Это интересно

Газовый и бензиновый двигатель: как это было?

dvigatelО.БУЛАНОВА

На рубеже XVIII и XIX вв. перед человечеством встала транспортная проблема. Паровой двигатель разрешил ее не до конца: он имел очень невысокий КПД (менее 10%), а его использование было связано с большими затратами и хлопотами.

Для того чтобы запустить его в ход, необходимо было развести огонь и навести пары. Даже если машина была нужна только временами, ее все равно приходилось постоянно держать под парами.

Поэтому требовался двигатель небольшой силы, занимающий мало места, который можно было бы включать и останавливать в любое время без долгой подготовки. Впервые идея такого двигателя была предложена в самом начале XIX в. В последний год XVIII в. французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. Традиция приписывает его успех случайности — Лебон увидел, как вспыхнул газ, истекавший из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками, и понял, какую пользу можно извлечь из этого явления.

В 1799 г. он получил патент на использование и способ получения светильного газа путем 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.

В 1801 г. 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 тепла. 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, т.е. попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня.

По существу Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 г. он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение. Но идея его и в дальнейшем привлекала к себе самое пристальное внимание. Действительно, принцип действия газового двигателя много проще, чем паровой машины, т.к. здесь топливо само непосредственно производит давление на поршень, тогда как в паровом двигателе тепловая энергия сначала передается другому носителю — водяному пару, который и совершает полезную работу.

В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако 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 пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. И построил — в 1860 г. И по внешнему виду, и по устройству двигатель напоминал паровую машину. Ленуар не сразу добился успеха. Двигатель проработал совсем немного и остановился, т.к. 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. После объявления об этом изобретении мастерская стала получать заказы на новый двигатель, но работа его продолжала оставаться неудовлетворительной — система зажигания часто давала сбои, золотник без смазки не работал, а наладить его удовлетворительную смазку при температуре 800 градусов так и не удалось. КПД двигателя едва достигал 4%, он употреблял огромное количество смазки и газа. Однако двигатель быстро получил распространение.

Основными его покупателями стали маленькие предприятия (типографии, ремонтные мастерские и пр.), для которых паровые машины были слишком дороги и громоздки. Между тем двигатель Ленуара оказался прост в эксплуатации, легок и имел небольшие габариты.

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

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 давления поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало.

Главная оригинальная находка Отто заключалась в том, что энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. 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%, т.е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Поскольку двигатели Отто были почти в 5 раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около 5 тыс. штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача (многих смущал вид рейки, взлетавшей вверх в течение долей секунды, к тому же ее движение сопровождалось неприятным дребезжащим грохотом).

Но самое существенное из его изобретений — двигатель с четырехтактным циклом — было сделано в 1877 г., и Отто взял на него патент. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство. В новом газовом двигателе Отто газ сжимался до 2,5 или 3 атмосфер, вследствие чего двигатель стал меньше по размерам, а мощность его возросла. Воспламенение смеси производилось, как и прежде, открытым пламенем.

Из-за кривошипно-шатунного соединения с валом получить расширение газа до атмосферного не удалось, и поэтому КПД двигателя был не намного выше, чем у предыдущих моделей, но он оказался самым высоким для тепловых двигателей того времени. Четырехтактный 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 счел их доводы убедительными.

Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто болезненно переживал эту неудачу, между тем дела его фирмы шли совсем неплохо. Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 г. было выпущено около 42 тыс. таких двигателей разной мощности.

Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильно-газовых 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.

Еще в 1872 г. американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту — бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство (впоследствии оно стало называться карбюратором) для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом Брайтон в том же 1872 г. придумал один из первых т.н. «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.

Работоспособный бензиновый двигатель появился только через 10 лет. Изобретателем его был немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80-х гг. он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто (как в свое время Уатт в аналогичной ситуации) отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение: в 1882 г. 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 легких. Они решили создать двигатель, не требовавший бы газогенератора, очень легкий и компактный, но при этом достаточно мощный, чтобы двигать экипаж.

Если посмотреть на схемы первых бензиновых двигателей, то автомобилисту станет видно, что процесс испарения жидкого топлива в этих двигателях оставлял желать лучшего, поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки (хотя независимо от него и даже несколько раньше ту же конструкцию карбюратора разработал друг и соратник Даймлера Майбах).

Позже Банки приобрел большую известность своими выдающимися изобретениями в области гидравлических турбин. Но, еще будучи молодым человеком, он в 1893 г. взял патент на карбюратор с жиклером (форсункой), ставший 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.

Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того, чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объем цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX в. появились 2-цилиндровые двигатели, а с начала XX в. стали распространяться 4-цилиндровые.

Благодаря этому достигалась хорошая равномерность вращения коленчатого вала. В отличие от прежнего вала, коленчатый вал состоял из отдельных колен-кривошипов, которые с помощью шатунов были связаны с отдельными поршнями. В дальнейшем бензиновые двигатели неустанно совершенствовались, но их общий принцип остается без изменений уже на протяжении ста с лишним лет.

По материалам сайтов istoriz.ru и blamper.ru

ЭХО НА FACEBOOK:
Loading...

Другие статьи в рубрике