Гильдебранд предложил, не отказываясь от паровозной машины с её непосредственным воздействием на ось, использовать цилиндры паровоза не только как паровые, но и как двигателя внутреннего сгорания, заставляя работать как те, так и другие одновременно. Такая комбинация, как и двигатель Стилла представляет собой дизель-паровую машину. При трогании с места должен применяться только пар. Таким образом, трогание с места локомотива Гильдебранда ничем не отличается от трогания с места паровоза. Когда локомотив работает с нормальной скоростью при средней нагрузке, то движущей машиной является только дизель, работающий по двухтактному циклу как двигатель двойного действия. Локомотив даёт при этом термический коэффициент полезного действия около 33% и механический около 84% при непосредственной передаче вращающего момента на ось. На подъёмах локомотив использует мощность дизеля и паровой машины вместе. При добавлении пара при работе по дизельному циклу, пар впускается в цилиндр после сгорания топлива, и газы расширяются до давления, равного приблизительно давлению пара. Впуск пара увеличивает мощность дизеля до 100%. Добавление пара должно начинаться в то время, когда нагрузка начинает превышать среднюю, т. е. когда дизель начинает работать с перегрузкой. При этом перегрузка дизеля уменьшается на долю работы пара. Таким образом, нормальная мощность дизеля утилизируется до своего полного значения. Так как рабочие цилиндры конструируются для средней нагрузки, то и наивысший возможный термический коэффициент полезного действия дизель будет иметь при работе под средней нагрузкой. Этот достигаемый термический коэффициент полезного действия будет выше, чем у существующих тепловозов, так как у них дизель рассчитывается на наибольшую потребную мощность и потому не даёт наибольшей отдачи при средней мощности.
Добавление пара в цилиндры дизеля и смешивание его с горячими газами предотвращает опасность перегрева цилиндров, так как пар, нагреваясь, будет создавать охлаждающий эффект в горячей камере сгорания. Чем выше нагрузка, тем большие количества пара придётся добавлять, и тем ощутимее будет охлаждающий эффект в камере сгорания. Выполненным термодинамическим расчётом Гильдебранд показал, что расход пара в машине теплопаровоза должен быть меньше, чем в наиболее удачных паровозах-компаунд при наиболее благоприятной для них отсечке. Это обстоятельство будет иметь место, если даже локомотив будет работать при наименее благоприятных условиях впуска, т. е. если работа пара будет составлять 100% от работы дизеля. Объяснением такого явления служит то обстоятельство, что в цилиндрах отсутствует конденсация пара. Наоборот, в рабочих цилиндрах наблюдается даже перегрев пара. Установлено, что пар является перегретым даже после выхлопа его в атмосферу.
Из вышесказанного следует, что если сравнивать теплопаровоз Гильдебранда с локомотивом, имеющим большие цилиндры, достаточные для того, чтобы удовлетворить максимальной нагрузке одной работой дизеля в них, то оказывается, что термический коэффициент полезного действия теплопаровоза Гильдебранда выше при нагрузках выше средней и ниже при нагрузках ниже средней. Таким образом, можно ожидать, что коэффициент полезного действия обоих этих локомотивов будет приблизительно одинаков. Однако локомотив Гильдебранда имеет значительно более высокий механический коэффициент полезного действия и, кроме того, у него налицо все преимущества непосредственного привода осей.
У теплопаровоза Стилла движение ведущим осям передавалось через комплект редукционных зубчатых колёс, чем устранялись недостатки жёсткой передачи. Это являлось благоприятным признаком для локомотива Стилла. Работа дизеля происходила в цилиндре с его внешней стороны, а работа пара, при перегрузке дизеля, в части цилиндра со стороны вала. Двигатель теплопаровоза Гильдебранда также двойного действия, но работа дизеля с большим коэффициентом полезного действия, как и работа пара при перегрузке дизеля, происходит в обеих половинах цилиндра с обеих сторон. Таким образом, Гильдебранд считал, что его теплопаровоз с тем же объёмом цилиндров, что и у теплопаровоза Стилла, будет развивать двойную силу тяги при трогании с места и двойную мощность при перегрузке дизеля и лучше подойдёт, таким образом, к условиям железнодорожной службы, чем локомотив Стилла.
