В каком году изобрели двигатель внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания: с чего все началось. Инженерия и теория
Люди производят автомобили уже более века, и почти под каждым капотом стоит двигатель внутреннего сгорания. В течение последних принцип его работы оставался неизменным: кислород и топливо поступают в цилиндры мотора, где происходит взрыв (воспламенение), в результате чего внутри силового агрегата образовывается сила, которая и двигает автомобиль вперед. Но с момента первого появления двигателя внутреннего сгорания (ДВС) каждый год инженеры оттачивают его, чтобы сделать быстрее, надежнее, экономичнее, эффективнее.
Благодаря этому сегодня все современные автомобили стали мощнее и экономичнее. Некоторые обычные автомобили сегодня имеют такую мощность, которая еще недавно была только в мощных дорогих суперкарах. Но без огромных прорывов мы бы сегодня до сих пор владели маломощными прожорливыми автомобилями, на которых не уедешь далеко от заправки. К счастью, время от времени подобные прорывные технологии уже не раз открывали новый этап в развитии двигателей внутреннего сгорания. Мы решили вспомнить самые важные даты в эволюции развития ДВС. Вот они.
1955 год: впрыск топлива
До появления системы впрыска процесс попадания топлива в камеру сгорания двигателя был неточным и плохо регулируемым, поскольку подавалась с помощью карбюратора, который постоянно нуждался в очистке и периодической сложной механической регулировке. К сожалению, на эффективность работы карбюраторов влияли погодные условия, температура, давление воздуха в атмосфере и даже на какой высоте над уровнем моря находится автомобиль. С появлением же электронного впрыска топлива (инжектора) процесс подачи топлива стал более контролируемым. Также с появлением инжектора владельцы автомобилей избавились от необходимости вручную контролировать процесс прогрева двигателя, регулируя дроссельную заслонку с помощью "подсоса". Для тех, кто не знает, что такое подсос:
Подсос - это ручка управления пусковым устройством карбюратора, с помощью которой на карбюраторных машинах было необходимо регулировать обогащение топлива кислородом. Так, если вы запускаете холодный двигатель, то на карбюраторных машинах необходимо открыть "подсос", обогатив топливо кислородом больше, чем необходимо на прогретом моторе. По мере прогревания двигателя нужно постепенно закрывать ручку регулировки пускового устройства карбюратора, возвращая обогащение топлива кислородом к нормальным значениям.
Сегодня подобная технология, естественно, выглядит допотопно. Но еще совсем недавно большинство автомобилей в мире оснащались карбюраторными системами подачи топлива. И это несмотря на то, что технология впрыска топлива с помощью инжектора пришла в мир в 1955 году, когда инжектор впервые был применен на автомобиле (ранее эта система подачи топлива использовалась в самолетах).
В этом году было проведено испытание инжектора на спорткаре Mercedes-Benz 300SLR, который смог проехать, не сломавшись, почти 1600 км. Это расстояние автомобиль преодолел за 10 часов 7 минут и 48 секунд. Испытание проходило в рамках очередной автогонки "Тысяча миль". Эта машина установила мировой рекорд.
Кстати, Mercedes-Benz 300SLR стал не только самым первым серийным автомобилем с инжекторным впрыском топлива, разработанным компанией Bosch, но и самым быстрым автомобилем в мире в те годы.
Два года спустя компания Chevrolet представила спорткар Corvette с впрыском топлива (система Rochester Ramjet). В итоге этот автомобиль стал быстрее первооткрывателя Mercedes-Benz 300SLR.
Но, несмотря на успех с уникальной системой впрыска топлива Rochester Ramjet, именно электронные инжекторные системы Bosch (с электронным управлением) начали свое наступление по миру. В результате за короткое время впрыск топлива, разработанный компанией Bosch, начал появляться на многих европейских автомобилях. В 1980-е годы электронные системы впрыска топлива (инжектор) охватили весь мир.
