Зависимость вала отбора мощности от поступательного движения машинно-тракторного агрегата неудобна по многим причинам. Однако до поры до времени она всех устраивала ввиду простоты устройства двигателя, а главное - неспешности полевых работ. Ведь за первые 50 лет своей истории трактор так и не смог основательно обогнать лошадь: его "рабочие скорости" едваедва перешагнули за порог 5 километров в час!
К середине текущего столетия сельскохозяйственные машины стали более сложными и более производительными. Их простои в поле стали обходиться все дороже...
Вот, например, забился травой режущий аппарат жатки. Чтобы очистить его, надо остановиться и прокрутить вал привода жатки "вхолостую". Но раз остановился трактор, остановился и привод, двигавший механическую косу. Трактор-тягач - та же лошадь: работает, когда двигается, а когда стоит только корм (горючее) переводит.
Два независимых привода от одного двигателя - для тракторных колес и механизмов связанной с трактором машины - как будто и небольшое изменение конструкции, но оно делает двигатель качественно иным, многоцелевым, более гибким. Теперь трактор может совместить старые функции лошади - тягача и новые - источника движения механизмов. Теперь он сообщает машине и поступательное и вращательное движение.
Лошадь этого сделать никак не могла.
- Я читал, что К. Маркс называл идею запрячь лошадь одной из гениальнейших и редчайших из всех, что приходили на ум человеку. Что же касается идеи запрячь трактор... Что она дала?
- Мотыгой гектар вскапывают за двести, конным плугом - за два дня, а тракторным - за 1 час.
- Значит, лошадь увеличила производительность труда в 100 раз, а трактор - только в 50. Ну а КПД?
.43 - Коэффициент полезного действия тракторного двигателя - 30 процентов, "лошадиного" - больше 90.
С того момента, как человеку пришла на ум идея запрячь лошадь, прошло несколько тысяч лет. За это время он сумел очень тщательно "вылизать идею" и превратить лошадь (вола, буйвола и тому подобные живые двигатели) в великолепнейшее и универсальнейшее транспортное и энергетическое средство. Идея "запрячь трактор" совсем молода, за истекшее время конструкторы не успели разработать ее столь же тщательно.
Есть, однако, у них решающее преимущество перед "предшественниками" "конструкторами" лошади.
Преимущество это - возможность непрерывного увеличения мощности объекта усовершенствования...
Впрочем, начать следовало бы не с преимуществ, а с недостатков. Вот, например, коэффициент полезного действия. Лошадь и вообще живая мышца в этом отношении образец для подражания. Их КПД - 90-94 процента!
Сейчас живые двигатели, несмотря ни на что, обслуживают большую часть человечества, чем механические.
Однако к XXI веку моторизация планеты будет, безусловно, окончена: слишком велик расход кормов на содержание "живого тягла", слишком много земли требуется для их выращивания и слишком мала производительность труда. Можем ли мы, однако, заменив лошадь трактором, подтянуть КПД его двигателя до "лошадиного уровня"?
С 1936 года, когда в нашей стране началась сплошная дизелизация тракторов (перевод с керосиновых карбюраторных двигателей на дизель), и до 1946 года расход горючего удалось снизить с 230 до 195 граммов на одну лошадиную силу в час. В последующие 10 лет указанный расход уменьшился только на 15 граммов, а с 1956 по 1976 он и вовсе стал незаметным.
Совершенно очевидно: это говорит о том, что мы близки к "порогу возможностей" дизеля. В первом поршневом двигателе, созданном в 1867 году немецким инженером Н. Отто, только 15 процентов химической энергии топлива превращалось в механическую работу.
В современных тракторных двигателях КПД возрос до 34 процентов, но очень сомнительно, чтобы когда-нибудь он превысил 35-40. И действительно, разве получать механическое движение путем промежуточного превращения химической энергии топлива в тепло не расточительно?! Добавьте к этому, что топливо в двигателе внутреннего сгорания фактически не горит, а взрывается. Вспомните, как выглядит этот цикл: всасывание - сжатие - взрыв - расширение...
