История двигателя внутреннего сгорания – История бензинового двигателя (ДВС) — Двигатели автомобилей

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.

istmira.com

История создания двигателя внутреннего сгорания Википедия

Тепловые машины (в основном, паровые) с момента появления отличались большими габаритами и массой, обусловленными в значительной степени применением внешнего сгорания (требовались котлы, конденсаторы, испарители, теплообменники, тендеры, насосы, водяные резервуары и др.). В то же время основная (функциональная) часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Поэтому мысль изобретателей всё время возвращалась к возможности совмещения топлива с рабочим телом двигателя, позволившего затем значительно уменьшить габариты и вес, интенсифицировать процессы впуска и выпуска рабочего тела. Облегчение двигателей позволило устанавливать их на транспорте, в том числе даже на самолёт. Современные самолёты (кроме небольшого количества на электромоторах) комплектуются исключительно двигателями внутреннего сгорания — реактивными, турбореактивными, или поршневыми.

Прогресс в области ДВС тесно увязан с открытием и применением различных топлив, включая синтезированные. Поскольку состав рабочего тела (получающегося сгоранием топливо-воздушной смеси), теплотворная способность, скорость сгорания смеси, и параметры цикла (степень сжатия) зависит от применённого топлива, оно и определяет в значительной части массо-габаритные и мощностные показатели таких двигателей. Топливо ДВС определяет устройство последнего, и вообще возможность его создания. Первым таким топливом стал светильный газ.

Газовый двигатель Лебона[ | ]

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и 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. Изобретатели взялись за конструирование двигателей, способных заменить паровую машину, при этом топливо сгорало бы не в топке, а непосредственно в цилиндре 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 смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в

ru-wiki.ru

История создания двигателя внутреннего сгорания

Вы можете изучить истории возникновения и развития известнейших мировых автокомпаний

История создания двигателя внутреннего сгорания, конструкция и принцип работы двигателя, поршневого двигателя внутреннего сгорания, конструкция блока цилиндра, его неисправности и ремонт

История создания двигателей внутреннего сгорания:

Еще в те далекие годы ученые, инженеры многих стран работали над открытиями в различных областях науки: химии, физике, механике. Так, в 1799 году, Филипп Лебон – французский инженер, открыл светильный газ. Светильный газ он получил из древесины и угля путем сухой перегонки. Открытие послужило началом развития техники освещения.

В 1801 году он разработал свою конструкцию газового двигателя. Работа двигателя основывалась, опять же, на свойствах открытого им газа. Газ, в смеси с воздухом при нагревании, воспламенялся, горел с выделением огромного количества тепла и расширялся. Эту энергию он использовал в своем первом двигателе. Конструкция его двигателя состояла из двух компрессоров и смесительной камеры. Один компрессор закачивал сжатый воздух, второй – светильный газ из газогенератора. Смесь газов направлялась в рабочие цилиндры, расположенные по обе стороны от поршня. Смесь поочередно воспламенялась, то в одном цилиндре, то — в другом. Это открытие послужило предпосылкой создания двигателя внутреннего сгорания. Но воплотить свою идею о создании двигателя внутреннего сгорания он не успел. В 1804 году он погиб. Его идею разработали другие изобретатели.

Конструкции двигателей внутреннего сгорания, в последующие годы, разрабатывались учеными в зависимости от использования горючих веществ — топлива.

В 1877 году Август Отто, немецкий изобретатель, разработал новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

В конце XIХ века появились двухцилиндровые двигатели.

С начала XX века — четырёхцилиндровые.

В зависимости от вида топлива, используемого в двигателе, автомобили делятся на:

— автомобили с карбюраторными двигателями, работающие на легковоспламеняющемся жидком топливе – бензине

— автомобили с дизельными двигателями, работающие на тяжелом жидком дизельном топливе

— автомобили, работающие на сжатом или сжиженном газе, хранящиеся на автомобиле в баллонах.

Двигатели внутреннего сгорания бывают:

1. Поршневые.

2. Роторные.

3. Газотурбинные.

4. Роторно-поршневые.

5. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания.

6. RCV.

 
Мы будем говорить о поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. О конструкции двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания – поршневой

Двигатели внутреннего сгорания состоят из основных конструктивных узлов:

1. Цилиндра с поршнем – камера сгорания.

Где, пары топлива смешанные с воздухом, воспламеняются от электрической искры, сгорают, нагреваются, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Химическая энергия топлива превращается в механическую энергию.

2. Кривошипно-шатунного механизма.

Служит для преобразования прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В него входят:

— блок цилиндров с головкой, поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны,

коленчатый вал, маховик, картер.

3. Газораспределительного механизма.

Служит для своевременного впуска в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуска отработанных газов.

Состоит из:

— впускных и выпускных клапанов с пружинами, деталями их крепления, толкателей, направляющих втулок клапанов и толкателей, распределительного вала, распределительных шестерен.

4. Системы охлаждения.

Предназначена для отвода тепла от деталей двигателя, нагревающихся при его работе.

