И вот — еще один вариант ДВС.
Этот двигатель, правда, существует лишь в единичных экземплярах, но его можно не только посмотреть, но и испытать в работе — он установлен на «Волге», на которой ездит сам изобретатель.
Профессор В. М. Кушуль откидывает капот своей машины. Первое же впечатление, что по размерам двигатель практически не отличается от обычного «волговского». За счет чего же его мощность по крайней мере на 25% выше, а расход топлива на 25% ниже?
Снимается клапанная крышка, и мы сразу же обнаруживаем основное отличие: судя по размещению клапанов, вместо четырех цилиндров, расположенных в один ряд, здесь шесть цилиндров, расположенных в два параллельных ряда. Дальнейшая разборка двигателя не входит в наши планы, поэтому мы вооружаемся блокнотами и приготавливаемся слушать объяснения изобретателя.
Приходится начинать издалека — с истории и даже предыстории вопроса.
В двадцатых годах прошлого века, т. е. задолго до того, как был сделан первый бензиновый мотор, французский инженер Сади Карно, занимаясь теорией превращения тепловой энергии в механическую, обосновал принципиальную необходимость при создании любого теплового двигателя иметь перепад температур рабочего тела. Это означало, что нужно иметь по меньшей мере два источника тепла с различными температурными уровнями, один из которых будет собственно источником тепла, а второй — его поглотителем в конце цикла, т. е. холодильником. При этом Карно обосновал возможность непрерывно повторяющегося (циклического) превращения тепловой энергии в механическую с помощью промежуточного вещества — рабочего тела (газа).
Теперь пора напомнить принцип работы теплового двигателя, каким и является ДВС. Схематически выглядит это так. Поршень в цилиндре сжимает рабочее тело (сжатие) до какого-то относительно невысокого давления, что приводит и к соответствующему повышению его температуры. Затем ему сообщается тепло, выделяющееся при сгорании топлива. В результате резко повышается давление в цилиндре. Теперь надо обеспечить сжатому рабочему телу возможность расширения: перемещая поршень (расширение, рабочий ход), оно произведет значительно большую работу, чем та, которая была затрачена на первоначальное сжатие.
А нужно ли было вообще это сжатие? К этому вопросу мы еще вернемся, а пока отметим, что затраты энергии на это сжатие оказываются во много раз меньше, чем если бы соответствующий эффект достигался прямым сгоранием топлива в цилиндре.
Вернемся, однако, к заслугам Карно. Он установил, что использование тепловой энергии будет наиболее полным при осуществлении такого цикла, который состоит из двух наиболее рациональных термодинамических процессов — изотермического и адиабатического. Этот идеальный теоретический цикл, названный его именем, и стал эталоном совершенства всех других практически осуществляемых в двигателях термодинамических циклов.
Наглядное представление об идеальном цикле Карно дает диаграмма, на которой по вертикали отложена температура, а по горизонтали — энтропия. Энтропия — это обобщенный показатель, которым охотно пользуются физики, так как он характеризует качественное состояние энергии — возможность превращения ее из одного вида в другой.
Цикл Карно состоит из четырех процессов — четырех тактов.
В первом такте показанного на диаграмме 1 на цветной вкладке цикла (от точки 1 к точке 2) рабочее тело (газ, воздух) сжимается изотермически, т. е. при постоянной температуре, которая поддерживается неизменной благодаря контакту рабочего тела со вторым источником тепла (холодильником), имеющим температуру Т2. Все тепло Q2l выделяющееся при сжатии газа, полностью поглощается холодильником.
Второй такт (2—3) — адиабатическое сжатие, т. е. сжатие без подвода или отвода тепла. Температура газа за счет работы сжатия повышается до температуры первого источника тепла Т1. Затем рабочее тепло контактируется с этим источником тепла Т1 начинается третий такт (3—4) — изотермическое расширение. К рабочему телу (газу) подводится тепло, но температура рабочего тела, а следовательно, и его внутренняя энергия остаются неизменными: все подводимое тепло полностью превращается в полезную внешнюю работу.
В точке 4 контакт с источником тепла прекращается и начинается четвертый такт — адиабатическое расширение рабочего тела. Его температура при этом понижается до температуры холодильника Т2. Во время этого процесса за счет уменьшения внутренней энергии мы также получаем дополнительную полезную работу. Цикл замкнут. Как мы видим, этот идеальный цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.
Достоинство такой энтропийной диаграммы заключается в том, что она дает наглядное представление о количестве затраченного тепла и количестве тепла, превращенного в полезную работу.
