История двигателя и его роль в народном хозяйстве

История двигателя и его роль в народном хозяйстве

В самом деле, задача поставленная себе молодым студентом, была столь же грандиозна, сколь и своевременна.

В развитии производительных сил человечества реконструкция энергетического хозяйства (в частности основы всякого производства — двигателя) являлась всегда одним из важнейших технических и экономических факторов.

На самых ранних ступенях хозяйства вплоть до появления развитого ремесла роль двигателя исполнял сначала человек, а затем рядом с ним — животное. Но уже в период ремесленной системы производства началось внедрение примитивных двигателей, использующих силу воды или ветра, для обслуживания отдельных производств в тогдашнем хозяйстве. Развитие этих механических двигателей, в частности водяного колеса, являлось в то время экономическим фактором первостепенного значения. Водяное колесо стало тем техническим фактором, с которым был непосредственно связан новый этап в развитии производительных сил — век мануфактуры; развитие рабочих машин, т. е. таких исполнительных механизмов, которые создают непосредственно самый предмет потребления, вынуждало к переходу на новый род двигателя. Водяное колесо, будучи господствующим типом двигателя в эпоху мануфактуры, являлось и основным условием для размещения промышленных центров. Местонахождение производства зависело от существования потока воды, который нужен был для приведения в движение водяного колеса. На следующих ступенях развития производства понадобилось усовершенствование этих водяных двигателей. Но уже в конце эпохи мануфактуры сказалось несоответствие этого рода двигателя общему процессу развития производительных сил: водяное колесо сковывало их развитие и по пространственному размещению и по линии их концентрации. Из революционного фактора, каким оно было в начале своего применения, водяное колесо превращалось в реакционную силу, тормозившую переключение производительных сил на более высокую техническую основу.

В конце XVII и в начале XVIII в. потребление, росшее быстрее производства, вызвало изобретение множества рабочих машин: прядильных, хлопкоочистительных, лесопильных и т. п. Существование этих машин создало необходимость в новом более совершенном двигателе, каким и явилась паровая машина.

Исходным пунктом промышленной революции, начавшейся в середине XVIII в., в каждой данной отрасли производства была, как правило, революция в исполнительном механизме. Но дальнейший ход промышленной революции был непосредственно связан уже с реконструкцией двигателя. Эта реконструкция и связанные с ней решительные сдвиги в развитии производительных сил были произведены появлением паровой машины Уатта.

В своем примитивном виде паровая машина появилась еще: в XVII в. Ее изобрел француз Папин. «Но в Германии, — замечает по этому поводу Фридрих Энгельс, — немец Лейбниц рассыпал вокруг себя гениальные идеи без заботы о том, припишут ли заслугу этого ему или другому; Лейбниц, как мы знаем теперь из переписки Папина, подсказал ему основную идею этой машины — применение цилиндра и поршня. Вскоре после этого англичане Севери и Ньюкомен придумали подобные же машины. Наконец, земляк их Уатт, введя отдельный конденсатор, придал паровой машине ее современный тип».

В начальном периоде развития паровых машин заслуживает также особого внимания паровая машина русского горного мастера — шихтмейстера Ползунова, построившего в 1765 г. в Барнауле «огненную машину» для приведения в движение мехов одной из плавильных печей Барнаульского завода. К несчастью для русской техники, изобретатель этой замечательной машины умер за четыре дня до пуска ее в ход. Не получив дальнейшего усовершенствования, машина Ползунова проработала около двух месяцев, а затем была заброшена и забыта. Она представляла собой видоизменение машины Ньюкомена, но в ней впервые были применены автоматическое парораспределение, передача цепью и принцип сдваивания цилиндров.

Как всякое изобретение, паровая машина явилась плодом деятельности, творчества и опыта не одного человека, сделавшего последние выводы из накопленного его предшественниками опыта, но многих людей, людей разных времен и национальностей. Однако «только с изобретением второй машины Уатта, — напоминает нам Карл Маркс, — так называемой машины двойного действия, был найден первый мотор, который, потребляя уголь и воду, сам производит двигательную силу и действия которого находятся всецело под контролем человека. Двигатель — и сам средство передвижения; он позволяет концёнтрировать производство в городах, вместо того чтобы рассеивать его в деревнях. Наконец, он универсален по своему техническому применению и сравнительно мало зависит от тех или иных локальных условий. Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1774 г., давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».

Весь дальнейший путь промышленного капитализма был непосредственно связан уже с развитием паровых машин в качестве двигателей.