В нее входят:

— рубашка охлаждения блока, головки цилиндров, радиатор, насос, вентилятор,

водораспределительная труба, термостат, соединительные шланги, краники слива жидкости, жалюзи и указатель температуры охлаждающей жидкости.

5. Системы смазки.

Служит для подачи масла к трущимся поверхностям деталей двигателя, частичного охлаждения их и очистки масла.

К ней относятся:

— поддон картера, маслоприемник, масляный насос, масляные фильтры грубой и тонкой очистки, масляный радиатор, указатель давления масла, трубопроводы и каналы.

6. Системы питания.

Предназначена для подвода топлива, очистки и подачи воздуха к карбюратору, приготовления горючей смеси, подвода ее к цилиндрам и отвода из них отработавших газов.

К системе питания относятся:

— топливный бак, фильтр отстойник, насос, карбюратор

7. Системы зажигания.

Служит для образования электрической искры и воспламенения ее в цилиндрах двигателя.

2. О принципе работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Для объяснения принципа работы двигателя возьмем цилиндр с поршнем. Поршень, в не рабочем состоянии, свободно перемещается внутри цилиндра. Соединим его с кривошипом вала при помощи шатуна. В цилиндр введем заряд горючей смеси. Воспламеним этот заряд (пары топлива смешанные с воздухом) электрической искрой. При быстром сгорании топлива, газы нагреваясь, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Шатун, шарнирно связан одним концом с поршнем, другим концом шарнирно закреплен на шейке кривошипа коленчатого вала. При перемещении поршня, весь узел поворачивает коленчатый вал и закрепленный на его конце маховик. Прямолинейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала и маховика. Чтобы поршень работал постоянно, необходимо постоянно впускать заряд. Для этой цели в верхней части цилиндра имеются два отверстия: впускное и выпускное. Эти отверстия перекрываются поочередно клапанами. Маховик очень тяжелый. Он помогает не останавливаться поршню до нового воспламенения смеси.

После расширения газов клапан выпускного отверстия при движении поршня вверх открывается, и отработавшие газы выталкиваются наружу. Коленчатый вал продолжает вращаться, перемещает поршень вниз. В освобождаемой части цилиндра создается разряжение. Открывается впускной клапан впускного отверстия и цилиндр заполняется новой порцией заряда горючей смеси. Полезная работа создается только при новом цикле, когда происходит сгорание горючей смеси, то есть, когда поршень в верхнем положении и сжимает пары горючей смеси.

Верхнее и нижнее положения поршня – это мертвые точки. Движение поршня вверх – вниз – это ход поршня. За один ход поршня коленчатый вал поворачивается на 180 градусов, то есть пол-оборота.

Процессы, происходившие внутри цилиндра за один ход поршня, называются тактом.

Пространство внутри цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней части цилиндра (мертвой точке), называется камерой сгорания.

Пространство, освобождаемое при движении поршня вниз (нижнюю мертвую точку) называется рабочим объемом цилиндра.

В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя и выражается в литрах.

Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема плюс объем камеры сгорания.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия.

Чем больше степень сжатия, тем выше экономичность и мощность двигателя вследствии уменьшения тепловых потерь и уменьшения давления на поршень.

Снижение тепловых потерь достигается уменьшением внутренней поверхности камеры сгорания.

Среднее давление на поршень повышается за счет увеличения температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большом сжатии.

И так выяснили:

— что принцип работы одноцилиндрового двигателя состоит из выполнения одного такта рабочего хода, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов

— что, для этого процесса необходимы три подготовительных такта: впуск, сжатие, расширение и выпуск — четыре такта

— что блок цилиндра или цилиндров, является основной деталью двигателя.

3. О блоке цилиндра, как основном узле двигателя.

Цилиндры в блоке могут быть расположены вертикально, в один ряд, в два ряда, V – образно под углом 90 градусов.

Блок цилиндров отливают из чугуна или алюминиевого сплава. В этой же отливке выполняются: картер, стенки рубашки охлаждения, окружающей цилиндры двигателя, впускные и выпускные каналы, заканчивающиеся гнездами клапанов, и клапанная коробка, где размещается часть деталей газораспределительного механизма. Внутренняя поверхность цилиндров служит направляющей для поршней.

Цилиндр растачивают под требуемый размер, а затем шлифуют. Эта поверхность называется зеркалом цилиндра. Цилиндры могут выполняться и в виде вставных гильз, омываемых охлаждающей жидкостью. Такие гильзы называются мокрыми. Нижняя часть гильз имеют уплотнительные кольца. Вверху уплотнение достигается за счет прокладки головки цилиндров. Для продления срока службы двигателей в верхнюю часть, наиболее изнашивающуюся часть цилиндров, запрессовываются короткие тонкостенные гильзы из кислотоупорного чугуна. Сверху блок закрыт головкой цилиндров, изготовленной из алюминиевого сплава.

Крепятся головки цилиндров к блоку шпильками с гайками, а их герметичность, с помощью металлоасбестовой прокладки.

Поршни отливаются из алюминиевого сплава. Поршни имеют цилиндрическую форму. Состоит из головки с днищем и направляющих стенок (юбки). На цилиндрической части головки поршня выточены канавки для поршневых колец.