Произведение Т1 на ΔS (т. е. площадь прямоугольника 01-2-3-4-1-0) — есть количество тепла Q1, подведенного к рабочему телу, a T2·ΔS (площадь прямоугольника 01-2-1-0) — количество тепла Q2, отданного холодильнику. Разность между теплом подведенным и теплом отданным представляет собой тепло, превращенное в полезную работу, получаемую на валу двигателя (без учета механических потерь). Следовательно, площадь, замкнутая внутри цикла (на графике это площадь заштрихованного прямоугольника 1-2-3-4), выражает собою работу, получаемую за цикл в тепловых единицах.
Как известно, термический к. п. д. представляет отношение тепла, превращенного в полезную работу, к общему затраченному теплу. Это значит, что термический к. п. д. идеального двигателя, работающего по циклу Карно, выразится отношением площадей:
а в конечном счете — температур:
Как видим, к. п. д. цикла Карно зависит только от перепада температур двух имеющихся источников тепла (в градусах абсолютной шкалы, т. е. Т=t°С+273), Ясно, что он никогда не может быть равен единице, поскольку недостижимы ни абсолютный нуль (идеальная Т2), ни бесконечно высокая температура Т1. В то же время теоретически к. п. д. цикла Карно может возрастать, неограниченно приближаясь к единице. Легко убедиться в том, что при заданном перепаде температур к. п. д. цикла Карно всегда выше, чем к. п. д. любого другого цикла.
В карбюраторном двигателе, например, осуществляется цикл, в котором подвод и отвод тепла происходят не при постоянной температуре, а при постоянном объеме (т. е. по изохоре), когда поршень находится соответственно в верхней и нижней мертвых точках.
На диаграмме 2 это выглядит так.
Первый такт — сжатие (2-3') по адиабате; температура при этом повышается от Т2 до некоторого значения Т1', пропорционального значению степени сжатия.
Второй такт — подвод тепла по изохоре (3'-4), т. е. в реальном двигателе — сгорание топлива; температура возрастает до значения Т1.
Третий такт — расширение (4-1') по адиабате; температура падает до значения Т2'.
Цикл замыкается четвертым процессом — изохорой: тепло отводится при постоянном объеме. Температура при этом понижается до начальной, равной T2.
Полученная полезная работа замкнутого реального цикла выражается площадью 1'-2-3'-4-1'. Очевидно, что к. п. д. описанного цикла (повторяем — как и любого другого) будет меньше, чем у цикла Карно, поскольку площадь 1'-2-3'-4-1' всегда меньше площади прямоугольника с тем же предельным значением перепада температур.
Обладающий самым высоким к. п. д. цикл Карно имеет, однако, и минусы, которые делают его практически неосуществимым. Чтобы получить «бесконечно» высокое значение температуры Т1, понадобится и бесконечно высокое адиабатическое сжатие воздуха. Это приводит к необходимости получения чудовищных давлений. Двигатель по циклу Карно получился бы очень громоздким и неизбежно имел бы низкий механический к. п. д. Кроме того, в быстроходном двигателе добиться осуществления чисто изотермических процессов (в особенности изотермического сжатия) чрезвычайно трудно.
В этом отношении карбюраторный двигатель, работающий по циклу с изохорным подводом тепла, находится в несравненно лучшем положении. При умеренной величине предварительного сжатия он может перерабатывать большое количество тепловой энергии и, соответственно, обеспечивает высокую мощность, оставаясь сравнительно легким и компактным. Эти качества и сделали его незаменимым для установки на автомобилях и катерах, словом — в тех случаях, когда приходится особенно дорожить весом и габаритами. Но, однако, вернемся к тому, с чего начали: существующие карбюраторные ДВС «усваивают» поглощаемую энергию, как было сказано, далеко не лучшим образом. Чтобы получить мощность в одну лошадиную силу, в карбюраторных двигателях сжигается от 250 до 450 г бензина в час.
За счет чего же можно увеличить к. п. д. классического двигателя, работающего по циклу с изохорным подводом тепла?
Обратимся снова к истории вопроса. В самых первых ДВС — «газовых машинах» Ленуара—предварительного сжатия смеси не производилось. Смесь всасывалась в цилиндр и на половине хода поршня поджигалась. Естественно, эти двигатели отличались чрезвычайно низким к. п. д. (до 5%). Их так и называли «пожирателями газа». Но затем на основании целой серии опытов и исследований было доказано (в полном соответствии с теоретическими выводами Карно), что предварительное сжатие смеси значительно повышает к. п. д. И действительно, первые же построенные «по-новому» двигатели оказались мощнее и экономичнее в 4—5 раз.
Так был обнаружен самый главный резерв, основной путь повышения к. п. д. ДВС — увеличение степени сжатия.
