Этилированный бензин и двигатели с высокой степенью сжатия
Главной проблемой в автомобилестроительной технике стал поиск топлива и двигателя, которые бы в наибольшей степени соответствовали друг другу. Производительность поршневого двигателя – его способность наиболее эффективно использовать топливо, а значит, выдавать максимальную мощность при заданном расходе топлива – зависит от степени сжатия. Концепция сжатия достаточно проста, но для неспециалиста, возможно, стоит дать краткие пояснения. В процессе движения поршень в одном из своих положений находится в нижней части цилиндра двигателя, а в другом положении – в верхней части. В нижней точке хода поршня цилиндр заполняется топливом – смесью паров бензина с воздухом. В верхней точке хода топливная смесь сжимается. Под действием электрической искры топливо воспламеняется, горячие газы расширяются и толкают поршень вниз. Поршень при своем движении вниз поворачивает коленчатый вал, который передает мощность двигателя на колеса. Степень сжатия – это соотношение между объемом цилиндра, когда поршень находится в нижнем положении, и объемом цилиндра, когда поршень находится в верхнем положении. Это соотношение позволяет сопоставить объем топлива в несжатом и в сжатом состоянии. В начале 1920-х годов средняя степень сжатия оставляла примерно четыре к одному.
Как я уже говорил, чтобы создать более эффективный и мощный двигатель заданного объема, требовалось увеличить степень сжатия. Но здесь возникла серьезная проблема: детонация двигателя. Чтобы двигать поршень вниз, смесь паров бензина и воздуха должна была сгорать относительно медленно. В случае детонации – слишком быстрого сгорания – поршень не мог двигаться с достаточной скоростью, чтобы эффективно создавать усилие на валу. По существу, детонация двигателя приводит не только к потере мощности – резкое увеличение усилия нагружает элементы двигателя, что может вывести (и выводит) двигатель из строя.
Чтобы увеличить степень сжатия, нужно было найти способ уменьшить детонацию двигателя. Но в чем причина детонации? На заре автомобилестроения конструкторы заметили, что уменьшить детонацию можно путем изменения момента проскакивания искры. На большинстве автомобилей устанавливали рычаг ручной регулировки зажигания – такая конструкция сохранялась в течение многих лет. При этом водитель мог выбирать наилучшую настройку зажигания для различных условий движения. Например, при движении в гору следовало отсрочить момент зажигания, чтобы предотвратить детонацию двигателя при работе с повышенной нагрузкой.
Чарльз Кеттеринг – тот человек в General Motors, который начал исследовать детонацию двигателя и внес важный вклад в решение этой проблемы. Его давно интересовали вопросы зажигания, состава топлива и т. д. Сегодня вы не найдете ни одного автомобиля и ни одного самолета с поршневым двигателем, в котором не использовалось бы недетонирующее топливо – этилированный бензин, содержащий в качестве добавки тетраэтилсвинец, и разработал его именно Кеттеринг. Он пришел в General Motors, уже обладая определенными знаниями в этой области, а когда решение было найдено, он работал директором корпорации General Motors по научно-исследовательской работе.
Вплоть до Первой мировой войны считалось, что детонацию вызывает опережающее зажигание, когда искра проскакивает слишком рано. Вскоре после войны установили, что существует еще одни вид детонации, получивший название «детонация топлива». Ее удавалось устранить или уменьшить только путем замены топлива и изменения параметров топлива без регулировки зажигания. Одним из исследователей, работавших над этой проблемой, был Томас Миджли (Thomas Midgley). Он пришел в General Motors из технической лаборатории Дейтона, где был помощником Кеттеринга, а в начале 1920-х годов стал руководителем топливного подразделения научно-исследовательского центра General Motors. Вот слова Роберта Уилсона (Robert E. Wilson), бывшего председателя компании Standard Oil of Indiana и близкого друга Миджли:
«…Миджли со всей определенностью доказал, что, в противоположность сложившемуся мнению, детонация и раннее зажигание – разные явления, и что детонация представляет собой химическую характеристику топлива. Он показал, что бензол и циклогексан, который он успешно применял в своих опытах в лаборатории Дейтона, подвержены детонации гораздо меньше, чем бензин, а бензин – гораздо меньше, чем керосин».
Практически всякий раз, когда я встречал Тома, он обрушивал на меня новую теорию механизма детонации или противодействия ее проявлению – я в ответ выражал профессиональный скептицизм. Хотя теории обычно опровергались последующими экспериментами, они всегда стимулировали работу научной мысли и зачастую вели к важным открытиям. Самым ярким примером стала одна из ранних работ Миджли, где он попытался теоретически обосновать, почему керосин детонирует сильнее, чем бензин. Он заметил очевидную разницу в летучести и предположил, что бо́льшая часть керосина после начала воспламенения остается в капельном виде, а затем очень быстро переходит в парообразное состояние с последующей вспышкой. Далее Миджли предположил, что путем добавления в керосин красителя можно добиться того, что капли будут поглощать тепло, выделяющееся в камере сгорания, и, следовательно, быстрее переходить в парообразное состояние.
Если бы Том был хорошим физиком, он мог бы опровергнуть эту теорию путем расчетов, но, будучи инженером-механиком, он решил, что гораздо проще провести опыт, чем корпеть над вычислениями. Он отправился на склад в поисках какой-нибудь маслорастворимой краски и, как это обычно бывает, не нашел требуемый продукт. Однако Фред Чейз (Fred Chase) высказал предположение, что йод растворяется в масле и его можно использовать в качестве красителя для керосина. Том растворил в керосине значительное количество йода, испытал эту смесь в типовом двигателе с высокой степенью сжатия и с удовлетворением обнаружил, что детонация исчезла.
