Бесплатный фрагмент - ТЕПЛОВОЗЫ. Вехи непройденного пути

ОТ АВТОРА

Уважаемый читатель!

Перед Вами книга о мало освещаемой в современной технической литературе странице истории тепловозостроения, представляющей почти забытые ныне типы тепловозов, в частности, тепловозы с непосредственным приводом движущих осей от двигателя внутреннего сгорания, которым свойственна простота конструкции и то, что теоретически они имеют самый высокий коэффициент полезного действия на ободе колёс из всех известных тепловых локомотивов. Поэтому конструкторы первых тепловозов не случайно стремились применить для них именно такой привод. Известно множество проектов, выполненных как в России, так и за рубежом, некоторые из которых воплотились в металл. Ряд спроектированных конструкций выглядели вполне работоспособными, однако технология производства первой половины прошлого столетия не позволяла их осуществить. Это, в частности, касается генераторов газа и дизель-компрессоров со свободно движущимися поршнями — оригинальных тепловых машин, которым посвящена отдельная глава. Позднее, уже в 50-х годах ХХ века во Франции и СССР были построены экспериментальные газотурбинные локомотивы со свободнопоршневыми генераторами газа. Эти локомотивы также описаны в данной книге.

В реальности эксплуатационный коэффициент полезного действия тепловозов с непосредственным приводом зачастую оказывался ниже, чем наиболее распространённых и хорошо известных сейчас тепловозов с электрической передачей. Это объясняется тем, что при непосредственном приводе дизель вступает в работу не сразу, а по достижении определённой скорости, развиваемой локомотивом, который до этого момента приводится в движение сжатым воздухом или паром. Время работы тепловоза на этих малоэкономичных источниках энергии зависело от конкретных условий эксплуатации, но так или иначе это снижало коэффициент полезного действия тепловоза, особенно при разгоне паром. Разновидность тепловозов с непосредственным приводом, использующих для разгона пар, обычно выделяется в самостоятельный тип локомотива, известный как теплопаровоз. Основные различия описываемых в этой книге конструкций тепловозов с непосредственным приводом заключаются в способе трогания локомотива с места и его разгона. В основном своём варианте тепловозы с непосредственным приводом разгоняются при помощи сжатого воздуха, для чего на них устанавливается вспомогательный дизель-компрессор.

Вообще сжатый воздух как рабочее тело для привода в движение транспортных средств начал применяться гораздо раньше, чем появились первые тепловозы. Кроме того, на некоторых тепловозах, называемых компрессорными, привод сжатым воздухом — чистым или в смеси с паром или продуктами сгорания двигателя — являлся основным. Поэтому книга была бы неполной без описания первых пневмолокомотивов, а также компрессорных тепловозов.

И хотя большинство тепловозов с непосредственным приводом для трогания и разгона используют сжатый воздух или пар, известны также тепловозы, которые трогаются и разгоняются при помощи гидродинамических аппаратов. В этом случае привод содержит гидравлическое звено, используемое для трогания и разгона, и механическое, которое используется в диапазоне средних и высоких скоростей движения, причём в механической части отсутствует коробка скоростей; таким образом, получается тепловоз с постоянным соединением двигателя и движущих колёсных пар, т. е. с непосредственным приводом. Благодаря использованию гидравлических устройств для разгона, общий коэффициент полезного действия тепловоза, у которого непосредственный привод совмещён в одной конструкции с гидравлическим, может оказаться выше, чем тепловоза с непосредственным приводом, использующего для разгона сжатый воздух или пар. Примером простейшей конструкции такого типа является наличие гидромуфты, располагаемой между фланцем дизеля и отбойным валом тепловоза.

Написать эту книгу побудили научные изыскания, проведённые автором в 2013 — 2014 гг. при разработке двигателя внутреннего сгорания с регулируемым крутящим моментом.

Именно тесная взаимосвязь между непосредственным и компрессорным приводом осей навела автора на мысль объединить эти два принципиально разных элемента силовой установки в единый агрегат, получивший название «Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента». На базе этого двигателя разработана силовая установка, обладающая, по мнению автора, высокой теплотехнической эффективностью, что делает её перспективной для применения на тепловозах.

Название книги «Тепловозы. Вехи непройденного пути» как бы подчёркивает незавершённость того пути, по которому шли создатели чрезвычайно интересных локомотивов, описанных в данной книге, не получивших в своё время распространения на железных дорогах. Возможно, этот путь ещё предстоит пройти.

Чтобы дать читателю возможность получить более полное представление обо всех упомянутых локомотивах, автором предпринята попытка обобщить имеющийся в его распоряжении по этой теме довольно обширный, но разрозненный материал из различных печатных источников, многие из которых стали уже библиографической редкостью, дополнив его в конце книги собственными разработками. В этой заключительной части книги автор попытался по-новому взглянуть на проблему создания тепловоза с непосредственным приводом и с этой точки зрения показать возможные перспективы развития локомотивов этого типа.

Кое-что удалось найти в интернете. В большинстве своём это англоязычные сайты, которые автор перевёл на русский язык, чтобы эти материалы можно было поместить в книгу.

При описании конструкций тепловозов и их систем автор старался использовать современную терминологию, но иногда приходилось придерживаться оригинальной терминологии источника, как правило, для обозначения той или иной системы тепловоза так, как их называли сами конструкторы.

ВВЕДЕНИЕ

Если проследить более чем вековую историю тепловозостроения, то можно увидеть два направления его развития.

Стремясь к упрощению и удешевлению тепловоза, многие инженеры искали решения в непосредственном действии двигателя внутреннего сгорания на движущие колёса. Проектов тепловозов непосредственного действия и их разновидностей, в которых движущие колёса приводятся во вращение прямо от двигателя внутреннего сгорания или с помощью фрикционных муфт, выполнено большое количество, некоторые из них даже были реализованы в виде опытных машин. Однако в целом это направление распространения не получило, и тепловозостроение пошло по другому пути развития.

Сторонники ­другого направления занимались поиском пригодной для условий локомотивной службы комбинации уже испытанных агрегатов и хорошо известных конструктивных элементов. Инженеры, работавшие в этом направлении, исходили из существующих свойств первичного двигателя внутреннего сгорания и изыскивали возможности применения его для тяги поездов путём использования промежуточных передач — элек­трической, гидравлической, пневматической, зубчатой, смешанной, играющих роль трансформатора частоты вращения и крутящего момента, передаваемого двигателем внутреннего сгорания движущим осям. Наибольшее распространение во всём мире получила электрическая передача. Доля тепловозов с электрической передачей составляет около 80% общего парка дизельных локомотивов. В меньшей степени применяются гидравлическая, гидромеханическая и механическая передачи.

Первые магистральные тепловозы, появившиеся в России, также имели электрическую передачу, позднее к ним добавился тепловоз с механической передачей. Этому пути развития тепловозостроения положили начало русские инженеры — профессора Я. М. Гаккель и Ю. В. Ломоносов.

Чтобы понять, почему до сих пор не удалось создать работоспособный тепловоз с непосредственным приводом движущих осей, полностью отвечающий всем требованиям тяги, следует кратко остановиться на особенностях и вытекающих из них основных свойствах двигателей внутреннего сгорания.

Среди существующих тепловых машин двигатель внутреннего сгорания обладает самым высоким коэффициентом полезного действия (к. п. д.), поскольку при сгорании топлива внутри цилиндра достигается высокая температура в процессе подвода тепла к рабочему телу. При этом сам процесс сопровождается меньшими тепловыми потерями, чем в случае внешнего подвода тепла. Наибольшая тепловая эффективность достигается у двигателя с самовоспламенением от сжатия, называемого дизелем по имени его создателя Рудольфа Дизеля. В дизелях происходит наиболее экономичное сжигание топлива, что делает эти двигатели особо привлекательными для применения на локомотивах. Если в паровозах при всех теплотехнических мероприятиях, которые только можно было осуществить, не удалось поднять к. п. д. выше 9%, то современные дизели работают с к. п. д. более 40%.

Вместе с тем двигатель внутреннего сгорания не может быть приведён в действие при неподвижных поршнях и совершать работу при низких скоростях их перемещения. Для трогания поезда с места и его разгона до скорости, когда двигатель начинает работать самостоятельно, необходим посторонний источник энергии. Это является одной из причин того, что локомотивы с двигателями внутреннего сгорания должны иметь промежуточную передачу между дизелем и колёсными парами, что увеличивает стоимость локомотива и расходы по его содержанию и ремонту.

Другой причиной применения промежуточной передачи является то, что двигатель внутреннего сгорания не обладает достаточно гибкой внешней характеристикой, требующейся машине транспортного назначения. Это происходит потому, что особенности его рабочего процесса, вытекающие из постоянства среднего индикаторного давления во всём скоростном диапазоне, не позволяют изменять в широких пределах момент на валу отбора мощности при изменении частоты вращения вала. Чтобы расширить эти пределы требуется форсировать двигатель, что приводит к его перегрузке. Однако дизель не переносит большой перегрузки, так как в этом случае в рабочих цилиндрах развиваются чрезмерно высокие температуры и давления. Поэтому непосредственное соединение вала двигателя с движущими осями локомотива не обеспечивает регулирование силы тяги в необходимых пределах.

Неудачный опыт с самым первым магистральным дизельным локомотивом с непосредственным приводом — тепловозом Общества Diesel-Klose-Sulzer — заставил представителей этого направления искать пути изменения свойств двигателя внутреннего сгорания и создания цикла, пригодного для локомотива.

Попытки создания тепловоза с непосредственным приводом в России предпринимали В. И. Гриневецкий, А. И. Липец, И. Ф. Ядов, М. И. Пригоровский, Е. Е. Лонткевич, Г. К. Хлебников и ряд других изобретателей и учёных.

Осуществить непосредственную передачу вращающего момента дизеля на оси тепловоза пытались и в дру­гих странах. Однако построенные за границей теп­ловозы также оказались плохо приспособленными к требованиям эксплуатации. У опытных тепловозов этого типа при переходе машин на работу по циклу Дизеля происходили резкие взрывы, не хватало воздуха или пара на разгон и т. д.

У тепловоза с непосредственным приводом, использующим для трогания с места сжатый воздух или пар, степень экономического эффекта по сравнению с тепловозами, имеющими передачу, зависит от скорости, при которой получается устойчивый, надёжный процесс сгорания. Чем меньше эта скорость, тем меньший требуется вспомогательный дизель-компрессор или паровой котёл для разгона поезда, тем больший период времени двигатель тепловоза может работать по дизельному циклу с высоким коэффициентом полезного действия.

Электрическая и другие виды применяемых в настоящее время передач полностью устраняют все трудности пуска в ход и гарантируют в большей или меньшей степени необходимую эластичность тяговой характеристики. Но тепловозы с передачами имеют существенные недостатки, от которых избавлен только тепловоз с непосредственным приводом.

Отрицательные качества тепловозов с передачей заключаются главным образом в необходимости иметь две различные энергетические системы на одном локомотиве с меньшей последующей отдачей мощности на ободе колёс и в более сложном регулировании. Тепловоз с передачей при значительном увеличении веса локомотива требует бóльших расходов на техническое обслуживание, увеличения длительности простоев в цехах для ремонта с одновременным ростом числа заходов на ремонт, необходимости более широкого применения специализированного персонала. Всё это снижает экономическую эффективность локомотива в целом.

Тепловозы с непосредственным приводом лишены этих отрицательных качеств, но такие локомотивы трудно осуществить на практике именно из-за сложности приведения в движение дизеля под нагрузкой и его неспособностью тянуть поезд на низких скоростях и сообщать ему необходимое ускорение.

При электрической передаче повышение веса локомотива выражается примерно в 25%, а первоначальной стоимости — в 33%, при гидравли­ческой передаче — в 10 и 20%, соответственно, при механической передаче — в 12 и 15%.

Совершенно естественно, поэтому, стремление устранить совсем это промежуточное звено и осуществить непосредственный привод, т. е. передавать вращающий момент от двигателя на колёса непо­средственно, подобно тому, как это осуществляется на паровозе.

Всякая передача отнимает у двигателя какую-то долю его мощности, затрачиваемую на трение передаточных частей механизма и на покрытие других потерь.

Электрическая передача, обеспечивающая хорошие тяговые свойства, громоздка, обладает значительным весом, требует расхода дорогих и дефицитных цветных металлов (главным образом меди) и дополнительной затраты мощности. Так, потери мощности от выходного вала дизеля до движущих колёс составляет до 20% номинала из-за потерь в главном генераторе, тяговых электродвигателях и преобразователях, затрат мощности на системы возбуждения и вентиляции электрических машин. По этой причине снижается эксплуатационный к. п. д. тепловоза.

Неизбежный разброс электромеханических характеристик тяговых электродвигателей приводит к повышению вероятности перегрева наиболее нагруженных из них и преждевременному срыву сцепления колёсных пар, приводимых во вращение этими двигателями. Для предотвращения боксования приходится применять специальные противобоксовочные устройства. Таким образом, электрическая передача значительно усложняет конструкцию и увеличивает стоимость тепловоза, а также усложняет его эксплуатацию и ремонт.

Ограничение габаритов и массы применяемых тяговых электрических машин при необходимости повышения агрегатной мощности и момента привело к увеличению нагрузки активных элементов тяговых электродвигателей и, как результат, к интенсификации вентиляции с целью обеспечить заданный ресурс.

Интенсификация вентиляции и использование конструкционных материалов, допускающих более высокие нагрузки, неизбежно ведёт к возрастанию затрат энергии на охлаждение при эксплуатации тягового электродвигателя и повышению его цены. С ростом секционной мощности энергетических установок тепловозов эти затраты возрастают с 1% — у тепловозов серий ТЭМ1 и ТЭМ2, до 4,5% и 6%, соответственно, — у тепловозов 2ТЭ116 и ТЭ136.

Анализ паспортных тяговых характеристик тепловозов с электрической передачей показывает, что мощность тепловоза ТЭ3 на ободе колёс составляет 77 ÷ 86% (в среднем 83%) от мощности, реализуемой на валу дизеля. У тепловозов 2ТЭ10 различных модификаций аналогичные показатели составляют, соответственно, 80 ÷ 87 (85) %, а у 2ТЭ116 — 82 ÷ 88 (87) %. Приведённые данные относятся к максимальным позициям контроллера машиниста (16-й у ТЭ3 и 15-й у 2ТЭ10 и 2ТЭ116).

Для сравнения интересно посмотреть данные, полученные из материалов испытаний тепловозов 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В. Эти данные, приведённые в виде гистограмм частотных распределений потерь мощности в электрической передаче в реальных условиях работы тепловозов с учётом переменных режимов и переходных процессов в энергетической цепи, являются несколько завышенными, потому что из показанных потерь не выделены затраты мощности на вспомогательные нужды тепловоза.

Нивелируя эти неточности, можно обратить внимание на то, что паспортные и экспериментальные данные не противоречат друг другу. Таким образом, видно, что современные тепловозы с электрической передачей непроизводительно теряют 15 — 20% энергии, вырабатываемой дизелем, и, соответственно, примерно на эту же величину у них должен возрастать расход топлива по сравнению с тепловозами, имеющими непосредственный привод.

Гидравлическая передача имеет меньший вес, не требует расхода цветных металлов, однако она обладает более низким коэффициентом полезного действия. Соответственно, здесь в ещё более выраженном виде будут проявляться те потери, которые наблюдаются у тепловозов с электрической передачей. В нашей стране тепловозы с гидропередачей не получили сколько-нибудь заметного распространения. Исключением, пожалуй, являются железные дороги Сахалина, где в силу габаритных ограничений тепловозов более узкой колеи затруднено размещение электродвигателей требуемой мощности. Также тепловозы с гидропередачей нашли применение на промышленном транспорте. Наибольшее распространение тепловозы с гидропередачей получили в Германии, но и там в последнее время наблюдается тенденция перехода на локомотивы с асинхронным электроприводом.

Наименьшие потери имеем в механической передаче (коробка скоростей с редукторно-карданным приводом), но здесь отсутствует возможность непрерывно изменять силу тяги во всём диапазоне её регулирования. Переключения ступеней сопровождаются провалами силы тяги и большими динамическими нагрузками в передаче, поэтому механическая передача неприменима для тепловозов большой мощности. Аналогично, ограниченная только малыми мощностями, передача сцеплением с использованием фрикционной муфты также не подходит для средних и больших мощностей.

Из вышесказанного следует, что проблему тепловоза нельзя считать окончательно решённой применением передач. Правда, многократные попытки решить проблему иным путём до сих пор не привели к успеху, но каждая из этих попыток, обнажая новые и новые противоречия, ближе и ближе ведёт к цели. Появившись в своё время как вынужденная мера, которая была необходима для скорейшего освоения дизельной тяги, тепловозные передачи сыграли и продолжают играть немаловажную роль в развитии тепловозостроения. Но задача создания более простого и дешёвого тепловоза никуда не делась и ждёт своего решения.

Двигатели, пред­назначенные для ло­комотивной службы, должны иметь рабочую характеристи­ку, близкую к характеристике паровозной машины, которая для автономного локомотива является наиболее подходящей. Необходимо, чтобы тяговый двигатель внутреннего сгорания мог в широких пределах изменять среднее индикаторное давление, плавно изменять частоту вращения, имея возможность воспламенять топливо при весьма низкой скорости. Он должен быть простым, надёжным в эксплуатации и дешёвым.

Наличие такого двигателя дало бы возможность построить тепловоз, у которого поршень был бы связан шатуном с ведущими колёсами непосредственно или же через отбойный вал. Несомненно, что тепловоз с таким двигателем наиболее целесообразно и просто разрешит проблему применения его как тяговой единицы на железнодорожном транспорте. Трудности создания такого двигателя состоят не только в видоизмене­нии существующих конструкций двигателей, но, главным образом, в изменении их рабочих процессов.

Опыт показал, что создать тепловоз, имеющий прямую связь дизеля с колёсами, несмотря на всю за­манчивость этой идеи, — задача чрезвычайно трудная, и поэтому такие тепловозы до сих пор не нашли практического применения. Но если бы тепловозы с непосредственным приводом, имеющие требуемые тяговые свойства, были созданы, то значение их трудно было бы переоценить. Победа в этой области тепловозостроения имела бы большое значение. Думается, что сегодня, опираясь на современные технологии, можно было бы избежать ошибок создателей первых тепловозов с непосредственным приводом и по-новому решить проблему создания такого тепловоза.

Глава I
ПРЕДШЕСТВЕННИКИ ТЕПЛОВОЗОВ

1.1. Локомотивы на сжатом воздухе

Сжатый воздух используется с XIX века для привода локомотивов, работающих на предприятиях горной промышленности. Помимо этого, в некоторых городах сжатый воздух использовался для привода трамваев, питавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Первые пневматические локомотивы появились всего лишь на 15 — 20 лет позже стефенсоновского паровоза как альтернатива паровой тяге.

Пневмоустановки получили широкое применение там, где дым, искры и пар из куда более эффективной паровой машины были неприемлемы (на городских улицах и внутри угольных шахт) в то время, когда электричество ещё не было распространено в качестве источника энергии для двигателей. По мере развития электроэнергетики локомотивы с двигателями, работающими на сжатом воздухе, были постепенно заменены электрической тягой.

Локомотивы, работающие на сжатом воздухе, приводятся в движение пневмодвигателями. Такой привод называется пневматическим. Эти локомотивы появились намного раньше, чем были выполнены проекты первых тепловозов. Пневмодвигатели имеют один или несколько цилиндров, в которых перемещаются поршни. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на паровые машины или гидродвигатели. Воздух перед впуском в двигатель целесообразно нагревать для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателе воздух охлаждается. У пневмолокомотивов отсутствует собственный генератор энергии, они используют готовую энергию в виде сжатого воздуха, приготавливаемого на зарядных станциях. Вместо сжигания смеси топлива с воздухом в двигателе и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в пневматических локомотивах передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха, запасённого в баллонах. Баллоны для хранения сжатого воздуха разрабатываются в соответствии с требованиями безопасности для сосудов, работающих под давлением. Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями, что обуславливает более низкий коэффициент полезного действия пневмолокомотивов чем, например, дизельных или, тем более, электротранспорта.

Принцип действия пневматических локомотивов впоследствии был положен в основу компрессорной передачи тепловозов. Поэтому пневмолокомотивы можно с полным правом считать предшественниками компрессорных тепловозов и тепловозов с непосредственным приводом, разгоняющихся сжатым воздухом.

При использовании на локомотивах сжатого воздуха в качестве рабочего тела возникает ряд проблем. Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. С учётом возможности нагрева воздуха его энергетическая плотность при давлении 300 ат не превышает 30 кВтч/м3, что сопоставимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно слабо. В то же время, давление на выходе из баллонов будет падать по мере расходования воздуха, если не принять специальных конструктивных мер, например, использовать резервуар с переменным рабочим объёмом. В этом случае по мере расходования воздуха объём будет уменьшаться, а давление оставаться примерно постоянным. Сжатие газа генерирует большое количество тепла, и вся эта энергия теряется при хранении воздуха, когда он остывает. Эти потери могут быть уменьшены, если сжимать воздух в двух или более ступенях, охлаждая его между ступенями, но всё равно потери будут оставаться значительными. С другой стороны, в процессе, использующим сжатый воздух для работы двигателя, главной проблемой является получение работоспособной системы. Когда газ расширяется, он охлаждается, и если запасённый воздух не является совершенно сухим (а это так и есть), в трубопроводе и цилиндрах двигателя влага начнёт замерзать, и двигатель скоро прекратит работу и остановится. Сжатый воздух, используемый в двигателе локомотива, смешивается со смазкой, применяемой для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования, что приводит к загрязнению окружающей среды.

Большим преимуществом пневматических локомотивов, правда, редко используемым на практике, является обратимость пневмодвигателя, возможность перевода его в компрессорный режим и, тем самым, осуществление рекуперации энергии торможения, что в энергетическом смысле аналогично применению рекуперативного торможения на электровозах.

1.2. Зарубежные пневмолокомотивы

Пневмолокомотивы Андро и дю Мотай. Первое фактически осуществлённое пневматическое рельсовое транспортное средство было построено М. Антуаном Андро и Тесси дю Мотай (полное имя Киприен-Мари Тесси дю Мотай) в 1839 г. на заводе Chaillot в Париже, Франция, и испытано в 1840 г. Давление в запасающих баллонах составляло 17 ат, а давление двигателя — 3 ат, что предполагает использование редукционного клапана.

В 1844 г. М. Андро построил локомотив 1-1-1 массой 5 т с одним клёпаным воздушным резервуаром, вмещавшим 3 м3 воздуха при давлении 21 ат. Впервые он был испытан в 1844 г. на версальском левобережном треке, проходя обратный путь длиной 3,2 км со скоростью от 27 до 32 км/ч.

Из патента 1841 г. мы узнаём, что Андро и Тесси дю Мотай основались на улице Шаброль, 35 в Париже; эта дорога до сих пор существует и лежит к юго-западу от Гар дю Нор, где заканчивается маршрут тоннельных поездов из Великобритании. Предполагается, что приведённая иллюстрация локомотива Андро относится к этой машине.

Пневматический локомотив Парси. В 1839 г. Артур Парси получил английский патент (№8,093) на локомотив, приводимый в движение сжатым воздухом. После им было получено ещё два английских патента: в 1844 г. и 1854 г. (№88). Он также получил американский патент (№5,205) в 1847 г.

Американский патент содержит вызывающий сильное недоумение второй раздел, согласно которому пневмолокомотив снабжён средствами для подачи воздуха обратно в ресивер после его использования в двигателе. Парси говорил: «Я предлагаю при некоторых обстоятельствах вместо того, чтобы позволять его выпускать, как пар двигателя высокого давления, возвращать сжатый воздух в ресивер А после того, как он воздействует на поршень». Видимо, он имел в виду резервуар A (то есть основной резервуар-хранилище), так как ресивер помечен буквой D, что означает, что давление использованного воздуха должно быть поднято до 70 ат или около того; эта путаница с терминами подрывает доверие к мистеру Парси. А что значит «некоторые обстоятельства»?

