Нефтяные двигатели. Часть 2. Полудизеля
Англия - родина первого нефтяного двигателя
Калоризаторные двигатели выпускались с 1891 года в Англии фирмой Richard Hornsby & Sons. Авторство на эти двигатели принадлежит англичанину Герберту Акройду Стюарту, заключившему в 1891 году эксклюзивный контракт на их производство с вышеупомянутой фирмой. Эти двигатели получили известность, как "нефтяные двигатели Хорнсби-Акройда" (Hornsby-Akroyd engine) . С 1891 по 1905 год фирмой было выпущено более 32 000 двигателей.
Эти двигатели еще называют полудизельными двигателями из-за сходства их принципа работы с двигателем Дизеля: в обеих конструкциях используется непосредственный впрыск топлива и воспламенение при сжатии. Разница - в наличии калоризатора (иначе -калильная головка, калильная камера, вапурайзер, hot bulb, запальный шар), т.е. дополнительной камеры с раскаленными стенками или раскаленного элемента. За это двигатель получил еще одно название: «Hot Bulb Engine», что буквально переводится, как "двигатель с горячим шаром". Иногда слово Bulb переводят, как "лампа".
"Hot bulb" нагревалась докрасна паяльной лампой перед пуском двигателя. Затем в камеру подавалось топливо и крутился вручную маховик. Топливо испарялось при соприкосновении с горячими стенками калильной камеры, пары смешивались с воздухом, поступающим в головку через дроссель и воспламенялись, нагревшись от стенки камеры и от сжатия. Для поджига топлива не требовалось высокая степень сжатия, как у двигателей Дизеля и, следовательно, не нужно было высокое давление впрыска топлива, т.к. давление сжатия калоризаторного двигателя - около 5 атмосфер, в то время как давление сжатия в дизельном двигателе - от 40 атмосфер.
Таким образом, достоинства нефтяного "полудизеля" вполне очевидны: 1) простота в изготовлении, 2)всеядность (могли использоваться природный газ, мазут, керосин, сырая нефть, растительное масло или креозот) 3) Легкость запуска в холодном климате
Недостатки, впрочем, тоже имелись, и немаленькие: 1) Перед запуском необходимо было нагревать калильную головку паяльной лампой, а это потеря 20-30 минут. 2) Низкий КПД двигателя (около 12%) из-за непродуваемой камеры калоризатора и малой степени сжатия 3) Сильные вибрации и низкооборотистость, необходимость применения массивного маховика 4) повышенная пожароопасность 5) невозможность регулирования оборотов.
Массово подобные двигатели выпускались до 30-х годов, а полностью выпуск прекратился лишь в 50-х годах, находя успешное применение в определенных отраслях народного хозяйства, таких, как стационарные приводы различных сельскохозяйственных машин и судовые двигатели, подкупая своей нетребовательностью к топливу, простотой ремонта и обслуживания.
Эволюция калоризаторов
Простейшая калильная головка "нефтянок" представляла собой обычную герметичную полость, которую надо было нагревать открытым пламенем (как на рис.3). Охлаждение водой в ранних двигателях отсутствовало. Это вызывало определенные проблемы, т.к. нерегулируемая температура головки могла достигнуть высоких значений, из-за чего воспламенение топливной смеси начиналось раньше времени. Напротив, на холостом ходу камера могла остыть и перестать воспламенять смесь.
Для нормальной работы двигателя необходимо было поддерживать температуру калоризатора в пределах 330 - 600°. При более низкой температуре топливо не воспламенится, либо произойдёт поздняя вспышка; при температуре выше указанной - произойдёт преждевременная вспышка, что приведёт к снижению мощности двигателя.
При работе двигателя с нагрузкой в цилиндр каплями подавали воду для охлаждения, а при малой нагрузке, наоборот - прикрывали подсос воздуха, чтобы калоризатор совсем не остыл.
В 1892 году Стюарт получил патент на калильную головку с водяным охлаждением. Это сразу позволило поднять степень сжатия и мощность двигателя.
Пожалуй, классикой Hot-bulb-калоризаторов можно назвать изделия немецкой фирмы Lanz. На народном немецком тракторе Lanz-Bulldog 12 PS выпуска 1921 года (рис. 4), оснащенном одноцилиндровым калильным двигателем, можно видеть калоризатор в виде полусферической головки в передней части двигателя в разрезе. Видны полости для охлаждающей жидкости, чаша для сбора и горения топлива, лючок для прогрева чаши паяльной лампой.
