1863 г. в Париже тиражом 300 экземпляров вышла книга А. Бо-де-Роша "Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра". Основываясь на теоретических разработках Карно, сам далекий от практической реализации его идей, автор описывал практический цикл, повышающий экономичность двигателя, по сравнению с двигателем Ленуара, в 5—6 раз. Причем делал упор на предварительное сжатие, доказывая:"... Основное, что должен сделать конструктор, — добиться повышения предварительного сжатия в цилиндре до максимальной степени".
В книге Бо-де-Роша изложил оформленный им в 1862 г. патент, который имел форму мемуаров и назывался "Новейшие исследования относительно практических условий применения теплоты". Согласно взглядам автора, условия для более полного превращения теплоты в работу следующие: максимальный объем цилиндра при минимальной поверхности, образующей камеру сгорания; наибольшая возможная скорость поршня; наибольшее возможное расширение; максимальное давление в начале расширения. Чтобы осуществить все это, он предлагал такую последовательность процессов: всасывание газовоздушной смеси в течение первого хода поршня; ее сжатие во время второго хода; зажигание при положении поршня в верхней мертвой точке и расширение газов во время третьего хода; выталкивание продуктов сгорания во время четвертого хода. То есть Бо-де-Роша обосновал практически реализуемый четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, заменив им теоретический и не используемый на практике цикл Карно.
Бо-де-Роша, автор прогрессивной идеи, не имел средств для воплощения своего принципа в реальный двигатель. Попытка убедить Ленуара в целесообразности использования этого принципа в его двигателе не увенчалась успехом. Впоследствии, когда на Парижской выставке 1878 г. фирма "Отто" демонстрировала свой двигатель, в который был заложен четырехтактный цикл, к Ленуару подошел Бо-де-Роша и сказал: "Вот Вы и прогадали... Вы так ничего и не поняли до сих пор? Ведь двигатель работает по моему циклу. Он совершает четыре такта. Вы понимаете, что значит четыре такта? ... Вам еще придется вернуться к моему циклу, если Вы не захотите вылететь в трубу. Песенка Вашего пожирателя газа спета". Но Ленуар ни тогда, ни позже действительно ничего не понял.
Слова Бо-де-Роша были пророческими. Из-за собственной недальновидности, явившейся результатом технической неграмотности, Ленуар не смог перестроить свое мышление и использовать достижения инженерной мысли. Это привело к тому, что его двигатели были вытеснены с технического рынка более совершенными моделями.
Точности ради следует отметить, что принцип предварительного сжатия был реализован не сразу. Патент Бо-де-Роша 1862 г. и его книга выпуска 1863 г. оставались мало кому известными даже среди предпринимателей, занимающихся изготовлением двигателей. Поэтому выпушенный в 1867 г. первый двигатель Отто и Лангена, решивших организовать фабрику по производству двигателей, был атмосферного типа, с реечным механизмом преобразования движения и вертикальным цилиндром. Созданный через 13 лет после двигателя Барзанти и Маттеучи, он отличался от него только более сложным механизмом преобразования движения: был не с храповым механизмом, а с обгонной муфтой (первые экземпляры) либо с клиновым захватом ремня, натянутого между двумя шкивами. И хотя данный двигатель на Парижской выставке 1867 г. благодаря своей экономичности (расход газа 1,359 м3/(л. с.-ч), а на более поздних моделях — до 0,4 м3/(л. с.'- ч)) получил золотую медаль, он не отличался прогрессивными решениями. Тем не менее требования малой промышленности обусловили то, что завод за 10 лет выпустил свыше 5 тыс. этих далеко несовершенных двигателей. Но мощность даже самого большого из них не превышала 2,2 кВт (3 л. с.).
В 1877 г. предприятие Отто "Газмоторен фабрик Дойтц" получило патент (№ 532) на новый вариант двигателя — горизонтальный, работающий по четырехтактному циклу.
В создании данного двигателя принимали участие Г. Даймлер, бывший в то время техническим директором фирмы, а также конструктор В. Майбах. Они применили золотниковое газораспределение с приводом золотника от распределительного вала, вращающегося в 2 раза медленнее основного вала двигателя. Зажигание — от дежурной газовой горелки. Мощность нового двигателя составляла 2,9 кВт (4 л. с.). На третьей всемирной выставке в Париже (1878 г.) он получил большую золотую медаль, оказавшись лучшим из 75 моделей двигателей других фирм.
Несмотря на то, что двигатель Отто по патенту 1877 г. работал по четырехтактному циклу с предварительным сжатием, Даймлер и Майбах не придали последнему большого значения, считая это вынужденным решением, связанным с реализацией четырехтактного цикла. Более интересным им казалось послойное введение газовоздушной смеси, которое, по замыслу Отто, должно обеспечивать воспламенению смеси в одной точке и замедленное распространение пламени в объеме камеры сгорания.
