Механическая тяга. Часть 10. КПД дизеля

Накануне

В феврале 1893 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель, по имени изобретателя вот уже более ста лет называющийся «дизельным». Первый работоспособный образец мотора своей конструкции был изготовлен Р. Дизелем к началу 1897 г. и 28 января успешно прошел испытания. К этому времени четко обозначилась потребность народного хозяйства и военного ведомства в транспортном двигателе, работавшем на тяжелом топливе. С самого момента появления такой мотор нашел горячих приверженцев в нашей стране, а лицензию на выпуск дизельмотора приобрел завод Нобелей в Петербурге.

К числу достоинств моторов, работавших на тяжелом топливе, относились: отсутствие электрической системы зажигания, меньший на 25-35% удельный расход топлива и его меньшая пожароопасность. Более высокая плотность дизельного топлива позволяла использовать под него баки меньшего объема.

Уже в 1903 г. дизелем петербургского завода Нобелей был оснащен первый в мире теплоход «Вандал». Однако в деле внедрения дизельных двигателей на транспорте возникли и существенные трудности, поскольку для изготовления их топливных систем требовалось применение сложного, а следовательно, и более дорогого, прецизионного оборудования. Кроме того, дизели отличались в целом большей металлоемкостью и существенной удельной массой. Более высокое по сравнению с карбюраторными двигателями давление вспышки (примерно двух-четырех кратное) предъявляло повышенные требования к прочности и жесткости кривошипно-шатунного механизма. Ручной пуск дизельных двигателей был практически невозможен, что, в свою очередь, вызывало необходимость установки специальных пусковых устройств. Поэтому первые опыты с применением дизелей на автомобильном или воздушном транспорте не имели успеха, и они изначально не могли конкурировать с карбюраторными (бензиновыми) двигателями. Первоначально развитие получили малооборотные судовые дизели, а также мобильные дизель-генераторы, предназначавшиеся для снабжения электричеством отдаленных жилых, народнохозяйственных или иных объектов.

Мы пойдем своим путем

В качестве своеобразной альтернативы традиционному дизельному двигателю рассматривались калоризаторные нефтяные моторы. Один из таких моторов в 1903 г. запатентовал русский изобретатель Я. В. Мамин. В этом двигателе конструктор использовал дополнительную камеру с тепловым аккумулятором в виде вставного запальника («калоризатора»). Калоризатор перед началом работы двигателя нагревали от постороннего источника тепла, а затем дальнейшая работа двигателя обеспечивалась за счет самовоспламенения топлива. В качестве топлива для двигателя с калоризатором использовалась сырая нефть. Двигатели такого типа получили название «русский дизель».

Производство калоризаторных нефтяных двигателей не требовало сложного оборудования и отличалось крайней простотой, однако попытки их применения в качестве транспортных силовых установок оказались не вполне удачными. Пуск двигателя был крайне трудоемким процессом, поскольку осуществлялся путем длительного подогрева калоризатора. Они отличались тихоходностью и крайне низкой литровой мощностью. Конечно, необходимые на подогрев калоризатора затраты времени (20-30 мин), были вполне сопоставимы со временем разведения паров первых тракторов, но стремительное совершенствование карбюраторных двигателей на легком топливе ограничило область применения «русских дизелей» стационарными силовыми установки, в основном для привода сельхозмашин. Подобные двигатели нашли применение и на первых отечественных тракторах так называемого «русского типа».

Выбор калоризаторного нефтяного мотора для первых отечественных тракторов объяснялся стремлением максимально снизить трудоемкость изготовления и применить относительно дешевые конструкционные материалы, что теоретически должно было способствовать уменьшению стоимости изготовления и ремонта самого трактора. Другим важным аспектом снижения стоимости первых тракторов стало использование колесного движителя как отличающегося существенно меньшей металлоемкостью в сравнении с гусеничным, правда, в ущерб тяговым показателям. Важным недостатком тракторов «русского типа» оказалось то, что они на практике отличались неудовлетворительной топливной экономичностью и повышенным расходом воды, а также малой производительностью, поэтому их применение для пахоты было нерентабельно. В связи с этим большинство тракторов применялось в качестве передвижных силовых установок. Перспективы использования маломощных колесных тракторов в военных целях не могли оцениваться как благоприятные.

