Глава 3 Дизельный двигатель внутреннего сгорания

Распространению керосиновых и бензиновых двигателей, однако, помешали появившиеся вскоре дизель-моторы, получившие теперь название двигателей тяжёлого топлива, в отличие от керосиновых и бензиновых двигателей, относящихся к разряду двигателей лёгкого топлива.

Задачу создания экономичного, удобного и простого двигателя, могущего действительно заменить паровую машину с её громоздким паровым котлом и низким коэффициентом использования, начал решать в конце прошлого века Рудольф Дизель, а разрешили её в полной мере русские инженеры уже в советское время.

Дизель принадлежит к поколению изобретателей XX века, хотя деятельность его проходила ещё в самом конце XIX века. Изобретатели предшествующих поколений шли ощупью к осуществлению своих, не всегда даже ясных им самим, идей. Они исходили из опыта и случайных наблюдений, не имея зачастую необходимой теоретической подготовки. Дизель же, как и большинство представителей нового поколения изобретателей, разрешил свои задачи, используя теорию.

Он был, кажется, первым изобретателем, который сначала описал свой знаменитый дизель-мотор, доказав его осуществимость теоретически, а затем уже его построил. Мало того, задачу создания такого двигателя он поставил себе как «программу всей жизни» -совершенно сознательно и точно.

Двигатель Дизеля В 1892 году Дизель взял патент на своё изобретение, а затем опубликовал сочинение, в котором излагал теорию двигателя, названного им «дизель-мотором», и описывал его конструкцию.

Современники не очень доверяли Дизелю. Только после ряда огорчений и неудач ему удалось найти предпринимателей, согласившихся предоставить средства и мастерские для постройки дизель-моторов. В 1897 году он смог представить свой первый дизель-мотор мощностью в 20 сил.

Этот первый дизель имел коэффициент полезного действия в 34 процента, т. е. во много раз выше, чем у паровых машин.

Дизель-мотор не нуждался ни в котле, ни в газогенераторе, ни в карбюраторе. Топливо вводилось прямо в цилиндр. При этом теоретически дизель-мотор мог работать на любом жидком топливе, в том числе и на сырой нефти, которой в то время отапливались паровые котлы. Наконец, дизель-мотор не нуждался ни в каких зажигательных приборах.

Двигатель работал по новому циклу, названному циклом Дизеля. При первом такте он засасывал чистый воздух, при втором такте обратным ходом поршня воздух подвергался сжатию с такой силой, что нагревался до температуры около 750 градусов, и вводимое в цилиндр при третьем такте топливо вспыхивало в раскалённом воздухе само собой. Четвёртым ходом поршня выбрасывались продукты сгорания.

Топливо впрыскивалось в цилиндр постепенно, чтобы оно сгорало, а не взрывалось. Кроме клапанов, автоматически открывавшихся для впуска топлива и воздуха и для выхлопа, двигатель приводил в действие ещё компрессор, т. е. насос, нагнетавший в отдельный резервуар воздух. Этот сжатый воздух употреблялся для впрыскивания в цилиндр топлива, а также для пуска двигателя в ход.

Однако в этом первом двигателе в качестве горючего употреблялся керосин. Самому Дизелю и заводам, начавшим строить новые двигатели для производственных целей, не удалось заставить двигатель работать на нефти.

Это было сделано в России. Любопытно отметить, что продавая свой патент в Россию, Дизель, как все иностранцы, считавший русскую технику очень отсталой, потребовал от покупателя организации специального Русского общества «Дизель», которое должно было консультироваться по всем вопросам дизелестроения с немецкими заводами.

Но консультация понадобилась немцам, а не русским. В ноябре 1899 года Георгий Филиппович Депп, видный русский теплотехник, профессор Технологического института и председатель Русского технического общества произвёл испытание построенного в России первого в мире двигателя тяжёлого топлива, работающего на сырой нефти. Испытания дали блестящие результаты и, докладывая о них членам Русского технического общества, Депп сказал в заключение, изложив и историю получения патентных прав от Дизеля:

— Моя уверенность, что заводы, способные строить самые совершенные машины, у нас найдутся, оправдалась. Первая же попытка построить у нас двигатель, пользующийся нефтью, которой столь богата наша родина и которая представляет наивыгоднейшее во всех отношениях топливо, удалась и увенчалась успехом. Безукоризненно выполненный нефтяной мотор пущен в ход, и я не могу не подчеркнуть, что именно у нас разрешён вопрос об экономичном тепловом двигателе, так как только с переходом на нефть окончательно и бесповоротно решается судьба дизель-мотора, обеспечивается ему применение и широчайшее распространение.