Теперь, если эта накачка относится к рекуперативному торможению, это было бы впечатляюще; но это не так, и это вызывает опасение, что предполагается какой-то вечный двигатель. Фактически Парси предполагал, что накачка может производиться вручную (что совершенно непрактично), но он предпочитает «использовать небольшой паровой двигатель» для выполнения этой задачи. Поэтому в простой пневматический локомотив теперь добавились паровой котёл, резервуары для воды, хранилище для угля и так далее. Это неразумно и показывает, что мистер Парси был не очень практичным человеком.

В 1846 году модель Парси была выставлена в офисе компании по производству сжатого воздуха Parsey, №5 Pall Mall East, где её видел Уильям Уильямс с Риджент-сквер в Лондоне. Он не был впечатлён. Он чувствовал, что «… высокая похвала и покровительство, которые были возложены на изобретение» были незаслуженными, поскольку упускались из виду потери мощности в редукционном клапане. Он согласился с тем, что редукционный клапан забирал небольшое количество воздуха при высоком давлении и давал больший объём при более низком давлении, но убедил себя, что есть скрытые потери, которые приведут к уменьшению радиуса действия локомотива до одной или двух миль. Мысли Уильямса были опубликованы в журнале «Mechanics Magazine», т. 44, стр. 200, сб. 14 марта 1846 г., №1179. Другим критиком был некто «A W», который считал предложение Парси чем-то вроде «пузыря», то есть весьма умозрительным и, возможно, неправильным. Похоже, он ещё меньше вникает в ситуацию, чем мистер Уильямс, полагая, что падение давления в редукционном клапане представляет собой мощность, которая будет полностью потеряна. Он заключает: «Я не могу не добавить, что 1000 фунтов на квадратный дюйм — опасное давление для такого применения. Проектировщики утверждают, что воздух обладает всей экспансивной мощностью пара; это совершенно верно, но также верно и то, что он одинаково опасен». Это кажется справедливым комментарием, если Парси намеревался использовать медные сосуды при 70 ат. На стр. 221 этого номера журнала «Mechanics Magazine» некий ещё менее осведомлённый «J M» ошибочно написал о потерях в редукторе. Ни один из корреспондентов не упомянул о вполне реальном источнике неэффективности всего процесса — потерях при сжатии воздуха, в первую очередь.

Пневматические локомотивы для Сен-Готардского тоннеля. Сен-Готардский железнодорожный тоннель в Лепонтинских Альпах был построен в 1871 — 1881 гг. Его длина 15 км, и через него проходит самый высокий участок Готардской железной дороги в Швейцарии, соединяя Гёшенен с Айроло. Это первый тоннель, который пересёк перевал Сен-Готард. Тоннель двухпутный; ширина колеи нормальная европейская.

При строительстве тоннеля столкнулись с трудностями при удалении породы из длинных штолен. Паровозы не могли использоваться из-за сильно ограниченной вентиляции. Использование лошадей также исключалось из-за их высокой цены и большого потребного количества. Поэтому был проведён первый эксперимент с использованием тяги на сжатом воздухе. Использовалось два обычных паровоза, по одному с каждой стороны тоннеля, но вместо воды котлы были заполнены сжатым воздухом давлением 4 ат. Результаты оказались обнадёживающими, и для этой цели в 1875 г. компанией Schneider-Creusot во Франции были специально построены локомотивы, предназначенные для работы на сжатом воздухе.

Рабочее давление составляло 7,35 ат, что было низким по сравнению с более поздними машинами и давлением в котле паровозов того времени; это, вероятно, было не случайно, поскольку при эксперименте с машинами, которые могут взорваться, естественно было начать с давления, которое считалось безопасным. Следует отметить, что воздушный ресивер имеет больший диаметр, по-видимому, более тонкие пластины и меньшее количество заклёпок, чем более поздние машины высокого давления.

Пневмолокомотивы Бомонта. Подполковник Фредерик Бомонт был назначен для запуска железнодорожной сети в Королевском Арсенале в 1873 г. К 1876 г. он начал проявлять интерес к пневматическим локомотивам как к безопасному способу работы в местах, где хранилось большое количество взрывчатых веществ. К 1877 г. уже работал экспериментальный 18-дюймовый локомотив; это была очень маленькая машина с шестнадцатью основными воздушными резервуарами и четырьмя в качестве запасных.

Королевский Арсенал в то время производил торпеды Уайтхеда по лицензии. Они работали на сжатом воздухе, и в арсенале было компрессорное оборудование, способное заряжать резервуары до 70 ат.

В статье в журнале «Society of Arts Journal» от 18 марта 1881 г. Бомонт сказал: «Самые ранние попытки были ограничены сжатием воздуха при сравнительно низком давлении, скажем, 200 фунтов на квадратный дюйм». Это давление (13,6 ат) было низким по более поздним стандартам, но всё же вдвое больше, чем использовалось в тоннеле Сен-Готард. Бомонт сказал, что это давало ограниченную выходную мощность, при этом всё ещё были проблемы с замерзанием цилиндров двигателя.

25 июля 1879 г. был размещён заказ у Мэннинга Уордла для локомотива на сжатом воздухе стандартной колеи с давлением в запасающих резервуарах 70 ат. Его первое публичное испытание состоялось 6 мая 1880 года, когда он успешно прошёл на трассе SER между Дартфордом и Арсеналом Вулиджа. Детали этого локомотива немногочисленны, но, согласно «Dartford Chronicle», двигатель имел шесть цилиндров, снабжавшихся воздухом из «расширительной коробки», которая, предположительно, снижала давление хранения 70 ат до давления двигателя порядка 14 ат. Как эти цилиндры были расположены, и был ли редукторный привод к осям, неизвестно. Но мы знаем, что ход поршня составлял 30 см, и было шесть спаренных колёс диаметром 914 мм. Локомотив известен как Manning Wardle No 761.

Нью-Йоркский пневмолокомотив. Построен в 1882 г. На локомотиве размещено четыре стальных цилиндрических баллона диаметром 91 см и объёмом 13 м3, в которых запас сжатого воздуха находился под давлением 42 ат.

Воздух проходил через вертикальный подогреватель, нагреваясь до 90°C, и направлялся в цилиндры двигателя через дроссель и редукционный клапан, разработанный для поддержания давления в цилиндрах на уровне 8 — 9 ат. Для того, чтобы подогреватель оставался горячим, по-видимому, сжигался уголь. На локомотиве установлен клапанный механизм Мейера. Возможно применение рекуперативного торможения, когда при замедлении двигатель работает как компрессор, проталкивая воздух обратно в резервуары. Радиус действия порядка 13 км.

Пневматический локомотив Хоэдли — Найта. Джозеф Хоэдли и Уолтер Найт были первыми среди тех, кто применил пневматический двигатель компаунд двукратного расширения. Это должно было напрямую повысить эффективность, как это имело место для паровых машин компаунд, потому что давало возможность подогревать воздух между цилиндрами высокого и низкого давления, а также решало проблемы обледенения.

Патенты Хоэдли-Найта предполагали, что для нагрева воздуха перед цилиндром высокого давления, а также подогрева его между цилиндрами высокого и низкого давления используется горячая вода. Система опробовалась в Нью-Йорке с 1894 по 1899 г., но особого успеха не имела.

Пневматические локомотивы компаунд Ходжеса и Портера. Пневматические локомотивы использовались в угольных шахтах, где из-за опасности взрыва горючих газов нельзя применять огонь, а также в пищевой промышленности и на текстильных фабриках, где дым и копоть могли испортить продукцию.

Чарльз Б. Ходжес изобрёл двигатель двукратного расширения, использующий подогреватель между цилиндрами высокого и низкого давления, чтобы подогреть частично расширенный сжатый воздух. Этот воздух пропускался через теплообменник, в котором он нагревался окружающим воздухом, всасываемым эжектором с помощью отработанного воздуха. Аналогичные эжекторы, действующие на отработанном паре, широко применялись для создания вакуума, используемого в тормозных системах паровозов. Благодаря изобретению Ходжеса отпадала необходимость в применении нагревателей, работающих за счёт сжигания некоторого количества кокса, и при этом не добавлялось никаких новых движущихся частей. Воздух был единственным используемым рабочим телом. Была достигнута существенная экономия, доходящая до 60%.

В 1890 г. компания Генри Кирке Портера построила свой первый пневматический локомотив для угольной шахты в штате Пенсильвания. Воздух, используемый вместо пара для приведения в действие поршней, запасался в двух резервуарах. Это позволило использовать локомотив внутри шахт без дыма от горящего угля, а также устраняло опасность, создаваемую паром высокого давления. Портер построил более 400 пневмолокомотивов для использования в шахтах, на заводах и уличных железных дорогах Нью-Орлеана. Строились пневмолокомотивы также другими фирмами, но к 1910 г. компания Портера владела 90% рынка. Компания H K Porter Company в Питтсбурге купила права на американские патенты, полученные Ч. Ходжесом, и в период 1896 — 1930 гг. продала сотни локомотивов для работы на угольных шахтах в восточной части Северной Америки. Пневмолокомотивы широко использовались в газовых шахтах, где постоянно существовала опасность взрыва. Вентиляция шахты усиливалась воздухом, остывающим при расширении в цилиндрах локомотива.

Как правило, локомотивы компании Портера имели баллоны с запасом воздуха давлением 50 — 80 ат, которое редуцировалось до 7 — 10 ат при поступлении в цилиндры. Воздух сжимался в многоступенчатых компрессорах и распределялся по трубам на зарядные станции, расположенные вдоль маршрутов осуществления перевозок. Портер утверждал, что операция заправки может быть легко завершена за 1,5 мин., при этом воздушный клапан открыт только в течение 40-50 с. Воздушные резервуары были испытаны давлением, на 30% превышающим их рабочее давление.

Известен вариант пневматического локомотива троекратного расширения компании Портера по патенту Ходжеса. Запас сжатого воздуха хранился при давлении 150 ат, которое значительно выше обычно используемого. Можно было бы предположить, что троекратное расширение необходимо для нормальной эксплуатации системы со столь высоким давлением. Но, во-первых, это давление уменьшалось до 25 — 30 ат с помощью редукционного клапана и, во-вторых, дополнительно снижалось перед цилиндром высокого давления, который имел предохранительный клапан на 15 ат. Давление в цилиндре среднего давления неизвестно, а цилиндр низкого давления имел предохранительный клапан на 5 ат. Все известные ссылки на построенные пневмолокомотивы Портера указывают, что они были двукратного расширения, и поэтому в настоящее время не ясно, использовалось ли в действительности троекратное расширение на практике. Скорее всего, этот проект реализован не был.

Давление 150 ат — чрезвычайно высокое, учитывая, что у паровозов оно редко превышало 17 ат; вероятно поэтому локомотив имел три ёмкости для хранения запаса сжатого воздуха как более экономичный способ держать такое высокое давление. Можно только гадать о безопасности. Конечно, не было ни огня, ни накипи — факторов, вызывающих эрозию металла, но, несмотря на это, страшно представить, что было бы, если хотя бы один из баллонов взорвался. Хотя каких-либо упоминаний о подобных случаях не найдено. Было весьма важно проверять внутреннюю часть ёмкости для хранения запаса сжатого воздуха на предмет коррозии, вызываемой капельной влагой; следует обратить внимание, что все резервуары поэтому имеют инспекционный люк на одном конце.

У другого пневмолокомотива компании Портера, №104, резервуар с запасом сжатого воздуха имел давление 50 ат, а двигатель рассчитан на 17 ат. Подогреватель находился на противоположной стороне резервуара, конус выхлопного диффузора эжектора виден в правом верхнем углу над люком баллона.

Обращает на себя внимание большое количество очень крупных заклёпок, требуемых для скрепления резервуара с запасом сжатого воздуха, по сравнению с паровозами, которые работали на гораздо более низком давлении. Резервуар с рабочим давлением двигателя выполнен в виде длинного тонкого цилиндра, а не более компактного бака. Скорее всего, это сделано потому, что длинный цилиндр удобно выполнить из стальной трубы стандартной длины, в то время как короткий бак будет испытывать гораздо большее усилие от стягивающего обруча и необходимо будет применять тяжёлые заклёпки, как для основного резервуара. Длинный цилиндр также имеет бóльшую площадь поверхности для поглощения тепла из окружающей среды, которая нужна для нагрева воздуха после его охлаждения при расширении.

Локомотив №104 по времени относится к 1910 г. Он использовался в одной из угольных шахт в Кэнморе, Альберта, и демонстрируется в музее в Сандоне, Британская Колумбия, Канада. H K Porter Company отмечала, что подогрев воздуха перед подачей во вспомогательный резервуар повышал экономичность локомотива на 35 — 50% («Light Locomotives» by H.K. Porter, 1900).

Есть ещё пневмолокомотив, работавший в шахте Хамстэйк. У него два резервуара с запасом сжатого воздуха давлением 70 ат расположены рядом, скорее всего потому, что при этом уменьшаются напряжения в металле от обруча и поэтому изготовление менее затратное. Выходной диффузор подогревателя с капюшоном над ним расположен в передней части локомотива. Подогреватель установлен между двух резервуаров с запасом сжатого воздуха ниже них. Даже несмотря на то, что представляется более реальным использование двукратного расширения воздуха вместо троекратного, непонятно, почему два видимых цилиндра тандем имеют одинаковый диаметр; возможно, это — сторона низкого давления, и тандемные цилиндры использовались, чтобы увеличить общую площадь поршней, вписавшись в габарит.

Пневматический локомотив Харди. Локомотив предназначался для работы на надземной Манхэттенской железной дороге в Нью-Йорке, где отсутствие сажи и запаха дыма являлось бы большим преимуществом. Давление в баллонах составляло 140 ат. Вот что писал об этом локомотиве журнал «Street Railway Journal» в мае 1897 г.:

«На сопроводительной гравюре показан новый локомотив сжатого воздуха, недавно построенный американской компанией Air Power Company для Манхэттенской надземной железнодорожной компании в Нью-Йорке. Локомотив будет сдан в эксплуатацию в течение нескольких дней в подразделение Шестой авеню этой компании и будет курсировать между Пятьдесят восьмой улицей и Ректор-Стрит. Колёса имеют 42 дюйма в диаметре; размеры цилиндра 13 дюймов в диаметре на 20 дюймов хода, и зарядный резервуар имеет вместимость 175 куб. футов. Это, по оценкам, позволит локомотиву совершать поездку туда и обратно между Ректор-Стрит и Пятьдесят восьмой улицей с 20-процентным запасом. Резервуар состоит из труб Маннесмана диаметром 9 дюймов, и имеющих различные длины, от 14 футов до 20 футов 6 дюймов. Толщина труб 9 дюймов. Трубы прокатаны из твёрдых слитков в соответствии с регулярным процессом Маннесмана».

«Воздух хранится в резервуаре на 2000 фунтов давления. Он используется в цилиндре на 200 фунтов давления с отсечкой от 10% хода до 5% хода. При прохождении из резервуара в цилиндр он протекает через обычный подогреватель с горячей водой и поступает в цилиндр при температуре от 200 до 300 градусов. Вода поддерживается нагретой с помощью небольшого угольного огня. Но топлива для его поддержания требуется немного, что становится понятным, когда говорится, что на локомотиве размещается только обычный бункер с углём. Новой особенностью локомотива, как будет видно, является расположение цилиндра. Он находится непосредственно под кабиной, позволяя иметь короткий трубопровод для нагретого воздуха. Клапанный механизм является чрезвычайно простым, что можно увидеть на гравюре под кабиной. Он управляется колесом, которое можно увидеть через окно кабины. Масса полностью экипированного локомотива составляет 47000 фунтов. Зарядная станция будет расположена на Гринвич-стрит,100».

Пневматический локомотив Диксона. Построен в 1899 г. Давление в резервуаре с запасом сжатого воздуха 42 ат, рабочее давление 10,5 ат. Объем бака 4,8 м3, масса 16 т.

Разница между давлением в резервуаре и рабочим давлением указывает на то, что между резервуаром и цилиндрами двигателя стоял редукционный клапан. Давление 42 ат является гораздо более высоким, чем обычно используется в паровых котлах, где оно редко превышает 17 ат. Вот почему резервуар этого локомотива, в отличие от парового котла, обит очень большими заклёпками. Это характерно для пневматических локомотивов.

Пневматические локомотивы компании Baldwin. Компания Baldwin очень хорошо известна как создатель паровозов, но она строила и пневматические локомотивы. В 1897 г. С. М. Вокленом, главным инженером компании, был разработан пневмолокомотив компаунд типа 0―2―0 для компании Philadelphia & Reading Coal & Iron Company, которая хотела использовать его в своей угольной шахте на Аляске, но имеется предположение, что он работал в Пенсильвании, а не на холодном севере. Локомотив получился удачным, и угольная компания заказала ещё три таких локомотива.

Конструкции локомотивов Baldwin выглядят вполне стандартными по сравнению с оригинальной конструкцией системы подогрева, используемой компанией Портера. Насколько сейчас известно, компания Baldwin никогда не пыталась применить ничего подобного, вероятно, потому, что разработки компании Портера были защищены патентами Ходжеса.

Имеются сведения о некоторых пневмолокомотивах, построенных заводом Baldwin. Один из них — №11. Воздух хранился в резервуарах под давлением 42 ат, а двигатель рассчитан на давление 7 ат. Локомотиву требовался вертикальный зазор 1,5 м и 1,8 м в ширину для прохождения кривых 9-метрового радиуса. Поскольку виден только один цилиндр, то, похоже, что у этого локомотива двигатель простого расширения.

Локомотив №41 — предназначен для работы на метровой колее. Считается, что это локомотив компаунд с цилиндром высокого давления диаметром 95 мм, низкого давления — 152 мм и ходом поршня 254 мм. Диаметр движущих колёс 610 мм. Один резервуар короче другого, чтобы иметь больше места в будке машиниста. Локомотив оборудован предупредительным гонгом. Заводской номер локомотива 17857 06—00. Данных о давлении в резервуарах и двигателе нет.

В журнале «American Engineer and Railroad Journal» приводятся сведения ещё об одном локомотиве, построенном на заводе Baldwin. Ниже показан его схематический чертёж. Воздухоподогреватель запатентован Вокленом. Сжатый воздух хранился во множестве цилиндров маленького диаметра, как и на локомотиве Харди, а не в больших резервуарах. Есть опасение, что использование множества маленьких цилиндров, а не одного или двух больших резервуаров, приводило к неэффективному использованию металла. Редукционный клапан перед цилиндрами пропускал воздух в большой цилиндр, расположенный над рамой и являющийся воздушным ресивером, окружённым цилиндрическим барабаном с горячей водой. Часть воды распылялась в центральный воздушный ресивер для лучшего нагревания и способствовала смазке цилиндров. Представляется, что для этого барабан с горячей водой должен находиться под давлением воздуха до редукционного клапана. Горячая вода подавалась из внешнего источника, и это было серьёзным недостатком, поскольку её надо было часто менять — вероятно, намного чаще, чем должны были заряжаться воздушные резервуары. Отработавший воздух выпускался в трубу, как на паровозах.

Пневмолокомотивы для западной французской сети. В 1901 г. Общество Saint-Leonard построило четыре пневматических локомотива (№6001 — 6004) для западной французской сети.

Для линий, обслуживающих Бретань и Нормандию, только что был построен новый подземный железнодорожный вокзал Монпарнас около Сены, чтобы разгрузить существующий вокзал на Монпарнасе. Эти линии обычно обслуживались электровозами, которые питались постоянным током напряжением 650 В из третьего рельса. Это напряжение уже широко использовалось на французских трамваях. Однако, поскольку с Парижем было заключено соглашение, исключающее использование паровозов внутри новой станции, были необходимы альтернативные способы тяги при внезапной потере питания. Выбор пал на локомотивы, работающие сжатым воздухом.

Пневмолокомотивы имели две двухосные тележки. Локомотивы могли управляться с любого конца. Воздух запасался в 33 воздушных резервуарах (предположительно цилиндрической формы) в средней части локомотива. Имелся промежуточный резервуар с воздухом давлением 20 ат. Около каждой тележки располагалось два цилиндра: воздух давлением 20 ат поступал в цилиндр высокого давления, расширялся в нём до 10 ат, после чего направлялся в цилиндр низкого давления.

Устройства для зарядки воздухом находились на крыше в обоих концах локомотива. Также в каждом конце были установлены подогреватели, чтобы перед использованием подогреть запасённый воздух, увеличивая развиваемую мощность и предотвращая замораживание цилиндров, поскольку воздух при расширении охлаждался. Локомотивы были оснащены и тормозом Вестингауза, и ручными тормозами.

Мощность локомотивов, по-видимому, была недостаточной, поскольку в 1910 г. они были заменены электровозами. Скорее всего, эти электровозы имели питание от аккумуляторных батарей, поскольку иначе они не могли бы использоваться при отключении электроснабжения.

Сжатый воздух производился на заводе, располагавшемся недалеко от площади вокзала Монпарнас, тремя независимыми группами машинного оборудования. Каждая группа включала в себя питающийся электроэнергией, поставляемой от электростанции Исси по общей электросети, трёхфазный электродвигатель напряжением 5000 В, который служил для привода вертикального компрессора Мекарского мощностью 200 л.с. с частотой вращения 100 об/мин. Завод использовал сжатый воздух давлением 6 ат, поставляемый компанией Compagnie Parisienne, которая распределяла сжатый воздух для энергетических целей через сеть труб под улицами Парижа, и поднимал его давление до 100 ат.

Компрессоры имели четыре цилиндра, и каждый компрессор мог поставлять 2000 кг воздуха в час. Воздух при конечном давлении хранился в шести группах из 20 баков, что имело существенное значение, так как сжатый воздух нужен для запуска локомотивов при перерывах электроснабжения. Рядом находились специальные средства для заполнения воздухоподогревателей (предположительно) горячей водой.

Симплонские тоннельные локомотивы. Симплонский тоннель связывает г. Бриг на юге Швейцарии с итальянским г. Домодоссола у подножья Альп. Строительство началось в 1898 г., и тоннель был открыт в 1906 г. На локомотивах, построенных для строительства тоннеля в швейцарском городе Винтертур, установлено большое количество баллонов для хранения запаса сжатого воздуха, выполненных в виде труб малого диаметра, что свидетельствует о высоком давлении, принимая во внимание тот факт, что локомотивостроителей Винтертура не пугали высокие давления. Некоторые данные, характеризующие этот интересный локомотив, опубликованы в журнале «Compressed Air Magazine».

Пневмолокомотивы тоннеля Лёчберг. Тоннель Лёчберг длиной 14,6 км находится на линии Лёчберг, соединяющей Шпиц и Бриг в северном конце Симплонского тоннеля в Швейцарии. Строительство началось в 1907 г. и закончилось в 1913 г. В тоннеле использовалось пять пневмолокомотивов, и сначала казалось вероятным, что они были теми же самыми машинами, которые использовались в Симплонском тоннеле, который открылся в 1906 г. Однако баллоны с запасом сжатого воздуха явно очень отличаются. Подтверждая это, «The Engineer» от 8 декабря 1911 г. говорит, что локомотивы Лёчберга были сделаны Thebault, Марли, Франция, а не в Винтертуре, как симплонские локомотивы.

Два больших четырёхосных локомотива с семью баллонами со сжатым воздухом общей ёмкостью 7.5 м3 использовались для работы вне тоннеля. Два поменьше использовались для каменной кладки в тоннеле. Пятый, самый маленький, двухосный локомотив использовался при отделке предварительно пройденных участков тоннеля. Он имел баллоны ёмкостью 3 м3. Давление в баллонах локомотивов составляло около 120 ат.