Также получили распространение двигатели с т.н. запальником. В англоязычной литературе запальник именуется "Hot-tube". Он представляет из себя быстросъемный элемент, который накаляется в снятом виде, затем вводится в камеру сгорания и двигатель заводится (см рис. 5).
Русские полудизеля
Выпуск двигателя системы Дизеля могли осилить единицы - в начале 20 века это были завод Людвига Нобеля, да Коломенский машиностроительный, в то время как выпустить нефтяной двигатель с калоризатором могли позволить себе даже небольшие провинциальные заводики.
Именно поэтому в России получили широкую популярность "нефтянки" за простоту и дешевизну. Часто такие двигатели называли, да и сейчас продолжают называют "Болиндерами", - по названию шведской компании, одной из первых начавшей массово производить такие двигатели как для хозяйственных нужд, так и для судов. На черноморском флоте есть даже такой термин - "болиндер" - т.е. баржа, оснащенная двигателем этой конструкции.
Вот весьма поучительный и веселый отрывок из морской байки про болиндер, взятый с сайта flot.com:
Из русских производителей среди многих выделяются две личности, как наиболее широко освещенные и мифологизированные в русскоязычной литературе: Блинов и Мамин, оба родом из села Балаково.
Блиновы
Известно, что создатель первого в России опытного образца гусеничного трактора на паровой тяге, русский промышленник и изобретатель, бывший крепостной крестьянин Федор Блинов гораздо больший успех снискал в создании пожарных насосов и двигателей. В то время, как его "самоход с бесконечными рельсами" был отнесен на нескольких промышленных выставках в разряд никчемных диковинок, за пожарный насос изобретатель в 1889 году получил серебрянную медаль, в 1890-х - бронзовую.
В России конца 19 века получили большое распространение дешевые и достаточно несовершенные даже по тем временам нефтяные двигатели, оснащенные простой калильной головкой (или открытым калоризатором) без водяного охлаждения. Помимо пожароопасности, данные двигатели развивали меньшую мощность по сравнению с более совершенными двигателями с охлаждаемым калоризатором. Зачем нужно охлаждение - см. выше вторую главу "Эволюция калоризаторов".
В 1899 году, в возрасте 68 лет, Блинов решает применить вместо открытой калильной головки т.н. запальник, т.е. предварительно раскаленный элемент, помещаемый через крышку в запальную камеру. Как уже говорилось выше, эта система уже применялась в Европе англичанами и шведами.
На собственном заводе со старообрядческим названием “Фабрика нефтяных двигателей и пожарных насосов “Благословение” П.Ф. Блинова” младший сын Ф. Блинова Порфирий начинает производить двигатели с запальником.
Уже после смерти отца, в 1903-м году, Порфирий подает заявку на патент, и в 1909-м получает привилегию. В части, посвященной описанию запальника, говорится:
Изобретение первого в мире запальника в отечественной литературе настойчиво приписывают Блинову, хотя в английской линейке нефтяных двигателей существуют такие же модели, но запальник там именуется "Hot tube", т.е. "горячая трубка". Кроме того, широко известен калоризаторный двигатель системы Болиндера с запальником, о нем как раз шла речь в предыдущей главе.
По воспоминаниям внучки Ф.Блинова, среди бумаг и книг деда она видела множество периодической английской патентной литературы конца 19 века. Скорее всего, оттуда Блинов и подчерпнул идею запальника.
Мамин
Параллельно продолжил дело Ф. Блинова и его ученик, Яков Мамин вместе с братом Иваном на собственном предприятии - "Чугуно-литейном механическом заводе братьев Я. и И. Маминых".
В 1903 году на предприятии Я. и И. Маминых был сделан первый двигатель мощностью 9,5 лошадиных сил на базе двигателя английской фирмы “Хорнсби”. Двигатель Маминых работал на нефти.
В 1904 году Мамины подали заявку на изобретение, а в 1908 году получили привилегию и патент № 14061 на двигатель, который назвали “Русский Дизель”. Все эти годы на заводе выпускались нефтяные двигатели мощностью от 3,5 до 30 лошадиных сил.