Далее, пар в теплопаровозе Стилла как бы растворялся в холодной и неблагоприятно расположенной части цилиндра. За исключением моментов трогания с места и следования по подъёмам, пар в данном случае должен работать при коротких отсечках, что в сочетании с холодными цилиндрами имеет своим результатом высокий расход пара на единицу мощности. В теплопаровозе Гильдебранда пар расширяется в наиболее благоприятных условиях, т. е. в горячих цилиндрах дизеля. Расход пара особенно благоприятен: он убывает с убыванием отсечки. Из этого видно, что экономия пара будет в локомотиве Гильдебранда выше, чем у локомотива Стилла. Сравнение теплопаровоза Гильдебранда с дизелем мощностью 1400 л.с. при скорости 36,5 км/ч с товарным паровозом 1—4—1 с размерами цилиндров 686 × 813 мм показывает, что сила тяги теплопаровоза Гильдебранда с объёмом котла, составляющим 60% объёма котла товарного паровоза, не меньше силы тяги последнего. Были опасения, что смесь продуктов сгорания и пара будет разъедать стенки цилиндра. Но в продуктах сгорания дизеля содержится значительное количество пара от водорода и углеводорода в топливе, однако воздействия на стенки цилиндров нет. Другим обстоятельством, подтверждающим, что в этом отношении не будет осложнений, может служить работа машины Стилла. В этом двигателе, в силу невозможности достичь абсолютной плотности поршневых колец, всегда продукты сгорания попадают в паровое пространство. Наиболее же убедительным является опыт профессора Гопкинса, который подтверждает, что впрыскивание воды в рабочие цилиндры не даёт вредных последствий. Профессор Гопкинс впрыскивал воду в цилиндр газового двигателя, чтобы этим избежать наружного охлаждения. Дальнейшее подтверждение того, что можно смешивать пар с продуктами сгорания, даёт котёл внутреннего сгорания, производящий не чистый пар, а газ. Таким образом, если может работать котёл внутреннего сгорания, то в цилиндры двигателей внутреннего сгорания может впрыскиваться вода, и если двигатель Стилла уже практически работает, то является несомненным, что перегретый пар может добавляться в цилиндры дизеля, не вызывая при этом повреждения материала цилиндров. Тем не менее, хотя опыты профессора Гопкинса и дали в условиях экспериментальной обстановки положительные результаты, однако они в то время не получили ещё полного признания, и все двигатели внутреннего сгорания охлаждались наружными рубашками. Котёл же внутреннего сгорания Бруклера не являлся законченным, находясь скорее в начальной стадии своего развития, поэтому и практических результатов работы смеси продуктов сгорания и пара в цилиндре расширительной машины не было. Надо всё же полагать, что через некоторое время смесь окажет свое действие на втулку и поршни. Представляя преимущество своего локомотива, Гильдебранд руководствовался следующими положениями. Рабочие цилиндры конструируются на давление 35 – 40 ат, поэтому необходимо применять котлы высокого давления. Одинаковое увеличение мощности, примерно на 100%, будет как при паре высокого давления, так и при паре низкого давления, но отсечка при паре высокого давления значительно короче, чем при паре низкого давления. Отсюда следует, что при высоком давлении машина будет работать экономичнее, нежели при низком. В стационарной практике котлы с давлением 20 – 35 ат обычны. Все котлы высокого давления водотрубные. Подобный же котёл должен быть установлен и на теплопаровозе Гильдебранда в определённых границах веса и габарита. Несмотря на то, что котлы высокого давления имеют небольшие барабаны, вмещающие ограниченное количество воды, такой котёл может дать достаточное количество пара для трогания поезда с места и разгона его. Хотя сила тяги для трогания поезда с места и велика, однако мала при этом средняя скорость движения; соответственно, невелика и потребная мощность. Ограничение по котлу у современных паровозов наступает главным образом при больших скоростях, в то время как при трогании с места производительность котла является вполне достаточной. Чаще не хватает сцепления между колёсами и рельсами. В рассматриваемом же случае котёл необходим после трогания с места для разгона лишь до скорости 25 км/ч. После достижения этой скорости у дизеля происходит вспышка, и он уже начинает помогать котлу. Здесь следует отметить, что двигатель Гильдебранда может давать вспышку при скоростях поршня меньших, чем у обычных дизелей, потому что у первого пусковым веществом является перегретый пар, а у вторых сжатый воздух. Перегретый пар нагревает цилиндр, тогда как сжатый воздух его охлаждает, затрудняя тем самым запуск двигателя.
Могут быть, конечно, условия, когда необходим котёл с большим объёмом воды, например, в горных районах. В случае такой необходимости можно добавить несколько водяных резервуаров. Котёл теплопаровоза всё время должен находиться под полным давлением, чтобы быть в любую минуту готовым дать локомотиву добавочную мощность, тем не менее, расход пара редко будет требовать полной производительности котла. Мощность же дизеля будет использована полностью. Поскольку расход пара будет невелик, то и расходы по содержанию котла должны быть меньше, чем у паровозов с их высокой паропроизводительностью. Лучше всего питать котёл тем же топливом, что и дизель. Но этот вопрос должен быть разрешён, скорее, не с технической, а с экономической точки зрения. Наиболее подходящим является бескомпрессорный двигатель, так как у компрессорного распыливающий воздух даёт слишком большой охлаждающий эффект. Кроме того, чтобы получилась вспышка, компрессорному дизелю необходима большая скорость поршня, чем бескомпрессорному. Наиболее благоприятна петлевая продувка, так как она позволяет иметь длинный ход поршня и даёт возможность разместить на одной и той же стороне цилиндра как выхлопные, так и продувочные отверстия. Такая конструкция создаёт хорошее прохождение выхлопных газов и продувочного воздуха. Они направляются вдоль боковой поверхности нижней части рабочей втулки, не имеющей окон. Следствием этого является улучшение смазки цилиндра, и, поэтому, лучшее сохранение втулки и поршня, чем в том случае, когда нижняя часть втулки выполнена с окнами. Кулисный парораспределительный механизм регулирует только отсечку; выхлоп и продувка регулируется окнами.
