Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания
Antigraviynaya.ru

Ремонт автомобилей

Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания

Кто изобретал двигатели внутреннего сгорания

Отличие двигателя внутреннего от двигателя внешнего сгорания

Двигателей внешнего сгорания не так много как двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Все дело в том, что коэффициент полезного действия двигателей с внешним сгоранием топлива гораздо ниже, чем у двигателей со сгоранием топлива внутри цилиндра. Так, например, у паровозов (а у них двигатель внешнего сгорания), КПД всего 5…7%. Топливо нагревает воду (как в скороварке), и она превращается в пар. Этот пар подается в рабочий цилиндр и там он совершает работу. В данном случае – вращает колеса паровоза. А отработанный пар просто выбрасывается в атмосферу.

Более современные двигатели с внешним сгоранием, это, скорее всего, модификации двигателя Стирлинга. Стирлинг предложил не выбрасывать рабочее тело (для паровоза это пар), а нагревать его внутри цилиндра. Это рабочее тело разогреется, увеличится в объеме, или если объем замкнут, увеличится давление. Это давление и произведет работу. Затем этот самый цилиндр нужно охладить. Воздух, или другой газ, уменьшится в объеме и поршень опуститься вниз. Это теоретически, на практике нагревается и остывает сам газ, перемещаясь по специальным каналам. Но принцип остается тот же, газ не покидает пределы замкнутого пространства, а тепло подводится и отводится через стенки цилиндра.

Самые современные двигатели Стирлинга, работающие на солнечной энергии, дают КПД в 31,25%. Однако, они пока не устанавливаются на автомобили из-за сложности конструкции и малой надежности.

Двигатель внутреннего сгорания, потому так и называется, что нагрев рабочего тела (не важно, газ это или пар) происходит внутри замкнутого объема (чаще всего цилиндра). Первым таким двигателем, как не странно это будет звучать, была пушка.

Пороховой заряд, воспламеняясь, нагревал воздух и продукты сгорания пороха внутри канала ствола, и ядро выбрасывалось «пущалось». Отсюда и пушка, от «пущать».

Во всех современных двигателях внутреннего сгорания происходит почти то-же самое – внутри замкнутого объема зажигается некая горючая смесь. Этот «пожар» или «взрыв» нагревает воздух, а он (горячий воздух) производит необходимую работу. Просто поршень в двигателе не выбрасывается наружу, а совершает движения вперед и назад внутри цилиндра.

Изобретатели двигателя, который сейчас установлен на автомобиле

Итак, в связи с тем, что первым двигателем внутреннего сгорания была пушка, необходимо было бы узнать имя изобретателя, но оно, к сожалению, потерялось в веках. Известно, только,что в Европе пушка появилась в 14-м веке, а в восточных странах еще в 13-м.

Христиан Гюйгенс (портрет слева) в начале 17-го века предложил внутрь цилиндра с поршнем насыпать немного пороха. Если этот порох поджечь, то поршень поднимется вверх и шток прикрепленный к поршеню может совершить некоторую работу. Затем аппарат необходимо было разобрать, засыпать новую порцию пороха и продолжить. Шток останавливался в верхнем положении при помощи специального фиксатора.

Конечно, на это сейчас мы смотрим с удивлением, но для 17-го века это был прорыв.

В 1690 году (конец 17-го века) Дени Папен (портрет справа) усовершенствовал эту конструкцию предложив вместо пороха залить на дно цилиндра воду. Если нагреть цилиндр вода испарится превратившись в пар и этот пар совершит работу подняв поршень. Затем поршень можно остудить пар внутри превратится в воду и процесс можно повторить.

Через 15 лет, в 1705 году английский кузнец Томас Ньюкомен предложил машину для откачки воды из шахт. Его аппарат состоял из котла, который производил пар. Пар подавался в цилиндр и там совершал работу. Для быстрого охлаждения цилиндра он применил форсунку, которая впрыскивала холодную воду в этот цилиндр, тем самым охлаждая его. Конечно, периодически приходилось скопившуюся в цилиндре воду выливать, но машина его работала эффективно. Назвать такую машину двигателем внутреннего сгорания сложно, ведь нагрев воды происходит вне цилиндра, но такова история. Весь 18-й век посвящен изобретению конструкций работающих на использовании энергии пара.

Только в 1801 году французский изобретатель Филип Лебон придумал подавать в цилиндр светильный газ в смеси с воздухом и поджигать его там. Он даже получил патент на этот газовый двигатель. Но в связи с тем, что Лебон рано умер (в 1804 году в возрасте 35 лет), довести свое детище до практической модели не успел.

Этьен Ленуар (француз с бельгийскими корнями), придумывал различные механические конструкции, работая на гальваническом заводе. Именно он считается изобретателем первого работающего двигателя внутреннего сгорания.

