Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2002 № 05

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 Брайтонав 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.

Вернемся к поршневому варианту двигателя Брайтона. Достаточно компрессор соединить с цилиндром сгорания через ресивер, в котором собрался бы приличный запас сжатого воздуха, как двигатель обретает свойства паровой машины. При увеличении нагрузки на валу скорость вращения уменьшается. Но теперь клапан дольше остается открытым, дольше работает горелка и в цилиндр попадает больше продуктов сгорания. Увеличивается работа и крутящий момент.

При старте достаточно открыть кран ресивера, зажечь горелку, и двигатель заработает. И тогда сдвинет с места тысячетонный состав. При разгоне все произойдет, как в паровой машине, только вместо уменьшения порций пара будут уменьшаться порции топлива. Регулировка его мощности производится простым изменением длительности открывания впускного клапана.

И в этом отношении брайтон (будем называть его, как дизели и стирлинги, с маленькой буквы) не только не хуже паровой машины, но, пожалуй, много лучше. Ему не нужен опасный паровой котел, а при давлении 30–40 атмосфер его КПД начинает превышать 40 %. С таким двигателем можно строить автомобили, не имеющие коробки скоростей, локомотивы без электрической передачи. Брайтон можно непосредственно присоединять к колесу. Как это было на паровозах. Одним словом, брайтон — идеальный двигатель для XXI века.

Но попробуем его усовершенствовать. Очень важно, чтобы на всех режимах работы КПД оставался высоким.

Теория показывает, что для этого необходимо ввести регенерацию, использовать тепло выхлопных газов для подогрева воздуха, выходящего из компрессора. При этом КПД может достигать 50 %. На рисунке 2 тепловоз с таким двигателем.

Рис. 2. Тепловоз с двигателем Брайтона:

1— горелка; 2— рабочий цилиндр; 3— глушитель-регенератор; 4— ресивер; 5— свободнопоршневой брайтон-компрессор; 6— топливный бак.

Внешне он напоминает паровоз. Только вместо цилиндра паровой машины цилиндр сгорания двигателя Брайтона. Он снабжен горелкой с электрическим клапаном для впуска воздуха и топлива, а также свечой зажигания. Кроме того, имеется электрически управляемый выпускной клапан. В корпусе тепловоза ресивер с запасом сжатого воздуха и свободно-поршневой компрессор. От обычного он отличается тем, что кривошипно-шатунного механизма в нем нет. Поршень цилиндра сгорания через шток соединен с поршнем компрессора. Отработавшие газы из главного двигателя поступают в регенератор, который одновременно является и глушителем шума. Здесь они отдают часть своего тепла воздуху, направляющемуся из ресивера в главный двигатель.

На принципах Брайтона можно строить свободнопоршневые, бесшатунные и даже роторные двигатели.