Мы давно привыкли к тому, что понятия «автомобиль» и «двигатель внутреннего сгорания» связаны неразрывно. Но так было не всегда. Более века назад, на заре автомобилизма, у ДВС был очень серьезный конкурент — двигатель с внешним сгоранием. Или, попросту, паровая машина.
Более того, эпоха тотальной мобильности в истории человечества началась вовсе не с паровозов или пароходов, а именно с паромобилей!
Паровая машина — первый механический тепловой двигатель, который был освоен человечеством. Принцип работы прост — топливо сгорает не в рабочем теле (например, в составе топливовоздушной смеси, как в ДВС), а вне его. В паровой машине рабочим телом служит вода, которая нагревается подводом теплоты извне.
Первый тепловой двигатель был создан еще в Древней Греции Героном Александрийским — то был насос для перекачивания воды, а источником тепла служило солнце. Но поскольку рабский труд тогда еще никто не отменял, паровая машина оказалась попросту ненужной. И о ней забыли — на полторы тысячи лет!
Точно сказать, кто и когда впервые применил энергию пара для передвижения, невозможно. Например, в исторических хрониках Средневековья упоминается некий испанский морской офицер, который в 1543 году якобы построил большое судно с медным котлом и двумя боковыми колесами, которое плавало на рейде Барселоны без использования силы ветра. В 1601 году итальянец делла Порта создал паровую машину, в которой пар вытеснял воду из бака, 14 лет спустя французский инженер Соломон де Ко соорудил сосуд, который при нагревании выбрасывал водяную струю, чем и веселил придворных короля Людовика XIII…
Джеймс Уатт
Но лишь в 1698 году англичанин Томас Севери получил патент на первую в мире промышленную паровую машину — которая, в частности, применялась для подъема воды. А самый большой вклад в паровую энергетику внес британский инженер Джеймс Уатт. Тот самый Уатт, что принял лошадиную силу за единицу мощности паровых машин. Их в то время уже использовали для самых разных работ — например, для осушения шахт и для привода различного оборудования. И Уатт после многочисленных опытов с конным приводом первым ввел универсальную единицу мощности двигателей — производительность в 33000 фунто-футов в минуту или 76 кгм/с (с введением метрической системы — 75 кгм/с). Правда, такую мощность развивали только самые сильные лошади и совсем недолго, а «среднестатистические» лошадки были вдвое слабее.
Эскиз паровой повозки Джеймса Уатта к патенту 1784 года. Рабочий цилиндр паровой машины располагался над котлом. Усилие от штока поршня передавалось на полубалансир, который посредством кривошипно-шатунного механизма вращал колеса
Именно Джеймс Уатт первым сумел организовать рабочий процесс так, чтобы пар не охлаждался внутри цилиндра — иначе тот конденсировался, и эффективность падала. В машине Уатта использовалось избыточное давление пара, которое позволяло улучшить экономичность и снизить габариты установки (эта особенность была запатентована в 1768 году). И благодаря патентной защите фирма Boulton&Watt стала абсолютным монополистом в Англии на добрую четверть века — вплоть до 1800 года.
Все это время Уатт продолжал совершенствовать паровые двигатели. Задумывался он и о паромобилях. Но Уатт рассчитал, что сделать компактный, пригодный для самоходного экипажа паровой двигатель можно только при высоком давлении в котле — до 8,3 атм при толщине медных стенок в 6,35 мм. И, решив, что это крайне небезопасно (котел может попросту взорваться!), Уатт, по сути, остановил развитие паромобилей в Великобритании на целых 32 года — на срок действия своего патента!