В головку залита чугунная кольцевая вставка с прорезью для верхнего компрессионного кольца. Над верхней канавкой сделана кольцевая вытачка для уменьшения передачи тепла от днища поршня к кольцам, для предохранения от их пригорания.

В направляющих стенках имеются два прилива – бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Ось отверстия под поршневой палец смещена в сторону распределительного вала для уменьшения качания поршня в верхней мертвой точке и снижения шума при работе. В юбке, в нижней ее части, есть выемка для прохода противовесов коленчатого вала при вращении.

Для предотвращения заклинивания при нагреве между рабочей поверхностью цилиндра и поршнем есть зазор. Диаметр головки поршня делают меньшим, так как он нагревается больше, чем стенки поршня.

Для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром в прогретом состоянии и предотвращения стука в холодном двигателе направляющие стенки поршней делаются овальной формы, или П – образные разрезы, или Т – образные, или косые разрезы. Большая ось овала ставится в плоскости действия боковых сил и меньшей осью в плоскости поршневого пальца. Для правильной установки поршней при сборке на днище выбита с надписью «вперед».

Для ускоренной приработки поршней к цилиндру их покрывают тонким слоем олова.

Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов в картер двигателя и снятия излишек масла со стенок цилиндра. Изготовляются кольца из чугуна или стали и имеют замок (разрез). Они упругие, поэтому плотно прилегают к стенкам цилиндра. Кольца устанавливают на поршень разрезами в разные стороны.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Палец – пустотелый, цилиндрической формы. Наружный слой пальца закален с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости. Палец удерживается от осевого смещения стопорными пружинными кольцами, установленными в вытачках бобышек поршня. Такое крепление поршневого пальца называется плавающим и позволяет ему во время работы двигателя, поворачиваться вокруг оси в бобышках поршня и в верхней головке шатуна.

4. О неисправностях цилиндра, поршня, поршневых колец и пальцев, признаках неисправностей и их устранениях.

1. Двигатель не развивает полной мощности.

Причины:

— уменьшение компрессии в результате нарушения уплотнения прокладки головки цилиндров при слабой или неравномерной затяжке гаек крепления.

Устранение неисправности:

а) ключом раскрутить гайки на шпильках

б) вынуть шпильки

в) тщательно очистить поверхность разъема

г) прокладку натереть порошкообразным графитом

д) заменить металлоасбестовую прокладку

е) провести операцию сборки в обратном порядке с равномерной затяжкой гаек. Затяжку гаек производить от центра, постепенно перемещаясь к краям

— пригорание колец в канавках поршня из за отложения смолистых веществ, приводит к перерасходу топлива.

Устранение неисправности:

а) проверить рукой или компрессометром компрессию в цилиндрах:

Для проверки компрессии рукой, вывернуть свечи зажигания, кроме проверяемого цилиндра. Вращать коленчатый вал пусковой рукояткой. По сопротивлению проворачиванию во время такта сжатия, опытные проверяют, судят о компрессии.

Проверить компрессию с помощью компрессометра. Для этого, прогреть двигатель. Вывернуть свечи. Полностью открыть дроссель и воздушную заслонку карбюратора. Установить резиновый наконечник компрессометра в отверстие для свечи. Вращать коленчатый вал двигателя в течении 2 – 3 секунд. Компрессометр дает показания. В исправном двигателе величина давления конца сжатия в пределах 7,0 – 8,0 килограмм на один квадратный сантиметр.

б) выпустить воду

в) отсоединить шланги

г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску

д) удалить отложения смолистых веществ с помощью скребка из мягкого металла. Перед удалением смолистых веществ, чтобы не повредить поверхность поршня, смочить керосином

е) заменить кольца

ж) вновь собрать узел

з) проверить компрессию двигателя

и) пригорание колец можно устранить и без разборки двигателя. На ночь залить в каждый цилиндр смесь из 20 г, состоящей из равных частей денатурированного спирта и керосина

— износ, поломка, потеря упругости колец

Устранение неисправности:

а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя

б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ, без применения керосина

г) заменить поврежденные кольца.

— отложение нагара на днищах поршней и стенках камеры сгорания

Причины этой неисправности приводят к перегреву двигателя, увеличению расхода топлива, к потере мощности.

Устранение неисправности:

б) выпустить воду

в) отсоединить шланги

г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску

д) удалить нагар:

Удаляется нагар с днищ поршней поочередно, когда поршни устанавливаются в цилиндрах в крайние верхние положения. Соседние цилиндры надо закрыть чистой ветошью. Нагар удалять скрепками из мягкого металла, чтоб не повредить поверхность очищаемых деталей. Для размягчения нагара смачивают керосином. Нагар в камере сгорания удаляют также.

е) вновь собрать узел

ж) проверить компрессию двигателя

— износ, поломка, потеря упругости колец

Устранение неисправности:

а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя

б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ или нагара, без смазки керосином, просто заменой исправными кольцами

— обрыв шпилек, повреждение резьбы шпилек, повреждение резьбы гаек

а) заменить шпильки и гайки

— износ рабочей поверхности цилиндра. Вызывает перерасход топлива, дымный выпуск отработавших газов.