1962 год: турбонаддув
Турбокомпрессор является одним из самых драгоценных камней в двигателях внутреннего сгорания. Дело в том, что турбина, которая подает больше воздуха в цилиндры двигателя, когда-то позволяла
12-цилиндровым истребителям во время Второй мировой войны взлетать выше, лететь быстрее, дальше и меньше расходовать дорогое топливо.
В итоге, как и многие технологии, система турбин из авиатехники пришла в автопромышленность. Так, в 1962 году в мире были представлены первые серийные автомобили с турбокомпрессором. Ими стали , или Saab 99.
После чего компания General Motors попыталась развить дальше эту технологию турбирования двигателей внутреннего сгорания на легковых автомобилях. Так, на автомобиле Oldsmobile Jetfire появилась технология «Turbo Rocket Fluid», которая помимо турбины использовала резервуар с газом и дистиллированную воду для увеличения мощности двигателя. Это была настоящая фантастика. Но затем компания GM отказалась от этой сложной и дорогой, а также опасной технологии. Все дело в том, что уже к концу 1970-х годов такие компании, как MW, Saab и Porsche, заняв первые места во многих мировых автогонках, доказали ценность турбин в автоспорте. Сегодня же турбины пришли на обычные автомобили и в ближайшем будущем отправят обычные атмосферные моторы на пенсию.
1964 год: роторный двигатель
Единственным двигателем, который по-настоящему смог сломать форму обычного двигателя внутреннего сгорания, стал роторный чудо-мотор инженера Феликса Ванкеля. Форма его ДВС ничего общего не имела с привычным нам двигателем. представляет собой треугольник внутри овала, вращающийся с дьявольской силой. По своей конструкции роторный двигатель легче, менее сложный и более крутой, чем обычный двигатель внутреннего сгорания с поршнями и клапанами.
Первыми роторные двигатели на серийных авто начали использовать компания Mazda и ныне уже не существующий немецкий автопроизводитель NSU.
Самым же первым серийным автомобилем с роторным двигателем Ванкеля стал NSU Spider, который начал выпускаться в 1964 году.
Затем компания Mazda наладила производство своих автомобилей, оснащенных роторным мотором. Но в 2012 году она отказалась от использования роторных двигателей. Последней с роторным мотором стала модель .
Но недавно, в 2015 году, Mazda на Токийском автосалоне представила концепт-кар RX-Vision-2016, который использует роторный мотор. В итоге в мире начали появляться слухи, что японцы планируют в ближайшие годы возродить роторные автомобили. Предполагается, что в настоящий момент специализированная группа инженеров Mazda где-то в Хиросиме сидит за закрытыми дверями и создает новое поколение роторных моторов, которые должны стать основными двигателями во всех будущих новых моделях Mazda, открыв новую эру возрождения компании.
1981 год: технология дезактивации цилиндров двигателя
Идея проста. Чем меньше цилиндров работает в двигателе, тем меньше . Естественно, что двигатель V8 намного прожорливее, чем четырехцилиндровый. Также известно, что при эксплуатации автомобиля большую часть времени люди используют машину в городе. Логично, что если автомобиль оснащен 8- или 6-цилиндровыми моторами, то при поездках в городе все цилиндры в двигателе в принципе не нужны. Но как можно просто превратить 8-цилиндровый мотор в четырехцилиндровый, когда вам не требуется задействовать для мощности все цилиндры? На этот вопрос в 1981 году решила ответить компания Cadillac, которая представила двигатель с системой дезактивации цилиндров 8-6-4. Этот мотор использовал электромагнитные управляемые соленоиды для закрытия клапанов на двух или четырех цилиндрах двигателя.
Эта технология должна была повысить эффективность двигателя, например, . Но последующая ненадежность и неуклюжесть этого мотора с системой дезактивации цилиндров напугала всех автопроизводителей, которые в течение 20 лет боялись использовать эту систему в своих моторах.
Но теперь эта система снова начинает завоевывать автомир. Сегодня уже несколько автопроизводителей используют эту систему на своих серийных автомобилях. Причем технология зарекомендовала себя очень и очень хорошо. Самое интересное, что эта система продолжает развиваться. Например, уже скоро эта технология может появиться на четырехцилиндровых и даже на трехцилиндровых моторах. Это фантастика!
