовал и для подогрева воздуха, поступающего в испаритель, что в общем вело к повышению температуры поступающей в цилиндр горючей смеси ещё до её воспламенения. Зажигание смеси в двигателе Яковлева производилось раскалённой фарфоровой трубкой, которая поддерживалась в раскалённом состоянии керосиновой горелкой, помещавшейся в кожухе, выложенном асбестом.

В отличие от всех других двигателей внутреннего сгорания того времени, в двигателе Яковлева регулировалась не подача газа или бензина, а сама поступающая в цилиндр горючая смесь.

Совершенно оригинально были сконструированы Яковлевым клапанная коробка, клапаны и прочие детали двигателя.

Керосиновые двигатели были экономичнее паровых и одинаковы с газовыми, но представляли значительно большие удобства для мелкой промышленности и сельского хозяйства, особенно в России, где газовых заводов было не более десятка и обслуживали они только освещение в крупнейших городах.