Стремление использовать теплоту отходящих газов и теплоту, отнятую водой, охлаждающей стенки камеры сгорания и поршень, навело изобретателей на мысль о новых принципах и новых конструкциях двигателей. Сюда относятся американские двигатели Харрис-Дизель с цилиндрами тандем, где верхние поршни большого диаметра предназначены для использования давления сжатого воздуха в периоды разгона или перегрузки локомотива, русская конструкция Христоферсена и английская – Стилла, в обеих паровой двигатель использовался совместно с двигателем Дизеля. Право на одно из первых мест среди занимавшихся этим вопросом принадлежит английскому изобретателю Стиллу, у которого впервые появилась мысль соединить дизель и паровую машину. Первые разработки нового двигателя, по всей вероятности, относятся к 1917 – 1919 гг. Вначале Стилл построил стационарный пародизельный двигатель, у которого поршень двигался в одну сторону давлением пара, как в паровой машине, а обратный ход его совершался, как в дизеле, под давлением газов, образующихся от сгорания топлива. Каждый цилиндр двигателя Стилла двойного смешанного действия. С одной стороны цилиндра находится камера сгорания дизельного двигателя, и продукты сгорания впрыскиваемой нефти действуют на верхнюю сторону поршня. Пар из небольшого котла паровозного типа через парораспределительный механизм поступает с другой стороны цилиндра, где проходит поршневая скалка, и производит давление на нижнюю сторону того же поршня в период, когда требуется поднятием поршня выгнать из камеры отработавшие газы. Отработанные в камере газы не выбрасываются в атмосферу, как в обычном дизеле, а поступают в подогреватель воды, в котором они, отдавая циркуляционной воде свою теплоту, охлаждаются до температуры, лишь на несколько десятков градусов превышающей температуру этой воды. Оттуда, пройдя по дымогарным трубам и отдав воде, окружающей эти трубы, значительную часть своей теплоты, отработавшие газы охлаждаются до температуры ниже 100°C. Следовательно, для подогрева воды используется скрытая теплота паров воды, всегда находящихся в выхлопных газах. Затем, до выхода в атмосферу, отработавшие газы проходят через особую камеру со змеевиком, по которому подаётся вода из конденсатора в котёл. В этой камере используется и та невысокая температура, которую ещё сохраняют продукты горения по выходе из подогревателя. Вода в котле имеет непосредственное сообщение с рубашкой, окружающей рабочую камеру дизеля, и циркуляцией в ней производит охлаждение стенок камеры. Циркуляция воды в общей системе, составляемой котлом, подогревателем и рубашкой цилиндра, достигается исключительно благодаря термосифонному действию. Нагретая в рубашке дизеля, вода легко нагревается в подогревателе до температуры выше 100°С. Поэтому при обычных условиях умеренного расходования пара, последний получается даром, как побочный продукт основного процесса, и котёл нуждается в топке или тогда, когда дизель не работает, т. е. при малой скорости, или при длительном форсировании машины, когда расход пара превышает его нормальное поступление. При нормальном процессе работы расходования нефти котлом нет, и пар получается исключительно за счёт тепла, не использованного дизелем. Таким образом, дополнительная мощность установки, приходящаяся на долю пара, является даровой. Характерными неудобствами дизеля являются, во-первых, высокая неравномерная температура стенки рабочей камеры, что, помимо значительных температурных напряжений в стенке, особенно неприятно тем, что затрудняет смазку, так как ещё не имеется масел, которые не теряли бы своей вязкости при высоких температурах; а во-вторых, необходимость придавать размерам рабочей камеры двойную, против расчётной, прочность, потому что первые вспышки при пуске в ход ненадёжны в смысле полного сгорания доставленного в камеру горючего газа, так как температура стенок камеры, а следовательно и горючих газов при начале работы двигателя слишком низка для возможности полного сгорания, в противоположность тому, что имеет место потом, когда режим машины установится. Поэтому всегда есть опасения некоторого накопления горючих и несгоревших масс и последующей вспышки большого объёма газов.
В частности, первое обстоятельство являлось существенным препятствием к осуществлению идеи использования теплоты воды, охлаждающей камеру, так как работа двигателя шла правильно только при низкой температуре стенки камеры, что являлось неизбежным следствием поддержания низкой температуры охлаждающей камеру воды.
Теплопаровоз Still-Kitson44 с тремя движущими осями типа 1—3—1 был построен в 1927 г. на английском заводе Китсона в Лидсе. Сочетание дизеля и паровой машины на нём было осуществлено с учётом некоторых особенностей в конструкции. Теплопаровоз предназначался для осуществления смешанных перевозок и одинаково хорошо был приспособлен для движения в обоих направлениях, вследствие чего отпадала необходимость разворота в пунктах оборота.
