Паровая
машина как двигатель для безрельсовых самоходов обладала весьма
существенным недостатком: ее паровой котел занимал слишком много места и
имел большой вес. Кроме того, для запуска паровой машины требовалось
разогревать котел, на что уходило много времени. Изобретатели уже давно
задумывались над тем, нельзя ли обойтись без котла и сжигать горючее
непосредственно в цилиндрах двигателя. На это наталкивало, в частности,
использование пороха в артиллерии
Первый практический газовый
двигатель, который работал примерно по тому же принципу, что и
пароатмосферная машина Ньюкомена, был построен в 1859 году Этьеном
Ленуаром. Правда, и он был еще крайне несовершенен. Горючая смесь (смесь
светильного газа с воздухом) засасывалась в цилиндр на половине хода
поршня, после чего воспламенялась электрической искрой, производимой
индукционной катушкой.
В результате поршень перемещался по
цилиндру (рабочий такт), а при обратном ходе поршня продукты сгорания
удалялись из цилиндра. После этого цикл повторялся. Именно по этой
причине двигатель стал называться двухтактным.
Двигатель Ленуара был
довольно большим, но развивал мощность всего в 2 л. с. при наибольшем
давлении в цилиндре в 4 атмосферы. Тем не менее, этого хватало, чтобы
приводить в действие такие машины, как токарные станки и насосы. Всего
было изготовлено более 400 двигателей.
Первый полностью успешный
газовый двигатель был построен немцем Николаусом Августом Отто в 1876
году. Он работал по так называемому четырехтактному циклу Отто, который с
тех пор стал широко применяться в большинстве двигателей внутреннего
сгорания. В верхней части цилиндра в двигателе Отто имелись два клапана.
Через один из них в цилиндр поступала воздушно-газовая смесь (впускной
клапан), через другой удалялись продукты сгорания (выпускной клапан).
Четыре такта, составляющие цикл, показаны на схеме. Это впуск, сжатие,
рабочий ход и выпуск.
В 1877 году были построены газовые двигатели внутреннего сгорания,
которые при мощности 8 л. с. весили почти 2000 кг, т. е. на 1 л. с.
приходилось около 250 кг. О применении таких тяжелых двигателей на
самоходных машинах не могло быть и речи. Кроме того, газовые двигатели
были вообще непригодны для транспортных машин, так как перевозить на
самоходе необходимое количество газового горючего тогда не умели.
Поэтому область применения газовых двигателей была ограничена
стационарными установками.
Как бы там ни было, двигатели Отто
оказались действительно замечательными, и ко времени его смерти их
былопродано более 30000 штук. Если один из первых двигателей немецкого
изобретателя развивал мощность всего в 3 л. с., то к 1917 году уже
выпускались двигатели мощностью 5000 л. с., которые на равных
конкурировали с паровыми машинами.
И все же только дешевое и удобное для перевозки жидкое горючее -бензин,
керосин и нефть — открывало широкие возможности использования двигателя
внутреннего сгорания в самодвижущихя машинах
Первые бензиновые двигатели были построены немецкими изобретателями Готлибом Даймлером в 1883 году и Карлом Бенцем в 1884 году.
Для обеих конструкций общим было то, что смесь бензина и воздуха
поступала из карбюратора в цилиндр и там воспламенялась. Двигатели
отличались типом карбюратора и методом зажигания. Бензиновые двигатели
работали примерно по тому же принципу, что и газовые, но по сравнению с
ними имели ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, жидкое топливо было
легче хранить и перевозить, чем газообразное; во-вторых, бензиновый
двигатель развивал более высокие обороты и обладал более высокой
удельной мощностью.
Преимущество четырехтактных бензиновых
двигателей над ранними двухтактными газовыми двигателями заключалось в
том, что перед воспламенением топливная смесь в них подвергалась сжатию.
Это обеспечивало более высокую скорость сгорания топлива и давало
больше энергии. Однако при этом на каждый рабочий ход требовалось четыре
такта вместо двух. Компромисс был найден шотландцем Дагалдом Клерком,
который в 1878 году создал двухтактный компрессионный двигатель
внутреннего сгорания, используемый и поныне. Его особенностью являлось
отсутствие клапанов.
Схема действия 2-тактного компрессионного двигателя Д. Клерка
Их функцию выполнял поршень, который, двигаясь по цилиндру, открывал и
закрывал различные каналы. Такой двигатель был довольно легок и дешев в
производстве, но по мощности уступал своему четырехтактному конкуренту.
Начиная с 1885 года немецкий механик Рудольф Дизель занялся разработкой
двигателя нового типа, названного им «рациональным тепловым мотором».
