Юный техник, 2002 № 05

Знаменитый двигатель Рудольфа Дизеля имел КПД 35 %, почти в три раза выше, чем у других тепловых двигателей. Это обеспечило ему полный успех. За последующие сто лет КПД лучших двигателей внутреннего сгорания постепенно приблизился к 50 %. О дальнейшем его повышении говорят с трудом.

Заметим, что эти цифры относятся к «парадному» режиму работы с постоянной скоростью вращения и нагрузкой. Такое бывает далеко не всегда. Как правило, от двигателя требуется лишь часть его номинальной мощности. И совсем не та скорость вращения, которую ему «хочется» развивать. Приходится подключать редуктор или коробку скоростей. Еще мощность нужно передать к месту потребления. Это делает трансмиссия. Но у них есть свой рабочий режим… Потери растут. Вот и получается, что, когда двигатель внутреннего сгорания должен работать при постоянном изменении мощности и скорости, до потребителя доходит лишь ничтожная часть энергии, содержащаяся в топливе. Так, например, в городском цикле КПД автомобиля на колесе 7 %. В семь раз меньше, чем парадный КПД его двигателя.

Если бы существовал двигатель, который можно подключать непосредственно к колесу, получая от него нужную мощность и крутящий момент при высоком КПД, без применения передач и трансмиссий, то расход топлива на автомобиле уменьшился бы в семь раз. Но возможно ли такое?

Вспомним паровоз. Единственный цилиндр его паровой машины шатуном соединялся с колесами. Сцепления и коробки передач не было и в помине. Простой подачей пара в цилиндр паровозы трогали с места тысячетонные составы. Паровая машина имела способность к саморегулированию, обусловленную природой. На подъеме она автоматически замедляла ход, увеличивая крутящий момент. Происходило это оттого, что клапан дольше оставался открытым и в цилиндр успевало попасть больше пара. На горизонтальном участке паровоз разгонялся. Укорачивалось время открытия клапана, порции пара уменьшались. Но росли обороты, и в итоге росла мощность. Маленькие порции пара получали более полное расширение, и возрастал КПД двигателя. Однако у паровоза он не превышал 14 %. Поэтому его и заменил тепловоз. Система из дизеля, электрогенератора, мотора и шестеренчатой передачи, КПД — 25 %.

А возможен ли двигатель со свойствами паровой машины и экономичностью дизеля?

Да, и не нужно ломать над ним голову. В 1878 году, за пятнадцать лет до получения Дизелем своего патента, Д.Брайтон из Филадельфии построил двигатель, работавший необычным образом (рис. 1).

Рис. 1.Двигатель Брайтона в исполнении Симона.

Воздух сжимался в отдельном цилиндре. Затем он смешивался с топливом и поступал в рабочий цилиндр — цилиндр сгорания. У самого входа в него смесь поджигалась и врывалась струей пламени. Оно горело при постоянном давлении. Объем продуктов сгорания превышал объем воздуха в 3–5 раз. Горение продолжалось до тех пор, пока был открыт клапан. В это время продукты сгорания действовали на поршень с тем давлением, которое создал компрессор. После закрытия клапана газы продолжали толкать поршень, расширяясь под действием внутренней энергии. В итоге совершалась работа, значительно превышавшая работу сжатия.

Брайтон жил в эпоху, когда термодинамика лишь зарождалась. Он не знал о зависимости КПД цикла от давления. Действуя интуитивно, он поднял его до 4,75 атмосферы. Как следует из отчета об испытаниях независимой комиссии профессора Терстона, полная мощность, развиваемая рабочим цилиндром, достигала 8,62 л.с. Из нее 3 л.с. тратилось на сжатие воздуха в компрессоре, 1,62 л.с. терялось на трение в механизме и 4 л.с. составляли полезную мощность. При этом КПД двигателя равнялся 10–12 % на светильном газе и 7,5 % на керосине. (Последнее было связано с применением очень неудачного испарительного карбюратора.)

В то время КПД паровых машин мощностью до 10 л.с. равнялся 3–6 %, а КПД лучшей судовой машины мощностью 650 л.с. не превышал 12 %. Таким образом, двигатель Брайтона уже в момент своего появления оказался одним из самых эффективных двигателей своего времени.

Но инженерный мир не понял Д.Брайтона. Погнались за простотой. Предпочли сжатие, расширение и сгорание вести в одном и том же цилиндре. Что привело к результатам, которые мы видим сегодня.

Правда, Брайтон полностью не забыт. В газотурбинных двигателях сжатие происходит в отдельном компрессоре, сгорание при постоянном давлении, а расширение в турбине. С точки зрения термодинамики, не имеет значения, как процесс реализуется чисто технически. Поэтому процесс, происходящий в газотурбинных двигателях, называют циклом Брайтона. В основном это двигатели больших мощностей, хорошо зарекомендовавшие себя в авиации и на флоте. Их достоинства общеизвестны, и задерживаться на них мы не будем.