Несмотря на все возможные конструктивные противоречия, казалось заманчивым объединить преимущества гусеничного трактора и предельно простую конструкцию калоризаторного нефтяного мотора. В развитие данной оригинальной концепции в тракторной лаборатории НАМИ были разработаны проекты тракторов «Лабтрак» с нефтяными моторами различной мощности: сельскохозяйственного – 8,8 кВт (12 л.с.), двойного назначения – 19,1-20,6 кВт (26-28 л.с.) и военного – 35,3-38,2 кВт (48-52 л.с.). Наиболее детально были проработаны проекты тракторов с двигателями мощностью 19,1-20,6 кВт (26-28 л.с.).

В основу концепции проектирования тракторов «Лабтрак» были положены следующие принципы:

«1) Употребление высокосортных материалов, как например, стали никелевой, ванадиевой и др. изготовляемых на очень немногих русских заводах и в очень ограниченном количестве, – должно быть сведено до минимума и употребляться лишь там – где без этого будет резко нарушаться пропорция конструкции.

2) Конструкции всех 3-х моделей должны быть разработаны таким образом, чтобы иметь возможно более одинаковых деталей, каковые будут изготовляться по принципу взаимозаменяемости, чем будет достигаться удешевление как самого производства так и дальнейшего ремонта машин».

На тракторе Г.26-28 поперек продольной оси машины устанавливался двухцилиндровый двухтактный двигатель с горизонтальным расположением цилиндров. На концах коленчатого вала двигателя размещались две зубчатки и маховики. Промежуточный вал трансмиссии имел четыре цилиндрических шестерни, связанных с валом с помощью двух кулачковых и двух дисковых сцеплений. С использованием первых обеспечивалось изменение передаточных чисел трансмиссии или скоростей движения трактора. С помощью вторых осуществлялось управление (поворот) машиной за счет выключения одной из гусениц. Всего в состав трансмиссии входили восемь цилиндрических шестерен, которые располагались в глухих картерах. Крутящий момент от коленчатого вала двигателя на промежуточный вал трансмиссии мог передаваться с двух сторон (слева или справа),

«причем этими переборами и достигается изменение скорости».

За счет изменения передаточных чисел трансмиссии скорость движения трактора составляла от 3 до 6 км/ч. Движение задним ходом обеспечивалось реверсом двигателя. Гусеницы трактора, представлявшие собой тип промежуточных роликовых цепей, свободно подвешивались к раме трактора на передней поперечной рессоре и имели центр качания на основной оси, совпадавший с валом ведущих зубчаток.

Радиаторы системы охлаждения двигателя располагались слева и справа от него так, что вентиляторы для их охлаждения были связаны с маховиками коленчатого вала двигателя через фрикционы. Управление движением трактора и переключение передач осуществлялось с помощью двух рычагов. Для размещения водителя и одного пассажира трактор оборудовался двухместным сиденьем.

Трактор В.26-28 имел продольно установленный двигатель с вертикальным расположением цилиндров и маховиком на коленчатом валу. В трансмиссии трактора использовались три конические шестерни, одна из которых располагалась непосредственно на коленчатом валу двигателя, а две других – на промежуточном валу трансмиссии. Причем с последним они соединялись с помощью кулачковых муфт. Конические шестерни промежуточного вала трансмиссии, в свою очередь, были жестко связаны с внешними коробками дисковых сцеплений, с помощью которых осуществлялось управление трактором. Вся трансмиссия состояла из трех конических и шести цилиндрических шестерен, из которых одна пара имела внутреннее зацепление. Трансмиссия обеспечивала трактору две передачи переднего хода (переключение передач осуществлялась с помощью перемещения концевых малых шестерен промежуточного вала и сцеплением их с той или другой парой шестерен конечной передачи). Для движения задним ходом в зацепление вводились левая или правая коническая шестерня с промежуточным валом трансмиссии.

Гусеничный ход В.26-28 был аналогичен гусеничному ходу трактора Г.26-28. При необходимости гусеничный ход тракторов «Лабтрак» моделей В.26-28 и Г.26-28 мог заменяться колесным ходом с установкой переднего рулевого колеса.

Специальный военный трактор оснащался четырехцилиндровым двигателем, цилиндры которого отливались по два в одном блоке (как и в первом типе), а сами блоки имели угол развала 90º. Существовали два проекта тракторов: М.48-52 – с механической и Г.В.48-52 – с гидравлической трансмиссиями.

Детальное рассмотрение разработанных проектов тракторов показало, что они были «вполне согласованы с требованиями общегражданского транспорта и военных нужд чисто обозного характера». Также отмечалось:

«Конечно, это не касается боевых заданий, каковые требуют специальных машин, отличительным признаком которых является большая скорость их передвижения и значительная мощность двигателя. Но эти специфические требования уже вполне определенно указывают на то, что в этом типе согласовать требования сельского хозяйства и военного ведомства едва ли представится возможным».