2012 год: двигатель с высокой степенью сжатия - воспламенение бензина от сжатия
Наука не стоит на месте. Если бы наука не развивалась, то сегодня мы бы до сих пор жили в Средневековье и верили в колдунов, гадалок и что земля плоская (хотя сегодня все равно есть немало людей, которые верят в подобную чушь).
Не стоит на месте наука и в автопромышленности. Так, в 2012 году в мире появилась очередная прорывная технология, которая, возможно, совсем скоро перевернет весь .
Речь идет о двигателях с высокой степенью сжатия.
Мы знаем, что чем меньше сжимать воздух и топливо внутри двигателя внутреннего сгорания, тем меньше мы получим энергии в тот момент, когда топливная смесь воспламеняется (взрывается). Поэтому автопроизводители всегда старались делать двигатели с немаленькой степенью сжатия.
Но есть проблема: чем выше степень сжатия, тем больше риска самовоспламенения топливной смеси.
Поэтому, как правило, ДВС имеют определенные рамки в степени сжатия, которая на протяжении всей истории автопромышленности была неизменяемой. Да, каждый двигатель имеет свою степень сжатия. Но она не меняется.
В 1970-х годах в мире был распространен неэтилированный бензин, который при сгорании дает огромное количество смога. Чтобы как-то справиться с ужасной экологичностью, автопроизводители начали использовать V8 моторы с низким коэффициентом сжатия. Это позволило снизить риск самовоспламенения топлива низкого качества в двигателях, а также повысить их надежность. Дело в том, что при самовоспламенении топлива двигатель может получить непоправимый урон.
Двигатель - одно из основных составляющих автомобиля. Без изобретения двигателя автомобилестроение, скорее всего, остановилось в развитии сразу же после изобретения колеса. Рывок в истории создания автомобилей, произошел благодаря изобретению двигателя внутреннего сгорания. Это устройство стало реальной движущей силой, дающей скорость.
Попытки создать устройство, подобное двигателю внутреннего сгорания, начались с 18 века. Созданием устройства, которое могло бы преобразовывать энергию топлива в механическую, занимались многие изобретатели.
Первыми в этой области были братья Ньепс из Франции. Они придумали прибор, который сами назвали «пирэолофор». В качестве топлива для данного двигателя должна была использоваться угольная пыль. Однако, данное изобретение так и не получило научного признания, и существовала, по сути, только в чертежах.
Первым успешным двигателем, который начал продаваться, был двигатель внутреннего сгорания бельгийского инженера Ж.Ж. Этьена Ленуара. Год рождения этого изобретения - 1858. Это был двухтактовый электрический двигатель с карбюратором и искровым зажиганием. Топливом для устройства служил каменноугольный газ. Однако изобретатель не учел потребность в смазке и охлаждении своего двигателя, поэтому он работал очень недолго. В 1863 году Ленуар переделал свой двигатель - добавил недостающие системы и в качестве топлива ввел в использование керосин.
Ж.Ж.Этьен Ленуар
Устройство было крайне несовершенным - сильно нагревался, неэффективно использовал смазку и топливо. Однако с помощью него ездили трехколесные автомобили, которые так же были далеки от совершенства.
В 1864 году был изобретен одноцилиндровый карбюраторный двигатель, работающий от сгорания нефтепродуктов. Автором изобретения стал Зигфрид Маркус, он же представил общественности транспортное средство, развивающее скорость 10 миль в час.
В 1873 году еще один инженер - Джордж Брайтон - смог сконструировать 2-х цилиндровый двигатель. Изначально он работал на керосине, а позже на бензине. Недостатком этого двигателя была излишняя массивность.
В 1876 году произошел рывок в индустрии создания двигателей внутреннего сгорания. Николас Отто впервые создал технически сложное устройство, которое эффективно преобразовывало энергию топлива в механическую энергию.
Николас Отто
В 1883 году француз Эдуард Деламар разрабатывает чертеж двигателя, топливом для которого служит газ. Однако его изобретение существовало только на бумаге.