Посмотрим, как это будет выглядеть на нашей Г-S-диаграмме (для удобства изобразим ее отдельно — см. диаграмму 3). Количество подведенного тепла Qi осталось прежним (площади 01-2-3-4-1-0 и 01-2-3'-4'-1'-0' равны). А вот непроизводительно отдаваемое холодильнику тепло заметно уменьшилось. Это и есть полученный нами выигрыш, по величине равный площади 0'-1'-1-0. Теперь надо отметить, что после какого-то предельного значения степени сжатия этот выигрыш будет становиться все менее заметным. А при 11-12-кратном сжатии он уже не сможет покрыть возрастающие механические потери. Еще раньше увеличению степени сжатия начинает препятствовать другое неприятное обстоятельство — детонация. Уже при степени сжатия, равной 7, обычный бензин сгорает взрывообразно — детонирует. Специальные (высокооктановые) сорта топлива дают возможность повысить степень сжатия до 9, но для обычного бензинового двигателя это уже предел!
Более высокую степень сжатия удается получить только в дизелях. Давайте разберемся почему. Напомним, что, как и в идеальном двигателе, сжатию в дизеле подвергается чистый воздух. Ясно, что при этом опасности возникновения детонации нет. Топливо подается в рабочую камеру в тот момент, когда давление в ней достигло величины, при которой воздух разогрелся до температуры, значительно большей, чем необходимо для воспламенения топлива.
Итак, работающий при более высокой степени сжатия дизель перерабатывает тепловую энергию эффективнее, чем бензиновый двигатель. Чтобы произвести мощность в одну лошадиную силу, дизелю достаточно 170—200 г топлива в час (его «аппетит», как видим, в 1,5—2 раза меньше!). Что не менее важно, «детонационно-устойчивый» высокооктановый и потому дорогой бензин дизелю не нужен — он работает на дешевой соляре.
Но и у дизеля есть свои минусы, притом довольно существенные. Высокая степень сжатия оборачивается его главным недостатком. Для того чтобы температура сжимаемого воздуха значительно превысила температуру самовоспламенения топлива, а только при этом обеспечивается надежная работа двигателя, оказывается необходимым иметь степень сжатия, гораздо более высокую, чем это нужно для получения наивысшего эффективного к. п. д., т. е. к. п. д. с учетом механических потерь. Выдерживать такое давление может только машина, имеющая соответствующую прочность и, следовательно, большой вес, а в конечном счете и увеличенные габариты. По этой причине дизеля получаются намного больше и тяжелее (добавим, еще и шумнее) карбюраторных двигателей равной мощности, что ограничивает область применения дизелей на автомобилях и малых катерах.
Мы рассмотрели достоинства и недостатки как карбюраторных, так и дизельных ДВС. А нельзя ли сделать двигатель, который совмещал бы дг/стоинства этих обоих типов ДВС, но не имел бы их недостатков? Вот теперь мы и подошли к вопросу о том, как устроен двигатель, с которым знакомит нас профессор В. М. Кушуль.
Если бы мы заглянули внутрь этого двигателя, то увидели бы, что цилиндры в нем работают парами, а поршни в каждой такой паре цилиндров движутся согласованно — с относительным смещением одного к другому на 22°—24° по углу поворота коленчатого вала. Одна из таких пар и представлена на нашей схеме (у заголовка статьи).
Камеру сгорания имеет только один цилиндр, обозначенный на схеме цифрой I. В него и подается, как в обычном карбюраторном двигателе, горючая смесь (на режимах больших нагрузок эта смесь должна быть обогащенной). Другой цилиндр II заполняется, как в дизеле, чистым воздухом. Поршень этого цилиндра в верхней мертвой точке (ВМТ) подходит к крышке цилиндра с минимально возможным зазором, поэтому весь его воздушный заряд через короткий и широкий соединительный канал вытесняется в камеру сгорания цилиндра I.
Подача заряда горючей смеси в цилиндр I и воздуха в цилиндр II происходит одновременно (естественно, по раздельным впускным трактам). Смесь в цилиндре I сжимается до степени сжатия 6,5—7, как в обычном карбюраторном двигателе, и воспламеняется от запальной свечи системы зажигания за 10—12° поворота вала до прихода поршня в ВМТ. Поршень цилиндра II в этот момент будет находиться от ВМТ на расстоянии, соответствующем 34—36° поворота вала, и объем над ним будет примерно равен объему камеры сгорания цилиндра I.
Следовательно, на этой первой фазе, несмотря на то, что цилиндры сообщаются между собой, в них одновременно происходят различные процессы: в первом — сгорание, а во втором — сжатие (с возможным крайне незначительным перетеканием сжатого воздуха в цилиндр I).
Когда поршень цилиндра I приходит в ВМТ и сгорание в нем в основном заканчивается, воздушный заряд в цилиндре II, достигнув 20—22-кратной степени сжатия (втрое большей, чем была в цилиндре I), начинает перетекать в цилиндр I, преодолевая давление образовавшихся в нем газов сгорания. В этих газах из-за недостатка кислорода содержится значительная доля несгоревшего топлива; теперь поступивший сюда кислород немедленно вступает в реакцию с продуктами неполного сгорания. Начинается вторая фаза процесса сгорания.