Сжатый воздух для локомотивов подавался двумя двухцилиндровыми компрессорами типа duplex по 400 л.с. каждый, сделанными Мейером из Мюльхайма. Главные баллоны локомотивов заряжались воздухом под давлением около 120 ат со скоростью 0,3 м3/с. Компрессоры приводились в действие электродвигателями, питающимися от гидроэлектростанции с колёсами Пелтона.

Пневмолокомотивы для тоннеля Роув. На иллюстрации, приведённой в журнале «Scientific American», показан пневмолокомотив с четырьмя резервуарами в одном из порталов тоннеля Роув — семикилометрового канального тоннеля, построенного между 1911 и 1916 гг. во Франции, чтобы канал Марсель — Рона мог достигать гавани Марселя. Это самый длинный канальный тоннель в мире. В 1926 г. он был сдан в эксплуатацию, но просуществовал менее сорока лет. 16 июня 1963 г. в мергельной зоне произошёл обвал на двухсотметровой длине, в результате которого образовался кратер глубиной 15 м. С тех пор тоннель закрыт для движения.

Никакой информации о локомотиве до сих пор не найдено, но можно предположить, что выхлопной рожок, который виден в передней части локомотива, позволяет отнести его к конструкции Портера. По всей видимости, было четыре резервуара сверху и два снизу. Верхние резервуары кажутся больше нижних.

Немецкие пневматические локомотивы. В пневматических локомотивах часто использовалось несколько баллонов для хранения запаса сжатого воздуха, а не один большой резервуар. Это уменьшало напряжения в металле, что делало баллоны более экономичными в изготовлении. У этих локомотивов резервуары имели разные диаметры. Один такой локомотив изображён в книге, изданной English Universities Press в 1951 г.

По мнению профессора Стэтхэма, пневматические локомотивы не использовались в английских шахтах. По-видимому, он имел в виду 1951 г., поскольку они, конечно, использовались в Великобритании до 1900 г. Однако эти локомотивы широко использовались в Рурском каменноугольном бассейне в Германии, их количество увеличилось с 617 (в 1919 г.) до 1223 (в 1940 г.).

Сжатый воздух производился на поверхности в многоступенчатых компрессорах и поступал в шахты по трубам диаметром от 28,5 до 50,8 мм. Давление воздуха составляло от 125 до 210 ат. Радиус действия локомотивов находился в пределах 4 ÷ 9,5 км. Использовалось от одного до девяти баллонов, в которые закачивался сжатый воздух, время заряда составляло 1 ÷ 2 мин. Локомотивы, которые поменьше, весили 6 т и развивали мощность 14 л.с., а те, что побольше, весили 10 т и имели мощность около 40 л.с. Рабочая скорость находилась в пределах 9,5 ÷ 11 км/ч, а тяговое усилие варьировалось от 450 до 10600 кгс при трогании с места, и от 240 до 770 кгс при рабочей скорости.

Профессор Стэтхэм не был сторонником пневматических локомотивов. Он считал, что они неэффективны из-за потерь тепла при сжатии воздуха и шумные, не учитывая при этом, что для преодоления последнего недостатка можно использовать глушитель. Хорошо зарекомендовали себя автомобильные глушители, которые не вызывают противодавления. Стэтхэм также указывал на высокие капитальные и производственные затраты. Однако, капитальные затраты были высокими, скорее всего, из-за того, что эти локомотивы построены в относительно малых количествах, вследствие чего экономия за счёт увеличения их производства была небольшой. Что касается производственных затрат, то, возможно, он имел в виду низкую экономичность пневмолокомотивов, поскольку нет никаких видимых причин, объясняющих большие затраты на их эксплуатацию и обслуживание. Эксплуатационные расходы были, конечно, намного меньше, чем у паровозов.

Пневматический локомотив Юнга. Построен в 1955 г. У этого локомотива несколько резервуаров для хранения запаса сжатого воздуха. Все они одинакового размера. Давление в резервуарах 200 ат, мощность локомотива 20 л.с., его масса 5,6 т. Следует отметить, что давление в резервуарах возросло в пять раз по сравнению с локомотивом Диксона.

1.3. Духоход Барановского

В период строительства первой российской магистрали между Санкт-Петербургом и Москвой основным поставщиком локомотивов и вагонов для российских железных дорог стал Александровский механический завод, находившийся в Петербурге. Во второй половине XIX века, когда появились многочисленные крупные паровозостроительные предприятия, завод постепенно утратил свой приоритет в строительстве паровозов и приобрёл статус Главных паровозо- и вагоноремонтных мастерских Николаевской железной дороги.

В 1861 г. на Александровском заводе был построен первый в России локомотив, который должен был заменить паровоз. Двигатель локомотива приводился в движение не паром, а сжатым воздухом. Строительством необычного для того времени локомотива руководил его изобретатель С. И. Барановский. Он же дал своему детищу название «духоход» или «духовой самокат». Двигатели, подобные обычным паровым машинам локомотивов, были двухцилиндровыми — по одному горизонтальному цилиндру на каждую сторону локомотива. Но вместо горизонтальных плоских скользящих золотников были введены вертикальные цилиндрические. Привод колёс от двигателя был таким же, как и у паровоза. Поршни каждого цилиндра диаметром 150 мм имели ход 300 мм. Судя по рисунку, который был сделан в 1862 г., на одной платформе находились как двигатель, так и баллоны со сжатым воздухом. Видимо, это был экспериментальный локомотив для проверки идеи на практике. Сжатый воздух, приводящий в движение воздушные машины, помещался в 34 горизонтальных трубах (баллонах) диаметром 150 мм и длиной 2100 мм каждая. Баллоны были соединены между собой трубами меньшего диаметра. Для управления машинами имелись краны, манометр, рычаг с тягой к золотнику. Тендер для воды и топлива отсутствовал. Для двух машинистов соорудили небольшую крытую площадку.

Для духохода, который должен был появиться на железных дорогах, С. И. Барановский предусматривал специальный прицепной вагон. По идее изобретателя, каждый самокат должен был везти за собой духовик — вагон с баллонами сжатого воздуха, после расходования которого в течение 2 — 3 часов машинист отцеплял вагон с опустевшими баллонами, а вместо него прицеплял запасной вагон с заправленными ёмкостями. Поезд, практически не задерживаясь, двигался дальше, а вагон с пустыми баллонами подавался на зарядку. В 1860 г. С. И. Барановский специально для этого сконструировал компрессор.

Сообщение об испытании этой уникальной машины на Николаевской железной дороге было напечатано в популярной газете «Северная почта» в разделе «Замечательные новости» в феврале 1862 г. Объявление заканчивалось приглашением «на маленькое начало чего-то большого». Возможность прокатиться на уникальном локомотиве привлекла внимание не только любопытных, но и многих специалистов, интересующихся возможностями применения сжатого воздуха. Прежде всего их интересовало устройство для получения сжатого воздуха (компрессора).

Об испытаниях духового самоката говорил весь Петербург. О техническом новшестве писали газеты и журналы. Например, принимавший участие в поездках на этой уникальной машине П. Д. Кузьминский — юнкер флота, будущий изобретатель первой в мире газотурбинной установки, ученик известных русских учёных И. П. Алымова и Д. И. Менделеева, писал в «Морском сборнике»:

«В газетах прочёл я, что г. Барановский намерен показать публике применение сжатого воздуха к движению по железной дороге. Дав себе обещание непременно побывать на всех трёх опытах, что мне и удалось сделать, я радовался такой новинке, но иногда на меня находили минуты неверия, и я сомневался в выгодном осуществлении этого применения воздуха.

27 декабря в 3 часа пополудни я был на дебаркадере Николаевской железной дороги, где производились опыты с новой машиной. Из локомотивного сарая пришёл локомотив и привёл за собой какое-то собрание труб, окрашенных дикой краской, а около этих труб маленький передаточный механизм прямого действия. К духоходу прицеплен был один вагон, который, разумеется, тотчас же по приходе… был наполнен любопытными, успевшими в него поместиться. Поезд тронулся и громкое «ура!» понеслось за ним…»

После проведённых испытаний началось движение поездов с локомотивом, работающим на сжатом воздухе, которые ходили между Петербургом и Царским Селом вплоть до лета 1862 г. Водил их сын изобретателя Владимир, в будущем выдающийся конструктор и изобретатель артиллерийских орудий, ставших прообразом современной скорострельной артиллерии.

Локомотив был довольно совершенным в техническом плане устройством, использующим передовые идеи того времени. Тем не менее, в том же 1862 г. локомотив был снят с эксплуатации, так как был технически слишком сложен для своего времени.

Глава II
ТЕПЛОВОЗЫ
С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРИВОДОМ

2.1. Проблема создания тепловоза с непосредственным приводом и пути её решения

Идея применения для тяги поездов двигателя внутреннего сгорания, обладающего более высоким коэффициентом полезного действия по сравнению с паровой машиной, возникла у российских инженеров ещё в конце XIX века.

Так, в 1894 г. по идее профессора В. Л. Кирпичёва разрабатывался первый русский проект тепловоза, который назывался нефтевозом, поскольку должен был иметь двигатели, работающие на нефти. Таким образом, история отечественного тепловозостроения началась за три года до создания Рудольфом Дизелем двигателя с самовоспламенением от сжатия, рождение которого произошло лишь в 1897 г.

В. Л. Кирпичёв, как и многие изобретатели того времени, пытался связать поршни, перемещающиеся в цилиндрах двигателя, и ведущие колёса локомотива непосредственно. В таких проектах предполагалось для трогания с места подавать в цилиндры пар или сжатый воздух, а после набора скорости — нефть. На нефтевозе Кирпичёва предполагалось применить калоризаторные двигатели, являющиеся предшественниками дизелей. Воспламенение топлива в таких двигателях осуществлялось с помощью калильной головки — калоризатора, а сами двигатели имели относительно низкую степень сжатия. Помимо цилиндров двигателей внутреннего сгорания, предполагалось установить цилиндры, работающие паром. С помощью последних намечалось осуществлять трогание и первоначальный разгон нефтевоза, после чего переходить на совместную работу этих цилиндров с цилиндрами двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, локомотив профессора Кирпичёва был как бы прообразом теплопаровоза.

Появление дизелей в России и организация постройки их на русских заводах вызвали большой интерес к этим двигателям.

В Императорском Московском техническом училище, Технологическом, Политехническом и других институтах было введено изучение двигателей этого типа. В Обществе технологов, Русском техническом обществе и других технических обществах неоднократно делались доклады по этому вопросу. По созданию конструкций двигателей для тепловозов, а также самих тепловозов деятельно работали конструкторские бюро Путиловского, Коломенского, Харьковского и других заводов.

Однако какой-либо последовательности разрешения тепловозной проблемы в этот период отметить нельзя.

Устройство и первые проекты тепловозов с непосредственным приводом. В 1904 г. работники Владикавказской ж. д. разработали технический проект локомотива, объединяющего паросиловую установку и двигатель внутреннего сгорания. Первым типом подобного нефтевоза был паровоз с дополнительным нефтяным двигателем. В передней части такого локомотива размещалась двухцилиндровая паровая машина, а в задней — двигатель внутреннего сгорания, который имел два воздушных и два рабочих цилиндра. Воздушные цилиндры располагались внутри рамы и подавали сжатый до 35 ат воздух в рабочие цилиндры, расположенные снаружи рамы. При поступлении в цилиндры сжатый воздух захватывал нефть, подаваемую специальным насосом, и вдувал её в цилиндры. Сгорание нефти происходило под влиянием высокой температуры сжатого воздуха при постоянном давлении.

В 1906 и 1913 гг. изучались вопросы улучшения тепловых процессов нефтевоза, а также различные варианты расположения цилиндров и кинематической связи двигателя с движущими осями.

Тепловозы с непосредственным приводом характеризуются тем, что их движущие оси соединяются спарниками либо напрямую с валом дизеля, либо с промежуточным отбойным валом, который дизель приводит во вращение. Для езды без топлива дизель должен снабжаться декомпрессионными устройствами по типу приборов беспарного хода на паровозах, причём в этот период будет излишний износ движущихся частей.

Двигатель внутреннего сгорания предпочтительнее размещать на раме локомотива внутри кузова или закрывая его от окружающей среды капотом; в противном случае требуется применять незамерзающие жидкости для охлаждения двигателя или искусственный обогрев во время стоянок тепловоза. Рама тепловоза должна соединяться с осями при помощи рессор, что способствует уменьшению динамических нагрузок на оси тепловоза и на путь, при этом коленчатый вал двигателя не совмещается с ведущей осью, а служит отбойным валом, от которого передаётся движение осям через дышловую передачу. Двигатель внутреннего сгорания требует наблюдения за работой отдельных деталей во время езды, следовательно, к этим частям должен быть свободный доступ.

Расположение двигателя на раме валом поперёк продольной оси тепловоза имеет преимущество ― при соединении с осями можно обойтись без конических шестерен. Чтобы иметь силу тяги локомотива, ограниченную только сцепным весом, нужно увеличивать размеры цилиндра или их количество. Однако количество цилиндров по условиям габарита ограничивается, поэтому в тепловозах большой мощности необ­ходимо переходить к двигателям типа тандем, так как при поперечном расположении вала двигателя и V-образном расположении цилиндров не получается разместить на раме больше 4 — 6 цилиндров. Мощность двигателя тандем мо­жет быть очень большой, но конструкция получается тяжёлой. Лучшее решение может быть достигнуто при переходе к W-образному расположению цилиндров или в виде полузвезды, а также к сочленённым схемам типа Маллета.

Для тяговой службы более приемлем двухтактный двигатель, потому что его конструкция проще, размеры его при одном и том же количестве цилиндров будут меньше, объём ремонта снижается, следовательно, эксплуатация такого двигателя будет дешевле более сложного четырёхтактного двигателя.

Меньшая стоимость двигателя достигается путём применения двухтактных двигателей двойного действия и возможно меньшего числа цилиндров. Давление вспышки должно быть по возможности низким. Наименьшая частота вращения главного двигателя, дающая вспышку, также должна быть по возможности низкой, чтобы иметь возможность применять небольшую и лёгкую пусковую вспомогательную машину, которую при этом необходимо органически связать в ра­боте с главным двигателем.

Желательно, чтобы потери в сопрягающих элементах между двигателем и движущими колёсами не превышали 3 — 4%, при этом, когда дизель работает по нормаль­ному циклу (без наддува и искусственного запала смеси), экономичность его работы должна быть не ниже экономичности дизеля, работающего с различными системами передач.

В 1909 г. начальник службы тяги Ташкентской ж. д. Ю.В. Ломоносов начал заниматься разработкой проекта тепловоза с непосредственным приводом вместе с инженером А. И. Липецем и техником Тутышкиным. Довести свои задумки до конкретного воплощения Ломоносов в то время не смог — в 1910 г. его переводят на Николаевскую дорогу в Петербург, а затем назначают помощником начальника Управления тяги всех русских железных дорог. Над проектом продолжает работать А. И. Липец и завершает его уже в Оренбурге.

Тепловоз Липеца имел два четырёхцилин­дровых двигателя с наклонными цилиндрами, работавшими на два отбойных вала, располо­женные по концам тепловоза. Отбойные валы были связаны дышлами с ведущими осями тепловоза, которые вращались внутри полой отливки, связывавшей оба колеса. Для обеспечения пуска дизеля при нулевой скорости локомотива в проекте была предусмотрена фрикционная пневматическая муфта, допускающая работу со скольжением. Разработанная А. И. Липецом, она служила для заклинивания колёс на осях при работе двигателя под нагрузкой или расцепления их при пуске и холостой работе двигателя. Макетный образец такой муфты был испытан на паровозе типа 0—3—0 серии Т с наружными рамами. Муфты сцеплялись и расцеплялись хорошо, но вследствие утечки воздуха они могли работать в сцепленном со­стоянии только 5 — 7 мин.

Колёсные пары с этими муфтами находились в одном из петербургских депо, куда они были привезены в 1912 г. для продолжения опытов. Петербургский тормозной завод предлагал изменить подвод воздуха и брался изготовить такие муфты, гарантируя отсутствие утечки воздуха.

Для охлаждения воды рубашек двигателя были запроектированы градирни, располагав­шиеся по концам тепловоза. Градирня в 1910 г. была испытана на одном из паровозов 0―4―0 серии Ов и дала хорошие результаты: температура охлаждаемой воды падала ниже температуры окружающего воздуха примерно на 5°C.

Тепловоз должен был развивать силу тяги 12000 кгс при скорости 10 — 12 км/ч.

В июле 1914 г. были разрешены кредиты на постройку двух опытных тепловозов с непосредственным приводом, равных по мощности паровозу типа 1―4―0 серии Щ по проекту, разработанному в 1913 г., но начавшаяся в 1914 г. первая мировая война не позволила его осуществить.

Для разгона поезда до скорости, обеспечивающей надёжность вспышки топлива в главном (тяговом) двигателе, тепловозы с непосредственным приводом оборудовались дополнительным пусковым устройством. В качестве такого устройства применялись добавочный дизель-компрессор мощностью не менее 10 — 25% от нормальной мощности главного двигателя с большим количеством баллонов со сжатым воздухом или паровой котёл, обогреваемый теплотой отработавших газов главного двигателя, а на стоянках — за счёт сжигания добавочного топлива.

Первый мощный тепловоз с непосредственным приводом, построенный заводами братьев Зульцер и Borsig под руководством Рудольфа Дизеля, появился в 1912 г. Он оказался неудачным, и этот факт заставил конструкторов, в том числе и в России, искать новые пути создания тепловозов с приводом этого типа.

Эффективность силовой установки принципиально зависела от диапазона устойчивой работы в дизельном режиме, поэтому одним из первых направлений работ инженеров и учёных стали смелые попытки создать двигатель внутреннего сгорания, который был бы таким же приёмистым, как и паровая машина.

Одновременно с Рудольфом Дизелем, в России над конструкцией специального тягового двигателя на тяжёлом топливе размышлял талантливый русский учёный, известный инженер, основоположник московской школы теплотехников и современной теории теплового расчёта двигателей внутреннего сгорания, профессор Императорского Московского технического училища Василий Игнатьевич Гриневецкий. Профессор Гриневецкий, являясь наиболее крупным и талантливым учёным в области двигателестроения, разработал теорию двигателей внутреннего сгорания и во многом способствовал развитию отечественного дизелестроения. Будучи основоположником теории двигателей внутреннего сгорания и большим знатоком русского транспорта, он первый предопределил крупное значение тепловозов в будущем развитии железнодорожного транспорта России. Он дал глубокое технико-экономическое исследование вопросов создания тепловоза и значение его для нашей страны. Не ограничиваясь вопросами теории рабочего процесса в двигателях внутреннего сгорания, В. И. Гриневецкий трудился и как инженер-конструктор. Ему принадлежит смелая идея теплового двигателя, обладающего всеми достоинствами дизеля, но освобождённого от его недостатков при тяговой работе. В. И. Гриневецкий работал над проблемой тепловоза с исчерпывающей полнотой и с тонким пониманием новых задач, выдвигаемых действительностью.

Первоначально В. И. Гриневецкий рассматривал возможность создания тепловозов непосредственного действия с существующими типами двигателей. К ним относится тепловоз с дизелями двойного действия, расположенными по типу паровозной машины, с диаметром движущих колёс 1750 мм. Четыре цилиндра диаметром 400 мм с ходом поршня 650 мм обеспечивают силу тяги 6450 кгс и касательную мощность 990 л.с. при 40 км/ч. При 100 км/ч (303 об/мин ведущих осей) сила тяги равна 4950 кгс, а касательная мощность 1830 л.с. Коэффициент полезного действия от 20 до 22%.

При принятом расположении цилиндров размеры машины совершенно не стеснены и выгадывается специальная машинная рама, заменяемая общей рамой локомотива. Оборудование внутри кузова располагается достаточно свободно, длина локомотива между буферами получается 18 м, масса должна быть в пределах 120 — 130 т, что требует расположения осей по типу 3—3—3 или 3—3—2 с двумя тележками. Тепловоз по расположению управления и главных рабочих частей может быть выполнен симметрично относи­тельно обоих концов, что позволит ему двигаться одинаково в обе стороны и устранить необходимость пользования поворотными кругами. Макси­мальное поршневое усилие около 45 тс. Продувочные насосы помещаются внутри рамы и приводятся в движение от коленчатой оси.

При положительных сторонах этот тепловоз имеет и очень серьёзные недостатки. Двухтактный дизель двойного действия кроме четырёх тяжёлых поршней и четырёх сальников высокого давления должен иметь в восьми рабочих полостях восемь или десять форсунок, восемь пусковых клапанов, восемь нефтяных насосов и, может быть, шестнадцать продувочных клапанов. Управление форсунками, пусковыми и продувоч­ными клапанами должно обладать реверсивностью. Это сильно усложняет распределительный механизм и уход за ним. Двигатель по всем свойствам распределительного механизма получается совершенно чуждым паровозной машине. Расположение цилиндров снаружи рамы вне кузова серьёзно осложняет уход за распределе­нием, за рабочими органами и за водяными рубашками. Серьёзные трудности надо предвидеть в отношении пуска в ход и разгона сжатым воздухом вследствие необходимости обеспечения трогания с места при любом положении кривошипов, возможности боксования и потому необходимости дросселирования воздуха. Надо вспомнить ещё о малой экономичности воздушного процесса и о необходимости больших запасов воздуха, которые могут быть несколько уменьшены быстрым переходом на комбинированный разгон: пара цилиндров воздухом, а другая — нефтью. Наконец, высокий вес двигателей при сложной их конструкции должен сделать этот тепловоз одним из весьма дорогих.

Тяговая характеристика этого тепловоза должна быть достаточно благоприятной и обеспечивающей силу тяги при всех условиях эксплуатации, причём громадный избыток мощности при больших скоростях позволит поддерживать максимальную скорость на большинстве подъёмов меньших предельного и приведёт к ускорению движения поездов на участках с более трудными профилями.

Другой тепловоз, с двигателем Юнкерса, имеет два двигателя, каждый с двумя цилиндрами и четырьмя поршнями. При одинаковых условиях с предыдущим тепловозом при ходе поршня 820 мм получается диаметр цилиндров около 400 мм. При скорости 100 км/ч потребная касательная мощность 1100 л.с. составит около 90% от нормальной, равной 1220 л.с. Машина будет работать в выгодных условиях с коэффициентом полезного действия 24 — 26%.

Чрезвычайно благоприятно сравнительно с предыдущим вариантом сокращение частей распределительного механизма: четыре форсунки, четыре пусковых клапана, продувочных нет, сальников нет и т. д. Однако присутствие ди­зель-компрессора ослабляет эти плюсы.

В указанной комбинации два двигателя сдвоены под углом 90°. Пуск в ход с любого положения кривошипов вообще возможен, но требует отсечки около 60%, неупотреби­тельной и несколько рискованной для таких высоких давлений пускового воздуха, опасной в отношении боксования. Для развития предельной силы тяги 8780 кгс нужно среднее индикатор­ное давление воздуха более 18 ат, что значи­тельно ограничивает возможность срабатывания давления воздуха в резервуарах и даёт весьма неэкономичную работу разгона, которая должна составить самое слабое место этого тепловоза. При предлагае­мом расположении механизма отпадает наиболее слабая конструктивная часть двигателя Юнкерса — трёхколенчатый вал, который как по условиям прочности, так и по технологическим соображениям представляет очень неприятную конструкцию.

Рассматриваемый тепловоз имеет достаточную эластичность силы тяги и отсутствие избыточной мощности. От него можно ожидать весьма высокой экономичности и простоты органов главного двигателя. Кроме того достигается хорошее уравновешивание движущихся частей. Исключитель­но тяжёлый передаточный механизм и весьма затруднительный и в то же время неэкономичный пуск в ход составляют минусы, могущие серьёзно затруднить эксплуатацию тепловоза. Перед предыдущим вариантом с дизелем двойного действия рассматриваемый вариант имеет крупное преиму­щество значительного упрощения главного двигателя, значительно лучшее обеспечение надёжности действия и простоты ухода, а также повышение экономичности.