Доработав идею Лебона, в 1860 году он взял за основу двухходовой поршень, который совершал работу двигаясь как вправо, так и влево. А смесь светильного газа и воздуха он поджигал в отдельной камере при помощи электрической искры. Направляя продукты сгорания (в зависимости от положения поршня) либо в правую, либо в левую полость, как пар у паровоза.

Как видим это опять не совсем похож на современный двигатель в нашем его понимании, но прародитель его это уж точно. Выпустив более 300 таких двигателей, он разбогател и перестал заниматься изобретательством. Изобретенный Августом Николаусом Отто двигатель вытеснил с рынка двигатели Ленуара. Именно Отто предложил и построил четырехтактный двигатель. КПД его двигателя достигал 15%, это почти в 3 раза выше чем у двигателей Ленуара. Кстати сказать современные бензиновые двигатели имеют КПД не выше 36%, это все чего мы достигли за 150 лет работы над двигателями внутреннего сгорания. На этом четырехтактном цикле работают сейчас большинство двигателей.

Только после изобретения двигателей работающих на жидком топливе (керосине и бензине), их вполне уже можно было устанавливать на повозки, что и сделал Карл Бенс в 1886 году.

В компании у Отто работали Готлиб Даймлер (слева) и Вильгельм Майбах ( на фото слева). И хотя предприятие работало прибыльно (двигателей Отто было продано более 42 тысяч штук), применение светильного газа резко сужало сферу применения. Даймлер и Майбах впоследствии организовали производство автомобилей постоянно их совершенствуя. Их имена знают практически все. Ведь именно они придумали автомобиль «Мерседес». Сын Вильгельма Майбаха – Карл (на фото справа), занимался авиационными двигателями, а затем и выпуском знаменитых автомобилей «Майбах».

Вильгельм и его сын Карл Майбах

В 1893 году Рудольф Дизель запатентовал двигатель работающий на отходах производства бензина – солярке.В его двигателе смесь не нужно было воспламенять, она загоралась сама от высокой температуры в цилиндре. Но и смесь воздуха с топливом готовилась несколько по-другому. В его двигателе топливо (солярка) подавалась в цилиндр в конце цикла сжатия специальным насосом. Это было революционным прорывом. Многие современные бензиновые двигатели используют этот метод образования воздушно-топливной смеси. Дизельный же двигатель не претерпел особых изменений.

Теперь на вопрос кто изобретал двигатели внутреннего сгорания Вы точно знаете ответ.

Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания прочно вошел в нашу жизнь и останется в ней еще на неопределенное время. Развитие альтернативных топливных технологий предполагает, что в некотором будущем бензиновый мотор станет в конечном счете лишь историей, однако его потенциал, по расчетам специалистов, исчерпан лишь на 75 процентов, что позволяет назвать бензиновый ДВС на данный момент одним из главных типов двигателей в на шем мире.

Изобретение бензинового мотора, как и многих других современных вещей, существование без которых сегодня немыслимо, произошло благодаря, в общем-то, случайности, когда в 1799 году французом Ф. Лебоном был открыт светильный газ – смесь водорода, окиси углерода, метана и некоторых других горючих газов. Как предполагает его название, светильный газ использовался для осветительных приборов, заменивших в то время свечи, однако в скором времени Лебон нашел ему и другое применение. Изучая свойства найденного газа, инженер заметил, что его смесь с воздухом взрывается, выделяя большое количество энергии, которую можно использовать в интересах человека. В 1801 году Лебон запатентовал первый газовый двигатель, состоящий из двух компрессоров и камеры сгорания. По существу газовый двигатель Лебона стал примитивным прототипом современного ДВС.

Нужно отметить, что попытки поставить тепловую энергию взрыва на службу человечеству предпринимались задолго до рождения Лебона. Еще в 17-м веке нидерландский ученый Христиан Гюйгенс использовал порох, чтобы приводить в движение водяные насосы, доставляющие воду в сады Версальского дворца, а итальянский физик Алессандро Вольта в конце 80-х годов 18 века изобрел «электрический пистолет», в котором электрическая искра воспламеняла смесь водорода и воздуха, выстреливая из ствола кусок пробки.

В 1804 году Лебон трагически погиб и развитие технологии внутреннего загорания на некоторое время приостановилось, пока бельгиец Жан Этьен Ленуар не догадался использовать принцип электрического зажигания для воспламенения смести в газовом двигателе. После нескольких неудачных попыток, Ленуару удалось создать работающий двигатель внутреннего сгорания, который он запатентовал в 1859 году. К сожалению, Ленуар оказался больше коммерсантом, чем изобретателем. Выпустив несколько сотен своих моторов, он заработал довольно приличную сумму денег и прекратил дальнейшее усовершенствование своего изобретения. Тем не менее, двигатель Ленуара, использовавшийся как привод локомотивов, дорожных экипажей, судов и в стационарном виде, считается первым в истории работающим двигателем внутреннего сгорания.