1185 году в истории автомобилестроения появляется громкое имя - . Он смог не только изобрести, но и запустить в производство прототип современного газового двигателя - с вертикально расположенными цилиндрами и карбюратором. Это был первый компактный двигатель, который к тому же способствовал развитию приличной скорости перемещения.
Параллельно с Даймлером над созданием двигателей и автомобилей работал .
В 1903 году предприятия Даймлера и Бенца объединились, дав начало полноценному предприятию автомобилестроения. Так началась новая эра, послужившая дальнейшему совершенствованию двигателя внутреннего сгорания.
Был специфически транспортным. Он питался смесью жидкого топлива с воздухом, притом экономно. Частота вращения вала была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, а литровая мощность (л. с/л) - вдвое. На единицу мощности приходилась меньшая масса.
Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин; и эту тихоходность Бенц оправдывал долговечностью и бесшумностью двигателя. Кривошипный механизм оставался открытым, как у стационарных двигателей. Наиболее интересно в двигателе Бенца электрическое зажигание смеси, в принципе такое же, как у теперешних двигателей. Увы, оно работало очень неустойчиво.
Увеличение мощности двигателя
Увеличить мощность двигателя и тем самым скорость автомобиля было не так-то легко. Если увеличивать диаметр цилиндра, то возрастают силы, действующие на его стенки, на детали кривошипного механизма. Если же увеличивать длину хода поршня, то цилиндр трудно разместить на автомобиле, растут размеры частей кривошипа. В обоих случаях двигатель становится тяжелее. Эти обстоятельства привели конструкторов к мысли - умножить число цилиндров. Даймлер выполнял двухцилиндровыми (У-образными) уже свои самые ранние двигатели, а в 1891 году построил первый четырехцилиндровый.
Увеличение числа цилиндров давало не только компактность двигателя при росте его мощности, но и плавность хода. В четырехцилиндровом двигателе каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового двигателя - на два оборота. Вместе с тем конструкция и сборка двигателя при нескольких цилиндрах более сложные, возникают перекосы и прогиб вала. Пришлось ввести на нем противовесы, увеличивать число его опор, установить рядом вспомогательный уравновешивающий вал.
К концу века многие фирмы выпускали одновременно двигатели одно-, двух- и четырехцилиндровые. Старались применить на всех двигателях фирмы одинаковые цилиндры, чтобы наладить массовое производство и упростить их замену в случае повреждения. Пытались выполнять и головку цилиндра съемной (как это делается теперь), чтобы облегчить сборку двигателя и обслуживание клапанов, но не смогли добиться плотности зазора между головкой и цилиндром; нагрев вызывал деформацию головки, герметичность нарушалась. Тогда стали отливать цилиндр заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали люки с нарезными пробками. Отливка получалась замысловатой. Поэтому рубашка водяного охлаждения была съемной (отсюда и ее название), выполненной из латуни или меди. Крепили ее на винтах.
Важное место занимала система распределения, т. е. наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от газов. У всех ранних двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим тарельчатым клапаном - «тарелочкой» на стержне вроде опрокинутого гриба. По форме клапан похож на нынешний, открывался благодаря разрежению в цилиндре при такте впуска, а в остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Несмотря на частые заедания, простота конструкции такого клапана привлекала специалистов до первых годов XX века. А затем с увеличением частоты вращения вала перешли на управляемый клапан.
Выпускным же клапаном с самого начала управляли, как золотником у паровой машины, при помощи эксцентрика и тяги. С отказом от автоматического клапана и увеличением числа цилиндров множилось и число эксцентриков. Это натолкнуло конструкторов на мысль о едином вале с кулачками вместо эксцентриков, с приводом его от коленчатого вала. Кулачки установили так, что их выступы в нужный момент приподнимали стержни клапанов. При дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым. Устройство распределительного механизма приобрело схему, сохранившуюся до наших дней. Чтобы возместить несовершенство тогдашних карбюраторов, этому механизму придавали еще одну функцию: водитель мог особым (еще одним!) рычагом – отключателем сместить распределительный вал и вывести кулачки из-под клапанов, временно прекратить их действие.
