Нафтовый двигатель. Изобретение, появившееся не вовремя

Двигатели мощностью 2, 4 и 6 л. с., а также двигатель для катера Kriegschiff; первый и последний показаны со снятым наружным кожухом и дымовой трубой

Мало какая эпоха в истории человечества может сравниться со второй половиной XIX века по количеству научных открытий и технических изобретений. Какие-то из них определили дальнейший путь развития техники на многие годы вперёд, какие-то остались в истории как технические курьёзы. А о некоторых можно сказать, что они появились не вовремя. К таким можно отнести нафтовый двигатель.

Нафтовый двигатель — это двигатель внешнего сгорания, конструктивно близкий к небольшой паровой машине. Рабочим телом в нём служат пары нафты. Та же нафта одновременно используется и как жидкое топливо для котла.

Справка
Нафта (лигроин, тяжёлый бензин, бензинолигроиновая фракция) — фракция нефти, выкипающая в пределах 120–240 °C. Представляет собой смесь углеводородов, главным образом C8–C14. Получают прямой перегонкой нефти при атмосферном давлении.
Прозрачная желтоватая жидкость.
Источник: Большая российская энциклопедия.

История появления

К 1880-м годам небольшие паровые машины уже широко использовались в качестве силовых установок для малых паровых катеров, а также крупных судов. Однако законодательство США, принятое после ряда взрывов паровых котлов, требовало, чтобы на всех паровых судах постоянно находился лицензированный механик. Для коммерческих судов это не создавало серьёзных трудностей, однако делало невозможным использование небольших паровых катеров в личных и прогулочных целях. Для получения лицензии механика требовалось пройти двухлетнее обучение.

Подобные ограничения касались эксплуатации паровых машин, использовавших воду в качестве рабочего тела, однако не распространялись на кипение бензина (нафты). Благодаря этому впервые появилась возможность владельцу прогулочного судна самостоятельно управлять своим катером без помощи лицензированного механика.

В рекламе того времени намеренно использовался лозунг:

«Каждый человек - сам себе механик!» («Every Man His Own Engineer!»).

В 1898 году катер с нафтовым двигателем одержал победу в гонке моторных катеров в Париже.[2] К сожалению, подробных сведений об этом катере и его владельце автору обнаружить не удалось.

В том же году в регате, проводимой I-LYA (Inter-Lake Yachting Association) на озере Эри (Пут-ин-Бэй, Огайо), впервые приняли участие нафтовые катера. Победителем стал «Otsiketa» из Детройта. [4]

Первый катер на нафте, по-видимому, был построен в Великобритании и описан во французском журнале La Nature в 1888 году. Катер Zephyr являлся изобретением Альфреда Ярроу — известного производителя паровых катеров. В том же году аналогичные суда начала выпускала швейцарская компания Escher Wyss AG.

Устройство и принцип работы

Схема нафтового двигателя с топливным баком и трубопроводами

Нафтовый двигатель представляет собой вертикальную трёхцилиндровую паровую машину простого действия (A). Двигатель и котёл представляют собой единый блок. Кривошипы трёх цилиндров были смещены друг относительно друга на 120°. Благодаря этому один из цилиндров всегда находился в рабочей фазе, поэтому двигатель мог запускаться без остановки поршня в мёртвой точке.

Непосредственно над двигателем расположен паровой котёл с медным трубчатым змеевиком (M) и горелкой (K), в которой нафта испаряется в медной трубке.

Образовавшийся пар нафты через золотниковый распределитель поступает в цилиндры двигателя, а после совершения работы отработавший пар проходит через конденсационные трубки (Q), расположенные снаружи вдоль бортов судна, после чего вновь возвращается в резервуар для нафты (P, бак).

Котёл отапливался форсуночной горелкой; небольшое количество нафты под давлением отбиралось из котла. Для запуска двигателя необходимо зажечь непрерывно работающую горелку при помощи спички, после чего в течение приблизительно одной минуты нагнетать воздух воздушным насосом (T).

В результате в котле создаётся необходимое давление, и после открытия инжектора (N) двигатель начинает работать самостоятельно.

Для остановки двигателя необходимо закрыть инжектор (N) и удерживать рукоятку (B) в соответствующем положении. После этого двигатель немедленно прекращает работу.

Смазка двигателя осуществлялась самой нафтой, собиравшейся в герметичном мокром картере. Механизм парораспределения был значительно проще, чем у современных ему паровых машин. Над цилиндрами располагался распределительный вал, приводивший золотниковые клапаны. Для реверса использовался маховик, изменявший фазу распределительного вала относительно коленчатого.

Схема трехцилиндровой нафтовой машины

Одним из преимуществ нафты считалась её низкая температура кипения по сравнению с водой, позволявшая упростить конструкцию двигателя. Однако это одновременно ограничивало термодинамический КПД установки, поскольку уменьшало диапазон рабочих температур.

Ведущим изготовителем катеров и яхт с нафтовыми силовыми установками была швейцарская фирма Escher Wyss AG.

