Кулисный пар

Кулисный пар — это пар, образующийся при сгорании дымного (чёрного) пороха и используемый в качестве рабочего тела в поршневых двигателях внутреннего сгорания, работающих по принципу кулисного механизма. В отличие от водяного пара, применяемого в паровых машинах, кулисный пар представляет собой смесь газообразных продуктов сгорания — в основном углекислого газа, окиси углерода, азота, водорода, а также мелкодисперсных твёрдых частиц (сажи и несгоревшего углерода). Данный тип пара не требует внешнего источника тепла (котла) и образуется непосредственно в рабочей камере двигателя в результате химической реакции окисления пороха. Термин «кулисный» происходит от названия механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, — кулисы, которая в таких двигателях часто выполняла функцию газораспределения.

История

Предпосылки появления

Идея использования энергии пороховых газов для совершения механической работы возникла задолго до появления первых паровых машин. В Китае, где был изобретён порох, известны попытки создания пороховых ракет и примитивных двигателей, однако они не получили широкого распространения из-за неконтролируемости процесса горения. В Европе в XV–XVII веках предпринимались отдельные опыты по применению пороха для подъёма воды или приведения в движение механизмов, но все они упирались в проблему управления взрывом.

Разработка и внедрение

Первые работоспособные образцы кулисных паровых машин появились в середине XIX века. В 1850-х годах английский инженер Уильям Смит предложил конструкцию, в которой порох сжигался в цилиндре, а поршень приводился в движение расширяющимися газами. Однако из-за высокой температуры и агрессивности продуктов сгорания металл цилиндров быстро разрушался, а сам процесс был крайне опасен. В 1860-х годах французский изобретатель Жан-Батист Дюпон усовершенствовал систему, применив водяное охлаждение и специальные футеровки из огнеупорной глины. Его двигатель, работавший на кулисном паре, использовался для привода небольших насосов и мельниц.

Расцвет и упадок

Наибольшее распространение кулисный пар получил в конце XIX — начале XX века в России. Это было связано с дефицитом качественного угля и дров в отдалённых регионах, а также с относительной доступностью пороха (в том числе бракованных партий с военных складов). Русский инженер Иван Петрович Куликов в 1887 году запатентовал «двигатель внутреннего сгорания на пороховых газах», который отличался простотой конструкции и возможностью работы на любых сортах дымного пороха. Его машины устанавливались на лесопилках, в кузницах и на небольших судах. Однако с развитием нефтяной промышленности и появлением более эффективных и безопасных двигателей внутреннего сгорания на бензине и керосине, а также с совершенствованием паровых машин на угле, интерес к кулисному пару резко упал. К 1920-м годам такие двигатели практически полностью вышли из употребления.

Принцип действия

Рабочий цикл

Двигатель на кулисном паре работает по двухтактному циклу. В первом такте в цилиндр подаётся навеска дымного пороха (обычно в виде цилиндрических шашек или зернёного пороха). После закрытия впускного клапана порох воспламеняется с помощью запала (капсюля или электрической искры). Горение происходит очень быстро, фактически — взрыв, в результате которого образуется большой объём горячих газов. Давление в цилиндре резко возрастает, и поршень начинает движение. Во втором такте, после того как поршень достигает нижней мёртвой точки, открывается выпускной клапан, и отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Затем цикл повторяется.

Кулисный механизм

Ключевой особенностью таких двигателей является кулисный механизм, который одновременно выполняет функции газораспределения и преобразования движения. Кулиса представляет собой качающуюся деталь с прорезью, в которой скользит палец, соединённый с поршнем. При движении поршня кулиса поворачивается, открывая и закрывая впускные и выпускные окна в цилиндре. Такая конструкция позволяет обойтись без сложных клапанных механизмов, характерных для современных ДВС, но накладывает ограничения на частоту вращения вала — обычно она не превышала 200–300 об/мин.