Устранение неисправности:

а) разборка узла, выше указанным способом

б) отправка на восстановление до нужных размеров диаметра цилиндра в специализированные участки или замена новым.

2. Стуки в двигателе.

Причины:

— увеличение зазора в результате износа или повреждения поверхностей поршней, цилиндров, поршневых пальцев и втулок, коренных и шатунных подшипников, выплавление баббитового слоя вкладышей подшипников. Стук во время пуска и работе холодного двигателя, признак увеличения зазора между поршнем и цилиндром. Резкий металлический стук, который прослушивается на всех режимах работы двигателя, говорит об увеличении зазора между поршневыми пальцами и втулками. Увеличение стука при резком повышении оборотов коленчатого вала двигателя указывает на повышенный износ коренных и шатунных подшипников. Если более глухой стук – это износ коренных подшипников. Резкий, не прекращающийся стук в двигателе, который сопровождается падением давления, «говорит» о выплавлении или большом износе слоя баббита во вкладышах подшипников.

Устранение неисправности:

Прослушивание двигателя для определения причин стуков производится с помощью стетоскопа. Пользование этим прибором требует большого навыка.

avtoliteratura.ru

История двигателя внутреннего сгорания

Главное устройство любого транспортного средства, в том числе назем­ного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.

 

В ходе исторического развития транспортных двигателей меха­ническая работа движения осуществлялась за счет применения:

 

1) мускульной силы человека и животных;

 

2) силы ветра и потоков воды;

 

3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;

 

4) электрической и химической энергии;

 

5) солнечной и ядерной энергии.

 

Записи о попытках построить самоходные средства перед­вижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускуль­ным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.

 

 

 

Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.

 

 

Эта коляска, вполне вместительная для пере­возки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоно­вым на рубеже XVIII и XIX вв.

 

 

Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортны­ми, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приво­дящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.

 

Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако боль­шие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправда­лись. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построен­ный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных оста­новок через каждые 15 минут движения.

 

Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удач­ные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начи­ная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил неско­лько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона,

 

 

а в 1887 — автомобили Леона Серполе, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенера­тор с почти мгновенным испарением воды.

 

 

Паровые автомобили Серполе конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г. Вместе с тем совершенствование паровых двигателей в качестве транспортных двигателей продолжается и сегодня в направлении снижения их массогабаритных показателей и повышения коэффициента полез­ного действия.

 

Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внут­реннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось по­пытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Рос­сия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические авто­мобили. Их появление связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недо­статочная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двига­телями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.

 

 

 

Электромобили имеют достаточно высокие пре­имущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тя­говой характеристикой и большими ускорениями за счет возраста­ющего крутящего момента при снижении числа оборотов; исполь­зуют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на го­родском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.

 

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобрета­тель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топ­лива светильный газ.

 

 

Еще в 1801 г. француз Филипп де Бонне предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смеситель­ную камеру и оттуда в цилиндр двигателя, где смесь воспламеня­лась от электрической искры. Появление этого проекта считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоз-душной смеси.

 

Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.

 

 

 Практически все современные бензиновые и газовые двигатели до настоящего времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме).

 

Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных сме­сей и предварительного сжатия в цилиндрах. Официально изобрета­телями транспортных двигателей, работающих на жидких фракциях перегонки нефти, признаны три немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;

 

 

Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;

 

 

Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с само­воспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.

 

 

Здесь следует отметить, что первые двигатели внутреннего сго­рания, работающие на легких фракциях перегонки нефти, были созданы в России. Так, в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован ив 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилин­дровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппара­тов.

 

 

В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Проте­кание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который пред­полагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В Рос­сии в течение короткого времени была усовершенствована конст­рукция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.

 

Русский конструктор Е. А. Яковлев спроектировал и построил моторный экипаж с керосиновым двигателем.

 

 

Успешно работали над созданием экипажей и двигателей русские изобретатели и конст­рукторы: Ф. А. Блинов, Хайданов, Гурьев, Махчанский и многие Другие.

 

Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремле­ние к повышению литровой мощности, а следовательно, и к полу­чению наиболее компактного двигателя. После нефтяного кри­зиса 70 — 80 гг. основным требованием стало получение макси­мальной экономичности. Последние 10 — 15 лет XX в. главными критериями для любого двигателя стали постоянно растущие требования и нормы по экологической чистоте двигателей и преж­де всего по коренному снижению токсичности отработавших газов при обеспечении хорошей экономичности и высокой мощ­ности.

 

 

Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурен­тов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требо­ваний по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Эти требования и жесткие условия конкуренции на мировом рынке достаточно быстро изменили типаж силовых установок для транспортных средств и прежде всего для легкового транспорта. Сегодня различные системы впрыска топлива с различ­ными системами управления, включая электронные, практически полностью вытеснили использование карбюраторов на двигателях легковых автомобилей.