В 1864 году немецкий инженер Август Отто получил патент на собственную модель газового двигателя, КПД которого достигал 15-ти процентов, то есть был не только эффективнее двигателя Ленуара, но и эффективнее любого парового агрегата, существовавшего в то время. Совместно с промышленником Лангеном, Отто создал фирму «Отто и Компания», в планы которой входило производство новых моторов, которых было выпущено около 5 000 экземпляров. В 1877 году Отто запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, однако, как оказалось, четырехтактный цикл был изобретен еще за несколько лет до этой даты французом Бо де Рошем. Судебная тяжба между этими инженерами закончилась поражением Отто, в результате чего его монопольные права на четырёхтактный цикл были отозваны. Тем не менее, конструкция двигателя Отто во многом превосходила французский аналог, что и предопределило его успех – к 1897 году было выпущено уже 42 000 таких моторов различной мощности.

Читать еще:  Как снять моторчик печки ваз 2109

Светильный газ в качестве топлива для ДВС существенно суживал область их применения, поэтому инженерами из разных стран постоянно проводились поиски нового, более доступного горючего. Одним из первых изобретателей, применивших бензин в качестве топлива для ДВС, был американец Брайтон, разработавший в 1872 году так называемый «испарительный» карбюратор. Однако его конструкция была настолько несовершенной, что он оставил свои попытки.

Лишь через десять лет после изобретения Брайтона был создан работоспособный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. Готлиб Даймлер, талантливый немецкий инженер, работавший на фирме Отто, еще в начале 80-х годов 19-го века предложил начальнику разработанный им самим проект бензинового мотора, который можно было бы использовать на дорожном транспорте, однако Отто отверг его начинания. В ответ на это Даймлер и его друг Вильгельм Майбах уволились из «Отто и Компания» и организовали собственное дело. Первый бензиновый двигатель Даймлера-Майбаха появился в 1883 году и предназначался для установки стационарно. Зажигание в цилиндре происходило от полой раскаленной трубочки, но в целом конструкция мотора оставляла желать лучшего именно из-за неудовлетворительного зажигания, а так же процесса испарения бензина.

На этом этапе требовалась более простая и надежная система испарения бензина, которая была изобретена в 1893 году венгерским конструктором Донатом Банки. Он изобрел карбюратор, ставший прообразом карбюраторных систем, известных сегодня. Банки предложил революционную по тем временам идею – не испарять бензин – а равномерно распылять его по цилиндру. Поток воздуха всасывал бензин через дозирующий жиклёр, сделанный в форме трубки с отверстиями. Напор потока поддерживался посредством небольшого бачка с поплавком, обеспечивающим постоянную пропорциональную смесь воздуха и бензина.

С этого момента в истории развитие ДВС пошло по нарастающей. Первые карбюраторные моторы имели всего один цилиндр. Рост мощности достигался за счет увеличения объема цилиндра, однако уже к концу столетия начали появиться двухцилиндровые двигатели, а с началом 20-го века все большее распространение начали получать моторы с четырьмя цилиндрами.

Двигатель: Исторический обзор

Исторически двигателестроение связывают в первую очередь с двумя фамилиями — Отто и Дизель, которые знают даже дилетанты. Важнейшие изобретения этих инженеров более 100 лет тому назад способствовали стремительному развитию конструкции двигателей внутреннего сгорания.

Многие изобретатели работали над этой проблемой, но все попытки создать рабочий образец были тщетными. Все так же для работы люди использовали паровые машины, но такое оборудование не подходило для ремесленников и мелкого производства. Для образования пара требовался котел, который должен был подогреваться, а кроме того, для использования таких механизмов в производстве требовалось разрешение полиции. Поэтому создание бельгийским механиком Ленуаром двигателя, работающего на светильном газе, стало значительным шагом вперед.

Жан Этьен Ленуар (Jean Etienne Lenoir, 1822-1900 гг.) в то время жил в Париже и зарабатывал на жизнь, работая официантом. В свободное время он занимался техническими вопросами. Первый свой двигатель он создал в 1860 году. На рисунке изображена схема данного двигателя.

В основе самой конструкции во многом была надежная паровая машина того времени. В результате у Ленуара получился двойной двухтактный двигатель внутреннего сгорания. В паровой машине перегретый пар подается в цилиндры под давлением из парового котла, а в двигателе Ленуара рабочая смесь воздуха и светильного газа через впускной золотник поступала в один из цилиндров под воздействием разрежения, вызванного движением поршня в цилиндре. Затем рабочая смесь воспламенялась от простейших свечей зажигания. Продукты сгорания, расширяясь в объеме, сдвигали поршень до конца его рабочего хода. Обработавшие газы выбрасывались из цилиндра через выпускной золотник, в то время как в другом поршне данный цикл только начинался. Цилиндры двигателя Ленуара имели водяное охлаждение. Золотниковое управление впуском и выпуском рабочей смеси Ленуар позаимствовал из конструкции паровой машины. Оба золотника приводились в действие от эксцентриков на коленчатом валу двигателя. Свечи зажигания работали от электроиндуктора с прерывателем Вагнера.