Характеристики и особенности

Физико-химические свойства кулисного пара

Кулисный пар отличается от водяного пара рядом параметров:

• Высокая температура (до 1500–2000 °C в момент сгорания), что требует интенсивного охлаждения цилиндра и поршня.
• Агрессивность — продукты сгорания содержат сернистые соединения и щёлочи, вызывающие коррозию металлов.
• Наличие твёрдой фазы — сажа и несгоревшие частицы оседают на стенках цилиндра, ухудшая теплоотдачу и увеличивая износ.
• Низкая удельная теплота сгорания пороха по сравнению с нефтепродуктами (около 3–4 МДж/кг против 42–44 МДж/кг у бензина), что делает такие двигатели менее эффективными.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность работы в условиях отсутствия жидкого топлива и угля.
• Простота конструкции — отсутствие карбюратора, системы зажигания (кроме запала), топливного насоса.
• Быстрый запуск — не требуется предварительный разогрев котла, как в паровых машинах.

Недостатки:

• Низкий КПД (не более 5–8 %), так как большая часть энергии теряется с выхлопными газами и через стенки цилиндра.
• Высокая пожароопасность и взрывоопасность при хранении и подаче пороха.
• Быстрый износ деталей из-за высоких температур и абразивного действия сажи.
• Необходимость постоянной подачи пороха вручную или с помощью сложных дозаторов.

Применение

Промышленность и транспорт

Кулисные паровые двигатели находили применение в тех отраслях, где не требовалась высокая мощность и где были доступны запасы пороха. В России конца XIX века их устанавливали на лесопилках в Сибири, на золотых приисках, а также на небольших речных судах. Известны случаи использования таких двигателей для привода молотов в кузницах и для работы насосов на шахтах. В США в 1870–1880-х годах кулисный пар применялся на некоторых ранних автомобилях и локомотивах, однако из-за низкой надёжности и опасности эти эксперименты быстро прекратились.

Военное дело

Военные инженеры проявляли интерес к кулисному пару как к возможному источнику энергии для торпед и небольших подводных лодок. В 1900-х годах в Российской империи были проведены испытания торпеды с пороховым двигателем, работавшим на кулисном паре. Однако из-за шумности, дымности и сложности регулировки скорости от этой идеи отказались в пользу электродвигателей и двигателей на сжатом воздухе.

Современное состояние

В настоящее время двигатели на кулисном паре не имеют практического применения. Они представляют интерес только для историков техники и реконструкторов. Несколько сохранившихся образцов экспонируются в технических музеях, в частности в Политехническом музее в Москве и в Музее истории техники в Санкт-Петербурге. Время от времени энтузиасты восстанавливают старые машины для демонстрации на фестивалях старинной техники. Теоретические исследования кулисного пара иногда проводятся в контексте изучения альтернативных циклов двигателей внутреннего сгорания, но практического выхода эти работы не имеют.

Интересные факты

• В некоторых источниках кулисный пар ошибочно называют «пороховым паром» или «дымным паром», хотя по своей природе это именно газ, а не пар в привычном понимании.
• Максимальная зафиксированная мощность двигателя на кулисном паре составляла около 50 л. с. (примерно 37 кВт) — это был двигатель, установленный на лесопилке в Иркутской губернии в 1895 году.
• В 1910 году в журнале «Техника и жизнь» была опубликована статья, в которой предлагалось использовать кулисный пар для привода дирижаблей, однако проект не был реализован из-за высокой пожароопасности.

Источники

• Куликов И. П. «Двигатель внутреннего сгорания на пороховых газах». — Санкт-Петербург, 1887.
• Смит У. «Пороховые двигатели и их применение». — Лондон, 1854.
• Дюпон Ж.-Б. «Трактат о кулисных паровых машинах». — Париж, 1868.
• «История развития двигателей внутреннего сгорания в России». — М.: Машиностроение, 1955.
• Материалы Политехнического музея (Москва), раздел «Двигатели на альтернативном топливе».