Тракторы «Лабтрак» не нашли практического применения из-за недостатков, ставших очевидными еще на этапе проектирования.

Еще одним важным обстоятельством являлось то, что отечественные тракторы с нефтяными калоризаторными двигателями изготавливались кустарно-примитивным способом. Это негативно сказывалось на их стоимости и особенно очевидно проявилось с освоением выпуска на Путиловском заводе тракторов «Фордзон», поэтому к 1925 г. на государственном уровне приняли решение о прекращении работ по тракторам «русского типа».

Сумрачный германский гений

Очень важным аспектом при разработке тракторов являлось изучение иностранного опыта. Регулярно проводимые заинтересованными ведомствами испытания позволяли ознакомиться с наиболее совершенными типами зарубежных образцов, среди которых имелись и модели с двигателями, работавшими на тяжелом топливе.

Широкие перспективы, открываемые применением дизельмоторов в механическом транспорте, и те успехи, которые были достигнуты за границей, главным образом в Германии, привлекли к ним внимание и советских специалистов. Так, на государственных испытаниях в 1927 г. были тщательно изучены две модели немецких тракторов («Colo Тгескег» и «Benz Komnick»), имевшие дизельные двигатели.

«При наличии известных конструктивных недочетов они показали высокую экономичность и относительную простоту в обслуживании и уходе».

В связи с этим советский специалист Н. А. Бухарин отмечал, что

«вопрос о возможности применения в наших условиях дизельмоторов на тракторах должен быть подвергнут внимательному изучению, ибо проблема механического двигателя, работающего на дешевом натуральном топливе, бесспорно встанет в ближайшее время, учитывая неизменно прогрессирующий темп тракторизации страны».

Важным фактором, повлиявшим на решение о создании отечественного тракторного дизеля, стало появление в 1928-1929 гг. сведений о новых немецких четырехтактных дизелях Daimler-Benz A.G. (Даймлер-Бенц) и Deutz A.G. (Дейц). Эти форкамерные двигатели были оценены как

«образцы весьма тщательно разработанных конструкций».

Особенный интерес советских специалистов вызвала конструкция форкамеры.

Отмечалось:

«Преимущество двигателей с форкамерой заключается в том, что у них давление впрыскивания значительно меньше, чем у дизельмоторов, в которых механическое распыление горючего материала производится непосредственно в камеру горения; в то время как у последних давление впрыскивания достигает нередко 300 at., у машин с форкамерой можно обойтись давлением в 60-100 at».

И далее:

«хотя современная техника в состоянии вполне удовлетворительно справиться с изготовлением форсунок и топливных насосов, пригодных для очень высоких давлений, все же необходимо признать, что эти части при том относительно недостаточном уходе, который уделяется мотору для механического транспорта, дольше останутся в употреблении при более умеренных давлениях».

Но если в Германии, на родине изобретения, достигли существенных результатов в создании дизельных двигателей, то успехи отечественных конструкторов были более чем скромными. В 1924 г. В. Я. Климов спроектировал авиационный дизель ВЯК, но до его реализации в металле дело так и не дошло. В 1925-1926 гг. в отделе двигателей тяжелого топлива НАМИ конструктор А. А. Микулин разработал два небольших дизеля марок «Альфа» и «Бета», предполагавшихся к установке на танкетки. Первый из них построили в октябре 1926 г. и почти три года безрезультатно испытывали и доводили.

Вместе с тем, на фоне зарубежных успехов интерес к созданию дизельного двигателя в нашей стране не только не пропал, но и стал частью государственной программы.

Так, в постановлении Политбюро ЦК ВКП(б) от 15 ноября 1930 г. весьма остро ставился вопрос о необходимости рационального использования нефтепродуктов, ускорении перевода двигателей транспортных и других машин на использование тяжелого топлива. Дизель мог стать существенной поддержкой в решении многих проблем, поэтому идею разработки отечественного мотора активно поддержали различные государственные и партийные инстанции. Отечественным дизелям большое значение придавало также командование РККА.