Напряжение подавалось к свечам зажигания через контактные шины. Свечи поочередно работали в постоянном режиме, в результате чего расход электроэнергии был большим и контакты часто подгорали.

Двигатель Ленуара вырабатывал мощность почти в 3 л.с. и расходовал приблизительно 4 м^3/кВт*ч светильного газа. Шум при работе мотора был очень сильным. Тем не менее, такой двигатель был проще в установке и обслуживании, чем паровая машина, поэтому он быстро завоевал популярность. Вскоре о новом двигателе узнал торговец Николаус Август Отто (Nikolaus August Otto, 1832-1891 гг.). Будучи прирожденным механиком и изобретателем, он сам сконструировал свой первый газовый мотор.

Так же, как и Ленуар, Отто понимал, что паровая машина для мелкого производства слишком дорога и трудна в обслуживании. Как коммерсант, он осознавал, что двигатель внутреннего сгорания способен покрыть рыночный дефицит и будет пользоваться спросом. Отто решил усовершенствовать конструкцию Ленуара, отказавшись от использования светильного газа в пользу горючих жидких фракций переработки нефти, но в первом прошении о предоставлении патента Отто было отказано. После этого изобретатель прекратил думать о патенте и посвятил время совершенствованию двигателя Ленуара.

Отто ясно понимал, что двигатель Ленуара работает шумно и нестабильно, а сильная детонация при воспламенении смеси светильного газа с воздухом отрицательно влияет на детали конструкции. Эти недостатки конструктор решил устранить, используя новый состав рабочей смеси. При этом оказалось, что в конце рабочего хода в цилиндре образуется разрежение, когда поршень закачал новую порцию смеси лишь на четверти своего хода. Из-за этого разрежения поршни вновь «всасывались назад». Таким образом, к Отто пришла мысль о создании атмосферного газового двигателя.

Эта конструкция, еще работавшая на смеси светильного газа и воздуха, схематически представлена на рисунке.

Рис. Атмосферный газовый двигатель. Оба эксцентрика передавали один раз вращение шестерни посредством храпового механизма при каждом рабочем цикле. При этом один эксцентрик немного поднимал поршень (ход всасывания), а второй приводил в действие золотник. После этого эксцентрики не двигались до тех пор, пока не начнется новый рабочий цикл

Поршень засасывал на десятой части своего хода вверх смесь газа с воздухом, которая затем воспламенялась от газовой горелки. Продукты сгорания смеси, расширяясь, выталкивали поршень вверх, при этом срабатывал механизм свободного хода, разъединявший шатун и вал отбора мощности двигателя. В конце хода поршня в цилиндре образовывалось разрежение. Затем, двигаясь вниз, поршень вновь соединялся с валом отбора мощности, и вес опускающегося поршня, усиленный посредством силы давления, выполнял механическую работу.

Во время каждого рабочего цикла от шестерен через храповой механизм однократно приводились в действие два эксцентрика, один из которых немного поднимал поршень при ходе впуска, а второй приводил в действие управляющий золотник. После этого эксцентрики не двигались до начала следующего рабочего цикла.

Рис. Система факельного зажигания. Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре

Для воспламенения рабочей смеси Отто не использовал свечу зажигания Ленуара, так как для ее постоянной работы требовалось слишком много электроэнергии. Вместо нее Отто применил разработанную им же систему факельного зажигания. Процессы выпуска и впуска газов, а также зажигание рабочей смеси управлялись с помощью золотника, который приводился в действие эксцентриком. Атмосферный газовый двигатель Отто работал достаточно громко, но сильная детонация при воспламенении смеси уже не возникала. К тому же расход светильного газа был намного меньше по сравнению с двигателем Ленуара, так как энергия газа использовалась гораздо эффективнее.

Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре.

В разработке этого двигателя участвовал инженер Ойген Ланген (Eugen Langen, 1833-1895 гг.). Отто, который отошел от торговли и полностью посвятил себя своим изобретениям, предложил Лангену создать совместное производство двигателей. Так в 1864 г. образовалась фирма «Otto & Cie», позже преобразованная в фабрику «Gasmotorenfabrik Deutz» по производству газовых двигателей, на основе которой затем возник сегодняшний концерн «Klockner-Humboldt-Deutz AG». Отто и Ланген представили свой атмосферный газовый двигатель в 1867 г. на Парижской всемирной выставке. Низкий расход газа привлекал всеобщее внимание, и двигателю присудили Гран-при. Мощность первого газового двигателя составляла примерно 0,87 л.с. при габаритной высоте почти 2 м. На протяжении года конструкторы смогли поднять мощность до 2, 72 л.с., и это стало пределом. Двигатели еще большей мощности из-за своих габаритов не могли устанавливаться в цехах и, тем более, в небольших мастерских. К тому же шум при работе двигателя становился невыносимым.