Однако во вторую половину XIX в. вновь выступило техническое противоречие между темпами развития производительных сил капиталистического хозяйства и ограниченностью его энергетического базиса. Это противоречие ко времени, с которого начинается наш рассказ, именно в последнюю четверть XIX столетия, обострилось до крайности. Развитие монополистического капитализма, сопровождавшееся концентрацией производительных сил, требовало реконструкции энергетической базы предшествующей эпохи. Паровая машина, громоздкая и трудно переносимая, соединенная механическим приводом с исполнительным механизмом, ограничивала пространственное размещение промышленности, ограничивала она и масштаб концентрации благодаря незначительной мощности агрегатов.

В то же время ограниченность запасов высокосортного минерального топлива, беспощадно пожираемого паровым двигателем с низким коэффициентом полезного действия, выдвинула в отдельных странах и районах перед техникой капиталистического хозяйства задачу вовлечения в производство новых энергетических источников, в частности — низкосортного топлива, и задачу использования их на новой более совершенной технической основе с более высоким коэффициентом полезного действия.

Техника в XIX в. сделала очень много, казалось даже все, в области конструктивных усовершенствований парового двигателя. Для достижения поставленной задачи изобретательская мысль должна была обратиться в сторону постройки принципиально новых двигателей, именно двигателей внутреннего сгорания, и паровых турбин.

Паровая машина служила для превращения теплоты сжигаемого топлива в работу. Употребительнейшим топливом были нефть и уголь. Уголь был более дешев, чем нефть, но нефть имела свои преимущества, заключавшиеся в удобстве перевозки, хранения и сжигания путем впрыскивания в печь посредством распыливающего аппарата, так называемой форсунки. С точки зрения экономичности использования тепла паровые котлы имели огромное неудобство: их невозможно было нагревать так, чтобы полностью использовать теплоту печи. Изобретателям ничего не оставалось делать, как попытаться перенести самую печь в цилиндр, сжигать топливо в самом рабочем цилиндре, т. е. создать двигатель внутреннего сгорания.

Надо заметить, что попытки этого делались задолго до создания паровой машины, являющейся двигателем внешнего сгорания. Еще в 1673 г. в лаборатории голландского физика Христиана Гюйгенса Дени Папин изобрел машину, в которой поршень поднимался кверху при помощи взрыва порохового заряда, наполнявшего цилиндр горячими газами. По охлаждении этих газов атмосферное давление гнало поршень обратно, и, хотя заряжение происходило с большой возней, так как надо было отнимать дно цилиндра, все же Папин имел дело с прототипом двигателя внутреннего сгорания. По остроумному замечанию машиноведов пушка является, в сущности говоря, также двигателем внутреннего сгорания с той разницей, что при каждом ходе поршень совсем вылетает из цилиндра.

Практического применения машина Папина, разумеется, не имела. Первой попыткой создания работающей машины этого рода является газовый двигатель, изобретенный французским механиком Ленуаром в 1860 г. В нем смесь светильного газа и воздуха, так называемая горючая смесь, засасывалась в цилиндр движением поршня, как вода втягивается в шприц. Когда поршень был на половине своего хода, смесь зажигалась посредством искры и происходил взрыв, который давлением образующихся при этом газов гнал его дальше. Когда поршень доходил до конца, в цилиндре открывался клапан и выпускал сгоревшие газы наружу.

Усовершенствованные позднее двигатели Ленуара все же не нашли себе распространения: коэффициент их полезного действия колебался от трех до пяти процентов, мощность их была незначительна, потребляемое топливо дорого, и никакого преимущества перед паровыми машинами они не имели.

Возможность использования в промышленности газовых двигателей явилась лишь тогда, когда был изменен рабочий процесс в двигателях этого типа, а именно было применено сжатие засосанной в цилиндр горючей смеси перед зажиганием ее. Сжатие рабочей смеси перед зажиганием было предложено французским инженером Бо-де-Роша, но применено оно было впервые в газовом двигателе немецким техником Николаем Отто из Кельна спустя 14 лет. Именно в том же 1878 г., когда Рудольф Дизель сделал свою умную запись на полях тетради, Отто взял патент на четырехтактный газовый двигатель, построенный на принципе сжатия рабочей смеси перед зажиганием. Этот принцип и был положен впоследствии в основу всего моторостроения. С этого момента началось значение двигателей внутреннего сгорания и внедрение их в транспорт и промышленность.