Отношение самого Отто к предварительному сжатию отражено в его записках. Вот цитата из них: "Воспламенение и сгорание должны происходить в начале хода поршня. И эта идея была сразу же проверена. Я заполнил цилиндр на 1/2 или 3/4 хода поршня рабочей смесью и попытался поворотом за маховик как можно сильнее ее сжать. Затем поджег и сразу заметил, что маховик сделал с большой силой несколько оборотов". И далее: "Это было начало четырехтактного двигателя".
Но так Отто написал в своих мемуарах. Во время же работы над двигателем он испугался такого резкого возрастания давления в цилиндре двигателя. Чему, возможно, способствовала плавная и бесшумная работа двигателя Ленуара, который Отто изучал в Париже и даже построил такой у себя на заводе. Более того, в одной из первых опытных моделей двигателя Отто применил воздушные демпферы для сглаживания резко возрастающих нагрузок от поршня на кинематику механизма преобразования движения.
Как уже отмечалось, не оценил четырехтактный двигатель и Ленуар. Посетив выставку, он сказал: "Четыре хода поршня на один рабочий — какая трата энергии! Один взрыв приходится на два оборота вала!.. Такая машина не может быть экономичной. Я говорю, что все слухи о ней — только коммерческий фокус".
Итак, двигатель фирмы "Дойтц" работал по четырехтактному циклу, в который в качестве одного из тактов включен такт сжатия, считавшийся вынужденно применяемым при реализации данного цикла. Каким образом пришло прозрение?
Югон, перекупивший за бесценок у стареющего Бо-де-Роша патент 1862 г., а также 250 из отпечатанных 300 экземпляров его книги, пытался шантажировать Отто и до выставки, предлагая ему снять двигатель с демонстрации, и после выставки на банкете, устроенном фирмой "Дойтц". Отто отреагировал на все предложения следующим образом: он встретился с Бо-де-Роша, а потом написал своему компаньону Лангену: "И как Вы думаете, кто открыл мне глаза на мои собственные возможности? Тот, кого Вы считали нашим врагом — Бо-де-Роша. (Видимо, Отто и Лангену все же была знакома книга Бо-де-Роша, если он пишет так. — Авт.) Он, ставший моим настоящим другом, объяснил мне истинный смысл моего открытия и, как дважды два — четыре, доказал, что мой двигатель — это только печальная ошибка на пути к отысканию истины".
По иску Рейтмана из Мюнхена в 1882 г., т. е. после пяти лет действия патента на четырехтактный двигатель, а также на основании сведений, опубликованных Бо-де-Роша в своей книге 1863 г. издания, суд аннулировал патент Отто на четырехтактный двигатель. Несмотря на это, фирма "Дойтц" за 20 лет построила более 6 тыс. четырехтактных газовых двигателей. Причем Отто до конца жизни поддерживал отношения с Бо-де-Роша, который на одной из последних встреч познакомил Отто со своей книгой "Новый принцип работы двигательных машин". Бо-де-Роша говорил о необходимости предварительного сжатия смеси, утверждая, что, если бы возможно было сжимать смесь воздуха со светильным газом или парами керосина до пятидесяти, ста атмосфер, это нужно было бы сделать, отводя под камеру сгорания возможно малую долю общего объема цилиндра. Но здесь имеется препятствие — неорганизованное самовозгорание смеси. И объяснил, что способ избежать самовозгорания есть: сжимать нужно чистый воздух.
Можно только преклоняться перед талантом этого далекого от практического воплощения процессов в ДВС "неудачливого изобретателя", который интуитивно чувствовал, осознавал и рекомендовал процессы ДВС. Ведь основные теоретические работы по теории ДВС появились намного позже выхода в свет книги Бо-де-Роша (Ренкин, 1866 г.; Шетлер, 1882 г.; Витц, 1885 г.; Цейнер, 1887 г.; Келер, 1887 г.; Грасгоф, 1890 г.; Гриневицкий, 1907 г.).
В письме к Лангену Отто пишет: "Мы вместе разработали вопрос и составили проект там, в Париже. Но вечером того же дня, когда мы закончили эту огромную работу, я узнал, что мой друг все уничтожил. Лишь после упорного и долгого спора с ним я добился права восстановить и опубликовать материалы после его смерти".
Бо-де-Роша умер в январе 1891 г. Сразу же после его смерти Отто, будучи больным, вызвал к себе Лангена из Берлина, чтобы передать ему сведения о новой схеме двигателя. Однако, когда Ланген приехал, Отто уже скончался.
Итак, основные принципы двигателя внутреннего сгорания, высказанные Лебоном в 1801 г., сформулированные Карно в 1824 г., разработанные для практической реализации в виде четырехтактного цикла Бо-де-Роша в 1863 г., а именно — переход от атмосферного типа к использованию давления газов, предварительное сжатие, четырехтактный цикл, как практический способ организовать предварительное сжатие — после ряда удачных и неудачных попыток были реализованы в конце XIX века. Был сформулирован также принцип двигателя высокого сжатия, в котором получила дальнейшее развитие идея Карно и Бо-де-Роша — увеличение предварительного сжатия, которое приводит к росту КПД двигателя.