Проекты тепловозов с двигателем Гриневецкого. При разработке двигателя собственной конструкции В. И. Гриневецкий взял машину двойного расширения, ибо при заданной требованиями экономичности общей степени сжатия достаточная компактность машины и малая величина поршневых усилий достижимы лишь при двойном сжатии и таком же расширении. Такой двигатель позволяет легко осуществлять реверс и изменение крутящего момента. Желая по возможности уменьшить поршневые усилия и придать своему двигателю наибольшую компактность, В. И. Гриневецкий обратился к первоначальной идее Р. Дизеля, осуществив его цикл не в одном, а в трёх цилиндрах. Вначале двигатель предназначался для судов речного флота, но позже был переработан для тепловозов.

В основе идеи В. И. Гриневецкого лежала мысль о перенесении области высокой температуры и высокого давления рабочего газа в цилиндр двигателя с воспламенением от сжатия, имеющего большой к. п. д. Нижняя часть индикаторной диаграммы такого двигателя менее выгодна для использования, и поэтому целесообразно, чтобы предварительное сжатие рабочего тела происходило в компрессоре, а полное его расширение — в газовой турбине или поршневой машине. Таким образом, получается комбинированная теплосиловая установка, в которой компрессор поглощает мощность двигателя, в результате чего обеспечивается его высокий наддув, а выпускные газы двигателя в смеси с продувочным воздухом являются рабочим газом, используемым в расширительной машине.

13 октября 1906 г. В. И. Гриневецкий получает охранное свидетельство №30181 на свой двигатель. В начале 1908 г. Путиловским заводом были разработаны рабочие чертежи, по которым в 1909 г. завод построил опытный двигатель Гриневецкого. Он представлял собой двухтактную машину двойного действия, в воздушном цилиндре которой происходило предварительное сжатие рабочего воздуха до 4 ÷ 7 ат, в цилиндре сгорания, куда вводилось топливо, — продувка, последующее сжатие, горение и частичное расширение газов, продолжающееся одновременно с совершением полезной работы до атмосферного давления в расширительном цилиндре, откуда продукты горения выталкивались наружу. Таким образом, воздушный цилиндр играл роль компрессора, цилиндр сгорания — собственно двигателя, а расширительный цилиндр являлся расширительной машиной.

Коренной особенностью являлся способ ведения сгорания и его регулирования, специально приспособленный по скорости и по мощности к переменным нагрузкам при работе тепловоза. Особенность способа состояла в следующем: почти весь сжатый в цилиндре сгорания воздух после сжатия выталкивался в особый вспомогательный цилиндр со свободным поршнем — регулятор сгорания. Обратная сторона поршня нагружена давлением воздуха из особого воздушного резервуара — регулятора давления. Давление воздуха в регуляторе поддерживалось постоянным, в пределах 50 ÷ 60 ат, причём утечка через поршень покрывалась работой небольшого компрессора. Свободный поршень кинематически связан с поршнем нефтяного насоса, дозирующего и подающего через особую форсунку топливо в цилиндр, причём относительный избыток воздуха, благодаря кинематической связи воздушного и нефтяного поршней мог быть установлен определённым, проще всего постоянным.

Количество рабочего воздуха в цилиндре сгорания регулировалось в известных пределах автоматически следующим образом. Давление в начале сжатия в цилиндре сгорания обуславливается давлением в конце впуска в расширительном цилиндре; последнее при постоянстве наполнения, очевидно, тем выше, чем больше нагрузка, расход нефти и объём сгоревших газов. Поэтому при малых нагрузках давление в начале сжатия в цилиндре сгорания опускалось до 4 ат, а при больших — поднималось до 7 ат, соответственно чему увеличивалось на 75% и количество рабочего воздуха сжимаемого в цилиндре сгорания. Это увеличение количества рабочего воздуха не влияло, как в двигателе Юнкерса, на конечное давление сжатия в цилиндре сгорания, которое благодаря регулятору сгорания оставалось неизменным и зависящим лишь от регулятора давления. Менялся здесь лишь ход свободного поршня регулятора сгорания, увеличиваясь при больших нагрузках и уменьшаясь при малых, соответственно чему изменялась и порция нефти, подаваемая с каждым ходом. Такое регулирование количества рабочего воздуха возможно при условии, что воздушный цилиндр подаёт достаточно воздуха для продувки и заполнения цилиндра сгорания при максимальной нагрузке. При уменьшении количества рабочего воздуха в цилиндре сгорания избыток его из воздушного цилиндра протекал через цилиндр сгорания в расширительный цилиндр, понижая температуру газов в последнем.

Охлаждаемый поршень цилиндра сгорания служил одновременно выпускным золотником для расширительного цилиндра, чем совершенно устранялся выпускной клапан цилиндра высокого давления и впускной клапан расширительного цилиндра низкого давления, представляющие одно из главных затруднений в применении к двигателям внутреннего сгорания последовательного расширения. Оба больших цилиндра служили благодаря двойному действию и расположению кривошипов почти под прямым углом очень удобными пусковыми цилиндрами для работы сжатым воздухом среднего давления, от 6 до 8 ат, совершенно так же как в сдвоенной паровой машине. Это создавало условия пуска, разгона и даже торможения сжатым воздухом (по принципу контрпара) одинаковыми с паровозами.

Перемена хода достигалась почти без перестановки распределительных органов переключением трубопроводов и обращением воздушного цилиндра в расширительный, а расширительного цилиндра в воздушный, что обеспечивало крайнюю простоту реверсирования. При езде под уклон или по горизонтали, когда нагрузка двигателя меньше максимальной, предусматривалась постановка дроссельного клапана между воздушным цилиндром и цилиндром сгорания. Благодаря этому можно было в воздушном цилиндре поднимать давление и пополнять запас сжатого воздуха в воздушном пусковом резервуаре. Для тепловозной машины это свойство самопополнения пускового воздуха весьма ценно. Этим несколько выравнивалась нагрузка главного двигателя, повышалась его экономичность и уменьшался потребный размер добавочного двигателя. Таким образом, весьма своеобразно и отлично от всех других двигателей была разрешена задача приспособления главного двигателя к условиям эксплуатации. Перегрузка двигателя на 75% путём увеличения среднего индикаторного давления почти не меняла пропорцию рабочего воздуха относительно топлива и мало отзывалась на экономичности.

В. И. Гриневецкий предполагал, что разработанный им двигатель будет отвечать требованиям эксплуатации тепловозов значительно полнее и лучше, чем существующие типы дизелей и, приближаясь в остальном к паровозной машине, сохранит преимущество развития очень высокой мощности и полной силы тяги при больших скоростях хода.

В 1909 — 1912 гг. был произведён ряд испытаний двигателя, которые затянулись вследствие отдельных недостатков машины. Работа с опытным двигателем была прервана сначала случайными обстоятельствами, а затем первой мировой войной.

Инди­каторные диаграммы, снятые в опытах, несмотря на недостаточную налаженность работы двигателя, имели вид, сходный с проектными диаграммами, показав отчётливость сгорания и его неприхотливость к давлению и частоте вращения. Пусковые диаграммы при холостом пуске получались с очень малым противодавлением, не превышающим 0,5 ат, что свидетельствовало о незначительности механических сопротивлений двигателя. Пуск в ход и реверсирование опытного двигателя производились чрезвычайно легко и безотказно.

Опыты показали, что процесс горения в цилиндрах протекает нормально, начиная со 120 об/мин. При этой, достаточно низкой, частоте вращения двигатель показал устойчивую работу. При меньших скоростях, если это потребовалось бы в случае использования двигателя для тепловоза, он должен работать сжатым воздухом из баллона.

Судя по теоретическим соображениям В. И. Гриневецкого и, частично, на основании снятых в 1910 г. диаграмм с опытного двигателя, последний был способен устойчиво работать при переменной частоте вращения и при изменении среднего индикаторного давления в широких пределах, имея при этом достаточно низкий расход топлива. Экономичность комбинированного двигателя Гри­невецкого характеризует удельный индикаторный расход топлива, равный 160 г/л.с.ч; она не уступала экономичности дизелей того времени.

Как показали испытания, при принятом способе регулирования мощность изменялась в широких пределах при хорошем процессе сгорания в диапазоне 300 ÷ 150 об/мин и изменении давления воздуха на свободный поршень от 60 до 30 ат; сгорание топлива происходило бездымно при избытке воздуха около 20%. Увеличение мощности на 75% достигалось за счёт увеличения давления наддува с 5 до 7 ат.

При этом, благодаря системе свободного поршня, давления конца сжатия и сгорания оставались неизменными, изменялся лишь ход свободного поршня, увеличиваясь при росте нагрузки и большей подаче топлива на цикл.

Оригинальность идей В. И. Гриневецкого, заложенных в его двигателе, заключалась в том, что, обладая высокой экономичностью, свойственной дизелям, двигатель сохранял все ценные качества паровой поршневой машины. Это — способность к изменению нагрузки в широком диапазоне, включая перегрузку до 75% при неизменном давлении вспышки, большой крутящий момент при трогании с места при низком давлении сжатого воздуха, лёгкий и безотказный реверс.

Благодаря этим качествам двигатель Гриневецкого был способен приводить во вращение ведущие оси локомотива непосредственно, вследствие чего отпадала необ­ходимость в сложном механизме передачи.

Хорошие тяговые качества комбинированной силовой установки были получены за счёт принципиально новых решений. Вся энергия сжигаемого топлива в цилиндре сгорания расходовалась на сжатие воздуха в воздушном цилиндре и выработку рабочего тела (газа). Такое сочетание двух­тактного двигателя с компрессором составляло, по существу, кривошипный генератор газа, призванный заменить паровой котёл паровоза. Разница заключалась в том, что генератор выдавал вместо пара сжатый газ более низкого давления.

В. И. Гриневецкий в своём классическом образце двухтактного генератора газа правильно подобрал диапазон рабочих давлений наддува в пределах 4 ÷ 7 ат и соотношения диаметров компрессора и дизеля 600:280, что и обеспечивало необходимый баланс энергии между двигателем и компрессором.

Тепло газа трансформировалось в механическую энергию вращения в специальном расширительном цилиндре, который по характеру работы вполне идентичен цилиндру паровой поршневой машины паровоза.

Таким образом, В. И. Гриневецким был обоснован и осуществлён локомотивный двигатель с совершенным термодинамическим циклом двигателя внутреннего сгорания, разделённым на следующие две самостоятельные части. В первой части происходит сгорание жидкого топлива в зоне высоких давлений и температур, чем обеспечивается высокий термический к. п. д. Далее превращение тепла в механическую энергию осуществляется при вторичном расширении в зоне низких давлений и температур, что обеспечивает минимальные потери с рабочим телом (отработавшим газом).

В период 1914 — 1916 гг. на основе работ над двигателем своей системы, предназначенным для работы на тяжёлом топливе, профессор В. И. Гриневецкий руководил разработкой проектов пассажирского и товарного тепловоза, выполняемой инженером Б. М. Ошурковым.

Главным валом двигателей служат оси колёсных пар. Воздушный и расширительный цилиндры низкого давления каждого двигателя горизонтально расположены снаружи рамы так, что с каждой стороны находится один воздушный и один расширительный цилиндр, чем достигается полная симметрия в распределении работы. Целиком внутри кузова тепловоза расположены наклонно цилиндры сгорания и весь газораспределительный механизм, что весьма облегчает уход и контроль над процессом сгорания, ибо снаружи и вне кузова окажутся лишь движущие механизмы четырёх цилиндров низкого давления и сами цилиндры без водяной рубашки, т. е. лишь части, обычные для паровозов. Оба двигателя, сдвоенные между собой под углом 90°, работают на крайние ведущие оси. Цилиндры сгорания действуют на средние колена, а воздушные и расширительные — на пальцы кривошипов диаметром 350 мм, расположенных также под углом 90°.

Для пускового воздуха наверху тепловоза расположен воздушный резервуар ёмкостью около 60 ÷ 65 м3 с давлением до 13 ат, причём перед поступлением в цилиндры воздух нагревается за счёт тепла выхлопных газов до 250 ÷ 350°C в змеевиковых калориферах, расположенных по концам, а при растопке — специальной форсункой. Пополнение пускового воздуха идёт за счёт дроссельного регулирования выпуска из воздушных цилиндров при меньших нагрузках тепловоза, а также за счёт вспомогательного двухцилиндрового дизель-компрессора эффективной мощностью 250 л.с. По бокам воздушного резервуара расположены холодильники. Внутри кузова расположены баки для воды, топлива и масла, а по концам его — кабины управления. Тепловоз симметричен для движения в оба направления и может работать без поворотных кругов.

Рабочая масса пассажирского тепловоза, эквивалентного по мощности паровозу серии Ку типа 2—3—0, с запасами воды и топлива составляет 110 т, что приводит к типу 2—3—2 при сцепной массе около 48 т. Диаметр ведущих колёс 1980 мм. Диаметр цилиндра сгорания 280 мм, воздушного и расширительного — по 600 мм, общий ход поршня 700 мм. Запас воздуха в воздушном резервуаре составляет около 890 кг.

Товарный тепловоз типа 1—5—1 с теми же размерами цилиндров и с ведущими колёсами диаметром 1220 мм эквивалентен паровозу серии Э типа 0—5—0. Применение цилиндров на 10% больше по диаметру и переход к типу 1—6—1 или 1‒3+3‒1 позволяет повысить силу тяги ещё на 20%. Наконец, сдвоение двойных машин с переходом к типу l‒4+4‒l даёт возможность удвоить силу тяги. При этом получается тепловоз типа Маллета, гораздо более лёгкий и дешёвый, чем паровоз с тендером соответствующего типа и мощности.

При малых скоростях тепловозы не уступают эквивалентным паровозам, а при больших — значительно их превосходят, обеспечивая повышенные скорости на подъёмах 4 — 6 ‰, которые в условиях паровой тяги преодолеваются со значительным падением скорости. Это свойство тепловозов особенно ценно для обслуживания ими ускоренных товарных поездов и вообще для тяги на дорогах с трудными или не очень благо­приятными профилями.

В. И. Гриневецкий считал тепловозы своей системы с изобретённым им же двигателем наиболее компактными, мощными и эластичными тепловозами с непосредственным соединением, значительно превосходящие все предыдущие по мощности и силе тяги, при гораздо большей способности маневрирования и разгона, при значительном упрощении двигателя и уменьшении динамических и конструк­тивных трудностей. Для тяги скорых и пассажирских поездов тепловоз мог дать преимущества в поддержании максимальной скорости движения на всех подъёмах, кроме предельных, благодаря громадному запасу мощности при высоких скоростях. Осуществление тепловоза этой системы после окончания опытной проверки двигателя встретило бы наименьшее количество конструктивных затруднений и открыло бы широкие перспективы введению тепловозов, особенно взамен пассажирских паровозов.

Внезапная смерть профессора Гриневецкого в 1919 г. не позволила завершить работу по созданию этих тепловозов.

Двигатель Гриневецкого до наших дней не сохранился, так же как и большинство его рабочих чертежей.

Дальнейшее развитие конструкций тепловозов с непосредственным приводом. К двадцатым годам прошлого столетия постепенно сформировалось представление о том, какими способами можно обойти главный недостаток тепловоза с непосредственным приводом, вытекающий из свойства двигателей внутреннего сгорания устойчиво работать при частоте вращения, превышающей некоторый порог. Появилось множество проектов, по-разному решающих проблему тепловоза с непосредственным приводом. Все они в основном сводились к использованию 1) двух рабочих тел в одном и том же или в разных цилиндрах, 2) нижнего или верхнего наддува, 3) частичного или полного внешнего питания и 4) изменяемой камеры сжатия. При создании двигателя, осуществляющего какой-либо из этих принципов, предполагалось в широких пределах и плавно изменять частоту вращения. Такой двигатель мог воспламенять и хорошо сжигать топливо в большом диапазоне частот вращения, изменять в широких пределах среднее индикаторное давление и быть конструктивно простым, дешёвым в постройке и надёжным в эксплуатации.

Транспортный двигатель внутреннего сгорания для получения необходимой силы тяги должен на малых скоростях давать среднее индикаторное давление, в 1,5 — 2 раза превышающее давление при нормальном режиме и изменяющееся при этом в широком диапазоне частоты вращения. Вместе с тем необходимо, чтобы столь значительное повышение давления не сопровождалось чрезмерным ростом теплового напряжения цилиндров двигателя.

Например, для ведения поезда массой 1200 т, который был способен везти тепло­воз с электропере­дачей Ээл5 со скоростью 13 км/час на подъёме 9,5‰, тепловоз с непосредственным приводом должен развивать среднее индикаторное давление 12,7 ат. Максимальное значение среднего индикаторного давления составит 14,6 ат при скорости 10 км/ч, ниже которой наступает ограничение по сцеплению.

Одной из возможностей получения такого высокого среднего индикаторного давления является применение полного внешнего питания. Способ работы двигателя по принципу внешнего питания известен с 1872 г. (двигатели Брайтона, Брюнлера и др.) и заключается в том, что весь рабочий воздух сжимается особым компрессором и подаётся в рабочий цилиндр одновременно с топливом. Процесс горения идёт по линии постоянного давления, а наполнение может изменяться, так же как в паровой машине, в зависимости от нагрузки. Такой способ работы двигателя, впервые предложенный для тепловоза непосредственного действия инженером М. В. Максимовым, кажется заманчивым, но в этом случае нужна дополнительная дизель-компрессорная установка размеров, обеспечивающих сжатие всего рабочего воздуха до высокого давления, которая на больших скоростях не будет использована. В несколько видоизменённом виде этот принцип использовал в своём проекте М. И. Пригоровский. Отличия состояли в том, что в своём двигателе он решил осуществить принцип смешанного питания двигателя с применением верхнего наддува.

Проект тепловоза Пригоровского. Для того чтобы дизель сверх своих собственных качеств обладал ещё и превосходными свойствами паровой машины, ему не хватает при уменьшении мощности приспособления, воспламеняющего горючее, а при увеличении её — воздуха, нужного для сгорания топлива. При смешанном питании двигателя в цилиндры машины помимо нормально подаваемого продувочным насосом воздуха подаётся ещё и дополнительный сжатый воздух, а также и топливо во время сгорания, а для изменения среднего индикаторного давления подача этой смеси в цилиндры регулируется как количественно, так и качественно. Дополнительный воздух должен быть более высокого давления, чем давление в цилиндре, причём весовое соотношение между количеством нормально поданного воздуха и дополнительным количеством воздуха должно изменяться в зависимости от режима работы двигателя.

Разгон локомотива осуществляется питанием его машин сжатым воздухом со сжиганием в нём топлива, а скорость движения изменяется регулированием давления в цилиндрах в конце сжатия посредством выпуска воздуха в процессе сжатия (декомпрессии), а также регулированием продолжительности сгорания топлива в цилиндрах. При этом воздух, поступающий в цилиндр в период всасывания, обратно выталкивается из него не полностью.

Ввиду того, что воздух, подаваемый дополнительной установкой, в ресивере и при переходе из него в цилиндр будет охлаждаться, возникает необходимость либо в подогреве рабочего воздуха, либо в постановке запальных устройств в цилиндре.

В 1922 г. М. И. Пригоровский взял патент на изобретённую им систему тягового двигателя внутреннего сгорания для тепловоза. В новом двигателе, в отличие от обычных дизелей, процессы наполнения, расширения, выпуска и сжатия протекают подобно тому, как они осуществляются в паровой машине паровоза. Сжатие и наполнение регулируется кулисно-золотниковым или кулачково-клапанным распределительным механизмом.

Наполнение производится сжатым воздухом, причём сжигание топлива начинается с первого же хода поршня. Величина наполнения имеет максимальное значение при трогании, поэтому процесс наполнения отличается тем, что температура в цилиндре, благодаря непрерывной подаче наряду с топливом сжатого воздуха, не превышает определённого предела, зависящего от установленного коэффициента избытка воздуха. Сжатый воздух поступает от небольшого компрессора. Зажигание топлива с первых же оборотов тягового двигателя внутреннего сгорания обеспечивается расположенным в головке двигателя специальным запальником, нагреваемым электрическим током.

Позднее М. И. Пригоровский получил патент на тепловоз. В тепловозе Пригоровского устанавливается компрессорный агрегат, выполняющий функции воздухогенератора, который приготавливает для главного двигателя внутреннего сгорания сжатый воздух. Эта установка имеет свой вспомогательный дизель, она же снабжает энергией и запальное приспособление главного двигателя.

Главный двигатель вращает движущие колёса. Он оборудован автоматическим устройством, распределяющим топливо и воздух. Помимо нормального всасывания воздуха, в цилиндр главного двигателя подаётся ещё дополнительный заряд сжатого воздуха вместе с топливом, когда требуется большая мощность машины. Впуск топлива и воздуха подобен отсечке пара в паровой машине и ведёт к таким же результатам. Кулисный механизм для распределения сжатого воздуха и подачи топлива делает управление тепловозом не более трудным и сложным, чем паровозом.

Верхний наддув должен использоваться только при трогании с места и при езде на малых скоростях. Остальное время двигатель должен работать по циклу Дизеля или близкому к нему без использования внешнего питания. Таким образом, имелось в виду осуществить тяговую характери­стику тепловоза с непосредственным приводом в пределах скоростей от нуля до некоторой средней скорости движения аналогично тяговой характеристике паровоза.

С точки зрения экономии сжатого воздуха, а следовательно, и уменьшения вспомогательной мощности было бы выгоднее совершенно не вы­брасывать продувочный воздух, но для облегчения трогания поезда с места необходимо уменьшить работу сжатия в цилиндрах главного двигателя внутреннего сгорания. Это достигается выпуском из цилиндров двигателя части воздуха, который потом приходится пополнять воздухом, приготавливаемым компрессором. Аналогично можно поступать и при езде на больших подъёмах. Чтобы уменьшить мощность вспомогательной установки тепловоза с двигателем смешанного питания, необходимо идти на увеличение степени сжатия и уменьшение коэффициента избытка воздуха. Также экономичность локомотива сильно возрастёт, если среднее индикаторное давление с увеличением скорости выше той, при котором прекращается верхний наддув, будет оставаться постоянным. Кроме того, крайне желательно, чтобы верхний наддув заканчивался при более низких скоростях.

При средних скоростях можно в очень широких пределах регулировать наполнение и связанное с ним среднее индикаторное давление путём изменения продолжительности впуска в цилиндры сжатого воздуха и топлива. На больших скоростях при возможном прекращении подачи в цилиндры внешнего сжатого воздуха главный двигатель внутреннего сгорания переходит на работу по нормальному циклу Дизеля.

Процесс зарядки цилиндра воздухом осуществляется при всех режимах, так же как и у нормальных дизелей, т. е. при двухтактном исполнении через продувочные окна, а при четырёхтактном — через впускные клапаны.

В Одесском индустриальном институте по инициативе и при непосредственном участии М. И. Пригоровского в 1932 — 1934 гг. приступили к изготовлению деталей и исследованию процесса работы двигателя по принципу смешанного питания при трогании и разгоне состава.

В 1934 — 1935 гг. институтом был выполнен эскизный проект тепловоза системы Пригоровского, эквивалентный по мощности паровозу серии Эу. В этой работе принимал участие инженер Д. П. Кон, который произвёл расчёт рабочего процесса двигателя с верхним наддувом, что делалось впервые вообще.