Предвидение Деппа оправдалось вполне. С этого момента дизель-мотор, превращенный в двигатель тяжёлого топлива, начал бурно распространяться, завоёвывая одну область применения за другой в различных областях промышленности и транспорта.

Наибольшее распространение дизель-моторы получили, естественно, в странах, богатых нефтью, прежде всего в России. Здесь впервые они были поставлены для работы на электростанциях, на судах, на подводных лодках. Речные и морские суда, оборудованные двигателями Дизеля, получили название теплоходов.

Первым таким теплоходом было построенное Сормовским заводом нефтеналивное судно «Вандал», появившееся на Волге в навигацию 1903 года. Первый в мире теплоход — нефтеналивное волжское судно «Вандал» Преимущества дизель-мотора при несравнимой ни с одним двигателем экономичности обеспечили ему широчайшее распространение во всех областях промышленности и транспорта. Если предсказание Дизеля о закате паровой машины и не сбылось, то развитие и распространение дизель-моторов превзошли самые смелые его ожидания.

После того как дизель-моторы появились на судах, естественно возникла мысль и об использовании их для железнодорожной тяги.

Немецкие дизели, как уже говорилось, в качестве горючего потребляли керосин и широкое распространение получили только после того, как в России их заставили работать на сырой нефти. Поставленные в качестве судовых машин сначала на волжскую нефтеналивную баржу «Вандал», а затем на буксирный волжский пароход «Коломенский дизель», дизели произвели переворот в мировом судостроении; с этого времени началось строительство речных и океанских теплоходов. Русские пассажирские теплоходы, оборудованные с необыкновенной для того времени роскошью, вскоре составили Волге мировую славу.

На Коломенском заводе был построен ещё в 1924 году наш первый мощный тепловоз с электрической передачей. Строился он, как уже было сказано, одновременно с заказанным за границей. Дизель-мотор мощностью в 740 лошадиных сил работал на генераторе электрического тока, а электромоторы — по одному на каждую движущую ось — приводили в движение колёса.

Первый советский тепловоз оказался не слишком мощной и не слишком быстроходной машиной. Для серийного производства он не годился, и Народный комиссариат тяжёлой промышленности разработал чертежи сначала серийного тепловоза Ээл мощностью в тысячу лошадиных сил, а затем сдвоенного тепловоза мощностью в две тысячи лошадиных сил.

В честь В. М. Молотова этому тепловозу присвоена серия ВМ. Он построен целиком из советских материалов и советскими инженерами. Таким образом, электропередача решила вопрос об использовании дизель-мотора для тяги.

Идеями и опытом советских тепловозников, возродивших интерес к тепловой тяге, широко воспользовались в Европе и Соединённых Штатах Америки.

Между тем электропередача — вовсе не лучшее и не совершенное использование дизеля на тяговой машине.

Всякая передача отнимает у двигателя какую-то долю его мощности, растрачивая её на трение передаточных частей механизма, а электрическая к тому же значительно усложняет конструкцию, ещё более увеличивает стоимость тепловоза и затрудняет его эксплуатацию. И вполне понятно, что конструкторская мысль продолжает искать новых средств, чтобы объединить в локомотиве достоинства дизеля и паровой машины, устранив в то же время свойственные им недостатки.

Поэтому ещё больший интерес представляет тепловоз непосредственного действия. Основные недостатки дизеля, как мы уже видели, состоят в том, что у него нельзя резко менять скорости хода. Дизель, делающий, скажем, 200 оборотов в минуту, не станет работать меньше, чем при 100 оборотах. Дальнейшее замедление хода поршня приведёт к медленному сжатию воздуха, и температура в цилиндре окажется недостаточной для самовоспламенения горючего. Кроме того, понизится и экономичность двигателя, так как именно вследствие высокого сжатия он экономичен.

Нельзя повысить и мощность дизеля, увеличивая дозу горючего: цилиндр всасывает строго определённое количество воздуха, и в нём может сгореть только ограниченное количество топлива. Такая кажущаяся безвыходность положения ведёт привычное мышление к поискам всяческих передач. На конструкцию дизеля строители тепловозов смотрят часто как на нечто неприкосновенное и не пытаются в ней что-либо изменять.