Хотя, казалось бы, автомобильный двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы очень скоро пришли к выводу о большей эффективности водяного охлаждения. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, иногда опоясывавшие весь капот двигателя. Змеевики, несмотря на их громоздкость, большую массу и возможные отказы, просуществовали около 15 лет. На модели «Мерседес» (1901) впервые применен знакомый ныне трубчатый или сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения, изменивший облик автомобиля. В конце XIX века появились водяные насосы, вращаемые коленчатым валом. Для продувки воздуха через радиатор, особенно при медленной езде, применили вентилятор, расположенный позади радиатора или объединенный с маховиком двигателя (в этом случае ставили под двигателем кожух для герметизации подкапотного пространства).
К началу XX века утвердилась система смазки двигателя разбрызгиванием. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали заполнявшее картер масло, его капли смазывали цилиндры и подшипники. Для смазки прочих механизмов автомобиля предназначалась целая батарея «капельниц», красовавшаяся на переднем щитке или сбоку кузова. Время от времени водитель или его помощник нажимали кнопки капельниц.
В разработке приборов, предназначенных для подачи смеси в цилиндры и ее воспламенения, пришлось соприкоснуться со сравнительно новыми научными дисциплинами: электротехникой, газо- и гидродинамикой.
Задолго до появления автомобилей был известен пульверизатор. Стоило поставить его на пути бензина из бака к двигателю, и разрежение в цилиндрах при такте впуска создавало бы тягу воздуха и распыляло бензин. Смешиваясь с воздухом, он образовывал горючую смесь. Однако конструкторы считали, что такая «парикмахерская» схема слишком деликатна для грубых двигателей того времени.
Появление карбюраторов
Изобретали различные замысловатые карбюраторы. Работа карбюратора Маркуса напоминает процесс разбрызгивания краски со щетки (отсюда название - щеточный карбюратор). В «барботажном» (взбалтывающем) карбюраторе Бенца воздух проходил через толщу бензина в баке. Слой бензина по мере его расхода становился тоньше, а смесь - менее насыщенной; прибор работал нормально лишь в начале поездки. От фитильного карбюратора отказались, так как из-за разрежения в цилиндре порой засасывало… сами фитили и двигатель останавливался. При использовании поверхностного карбюратора водителю приходилось постоянно наблюдать за уровнем бензина.
Не добившись желаемого результата, конструкторы обратились к отвергнутому пульверизатору. Пульверизационный карбюратор Даймлера и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры, как из пульверизатора, распыленной струей. Эта схема в принципе сохранилась до наших дней.
Системы зажигания
Разнообразие конструктивных решений характерно и для ранних систем зажигания. Об их «эффективности» свидетельствуют слова «Доброго зажигания!», которыми когда-то приветствовали друг друга автомобилисты. И ныне среди водителей сохранился термин «на длинном зажигании» (буксировка отказавшего автомобиля).
Ленуаровские электрические приборы были настолько не-совершенны, что снабженный ими первый автомобиль Бенца мог работать только на очень ровной дороге, в сухую погоду и вблизи от зарядной станции или имея «на борту» запас сухих бунзеновских элементов. Попробовали заменить их динамо-машиной, но она не работала при малых оборотах; для пуска двигателя нужно было вручную очень энергично раскрутить его вал или каким-либо способом разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был еще очень тяжел, энергетически слаб, портился от тряски.
Многих автостроителей привлекало изобретенное в 1895 году немецким инженером-электриком Робертом Бошем (1861 -1942) «Магнитное зажигание на отрыв». Эта система вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, приводившаяся от якоря. Разрыв происходил в камере сгорания. Возникала искра, воспламенявшая смесь. Система работала надежно, если частота вращения двигателя не превышала 300 об/мин.