Тангенциальное — по касательной к поверхности цилиндра — направление соединительного канала обеспечивает интенсивное завихрение газов потоком сжатого воздуха, что способствует полному сгоранию всего топлива (это подтверждается анализом выхлопных газов и отсутствием нагарообразования в камере и на днищах поршней).
Таким образом, сначала (фаза 1) происходит воспламенение и сгорание рабочей смеси при невысокой степени сжатия, умеренных температуре и давлении газов и недостатке кислорода, а затем (фаза 2) — сгорание продуктов газификации топлива с участием сильно сжатого воздушного заряда.
Во время второй фазы сгорания поршни движутся в противоположных направлениях. Сгорание с участием воздушного заряда из цилиндра II начинается в тот момент, когда поршень цилиндра I приходит в ВМТ, а заканчивается, когда в ВМТ приходит поршень цилиндра II (это положение и показано на схеме). Следовательно, суммарный объем над поршнями в начале и в конце второй фазы сгорания будет одинаковым, а это означает, что сгорание происходит при постоянном объеме; благодаря этому обеспечивается высокая степень расширения газов после сгорания, равная 10,5—11.
Оба цилиндра в одинаковой степени являются рабочими — каждый из них заполняется своим свежим зарядом, в каждом происходят процессы сжатия, а затем в обоих (поскольку они соединены каналом) — расширения рабочего тела. В конце процесса расширения в них одновременно открываются выпускные клапаны.
Благодаря ступенчатому подводу тепла, малому изменению объема за вторую фазу сгорания и высокой степени последующего адиабатического расширения газа, температура и давление газов в начале процесса расширения будут значительно выше, чем в обычных двигателях, а в конце — значительно ниже. За счет такого увеличения температурного перепада и возрастает термический к. п. д.: он на 20—25% больше, чем у обычного карбюраторного двигателя.
На диаграмме 4 термодинамические циклы, осуществляемые в совместно работающих цилиндрах и представляющие единый рабочий процесс, для наглядности изображены отдельно. В первом цилиндре обогащенный заряд сжимается до точки 3, затем сгоранием топлива осуществляется подвод тепла (3-4).
Во втором цилиндре свежий заряд воздуха сжимается до точки 3'. Дальше происходит соединение рабочих тел обоих цилиндров (4-а и З'-а) и сгорание продуктов газификации, полученных в первом цилиндре (а-4'), затем расширение (4'-1) и выхлоп (1-2). Прирост полезной работы и уменьшение теплопотерь, по сравнению с термодинамическим циклом обычного ДВС, очевидны: выигрыш выражается площадью 3-3'-4'-4-3.
Вот так в общих чертах выглядит принцип действия нового двигателя, установленного на «Волге» и отработавшего на ней без малого десяток лет. Этот двигатель свободно развивает мощность 88 л. с. при 4000 об/мин (на бензине А-72), тогда как серийный «волговский» («М-21) больше 70 л. с. не дает. Экономия топлива, по сравнению с серийным, составляет 20—25%.
Остается добавить, что двигатель В. М. Кушуля эффективно работает и на неполных нагрузках благодаря возможности в широких пределах регулировать состав и количество подаваемого заряда. А благодаря более полному сгоранию топлива загрязнение атмосферы существенно меньше. Когда двигатель демонстрировался на ВДНХ, его специально установили в закрытом помещении; он легко запускался нажатием кнопки стартера и подолгу работал на холостом ходу — отравления воздуха не происходило.
Надо упомянуть еще и о том, что без значительных переделок этот же двигатель можно превратить в дизель, работающий (с самовоспламенением заряда) на дешевом дизельном топливе.
В принципе по образу и подобию этого нового мотора могут быть переделаны и некоторые из существующих двигателей, в том числе и широко применяемые на малых судах. Как рассказывает профессор Ку-шуль, для такой переделки хорошо всем известного движка «Л6», осуществленной несколько лет назад, потребовалось изготовить новые головку, коленчатый вал и механизм привода клапанов. Это имело смысл делать: мощность возросла вдвое — с 6 до 12 л. с.; при этом максимальное число оборотов увеличилось только на 20%, а удельный расход топлива снизился с 350 до 195 г/л. с. час.
Заканчивая рассказ о моторе профессора В. М. Кушуля, мы предвидим вопрос: почему же освоением нового двигателя до сих пор не заинтересовалась промышленность? В самом деле: почему? Мы адресуем Этот вопрос Министерству автотракторной промышленности СССР, Центральному научно-исследовательскому дизельному институту (ЦНИДИ) и Научно-исследовательскому институту автотракторного машиностроения (НАМИ).
Надеемся, что наша публикация привлечет к новому двигателю и внимание широкой общественности.