Михаил Иванович Пригоровский взглянул на дело иначе. Студентом он работал у конструктора тяжёлых самолётов и отлично изучил на практике мощные бензиновые двигатели. С дизелями его познакомил профессор Косицкий — один из первых теоретиков и историков дизелестроения. Окончив Киевское железнодорожное техническое училище, Пригоровский работал и ремонтным рабочим, и слесарем, и машинистом. Таким образом, и паровоз и моторы Пригоровский знал, как свои пять пальцев. Тогда-то ему и пришла мысль перестроить дизель так, чтобы он обладал сверх своих собственных качеств ещё и превосходными качествами паровой машины. В чём они заключались?

Пригоровский стал, отвечая себе на этот вопрос, на несколько необычную, но совершенно правильную и, главное, очень ясную точку зрения. Он рассуждал таким образом: паровой котёл стопкой является генератором, т. е. производителем пара. В топке котла топливо сгорает и превращает воду в упругий и горячий пар. Сгорание топлива и парообразование протекают беспрерывно и устойчиво. Пар — уже готовый вид энергии— поступает в цилиндр в большем или меньшем количестве. Поэтому в самых широких пределах можно регулировать силу вращения движущих осей. Все ценнейшие качества паровой машины заключаются в том, что она является приёмником готовой энергии.

Дизель нуждается в энергии извне лишь при запуске; в дальнейшем он сам производит энергию — расширяющиеся при сгорании топлива газы. Для того чтобы дизель получил свойства паровой машины, ему не хватает при уменьшении мощности воспламеняющего горючее приспособления, а при увеличении её — воздуха, нужного для сгорания топлива. Пригоровский решил восполнить эти недочёты в тяговом двигателе.

Пригоровский предложил в тепловозе установить компрессорный агрегат, так сказать, «воздухогенератор», заготовляющий для тягового дизеля сжатый воздух. Эта установка должна иметь свой вспомогательный дизель, она же будет снабжать энергией и запальное приспособление тягового дизеля.

В схеме Пригоровского, помимо нормального всасывания воздуха, в цилиндр тягового дизеля подаётся ещё дополнительный заряд сжатого воздуха вместе с топливом, когда требуется большая мощность машины. Подача воздуха и топлива тут похожа на отсечку пара в паровой машине и ведёт к таким же результатам: даёт возможность в очень широких пределах регулировать вращение движущих осей. Кулисный механизм распределения сжатого воздуха и подачи топлива делает управление тепловозом не более трудным и сложным, чем паровозом.

Осуществление этой простой и изящной машины может начать новую главу в истории тепловозостроения.

Русский опыт применения дизелей в качестве транспортных машин был учтён не только судостроителями. Он побудил инженерно-техническую мысль к попыткам использовать дизели для железнодорожной тяги.

В России над конструкцией специального тягового дизеля работал известный инженер, основоположник московской школы теплотехников, Василий Игнатьевич Гриневецкий.

После окончания курса в Московском высшем техническом училище Василий Игнатьевич остался при нём для подготовки к научной деятельности и в продолжении многих лет был сначала профессором, а затем директором училища.

Не ограничиваясь разработкой теории рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, Гриневецкий работал и как инженер-конструктор. Ему-то и принадлежит смелая конструкция теплового двигателя, обладающего всеми достоинствами дизеля, но освобождённого от его недостатков при тяговой работе. Проблему тепловоза Гриневецкий разработал с исчерпывающей полнотой и с тонким пониманием новых задач, выдвигаемых действительностью; смелость мысли, с которой он выполнил задачу, делает его крупнейшим представителем русского инженерного искусства.

Возглавленная Гриневецким русская теплоэнергетическая школа, разрешившая в самом начале XX века ряд важнейших задач по сжиганию низкосортного топлива, разработавшая теорию и расчёт оригинальных конструкций топок для сжигания торфов, бурых углей, дров и сланцев, по праву заняла передовое место в Европе. Эта школа разрешила принципиальные вопросы сжигания пылевидного топлива, имеющего теперь очень большое значение для всей энергетики.

В 1909 году опытный двигатель Гриневецкого был построен Путиловским заводом, и вплоть до начала первой мировой войны конструктор производил с ним опыты.