После революции 1917 года, Мамин продолжал конструировать двигатели, и известен ряд его предложений по модернизации запальника с тем, чтобы добиться оптимального температурного режима.
Источники:
1. http://www.gracesguide.co.uk/Richard_Hornsby_and_Sons - Индустриальная энциклопедия Британии
2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/136403/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9 Из Брокгауза
3. http://elsso.ru/cont/ppl/230.html "Блинов Ф.А.", Центральная городская библиотека г. Саратова.
4. http://elsso.ru/cont/ppl/21.html "Мамин И.В.", Центральная городская библиотека г. Саратова.
5. http://coollib.com/b/248923/read "Механическая тяга. КПД дизеля", Александр Кириндас, Михаил Павлов.
6. http://www.findpatent.ru/byauthors/621934/ - патенты Я. Мамина
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C - Вики-статья "Нефтяной двигатель"
8. http://rustyiron.com/Engines/richardhornsbyva.html "Richard Hornsby & Sons". Журнал Antique engines and mashinery.
9. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 3 (Л - П)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1953, с. 613
| 1. Реклама двигателей "Хорнсби-Акройд" |
| 2. Двигатель с калоризатором с водяным охлаждением |
Эти двигатели еще называют полудизельными двигателями из-за сходства их принципа работы с двигателем Дизеля: в обеих конструкциях используется непосредственный впрыск топлива и воспламенение при сжатии. Разница - в наличии калоризатора (иначе -калильная головка, калильная камера, вапурайзер, hot bulb, запальный шар), т.е. дополнительной камеры с раскаленными стенками или раскаленного элемента. За это двигатель получил еще одно название: «Hot Bulb Engine», что буквально переводится, как "двигатель с горячим шаром". Иногда слово Bulb переводят, как "лампа".
"Hot bulb" нагревалась докрасна паяльной лампой перед пуском двигателя. Затем в камеру подавалось топливо и крутился вручную маховик. Топливо испарялось при соприкосновении с горячими стенками калильной камеры, пары смешивались с воздухом, поступающим в головку через дроссель и воспламенялись, нагревшись от стенки камеры и от сжатия. Для поджига топлива не требовалось высокая степень сжатия, как у двигателей Дизеля и, следовательно, не нужно было высокое давление впрыска топлива, т.к. давление сжатия калоризаторного двигателя - около 5 атмосфер, в то время как давление сжатия в дизельном двигателе - от 40 атмосфер.
| 3. Двигатель с традиционной калильной головкой (поз.6) |
Таким образом, достоинства нефтяного "полудизеля" вполне очевидны: 1) простота в изготовлении, 2)всеядность (могли использоваться природный газ, мазут, керосин, сырая нефть, растительное масло или креозот) 3) Легкость запуска в холодном климате
Недостатки, впрочем, тоже имелись, и немаленькие: 1) Перед запуском необходимо было нагревать калильную головку паяльной лампой, а это потеря 20-30 минут. 2) Низкий КПД двигателя (около 12%) из-за непродуваемой камеры калоризатора и малой степени сжатия 3) Сильные вибрации и низкооборотистость, необходимость применения массивного маховика 4) повышенная пожароопасность 5) невозможность регулирования оборотов.
Массово подобные двигатели выпускались до 30-х годов, а полностью выпуск прекратился лишь в 50-х годах, находя успешное применение в определенных отраслях народного хозяйства, таких, как стационарные приводы различных сельскохозяйственных машин и судовые двигатели, подкупая своей нетребовательностью к топливу, простотой ремонта и обслуживания.
Эволюция калоризаторов
| 4. Трактор LANZ. Калильная головка в разрезе. |
Простейшая калильная головка "нефтянок" представляла собой обычную герметичную полость, которую надо было нагревать открытым пламенем (как на рис.3). Охлаждение водой в ранних двигателях отсутствовало. Это вызывало определенные проблемы, т.к. нерегулируемая температура головки могла достигнуть высоких значений, из-за чего воспламенение топливной смеси начиналось раньше времени. Напротив, на холостом ходу камера могла остыть и перестать воспламенять смесь.
Для нормальной работы двигателя необходимо было поддерживать температуру калоризатора в пределах 330 - 600°. При более низкой температуре топливо не воспламенится, либо произойдёт поздняя вспышка; при температуре выше указанной - произойдёт преждевременная вспышка, что приведёт к снижению мощности двигателя.