 

Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомо­бильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная про­мышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двига­телестроения на выпуск новых типов двигателей. Вместе с тем Россия имеет хороший научно-исследовательский задел по созда­нию перспективных двигателей и квалифицированные кадры специ­алистов, способных достаточно быстро реализовать имеющийся научный и конструкторский задел в производстве. За последние 8 — 10 лет разработаны и изготовлены принципиально новые опыт­ные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия. В 1995 г. разработана и внедрена на Заволжском моторном заводе и на Нижне-Новгородском авто­заводе микропроцессорная система управлением топливоподачей и зажиганием, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1. Разработаны и изготовлены образцы двигателей с микро­процессорной системой управления топливоподачей и нейтрализа­торами, удовлетворяющие экологические требования ЕВРО-2. В этот период учеными и специалистами НАМИ разработаны и созданы: перспективный турбокомпаундный дизель, серия дизель­ных и бензиновых экологически чистых двигателей традиционной компоновки, двигатели, работающие на водородном топливе, пла­вающие транспортные средства высокой проходимости с щадящим воздействием на грунт и т. п.

 

Современные наземные виды транспорта обязаны своим раз­витием главным образом применению в качестве силовых устано­вок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршне­вые ДВС до настоящего времени являются основным видом сило­вых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и стро­ительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе. Основные конкуренты по­ршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных пар­тий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.

 

 

Источник: Колчин А.И., Демидов В.П. — Конструкция и расчет автотракторных двигателей, 2008 г.

azbukadvs.ru

История создания двигателей внутреннего сгорания — WiKi

Тепловые машины (в основном, паровые) с момента появления отличались большими габаритами и массой, обусловленными в значительной степени применением внешнего сгорания (требовались котлы, конденсаторы, испарители, теплообменники, тендеры, насосы, водяные резервуары и др.). В то же время основная (функциональная) часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Поэтому мысль изобретателей всё время возвращалась к возможности совмещения топлива с рабочим телом двигателя, позволившего затем значительно уменьшить габариты и вес, интенсифицировать процессы впуска и выпуска рабочего тела. Облегчение двигателей позволило устанавливать их на транспорте, в том числе даже на самолёт. Современные самолёты (кроме небольшого количества на электромоторах) комплектуются исключительно двигателями внутреннего сгорания — реактивными, турбореактивными, или поршневыми.

Прогресс в области ДВС тесно увязан с открытием и применением различных топлив, включая синтезированные. Поскольку состав рабочего тела (получающегося сгоранием топливо-воздушной смеси), теплотворная способность, скорость сгорания смеси, и параметры цикла (степень сжатия) зависит от применённого топлива, оно и определяет в значительной части массо-габаритные и мощностные показатели таких двигателей. Топливо ДВС определяет устройство последнего, и вообще возможность его создания. Первым таким топливом стал светильный газ.

Газовый двигатель Лебона

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и 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. Изобретатели взялись за конструирование двигателей, способных заменить паровую машину, при этом топливо сгорало бы не в топке, а непосредственно в цилиндре 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 смешивания. 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 был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение^[1].

Двигатель Ленуара

  Barsanti-Matteucci (1853)

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 механику 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 заедания поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки, только тогда двигатель начал работать. Таким образом, именно Ленуар впервые решил проблемы смазки и охлаждения ДВС. Двигатель Ленуара имел мощность около 12 л.с. с КПД около 3,3%^[2].

Двигатель Отто

К 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 Николаусом Отто.

В 1864 году он 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 разрежённое 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 разрежение. 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 % (до 22%?^[2]), то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени^[3].

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. 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 Роша. 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 сужало область применения первых двигателей внутреннего сгорания (невозможно применения на транспорте, ввиду громоздкости баллонов и трудностей заправки). Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге.

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. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет 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. Отто 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 калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки^[3].

Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он 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 достигалось 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.

Многие ученые и инженеры внесли свой вклад в разработку двигателей внутреннего сгорания.  В 1791 году Джон Барбер изобрел газовую турбину. В 1794 году Томас Мид запатентовал газовый двигатель. В том же 1794 году Роберт Стрит запатентовал двигатель внутреннего сгорания на жидком топливе и построил рабочий прототип. В 1807 году французские инженеры Никифор и Клод Ниепсе запустили экспериментальный твердотопливный двигатель внутреннего сгорания, который использовал в качестве топлива измельченный в порошок пиреолофор. В 1807 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель, называемый часто двигателем де Риваза^[en]. Двигатель работал на газообразном водороде, имея элементы конструкции, с тех пор вошедшие в последующие прототипы ДВС: поршневую группу и искровое зажигание. Кривошипно-шатунного механизма в конструкции двигателя ещё не было.

Первый практически пригодный двухтактный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьеном Ленуаром в 1860 году. Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника и золотниковым газораспределением. В конструкции двигателя появился кривошипно-шатунный механизм. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Познакомившись с двигателем Ленуара, осенью 1860 года выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто с братом построили копию газового двигателя Ленуара и в январе 1861 года подали заявку на патент на двигатель с жидким топливом на основе газового двигателя Ленуара в Министерство коммерции Пруссии, но заявка была отклонена. В 1863 году создал двухтактный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель имел вертикальное расположение цилиндра, зажигание открытым пламенем и КПД до 15 %. Вытеснил двигатель Ленуара.