Исходя из основных данных паровоза Эу, был произведён расчёт эквивалентного тепловоза системы Пригоровского, который показал, что при скорости 15 км/ч сила тяги и мощность соответствуют паровозу серии Эу. При увеличении скорости мощность тепловоза значительно возрастает. Поэтому при рабочих максимальных скоростях сила тяги тепловоза Пригоровского значительно превышает силу тяги паровоза серии Эу и тепловоза серии Ээл5, у которых мощность остаётся почти постоянной. Размеры машин выбраны с таким расчётом, чтобы при непосредственном действии шатунов на колёса можно было применить типовые колёсные пары и чтобы обеспечивалась надлежащая продувка цилиндров. Размеры цилиндров обеспечивали эквивалентность тепловоза Пригоровского по мощности тепловозу Ээл5. Сила тяги тепловоза Пригоровского при скоростях ниже 25 км/ч имеет несколько меньшие значения, чем у тепловоза Ээл5, во избежание сильного возрастания мощности вспомогательной дизель-компрессорной установки в этой зоне скоростей.

Тепловоз имеет плавно изменяющуюся характеристику и обладает в среднем таким же коэффициентом полезного действия, как и тепловоз с электрической передачей. Мощность вспомогательной установки при хорошем подборе размеров машины и выборе степени наполнения может быть уменьшена до 20 — 30% максимальной мощности тепловоза, получаемой на руководящем подъёме.

Среднее индикаторное давление двигателя Пригоровского, кроме изменения наполнения, может регулироваться также дросселированием наддувочного воздуха. Этим одновременно изменяется температура в цилиндре главного двигателя.

В 1949 г. после значительного перерыва в работах, вызванного войной, М. И. Пригоровский вновь выступил с проектом тепловоза непосредственного действия, учтя при этом ряд соображений, вытекавших из его предыдущих многочисленных исследований и проведённых после войны опытов в одесской лаборатории.

По этому проекту в движущих цилиндрах локомотива работает газ, поступающий из камер сгорания под давлением 6 — 7 ат. Воздух, необходимый для горения, подаётся в камеру сгорания из баллонов, которые заряжаются двумя сдвоенными дизель-компрессорами, установленными на раме тепловоза. Разгон тепловоза производится воздухом из тех же баллонов.

Камера сгорания, представлявшая в этой схеме Пригоровского наибольший интерес, была спроектирована из специальной стали — с жароустойчивой футеровкой. Верхние части запальников располагались в цилиндре дизель-компрессора и нагревались теплом от сгорания топлива в цилиндрах дизеля, а нижние части — в камере сгорания.

Для того чтобы избежать сооружения специальных громоздких стендов, было решено в качестве стенда взять раму паровоза серии Н и на ней проверить ответственные узлы тепловоза непосредственного действия системы Пригоровского. Стенд был изготовлен, но внезапная смерть М. И. Пригоровского в июле 1951 г. не позволила завершить замысел по доведению узлов тепловоза до работоспособного состояния. Работы в дальнейшем велись ближайшими сотрудниками М. И. Пригоровского — Г. А. Рожковым и В. А. Рожковым.

В апреле 1952 г. после первых пусков установки и съёмки индикаторных диаграмм сломался поперечный вал дизель-компрессора, и ввиду больших затруднений по изготовлению его, а также вследствие прекращения отпуска средств работы были прерваны.

Талантливый советский конструктор, Михаил Иванович Пригоровский, по сути дела, создал специальный транспортный двигатель, уже ничего не имеющий общего с дизелем, поскольку в нём нарушен цикл Дизеля и введён совершенно оригинальный рабочий процесс.

Проект тепловоза Ядова. По-другому подошёл к решению тепловозной проблемы профессор И. Ф. Ядов. Он поставил себе задачу разработать тепловоз с непосредственным приводом осей и в то же время использовать компрессор, необходимый при трогании с места, также и для нормальной работы тепловоза.

Исходя из этих соображений, он пришёл к необходимости установить на раме обычного паровозного типа приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания компрессор, который играет роль котла на паровозе, но подаёт в машину не пар, а приготавливаемый им сжатый воздух давлением 6 ÷ l2 ат, поступающий при трогании поезда с места в цилиндры обычной поршневой расширительной машины паровозного типа с золотниковым распределением. Теплота охлаждения стенок двигателей внутреннего сгорания в этом тепловозе используется для получения пара, который, примешиваясь к воздуху, поступает в вакуум-компрессорные машины. При максимальной силе тяги часть скрытой теплоты этого пара превращается в работу.

В своём проекте, представленном в 1924 г., И. Ф. Ядов предусматривал разгон локомотива смесью пара и сжатого воздуха, а дальнейшую работу намечал производить при помощи паровоздушной смеси и продуктов сгорания топлива, причём вода, охлаждающая стенки двигателя, должна была поступать в котёл; паровые цилиндры намечено было расположить горизонтально снаружи боковин главной рамы, как и в обычных паровозах, а цилиндры дизеля установить наклонно, расположив их внутри рамы, как у паровоза ЛП типа 2—3—1, и связав их поршни шатунами с коленом средней части оси ведущей колёсной пары.

Для этого на раме тепловоза предполагалось установить вакуумный дизель-компрессор эффективной мощностью 800 — 1000 л.с. и два цилиндра паровозного типа с золотниками и кулисным механизмом, управляемым из будки машиниста обычным способом.

Изобретением своего тепловоза Ядов преследовал, главным образом, сбережение топлива и воды при передвижении им всех видов поездов. Вторая цель, не менее важная, заключалась в возможности перемещать тепловозами грузовые поезда одинакового с паровозами веса при равном сцепном весе тепловоза и паровоза приблизительно в два раза быстрее.

Тепловоз состоит из трёх основных групп.

Группу I образует шестицилиндровая паровоздушная компрессорная установка. Она приводится в действие двигателями внутреннего сгорания с двухступенчатыми поршнями и не связана кинематически с осями тепловоза. Воздух, сжатый в компрессорах до 1,6 ат, через нагнетательные клапаны и продувочные отверстия поступает в цилиндр двигателя в конце хода поршня вниз. Продукты горения из цилиндра уходят в выпускную трубу и через паровой котёл в атмосферу, отдав часть своей теплоты воде. В цилиндре пар смешивается с воздухом. Смесь сжимается до 8 ат и подаётся в ресивер.

Группу II составляют двухцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего сгорания высокого давления и двигатель низкого давления паровозного типа. Продувочный воздух в смеси с паром из цилиндра двигателя первой группы поступает в цилиндры двигателя высокого давления, который через штоки, крейцкопфы и шатуны приводит в движение коленчатую ось. Два цилиндра двигателей низкого давления, в которые поступают отработавшие газы в смеси с избытком продувочного воздуха и пара после их работы в двигателе высокого давления, расположены снаружи рамы и также приводят в движение коленчатую ось. Двигатель высокого давления может быть как двустороннего, так и одностороннего действия. Преимуществом конструкции одностороннего действия перед конструкцией двустороннего действия является лёгкость ухода за сальниками и охлаждение поршней и стенок цилиндров паром. Недостатком же является стоимость и большой вес, а также менее спокойный ход тепловоза. Двустороннее действие двигателя внутреннего сгорания высокого давления делает лишним впуск водяного пара в этот двигатель при помощи распределительных органов, так как впуск этого пара при помощи простых редукционных клапанов можно производить из котла в выхлопные пространства цилиндров высокого давления автоматически, охлаждая непосредственно паром простенки этих цилиндров. Дальше часть этого пара через ресивер, охлаждая продукты горения и перегреваясь при этом, вместе с нагретым избытком продувочного воздуха поступает в цилиндры низкого давления.

Группа III состоит из парового котла, используемого для охлаждения отработавших продуктов горения двигателей высокого давления, котла, воспринимающего тепло отработавших газов двигателя первой группы, и ресивера.

Тепловоз Ядова работает следующим образом. Прежде всего, воздухом из запасного резервуара или паром от котла запускается вхолостую двигатель I группы. Затем тепловоз приводится в движение, благодаря работе смеси сжатого воздуха и пара, совершаемой в цилиндрах двигателя низкого давления. Как только скорость достигнет 10 — 15 км/ч, соответствующие клапаны перекрываются и смесь сжатого воздуха и пара под давлением 5 ÷ 8 ат поступает в цилиндры двигателя высокого давления. Здесь смесь сжимается до 40 ат, после чего топливными насосами подаётся топливо под давлением 80 ÷ 200 ат. Отработавшие газы поступают в котёл и, проходя по дымогарным трубам, отдают тепло воде. Паром этого котла можно в любое время привести в движение двигатели I группы, его добавляют к сжатому воздуху при работе тепловоза на манёврах и при трогании с места, чтобы температура воздуха в конце расширения не была ниже нуля. При компрессорном торможении, аналогичном применению контрпара на паровозах, кулисный механизм переставляется на обратный ход при действии крана Лешателье, установленного на котле, и при открытом регуляторе.

Совершенно самостоятельным является распределительный механизм двигателей высокого давления для прямого и обратного хода. Он состоит из двух валиков с насаженными на них шайбами для впуска в соответствующие моменты времени продувочного воздуха, топлива и пара. На одном валике шайбы насажены для работы тепловоза передним ходом, а на другом — для работы задним ходом. На валики насажены кривошипы под углом 90°, соединённые между собой спарниками. Промежуточный валик имеет кривошипы, пальцы которых соединены эксцентриковыми спарниками с кривошипами передней спаренной оси тепловоза. Таким образом, в зависимости от направления движения тепловоза, валики могут вра­щаться то по часовой, то против часовой стрелки.

При помощи двойного переводного винта его гайка устанавливается в двух крайних и одном среднем положении.

Когда рычаг будет поставлен в среднее положение, то ролик воздушного клапана подойдет под нижнюю часть кулисы и при помощи тяги откроет клапан для впуска воздуха. Клапаны для впуска топлива и пара будут закрыты. Такое положение будет соответствовать езде под уклон, работе при манёврах и трогании с места, когда двигатели высокого давления совершенно исключаются из работы.

При перемещении гайки переводного винта в одно из крайних положений двигатель высокого давления будет работать или при переднем ходе тепловоза (левое положение) или при заднем ходе (правое положение).

Холодильник на тепловозе отсутствует. Отвод тепла от стенок цилиндров двигателей внутреннего сгорания дизель-вакуумных компрессоров и двигателей высокого давления производится засасыванием такого количества пара давлением 0,5 ат, скрытая теплота испарения которого будет равна необходимо отводимому количеству тепла для охлаждения стенок до ~80°С.

Рама и ходовые части тепловоза остаются такие же, как и на паровозах типа 1—5—1 или паровозах Маллета типа 1‒4+4‒1 с двумя цилиндрами высокого давления, устано­вленными на одной тележке, и с двумя цилиндрами низкого давления, установленными на другой тележке.

И. Ф. Ядов считал, что предлагаемый им тепловоз, освобождённый от парового котла как агрегата, участвующего в тепловом процессе локомотива, решает задачу экономичности локомотива и вопрос о его возможно большей мощности на тонну сцепной массы вполне удовлетворительно, имея коэффициент полезного действия около 33%.

Цилиндры двигателя низкого давления увеличивают мощность двигателя непосредственного действия почти вдвое, в результате его масса, приходящаяся на единицу мощности, уменьшается, что и является оригинальной особенностью тепловоза системы Ядова.

Экономию денежных средств при внедрении тепловозов взамен паровозов И. Ф. Ядов оценивал примерно в 40 — 50%, в том числе за счёт сбережения топлива около 10% и за счёт снижения эксплуатационных расходов около 35%.

По расчётам тепловоз мог дать в эксплуатации сбережение топлива до 75 — 80% против расхода мазута и воды паровозами, и использовать до 70% силы сцепления при наибольших скоростях, выполняя все требования к средствам тяги, применяемым на железных дорогах.

Трудно судить о тепловозе без осуществления его хотя бы частично, но проект профессора Ядова был предметом рассмотрения механической секции НТК НКПС и на съезде инженеров тяги в Москве, которые признали, что «нефтевоз И. Ф. Ядова представляет из себя теоретически обоснованное предложение. Однако практическое его осуществле­ние выливается в весьма сложное устройство, не могущее, видимо, компенсироваться теми выгодами, кои могут получиться при осуществлении в предложенной конструкции всего теплового процесса, происходящего с использованием тепла отходящих газов и охлаждающей воды». Ввиду сложности проекта и наличия ряда узлов, требовавших большого предварительного изучения, проект И. Ф. Ядова принят не был.

Проект тепловоза Сидорова. В 1924 г. машинист Балтийского флота Г. С. Сидоров предложил конструкцию передачи, которая при трогании с места и работе на подъёмах позволяет отключать дизель от движущих осей, а при работе на площадках и езде под уклон сцеплять дизель с движущими осями посредством кулачковой муфты.

Двухтактный четырёхцилиндровый дизель двойного действия расположен наклонно в передней части тепловоза: два цилиндра снаружи и два внутри рамы. Кроме этих четырёх цилиндров установлены ещё четыре цилиндра, из них два цилиндра, продувочных, внутри рамы на общих скалках с поршнями внутренних цилиндров дизеля, а два цилиндра, пусковых, снаружи — под будкой машиниста. Общие крейцкопфы внутренних цилиндров посредством шатунов вращают отбойный вал, который особыми кулачковыми муфтами соединяется с наружными шайбами, связанными имеющими пальцы дышлами с пальцами движущих осей. Наружные цилиндры дизеля шатунами связаны с пальцами наружной шайбы, а пусковые цилиндры — с пальцами пятой движущей оси. Отработавший в пусковых цилиндрах воздух, имеющий ещё высокое давление, в атмосферу не выпускается. Он направляется в продувочный резервуар, из которого и поступает для продувки внутренних цилиндров дизеля.

Одним из серьёзных затруднений при конструировании тепловоза Г. С. Сидоров считал вопрос о холодильнике. На Германской выставке завод Геншеля экспонировал холодильник, в котором охлаждающая стенки дизеля вода находится под давлением 5 ат, благодаря чему поднимается температура кипения и, следова­тельно, можно работать с более высокой температурой охлаждающей воды. Г. С. Сидоров делает испарение воды в зарубашечном пространстве при атмосферном давлении и температуре 100°С, значительно уменьшая таким образом размер холодильника, так как разность температур будет больше и, кроме того, коэффициент теплопередачи для насыщенного пара будет значительно выше, чем для горячей воды при прочих одинаковых условиях. Образующийся в зарубашечном простран­стве пар поступает в холодильник, в котором отдаёт тепло проходящему по трубкам воздуху, всасываемому конусом. Образовавшаяся вода после охлаждения пара стекает обратно в зарубашечное пространство для охлаждения стенок цилиндра дизеля.

Управление тепловозом происходит следующим образом. При трогании с места машинист разъединяет отбойный вал от шайб с кривошипами и ставит распределительный механизм продувочных цилиндров в такое положение, что отбойный вал будет вращаться в направлении движения тепловоза, затем перекрывает золотником трубопровод и открывает регулятор. После этого сжатый воздух поступает из запасного резервуара в золотник и в продувочные цилиндры. После того как внутренние цилиндры дизеля прогреются, машинист переводит их на работу топливом, переставляет распределительный механизм продувочных цилиндров в положение, при котором эти цилиндры работают как компрессоры высокого давления, заполняя сжатым воздухом запасной резервуар тем же путём, каким сжатый воздух выходил из этого резервуара. Пополнив израсходованный воздух и доведя давление в запасном резервуаре до нормы, машинист ставит распределитель­ный механизм пусковых цилиндров в такое положение, что тепловоз трогается с места в ту сторону, в какую вращается отбойный вал, и весь сжимаемый продувочными цилиндрами воздух полностью поступает в пусковые цилиндры, отработав в которых через золотники поступает в запасной резервуар продувочного воздуха, откуда попадает для продувки внутренних цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Продувочный же трубопровод наружных цилиндров дизеля в это время выключен (на схеме запорные органы не показаны).

Отработавшие во внутренних цилиндрах дизеля продукты сгорания выпускаются через выхлопные окна и конус в дымовую трубу.

При достижении необходимой скорости машинист включает кулачковую муфту, и дизель начинает вращать движущие оси. Включив наружные цилиндры дизеля на работу топливом, машинист закрывает регулятор и соединяет отбойный вал с кривошипами, а следовательно, и с движущими осями тепловоза. Переставив золотники, машинист переводит распределительный механизм пусковых и продувочных цилиндров в такое положение, при котором они начинают сжимать воздух для продувки наружных и внутренних цилиндров дизеля.

Для реверсирования тепловоза машинист сначала выключает подачу топлива в цилиндры дизеля, затем ставит распределительный механизм продувочных цилиндров в положение заднего хода. Остановка производится прекращением подачи топлива в цилиндры дизеля.

При определении главных размеров тепловоза Г. С. Сидоров производил расчёт не по заданному весу поезда, профилю пути, скорости и т. п., а исходя из максимальных размеров дизеля, при которых внутренние цилиндры дизеля разместились бы внутри между рамами. В результате диаметр цилиндров дизеля получился равным 480 мм, ход поршня был принят 700 мм, длина выхлопных окон 105 мм. Диаметр продувочных и пусковых цилиндров 550 мм, ход поршня 600 мм при коэффициенте избытка воздуха при продувке цилиндров дизеля 1,3. Максимальная частота вращения вала двигателя 300 об/мин. Расход топлива по расчёту составил 586,5 кг/ч. Касательная мощность при к. п. д. дизеля 33% составляет 2840 л.с., а сила тяги при конструкционной скорости 80 км/ч и диаметре колёс 1430 мм — 9585 кгс.

Сжатие пускового воздуха, принятое однократным, производится до давления 20 ат. Давление продувочного воздуха 1,2 ат. Объём пускового резервуара 12,3 м3, продувочного — 4 м3.

Для более быстрого разгона поезда принимается степень наполнения наружных пусковых цилиндров равной единице; тогда при частоте вращения связанного с внутренними продувочными цилиндрами отбойного вала, равной 300 об/мин, ведущие оси тепловоза будут делать 34 об/мин, что достаточно для надёжного воспламенения топлива в наружных цилиндрах дизеля.

Сила тяги на ободе движущих колёс при работе сжатым воздухом с механическим к. п. д., равным 86%, составляет 18100 кгс, а мощность на ободе движущих колёс — около 600 л.с. Как показали расчёты, предлагаемый тепловоз по мощности превосходил все построенные к тому времени европейские паровозы, а по силе тяги при малых скоростях был значительно сильнее русского товарного паровоза серии Э.

Г. С. Сидоров считал, что отсутствие вспомогательного дизеля, с одной стороны, и непосредственная передача работы от дизеля на движущие оси тепловоза при работе последнего на площадках и уклонах, с другой стороны, говорят о том, что тепловоз будет работать экономичнее, чем предлагавшиеся ранее тепловозы.

Сложное управление тепловозом при пуске в ход и реверсировании Г. С. Сидоров считал недостатком своего тепловоза, который предполагалось устранить путём применения некоторых пусковых и ревер­сивных деталей, действующих автоматически.

Масса тепловоза типа 2—5—1 в рабочем состоянии составляет 117 т, из которых 90 т приходится на сцепные оси. Запас нефти 3,6 т. Жёсткая база 5960 мм, длина по буферам 15200 мм, ширина 2090 мм, высота 4430 мм.

Разработанный в феврале-марте 1925 г., этот проект был в мае-июне Г. С. Сидоровым изменён на тип 2—4—2, существенно в конструкции отличающийся от первого проекта. Вместо восьми цилиндров поставлено пять. Из них два пусковых оставлены прежними (под будкой машиниста), а шесть прочих заменены тремя цилиндрами, два из которых наружные и один внутренний. В одной отливке с каждым из этих трёх цилиндров, по обоим концам, помещены продувочные и пусковые цилиндры. На тепловозе применены кулачковые муфты типа Ульхорна.

Серьёзными затруднениями при конструировании тепловоза было создание муфт, которые позволяли бы соединять шатуны машин с отбойным валом и разъединять их. Сложной была общая компоновка тепловоза.

Техническая секция НТК, неоднократно рассматривавшая проект тепловоза системы Сидорова, в своем решении от 29 октября 1928 г. признала конструктивную разработку проекта преждевременной и вместе с тем сочла желательной экспериментальную проверку рациональности цикла в лабораторно-заводских условиях параллельно с намеченными аналогичными испытаниями циклов Ядова, Мазинга и ГОМЗ.

Проект тепловоза Тринклера. Конструктор завода Сормово Г. В. Тринклер являлся крупным специалистом в области двигателестроения. Дав краткую характеристику того, что сделано в области тепловозостроения, он пришёл к ряду выводов, которые смогли бы указать дальнейший путь возможной разработки проблемы тепловоза.

Указав на то, что непосредственная передача работы дизеля на движущие оси по типу Зульцера весьма желательна, так как устраняет всякие потери от промежуточных передач и даёт, таким образом, наивысшую отдачу установки, Г. В. Тринклер отмечает нерациональность разгона поезда с помощью сжатого воздуха. Вспомогательный силовой аппарат, служащий для накачивания сжатого воздуха, получается слишком большой мощности, а используется слишком короткое время, соответствующее разгону поезда; в остальное время этот вспомогательный агрегат остаётся неиспользованным; значительно затруд­няются первые вспышки из-за сильного охлаждения стенок рабочих цилиндров при расширении сжатого воздуха, особенно при длительном разгоне на подъёмах. Для получения этих первых вспышек приходится вводить в рабочий цилиндр сразу большие порции топлива, что сопряжено с опасностью весьма резких вспышек, сопровождающихся значительным повышением давления и ударами.

Таким образом, задача прямого соединения ходового двигателя с движущими осями могла быть разрешена, если бы возможно было изыскать надёжный способ разгона поезда, не применяя для этого сжатого воздуха. Задача эта удовлетворительно решается постановкой вспомогательного силового агрегата, не связанного жёстко с движущими осями, например, электрической или иной подходящей передачи.

Тепловоз Тринклера также представляется в виде комбинации двух агрегатов. Один из них — вспомогательный — служит для разгона поезда и в помощь на подъёмах; этот агрегат состоит из дизеля эффективной мощностью около 700 л.с. и передачи мощности на движущие оси посредством генератора и одного или нескольких электромоторов. Моторы связаны с движущими осями, соединёнными между собой сцепными дышлами. Вместо электропередачи при желании можно применить и любую иную связь — пневматическую, гидравлическую и т. п.

В случае электропередачи здесь вполне можно рассчитывать получить силу тяги при трогании с места около 15000 ÷ 16000 кгс, как у товарного паровоза 0—5—0 серии Э.

Работа вспомогательного двигателя связана с потерей 20 — 25% энергии в передаче, но на общий расход топлива это мало влияет, так как агрегат работает непродолжительное время.

В соответствии с выполненным ориентировочным расчётом Г. В. Тринклер получил общий вес силовой установки примерно одинаковый с дизель-электровозом Гаккеля при удвоенной по сравнению с последним общей касательной мощности, которая при одновременной работе обоих агрегатов с допустимой перегрузкой дизелей на 20% в течение получаса составляет 1764 л.с.

Результат получился настолько ощутимым, что конструктор решил произвести детальную конструктивную разработку этой идеи.

В смысле экономии топлива предлагаемая им схема также обещала значительные выгоды, так как отдача ходового дизеля используется тепловозом полностью; если принять, что дизель имеет коэффициент полезного действия 33%, то для тепловоза с электрической передачей общая отдача, отнесённая к ободу колёс, будет только 24,5%.

Для предлагаемого тепловоза при работе только на главном дизеле отдача с учётом механических потерь составляет 29,9%. Если предположить, что одновременно работают с полной мощностью оба агрегата, то за вычетом потерь в силовой электрической цепи вспомогательного агрегата, общий коэффициент полезного действия установки равен 28,5%.