При работе двигателя с нагрузкой в цилиндр каплями подавали воду для охлаждения, а при малой нагрузке, наоборот - прикрывали подсос воздуха, чтобы калоризатор совсем не остыл.
| 5. Двигатель с запальником (поз.1) |
В 1892 году Стюарт получил патент на калильную головку с водяным охлаждением. Это сразу позволило поднять степень сжатия и мощность двигателя.
Пожалуй, классикой Hot-bulb-калоризаторов можно назвать изделия немецкой фирмы Lanz. На народном немецком тракторе Lanz-Bulldog 12 PS выпуска 1921 года (рис. 4), оснащенном одноцилиндровым калильным двигателем, можно видеть калоризатор в виде полусферической головки в передней части двигателя в разрезе. Видны полости для охлаждающей жидкости, чаша для сбора и горения топлива, лючок для прогрева чаши паяльной лампой.
Также получили распространение двигатели с т.н. запальником. В англоязычной литературе запальник именуется "Hot-tube". Он представляет из себя быстросъемный элемент, который накаляется в снятом виде, затем вводится в камеру сгорания и двигатель заводится (см рис. 5).
Русские полудизеля
Выпуск двигателя системы Дизеля могли осилить единицы - в начале 20 века это были завод Людвига Нобеля, да Коломенский машиностроительный, в то время как выпустить нефтяной двигатель с калоризатором могли позволить себе даже небольшие провинциальные заводики.
Именно поэтому в России получили широкую популярность "нефтянки" за простоту и дешевизну. Часто такие двигатели называли, да и сейчас продолжают называют "Болиндерами", - по названию шведской компании, одной из первых начавшей массово производить такие двигатели как для хозяйственных нужд, так и для судов. На черноморском флоте есть даже такой термин - "болиндер" - т.е. баржа, оснащенная двигателем этой конструкции.
Вот весьма поучительный и веселый отрывок из морской байки про болиндер, взятый с сайта flot.com:
Двухтактный двигатель системы "Болиндер" - это замечательное творение человеческого гения. Как и двигатель Дизеля, он не требует электрического зажигания, но в отличие от "дизеля" может работать даже на сырой нефти! Для запуска "Болиндера" в специальное отверстие крышки единственного цилиндра ввинчивают стальной конус с резьбой у основания и шаровидным расширением на конце. Шар предварительно разогревают почти до белого каления, и сразу после ввинчивания конуса быстро раскручивают маховик двигателя. В дальнейшем двигатель работает неторопливо, но зато безостановочно, с характерным звонким "бонг-бонг". Только топливо подавай. Причём бывалые люди говорят, что если к топливу подмешать воды или просто помочиться в топливный бак, то "Болиндер" работает ещё лучше!
О своём первом знакомстве с двигателем "Болиндер" мне рассказал командир моего катера мичман Дорогой. Эта история произошла с ним ещё до войны, он тогда только-только пришёл в дивизион зелёным матросом-салагой, и был объектом всяких нехитрых флотских розыгрышей. Например, затачивал напильником лапы якоря на барже и осаживал кувалдой кнехты на причале, бегал по базе с пустым пожарным ведром в поисках швартовой бочки, из которой должен был налить полведра девиации для кока, и т.д.
Однажды Дорогого разбудили среди ночи и велели идти на баржу, чтобы помочь запустить двигатель. Подозревая очередной розыгрыш, Дорогой осторожно спустился в трюм баржи по скоб-трапу и остановился в нерешительности на скользком от мазута полу. Трюм был едва освещён тусклым красноватым светом мазутного факела, коптящего в углу. Около факела какой-то человек накачивал меха небольшого кузнечного горна. Вдруг этот человек выхватил из горна длинными кузнечными щипцами что-то раскалённое, и побежал прямо на Дорогого с криком "С дороги!" и лексическими добавками. Дорогой испуганно шарахнулся в сторону, и упал прямо на группу сидящих на корточках людей, которых вначале не заметил. Эти люди критически оценили поведение Дорогого, снабдив оценку для убедительности лексическими добавками. Человек со щипцами крикнул: "Крутите!" (с лексическими добавками). Все кинулись к большому маховику, около которого замешкавшемуся Дорогому не хватило места. Со второй попытки двигатель заработал и все пошли досыпать.