Именно поэтому пальма первенства принадлежит не Англии, а Франции — первый полноразмерный паровой автомобиль был сделан в 1769 году артиллерийским офицером Николя Жозефом Кюньо. Паромобиль Кюньо был гигантской трехколесной телегой, причем переднеприводной — тяжелый котел вместе с двухцилиндровой паровой машиной располагался перед передним ведущим колесом и поворачивался вместе с ним. Представляете, какова была управляемость? Немудрено, что один из первых выездов трицикла закончился тараном кирпичной стены… К тому же производительность огромного парового котла была ничтожной — при максимальной скорости в 3,65 км/ч каждые 15 минут приходилось останавливаться и снова разводить пары.
Первый паромобиль Николя Жозефа Кюньо, 1769 год. На разрезе показано устройство двухцилиндровой паровой машины, которая располагалась за гигантским котлом. Связь поршней с колесами обеспечивал рычажно-храповый механизм
В Великобритании тем временем некоторые ученики Уатта, несмотря на его строгий запрет, тайно работали над паровиками. Так, например, Уильям Мердок испытывал свою модель по ночам… В 1800 году «срок годности» патентов Уатта истек, и ученики вышли из «подполья». Год спустя Ричард Тревитик построил первый в Англии паромобиль, а в 1803 году — еще один (его копия — на заглавном снимке). Экипаж Тревитика был заднеприводным и с восемью пассажирами разгонялся до 13 км/ч! А в 1829 году паровики стали самым быстрым транспортом для пассажиров — скорость вместительных омнибусов (от латинского «повозка для всех») достигала 24 км/ч. И никаких перекладных!
Британское паромобилестроение было на подъеме. В 1834 году паровой омнибус Мачерони и Сквайра показал рекордную для тех лет надежность — 2740 километров без какого-либо ремонта. А давление в паровом котле достигало уже 10,3 атмосфер! Но серьезной преградой развитию паромобилей стали лошади — при виде грохочущего и извергающего пары экипажа они пугались и становились неуправляемыми. На паровики ополчились и процветавшие до сей поры конные компании, и владельцы дорог (не каждая мостовая выдерживала паровой экипаж с тяжелым котлом), в прессе муссировались уаттовские страхи по поводу возможных взрывов котлов — иногда, впрочем, небеспочвенные. В итоге в 1865 году был принят так называемый Закон о красном флаге, по которому перед каждым самоходным экипажем не ближе 55 метров должен был идти человек, предупреждавший о возможной опасности. Скорости паровиков, естественно, упали — в городе нельзя было двигаться быстрее 3,2 км/ч, за городом — 6,45 км/ч. Главные преимущества паромобилей были практически уничтожены.
Но прогресс было уже не остановить. Загнав паровые автомобили в строгие рамки, противники «упустили» появление железной дороги. Первый паровоз, кстати, создал тот же Тревитик в 1804 году — он перевозил до 17,3 тонн груза со скоростью до 25,7 км/ч! И паровые двигатели стали совершенствоваться на железной дороге — чтобы затем вновь вернуться на автомобили.
Во второй половине XIX века появились первые паровые тягачи и тракторы, построенные по «новым технологиям». Например, паромобиль Перкинса отличался сверхвысоким давлением пара (31,5 кг/см2), частотой вращения коленчатого вала в 1000 об/мин и конденсатором (он охлаждал отработанный пар перед возвратом в водяной бак), который улучшал экономичность. А в Америке стали строить паровые «пожарки». Чтобы оперативно реагировать на возгорания, дежурный по гаражу постоянно поддерживал пары в котле. Зато при тушении огня самый мощный паровик того времени (он принадлежал городу Бостону) мог подавать через складную 15-метровую трубу до 5150 литров воды в минуту с дальнобойностью более ста метров!
Все паромобили того времени питались углем или даже дровами, и поэтому кроме водителя в паровом экипаже обязательно был еще и шофер — то есть кочегар (от французского слова schauffeur). Первым, кому в 1868 году удалось использовать в качестве топлива не уголь, а подешевевший керосин, стал Жозеф Равель — отец знаменитого композитора Мориса Равеля. Место угольных колосников в топках котлов заняли керосиновые горелки, рабочий процесс удалось автоматизировать. Вскоре паровой грузовик, работавший на керосине, предложила британская фирма Leyland. Но расход топлива шокирует — 15,5 литров керосина на один-единственный километр!