О методах повышения КПД при техническом творчестве

Относительно скромные успехи государственных НИИ (не случайно основные сведения о работающих на тяжелом топливе моторах были получены на основе данных испытаний зарубежной техники или из иностранной литературы) вынудили изыскивать новые формы организации творческой деятельности. Одной из таких форм организации было создание конструкторских бюро под эгидой ОГПУ. Достаточно хорошо известно своими самолетами ОКБ-1 при заводе №39. ОКБ-2 при заводе №24 проектировало серию двигателей ФЭД (Феликс Эдмундович Дзержинский), в частности, в нем был создан 24-цилиндровый Х-образный дизель со смешанным клапанно-щелевым газораспределением ФЭД-8. Двигатель ФЭД-8 задумывался как авиационный. За разработку дизельного двигателя для нужд наземного транспорта взялись в АТТБ ОГПУ. Производственной базой новосозданного КБ стал Подольский завод. Работу КБ курировали начальник ЭКУ ОГПУ Миронов и начальник Техотдела ОГПУ Горяков.

Конструкторам АТТБ, без сомнения, были известны новейшие немецкие форкамерные транспортные дизели (шестицилиндровый «Даймлер-Бенц», а также четырех- и шестицилиндровые «Дейц»), но к разработке двигателя они подошли творчески. Конструкция дизеля «Дейц» была критически рассмотрена и свой выбор инженеры остановили на трехцилиндровом рядном моторе, который явился вполне самостоятельной конструкцией, а от «Дейц» полностью скопировали только форсунку.

Трехцилиндровый двигатель был относительно прост в производстве. Вместе с тем, и двухтактные и четырехтактные трехцилиндровые двигатели из-за наличия моментов сил инерции поршней и шатунов являлись несбалансированными, что вынуждало дополнительно усложнять их конструкцию путем введения успокоительного вала для компенсации моментов 1-го порядка. Наилучшим по плавности хода трехцилиндровым рядным двигателем считался двухтактный.

К моменту организации работ АТТБ ОГПУ было принято принципиальное решение об организации в нашей стране производства тракторов «Катерпиллер» (Caterpillar). Первоначально рассматривался трактор «Thirty», однако позднее выбор остановили на «Sixty». Фирма «Катерпиллер» относилась к числу мировых лидеров в производстве тракторов, a «Sixty» считался одной из наиболее совершенных моделей гусеничного трактора конца 1920-х гг. Вместе с тем, этот трактор проектировался как народнохозяйственный, а не специальный военный быстроходный, поэтому он имел сравнительно низкие скорости движения. Одной из возможностей повышения скоростей движения было изменение передаточных чисел в трансмиссии. Однако с ростом скорости трактора неизбежно снижалось тяговое усилие.

Изменение скорости буксировки за счет перемены тягового усилия могло быть реализовано путем модернизации коробки скоростей или введения дополнительного устройства – мультипликатора или демультипликатора. Вероятно, впервые такая возможность повышения скорости артиллерийского трактора рассматривалась на заседании «Кометы» в 1922 г. при обсуждении заказа Обуховскому заводу («Большевик») на тракторы Холт 75НР. Однако в то время проблему быстроходности (повышения максимальной скорости с примерно 3,5 до почти 5 верст в час) завод успешно решил за счет улучшения качества и точности изготовления узлов и повышения мощности двигателя с фактических 60 до 75 заявленных лошадиных сил.

При модернизации тракторов «Коммунар» этот принцип был реализован в разработке «скоростной» (разумеется, относительно) модификации 9ЕУ и более «тяговой» модификации 9А. В дальнейшем новшества были внедрены комплексно в наиболее совершенной модели 3-90, оснащенной мощным двигателем, что позволило получить трактор с удовлетворительными тяговыми и скоростными показателями.

Еще одним своеобразным недостатком трактора «Sixty» являлось использование дорогого легкого топлива. Создание мощного дизеля призвано было разрешить обе проблемы сразу.

Другим важным аспектом при освоении новых образцов вооружений (а трактор рассматривался в первую очередь как быстроходный военный) является существенная материальная нагрузка на народное хозяйство, поэтому важным фактором стала мобилизационная готовность государства – перевести экономику на военные рельсы с минимальными издержками. Создание на основе предполагавшегося к освоению массового трактора «Sixty» армейского тягача виделось чрезвычайно заманчивым.

Решить в кратчайшие сроки комплекс этих крайне непростых задач и должен был коллектив АТТБ.

Уже менее чем через год после выхода постановления ПБ ЦК Миронов и Горяков докладывали о проделанной в развитие решения Партии работе и об успехах курируемого ими конструкторского коллектива:

«Забронирован и вооружен пулеметом ДТ трактор «Катерпиллер».

Толщина брони: лоб, передок 6 мм,
Верх 4 мм
Защита мотора 3 мм
Количество патронов 1260 шт.