Теплопаровоз состоял из рамы, ходовой части, котла, двигателя Стилла и передачи, включающей в себя четырёхколенчатый вал, расположенный в средней части локомотива перпендикулярно к его продольной оси, зубчатый редуктор, отбойный вал, лежащий в одной горизонтальной плоскости с движущими осями, и параллельно-кривошипный привод движущих осей от отбойного вала. Двигатель и зубчатая передача установлены на раме локомотива, а выше двигателя расположен трубчатый паровой котёл. Котёл поддерживался станиной из литой стали, содержащей распределение, части которого очень доступны и легко разбирались. Двигатель Стилла имел восемь горизонтально расположенных цилиндров диаметром 343 мм, при ходе поршня 394 мм. Цилиндры расположены по четыре симметрично с каждой стороны коленчатого вала. Каждое колено вала поддерживало две наружные головки шатуна цилиндра. Два зубчатых колеса, укреплённые на валу, зацеплялись с двумя колёсами отбойного вала и имели некоторую упругость по обоим направлениям вращения от присутствия рессор, расположенных между их венцом и ободом. Каждый конец отбойного вала имел цапфу, на которой помещались сцепное дышло и противовес. Весь механизм, находящийся между цапфами, заключён в кожух, и все главные части его, включая зацепления, смазывались под давлением от двух центробежных насосов без клапанов. Вся машинная передача находилась в центре локомотива, и все части двигались симметрично, чем достигалось хорошее уравновешивание попеременно движущихся масс. В каждом цилиндре внутренние полости со стороны коленчатого вала были паровыми с клапанным механизмом Гакворта, а внешние полости были дизельными. Все цилиндры работали на один общий коленчатый вал, помещённый в средней части рамы. Коленчатый вал связан с поршнями машины через шатуны и крейцкопфы. Кривошипы расположены так, что между кривошипами внутри цилиндров образуется 180°, а между каждой группой 90°. Мощность двигателя теплопаровоза 1200 л.с. Максимальная мощность, развиваемая дизельными полостями, 1000 л.с. При этом мощность на валу двигателя составляла, соответственно, 1120 и 870 л.с., а на ободе движущих колёс – 960 и 800 л.с. Охлаждающая вода в зарубашечном пространстве испарялась при температуре 177°С и давлении 9,5 ат. Благодаря комбинации Стилла в его машине теоретически можно было утилизировать до 40% энергии, т. е. она являлась самой экономичной, но, с другой стороны, и наиболее громоздкой из всех двигателей.
Полная масса теплопаровоза 70 т, сцепная – 51 т. Нагрузка на движущие оси 17 тс, на бегунковую 9 тс, на заднюю поддерживающую ось 10 тс. Диаметр движущих колёс 1524 мм, поддерживающих 915 мм. Длина между буферами 11950 мм. Сила тяги при трогании с места 11580 кгс, при скорости 10 км/ч – 11000 кгс, при 70 км/ч – 3200 кгс. Объём водяных баков составлял 4540 л, топливных баков ― 1820 л, бака смазочных масел ― 385 л.
Теплопаровоз Still-Kitson мог работать как восьмицилиндровый паровоз, если открыть клапаны дизельного двигателя для уничтожения противодавления на поршни со стороны двигателя внутреннего сгорания. Слабой стороной конструкции этого локомотива являлась, прежде всего, её относительная сложность. Обилие цилиндров, труднодоступных для возможности частого осмотра, с их сальниками, паро- и газораспределительной аппаратурой, четырёхтактные дизели с их легко разбивающимися выхлопными клапанами – всё это оставляло желать большей простоты и большей надёжности в работе.
Некоторым недостатком конструкции можно считать наличие зубчатой передачи. Однако есть сведения о том, что конструкторы сознательно пошли на этот минус, имея в виду достигнуть, во-первых, уменьшения передаточного числа, а, во-вторых – изоляции дизеля от тех толчков, которые, укладываясь полностью в пределы упругих деформаций материала, тем не менее, могли весьма вредно отражаться на степени сжатия воздуха в цилиндрах. Локомотив сделал свои последние опытные поездки в 1933 г. Экономическая конъюнктура того времени не давала никаких шансов продать этот нетрадиционный локомотив при том, что с трудом продавались даже серийные локомотивы. Повторная постройка теплопаровоза Still-Kitson, так же, как и тепловозов с непосредственным приводом братьев Зульцер, Ансальдо и Дейтц, произведена не была.
Кроме теплопаровоза постройки завода Китсона ещё один теплопаровоз с двигателем Стилла был построен во Франции на заводе братьев Шнейдер, ранее принадлежавшем фирме Creusot. Теплопаровоз Still-Schneider типа 2―4―0 построен вслед за локомотивом 1―3―1. Он представлял собой машину с четырьмя вертикальными цилиндрами и приводом качающимися рычагами: балансирно-кривошипный механизм действовал на спаренные оси.
Полная длина теплопаровоза составляла 13700 мм, жёсткая колёсная база 5300 мм, диаметр ведущих колёс 1600 мм. Сила тяги при трогании 13600 кгс. Общая масса около 90 т, включая запасы снабжения на 500 км, сцепная масса 64 т46. Максимальная мощность, когда одновременно работали дизельные и паровые цилиндры, равна 1250 л.с. при 300 об/мин, что соответствовало максимальной рабочей скорости 90 км/ч. Позже локомотив был переделан из четырёхцилиндрового в шестицилиндровый.
Поддержите канал-поставьте лайк.