Автором еще одного важного изобретения стал француз Леон Серполле. Он догадался, что заменой громоздкого котла на змеевик (длинную многократно изогнутую трубку) можно существенно снизить массу паромобиля и время разогрева. Вода в парогенератор (так называлось изобретение) подавалась насосом. Водяной объем котла и масса паровой установки снизились, а рабочее давление возросло до 21 кгс/см2. При этом парогенераторы были гораздо безопаснее — как пишет историк Александр Моравский, во время испытаний они выдерживали до 100 кгс/см2!
Реплика парового автомобиля Stanley 1902 года (на снимке) предлагается сегодня за 55 тысяч фунтов стерлингов…
А вот так устроен «оригинал»: 1 — водяной бак емкостью 77,5 л, 2 — котел, 3 —горелка, 4 — топливный бак, 5 — двухцилиндровая паровая машина. Подачу топлива обеспечивало избыточное давление воздуха, который хранился в специальном баллоне — 6. Управлялся паровик рычагом, связанным с рулевой трапецией
В 1896 году Закон о красном флаге отменили, и паромобиль «вздохнул полной грудью». Уже через год братья Фрилан Оскар и Франсис Эдгар Стэнли организовали в Америке «массовый» выпуск паровиков — за первый год разошлось 200 таких машин! Позже права на производство паромобилей Stanley были куплены многими компаниями, в том числе и московским обществом «Дукс». Первые машины конструкции братьев Стэнли имели немало общего с велосипедами: колеса со спицами, пневматические шины, легкая трубчатая рама. Двигатель выбрасывал отработанный пар в атмосферу — так было проще и дешевле (не было конденсатора), но водяного бака объемом 77,5 литров хватало лишь на 64 километра пути. Рабочее давление в котле было поднято до 12 кг/см2, а сам котел был обернут двумя слоями проволоки и заключен в стальной кожух с теплоизоляцией из асбеста. Паромобиль Stanley развивал мощность в 6,5 л.с., а скорость, которая регулировалась изменением давления пара, достигала 45 км/ч. Керосин уже не лился рекой — на сотню километров требовалось «всего» 28 литров. Интересно, что до автомобилей братья Стэнли профессионально занимались изготовлением скрипок и изобрели оригинальный метод проявки фотографий, который впоследствие был приобретен фирмой Kodak…
Другой известной «паровой» фирмой тех лет была компания De Dion-Bouton, основанная в 1883 году графом Альбертом де Дионом и Жоржем Бутоном — они выпускали, в основном, тяжелые коммерческие паромобили. Именно De Dion-Bouton с самим Бутоном за рулем в июле 1894 года выиграл знаменитый пробег Париж—Руан, со средней скоростью в 17 км/ч опередив и другие паромобили, и электромобили, и автомобили с бензиновыми двигателями. Но судьи сочли паровики ненадежными (из семи стартовавших финишировали три машины) и отдали победу «бензиновым» автомобилям Panhard Levassor и Peugeot с двигателями Daimler, которые добрались до финиша в полном составе. В том же году де Дион начал эксперименты с двигателями внутреннего сгорания…
Но спортивная слава паровиков успехом в пробеге Париж—Руан не ограничилась. Как мы уже рассказывали, первым в истории сухопутных заездов рубеж в 200 км/ч преодолел именно паровой автомобиль (см. АР №4, 2005). Случилось это 26 января 1906 года, когда Фред Мариотт разогнал «Ракету» братьев Стэнли, Stanley-Rocket, до 205,44 км/ч — скорости, в то время недостижимой для обычных бензиновых автомобилей!