На трактор поставлен работающий на нефти двухтактный бескомпрессорный дизель собственной конструкции, вместо американского газолинового двигателя, чем достигается большая экономия и по ценности и по его расходу/ 212-222 гр на силу час вместо 330-360 гр газолина/.

Трактор снабжен дополнительной коробкой скоростей/мультпликатор/ дающей возможность увеличить скорость его движения до 13,3 км/ч вместо 5,9 клм у Американского образца. Гусеница трактора облегчена весом, изготовлена из стали повышенного качества. Запроектирован вариант гусеницы на подрезиненных плицах.

Таким образом, трактор мобилизационно может быть превращен в забронированный и вооруженный тягач с повышенными скоростями движения».

В ходе заводских испытаний, завершенных к зиме 1931-1932 гг., от облегченной гусеницы отказались, отдав предпочтение оригинальной гусенице, заимствованной от трактора «Sixty».

На государственные испытания трактор был представлен в конце февраля 1932 г. под маркой КПД («Катерпиллер подольский дизельный»), Наряду с КПД испытаниям подверглись «Sixty» («Катерпиллер-60») и ряд других тракторов.

Испытания были призваны выявить тип трактора, пригодный для возки артиллерийских систем и других военных грузов. Тракторы оценивались по простоте обслуживания, экономичности, прочности конструкции и ряду иных параметров, в частности, определялись

«удобства обращения и легкости, как мастерского, так и особенно полевого ремонта – смена наиболее жизненных и страдающих частей».

Комиссия осмотрела тракторы 24 февраля 1932 г. Затем они прошли обкатку, динамометрирование, а в период с 1 по 16 марта состоялись пробеги протяженностью до 300 км по шоссе и 50 км по грунтовым дорогам, снежной целине ближнего Подмосковья в районе деревни Черной и по Хорошевскому шоссе (сейчас это уже в черте города).

Тракторы выводились на испытания с поездами в составе 203-мм гаубицы М-6, 152-мм мортиры с передком, 76-мм зенитной пушки, а также пары повозок П-26.

Суточный пробег составлял 8 ч, а в случае необходимости трактор оставался на ночевку в пути. В ходе интенсивных испытаний 5 марта на тракторе КПД были погнуты шпоры гусениц, а 8 марта сломан мультипликатор. Все ремонты КПД, как и других машин, удалось осуществить в полевых условиях.

При движении на малых скоростях все поезда двигались без затруднений. С ростом скорости буксировки до 8-10 км/ч наблюдалось виляние (занос) поезда. С повышением скорости до 16 км/ч виляние прицепов становилось очень сильным,

«угрожая возможностью закатиться в канаву или задеть за встречный экипаж задней прицепкой».

Во время очередного скоростного заезда трактор КПД съехал с дороги под откос, и его пришлось извлекать при помощи «Коммунара».

По итогам испытаний военные констатировали:

«Трактор Катерпиллер-60 прочен и прост, удобен в обращении. Исключительно надежно работает мотор в различных условиях, независимо от продолжительности беспрерывной работы».

В числе недостатков трактора «Sixty» были отмечены: скорость не выше 5,9 км/ч, громоздкая крыша, наличие несменных и вызывавших сильную тряску при движении на максимальной скорости по твердому грунту шпор, а также дефект помпы.

Трактор КПД имел те же недостатки гусеничного хода, что и у базовой модели, в связи с чем военные отметили, что он может надежно работать в тех же условиях, что и «Sixty». Выхлоп отработанных газов сильно демаскировал трактор, что было отмечено как серьезный недостаток. Пуск мотора сжатым воздухом также оказался ненадежным.

В целом предъявленная конструкция подтвердила очевидные преимущества дизельных двигателей и принципиальную возможность создания относительно быстроходного трактора на основе «Sixty», но выявленные дефекты воспрепятствовали принятию КПД на вооружение. Опыт разработки и испытаний трактора КПД был учтен при создании новых конструкций машин.

Использованы иллюстративные и документальные материалы РГВА.

Литература

• [1] Котельников В., Медведь А. Авиационные дизели, или тернистый путь А.Д. Чаромского //Двигатель.-2002, №2(20).
• [2] Зубов Е. Легендарный В-2: три страницы судьбы //Двигатель. 1999, №4(4).
• [3] Пути к решению вопроса об отечественном тракторостроении // Бюллетень Научно-автомоторно-го института. — 1922, №4.
• [4] Бухарин Н.А. Современные тракторы. Устройство и эксплуатация. -М-Л., 1931.

источник: Александр Кириндас, Михаил Павлов «МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЯГА. КПД ДИЗЕЛЯ» // «Техника и вооружение» Январь 2012