В 1923 г. Г. В. Тринклер предложил проект тепловоза, имеющего ходовой двигатель нормальной эффективной мощностью 1000 л.с. с четырьмя или более цилиндрами, прикреплёнными группами к локомотивной раме. С каждой стороны рамы установлены по два рабочих цилиндра, поршни которых сообщают движение особому укреплённому на раме балансиру. Оба эти цилиндра расположены вертикально. От балансира движение шатуном передаётся прямо на палец спаренного дышла ведущей оси — такая передача имеется с каждой стороны тепловоза.

Благодаря такому непосредственному действию главного двигателя на оси без передачи гарантировано высокое значение коэффициента полезного действия.

На раме устанавливается быстро­ходный вспомогательный дизель с электрогенератором, приводящим во вращение электромотор с осью, расположенной параллельно движущим осям тепловоза, находящийся внутри кузова тепловоза. На концах этой оси установлены диски. Палец каждого диска дышлом связан с пальцем одного из пяти спаренных колёс. Работа вспомогательного двигателя не зависит от скорости тепловоза, им производятся трогание с места и дополнительная работа при входе на большой подъём. Вспомогательный агрегат начинает вращать главный двигатель, который пускового устройства не имеет. Вал каждой пары цилиндров при трогании тепловоза с места вращается не от работы этих цилиндров, а вследствие наличия соединения их балансира с пальцем одного из спаренных движущих колёс, которые вращаются от работы вспомогательного двигателя.

По достижении поездом скорости около 10 км/ч, а главным двигателем ― соответствующей частоты вращения, начинается нормальный процесс сгорания топлива в цилиндрах главного двигателя и он начинает работать самостоятельно параллельно со вспомогательным. После этого вспомогательный агрегат может вращаться вхолостую, производить некоторую работу, увеличивая тем самым общую мощность тепловоза, или вообще быть остановлен.

Тепловоз типа 1—5—1 имеет общую массу 114 т, сцепную — 90 т. Давление на спаренные оси 18 тс, на бегунки — 12 тс.

Главный четырёхцилиндровый двигатель с диаметром цилиндров 500 мм и ходом поршня 600 мм развивает наибольшую частоту вращения 330 об/мин. Мощность при наибольшей скорости около 82 км/ч составляет 1025 л.с., а при скорости 50 км/ч — 640 л.c. Диаметр движущих колёс 1320 мм.

Вспомогательный шестицилиндровый двигатель с диаметром цилиндров 370 мм и ходом поршня 380 мм развивает наибольшую частоту вращения 500 об/мин. Мощность двигателя 675 л.c. Генератор и электромотор — постоянного тока.

Позже проект, по-видимому, был несколько изменён, так как изображённый на чертеже тепловоз с указанием даты разработки 1925 — 1928 гг. имеет тип 1―4―1 и диаметр ведущих колёс 1220 мм.

Хотя тепловоз Тринклера не содержал неосуществимых элементов, а также неправильных принципиальных решений, и дальнейшая работа по этому проекту могла бы быть продолжена, проект не был осуществлён. В тот период он был признан сложным.

Следует заметить, что применение электроустановки на тепловозе с непосредственным приводом вряд ли оправданно, поскольку постоянно связанный с движущими осями тяговый электродвигатель создаёт повышенное сопротивление движению в то время, когда электромашины работают вхолостую. А, насколько можно судить по чертежу и описанию, устройства, позволяющего отсоединять электромотор от движущих осей, на тепловозе предусмотрено не было.

Тепловоз Креглевского. Аналогичная схема тепловоза непосредственного действия была несколько раньше предложена профессором Креглевским в Германии; имеется ссылка на неё и схематический чертёж в статье о тепловозах инженера К. Ф. Неймайера.

При трогании с места тепловоз имеет все преимущества дизель-электровоза, маневрирование также не представляет никаких затруднений. При работе одного основного двигателя имеются все преимущества непосредственной передачи работы последнего на оси локомотива; на подъёмах, вводя в работу вспомогательный двигатель, можно добиться значительно меньшего снижения скорости, обычного в таких случаях, и, кроме того, можно преодолевать более крутые подъёмы.

Коэффициент полезного действия вспомогательной установки был принят на уровне 80%. Мощность основного двигателя тепловоза 1200 л.с., вспомогательного 300 л.с., следовательно, общая мощность силовой установки составляет 1500 л.с.

Насколько известно, тепловоз этой схемы также не был осуществлён, несмотря на его достоинства.

Система передачи Пипера. В некоторой степени с идеями Креглевского и Тринклера перекликается система бельгийского инженера Анри Пипера, которая была разработана для пассажирских автомотрис, но могла быть применена и для товарных тепловозов с дизелем мощностью 300 ÷ 400 л.с.

Конструкция Пипера есть одна из систем непосредственного привода от двигателя внутреннего сгорания к ведущей оси, работающего с наименьшими потерями на внутреннее сопротивление. Тяговое усилие, а также скорость движения, отвечающие нормальной частоте вращения двигателя, определяются по передаточному числу зубчатого редуктора на ведущей оси. Колебания в потребной мощности, которые наблюдаются при трогании с места и при следовании по участку с изме­няющимся профилем, выравниваются в системе Пипера дополнительной установкой, состоящей из аккумуляторной батареи и электрической машины на валу дизеля. В зависимости от избытка или недостатка мощности дизеля электрическая машина работает или как генератор, или как мотор. Управление ходом осуществляет­ся при помощи контроллера.

Электрическая машина, питаемая током батареи, служит стартёром. Для пуска в ход достаточно одного движения главной рукоятки контроллера. Включение сцепной электромагнитной муфты, находящейся между электрической машиной и дизелем, производится отдельной, «малой», ручкой контроллера. Вторая сцепная муфта между электрической машиной и ведущей осью включается автоматически при переводе главной рукоятки контроллера на следующее деление. Плавность трогания с места обеспечивается естественным проскальзыванием сцепляющих поверхностей магнитной муфты. В случае необходимости можно применить постепенное усиление рабочего тока муфты. Быстрота разгона зависит от ёмкости аккумуляторной батареи; практически размеры батареи получаются небольшие, так как она непрерывно то заряжается, то разряжается.

Регулировка скорости движения производится передвижением главной рукоятки контроллера, чем изменяется возбуждение электрической машины, а следовательно, и доля её участия в механической энергии, передаваемой на ведущую ось. По мере увеличения скорости движения наступает момент, когда дизель начинает развивать бóльшую мощность, чем требуется для преодоления сопротивления движению поезда. Тогда электродвижущая сила электрической машины начинает превышать электродвижущую силу аккумуляторной батареи; электромашина превращается из электромотора в генератор электрической энергии, и начинается подзарядка батареи. Этот переход с разрядки на зарядку и обратно происходит автоматически, но у машиниста есть возможность регулировать в обоих случаях интенсивность работы электрической машины, воздействуя на возбуждение передвижением главной рукоятки контроллера.

При следовании под уклон или при подходе к остановке полезная работа дизеля снижается до наименьшей величины, тогда как электромашина, вращаемая от ведущей оси, поглощает живую силу движущегося поезда и утилизирует её на подзарядку батареи, т. е. действует как электрический тормоз. Тормозная сила регулируется машинистом. Для быстрой остановки применяется переключение накоротко. В случае необходимости можно выключить первую сцепную муфту и полностью остановить дизель, но при проходе коротких спусков его обычно оставляют в ходу. Окончательной остановки, как и при электрической тяге, описанным способом получить нельзя, но замедление хода происходит очень интенсивно и в тоже время плавно; для окончательной остановки используются пневматические тормоза.

В системе Пипера распределительный механизм устроен таким образом, что двигатель работает одинаково при любом направлении вращения, которое устанавливается в зависимости от первого толчка при пуске в ход. Благодаря такой конструкции распределительного механизма реверсирование переносится в контроллер и выполняется передвижением второй малой ручки, переключающей пусковой ток электромашины. Таким образом, тепловоз системы Пипера вполне пригоден для маневровой службы при надлежащем расчёте аккумуляторной батареи.

Расход топлива в системе Пипера находится под двойным контролем. С одной стороны, работает обыкновенный центробежный регулятор, изменяющий подачу топлива в зависимости от колебания частоты вращения дизеля; с другой стороны, имеется электрический регулятор, управляемый током между электрической машиной и батареей, уменьшающий подачу топлива до минимума при отдаче батареи и дающий полную свободу действия первому регулятору в периоды полезной работы дизеля.

Система оснащена контрольными указательными приборами — скоростемером, амперметром, вольтметром, счётчиком зарядки и разрядки батареи, тахометром и другими. Как и тепловозы других систем, тепловоз Пипера имеет воздушный компрессор для работы тормозов и звукового сигнала.

Благодаря дополнительному источнику энергии в виде аккумуляторной батареи появляется возможность иметь дизель меньшей мощности, работающий в режиме экономного расхода топлива за счёт постоянной нагрузки и рекуперации энергии при торможении. Рекуперативное торможение позволяет поддерживать постоянную скорость на спусках при меньшей изнашиваемости тормозных приборов, колодок и бандажей, а также является дополнительным средством обеспечения безопасности движения поездов. Тепловоз прост в управлении, заключающемся в передвижении ручек контроллера. Остальные процессы происходят автоматически. Система Пипера допускает с одного поста управления работу по системе многих единиц.

О постройке тепловоза этой системы сведений не найдено.

Проект тепловоза Максимова. В 1927 г. инженер М. В. Максимов предложил тепловоз с двухтактным двигателем внутреннего сгорания, в котором воздух, сжатый в особом компрессоре до рабочего давления и подогретый затем отработавшими газами, подаётся под этим давлением в цилиндры двигателя, где и происходит непосредственное сгорание топлива.

На раме тепловоза установлены два многоцилиндровых дизель-ком­прессора, двухтактных, быстроход­ного типа, с двух- или трёхступен­чатым сжатием воздуха в цилиндрах компрессора, причём желательно отсутствие охлаждения воздуха в ресиверах. Всасывающая труба компрессора выведена через крышу тепловоза и снабжена на наружном конце расширенным и изогнутым колпаком, устанавливаемым против хода тепловоза, для увеличения коэффи­циента подачи воздуха в цилиндр компрессора.

Сжатый до 35 ат воздух из компрессора поступает во внутреннюю полость двустенного резервуара. Наружная полость резервуара обогревается отработавшими газами, поступающими от дизель-компрессора и от главной машины и уходящими затем наружу. Горячий сжатый воздух из резервуара через регулирующий клапан и золотник поступает в камеры сгорания двухцилиндровых двухтактных двигателей двойного действия с мотылями, расположенными под углом 90°. Цилиндры двигателя снабжены выпускными клапанами, форсунками и калоризаторами. Для охлаждения рубашечной цир­куляционной воды, установлены два радиатора, позади которых имеется решётка с направляющими рёбрами, которые за ненадобностью охлаждения калоризаторов напра­вляют воздушный поток под корпус тепловоза.

Перед пуском тепловоза в ход разогревают калоризаторы, открывают клапан, и сжатый воздух из резервуара, всегда наполненным сжатым воздухом, подаётся в камеру сгорания одного из цилиндров двигателя, поршень которого стоит вблизи мёртвой точки. Затем в камеру сгорания подаётся нефть, которая, попадая на разогретый калоризатор, воспламеняется и обеспечивает рабочий ход поршня под нагрузкой. Следующим ходом поршень выталкивает продукты сгорания. В конце этого хода камеры сгорания снова заряжаются сжатым воздухом из резервуара. Таким образом, главная машина работает по двухтактному циклу без хода сжатия, но с ходом выхлопа. Когда тепловоз придёт в движение, пускают дизель-компрессоры, подающие воздух в резервуар, в который также добавляются отработавшие газы, благодаря чему воздух нагревается до 800°К, и в дальнейшем процесс в главной машине может протекать по циклу Дизеля без сжатия, но с выталкиванием; ход сжатия выполняется дизель-компрессором. Клапаном изменяют количество воздуха, поступающего в камеру сгорания, а регулятором нефтяного насоса — количество нефти. Рукояткой газораспределитель переставляется на передний или задний ход. Главные машины приводят в движение коленчатые оси, спаренные дышлами со сцепной осью. Вес главных машин нагружает бегунки крайних тележек, вес дизель-компрессоров — ведущие оси. При небольшом составе, гори­зонтальном профиле пути и установившемся движении поезда может работать лишь одна из двух групп. На подъёмах должна быть включена и другая группа.

Техническая секция НТК от 24 февраля 1928 г. признала, что рабочая машина тепловоза, предлагаемого М. В. Максимовым, представляет собой разделённый двигатель внутреннего сгорания, являющийся удачной комбинацией известных идей (И. Ф. Ядова, Э. Сперри), и при надлежащем конструктивном исполнении может представить интерес. Поэтому секция считала целесообразным дать возможность М. В. Максимову закончить разработку проекта применительно к паровозу Уу и после рассмотрения проекта решить вопрос о постройке опытной машины. Однако проект разработан не был и опытная машина не была построена.

Тепловоз Максимова — чрезвычайно интересное и простое решение применения двигателя внутреннего сгорания в качестве локо­мотивного двигателя. Такой тепловоз, обладающий простыми органами управления и простой конструкцией основных элементов, дал бы возможность получить простой и дешёвый в эксплуатации локомотив.

Проект Эсслингенского завода. В Германии в 1927 г. появился проект тепловоза с непосредственным приводом, выполненный заводом в Эсслингене.

Тепловоз спроектирован с отсоединяемым от движущих колёс первичным двигателем. На этом тепловозе установлены два V-образных двигателя, соединённых с помощью фрикционных муфт с отбойными валами. Крутящий момент передаётся через отбойный вал и спарники на движущие колёса.

При трогании тепловоз работает с переменным проскальзыванием. Изменение максимальной силы тяги достигается путём работы с двумя, а затем с одним двигателем. Поэтому в дизельной группе один из двигателей следует рассматривать как вспомогательный, который выключается при следовании, а регулирование силы тяги про­изводится путём изменения наполнения в другом.

Для приближения к идеальной тяговой характеристике по достижении скорости, приблизительно равной 50 км/ч, следует выключить муфту, соединяющую один из дизелей с колёсами, и затем регулировать силу тяги тепловоза путём изменения подачи топлива в другом дизеле. Максимальная мощность такого тепловоза равна 3980 л.с. при скорости 90 км/ч, в то время как мощность тепловоза с электрической передачей равна 1520 л.с.

Проекты газогенераторных тепловозов. Тепловозом с непосредственным приводом является и изобретённый Н. И. Дыренковым газогенераторный тепловоз (советский патент №17311, выданный в 1930 г.). Отказаться от употребления в тепловозах дорогостоящего топлива, как нефть, и перейти на низкосортные топлива (уголь, дрова, торф и т. п.) — эту задачу давно ставили перед собой изобретатели. С созданием тепловоза, работающего на низкосортном топливе при к. п. д. в пределах даже 20%, потребление низкосортного топлива по сравнению с паровозом уменьшалось бы в 3 — 4 раза.

Предлагаемый тепловоз состоит из главного реверсивного газового двигателя двойного действия, двух- или четырёхцилиндрового, который при помощи крейцкопфов непосредственно соединяется с ведущими колёсами тепловоза; на раме же тепловоза установлен газовый вспомогательный быстроходный двигатель, посредством механической передачи соединённый с одной из ведущих осей. Оба двигателя питаются одним газовсасывающим генератором, который вырабатывает газ, поступающий по трубопроводам в группу мокрых очистителей, окружённых кожухом. Кожух препятствует охлаждению всасываемого газогенератором воздуха. Из очистителей газ поступает по другому трубопроводу в группу смолоотделителей и сухих очистителей, камеры которых имеют увеличенный объём для того, чтобы они служили в то же время и аккумуляторами давления во всасывающем трубопроводе.

В средней части тепловоза установлен паровой котёл, обогреваемый отработав­шими газами главного и вспомогательного двигателей, подаваемыми по трубо­проводу, причём нижняя часть котла устроена таким образом, чтобы зимой при длительных стоянках на открытом воздухе или в холодном депо можно было производить обычную топку котла для обогревания тепловоза и воды в рубашках цилиндров. Вода для питания котла берётся тёплой, после выхода её из водяных рубашек двигателей, перед поступлением в холодильник. Взамен отобранной в котёл горячей воды в охлаждающую систему автоматически подаётся холодная вода из цистерн. Пар из котла направляется в паровой компрессор воздушного тормоза обычного паровозного типа и в паросиловую установку, состоящую из паровой турбины или быстроходной паровой машины, соединённой с генератором. Генератор питает две аккумуляторные батареи, работающие на осветительную сеть, электрический стартёр для вспомогательного двигателя, запасной электродвигатель для вентилятора холодильника и электродвигатель трёхступенчатого центробежного компрессора, включённого во всасывающий трубопровод вспомогательного двигателя. Такой же большой компрессор, включённый во всасывающий трубопровод главного двигателя, может соединяться при помощи муфты непосредственно с паросиловой установкой. Отра­ботанный пар из компрессора и паросиловой установки направляется под колосники газогенератора или же в атмосферу. Кроме мятого пара под колосники газогенератора подаётся и перегретый пар из котла непосредственно (в зависимости от количества мятого пара и интенсив­ности работы газогенератора). Запас топлива для удобства загрузки шахт генератора помещается в бункере.

После растопки газогенератора вспомога­тельный двигатель пускается в ход электри­ческим стартёром. При поездной работе с растопленным газогенератором вспомогательный двигатель при помощи передачи трогает тепловоз с места, зажигание горючей смеси в цилиндрах главного двигателя устана­вливается при этом в мёртвой точке для предотвращения обратных ударов. С первых же оборотов колёс в цилиндрах главного двигателя начинаются вспышки смеси; с увеличением скорости устанавливается нормальное опережение зажигания и, по достижении скорости 8 — 10 км/ч, вспомогательный двигатель может быть выключен. На подъёмах вспомогательный двигатель включается в помощь главному, причём на тяжёлых и затяжных подъёмах включаются компрессоры для улучшения наполнения двигателей и повышения их мощности. Возможность получать вспышки в рабочих цилиндрах главного двигателя на самых малых скоростях имелось в виду обеспечить тем, что горючая смесь для работы двигателя получается вне рабочих цилиндров, независимо от частоты вращения вала двигателя, и поступает в рабочие цилиндры в готовом виде. Это представляет собой одно из преимуществ данной системы тепловоза перед тепловозами с непосредственным приводом других систем с двигателями жидкого топлива, так как в последних горючая смесь приготавливается внутри рабочих цилиндров, вследствие чего для начала работы этих двигателей требуется значительный разгон, требующий большой мощности вспомогательных двигателей.

Показанная схема оборудования предлагаемого тепловоза на раме паровоза 0—5—0 серии Э отличается скученностью оборудования и необходимостью сосредоточивать большую мощность (до 500 л.с.) в одном цилиндре. Другая схема представляет собой установку на двух тележках с одним вспомогательным двигателем и с самостоятельными главными двигателями на каждой тележке. В этом случае на первой тележке установлены двухцилиндровый главный двигатель, газогенератор, группа мокрых очистителей и помещён запас топлива, на второй же — другой двухцилиндровый главный двигатель, вспомогательный двигатель, котёл, сухие очистители и все прочие вспомогательные устройства. Преимуществом этого типа является лучшее вписывание в кривые, более удобное обслуживание всех частей оборудования и меньшая мощность главных двигателей.

Проекты газогенераторного тепловоза по предложению Н. И. Дыренкова разрабатывались в бюро мощных локомотивов при ЛИИЖТе, возглавляемом кафедрой «Паровозы и тепловозы» при участии бюро гидравлических редукторов НКТП, Газогенераторстроя, работников конструкторского бюро экспериментального за­вода «Можерез», заводов «Русский Дизель», «Красный Путиловец». Техническими руководителями работ по проектированию были К. А. Шишкин и А. А. Титов.

Бюро разработало несколько вариантов тепловоза. Наибольший интерес представлял проект газогенераторного тепловоза типа 2-6-1 со сцепной массой 128,4 т.

На тепловозе внутри кузова установлен горизонтальный четырёхцилиндровый, четырёхтактный двигатель двойного действия мощностью 1860 л.с. при 300 об/мин с электри­ческим зажиганием, среднее индика­торное давление 4,53 ат. Цилиндры соединены попарно (тандем). Вращение коленчатого вала производит­ся при помощи двух шатунов. Угол между пальцами кривошипов составляет 90°. Вал расположен поперёк тепловоза, что позволяет избежать применения конической передачи к гидромеханическому редуктору. Пуск двигателя производится через небольшой редуктор вспомогатель­ным двигателем мощностью 70 л.с. при 1800 об/мин.

Движение колёсам локомотива передаётся (до скорости 37,5 км/ч) через гидротрансформатор, после чего он выключается и включается редуктор с постоянно сцепленными зубчатыми колёсами. Скорость локомотива при этом может быть доведена до 50 км/ч. Отбойный вал расположен в передней части тепловоза между передней двухосной тележкой и первой движущей осью и связан с колёсными парами дышловым механизмом.

Холодильник для воды и масла расположен в задней части тепловоза.

Подача воздуха обеспечивается двумя вентиляторами с приводом от главного редуктора.

Газогенераторная установка размещена на шестиосном прицепном тендере и состоит из пяти газогенераторов опрокинутого процесса и одного охладителя-очистителя (скруббера). Над газогенераторной установкой на крыше тендера расположен бункер, имеющий пять секций для хранения запасов антрацита марки AM, вместимостью 10 т. Топливо в генераторы подаётся при помощи питателей. Под каждым газогенератором имеется зольник со шлакоудалителем. Питатели и шлакоудалители приводятся от общего трансмиссионного вала, который вращается электродвигателем через редуктор с двумя ступенями скоростей.

Построить тепловоз не удалось. Были изготовлены лишь отдельные части тепловоза — рама и элементы передачи.

Проект тепловоза 2―3―1. Если в цилиндр подавать горячий воздух, то процесс вспышки может быть осуществлён не только при любой малой скорости поршня, но даже и при нахождении двигателя в состоянии покоя, как это и производится в бомбах при иссле­довательских работах.

Можно было бы подводить к главному двигателю подогретый воздух перед всасыванием его или же вводить его перед сжатием. Однако и при этом необходима ещё пусковая машина, которая должна быть, правда, уже меньших размеров, поскольку она предназначается для меньшего периода работы.

Если же подводить к главному двигателю горячий воздух в конце хода сжатия и под таким давлением, которое обеспечивало бы необходимый вращающий момент для трогания с места, то в качестве пускового прибора необходима лишь сравнительно небольшая компрессорная установка для подачи сжатого воздуха.

Этот метод нашёл применение в проекте локомотива 2―3―1 мощностью (наибольшей) 1400 л.с. со сцепной массой 45 т.

Работающий по такому принципу локомотив имеет следующую конструкцию. Главные рабочие цилиндры приводят ведущие оси в движение непосредственно, будучи расположены точно так же, как и паровые цилиндры эквивалентного по мощности паровоза и обладая примерно теми же размерами. Наивысшее давление для горения не должно быть выше давления пуска двигателя в ход при трогании локомотива с места. Пусковой воздух получается с помощью вспомогательного агрегата и нагревается до 350°C в подогревателе, отапливаемом отходящими газами вспомогательного двигателя. Подогреватель и компрессор мало отличаются от установленных на тепловозе Эсслингенского завода с пневматической передачей, о котором речь пойдёт ниже. Их мощность устанавливается такой, чтобы имелась возможность при помощи одного лишь воздуха и на пределе сцепления развить скорость примерно до 6 км/ч. Этим самым разрешается вопрос и с манёврами. Как только к рабочим цилиндрам, которые обогреваются водой, охлаждающей вспомогательный двигатель, будет подведён горячий воздух, может быть введено и топливо для горения. Таким образом, уже на первых же оборотах возможна смешанная работа двигателя. Если двигатель хорошо предварительно прогрет, то подвод горячего воздуха может быть прекращён и дальнейшее следование локомотива возможно уже на чисто дизельном процессе; можно, конечно, следовать и далее с подачей горячего воздуха, осуществляя наддув высокого давления, который позволяет увеличить площадь рабочей диаграммы до полного давления. Благодаря этому среднее эффективное давление может достигнуть значения, в два раза большего, чем при обычном процессе дизеля. При соответствующей скорости существует и определённая граница тепловой нагрузки цилиндра, как и при всякой системе наддува. Поскольку рабочая диаграмма должна быть вместо узкой и высокого давления, значительно более широкой и без большого подъёма давления, топливо не может подаваться в этом случае обычным способом, а должно подводиться медленно. Для этой цели необходимы особые приборы, с помощью которых топливо должно распыливаться в небольших количествах, причём распыливающее давление должно всё время оставаться неизменным и независимым от частоты вращения.