Но несмотря на высокую скорость и бесшумность, у паромобилей был как минимум один огромный, неустранимый недостаток — двадцатиминутный разогрев парового котла перед поездкой. Это особенно ярко описывает известный историк Юрий Долматовский. «Запалив пусковую горелку, нужно было отрегулировать подачу горючего и воздуха; прислушиваться, когда появится жужжание — признак испарения горючего, бульканье кипящей воды и свист пара. Потом следовало проверить давление пара при помощи стеклянной трубки, установленной на кронштейнах сбоку автомобиля». А если из-за превышения давления трубка лопалась, то приходилось ждать, пока остановленная машина остынет, менять трубку, доливать воду и вновь греть котел. Кстати, первое зеркало заднего вида появилось на американском паровике фирмы Locomobile, но предназначалось оно для наблюдения не за дорогой, а за трубкой-манометром!
А автомобили тем временем стремительно совершенствовались. В 1912 году с изобретением электрического стартера появляется «самозапускающийся» Cadillac Model 30 Self Starter. Знаменитая «жестянка Лиззи», Ford T, продается вчетверо дешевле паровиков Стэнли! В 1914 году Генри Форд производит в день больше автомобилей, чем братья Стэнли — за год. Не выдержав конкуренции, в 1917 году братья продали бизнес, и спустя семь лет марка Stanley перестала существовать.
В начале XX века автомобили с ДВС почти полностью вытеснили паромобили. Почти, но не совсем! Паровыми двигателями продолжали оснащать грузовики, которым приходилось работать в тяжелых условиях при нехватке жидкого топлива. В России это было особенно актуально. Например, еще в 1874 году специалисты Мальцевского завода «усовершенствовали» колесный тягач английской фирмы Aveling & Porter, приспособив его для топки не углем, а дровами. Паровой тягач развивал тогда целых 10 л.с. и мог тащить за собой десять платформ с 16 тоннами груза! А уже в советские времена в институте НАМИ занимались экспериментальными паромобилями на шасси 7-тонного грузовика ЯАЗ-200, которые работали на дровах, на буром угле или даже на торфе. Например, 100-сильный шеститонный паровой грузовик НАМИ-012 имел расход твердого топлива примерно 400–500 кг/100 км! А паровик НАМИ-018 был полноприводным. Но в начале 50-х все работы по созданию паромобилей в НАМИ были свернуты, и грузовики даже не успели стать музейными экспонатами…
Сейчас о паровом двигателе почти никто не вспоминает. Хотя всплеск интереса в послевоенные годы был — в связи с созданием компактных турбинных двигателей. Например, некий американский бизнесмен Уильям Лир в 1969 году подрядился реализовать экологическую программу штата Калифорния — с помощью паровых турбин, которые должны были приводить в движение автобусы. Идея, опять-таки, не нова — первая действующая модель паровика, которую в 1668 году в Китае построил бельгийский миссионер-иезуит Фердинанд Вербист, была именно паротурбинной. Монах уже тогда предложил направлять пар из сопла, сообщенного с паровым котлом, на лопатки турбины, которая через систему шестерен вращала колеса.
По заказу Лира фирма Barber-Nichols сделала несколько компактных паровых турбин. Но проект провалился, и силовые установки попали сперва в руки энтузиаста Джима Крэнка, который решил побить «паровой» рекорд скорости 1906 года, а потом — к создателю паровых турбин и совладельцу фирмы Barber-Nichols Бобу Барберу. Тот все-таки достроил рекордный паротурбинный автомобиль Крэнка — и в августе 1985 года на бонневильском плато преодолел зачетную милю со скоростью 234,3 км/ч. Но международная автомобильная федерация FIA рекорд так и не признала. Дело в том, что Барбер совершил только один заезд, чего по американским правилам достаточно. А FIA регистрирует рекорды по двум заездам в противоположных направлениях…
Кстати, паровые турбины до сих пор широко используются мировой энергетикой — гигантские роторы с множеством сверхпрочных лопаток трудятся в силовых установках тепловых и атомных электростанций. Но на автомобильном транспорте у паровых двигателей вряд ли есть хоть какое-нибудь будущее. Правда, очередные энтузиасты, которые рассчитывают покорить на паровике 200-мильный рубеж скорости (см. АР №4, 2005), надеются привлечь таким образом внимание к «экологически чистым» паровым установкам — например, для грузовиков. Представляете себе, скажем, Freightliner с паровым двигателем, который управляется компьютером? 