Г. Даймлера и В. Майбаха, добивавшихся больших оборотов двигателя, ни одна из тогдашних электрических систем зажигания не удовлетворяла. Поэтому до самого конца XIX века на автомобилях «Даймлер» применялась платиновая калильная трубка, несмотря на ее дороговизну, пожарную опасность и на то, что она нередко вызывала преждевременное воспламенение смеси. В Германии был даже подготовлен законопроект о запрете калильного зажигания. Даймлер первым применил на серийном автомобиле предложенную Р. Бошем магнитоэлектрическую машину с двумя обмотками якоря. Ее назвали «магнето высокого напряжения». Она позволила достичь надежного зажигания и не зависела от числа оборотов двигателя. Автомобили с магнето просуществовали до 1930-х годов.
Так шаг за шагом создавался автомобильный двигатель. Его мощность возросла к началу XX века в десятки раз, а удельная мощность - в 7 раз, расход топлива на 1 л. с. сократился вдвое. Черты сходства со стационарными двигателями почти утратили, кроме самых общих.
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.
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.
Р. Дизель.
Двигатель Р. Дизеля.
Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был изобретен французским инженером Ленуаром в 1860 г. Этот двигатель во многом повторял паровую машину, работал на светильном газе по двухтактному циклу без сжатия. Мощность такого двигателя составляла примерно 8 л.с., КПД – около 5%. Этот двигатель Ленуара был очень громоздким и поэтому не нашел дальнейшего применения.
Через 7 лет немецкий инженер Н. Отто (1867 г.) создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. Этот двигатель имел мощность 2 л.с., с числом оборотов 150 об/мин и уже выпускался серийно.
Двигатель мощностью 10 л.с. имел КПД 17% , массу 4600 кг и нашел широкое применение. Всего таких двигателей было выпущено более 6 тыс.
К 1880 г. мощность двигателя была доведена до 100 л.с.
Рис 3. Двигатель Ленуара: 1 – золотник; 2 – полость охлаждения цилин-дра: 3 – свеча зажигания: 4 – поршень: 5 – шток поршня: 6 – шатун: 7 – контактные пластины зажигания: 8 – тяга золотника: 9 – кривошипный вал с маховиками: 10 – эксцентрик тяги золотника.
В 1885 г. в России капитан Балтийского флота И.С.Костович создал двигатель для воздухоплавания мощностью 80 л.с. с массой 240 кг. Тогда же в Германии Г.Даймлер и независимо от него К.Бенц создали двигатель небольшой мощность для самодвижущихся экипажей – автомобилей. С этого года началась эра автомобилей.
В конце 19 в. немецким инженером Дизелем был создан и запатентован двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора двигателем Дизеля. Топливо в двигателе Дизеля подавалось в цилиндр сжатым воздухом от компрессора и воспламенялось от сжатия. КПД такого двигателя составляло примерно 30%.
Интересно, что за несколько лет до Дизеля русский инженер Тринклер разработал двигатель, работающий на сырой нефти по смешанному циклу – по которому работают все современные дизельные двигатели, однако он не был запатентован, а имя Тринклера мало кто теперь знает.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Двигатели внутреннего сгорания
факультет МиАС.. Содержание дисциплины.. Введение Двигатели внутреннего сгорания Роль и применение..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
Роль и применение ДВС в строительстве
Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно
Основные механизмы и системы двигателя
ДВС состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения и пяти систем: питания, зажигания, смазки, охлаждения и пуска.
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для восп
Теоретические и действительные циклы
Характер рабочего процесса в двигателе бывает различный – подвод теплоты (сгорание) происходит при постоянном объеме (вблизи ВМТ -это карбюраторные двигатели) или при постоянном дав
1.7.3. Процесс сжатияслужит:
1 для расширения температурных пределов между которыми протекает рабочий процесс;
2 для обеспечения возможности получения максимально
Теплообмен в процессе сжатия
В начальный период сжатия после закрытия впускного клапана или продувочных и выпускных окон температура заряда, заполнившего цилиндр, ниже температуры стенок, головки, и днища поршня. Поэтому в пер
Показатели эффективности, экономичности и совершенства конструкции двигателей
Индикаторные показатели:
Рис. 20. Индикаторная диаграмма четырехтактного
Показатели токсичности отработавших газов и способы снижения токсичности
Исходными веществами в реакции горения является воздух, содержащий примерно 85% углерода, 15% водорода и другие газы и углеводородное топливо, содержащее примерно 77% азота, 23% кис
Пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей
Рис. 24. Температуры сгорания бензино-воздушных горючих смесей разных составов: Т
Сгорание в карбюраторных двигателях
В карбюраторных двигателях к моменту появления искры рабочая смесь, состоящая из воздуха, парообразного или газообразного топлива и остаточных газов, заполняет объем сжатия. Процесс
Детонация
Детонация – сложный химико-тепловой процесс. Внешними признаками детонации являются появление звонких металлических стуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигат
Сгорание в дизельных двигателях
Особенности процесса сгорания, рис. 28:
- подача топлива начинается с опережением на угол θ до в.м.т. и заканчивается после в.м.т.;
- изменение давления от т.