Данный принцип реализовал Р. Дизель, построивший в 1897 г. работоспособный двигатель высокого сжатия.
Но остается, по сути, не реализованной до сих пор одна из идей С. Карно. Речь идет о последней фразе приведенной выше цитаты из книги Карно: "Затем заставить воздух выполнять работу в цилиндре с поршнем и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использования оставшейся температуры".
Карно, издав свою книгу в 1824 г. и рассматривая процессы в двигателе еще с позиций теплорода, понимал: вся тепловая энергия, полученная от сгорания топлива в цилиндре двигателя, не может быть преобразована в механическую работу. И считал возможным использовать теплоту отработавших в поршневой части газов в паровом цикле. По существу, он сформулировал идею комбинированного двигателя, состоящего из поршневого ДВС и паровой "надстройки". (Кстати, ряд авторов, рассматривая деятельность Карно, достаточно вольно обращаются с данной цитатой. Так, Л. Гуми-левский в книге "Рудольф Дизель" (ГОНТИ, 1938 г.) последнее предложение из цитаты Карно обрывает на словах "... и, наконец, выбросить его в атмосферу".)
Известно, что даже для современных двигателей количество теплоты, отведенной с отработавшими газами, составляет от 30 (дизель) до 40 % (двигатель с искровым зажиганием). Кроме того, неизбежны потери (до 23—25 %) теплоты в систему охлаждения цилиндров. То есть непроизводительные потери теплоты составляют 53—65 %. Другими словами, потери энергии больше ее затрат на полезную работу.
Температура отработавших газов в цилиндрах двигателя составляет 1073—1173 К (800—900 °С). Как известно, паровой цикл получения энергии (цикл Рен-кина) характеризуется параметрами пара: средними (температура — 623—673 К, или 350—400 "С, давление — 3,5—4 МПа, или 35—40 кгс/см2) и высокими (соответственно 773—823 К, или 500—550 °С, 10—13 МПа, или 100—130 кгс/см2). Отсюда видно, что паровой цикл можно применять даже с учетом последних достижений техники в области паровых циклов.
Как обстоит дело сейчас? Паровой цикл как утилизационный при использовании поршневых двигателей в качестве основных элементов дизельных силовых агрегатов нашел применение в морском флоте. Например, на судах японских фирм "Мицуи" и "Мицубиси", а также ряда других судостроительных фирм паровой цикл используется для получения электроэнергии. При этом если на судах "Мицуи" полученная таким образом электроэнергия обеспечивает только вспомогательные нужды судов (освещение, отопление, кондиционирование воздуха, силовые агрегаты и т. п.), то на судах "Мицубиси" — и как дополнительная к энергии дизельного электропривода силового вала судна. Аналогичный подход реализован и на английском судне "Куин Элизабет", в результате чего КПД использования энергии топлива достиг 73 %, а удельный расход топлива снизился до ПО г/(кВт-ч). (Напомним: идеальный цикл Карно при реальных параметрах рабочего тела допускает термический КПД не выше 70 %.)
Поскольку основной потребитель жидкого моторного топлива в настоящее время — это легковой автотранспорт, то паровой цикл, утилизирующий энергию отработавших газов, будет особенно выгодным именно на нем. Причем прецеденты есть. Например, до 1930-х годов на автомобилях, включая легковые, использовали паровые двигатели. На современных малых высокооборотных турбинах они прорабатывались и позже. И если чисто паровой двигатель в настоящее время уже не может конкурировать с ДВС, то как утилизационный цикл он просто необходим.
Делались попытки применить паровой цикл в качестве утилизатора и на наземных двигателях транспортных установок, включая автомобильные двигатели. В частности, тепловую энергию, выработанную на паровой турбине, использовали для привода насоса системы охлаждения и вентилятора обдува конденсатора, а также для силового привода, т. е. с передачей мощности на вал двигателя. (Такие работы проводились в Харькове, Барнауле, а также в американской фирме "Термо-Электрон".) В результате, например, КПД дизеля 4ЧН 12/14 повысился на 12,7 %, а карбюраторного ЗИЛ-130 — на 22,2 %. В опытах США повышение КПД двигателя достигало 15 %.
Таким образом, основной принцип ДВС, высказанный Карно в 1824 г. (необходимость предварительного сжатия), к концу XIX века был реализован. На это при отсутствии теории процессов в ДВС потребовалось ~70 лет. Сейчас стоит задача реализовать еще одно принципиальное положение, высказанное Карно почти 180 лет тому назад: скомбинировать ДВС с паровым циклом, получив эффективный КПД на уровне идеального цикла Карно. Тем более что сегодня в наших руках есть надежный инструмент — четкая и ясная теория поршневых двигателей, паровых и газовых турбин, термодинамика, теория теплопередачи и другие отрасли науки о преобразовании энергии.
Журнал "Автомобильная промышленность", 2004 год, № 8
УДК 629.621.43.001.76
Канд. техн. наук В.Г. НЕКРАСОВ, НЕТРОЭН, г. Алма-Ата