Из русских производителей среди многих выделяются две личности, как наиболее широко освещенные и мифологизированные в русскоязычной литературе: Блинов и Мамин, оба родом из села Балаково.
Блиновы
Известно, что создатель первого в России опытного образца гусеничного трактора на паровой тяге, русский промышленник и изобретатель, бывший крепостной крестьянин Федор Блинов гораздо больший успех снискал в создании пожарных насосов и двигателей. В то время, как его "самоход с бесконечными рельсами" был отнесен на нескольких промышленных выставках в разряд никчемных диковинок, за пожарный насос изобретатель в 1889 году получил серебрянную медаль, в 1890-х - бронзовую.
В России конца 19 века получили большое распространение дешевые и достаточно несовершенные даже по тем временам нефтяные двигатели, оснащенные простой калильной головкой (или открытым калоризатором) без водяного охлаждения. Помимо пожароопасности, данные двигатели развивали меньшую мощность по сравнению с более совершенными двигателями с охлаждаемым калоризатором. Зачем нужно охлаждение - см. выше вторую главу "Эволюция калоризаторов".
В 1899 году, в возрасте 68 лет, Блинов решает применить вместо открытой калильной головки т.н. запальник, т.е. предварительно раскаленный элемент, помещаемый через крышку в запальную камеру. Как уже говорилось выше, эта система уже применялась в Европе англичанами и шведами.
На собственном заводе со старообрядческим названием “Фабрика нефтяных двигателей и пожарных насосов “Благословение” П.Ф. Блинова” младший сын Ф. Блинова Порфирий начинает производить двигатели с запальником.
Уже после смерти отца, в 1903-м году, Порфирий подает заявку на патент, и в 1909-м получает привилегию. В части, посвященной описанию запальника, говорится:
“Выпаритель для работающих взрывом двигателей, характеризующийся совокупным применением двухстенной коробки, охлаждаемой водой, и металлического бруска, нагреваемого перед пуском в ход двигателя и помещенного внутрь коробки...”
Изобретение первого в мире запальника в отечественной литературе настойчиво приписывают Блинову, хотя в английской линейке нефтяных двигателей существуют такие же модели, но запальник там именуется "Hot tube", т.е. "горячая трубка". Кроме того, широко известен калоризаторный двигатель системы Болиндера с запальником, о нем как раз шла речь в предыдущей главе.
По воспоминаниям внучки Ф.Блинова, среди бумаг и книг деда она видела множество периодической английской патентной литературы конца 19 века. Скорее всего, оттуда Блинов и подчерпнул идею запальника.
Мамин
| 6. Запальник Мамина, 20-е годы. |
Параллельно продолжил дело Ф. Блинова и его ученик, Яков Мамин вместе с братом Иваном на собственном предприятии - "Чугуно-литейном механическом заводе братьев Я. и И. Маминых".
В 1903 году на предприятии Я. и И. Маминых был сделан первый двигатель мощностью 9,5 лошадиных сил на базе двигателя английской фирмы “Хорнсби”. Двигатель Маминых работал на нефти.
В 1904 году Мамины подали заявку на изобретение, а в 1908 году получили привилегию и патент № 14061 на двигатель, который назвали “Русский Дизель”. Все эти годы на заводе выпускались нефтяные двигатели мощностью от 3,5 до 30 лошадиных сил.
После революции 1917 года, Мамин продолжал конструировать двигатели, и известен ряд его предложений по модернизации запальника с тем, чтобы добиться оптимального температурного режима.
Источники:
1. http://www.gracesguide.co.uk/Richard_Hornsby_and_Sons - Индустриальная энциклопедия Британии
2. http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/136403/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9 Из Брокгауза
3. http://elsso.ru/cont/ppl/230.html "Блинов Ф.А.", Центральная городская библиотека г. Саратова.
4. http://elsso.ru/cont/ppl/21.html "Мамин И.В.", Центральная городская библиотека г. Саратова.
5. http://coollib.com/b/248923/read "Механическая тяга. КПД дизеля", Александр Кириндас, Михаил Павлов.
6. http://www.findpatent.ru/byauthors/621934/ - патенты Я. Мамина
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C - Вики-статья "Нефтяной двигатель"
8. http://rustyiron.com/Engines/richardhornsbyva.html "Richard Hornsby & Sons". Журнал Antique engines and mashinery.
9. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 3 (Л - П)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное - М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1953, с. 613