Тем не менее, покупатели двигателей требовали модели большей мощности, поэтому пришлось разрабатывать новую конструкцию. Отто сделал эскиз нового двигателя с непосредственным соединением поршней и коленчатого вала и придумал способ снижения детонации при воспламенении рабочей смеси. Идея заключалась в том, что газ и воздух должны были располагаться слоями в цилиндре таким образом, чтобы в точке воспламенения в поршне смесь содержала как можно меньше светильного газа.

Читать еще:  Как снять замок зажигания на калине

В то время Отто думал, что самым большим изобретением в его новом двигателе является послойный заряд рабочей смеси, который к тому же сжимался перед воспламенением. На самом же деле гениальной идеей являлось создание четырехтактного способа работы. Четырехтактный способ работы состоит из следующих частей (тактов):

  • впуск рабочей смеси газа и воздуха;
  • сжатие рабочей смеси;
  • воспламенение рабочей смеси с последующим расширением газов, образуемых при горении;
  • выпуск отработавших газов.

Первый четырехтактный двигатель Отто и Лангена, созданный в 1876 г., развивал мощность 2,72 л.с. при 180 об/мин. Он является прообразом всех современных четырехтактных двигателей.

Несколькими годами позже был изобретен новый тип силовой установки — дизельный двигатель. Его изобретатель Рудольф Дизель (Rudolf Diesel, 1858-1913 гг.) разрабатывал холодильные установки в компании «Fa. Lindes Eismaschinen». Тщательно изучая холодильное оборудование и теплотехнику, он разработал паровую машину, работавшую на аммиаке. Работы с перегретым паром навели Дизеля на идею создать двигатель, в котором сильно сжатый воздух будет работать при высокой температуре. Такой тепловой двигатель по экономичности должен был превзойти все остальные конструкции. Высоких температур Дизель хотел достичь при помощи сжатия воздуха до 250 бар. Для предотвращения преждевременного воспламенения топливо должно было впрыскиваться в воздух в цилиндре двигателя только в конце такта сжатия. При выборе рабочего цикла Дизель все же допустил ошибку, выбрав цикл Карно, который состоит из двух изоэнтропийных и двух изотермических изменений состояния газа и имеет наилучший термический коэффициент полезного действия из всех термодинамических циклов. Цикл Карно все же не подходит в качестве рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания, так как изотермическое горение в двигателе невозможно. К тому же получаемая полезная работа при цикле Карно настолько мала, что покрывает только потери на трение двигателя. Это происходит из-за небольшой площади цикла (замкнутого процесса), что видно на рисунке.

Вскоре Дизель обнаружил, что его двигатель может работать и без использования цикла Карно. Изобретатель запатентовал свой новый принцип работы мотора и начал искать предприятие, способное создать его конструкцию в металле. После длительных переговоров компания «MAN» в Аугсбурге согласилась построить двигатель по чертежам Дизеля. Первый опытный образец, созданный в 1893 г., был четырехтактным, не имел системы охлаждения и запускался с помощью внешнего механического привода. Первоначально предполагалось использовать в качестве топлива бензин, но эти попытки оказались неудачными. В то же время без системы охлаждения конструкция быстро перегревалась, а система непосредственного впрыска топлива просто не работала, поскольку производство того времени было неспособно создать топливный насос с требуемой точностью изготовления деталей.

Изобретатель изменил принцип подачи топлива, в качестве которого был выбран керосин. Теперь он впрыскивался в цилиндр в момент воспламенения с помощью сжатого воздуха. Для предотвращения перегрева двигателя была разработана система водяного охлаждения. Впервые видоизмененный двигатель Дизеля самостоятельно заработал в 1894 г. Потребовалось еще множество опытов и конструктивных изменений, прежде чем двигатель был готов к использованию. В 1897 г. Дизель продемонстрировал свой двигатель большому кругу заинтересованных лиц. На испытательном стенде силовой агрегат Дизеля развил мощность 17,7 л.с. при 154 об/мин, а расход топлива составил 324 грамма/кВт*час. С таким низким расходом топлива двигатель Дизеля превзошел все тепловые моторы, став фактически самым экономичным тепловым двигателем своего времени. Превосходство в расходе топлива дизельный двигатель сохраняет и в настоящее время.

Сегодня бензиновый двигатель с принудительным искровым зажиганием очень часто называют двигателем Отто, а двигатели с самовоспламенением смеси от сжатия — дизельным двигателем. Таким образом, сохранена славная память о двух великих моторостроителях — Николаусе Августе Отто и Рудольфе Дизеле.