Зависимость крутящего момента от скорости автомобиля для разных типов двигателей. Снижение оборотов паровой машины (например, при подъеме в гору) автоматически вызывает рост крутящего момента — поэтому, в отличие от автомобилей с ДВС, паромобилям не нужна коробка передач
Цикл Стирлинга
Одной из самых известных альтернатив паровой машине можно назвать двигатель Роберта Стирлинга, шотландского священника, а по совместительству ученого и изобретателя. Первый патент Стирлинг получил в 1816 году. Он предложил установить в рабочем цилиндре сразу два поршня — рабочий и вытеснительный. Надпоршневые объемы сообщались через регенератор (в виде плотной проволочной сетки) — он отбирал тепло у отработанного воздуха и передавал его свежему (холодному) заряду. Головка цилиндра обогревалась снаружи («внешнее сгорание»), что вызывало совместное перемещение вытеснителя и поршня — рабочий ход. Но тогда «стирлинги» не нашли развития из-за низкой надежности и относительно невысоких показателей. И о них почти забыли. Но в 1938 году по инициативе известной голландской фирмы Philips работа над «стирлингами» возобновилась. Инженеры компании решили приспособить автономные двигатели для привода генераторов в «неэлектрифицированных» районах — чтобы продавать там свои радиотовары. Расчеты показали, что теоретически КПД двигателя Стирлинга может достигать 70%! В сороковых годах была построена опытная модель с КПД в 39% — больше, чем у тогдашних дизелей (36%) и бензиновых моторов (30%). «Стирлинги» отличались бесшумной работой, экономичностью и всеядностью: головка цилиндров могла обогреваться и дровами, и углем, и даже солнечными лучами. А стационарное «внешнее горение» определяло высокую экологичность.
В 1945 году инженеры фирмы Philips нашли «стирлингу» обратное применение — раскрутив вал двигателя электромотором, они вызвали охлаждение головки цилиндров до минус 190°С! Эта особенность двигателя Стирлинга нашла применение в промышленных холодильных установках. А в 1972 году был построен экспериментальный автомобиль Ford Torino с четырехцилиндровым «стирлингом» Philips мощностью 172 л.с. Но дальше экспериментов дело не пошло — обычные ДВС были уже слишком хорошо освоены. Однако американское аэрокосмическое агентство NASA нашло возможность использовать «стирлинги» в составе электростанций для работы в космосе…
Схема паросиловой установки автомобиля Stanley 735
При пуске следовало поднять давление в водяном и топливном баках с помощью ручных насосов и поджечь горелку. Во время прогрева горелка сжигала бензин, а после переключалась на основное топливо — керосин. Вода поступала в котел с множеством жаровых трубок и закипала, превращаясь в насыщенный пар. Этот пар направлялся в так называемый пароперегреватель, расположенный в топке, и под температурой более 150°С с давлением в 40 атм попадал в двухцилиндровую горизонтальную машину мощностью в 20 л.с., которая приводила задние колеса. Коробки передач не было. Тяга регулировалась подачей пара с помощью дроссельного клапана. Отработанный пар отправлялся в конденсатор, где остывал, и в виде воды возвращался в водяной бак. Расход воды и керосина был примерно одинаков — по 23 л/100 км. Запас хода составлял 250–400 км. Наряду с автоматикой, которая контролировала уровень воды в котле и подачу топлива к горелке, применялись «ручные» органы управления.
Павел КАРИН, «Авторевю», №7 (332)
Источник: //svitoc.ru/index.php?showtopic=890