Рабочий процесс, совершавшийся в цилиндре нового двигателя, получил известность как цикл Отто. По этому циклу работают и современные бензиновые моторы, автомобильные и авиационные.

Схема работы двигателя по циклу Отто

Цикл Отто заключается в следующем.

Допустим, что имеется цилиндр двигателя, в котором находится поршень, связанный при помощи шатуна с коленчатым валом, и поршень находится в крайнем своем положении, до которого ему позволяет дойти коленчатый вал. В этом положении между поршнем и крышкой цилиндра остается промежуток, представляющий собой камеру сжатия. Цилиндр в крышке своей имеет грибообразные клапаны, головки которых прикрывают отверстия; клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и открываются в должный момент при помощи кулачков на валу, приводимых в движение самой же машиной.

Двигатель пускается в ход посторонней силой. Пока поршень движется вперед, выпускной клапан остается закрытым, впускные же приподнимаются своими кулачками, и через них всасываются в цилиндр газ и воздух, образующие рабочую горючую смесь. Этот ход называется первым тактом, или ходом всасывания. К концу этого хода впускные клапаны закрываются, а поршень движется назад, сжимая рабочую смесь. Это — второй такт, или ход сжатия. Когда смесь сжата, она зажигается посредством электрической искры или иным способом и взрывается, т. е. быстро сгорает, освобождая при этом теплоту. Благодаря выделению теплоты происходит расширение газов, вследствие чего давление возрастает, прежде чем поршень успевает уйти, так что максимальное давление получается в тот момент, когда поршень находится еще в крайнем своем положении: газы с силой толкают поршень. Это — третий такт, или рабочий ход. При нем все клапаны закрыты. Он приводит в движение коленчатый вал, сообщающий вращательное движение маховику и далее через привод исполнительному механизму. Когда поршень дошел до конца, открывается выпускной клапан, и поршень, двигаясь назад, выгоняет отработавшие газы наружу. Это — четвертый такт, или выхлоп. Этим и заканчивается рабочий процесс каждого цикла.

Приводимый далее уже инерцией маховика в движение двигатель повторяет свой четырехтактный цикл. В этом цикле, как ясно, имеется лишь один рабочий ход — на четыре. Позднее были изобретены англичанином Дугласом Кларком двигатели, работающие по двухтактному циклу, при котором один рабочий ход приходится на каждый оборот вала.

Первый газовый двигатель Отто

Сжатие рабочей смеси перед зажиганием чрезвычайно повысило коэффициент полезного действия в новых двигателях, работающих по циклу Отто. Уже первые газовые двигатели, выпущенные преобразованной в завод механической мастерской Отто в Дейтце под маркой «Отто-Дейтц», по коэффициенту полезного действия (в 17–18 %) далеко превзошли паровые машины того времени такой же мощности. В этих двигателях степень сжатия доходила до пяти, т. е. рабочая смесь перед воспламенением сжималась до одной пятой своего первоначального объема. При предварительном сжатии рабочей смеси давление газов после сгорания значительно возрастает. Точные подсчеты показали, далее, что чем выше степень сжатия, т. е. чем больше смесь сжимается перед зажиганием, тем большая часть тепла, освобождающегося при сгорании, превращается в работу. При высоких степенях сжатия получается не только большее расширение газов, а стало быть, и давление, но и уменьшается потеря тепла в этом периоде рабочего процесса.

Казалось теперь, что конструктора новых двигателей пойдут все дальше и дальше в увеличении степени сжатия. Однако степень сжатия в моторах, работающих по циклу Отто, и до сего времени обычно не превышает семи.

Дело в том, что с увеличением сжатия увеличивается не только давление, угрожающее прочности цилиндра, но, главное, слишком разогревающаяся от сжатия смесь взрывается раньше времени, в самом процессе сжатия, до появления искры, вследствие чего работа мотора теряет свою производительность и сопровождается стуками (явление детонации).

Таким образом изобретательская мысль замкнулась как будто в кругу технической возможности. Последователям Отто оставалось лишь развивать его идею, не выходя за пределы этого круга.

Студент Мюнхенского политехникума в это время стал, однако, на совершенно иной путь для достижения той же цели.

Теоретических и конструктивных предпосылок для нового типа двигателя внутреннего сгорания было достаточно. Только и оставалось явиться уму, который бы, по справедливому замечанию Гельвеция, закончил работу многих и получил бы славу и имя гения.

Этим умом и оказался Рудольф Дизель.