Удивительная физика

В машине Севери, как и у Герона, использовались как избыточное давление пара, так и вакуум, возникающий при конденсации пара.

1 – тяга; 2 – груз; 3; 8 – цепи; 4; 6 – плечи балансира; 5 – балансир; 7 – бачок; 9 – поршень; 10 – цилиндр; 11; 13 – краны; 12 – котел

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.

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!

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.

а – общий вид; б – схема: 1 – поршень; 2; 4 – золотники; 3 – цилиндр

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).