После этого он немедленно отправил людей в Дейтон для поиска подходящих образцов маслорастворимых красок и в тот же день один за другим испытал несколько из них, не получив ни малейшего положительного результата. Чтобы решить проблему, он добавил в бензин бесцветное соединение йода и обнаружил, что это прекратило детонацию. В результате первоначальная теория детонации была отвергнута, но одновременно с этой неудачей произошло рождение Тома как химика. В течение следующих нескольких лет он жадно изучал все разделы химии, чтобы попытаться найти объяснение своим наблюдениям и получить новые вещества для испытания их в качестве антидетонационных агентов.
Особый энтузиазм у Тома вызвала возможность применения анилина. Как правило, когда он находил новый антидетонационный агент, он пытался усовершенствовать методы производства и снизить издержки, чтобы применение было экономически обоснованным. Он также возлагал определенные надежды на свое первое этилсодержащее соединение, йодид этила. Если бы удалось обнаружить обильный источник йода…
На ежегодном заседании Общества инженеров-автомобилистов, которое прошло в Нью-Йорке в январе 1922 года, Том с большим волнением тайно продемонстрировал мне небольшое количество тетраэтилсвинца в пробирке и сообщил, что это реальное решение проблемы. Он сказал, что эффективность этого вещества намного выше, чем любого найденного ранее, и оно, похоже, лишено тех недостатков, с которыми он сталкивался ранее. Конечно, он пока еще не оценивал ни токсичность вещества, ни проблемы с его хранением.
Таким образом, после нескольких лет экспериментов Кеттеринга и Миджли, а также научно-исследовательского центра General Motors мы получили решение проблемы, а мир – важное изобретение. Но одно дело – изобрести, а другое – вывести его результат на рынок. Короче говоря, в августе 1924 года мы создали корпорацию под названием Ethyl Gasoline Corporation для продажи тетраэтилсвинца как антидетонационной добавки. Эта корпорация в равных долях принадлежала General Motors и Standard Oil of New Jersey. Первоначально этиловую жидкость производила корпорация du Pont по контракту, и только после 1948 года корпорация Ethyl Gasoline начала выпускать ее в соответствии со своими собственными техническими условиями.
Тетраэтилсвинец стал только одним из этапов на пути создания двигателей с высокой степенью сжатия. Несмотря на то, что он способствовал повышению качества топлива, само топливо в начале 1920-х годов существенно различалось по своему качеству. Не было способа сравнения одного образца топлива с другим, чтобы определить относительную ценность его применения в бензиновом двигателе.
General Motors изучила ситуацию и разработала метод оценки антидетонационных качеств топлива, или возможности эффективного использования данного вида топлива в двигателях с повышенной степенью сжатия. В соответствии с методикой топливу присваивалось определенное «октановое число». Октан – это топливо, практически не подверженное детонации. Таким образом, топливо с октановым числом 100 с практической точки зрения считалось идеальным. Доктор Грэм Эдгар (Graham Edgar) из корпорации Ethyl Gasoline придумал октановую шкалу в 1926 году, а Кеттеринг и инженеры-исследователи разработали первый образец одноцилиндрового двигателя с переменной степенью сжатия, который позволял измерять октановое число топлива. В этом двигателе использовался принцип переменной степени сжатия, который позднее стал стандартом для автомобилестроительной и нефтяной отраслей.
После начала Второй мировой войны General Motors переквалифицировалась в крупнейшего производителя продукции военного назначения, а когда война закончилась – оперативно вернулась к мирному производству.
Разумеется, один из способов повышения октанового числа заключался в добавлении тетраэтилсвинца, но был и другой путь – повышение качества переработки сырой нефти. Значительный прогресс технологий крекинга и риформинга сырой нефти позволил увеличить выход бензина из одного барреля сырья и повысить октановое число топлива перед добавлением тетраэтилсвинца. Это была еще одна драматическая история исследований, где Кеттеринг и его помощники также оказались первопроходцами. Октановое число продаваемого на автозаправках коммерческого бензина было увеличено с 50–55 в начале 1920-х годов, до 95, а в настоящее время оно может превышать 100 (в авиационном бензине октановое число еще выше). Это оказало громадное влияние на снижение удельного расхода топлива для заданного стандарта технических характеристик и повлияло на эффективность использования нефтяных ресурсов (
Другим способом снижения детонации стала конструкция самого двигателя. Сегодня нам известно, что в камере сгорания двигателя при вспышке паров топлива формируются очень сложные условия, порождающие ударную волну. Ударная волна может привести к быстрому повышению температуры топлива и детонации. По результатам исследований различных форм и контуров головок блока цилиндров и камер сгорания были предложены особые формы, которые обеспечивали снижение эффекта детонации и одновременно позволяли достичь наибольшей возможной степени сжатия.
Попутно стоит сказать об одной конструктивной проблеме двигателя, которая независимо от используемого топлива серьезно ограничивает разработку более мощных двигателей. Инженеры General Motors внесли значительный вклад в решение этой проблемы. Вибрация, которая всегда доставляет неприятности, становится гораздо более серьезной технической проблемой по мере увеличения скорости и мощности. Несбалансированное вращение и наличие в двигателе элементов с возвратно-поступательным характером движения становились источником разрушительных вибраций и ограничивали прогресс автомобилестроения.
ebooksa