Распределительные органы должны быть устроены таким образом, чтобы работа на одном воздухе, на смешанном процессе, а также и на чисто дизельном процессе, могла производиться в обоих направлениях движения одинаково.

Проект тепловоза Хлебникова. В 1932 — 1945 гг. инженер Г. К. Хлебников работал над проектом тепловоза, в котором разгон предполагалось осуществлять сжатым воздухом, подаваемым в главный двигатель тепловоза, а регулирование мощности — изменением подачи топлива и количества наддувочного воздуха. Для уменьшения степени сжатия при трогании намечалось устройство дополнительных камер у цилиндров двигателей; при этом объём камер мог изменяться по воле машиниста. Как и в проекте М. И. Пригоровского, в проекте Г. К. Хлебникова для получения сжатого воздуха на тепловозе предусматривалась специальная дизель-компрессорная установка, а для воспламенения топлива при пониженном давлении сжатия ― специальные запальники.

Г. К. Хлебников считал, что для решения проблемы тепловоза с непосредственным приводом необходим главный двигатель, при котором трогание и разгон состава производились бы в основном за счёт сжигания топлива в воздухе, поданном в цилиндр в период всасывания или продувки. Для увеличения же среднего индикаторного давления в этот период необходимо применить верхний наддув и запал от постороннего источника. Зажигание смеси должно быть в самом цилиндре, действовать оно должно только в период разгона, безотказно воспламеняя топливо при всех тепловых состояниях двигателя. При вводе запальника в цилиндр двигателя с высокой степенью сжатия давление вспышки может достигнуть 100 ÷ 120 ат. Этот недостаток устраняется, если объём камеры сжатия на период трогания увеличивать, а потом уменьшать до размеров, обеспечивающих само­воспламенение топлива. Расход наддувочного воздуха для получения среднего индикаторного давления, необходимого для трогания, получается в этом случае минимальным, и, как было установлено теоретическими расчётами, а позже опытными данными, — не больше расхода воздуха, потребного для обычного запуска дизелей.

Для подтверждения своих соображений Г. К. Хлебников в 1937 — 1940 гг. в Научно-исследовательском институте НКПС провел эксперименты над двухцилиндровым двухтактным двигателем, снабжённым спроектированной им переменной камерой сжатия, запальным устройством и верхним наддувом. Он предложил и в экспериментах над опытным двигателем проверил три способа понижения давления вспышки при трогании с места:

— полное удаление из цилиндра воздуха, поступившего в него в период всасывания или продувки, и питание главного двигателя воздухом высокого давления, приготовленным компрессором, приводимым в действие от отдельного двигателя или из баллонов;

— частичное удаление из цилиндров воздуха, поступившего в период всасывания или продувки, и питание двигателя воздухом высокого давления, приготовленным тем же способом;

— увеличение объёма камеры сжатия до размеров, обеспечивающих давление сжатия, при котором давление вспышки не превосходит нормально установленного для тягового двигателя внутреннего сгорания; увеличение воздушного заряда цилиндра нижним или верхним наддувом для получения необходимого среднего индикаторного давления.

Проверка всех трёх способов на экспериментальном двигателе показала, что создание теплового напряжения в камере сжатия в период работы двигателя при трогании и разгоне лучше обеспечивается при третьем способе.

В случае трогания и разгона без горения топлива работа трогания совершается целиком воздухом. При горении же топлива вследствие повышения температуры происходит увеличение объёма продуктов горения и поэтому расход воздуха на трогание уменьшается. Это было подтверждено данными экспериментов над опытным двигателем, результаты которых показали, что расход воздуха при работе двигателя на одном воздухе с повышенным индикаторным давлением увеличивается в сравнении с тем, которое потребовалось бы при горении топлива, в 10 ÷ 14 раз. Следовательно, мощность дополнительной установки при трогании с горением топлива в цилиндре может быть значительно уменьшена и должна составить примерно 1,5 — 2% мощности основного двигателя.

Так как наименьший расход наддувочного воздуха получился в двигателе с переменным объёмом камеры сжатия, то при нём должна получиться наименьшая ёмкость баллонов для наддувочного воздуха и наименьшая затрата энергии на его сжатие. Увеличение расхода наддувочного воздуха при работе с декомпрессией вызвано необходимостью возвращения в цилиндр части воздуха, удалённого в период деком­прессии, и ухудшением процесса горения. Последнее обстоятельство подтверждается резким уменьшением среднего индикаторного давления при пониженной частоте вращения.

Опыты подтвердили, что тяговые качества двигателя внутреннего сгорания с переменной камерой сжатия эквивалентны тяговым качествам паровой машины паровоза. Наименьшая скорость, соответствующая большим отсечкам паровоза, вполне обеспечивается в тепловозе непосредственного действия с тяговым двигателем внутреннего сгорания.

На основании экспериментального материала, полученного при исследовании тягового двигателя с переменной камерой сжатия, был разработан технический проект тепловоза с непосредственным приводом.

При разработке проекта были использованы рама, ходовая часть и движущие части машины пассажирского теплопаровоза Ворошиловградского завода. Тяговый двигатель внутреннего сгорания с переменной камерой сжатия, противоположно движущимися поршнями и прямоточной продувкой должен был работать по двухтактному процессу при расширении газов только во внутренних полостях, внешние полости цилиндров используются для приготовления продувочного и наддувочного воздуха давлением до 3 ат. Усилия от действия газов передаются колёсам через отбойные валы. Для улучшения отвода тепла от поршней головки их заполнены маслом. Масло, воспринимая тепло от головки поршня, передаёт его через поршневые кольца цилиндровой втулке, охлаждаемой водой.

Главный двигатель тепловоза при трогании с места и разгоне поезда работает по принципу низкого сжатия с зажиганием топлива от электрического запальника. При этом клапаном с поршневым приводом открывается дополнительная камера, в которой расположены запальник и пусковая форсунка типа Аршаулова. Однако из-за ограниченных габаритов для подвижного состава затруднительно создать выгодную форму камеры. При увеличенной камере сжатия давление в конце сжатия равно 16,3 ат и расчётное давление вспышки — 36,5 ат. Среднее индикаторное давление, отнесённое ко всему ходу поршня, необходимое для обеспечения наибольшей силы тяги в мощном тепловозе, достигает 13,5 ат. Этим определялась степень наддува, равная примерно 75 — 76%.

Таким образом, при добавлении 75% воздуха к основному воздуху, подаваемому в период продувки, будут обеспечиваться трогание и разгон состава до скорости 10 — 15 км/ч, при которой уже получается самовоспламенение топлива и нормальный рабочий процесс дизеля. При этом для получения достаточно высоких значений среднего индикаторного давления (до 12 ат) в проекте предусматривался наддув при давлении 1,5 ат. Чтобы получить большой крутящий момент в очень широком диапазоне изменения скоростного режима двигателя, необходимо хорошее распыливание топлива. Поэтому выбран топливный насос типа Ганц — Ендрасик, в котором нагнетательный ход плунжера происходит под действием пружины. Применение такого принципа обеспечивает одинаковое качество распыла при любой угловой скорости кулачкового валика топливного насоса, что проверено опытом эксплуатации аналогичных насосов на дизелях дизель-поезда.

Диаметр движущих колёс тепловоза принят 1500 мм, наибольшая скорость 85 км/ч, двигатель — восьмицилиндровый с частотой вращения 400 об/мин, передаточное число шестерён между отбойным валом и валом двигателя 1,33, ход поршня 630 мм и диаметр цилиндра 535 мм.

При разгоне до скорости ~55 км/ч потребуется подавать в цилиндр добавочный воздух через наддувочный клапан. Ёмкость баллонов со сжатым воздухом давлением 150 ат, требуемым для наддува, с учётом неиспользованного объёма воздуха должна быть равна 1,6 м3.

Г. К. Хлебников считал, что при наличии пусковых баллонов, объём которых в 1,15 ÷ 3,4 раза превышает необходимый запас сжатого воздуха, требуемый для наддува, тепловозу непосредственного действия с главным двигателем, работающим по принципу увеличения камеры сжатия в период трогания, никакой дополнительной дизель-компрессорной установки не нужно. Однако на первом опытном тепловозе для обеспечения независимости его от депо и на случай выпуска воздуха по неопытности обслуживающего персонала планировалось поставить небольшой компрессор эффективной мощностью 50 ÷ 75 л.c. Для этого на раме тепловоза намечалось установить вспомогательный дизель-компрессор высокого давления с использованием дизеля типа 1Д12, в котором шесть цилиндров работают в качестве двигателя, а остальные шесть — в качестве компрессора, причём в четырёх цилиндрах воздух сжимается до 8 ат, а в двух до 70 ат.

Система управления тепловоза выполнена аналогично системе управления теплопаровозом Ворошиловградского завода типа 1―4―1 путём воздействия через кулачковый механизм на период открытия наддувочного клапана и на подачу топливных насосов. Золотниковый механизм используется для управления фазами распределения продувочным насосом в задних полостях рабочих цилиндров и для управления открытием наддувочных клапанов при трогании с места.

Проект тепловоза Г. К. Хлебникова и весь относящийся к нему материал — экспериментальные и расчётные данные и др. — был рассмотрен на ряде технических совещаний.

Он получил благоприятные отзывы и заключения и был передан Ворошиловградскому заводу для разработки отдельных узлов, в частности переменной камеры сжатия. К сожалению, проект остался незавершённым.

Проект тепловоза Юровского. В 1933 г. Н. Н. Юровский предложил проект тепловоза, основная идея которого заключается в том, что часть цилиндров дизеля, расположенного на раме тепловоза, через балансиры связана с его осями, а остальные такой связи не имеют и только подают воздух в ресивер. Кривошипы движущих колёс насажены под углом 90°.

Наибольший интерес в этом проекте представляет схема двигателя. В цилиндре двухтактного дизеля воздух сжимается до 45 ат, причём 50% сжатого до такого давления воздуха через выпускной клапан дизеля выталкивается в ресивер, другая же часть заряда остаётся в цилиндре, благодаря чему после закрытия выпускного клапана дизеля и подачи топлива в цилиндре происходит воспламенение и начинается рабочий ход. В конце рабочего хода газы удаляются продувочным воздухом, и цилиндр вновь получает зарядку, цикл повторяется.

Сжатый горячий воздух поступает в ресивер, а оттуда, через впускной клапан, — в тяговые цилиндры, поршни которых связаны с осями тепловоза, после чего через форсунку туда подаётся топливо, происходит вспышка, начинается рабочий ход и, следовательно, движение тепловоза. После расширения продукты сгорания удаляются сначала через выпускные окна (свободный выпуск), а затем (после закрытия окон) через выпускные клапаны тяговых цилиндров. Такой способ выпуска облегчает работу выпускного клапана, так как через него проходят газы уже пониженной температуры и плотности. Остаток продуктов горения подвергается некоторому сжатию, и затем цикл протекает в том же порядке. Впускной клапан и форсунка управляются особым механизмом, позволяющим изменять степени наполнения и соответственно этому количественную подачу топлива так, чтобы сгорание происходило при постоянном избытке воздуха.

При постоянной частоте вращения вала двигателя и подаче воздуха из цилиндра дизеля степень наполнения тягового цилиндра воздухом, а также и объём газов в конце горения будут изменяться обратно пропорционально скорости тепловоза, т. е. получается тяговая характеристика, аналогичная паровозной.

Весьма интересную идею Н. Н. Юровского намечалось подвергнуть опытной проверке в части клапана для отбора сжатого воздуха, после чего можно было бы произвести практическую оценку предложенной схемы путём изготовления опытного образца тепловоза. Эти работы не были выполнены.

Проект тепловоза Майзеля. Наличие дизель-компрессоров с коленчатым валом практически сводило на нет преимущества тепловоза с непосредственным приводом из-за того, что вспомогательная установка получалась сложной и дорогой. Одной из попыток обойти это затруднение является предложение Л. М. Майзеля.

Тепловоз Майзеля состоит из главного двухтактного дизеля с противоположно движущимися поршнями, свободнопоршневого дизель-компрессора, продувочного насоса и ходовой части. Свободнопоршневой дизель-компрессор предназначен для подачи воздуха в тяговую машину при трогании и разгоне тепловоза до момента появления вспышки в главном двигателе, а также для верхнего наддува главного двигателя при больших нагрузках и привода вспомогательных агрегатов. На тепловозе предполагалось установить два одинаковых свободнопоршневых дизель-компрессора общей производительностью 78 м3/мин.

Поршневая группа дизель-компрессора состоит из трёх соединённых в одно целое поршней: дизельного и двух компрессорных (I и II ступеней). Движение системы поршней происходит в результате сгорания топлива в дизельном цилиндре. Цилиндр ступени компрессора работает как продувочный насос дизельного цилиндра. Свободнопоршневой дизель-компрессор пускается сжатым до 22 ат воздухом из баллонов объёмом 400 л.

Цилиндры главного двигателя расположены горизонтально по два с каждой стороны тепловоза, один над другим. Усилия от поршней передаются через шатун и систему дышел на отбойные валы. Двигатель имеет два вида питания: сжатым воздухом от дизель-компрессора и жидким топливом. Питание сжатым воздухом осуществляется через специальный воздушный клапан. Жидкое топливо подаётся в цилиндры газовым толкателем. Поршень толкателя, на который давят газы из камеры сжатия двигателя, связан с плунжером, подающим топливо в цилиндр. Давление топлива во столько раз больше давления газов, во сколько раз площадь плунжера меньше площади поршня толкателя.

Применение газовых толкателей гарантирует автоматическое регулирование угла опережения впрыска топлива в зависимости от частоты вращения за счёт изменения показателя политропы сжатия в цилиндре двигателя. Однако газовые толкатели недостаточно устойчивы в работе вследствие загорания уплотнительных колец поршней.

Работа тепловоза протекает следующим образом. Вначале сжатым воздухом из баллонов пускается дизель-компрессор, который через подогреватель подаёт воздух в главный ресивер. Форсунка подогревателя включается сразу же после получения первых порций сжатого воздуха; температура подогрева регулируется изменением подачи топлива. Давление в главном ресивере контролируется по манометру, установленному на щите машиниста. Когда оно достигнет 20 — 21 ат, тепловоз может быть приведён в движение.

Для этого машинист устанавливает реверс и открывает воздушный регулятор; воздух через воздушные клапаны поступает в цилиндры главного двигателя и разводит поршни, которые через шатуны, качалки, дышла и отбойный вал передают движение спарникам колёс тепловоза. Разгон поезда массой 1700 т на подъёме 5‰ обеспечивается до скорости 12 км/ч, когда происходит вспышка в цилиндрах и начинает работать главный дизель. Для подачи топлива к главному дизелю переводят дизельный регулятор в соответствующее положение. При этом в работу включаются газовые толкатели, которые подают топливо в цилиндры при нахождении поршней вблизи внутренней мёртвой точки. После того как в цилиндре произойдёт вспышка топлива, при помощи воздушного клапана осуществляется переход на работу двигателя с наддувом. Продувочные насосы, связанные с движущими частями главного двигателя, включаются дизельным регулятором. Они подают продувочный воздух только тогда, когда главный двигатель работает на топливе, в других случаях они работают вхолостую.

При движении тепловоза под уклон при помощи регулятора продувочный воздух направляется в атмосферу, и подача топлива прекращается.

Проект тепловоза Майзеля был подробно рассмотрен на техническом совещании при тепловозном отделении ЦНИИ МПС 22 марта 1945 г., а затем на НТС МПС и было принято решение выдать заказ Ворошиловградскому заводу на разработку отдельных узлов этого тепловоза.

Однако в последующем ни опытная проверка узлов, ни постройка опытного образца не были осуществлены. Главной причиной было то, что в этот период не имелось ещё отработанной конструкции свободнопоршневого компрессора.

За границей до второй мировой войны было построено несколько тепловозов с непосредственным приводом, которые всё же имели много существенных конструктивных и эксплуатационных недостатков. Эти недостатки в полной мере преодолеть не удалось. Главным и наиболее принципиальным из них оставалось очень большое несоответствие между фактической и требуемой в условиях эксплуата­ции тяговыми характеристиками. У тепловозов с непосредственным приводом сила тяги оставалась примерно постоянной во всем диапазоне изменения скоростей, так как вращающий момент на валу дизеля слабо меняется с изменением частоты вращения. Даже введение повышенного наддува при малой частоте вращения коленчатого вала не позволяло осуществлять необходимую величину коэффициента приспособляемости. Это приводило к недостаточной силе тяги при трогании тепловоза с места и разгоне и избыточной при больших скоростях (недоиспользование двигателя).

Тепловоз с непосредственным приводом обладает самым высоким коэффициентом полезного действия благодаря отсутствию промежуточного энергетического звена — передачи. Однако это его положительное свойство реализуется только в зоне средних и высоких скоростей. Трогание, разгон, движение поездов по руководящему уклону, в общем, работа в зоне низких скоростей требуют наличия дополнительных устройств, не только усложняющих конструкцию тепловоза, но и заметно снижающих его коэффициент полезного действия. В силу этого эксплуатационный к. п. д. тепловоза с непосредственным приводом, как правило, оказывается ниже, чем к. п. д. тепловоза с электрической передачей, который сравнительно мало меняется с изменением скорости. Особенно заметна разница между теоретически возможным и реализуемым на практике коэффициентом полезного действия тепловоза с непосредственным приводом в условиях грузового движения на однопутных железных дорогах с относительно высоким грузопотоком, пригородного движения, при маневровой работе, т. е. в тех случаях, когда неизбежны частые остановки.

При наличии вспомогательной силовой установки тепловозы с непосредственным приводом в отношении стоимости и веса также уступают тепловозам с различными видами передач.

Есть ещё одна особенность двигателя Дизеля, затрудняющая его работу прямо на ведущую ось, как паровой машины паровоза, это — чрезмерные усилия на кривошипный механизм. При одинаковой индикаторной силе тяги усилия на шатун двухтактного двигателя двойного действия в 3,2 раза, а давление на напра­вляющую в три раза больше, чем у паровоза. Установка такой движущей машины прямо на ведущие колёса локомотива представляет известные затруднения.

Ввиду множества недостатков тепловозы с непосредственным приводом до сих пор не нашли практического применения, а те, что были построены, имеют только исторический интерес.

Путём целесообразного размещения на тепловозе цилиндров двигателя непосредствен­ного действия можно добиться допустимых величин реакции колеса под действием двигателя. Динамическое воздействие двигателя внутреннего сгорания на колесо соответствующим расположением его цилиндров может быть доведено до пределов, допускаемых на паровозе и даже много меньших. При восьмицилиндровой машине, расположенной по четыре цилиндра с каждого конца локомотива, внутренние цилиндры которой работают на крайние оси, а наружные — на средние, вертикальная реакция колёс будет уже совсем мала, не выше 2000 кгс.

Создать тепловоз, имеющий прямую связь дизеля с колёсами — задача чрезвычайно трудная. Для её решения, по-видимому, требуется создание специального двигателя внутреннего сгорания, который развивал бы необходимый вращающий момент при трогании тепловоза с места, без всяких затруднений, с достаточным для разгона ускорением, и рабочий процесс которого допускал бы регулирование крутящего момента в широком диапазоне скоростей.

2.2. Тепловоз «Termo» Общества Diesel-Klose-Sulzer GmbH

Первый экспериментальный тепловоз «Termo» для работы на магистральных линиях был разработан Адольфом Клозе под руководством Рудольфа Дизеля. В 1906 г. Р. Дизель, стремясь к внедрению своего мотора на железных дорогах, являющихся новой областью его применения, совместно с инженером путей сообщения A. Клозе из берлинского района Халензее и фирмой «Братья Зульцер» в Винтертуре (Швейцария) основал Общество термолокомотивов Diesel-Klose-Sulzer GmbH.

Это общество ставило себе задачей разрабатывать проекты и предложения по тепловозам и представлять их железнодорожным управлениям, чтобы получить возможность скорейшего осуществления надёжного в эксплуатации тепловоза посредством конкретного заказа. Королевскому Прусскому железнодорожному управлению был предложен проект тепловоза типа 2—2—2 с непосредственным приводом. Локомотив должен был везти главной машиной на площадке скорый поезд массой 200 т со скоростью 90 км/ч, а при дополнительном питании сжатым воздухом от компрессора, приводимого вспомогательным дизелем, — поезд той же самой массы на подъёме 10 ‰ со скоростью не менее 50 км/ч.

После тщательной проверки проекта KPEV выдало 16 апреля 1909 г. исторический заказ на строительство первого в мире тепловоза большой мощности для прусских казённых железных дорог. По предложению Р. Дизеля совместную постройку опытного образца локомотива взяли на себя компании Sulzer и Borsig. Фирма Sulzer делала уже несколько лет реверсивные судовые дизельные двигатели и поставляла оборудование. Заводом Borsig (Берлин-Тегель), являющимся дочерним предприятием фирмы Sulzer, была выполнена механическая часть локомотива по проекту А. Клозе.

Для того чтобы вытеснить с рельсов паровоз, заменить дизель-мотором старую, испытанную паровую машину, дизель-мотор должен был обладать множеством новых качеств, необязательных для ста­ционарных установок, но совершенно необходимых всякой транспортной машине. И вот над решением этой трудной задачи стал работать сам изобретатель двигателя. Владелец завода «Братья Зульцер» с участием Р. Дизеля и инженера А. Клозе посредством организованного ими Общества термолокомотивов занимались осуществлением проекта с 1906 по 1912 г. Столь длительный срок разработки был вызван тем, что авторы проекта попытались создать локомотив непосредственного действия, а это требовало создания нового, нестандартного двигателя.

Пассажирский тепловоз типа 2—2—2 был построен к сентябрю 1912 г. Рама выполнена в виде ящика из металлических листов толщиной 22,5 мм, стальной литой корпус дизельного двигателя крепился посередине, обеспечивая поперечную жёсткость рамы. Ещё рама стягивалась поперечными балками, выполненными из металлических листов и профилей, в которых имелись отверстия для шкворней тележки и отверстия для привинчивания буферных тяг.

Поперёк рамы тепловоза был установлен главный двигатель ― четырёхцилиндровый V-образный реверсивный двухтакт­ный дизель фирмы Sulzer простого действия с клапанно-щелевой продувкой, производимой с помощью продувочных насосов. При его создании учитывался опыт постройки реверсивных двухтактных судовых дизельных двигателей одностороннего действия, показавших положительные результаты в эксплуатации. Несомненная простота конструкции двухтактного двигателя послужила причиной постановки такого дизеля на этот первый мощный тепловоз. Развал цилиндров составлял 90°. Поршни посредством шатунов приводили во вращение двукратно согнутый коленчатый вал дизеля, который одновременно являлся отбойным валом тепловоза, связанным посредством дышловой передачи с двумя движущими спаренными осями колёсных пар. Два внутренних кривошипа вала были расположены под углом 180°. Два пальца наружных кривошипов, размещённые по концам отбойного вала, соединялись спарниками с кривошипами движущих осей, имеющих колёса диаметром 1750 мм. Каждая пара цилиндров действовала на одно колено отбойного вала. Диаметр цилиндров 380 мм, ход поршня 550 мм. Поршни цилиндров охлаждались маслом при помощи установленных масляных насосов, которых, ввиду значительной ответственности их работы на тепловозе, имелось два комплекта.