Самый маленький — тип I — и самый большой — тип II — катера с нафтовыми двигателями

Справка
Escher Wyss — швейцарская машиностроительная компания, основанная в Цюрихе в 1805 году. Первоначально предприятие занималось производством машин и гидравлического оборудования, а позднее стало крупным производителем паровых машин, судов и промышленного оборудования. В конце XIX века компания занялась строительством небольших моторных судов, в том числе катеров с нафтовыми двигателями.

Для швейцарской фирмы первым практически пригодным к эксплуатации катером, оснащенным нафтовой машиной, стал «Sarcelle», вступивший в эксплуатацию 26 февраля 1888.

«Sarcelle», 1888 год

Его успешная эксплуатация подтвердила работоспособность новой силовой установки и положила начало дальнейшему развитию этого направления судостроения.

Яхта «Küßnacht»

Алюминиевые катера Escher Wyss

Предприятие Escher, Wyss & Cie., обладавшее значительным опытом в области судостроения, уже в 1880-х годах приступило к строительству судов из алюминия.

Конструктором этих судов был инженер В. Рейц (W. Reitz).

Первым алюминиевым судном фирмы стала яхта «Zephyr», построенная в 1891 году.

Её основные характеристики:

• длина — 9,90 м;
• ширина — 1,80 м;
• осадка — 0,60 м;
• двигатель — нафтовый, мощностью 4 л. с.;
• масса судна — около 660 кг.

Второе судно — «Mignon» — было построено в 1892 году по заказу Альфреда Нобеля.

Алюминиевая яхта «Mignon», принадлежавшая Альфреду Нобелю

Яхта «Aluminia», построенная в 1894 году по проекту князя Вильгельма цу Вида, представляла собой алюминиевую прогулочную яхту с парусным вооружением двухмачтового йола и вспомогательным 6-сильным нафтовым двигателем. Она стала одной из первых немецких яхт, корпус которой был почти полностью изготовлен из алюминия.

Аллюминиевая яхта «Aluminia», принадлежавшая князю Вильгельму цу Вид (Wilhelm zu Wied)

Алюминиевый катер с 2-сильным нафтовым мотором, принадлежавший султану Марокко

Стоимость и круг заказчиков

В 1880-х годах стоимость нафтового катера превышала полуторагодовой заработок ремесленника, изготовившего его.

Тем не менее фирма Escher Wyss получила многочисленные заказы на строительство подобных судов и поставляла их во многие страны. Среди наиболее известных заказчиков были следующие высокопоставленные лица и государственные учреждения:

• Вильгельм II, германский император;
• король Оттон Баварский;
• великий герцог Ольденбургский;
• князь Вильгельм цу Вид;
• князь Александр Карагеоргиевич;
• хедив Египта;
• султан Марокко;
• граф Цеппелин;
• Альфред Нобель, изобретатель динамита;
• консул Флейшманн (Кюснахт);
• военно-морское ведомство Специи (Италия);
• портовое инженерное управление Марселя;
• Министерство общественных работ Египта (Каир);
• Российский императорский военно-морской флот (Санкт-Петербург);
• Швейцарские федеральные железные дороги (Романсхорн);
• военно-морское ведомство Осаки (Япония);
• правительство Румынии (Констанца);
• Германская Южнополярная экспедиция;
• правительство Германской империи для колонии Германская Восточная Африка.

Яхта с каютой, оснащенная нафтовым двигателем (Длина — 11 м, ширина — 1,9 м.)

Нафтовый моторный катер «Hohenzoller», приобретенный для германского императора Вильгельма II, и использовавшийся на одноименной императорской яхте

Посыльный катер «Sleipner», принадлежавший германскому императору

Самый старый из ныне существующих катеров с нафтовым двигателем „Charlotte“

Несмотря на отдельные случаи возникновения пожаров, нафтовые силовые установки считались достаточно надежными и удобными в эксплуатации.

Достоверных сведений о применении нафтовых двигателей где-либо ещё, кроме маломерных судов, пока обнаружить не удалось.

Заключение

Нафтовые двигатели не получили в свое время широкого распространения. Думается, это произошло потому, что на момент их появления нефтедобыча и производство нефтепродуктов ещё находились в зачаточном состоянии. Когда же на рубеже XIX-XX веков бензин или нафта стали доступны, уже появились двигатели внутреннего сгорания — более эффективные, простые в эксплуатации и надежные. Таким образом, нафтовые машины утратили свои преимущества. Тем не менее они продемонстрировали саму принципиальную возможность создания компактного и простого в эксплуатации двигателя на жидком топливе.

Источники:
1. Escher Wyss & Co. Motorboote und Motoryachten ( https://vsd-asv.ch/docs/Naphta-Dampfboote.pdf, https://www.steamboattrust.org.uk/pdfs/catalogues/Escher%20Wyss.pdf )
2. Harald Fock, «Schnellboote», Band I. Koehlers Verlaggesellschaft, Herford, 1973.
3. Википедия
4. I-LYA 2023