В 1876 году Николаус Август Отто построил более совершенный четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1884 году^[4]Огнеслав Степанович Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. Двигатель Костовича был оппозитным, с горизонтальным размещением направленных встречно цилиндров^[5]. В нём впервые в мире было применено электрическое зажигание^[6]. Он был 4-тактным, 8-цилиндровым, с водяным охлаждением. Мощность двигателя составляла 80 л. с. при массе двигателя 240 кг^[7], что существенно превышало показатели двигателя Г. Даймлера, созданного годом позже. Однако, заявку на свой двигатель Костович подал только 14 мая 1888 г.^[8], а патент получил в 1892 г., т.е. позже, чем Г. Даймлер и В. Майбах, разрабатывавшие карбюраторный двигатель параллельно и независимо от О. Костовича.

  Мотоцикл Даймлера с ДВС 1885 года

В 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали лёгкий бензиновый карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.

Двигатель Дизеля и Тринклера

Немецкий инженер Рудольф Дизель, опираясь на богатые угольные ресурсы Германии (ввиду отсутствия в последней месторождений нефти) в 1897 предложил двигатель с воспламенением от сжатия, работавшим на угольной пыли. Однако, такой двигатель ввиду быстрого абразивного износа поршневой группы, низкой скорости и полноты сгорания угля не получил никакого распространения. Однако, имя Дизеля стало нарицательным для всех моторов с воспламенением от сжатия.

На заводе «Людвиг Нобель» Эммануила Людвиговича Нобеля в Петербурге в 1898—1899 Густав Васильевич Тринклер усовершенствовал этот двигатель, использовав бескомпрессорное распыливание топлива, что позволило применить в качестве топлива нефть. В результате бескомпрессорный двигатель внутреннего сгорания высокого сжатия с самовоспламенением стал наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1899 на заводе «Людвиг Нобель» построили первый дизель в России и развернули массовое производство дизелей. Этот первый дизель имел мощность 20 л. с., один цилиндр диаметром 260 мм, ход поршня 410 мм и частоту вращения 180 об/мин. В Европе дизельный двигатель, усовершенствованный Густавом Васильевичем Тринклером, получил название «русский дизель» или «Тринклер-мотор». На всемирной выставке в Париже в 1900 двигатель Дизеля получил главный приз. В 1902 Коломенский завод купил у Эммануила Людвиговича Нобеля лицензию на производство дизелей и вскоре наладил массовое производство.

В 1908 году главный инженер Коломенского завода Р. А. Корейво строит и патентует во Франции двухтактный дизель с противоположно-движущимися поршнями и двумя коленвалами. Дизели Корейво стали широко использоваться на теплоходах Коломенского завода. Выпускались они и на заводах Нобелей.

В 1896 году Чарльз В. Харт^[en] и Чарльз Парр^[en] разработали двухцилиндровый бензиновый двигатель. В 1903 году их фирма построила 15 тракторов. Их шеститонный #3 является старейшим трактором с двигателем внутреннего сгорания в Соединенных Штатах и хранится в Смитсоновском Национальном музее американской истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Бензиновый двухцилиндровый двигатель имел совершенно ненадёжную систему зажигания и мощность 30 л. с. на холостом ходу и 18 л. с. под нагрузкой^[9].

  Дэн Элбон с его прототипом сельскохозяйственного трактора Ivel

Первым практически пригодным трактором с двигателем внутреннего сгорания был американский трёхколёсный трактор lvel Дэна Элбона 1902 года. Было построено около 500 таких лёгких и мощных машин.

В 1903 году состоялся полёт первого самолёта братьев Орвила и Уилбура Райт. Двигатель самолёта изготовил механик Чарли Тэйлор. Основные части двигателя сделали из алюминия. Двигатель Райт-Тэйлора был примитивным вариантом бензинового инжекторного двигателя.

На первом в мире теплоходе — нефтеналивной барже «Вандал», построенной в 1903 году в России на Сормовском заводе для «Товарищества Братьев Нобель», были установлены три четырёхтактных двигателя Дизеля мощностью по 120 л. с. каждый. В 1904 году был построен теплоход «Сармат».

В 1924 по проекту Якова Модестовича Гаккеля на Балтийском судостроительном заводе в Ленинграде был создан тепловоз Ю^Э2 (Щ^ЭЛ1).

Практически одновременно в Германии по заказу СССР был по проекту профессора Ю. В. Ломоносова и по личному указанию Ленина в 1924 году на заводе Эсслинген^[de] (бывш. Кесслер) близ Штутгарта построен тепловоз Ээл2 (первоначально Юэ001).

Реактивные, турбореактивные, газотурбинные, роторные ДВС

Начали широкое техническое развитие только в XX веке, ввиду сложностей технического характера для их конструирования, расчёта и изготовления. Хотя первые реактивные двигатели применяли в ракетах ещё задолго до этого, они имели ограниченное применение (пиротехника, военное дело) и были одноразовыми (разрушались вместе с ракетой). Космонавтика стала возможна лишь благодаря новым, усовершенствованным ДВС (многоступенчатые ракеты с мощными ЖРД).