Обслуживая рефрижераторные установки, он бы поражен тем, какое
количество тепла вырабатывали их аммиачные компрессоры. Тогда-то ему и
пришла в голову мысль использовать тепло сжатого воздуха для
воспламенения воздушно-топливной смеси в цилиндре двигателя.
Дизель
создал двигатель, который работал по тому же четырехтактному циклу, что и
двигатель Отто, но только без свечи зажигания. Воздух поступал в
цилиндр через впускной клапан при опускании поршня, а во время обратного
хода поршня сжимался до 1/22 своего первоначального объема. Температура
воздуха при этом резко возрастала. Одновременно в цилиндр через
форсунку впрыскивалось топливо (Дизель использовал керосин). Точный
момент впрыска достигался за счет того, что топливный насос приводился в
действие от двигателя. Температура воздуха была достаточно высокой,
чтобы воспламенить в цилиндре тонко распыленное топливо. В результате
поршень совершал рабочий ход. Когда он поднимался вверх, отработавшие
газы удалялись через выпускной клапан. После этого весь четырехтактный
цикл -впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск — повторялся.
Теоретически
КПД дизельного двигателя выше, чем бензинового Более того, дизельные
двигатели не нуждаются в электрическом зажигании, а топливо для них
дешевле бензина. С другой стороны-высокая степень сжатия,от которой
зависит их КПД,может быть достигнута только в тяжелом и дорогом
двигателе.
Дизель запатентовал свой двигатель в 1892 году, и к
1897 году он уже широко использовался в качестве стационарной силовой
установки на электростанциях, судах и локомотивах.
Работа над
созданием двигателей внутреннего сгорания активно велась и в России. В
1887 году изобретатель Ягодзинский обратился в Главное инженерное
управление с прошением использовать для летательных аппаратов
построенный и испытанный им мощный бензиновый двигатель с электрическим
зажиганием рабочей смеси. В 80-х годах 19 века в России проводились и
другие работы по созданию мощных бензиновых двигателей. В Москве в
Центральном Доме авиации имени М. В. Фрунзе до наших дней сохранился
бензиновый двигатель с горизонтальным противолежащим расположением
цилиндров и электрическим зажиганием рабочей смеси, спроектированный и
построенный О. С. Костовичем в 1888-1892 годах.
Вертикальное расположение цилиндров в двигателях внутреннего
сгорания впервые применил в 1885 году русский инженер Б. Г. Луцкой. Он
первый разработал и построил 4-цилиндровые и 6-цилиндровые двигатели
внутреннего сгорания.
В 1889 году Е. А. Яковлев построил новый
двигатель, который работал на керосине. Изобретатель — бывший морской
офицер — разработал двигатель простой конструкции, в котором рабочая
смесь воспламенялась с помощью калильной трубки. Основанный Яковле-вым в
1891 году первый русский завод керосиновых двигателей выпускал
двигатели мощностью до 20 л. с. После ряда усовершенствований был создан
вариант двигателя,пригодный для использования в качестве
автомобильного.
В 1896 году на Всероссийской промышленной и
художественной выставке в Нижнем Новгороде был показан автомобиль Е. А.
Яковлева, оснащенный двигателем его же конструкции.
В 1899 году на
заводе Нобеля в Петербурге был построен и испытан двигатель внутреннего
сгорания, работающий с воспламенением от сжатия. После успешного
испытания первого образца началось серийное производство стацио-нарных
двигателей (дизелей), горючим для которых являлась нефть.
Вскоре
двигатели этого типа стали применяться в качестве судовых, В 1903 году в
России был построен грузовой теплоход «Вандал». Его силовая установка
состояла из трех двигателей-дизелей по 120 л. с. каждый. Через год из
Петербурга в Рыбинск отправился второй русский теплоход «Сармат». На нем
были установлены мощные и быстроходные судовые дизели, работавшие на
нефти. Вслед за этими судами на русских заводах было построено несколько
речных и морских теплоходов, эксплуатация которых убедительно доказала
преимущества дизелей. Но чтобы двигатель этого типа был использован для
сухопутных транспортных средств-нужно было упростить его
конструкцию-устранив компрессор.
Двигатель внутреннего
сгорания, спроектированный и построенный О. С. Костовичем в 1888-1892
годах, по сей день хранится в Москве в Центральном доме авиации.
Двигатель
внутреннего сгорания, спроектированный и построенный О. С. Костовичем в
1888—1892 годах, по сей день хранится в Москве в Центральном доме
авиации.
Источник: //bronetexnika.moy.su/publ/nachalo_tankostroenija/dvigateli_vnutrennego_sgoranija/30-1-0-242