Особенностью рабочего процесса этого двигателя являлось применение в нём высоких давлений распыли­вающего воздуха, благодаря чему было возможно сжигать топливо при меньших, чем у обычных двигателей, коэффициентах избытка воздуха. Вместе с тем это повышенное давление распыливания повышало и весовой заряд распыливающего воздуха. При этих условиях повышалось и количество сжигаемого в цилиндре топлива, и среднее индикаторное давление, доходившее в опытах с этим локомотивом до 12 ат.

Действие пусковых, всасывающих, продувочных, а также топливных клапанов осуществлялось при помощи привода от находившегося на коленчатом валу и вращавшегося эксцентрика. В данном случае так же, как и у паровоза, изменение наполнения и смена направления движения достигались при помощи эксцентрика, перестановка которого производилась при помощи тяг с постов управления тепловозом.

Для подачи зарядного и продувочного воздуха между цилиндрами двигателя были установлены два поршневых насоса двойного действия. Для распыливания же топлива рядом с ними находился трёхступенчатый компрессор. Привод всех этих агрегатов осуществлялся при помощи рычажной передачи от шатунов двух передних цилиндров. Вполне понятно, что все эти воздушные насосы могли работать только на ходу тепловоза.

Кузов тепловоза сделан из профилей и листовой стали без перегородок, внутри него между торцевыми кабинами машиниста (шириной примерно 1300 мм) помещено машинное отделение. В машинном отделении кроме главного дизельного двигателя для непосредственного привода движущих осей размещены вспомогательный дизельный двигатель с воздушным компрессором, баллонами пускового сжатого воздуха и другие вспомогательные устройства, такие как насосы и т. д.

Топливный бак и три бака с охлаждающей водой расположены по углам в нижней части тепловоза рядом с кабинами машиниста. Двери торцевых стенок предназначены для перехода в состав пассажирского поезда. Две спаренные колёсные пары снабжены противовесами для уравновешивания возвратно-поступательных масс привода. Под колёсными парами размещены листовые рессоры с дополнительной подвеской на двойных спиральных пружинах. Двухосные тележки — поворотные, с диаметром колёс поддерживающих осей 1000 мм. Кузов и рама поддерживались скользящими пластинами на низколежащих, подобно люлькам, листовых рессорах в поворотной тележке, препятствующих боковому смещению.

Тепловоз оборудован пневматической песочницей и пневматическим тормозом Вестингауза одностороннего действия на все спаренные и бегунковые колёса. Также имелся ручной тормоз, используемый как стояночный, который приводился в действие на обе спаренные колёсные пары коленчатым рычагом. Котёл отопления вагонов пассажирского поезда, работающий на нефти, размещён в машинном отделении.

Масса локомотива составляла 95 т, из которых на сцепные оси приходилось 35 т. Оригинальным в конструкции тепловоза являлось то, что на больших скоростях движения вспомогательный дизель обеспечивал наддув главного.

Трогание с места и разгон тепловоза осуществлялись за счёт энергии сжатого воздуха из пусковых воздушных резервуаров и двухцилиндрового трёхступенчатого поршневого компрессора, впускаемого рычагами и клапанами управления в цилиндры главного двигателя до тех пор, пока тот не приобретёт достаточную частоту вращения, чтобы работать как дизель.

Поршни компрессора соединялись при помощи шатунов с коленчатым валом, являющимся общим также и для вспомогательного двухтактного двухцилиндрового дизеля простого действия мощностью 250 л.с., который работал автономно и вращал компрессор. Дизель и компрессор размещены в одном корпусе. Цилиндры дизеля расположены вертикально. Диаметр цилиндров составляет 305 мм, ход поршня 380 мм. Цилиндры компрессора расположены горизонтально. Диапазон изменения частоты вращения двигателя составлял 200 ÷ 350 об/мин. Компрессор подавал в запасные баллоны воздух для приведения в движение главного двигателя, а вместе с ним и тепловоза. Таким образом, для разгона локомотива и начала работы дизелей нужно иметь вспомогательную группу достаточной производи­тельности.

Процесс пуска главного дизельного двигателя под нагрузкой до скорости 8 — 10 км/ч производился только на сжатом воздухе, который распределялся по отдельным цилиндрам специальным переключателем. По достижении этой скорости движения в цилиндры впрыскивалось топливо и происходило его самовоспламенение. Таким образом, зона работы дизельного двигателя с процессом горения находилась примерно в диапазоне от 30 об/мин, что соответствовало скорости 10 км/ч, до 304 об/мин при скорости 100 км/ч. В этой области двигатель работал с незначительным наддувом при давлении 1,4 ат.

Кроме разгона тепловоза, дизель-компрессор предназначался также и для некоторого увеличения мощности главного дизеля на наиболее трудных участках пути. С помощью особого устройства в цилиндры главного дизеля во время расширения вводилось ещё некоторое количество воздуха, благодаря чему индикаторные диаграммы получались полнее. Это увеличивало силу тяги тепловоза на крутых подъёмах. С учётом добавочного воздуха и некоторой перегрузки, достигаемой повышением среднего эффективного давления, главный двигатель мог развивать мощность до 1200 л.c. Продувочный воздух нагнетался двумя поршневыми насосами двойного действия, расположенными между дизельными цилиндрами, или подавался из баллонов сжатого воздуха. Воздух для распыливания топлива, подводимый к форсунке под давлением от 50 до 70 ати, нагнетался трёхступенчатым воздушным насосом, приводимым в действие толкателями, установленными на обоих передних рабочих цилиндрах дизельного двигателя, с помощью коромысел и тяг.

Ещё вспомогательным дизелем осуществлялись маневровые передвижения тепловоза, а также приводились в действие насосы охлаждающей воды, смазочного масла и подачи топлива. Предварительная смазка подшипников главной машины перед троганием с места осуществлялась посредством ручного насоса из кабины машиниста.

Управление локомотивом могло осуществляться из обеих кабин машиниста. При трогании с места и разгона до скорости 10 км/ч применялся пусковой дроссель, регулирующий давление сжатого воздуха, поступающего в цилиндры дизельного двигателя. При достижении скорости 10 км/ч обеспечивалась устойчивая вспышка топлива в цилиндрах, и дизель переводился на работу с топливом.

При езде со скоростью от 10 до 100 км/ч подача топлива и сжатого воздуха осуществлялась в зависимости от необходимой мощности и скорости. Скорость регулировалась увеличением или уменьшением подачи нефти. Изменение направления движения выполнялось переменой направления вращения дизеля путём применения механизма для реверса, обычного для реверсивного двигателя.

Наблюдение за режимом в пути следования осуществлялось по приборам, показывающим температуру дизеля, давление сжатого воздуха в баллонах, давление сжатого воздуха в тормозной системе, давление смазочного масла, частоту вращения дизеля и другие параметры. Скорость движения поезда регистрировалась скоростемером.

После окончания постройки в сентябре 1912 г. тепловоз «Termo» подвергли первым испытаниям в Стреккене — ближайшей окрестности Винтертура. При этом кроме некоторых других недостатков выявилось, что охлаждающее устройство спроектировано неправильно. Во время ведения скорого поезда цилиндры мотора настолько нагревались, что локомотив останавливался на подъёмах. Запас воды должен был пополняться при выбранной конструкции холодильника уже после 70 км пути следования. Охлаждение дизеля до модернизации состояло из трёх контейнеров с охлаждающей водой, которая во время движения после нагревания в камерах и каналах охлаждения дизельного двигателя сливалась прямо на путь. Затем фирма Sulzer установила дополнительный холодильник. После модернизации охлаждающее устройство тепловоза для охлаждения цилиндров как главного, так и вспомогательного двигателя состояло из трубчатого холодильника и испарительного холодильника с переменным орошением, расположенным над кабиной машиниста. Из водяных баков, расположенных по концам тепловоза, вода при помощи насосов прогонялась через рубашки цилиндров и шла сначала в сотовые холодильники, находившиеся у постов машиниста, а затем через выключаемые испарительные холодильники попадала обратно в водяные баки.

После этой модернизации в марте 1913 г. были возобновлены эксперименты на участке Винтертур — Романсхорн длиной 35 км, которые дали как будто даже хорошие результаты. После подтверждения достаточной надёжности работы Дирекция прусских железных дорог взяла тепловоз для опытной эксплуатации на линии Берлин — Мансфельд. В период с 31 марта по 4 апреля 1913 г. локомотив был передан из Винтертура через Базель, Страсбург, Людвигсхафен, Вормс, Ханау и Нордхаузен в Берлин-Грюнвальд. На участках Базель — Страсбург и Людвигсхафен — Вормс тепловоз прицепляли к полносоставному поезду. Время от времени он тянул весь поезд, включая паровоз, и достигал при этом скорости не менее 70 км/ч. Во время этой передаточной поездки скорость движения в соответствии с установленным расписанием находилась в пределах между 20 и 100 км/ч.

Люди, озадаченные внешним видом локомотива, главным образом отсутствием у него котла и трубы, считали поездку небезопасной. Конечно, не было ни флагов, ни оркестров, и на пути вдоль линии попадались только путевые сторожа, с недоумением встречавшие и провожавшие странный локомотив.

Первоначально KPEV имело к тепловозу очень большой интерес, так как представлялось заманчивым заменить при случае паровозы на Берлинской окружной железной дороге и пригородной железной дороге на тепловозы. От этих планов отказались, когда была предусмотрена электрификация городской железной дороги Берлина.

Настоящие опытные поездки с использованием измерительного оборудования начались летом 1913 г. в берлинском Грюнвальде. Однако прямо к началу испытаний сломалась полуось, и опыты пришлось прервать по этой причине на шесть месяцев.

Эксплуатационные испытания выявили ряд существенных недостатков, которые являлись следствием свойств дизельного двигателя: мощность дизеля при неизменной подаче топлива почти прямо пропорциональна частоте вращения его вала. В отличие от паровой машины, дизель не способен работать при малых частотах вращения вала, когда при медленном осуществлении процесса сжатия воздуха в цилиндре не может быть достигнута температура, необходимая для самовоспламенения топлива.

По этой причине непосредственная механическая связь двигателя с движущими осями делала этот тепловоз совершенно непригодным к эксплуатации. При использовании с пассажирскими поездами пускового воздуха, вырабатываемого вспомога­тельной дизель-компрессорной установкой, не хватало для частого трогания с места, так что локомотив часто останавливался, до тех пор, пока вспомогательный дизель-компрессор снова не наполнял баллоны сжатого воздуха. Не хватало воздуха также для разгона на подъёмах. Из-за этого разгон поезда происходил очень медленно. Кроме того, сжатый воздух при своём расширении в цилиндрах двигателя охлаждал их. Выхлопные газы как главного, так и вспомогательного двигателя, направлялись в расположенный на крыше тепловоза глушитель, снабжённый для поглощения ударов сетками. Таким образом, тепло продуктов сгорания на тепловозе не использовалось, хотя оно могло быть применено для подогрева воздуха, шедшего от компрессора к главному двигателю, с целью повышения эффективности работы тепловоза. Это упущение было одной из главных причин слабой работоспособности тепловоза. Переохлаждение цилиндров главного дизеля неблагоприятно влияло на процесс трогания с места и затрудняло последующее воспламенение жидкого топлива, замедляя перевод двигателя на цикл Дизеля. Переход от пускового на нормальный режим работы двигателя приводил к резким температурным напряжениям в металле. Последующие затем вспышки и нагрев цилиндров вызывали, вследствие быстрого изменения температур цилиндров, большие местные напряжения, выход из строя деталей цилиндров и аварии последних.

Из-за упомянутых выше температурных напряжений, которые оказались, в конце концов, гибельными для двигателя, в одном из цилиндров образовалась трещина. Это случилось во время опытной поездки, проходившей со станции Берлин-Грюнвальд.

Вследствие введения в цилиндры двигателя холодного пускового воздуха вспышки топлива слишком запаздывали, и тепловоз должен был работать на чистом воздухе дольше, чем предполагалось по расчёту. Это обстоятельство вызывало увеличенный расход воздуха, а следовательно, и топлива. Из-за большого расхода воздуха при разгоне локомотива его максимальный коэффициент полезного действия был очень малым для тепловозов и в среднем составлял 13,5%.

Манёвры, даже при поездной службе, тепловоз выполнял с трудом; кроме замедленного разгона, получались задержки и при реверсировании двигателя.

Двигатель оказался недостаточно уравновешенным, и это при движении тепловоза не только неприятно отражалось на тепловозной бригаде, но и повлекло за собой излом отбойного вала. По условиям габарита двигатель тепловоза был построен с наибольшими допускаемыми напряжениями, что тоже было причиной поломки вала. Нельзя одобрить и принятого неэластичного соединения вала двигателя с подвешенными на рессорах движущими осями.

Тяговая характеристика, основанная на опытных данных, в источниках не приводится, а расчётные значения, полученные разными авторами, в значительной степени отличаются друг от друга, поэтому достоверно судить о реализуемой в процессе испытаний силе тяги при тех или иных режимах работы тепловоза затруднительно.

Соотношение между полным и сцепным весом, равное больше 2,7, указывает на значительный вес двигателя, потребовавший распределения его на большое количество осей. Надо при этом добавить, что тепловоз вышел с превышением веса против задания. В то время как были заданы нагрузки 15 тс на сцеп­ную и 13 тс на поддерживающую оси, в действительности оказалось, что на сцепные оси пришлось по 17,5 тс, а на поддерживающие больше 15 тс.

Недостатки были принципиальными и неустранимыми. В практической работе, на которую тепловоз был поставлен в Берлине, он не отвечал всем предъявленным к нему требованиям. Его мощность была пропорциональна скорости движения и, когда снижалась скорость (например, на крутых подъёмах), падала и мощность локомотива, в результате чего поезд мог остановиться. Это обусловлено тем, что у двигателей Дизеля мощность определяется количеством горючего и воздуха, нужного для горения, поэтому работа за один оборот зависит от размеров цилиндра, а мощность машины прямо пропорциональна частоте вращения. Так как тепловоз развивал мощность пропорцио­нально скорости движения, он, естественно, не мог отвечать самому основному требованию, предъявляемо­му к тяговой машине, — давать наибольшую силу тяги при наименьшей скорости. Он был излишне мощен при больших скоростях и недопустимо слаб при малых, то есть именно тогда, когда локомотиву нужна наибольшая сила тяги, — при трогании с места и на подъёмах. Поэтому работа тепловоза в пути носила неустойчивый характер, кроме того тепловоз был непригоден для частых остановок поезда в пути и ведению поезда по тяжёлому профилю из-за нехватки сжатого воздуха, употреблявшегося для трогания с места и разгона. По этой причине тепловоз оказался непригодным как к обычной пассажирской работе, так и к курьерской службе. После нескольких опытных поездок в 1914 г., когда у двигателя тепловоза лопнул один из цилиндров, было решено опыты с тепловозом прекратить в виду выяснившейся непригодности самой конструкции тепловоза.

Железные дороги были последней областью, где дизель-мотор вступал в борьбу с паровой машиной. И мало кто сомневался в успехе тепловоза, преимуще­ства которого заключались в его экономичности, малом расходе воды, сокращении пунктов водоснабже­ния, экономии времени на набор топлива, быстроте пуска в ход, отсутствии дыма. В местностях безвод­ных или с плохой водой тепловозы могли иметь исклю­чительное распространение. В воде тепловоз нуждался только для охлаждения цилиндров, причём её можно ведь охлаждать и затем вновь пускать в работу. Но именно здесь, в области, которая более всего нуждалась в замене паровой машины и которая породила самую идею дизель-мотора, Рудольф Дизель и потерпел решительное поражение.

Владельцы предприятий, строивших паровые двигатели, уже давно всячески преследовали изобретателя. Они развили бешеную кампанию против Рудольфа Дизеля и его моторов. В Германии, обладавшей огромными запасами угля и не имевшей в своём распоряжении нефтяных источников, эта кампания находила всемерную поддержку. При таком положении дела общественное мнение никак не реагировало на появление в Швей­царии первого тепловоза.

Рудольф Дизель, конечно, знал, что «там, где опыт кончается неудачей, часто начинается открытие». Но в это время изобретателю уже шёл пятьдесят шестой год, его преследовали головные боли, сердце слабело, а вокруг него царила невыносимая атмосфера злобы, насмешек и клеветы. В ночь с 29 на 30 сентября 1913 г. Р. Дизель бесследно исчез с парохода на пути из Бельгии в Англию.

Возникшие при испытаниях проблемы положили конец всем последующим опытам с тепловозом Рудольфа Дизеля, доработка тепловоза не была закончена. Из-за начавшейся в 1914 г. первой мировой войны тепловозостроение заглохло на несколько лет. А тепловоз «Termo», предоставленный самому себе, оказавшийся непригодным для поездной службы, к величайшему торжеству всех защитников паровых машин, позже был разделан в лом, так и не найдя применения в транспортной службе.

2.3. Тепловоз завода Ansaldo

Предубеждение против тепловозов с непосредственным приводом укрепилось после неудачной попытки создания тепловоза «Termo» в 1912 г. фирмами Sulzer и Borsig — двумя фирмами, представляющими большую известность, одна в области двигателей, другая в области локомотивов, — даже несмотря на то, что причины неудачи были известны.

После этого выбор системы привода был предметом долгих исследований и целой серии испытаний, выполненных со специальным типом экспериментального двигателя, которые показали очевидность того, что, предубеждения против непосредственного привода были оправданны при стандартных типах двигателей внутреннего сгорания. Однако при определённых доработках и создании специальных устройств, с явно приспособленным типом двигателя в целом, все трудности могли быть преодолены, что давало обоснованную надежду получить хорошие результаты.

При новых попытках создания тепловоза с непосредственным приводом нужно было искать пути по устройству такой вспомогательной установки к обычному двигателю, которая могла бы работать независимо от главного двигателя и не нарушать тем самым правильности работы последнего.

Фирма Ansaldo с 1919 г. широко рассматривала с различных точек зрения проблему создания тепловоза и проводила долгие и трудоёмкие изыскания с многочисленными экспериментами. В должной мере учитывались попытки, сделанные другими, с целью достижения лучшего результата. В результате многочисленных поисков удалось создать оригинальный тепловоз, который, с большой вероятностью, мог представить законченное решение.

Было решено строить опытный тепловоз с двухтактным дизельным двигателем, как у тепловоза фирмы братьев Зульцер, но с приведением его в движение сжатым воздухом, заставляя работать в режиме двигателя вспомогательный насос, снабжающий дизель продувочным воздухом.

Предпочтение было отдано локомотиву, подходящему для смешанного товарно-пассажирского движения, чтобы затем принять его в качестве прототипа для будущих локомотивов, как товарных, так и пассажирских.

В 1926 г. завод Ansaldo в Генуе (Италия) построил тепловоз с непосредственным приводом типа 2―3―1 с двигателем Юнкерса с разбегающимися поршнями, расположенным на раме, которая опиралась на три сцепные и три поддерживающие оси. Трогание и первоначальный разгон тепловоза осуществлялись сжатым воздухом из баллонов, для чего устанавливались машины, подобные паровозным.

Из опытных локомотивов с непосредственным приводом тепловоз завода Ansaldo являлся первым удачным. Впервые сведения об этом тепловозе опубликованы в итальянском журнале «L’Industria», Milano от 15 октября 1928 г.

После неудачного опыта постройки тепловоза братьев Зульцер тепловоз Ансальдо являлся второй попыткой осуществить непосредственную передачу вращающего момента двигателя внутреннего сгорания на ось тепловоза. Поскольку такой опыт даёт возможность найти простейшее решение тепловозной конструкции, тепловоз Ансальдо заслуживает безусловного внимания.

Основным его двигателем являлся шестицилиндровый двухтактный дизель Юнкерса с расходящимися поршнями, работающий прямо на отбойный вал. Особенно интересен кривошипный механизм этого двигателя с качающимися балансирами, связанными короткими шатунами с поршнями и длинным — с коленами отбойного вала. Двигатель состоял из трёх размещённых друг против друга пар горизонтальных цилиндров. При этом каждая пара из верхнего и нижнего цилиндра представляла единый блок. Цилиндры расположены один над другим, с собственной осью, параллельной продольной оси локомотива. В каждом цилиндре укреплены два двигающихся навстречу друг другу поршня с общей межпоршневой камерой сгорания. Движения верхнего и нижнего поршней каждого блока цилиндров противоположны, так как штоки поршней с одной стороны каждой пары цилиндров сцеплены с верхними и нижними концами (плечами) трёхплечего балансира, качающегося около своей оси, расположенной в центре балансира. Каждый балансир третьим плечом с помощью промежуточного наклонного шатуна связан с отбойным трёхколенчатым валом, размещённым поперечно на раме локомотива под блоками цилиндров. Таких шатунов шесть — по три с каждой стороны двигателя. Качание балансира заставляло вращаться отбойный вал, соединённый спарниками с движущими колёсами.

В силу такого расположения достигнута максимальная простота в передаче движения колёсам. При этом благодаря принятию специального типа двигателя сильно упрощалась его конструкция и, соответственно, сборка с точки зрения возможности полностью отказаться от крышек цилиндров, а также впускных и выпускных клапанов. Их функции, в данном случае, выполняли сами поршни. Зарядка воздухом и выхлоп газов происходили обычным путём через окна, перекрываемые поршнями. Оба поршня к концу своего хода к наружной мёртвой точке и в начале их хода в обратном направлении своевременно открывали и закрывали окна: один поршень, соответственно, выпускное, служащее для удаления выхлопных газов, другой — для впуска продувочного воздуха и воздуха для горения. Окна устроены так, чтобы дать единое направление потоку газов, обеспечивая прямоточную двухпоршневую продувку. Качественная продувка цилиндров обеспечивалась благодаря прямотоку воздушного потока.

Поэтому кинематику двигателя тепловоза Ансальдо следует признать весьма целесообразной. Сама конструкция двигателя весьма проста, на цилиндрах имелись лишь нефтяные форсунки. Цилиндры своей формой напоминали просто пушку, и благодаря их простой и симметричной форме не приходилось опасаться появления опасных местных напряжений. Они допускали охлаждение водой сравнительно высокой температуры.

Одной из наиболее ценных особенностей этого двигателя являлось постоянство его коэффициента полезного действия при работе в пределах от 10 до 250 об/мин. Уменьшение веса двигателя до требуемой величины не пред­ставляло особых затруднений, так как фундаментной плиты у него нет, а блоки цилиндров непосредственно установлены на раме локомотива. Опора основания дизеля крепилась прямо к боковым стенкам кузова.

Наконец, значительно уменьшалась вероятность отказов и отпадала необходимость ремонта всех сложных и тонких органов клапанного газораспределения. Действуя соответствующим образом на специальные распылители топлива, регулировали режим горения в зависимости от нагрузки, изменяющейся в процессе движения.

Ранее делались попытки спроектировать локомотив с непосредственным приводом, работающий на тяжёлом топливе. При этом достигнуть величины вращающего момента, необходимой для трогания поезда с места, пытались путём введения сжатого воздуха в цилиндры главного двигателя. Против подобной конструкции можно сделать много возражений, но одним из наиболее существенных её недостатков является то, что при таком трогании локомотива с места сжатый воздух, сильно охлаждая стенки цилиндров, затрудняет вспышку введённого в двигатель топлива, что и имело место на тепловозе фирмы братьев Зульцер. У этого тепловоза для трогания поезда с места сжатый воздух вводился непосредственно в цилиндры главного дизеля, что вызывало сильное охлаждение стенок и последующую трудность осуществления первых вспышек, следствием которой являлся очень большой расход сжатого воздуха. Для его восполнения в период разгона требовалась установка на локомотив громоздкого и тяжёлого компрессора.