Юный техник, 2002 № 05 - [10]

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.

Последних предложены тысячи вариантов. Как правило, их трудно сделать и почти невозможно добиться в них качественного сгорания топлива. Пример тому двигатель Ванкеля. Несмотря на простоту и компактность, он применяется крайне редко. Причина — в узком, похожем на щель, объеме сгорание происходит неполно, в результате чрезмерный расход топлива и высокая токсичность выхлопа. И это несмотря на пятьдесят лет работы по доводке двигателя. Да и в цилиндрическом объеме обычного двигателя сгорание большая проблема.

Всякий раз, когда создается мотор с новыми размерами, на отладку процесса сгорания уходят многие годы. А в брайтоне мы имеем нечто совсем иное. Сгорание начинается и полностью (без образования токсичных продуктов) заканчивается в горелке на коротком участке длиною в несколько миллиметров. В рабочий объем входят только продукты сгорания.

Форма его для них безразлична. Поэтому цикл Брайтона можно осуществить на роторном двигателе любого типа. На нашем рисунке 3 схема силовой установки с роторным брайтоном. За основу можно взять любой роторный двигатель с компрессором такого же типа. Мы отдали предпочтение двигателю, который построил в 1941 году советский инженер, впоследствии академик Махолдиани.

Рис. 3.Роторный брайтон:

_{1 — горелка; 2 — шиберная пластина; 3 — ротор; 4 — компрессор.}

Здесь ротор специальной формы вращается в цилиндре с двумя выдвигающимися пластинами (шиберами). Рабочий объем двигателя образован одним из выступов на роторе и шибером. После кратковременной вспышки горелки продукты сгорания создают давление на выступ ротора, вызывая его движение. В определенный момент наклонный скат другого выступа ротора выдвинет шибер, и вращение продолжается.