Кто придумал Двигатель внутреннего сгорания – Когда Изобрели?

Как ни пытались инженеры XVIII- XIX вв. повысить КПД парового двигателя, он все равно оставался слишком низким. Двигатель, выпускающий пар в окружающую среду, в принципе не мог иметь КПД больше 8-10 % (например, у паровой машины Уатта он составлял всего 3-4 %). И хотя впоследствии были созданы более мощные паровые установки, с успехом применяемые в промышленности, на железнодорожном и водном транспорте, их невозможно было использовать для автомобилей.

Рекордсмены наших дней

Самым мощным современным двигателем внутреннего сгорания считается Wartsila-Sulzer RTA96-C. Он имеет размеры 27 на 17 м и развивает мощность около 109 тыс. л. с. Работает этот агрегат на мазуте и используется в судостроении. На звание самого мощного автомобильного мотора претендует двигатель, установленный на американском суперкаре Vector WX-8. Его мощность 1200 л. с. (хотя в печати встречается цифра 1850 л. с).

Низкий выход мощности паровых двигателей объясняется ступенчатостью процесса: нагретая при сгорании топлива вода превращается в пар, энергия которого преобразуется в механическую работу. Поэтому паровые машины относят к двигателям внешнего сгорания. А что произойдет, если использовать непосредственно внутреннюю энергию топлива?

Первым, кто начал опыты с двигателем внутреннего сгорания, был голландский физик XVII в. Христиан Гюйгенс. Среди его многочисленных открытий и изобретений так и не осуществленный проект двигателя, работающего на дымном порохе, совершенно затерялся. В 1688 г. француз Дени Папен использовал идеи Гюйгенса и сконструировал устройство в виде цилиндра, в котором свободно перемещался поршень. Поршень был связан перекинутым через блок тросом с грузом, который также поднимался и опускался вслед за поршнем. В нижнюю часть цилиндра насыпали порох и затем поджигали. Образовавшиеся газы, расширяясь, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали водой, газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался, поднимая при этом груз. К сожалению, для практических целей подобный двигатель не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы, да и в использовании он был довольно опасен.

В результате Папен отказался от своей затеи и занялся паровыми машинами, а следующую более или менее успешную попытку сконструировать двигатель внутреннего сгорания предпринял спустя 18 лет француз Жозе Нисефор Ньепс, прославившийся как изобретатель фотографии. Вместе с братом Клодом Ньепс изобрел лодочный двигатель, использующий в качестве горючего угольную пыль. Названный изобретателями «пирэолофор» (в переводе с греческого «несомый огненным ветром»), двигатель был запатентован, однако внедрить его в производство не удалось.

Спустя год швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз получил во Франции патент на экипаж, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Двигатель представлял собой цилиндр, в котором поджигался водород, получаемый при помощи электролиза. При взрыве и расширении газа поршень перемещался вверх, а при движении вниз приводил в действие ременной шкив. Война де Риваз был офицером наполеоновской армии помешала закончить работу над изобретением, которое в дальнейшем дало жизнь целому семейству водородных двигателей.

Несколькими годами раньше французский инженер Филипп Лебон подошел очень близко к созданию довольно эффективного двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе смеси горючих газов, главным образом метана и водорода, получаемой при термической переработке угля.

Неизвестный художник. Портрет Дени Папена. 1689 г.

Американские автомобили 1930-х гг.

Еще в 1799 г. Лебон получил патент на способ получения светильного газа посредством сухой перегонки древесины, а через несколько лет разработал проект двигателя, в котором были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, другой сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т. е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. В 1804 г. изобретатель погиб, так и не успев воплотить свою идею в жизнь.

В последующие годы от мысли Лебона отталкивались многие изобретатели, некоторые даже получили на свои двигатели патенты например, англичане Браун и Райт, использовавшие в качестве топлива смесь воздуха со светильным газом. Двигатели эти были довольно громоздкими и опасными в эксплуатации. Фундамент для создания легкого и компактного двигателя был заложен лишь в 1841 г. итальянцем Луиджи Кристо-форисом, который построил двигатель, работающий на принципе «сжатие-воспламенение». Такой двигатель имел насос, подававший в качестве топлива воспламеняемую жидкость керосин. Его соотечественники Барзанти и Матточчи развили эту идею и в 1854 г. представили первый настоящий двигатель внутреннего сгорания. Он работал на смеси воздуха со светильным газом и имел водяное охлаждение. С 1858 г. его начала выпускать малыми партиями швейцарская компания «Эшер-Висс».