Ну и, кроме того, будущее двигателя внутреннего сгорания омрачают еще одни родственные связи - с паровым двигателем.
В 1780 году известный английский изобретатель - он же и один из первых фабрикантов паровых двигателей Д. Уатт - попал в затруднительное положение.
Пока его машины использовались при откачке воды из шахт, привод, обеспечивающий возвратно-поступательное перемещение, был очень удобен: именно такое движение совершали длинные штанги и поршни тогдашних водяных насосов (благополучно, между прочим, доживших до наших дней). Паровые двигатели Уатта легко справлялись с этой задачей: ведь и поршни этих машин движутся точно так же... Но вот их начали заказывать текстильщики и металлисты. И сразу - рекламации:
для станков более удобно непрерывное вращение.
Уатт прекрасно знал, как превратить возвратно-поступательное движение поршня во вращение махового колеса. Для этого следовало применить давно всем знакомую конструкцию кривошипно-шатунного механизма.
Но была здесь одна неприятная загвоздка: указанный механизм ухитрился запатентовать другой известный изобретатель того времени - француз А. Пикар. Уатту же вовсе не хотелось платить за право использования патента...
Нам неизвестно, как обогатил Пикара его патент.
Зато совершенно определенно можно сказать: получи он все причитающееся ему по закону в наше время, слава Крезов и Ротшильдов стала бы совсем негромкой...
Уж очень совершенен и универсален кривошипно-шатунный механизм!
Вот уже около 200 лет он остается незаменимым во всех поршневых двигателях (автомобильных, тракторных, судовых, железнодорожных и пр. и пр.). Так что ничего удивительного в родстве "древнего" паровика и двигателя внутреннего сгорания нет.
Основной рабочий орган этих двигателей - цилиндр с перемещающимся внутри него поршнем. Поршень в цилиндре движется возвратно-поступательно. Это значит, что в крайних точках он на мгновение останавливается, прежде чем начать движение в обратную сторону. Прерывистость, "импульсивность" далеко не лучший способ движения. Именно поэтому в борьбе за скорость и экономичность весла были заменены колесными лопастями, а эти последние винтом. Прерывистость движения приводит к возникновению инерционных нагрузок, снижению полезной отдачи и коэффициента полезного действия.
Стряхнуть груз "паровых традиций" с двигателя внутреннего сгорания, заменить возвратно-поступательное движение его поршней на вращение рабочего ротора пытались очень давно. Собственно вращение, как начальный момент машины, исходная точка ее движения, использовалось куда чаще, чем движение ползуна: вспомните о разных видах мельниц, водяных колесах и многих других устройствах, известных человеку задолго до того, как он познакомился с паровозом. Однако создать роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания оказалось делом далеко не простым. Первым достиг успеха Ф. Ванкель, по имени которого в соответствии с традицией и окрестили новый двигатель.
Первый ванкель заработал в 1957 году. За прошедшие с этого времени 20 лет инженеры успели полностью "выяснить с ним отношения".
Отказ от "кривошипно-шатунной древности" и переход к выполненному в форме сложной треугольной кривой - гипотрохоиды - поршню, вращающемуся в очерченном по еще более сложной эпитрохоиде цилиндре, принес моторостроителям одновременно и надежды -и разочарования.
Ванкель имеет вдвое меньший вес, чем дизель при одинаковой мощности, проще и компактнее. По-видимому, у ванкеля больше шансов стать "чистым", то есть меньше загрязнять среду, и, пожалуй, он может оказаться более дешевым. Зато ванкель съедает на 10-15 процентов больше топлива и масла. В эпоху энергетического кризиса это очень крупный недостаток, и трудно сказать, удастся ли его снять в дальнейшем.
Однако Ванкель был не первым, кто сделал вращение основным идейным принципом машины: Герои Александрийский опередил его на 2 тысячи лет. Как известно, именно он построил эолипил - прообраз современной турбины...