Турбореактивные двигатели были анонсированы в условиях военных действий в гитлеровской Германии. Первые такие двигатели были установлены на реактивных самолётах, таких как Ме-209. Неоценимый вклад в этой области внёс Вернер фон Браун: разработанные им ДВС на новых ракетах Сатурн-5 позволили осуществить лунную программу. Без разработки столь мощных и надёжных ДВС выход за пределы атмосферы до сих пор является невозможным.

Газотурбинные двигатели, также СПГГ и дизель-молоты имеют широкое распространение в промышленности, строительстве, флоте и военном деле. Начиная с середины XX века, они получили широчайшее распространение.

Роторные ДВС одно время представлялись полноценным заменителем поршневых ДВС. Однако, несмотря на все усилия конструкторов фирмы Mazda и последующих, они не смогли уложиться в ужесточающиеся экологические нормы. Вместе с этим, осталась проблемой и долговечность таких двигателей, наряду с достаточно большой стоимостью изготовления и ремонта. Поэтому к настоящему времени такие двигатели почти полностью исчезли, их область применения занята поршневыми комбинированными и газотурбинными двигателями.

См. также

Примечания

1. ↑ История газовых и бензиновых двигателей | Великие открытия человечества (рус.)  (неопр.) ?. Дата обращения 26 июля 2019.
2. ↑ ^{1 2} Infourok. История создания ДВС (8 класс) (неопр.). Инфоурок. Дата обращения 28 июля 2019.
3. ↑ ^{1 2} ДВС — termodinamikaVM.ru (неопр.). sites.google.com. Дата обращения 28 июля 2019.
4. ↑ 100 лет со дня смерти изобретателя Огнеслава Степановича Костовича (неопр.). ruvera.ru. Дата обращения 8 февраля 2019.
5. ↑ Мы были первыми :: Сделано в России, в СССР :: Двигатель внутреннего сгорания, дирижабль «Россия», фанера, электроаэронавтический телеграфный аппарат, триплан, гидроаэроплан, моноплан-амфибия :: О.С. Костович (рус.)  (неопр.) ?. Великая Страна СССР. Дата обращения 8 февраля 2019.
6. ↑ Костович Огнеслав Степанович, выдающийся изобретатель, создавший первый в мире бензиновый двигатель (1879-1880 гг) — Российская империя — Впервые в мире — Статьи — Славные имена (неопр.). slavnyeimena.ru. Дата обращения 8 февраля 2019.
7. ↑ Дизель, Костович и двигатели внутреннего сгорания (рус.). Политехнический музей. Дата обращения 8 февраля 2019.
8. ↑ admin. Двигатель внутреннего сгорания для дирижабля о.с.костовича. — О самолётах и авиастроении (рус.)  (неопр.) ?. Дата обращения 8 февраля 2019.
9. ↑ Hart Parr #3 Tractor на сайте Национального музея американской истории (англ.)

ru-wiki.org

История газовых и бензиновых двигателей

Несмотря на изобретение парового двигателя, многие небольшие предприятия и мастерские XIX века не могли его использовать, т.к. это было хлопотно, связано с большими затратами, а КПД небольшого парового двигателя был невысок (меньше 10%). Появилась острая необходимость в двигателе небольшой мощности, занимающего немного места, не требующего долгой подготовки к работе и который можно включать и выключать в любое время. Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ и получил патент на способ получения и использования этого газа методом сухой перегонки угля или древесины, что значительно повлияло на развитие техники освещения.

В 1801 году Лебон, основываясь на свойстве открытого газа, создал и запатентовал конструкцию газового двигателя. При воспламенении смесь газа с воздухом взрывалась, выделяя при этом большое количество теплоты. При расширении продукты горения оказывали давление на окружающую среду. При соответствующих условиях выделяемую энергию можно использовать в интересах человека. Двигатель Лебона включал 2 компрессора и камеру смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый светильный газ, другой — сжатый воздух. Полученная в результате газовоздушная смесь направлялась в рабочий цилиндр, в котором воспламенялась. Это был двигатель двойного действия — действовавшие попеременно рабочие камеры были по обе стороны поршня. По сути, Лебон был близок к созданию двигателя внутреннего сгорания.

После гибели изобретателя в 1804 году было несколько попыток создать двигатель на светильном газе. В 1860 году бельгийский изобретатель Хан Этьен Ленуар создал газовый двигатель, где горючая смесь воспламеняется, как и сейчас, при помощи электрической искры. Вначале из-за нагрева поршень расширялся и мешал нормальной работе мотора. Кроме того, у поршня был плохой ход. Для устранения этих недостатков изобретатель дополнил конструкцию системой охлаждения и системой смазки. Так появился двухтактный ДВС. В 1876 году Н. Отто создал новый четырехтактный двигатель, который и сегодня является основой работы большей части бензиновых и газовых двигателей.