Цилиндр почти не отличается от парового цилиндра простого действия, в то время как его камера сгорания напоминает камеру сгорания хорошо известного дизеля типа «А» прежней «Американской компании двигателей Дизеля». Двигатели этой фирмы работали с очень хорошим сгоранием. Паровой клапан снабжён с противоположного конца поршеньком. Пар, действующий на головку клапана и на поршенёк, стремится закрыть клапан и прижимает его к гнезду. Клапанный же рычаг опирается на поршенёк, находящийся под действием пара, и клапанная тяга открывает паровой клапан непосредственно после мёртвого положения. Это делается для того, чтобы при трогании с места машина работала как прямодействующая. Когда работают дизель и паровая машина, то начальное давление внутри цилиндра увеличивается на давление пара. Это высокое давление будет прижимать клапан к его седлу, так что клапанный рычаг сможет открыть клапан лишь тогда, когда давление пара в цилиндре понизится до соответствующей величины и пока сила, потребная для открытия клапана, также соответственно не упадёт. После этого, и не раньше, паровпускной клапан быстро открывается под внешним передвижением клапанной тяги в соответствии с обратным движением нагруженного паром поршенька. Произведя правильную установку опорного поршенька, можно достичь открытия парового клапана в необходимый момент и достигнуть требуемого среднего индикаторного давления. Когда работа пара не требуется, то паровой вентиль не закрывается, а устанавливается лишь определённое давление на поршенёк. Это препятствует открытию парового клапана.
Чтобы избежать больших усилий при высоком давлении, взяты четыре малых цилиндра вместо двух больших. Эти малые цилиндры и будут передавать усилия непосредственно на ведущие оси. Возникающие при этом силы будут не больше, чем у паровозов. Поршневые скалки, шатуны, крейцкопфы и колёсные скаты будут те же, что и у обыкновенных паровозов. Вместо того чтобы пользоваться четырьмя цилиндрами, можно пользоваться тремя или двумя, работающими через редукционную передачу. Места для того, чтобы установить три цилиндра, имеется достаточно. При применении передачи, что лишь незначительно понижает к. п. д., возможно получить более благоприятные размеры поршня, а также и отношение хода поршня к диаметру.
У дизеля малые цилиндры дают тот же термический к. п. д., что и большие. А так как пар расширяется в горячих цилиндрах дизеля, где конденсация отсутствует, то размеры цилиндров не имеют большого значения. При применении трёх кривошипов возвратно движущиеся массы лучше уравновешиваются, чем при двух кривошипах. При постановке четырёх цилиндров, по два с каждой стороны, с противоположно движущимися поршнями может быть достигнуто прекрасное уравновешивание масс, которое невозможно достичь при расположении по одному цилиндру с каждой стороны. Установка бустера для повышения силы тяги при трогании на теплопаровозе Гильдебранда так же применима, как и на паровозе: бустер должен быть, конечно, паровой. Управление локомотивом осуществляется двумя рычагами. Один рычаг предназначается для реверсирования обычным способом. Другой при установке на пусковое положение открывает доступ пара в цилиндры. Когда же первый рычаг будет поставлен в первое положение, то начинается зажигание дизеля и в цилиндры поступает незначительное количество топлива. При перестановке в следующее положение подача топлива увеличивается до размера, соответствующего нормальной работе дизеля. Дальнейшее перемещение рычага увеличивает впуск пара и подачу топлива для дизеля до наибольшей допускаемой величины. Таким образом, машинист может давать пар при трогании с места до тех пор, пока не будет достигнута нормальная работа дизеля. Теплопаровоз Гильдебранда нуждается в котле, и это может показаться недостатком. Гильдебранд считал, что, на самом же деле, это является скорее желательным обстоятельством для передачи усилия движущим осям по сравнению с применением какой-нибудь специальной передачи и вспомогательных механизмов, которыми снабжены современные магистральные тепловозы. К достоинствам котла надо отнести то, что с его возможностью аккумулировать энергию он в любой момент готов дать потребную мощность и силу тяги. Кроме того, котёл защищает дизель от перегрева его цилиндров и даёт возможность развивать значительную силу тяги при больших скоростях. Таким образом, котёл делает теплопаровоз особенно пригодным для работы на главных линиях. Если опыты с первым локомотивом Стилла в Англии доказали полную возможность совмещения работы дизеля с паром и показали пригодность таких локомотивов для обслуживания поездов, то можно было надеяться, что теплопаровоз Гильдебранда мог быть с таким же успехом построен в североамериканских Соединённых Штатах.
Продолжение следует...
Поддержите канал-поставьте лайк.