Одновременно бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар, отталкиваясь от разработок Лебона, после нескольких неудачных попыток создал свою модель двигателя. Очень важным новшеством стала идея воспламенения топливовоздушной смеси с помощью электрической искры. Ленуар также предложил систему водяного охлаждения и систему смазки для лучшего хода поршня. КПД этого двигателя не превышал 5 %, он неэффективно расходовал топливо и слишком сильно нагревался, но это был первый коммерчески успешный проект двигателя внутреннего сгорания для нужд промышленности. В 1863 г. его пытались установить на автомобиль, но мощности 1,5 л. с. было недостаточно для передвижения. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ле-нуар перестал работать над его усовершенствованием, и скоро он был вытеснен с рынка более удачными моделями.

Двигатель внутреннего сгорания Ж. Э. Ленуара.

В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т. е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело так и не дошло. На Парижской всемирной выставке 1867 г. представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лан-геном, продемонстрировали двигатель, сконструированный с использованием принципа Барзанти Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил двигатель Ленуара.

Читать еще:  Как проверить напряжение генератора

Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой, КПД этого двигателя достигал 15 %, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

А. Впуск рабочей смеси. Поршень (4) перемещается вниз; через впускной клапан (1) в цилиндр поступает горючая смесь. Б. Сжатие. Поршень (4) перемещается вверх; впускной (1) и выпускной (3) клапаны закрыты; давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. 6. Рабочий ход (горение и расширение). В результате искрового разряда свечи зажигания (2) происходит быстрое сгорание смеси в цилиндре; давление газов при сгорании воздействует на поршень (4); движение поршня передается через поршневой палец (5) и шатун (6) на коленчатый вал (7), заставляя вал вращаться. Г. Выпуск газов. Поршень (4) движется вверх; выпускной клапан (3) открыт; отработавшие газы из цилиндра поступают в выпускной трубопровод и дальше в атмосферу.

Отто в отличие от Ленуара на достигнутом не остановился и упорно развивал успех, продолжая работать над своим изобретением. В 1877 г. ему был выдан патент на четырехтактный двигатель с искровым воспламенением. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей. Уже через год новинка была запущена в производство, однако при этом разразился скандал. Обнаружилось, что Отто нарушил авторские права Бо де Роша, и после судебного разбирательства монопольное право Отто на четырехтактный двигатель было аннулировано.

Использование в качестве топлива светильного газа сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два в Москве и Петербурге. Еще в 1872 г. американец Брайтон, как ранее Кристофорис, пытался использовать в качестве топлива керосин, но затем перешел к более легкому нефтепродукту бензину.

В 1883 г. появился бензиновый двигатель с зажиганием от открытой в цилиндр раскаленной полой трубки, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Однако двигатель на жидком топливе не мог конкурировать с газовым, пока не было создано устройство для испарения бензина и получения горючей смеси с воздухом. Карбюратор с жиклером, прообраз всех современных карбюраторов, был изобретен венгерским инженером Донатом Банки, который в 1893 г. получил на свое устройство патент. Банки предложил, вместо того чтобы испарять бензин, мелко распылять его в воздухе. Этим обеспечивалось равномерное распределение бензина по цилиндру, а испарение происходило под действием тепла сжатия уже в цилиндре.

Изначально двигатели внутреннего сгорания имели только один цилиндр, и для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать его объем. Однако это не могло продолжаться бесконечно, и в результате пришлось прибегнуть к увеличению числа цилиндров. В конце XIX в. появились первые двухцилиндровые двигатели, с начала XX столетия стали распространяться четырехцилиндровые, а сейчас никого не удивишь и двенадцатицилиндровым. Усовершенствование двигателей идет в основном в сторону усиления мощности, однако принципиальная схема остается прежней.

Двухцилиндровый двигатель Г. Даймлера, вид в двух проекциях.

Когда Рудольф Дизель больше века назад разрабатывал двигатель собственной конструкции, он и представить не мог, что дизельные двигатели могут быть столь чувствительны к качеству топлива. Ведь преимущество своего мотора Дизель видел именно в том, что он может работать на чем угодно, от угольной пыли до переработанного кукурузного жмыха. Современные турбодизели со впрыском топлива требуют только хорошо очищенного дизельного топлива с низким содержанием серы. Именно поэтому многие зарубежные автопроизводители не решались до недавнего момента продавать свои дизельные модели в России.