В 1872 году Брайтон решил использовать для двигателя в качестве горючего вначале керосин, но тот плохо испарялся и он перешел к бензину. Чтобы двигатель, работающий на жидком топливе, успешно конкурировал с газовым, потребовалось создать специальное устройство (карбюратор) для получения горючей смеси паров бензина и воздуха. Так появился первый «испарительный» карбюратор. Правда, работал он неудовлетворительно, еще 10 лет почти все двигатели работали на газу.

Наконец, в 1882 году Ю. Даймлер и В. Майбах изобрели полноценный бензиновый двигатель с воспламенением бензина от трубки накаливания. В 1893 году венгерский изобретатель Донат Банки запатентовал карбюратор с форсункой (жиклером), ставший прообразом современных карбюраторов. Вместо испарения бензина Банки предлагал его мелко распылять в воздухе через дозирующий жиклер. Это позволило равномерно распределить бензин по цилиндру, испарение происходило под действием тепла сжатия в цилиндре.

Первые двигатели были одноцилиндровыми, для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать объем цилиндра. Позже эта проблема стала решаться путем увеличения числа цилиндров. В конце XIX столетия уже были двухцилиндровые двигатели внутреннего сгорания, с начала XX века большое распространение получили четырехцилиндровые. Двигатель внутреннего сгорания является наиболее важной деталью любого автомобиля. С каждым годом совершенствуется конструкция автомобилей, улучшаются технические характеристики двигателя, повышается его эффективность.

mirnovogo.ru

Эволюция двигателя внутреннего сгорания

Как развивался ДВС: основные даты

 

Люди производят автомобили уже более века, и почти под каждым капотом стоит двигатель внутреннего сгорания. В течение последних 100 лет 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 в конструкции ДВС 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 топливно-воздушная смесь 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.

 

Смотрите также: Вот что на самом деле означает ‘степень сжатия’, и почему это имеет значение

 

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 Chevrolet Corvette 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 BMW 2002, 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. Роторный мотор 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 RX-8. 

 

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 расход топлива. 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, при движении по шоссе. 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 автомир.

 

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. 

 

Смотрите также: По каким принципам работает двигатель Инфинити с изменяемой степенью сжатия, подробная информация

 

Но затем при массовом появлении электронного впрыска автопроизводители с помощью компьютера стали применять различные настройки, автоматически регулирующие качество топливной смеси, что позволило существенно улучшить экономичность двигателей и снизить уровень вредных веществ в выхлопе. Но главное, что удалось сделать с помощью компьютерных настроек и регулировки топливной смеси, – это снизить до минимума риск самовоспламенения топлива. В итоге со временем стало невыгодно использовать большие мощные моторы с низкой степенью сжатия.  Так автопромышленность ввела новую моду – уменьшение количества цилиндров. Чтобы сохранить мощность в моторах, автопроизводители стали использовать турбины. Но главное – благодаря электронике, которая управляет качеством топливной смеси, автопроизводители снова могут создавать моторы с большой степенью сжатия, не опасаясь самовоспламенения топлива. 

 

Но в 2012 году компания Mazda удивила весь мир, представив фантастический мотор SKYACTIV-G, который имеет невероятно высокий коэффициент сжатия для серийного двигателя. Степень сжатия этого мотора составляет 14:1. Это позволяет мотору извлекать энергию почти из каждой капли бензина без образования смога. 

 

Следующим шагом для Mazda стал новый мотор SKYACTIV-X, который использует контролируемое зажигание (система SPCCI). Благодаря этой системе появилась возможность воспламенять бензин практически за счет одного только сжатия. То есть как в дизельных моторах. Также в двигателях SKYACTIV-X есть возможность воспламенять топливо обычным образом. Причем электроника автоматически выбирает, как выгоднее воспламенять бензин в камере сгорания. Все зависит от потребностей водителя и условий движения.

 

Например, если вам нужна сила (крутящий момент), то двигатель SKYACTIV-X  будет воспламенять топливо от силы сжатия (почти как дизель). Если вам нужна мощность, то мотор с высокой степенью сжатия будет воспламенять топливо обычным образом. Причем реально для придания мощности будет использована последняя капля бензина.

 

Даже спустя столетие и даже с появлением альтернативных видов топлива, а также с появлением электрокаров двигатели внутреннего сгорания остаются главными силовыми агрегатами в автопромышленности. И несмотря на то что многие эксперты считают, что ДВС изжил себя и в скором времени должен исчезнуть из автомира, нам кажется, что двигатель внутреннего сгорания еще не развился до конца. Также мы считаем, что мир в ближайшие 100 лет все равно не будет готов полностью отказаться от ДВС, работающих на бензине.

 

И кто его знает, что нам подготовят автомобильные компании в ближайшем будущем. Ведь их инженеры не зря получают бутерброды с черной икрой. Вполне возможно, что уже скоро очередной автопроизводитель удивит нас какой-нибудь новой технологией в ДВС.

 

Так что рано сбрасывать со счетов традиционные моторы. Может быть, электрокары – это временное явление? Скорее всего, это более вероятно.

1gai.ru