История создания двигателей внутреннего сгорания

История создания двигателей внутреннего сгорания. 

В 1799 году французский  инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. 

Патент  на конструкцию газового двигателя.

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь своё изобретение. 

Жан Этьен Ленуар.

В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный  двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели  к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать  с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя  внутреннего сгорания принадлежит  бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.

Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.

Август  Отто.

В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу- она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.

Будущий конструктор  родился 10 июля 1832 года в городе (по другим сведениям – в деревушке) Хольцхаузен. В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания". 

На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разряжённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. 

Поскольку двигатели  Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.

Четырёхтактный цикл был самым большим техническим  достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл. 

Хотя конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним  производством модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге. 
 

Схема работы четырехтактного  цилиндра двигателя, цикл Отто

1. Впуск  2. Сжатие  3. Рабочий ход  4. Выпуск

 
 

 

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.  

2. Сжатие. Поршень идёт из нижней точки в верхнюю, сжимая рабочую смесь. Температура смеси растет. Здесь же возникает отношение рабочего объёма цилиндра в нижней мертвой точки и объёма камеры сгорания в верхней – так называемая «степень сжатия». Чем больше эта величина, тем больше топливная экономичность двигателя. Для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с бо́льшим октановым числом, которое дороже.  

3. Сгорание и расширение (или рабочий ход поршня). Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из верхней точки в нижнюю топливо сгорает, и под действием тепла рабочая смесь расширяется, толкая поршень.  

4. Выпуск. После нижней мертвой точки рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. Когда поршень достигает верхней точки, выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала. 
 
 

Двухтактный цикл.

В двухтакном цикле рабочие ходы происходят вдвое чаще. 

 

Поиски  нового горючего. 

Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя  внутреннего сгорания. Некоторые  изобретатели пытались применить в  качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в 1872 году американец Брайтон  пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более  лёгкому нефтепродукту - бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать  с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом. 

Брайтон в том  же 1872 году придумал один из первых так  называемых "испарительных" карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно. 
 
 

Бензиновый  двигатель. 

Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью  годами позже. Изобретателем его  был немецкий инженер Юлиус Даймлер. Много лёт он работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. НИкита отнёсся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом. 

Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счёт увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой полой трубочки, открытой в цилиндр. 

Первая модель бензинового  двигателя предназначалась для  промышленной стационарной установки. 

Процесс испарения  жидкого топлива в первых бензиновых двигателях заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалась за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха. 

Первые двигатели  внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём  цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. 

В конце XIX века появились  двухцилиндровые двигатели, а с  начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые. 
 
 

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель 

Ро́торно-поршнево́й дви́гатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ва́нкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером компании NSU Вальтером Фройде, ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя. 

Особенность двигателя  — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рело, вращающегося внутри цилиндра специального профиля. 
 

Конструкция

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй —  статором.  Диаметр ротора намного  превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом  обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает  движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх клапанов.

 

 

Цикл  двигателя Ванкеля:

1. Ввпуск

2. Сжатие

3. Рабочий ход

4. Выпуск  
 
 
 
 
 

Преимущества  перед обычными бензиновыми  двигателями:

1. Низкий уровень вибраций. РПД полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;

2. Главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.

3. Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:

Масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в  аналогичных по мощности «нормальных» поршневых двигателях, так как  в его конструкции отсутствуют  коленчатый вал и шатуны.