История создания двигателя внутреннего сгорания

Изобретение двигателя внутреннего сгорания.
На протяжении истории человечества люди пытались заменить ручную работу машинами. Уже в 18 веке в промышленности использовался паровой двигатель. Но это устройство было громоздким, имело низкий коэффициент полезного действия, требовало значительных сил по обслуживанию. Если в цилиндре парового двигателя пар заменить топливом и там сжигать, то получится выигрыш в мощности, уменьшатся размеры устройства, повысится КПД. Какое топливо использовать? Первоначально пытались использовать угольную пыль, смесь водорода с воздухом. Но первые устойчиво работающие двигатели получилось сделать при использовании газа, позже – нефтепродуктов.
Некоторые конструктивные элементы двигателя разработаны исследователями на основании открытий предыдущих веков. Еще в 6-ом веке нашей эры кривошипно-шатунный механизм использовался на лесопильных устройствах в Малой Азии и Сирии. Первое упоминание коленчатого вала датируется 1206 годом. Аль-Джазари применил его в двухцилиндровом насосе.
Инженер из Франции Филипп Лебон Д’Хумберстейн в 1801 г. запатентовал двухтактный двигатель, где использовалось сжатие топливной смеси. Двигатель работал на светильном газе, получаемом способом перегонки без доступа кислорода древесины или угля. Конструктор не построил действующую модель из-за гибели в 1804 г.
Французы Джозеф Никефор Ниепсе и его брат Клод в 1807 г. запустили двигатель, где топливом использовали угольную пыль. Этот образец применяли в качестве лодочного мотора. Еще один француз Франсуа Исаак де Риваз в то же время предложил модель двигателя на водороде. В нем имелись некоторые узлы, примененные впоследствии в последующих разработках: поршневая группа и устройство искрового зажигания топливной смеси.
Первый двигатель, в дальнейшем использовавшийся в промышленности, запатентовал и изготовил в 1823 г. английский инженер Сэмюэль Браун.
Итальянцы также работали над созданием нового мотора. Эудженио Барсанти вместе с Феличе Маттеуччи предложили свою модель двигателя внутреннего сгорания в 1853 г.
В 1860 г. изобретатель из Франции Жан Этьен Ленуар сделал устойчиво работающий двухтактный двигатель. Модель имела водяное охлаждение, систему смазки, появился кривошипно-шатунный механизм. Топливом служил светильный газ. Поджигание горючей смеси производилось с помощью искры от постороннего источника. Двигатель нашел практическое применение, выпускался массово.
Конструктор из Германии Николаус Аугуст Отто в 1860 г., взяв за основу модель Ленуара, придумал свой двигатель, но запатентовать его не получилось. В 1863 г. он создал еще один работающий образец двухтактного атмосферного двигателя. Двигатели Отто оказались лучше.
Прорыв в двигателестроении произошел с изобретением устройства для приготовления и подачи топливной смеси – карбюратора. Еще в 1838 г. Уильяму Бартнеру выдали патент на это устройство. В 1864 г. Зигфрид Маркус сконструировал одноцилиндровый карбюраторный двигатель, работающий от сгорания нефтепродуктов.
Делались попытки использовать в качестве топлива керосин. В 1872 г. такие опыты проводил американец Брайтон. Но впоследствии керосин, из-за плохого испарения, заменили бензином. В это же время Брайтон изобрел «испарительный» карбюратор, но он работал плохо.
В 1877 г. Отто получил еще патент на новый четырехтактный двигатель. Устройство имело один цилиндр. Теоретическое описание принципа действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания сделал еще в 1861 г. французский инженер Эжен-Альфонс Бо де Роша. Во многих бензиновых двигателях до сегодняшнего дня применяется четырехтактный цикл. Производство моторов Отто началось в 1878 г.
В 1883 г. Готлиб Даймлер создал первый калильный двигатель. Зажигание бензина осуществлялось от специальной раскалённой трубочки.
В 1892 г. Рудольф Кристиан Карл Дизель запатентовал двигатель, работающий по новому принципу. Топливная смесь в нем загоралась от сжатия в цилиндре. В 1897 г. сделан первый работоспособный образец этого двигателя. Первоначально топливом в этих двигателях использовали растительные масла или лёгкие продукты переработки нефти. Дизельные двигатели нашли применения в промышленности и на транспорте.
Первые образцы испарительных карбюраторов работали плохо. Ускорилось производство двигателей только после изобретения карбюратора нового типа. Его создание принадлежит инженерам из Венгрии Донату Банки и Яношу Чонка, получившим в 1893 г. патент на распыливающий карбюратор с жиклёром. Принцип его работы используется в карбюраторах современных моторов. Конструкторы предложили испарение бензина заменить распылением. Благодаря чему топливо равномерно распределяется и испаряется уже камере сгорания. Через специальный дозирующий жиклер топливо всасывалось и распылялось. В карбюраторе имелось устройство, обеспечивающее постоянный уровень топлива, в нем поддерживался стабильный напор и состав горючей смеси, подачей воздуха регулировалось количество топлива, подаваемое в цилиндр. В 1898 г. Донат Банки разработал двигатель с высокой степенью сжатия и карбюратором с двумя диффузорами. В нем использован новый метод эмульсионного смесеобразования распылением, используемый и в наши дни.
С 19 века двигатели внутреннего сгорания стали неотъемлемой частью любого производства, применяются на транспорте, в быту. Работы по созданию двигателя параллельно велись в Европе, США, России. В одной краткой статье невозможно осветить всю историю. Здесь описаны только наиболее известные открытия в этой области.

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector