На мой взгляд, первым очень примитивным двигателем сгорания можно назвать пушку. В ствол пушки закладывается заряд (рабочее тело) далее вставляется снаряд (поршень), порох заряда поджигается (воспламенение), сгорая порох вырабатывает большое количество пороховых газов (рабочий ход), которые, расширяясь, с силой выталкивают снаряд из ствола, то есть делают необходимую работу. Далее весь цикл, пусть медленно, но повторяется.
Первые устройства, отдалённо напоминающие двигатель внутреннего сгорания тоже использовали порох. В 17-ом веке изобретатель Кристиан Хайгенс (Christian Huygens) использовал водяной насос, работающий на порохе, для обеспечения водой садов Версальского дворца, которым требовалось в день не менее 3000 кубических метров воды. По существу это был первый, практически используемый, примитивный двигатель внутреннего сгорания. (По некоторым данным двигатель не был построен.)
К концу 18-го века получили развитие паровые двигатели. Создатели паровых машин уже тогда понимали, что лучше топливо сжигать непосредственно в цилиндре двигателя, просто в то время не было удобного для этого процесса топлива.
В 1780-х годах изобретатель Александро Вольта сделал игрушечный пистолет в стволе которого при помощи электрической искры взрывалась смесь воздуха с водородом. В результате взрыва из ствола выталкивалась пробка. На первый взгляд это не имеет отношения к двигателю внутреннего сгорания, но именно это подтолкнуло изобретателей на возможность применения в двигателе внутреннего сгорания газа, как рабочего тела, и возможность воспламенения газа при помощи электрической искры.
В последствии некоторые изобретатели, беря за основу опыты Вольта, пытались сделать двигатели внутреннего сгорания, работающие на смеси водорода с воздухом.
Двигатель Лебона
Ярким событием в долгой истории создания двигателя внутреннего сгорания было изобретение способа производства искусственного горючего газа. Способ производства горючего газа методом сухой перегонки из дерева или каменного угля был предложен французским инженером Филиппом Лебоном в 1799 году. Даже без учёта значимости этого газа в истории развития двигателя внутреннего сгорания, это изобретение сыграло важную роль в истории человечества, этот газ в начале 19-го широко использовался для освещения, что позволило заменить дорогие свечи и сделать жизнь светлее. Потому этот газ часто назвался «светильным газом», но, иногда, по способу производства газ назывался «угольным газом». Очень скоро Лебон определил, что смесь газа с воздухом легко взрывается, выделяя при этом большое количество тепла, в результате чего происходит сильное расширение сгоревшей смеси, то есть создаётся необходимое давление, которое можно использовать для получения механической энергии. На основе этого открытия в 1801 году Лебон получил патент, на двигатель, работающий на светильном газе.
Предлагаемый Лебоном двигатель не сильно по конструкции отличался от парового двигателя, просто вместо пара, находящегося под давлением, Лебон предлагал вводить в цилиндр смесь светильного газа с воздухом и далее эту смесь поджигать. В конструкции двигателя предусматривалось два компрессора и смесительная камера. Один из компрессоров предварительно сжимал воздух, подаваемый в смесительную камеру, в то время как второй компрессор сжимал светильный газ, поступающий от газогенератора. Далее воздушногазовая смесь подавалась в цилиндр двигателя для последующего воспламенения. Необходимо отметить, что двигатель Лебона назывался двухсторонним двигателем, в таких конструкциях газ (рабочее тело) поочерёдно давит на поршень с двух сторон. В дополнение к этому Филипп Лебон, основываясь на сделанном Александро Вольта игрушечном пистолете, изобрёл электрическое зажигание, в котором использовалась электрическая искра. К сожалению, Филипп Лебон погиб в 1804 году. Его преждевременная кончина не позволила воплотить в жизнь мечты о создании запатентованного им газового двигателя внутреннего сгорания.
В памяти человечества Филипп Лебон остался как изобретатель светильного газа, который в течении нескольких десятилетий использовался для освещения городов. А для специалистов он помнится как изобретатель газового двигателя внутреннего сгорания и электрического зажигания.
В первой половине 19-го века множество изобретателей пытались создать работающий двигатель внутреннего сгорания, только в Англии за этот период было получено более 50 (по некоторым данным 100 или даже 200) патентов на двигатель внутреннего сгорания. Подобные патенты получали и изобретатели других стран. Некоторым изобретателям удавалось только запатентовать двигатели, у некоторых получилось создать работающие двигатели, но эти двигатели не получили дальнейшего развития. Работы некоторых из изобретателей были очень интересны, но описать все конструкции в пределах одной статьи невозможно. Поэтому в дальнейшем остановимся только на самых ярких событиях и личностях, сыгравших заметную роль в истории создания и развития двигателя внутреннего сгорания.
Сади Карно
В 1824 году произошло очень важное для развития двигателей внутреннего сгорания событие. Французский физик и военный инженер Карно, на основе законов термодинамики, в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» теоретически описал работу идеального теплового двигателя. Что особенно необходимо отметить в своей работе Карно теоретически обосновал необходимость сжатия горючей смеси перед воспламенением.
И не смотря на то, что Карно сам не создавал двигателя внутреннего сгорания, этот человек сыграл очень большую роль в создании и развитии теплового двигателя. Именно на теории Карно были созданы двигатели внутреннего сгорания Отто и Дизеля, являющиеся основой всех современных двигателей.
Двигатель Барсанти и Матечи
(Eugenio Barsanti и Felice Matteucci)
Барсанти и Матечи
Итальянские изобретатели Барсанти и Матечи 12 июня 1854 года запатентовали в Лондоне свой двигатель внутреннего сгорания. Двигатель был запатентован в Лондоне, потому что итальянское законодательство того времени не обеспечивало надёжной международной защиты.
Это был двигатель со свободным поршнем, расширяющиеся газы, преодолевая усилие давления атмосферы и веса поршня, поднимали поршень вверх. Для воспламенения рабочей смеси использовалась электрическая искра. После охлаждения газов под поршнем образовывалось разрежение и поршень, под действием давления атмосферы, опускался вниз, производя при этом полезную механическую работу.
В последствии двигатель подобной конструкции был создан немецкими инженерами Отто и Лангеном, получивший широкое распространение и большой коммерческий успех.
Схема двигателя
На этом рисунке дана схема устройства двигателя Барсанти и Матечи.
Более подробна конструкция подобного двигателя будет рассмотрена при описании первого двигателя Отто.
Общий вид двигателя
Общий вид двигателя Барсанти и Матечи.
Двигатель Барсанти имел заметные преимущества по сравнению с широко применяемым в то время паровым двигателем, он был белее безопасным, компактным и его можно было быстро запустить в работу. Вес этого двигателя не позволял установить его на автомобиль, но он для этого не предназначался. Двигатель был предназначен для использования как источника механической энергии на мануфактурах, ремесленных мастерских или установки его на судах.
В некоторых источниках указывается, что двигатель Барсанти и Матечи был первым, практически используемым двигателем внутреннего сгорания. Но патент на этот двигатель был утерян, поэтому точно описать конструкцию двигателя не представляется возможным. Правда, сохранилось несколько финансовых документов подтверждающих штучное изготовление двигателя на заказ. Также сохранилось несколько старинных чертежей двигателя, но, рассматривая примеры, которые мне удалось найти, можно сказать, что конструкций двигателей было несколько, и что под каждый заказ изготавливался двигатель новой конструкции. Есть свидетельства, доказывающие, что штучно изготовленные двигатели устанавливались на судах или использовались как источник механической энергии на мануфактурах.
В 1856 году Барсанти и Матечи построили двухцилиндровый двигатель мощностью 5 л.с. в каждом цилиндре которого находилось два поршня, двигающиеся навстречу друг другу.
Модель двигателя
Современная модель одного из двигателей Барсанти и Матечи.
Этот двигатель имел два цилиндра, поэтому можно предположить, что Барсанти и Матечи первыми создали многоцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
Двигатель Барсанти
Музейная фотография одноцилиндрового двигателя Барсанти и Матечи
Шестерёнчатый механизм
Шестерёнчатый механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращение вала двигателя.
В большие шестерни, установленные на вал, очевидно, был встроен храповой механизм, а шестерня установленная вдоль оси вала была предназначена для синхронизации движения поршней. Когда один из поршней поднимался вверх, второй поршень опускался вниз.
Двигатель Барсанти с двумя поршнями
Двигатель Барсанти
Двигатель Барсанти
Двигатель Барсанти и Матечи с двумя, двигающимися навстречу поршнями
На этих трёх рисунках отображён двигатель Барсанти и Матечи , имеющий совершенно другую конструкцию. В цилиндр этого двигателя было установлено два поршня, двигающихся навстречу друг другу. При помощи зубчатой рейки усилие от поршней передавалось на шестерни, внутри которых был встроен храповой механизм. Для синхронизации движения поршней на оба поперечных вала были установлены конические шестерни, которые передавали вращение на общий продольный вал, на обоих концах которого тоже были установлены конические шестерни.
Найти более точную и достоверную информацию о двигателе Барсанти и Матечи у меня не получилось, хотя этот двигатель постоянно упоминается в статьях по истории двигателя внутреннего сгорания. Причем часто упоминается как первый двигатель, нашедший практическое применение, но не выпускавшийся серийно. Возможно, путаница возникает из-за того, что в Италии творили и другие инженеры, работающие над созданием двигателя внутреннего сгорания. Например, в 1856 году итальянский инженер Петро Венини создал работающий прототип двигателя мощностью 5 л.с., а в последующие годы он создал и более мощные двигатели, которые использовались как стационарные источники механической энергии на промышленных предприятиях Италии.
Двигатель Ленуара
(Жан Этьен Ленуар)
Ленуар
К середине 19-го века идея создания двигателя внутреннего сгорания висела в воздухе. Многие изобретатели в разных странах создавали опытные конструкции двигателей, работающих на смеси водорода и воздуха, на светильном газе, на угольной пыли и даже на жидком топливе, используя для этого различные горючие жидкости.
Но создать практически работающий двигатель внутреннего сгорания, работающей на светильном газе, и первым наладить его коммерческое производство удалось только бельгийскому инженеру Этьену Ленуару(1822-1900) (Jean Joseph Etienne Lenoir) в 1860 году.
Работая на бельгийском гальваническом заводе, Ленуар ознакомился с принципами электротехники. Эксперименты с электричеством, проводившиеся Ленуаром в 1859 году привели его к идее использования электрической искры для воспламенения воздушно-газовой смеси. Это привело его к решению создать двигатель, использующий этот принцип. Возможно, Ленуар был знаком с работами Лебона.
В 1860 году Ленуар получил патент на свой двигатель. И в течение этого же года Ленуар построил двигатель, работающий на основе полученного патента.
Многие инженеры, современники Ленуара, не считали его двигатель самостоятельным изобретением, поскольку Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. Но двигатель Ленуара оказался первым, практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение.
Принципы работы двигателя Ленуара.
По своей компоновке и конструкции двигатель Ленуара имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона.
Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания.
Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня.
Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра.
Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара попадает в группуатмосферных двигателей.
Устройство двигателя Ленуара
Двигатель Ленуара
1 – Катушка Румкорфа; 2 – Гальванические батареи; 3 – Подшипник коленчатого вала; 4 – Коленчатый вал; 5 – Кривошип коленчатого вала; 6 – Маховик; 7 – Эксцентрик впускного золотникового клапана; 8 – Шток впускного клапана; 9 – Эксцентрик выпускного золотникового клапана; 10 – Шток выпускного клапана; 11 – Шатун; 12 – Шток поршня; 13 – Ползунковый распределитель зажигания; 14 – Поршень; 15 – Свеча зажигания задней камеры; 16 – Свеча зажигания передней камеры; 17 – Передняя камера цилиндра; 18 – Впускной золотниковый клапан; 19 – Выпускной золотниковый клапан; 20 – Цилиндр; 20 – Рубашка охлаждения.
Общий вид двигателя Ленуара
Двигатель имел следующие технические особенности: светильный газ и воздух подавались в цилиндр двигателя по отдельности, и только в цилиндре двигателя происходило их перемешивание. Этим двигатель Ленуара отличался от двигателя Лебона, в котором смешивание газа и воздуха происходило в отдельной смесительной камере. Две электрические свечи, вставленные с обеих сторон в цилиндр двигателя, поочерёдно обеспечивали воспламенение воздушно-газовой смеси в обеих камерах цилиндра. В систему зажигания также входили медно-цинковые батареи, катушка Румкорфа (прабабушка современных батарейных систем зажигания) и автоматический ползунковый распределитель зажигания. Этот примитивный распределитель, в отличие от современных механических распределителей зажигания, не распределял искру между цилиндрами многоцилиндрового двигателя, а распределял искру между двумя свечами, установленными в противоположные полости одного цилиндра двигателя двухстороннего действия.
Двигатель Ленуара, как и двигатель Лебона, был двигателем двухстороннего действия, воздушно-газовая смесь поочерёдно подавалась с обеих сторон поршня. По существу это был двухтактный двигатель, поскольку рабочий цикл двигателя осуществлялся за два движения поршня. На первом такте происходил впуск смеси в цилиндр, воспламенение и расширение (силовая часть) воздушно-топливной смеси в цилиндре. На следующем такте отработавшие газы выходили из цилиндра. Переключение между выпуском и впуском осуществлялось золотниковым клапаном, который в свою очередь приводился при помощи эксцентрикового кулачка, установленного на вал отбора мощности.
Создать сразу работающий двигатель оказалось не так просто. Первая модель двигателя проработала очень короткий промежуток времени, поскольку поршень заклинило в цилиндре по причине перегрева. Для устранения этой неисправности в следующей модели двигателя Ленуар предусмотрел водяное охлаждение (чего не было на паровых машинах). Но сразу выявилась следующая неисправность, двигатель не удалось запустить, поскольку поршень очень тяжело перемещался в цилиндре. Эту проблему Ленуар решил, добавив в конструкцию двигателя систему смазки. В результате этих улучшений третий вариант двигателя, наконец, заработал. Скорость вращения колебалась в довольно широких пределах (от 102 до 140 об/мин).Мощность двигателя была чуть больше 0,5 л. с. при диаметре цилиндра 120 мм и ходе поршня 100 мм.
Преимущество двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе, по сравнению с паровым двигателем, заключалось в более лёгкой эксплуатации газового двигателя. Двигатель быстро запускался, когда это было необходимо. Кроме того, газовый двигатель был более безопасным, поскольку он не имел парового котла с высоким давлением пара и не имел топки.
Но при этом двигателя внутреннего сгорания не стал легче парового двигателя и мог использоваться только как стационарный. Светильный газ был очень дорог, а двигатель Ленуара отличался особой прожорливостью, каждая единица мощности, выработанная двигателем внутреннего сгорания, обходилась владельцу в семь раз дороже по сравнению с паровым двигателем. На выработку мощности одной лошадиной силы в течение часа двигатель потреблял не менее 3 кубических метров газа. Поскольку большая часть тепловой энергии уходила вместе с выпускными газами, коэффициент полезного действия двигателя не превышал 4%. После того, как скорость вращения поднималась до 100 об/мин, по причине неудовлетворительной работы электрического зажигания, появлялись пропуски воспламенения. А для охлаждения двигателя требовалось 120 м? воды в час, так как во время работы двигателя выделялось большое количество теплоты. Температура горящего газа поднималась до 800? С, по этой причине выпускной золотниковый клапан перегревался и в результате этого происходило заклинивание клапана. Подшипники двигателя требовали обильной смазки, даже при небольшом уменьшении смазки двигатель заклинивало. В то время относительно двигателя Ленуара существовала злая шутка, что этот двигатель работает не на газе, а на масле. Учитывая выше сказанное, двигатель Ленуара был крайне непрактичным механизмом.
Но, не смотря на все присущие этому двигателю недостатки, на тот момент это был единственный практически работающий двигатель внутреннего сгорания, использующий в виде топлива светильный газ. После того как в 1864 году двигатель Ленуара получил приз на всемирной выставке в Париже, популярность его быстро увеличилась. Только за 1864 было построено не менее 300 двигателей Ленуара.
Двигатель Ленуара позволил заменить паровую машину там, где её применение было затруднительно.
Большинство выпускаемых двигателей имели мощность 3 л.с., но в производстве был ряд двигателей, мощностью от 0,5 до 6 лошадиных сил. Первоначально спрос на двигатели был достаточно высоким, только во Франции было выпущено от 300 до 400 двигателей, около 100 двигателей было выпущено в Англии, также двигатели выпускались и в Америке, но точное количество выпушенных в Америке двигателей не известно.
К сожалению, двигатель Ленуара не оправдал возложенных на него ожиданий, да и рекламных заявлений, рассыпаемых Ленуаром, и его популярность исчезла так же быстро, как и появилась. Ленуар не смог обеспечить модернизацию и усовершенствование работающего двигателя
К концу 1860-х годов производство атмосферных двигателей конструкции Ленуара было прекращено. Более того, никто больше не рисковал применять на двигателе внутреннего сгорания ненадёжную систему электрического зажигания, повсеместно стало стандартом применение зажигания при помощи открытого пламени, вплоть до 1888 года, когда появились зажигание при помощи накалённой головки или калильной трубки.
В 1867 году на рынке появляются значительно более экономичные и удобные в эксплуатации двигатели внутреннего сгорания, и спрос на двигатели Ленуара сразу упал.
В общей сложности, на рынок было выпущено более пяти тысяч двигателей Ленуара, нашедших применение в мелких мастерских.
В 1863 году Ленуар модернизировал свой двигатель. Модернизированный двигатель работал не на газовом топливе, а на керосине, для работы на керосине на двигатель был установлен примитивный карбюратор. Этот двигатель Ленуар установил на простейшую повозку, на которой проехал более 50 километров.
Экипаж Ленуара
Трёхколёсный экипаж Ленуара
Бо де Роше
(Alphonse Eug?ne Beau de Rochas)
Бо де Роше
В 1861 году французский инженер Бо де Роше (Alphonse Eug?ne Beau de Rochas) тиражом 300 экземпляров издал книгу «Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра», в которой он обосновывал принципы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
В своей работе Бо де Роше отметил важность предварительного сжатия рабочей смеси перед воспламенением. Эта брошюра была издана за 16 лет до момента регистрации патента немецкого инженера Николауса Отто, во всём мире считающегося изобретателем четырёхтактного двигателя сгорания с предварительным сжатием рабочей смеси.
Сам Бо де Роше двигатель не построил.
Термины
«Атмосферный двигатель»
В то время этим термином обозначались двигатели внутреннего сгорания, в которых отсутствовало сжатие рабочей смеси перед воспламенением.
В настоящее время этот термин имеет совсем другое значение. Современные двигатели могут быть с наддувом и без наддува. Двигатели, не имеющие наддува (принудительного нагнетания воздуха в систему впуска двигателя), называются атмосферными.
Катушка Румкорфа
Катушка Румкорфа, очень напоминает катушку зажигания современного двигателя внутреннего сгорания. Конструкция катушки довольно проста, на металлический сердечник намотаны две обмотки. Первичная – небольшое количество витков толстого провода, а вторичная – большое количество витков тонкого провода. При подсоединении и отсоединении первичной обмотки к гальваническим элементам (батареям) во вторичной обмотке кратковременно генерируется ток высокого напряжения.
Е.Н. Жарцов
Источник: //autopribor.ru/articles/root/istorija-sozdanija-dvigatelja-vnutrennego-sgoranija-dvs_jf/