Формы камер сгорания дизельных ДВС
Неразделенные камеры сгорания.
В неразделенных камерах сгорания Рис.29 улучшение процесса распыливания топлива и перемешивания его с воздухом достига
Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы
3.1. Кривошипно-шатунный механизм (рис.33)предназначен для восприятия давления газов и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала Он
Наддув, назначение и способы наддува
Наддув цилиндров двигателей может быть либо динамическим, либо осуществляться при помощи специального нагнетателя (компрессора).
Различают три системы наддува при помощи нагнетателей: с п
Системы питания двигателей
4.1 Система питания дизелей. Система питания осуществляет подачу топлива в цилиндры. При этом должны обеспечиваться высокие мощностные
Система питания карбюраторных двигателей
Приготовление и подача к цилиндрам карбюраторных двигателей горючей смеси, регулирование ее количества и состава осуществляется системой питания, работа которой оказывает большое
Контактно-транзисторная система зажигания
КТСЗ начала появляться на автомобилях в 60-х годах. При увеличении степени сжатия, использовании более бедных рабочих смесей и с увеличением частоты вращения коленчатого вала и числа цилиндров кла
Бесконтактно-транзисторная система зажигания
БТСЗ начали применять с 80-х годов. Если в КСЗ прерыватель непосредственно размыкает первичную цепь, в КТСЗ – цепь управления, то в БТСЗ (рис.61-63) прерывателя нет и управление становится бесконта
Микропроцессорные системы управления двигателем
МСУД стали устанавливать на автомобили с середины 80-х годов на легковые автомобили оборудованные системами впрыска топлива.
Система управляет двигателем по оптимальным характеристикам и н
Крышка распределителя
Наружную поверхность крышки распределителя также как и катушки зажигания необходимо содержать в чистоте. У высоких «жигулевских» крышек стекание импульса по наружной поверхности на корпус распредел
Свечи зажигания
Свечи зажигания служат для образования электрической искры, необходимой для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя.
Контакты прерывателя
Надежность классической системы зажигания (KC3) в существенной мере зависит от прерывателя. Часто бывает так, что о прерывателе (кстати, как и о других элементах системы зажигания)
Системы смазки и охлаждения и пуска
Основные положения.Система смазки двигателей предназначается для предотвращения повышенного изнашивания, перегрева и заедания трущихся поверхностей, уменьшения затраты индикаторн
Система охлаждения
В поршневых двигателях в процессе сгорания рабочей смеси температура в цилиндрах двигателя повышается до 2000-28000 К. К концу процесса расширения она снижается до 1000-1
Система пуска
Пуск поршневых д. в. с., независимо от типа и конструкции, осуществл-яется вращением коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии. При этом частота вращения должна о
Топлива
Топлива для ДВС – продукты переработки сырой нефти (бензин, дизельное топливо)-
Основная часть его – углеводороды.
Бензин получают путем конденсации легких фракций переработки неф
Моторное масло
7.3.1.Требования, предъявляемые к моторным маслам.В поршневых двигателях для смазки деталей используют масла главным образом нефтяного происхождения. Физико-химические свойства масел обусл
Охлаждающие жидкости
Через систему охлаждения отводится 25-35% общего тепла. Эффективность и надежность системы охлаждения в значительной степени зависит от качества охлаждающей жидкости.
Требования к охлаж
