Двигатель внутреннего сгорания - история создания
Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания, являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.
В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:
• Шатунно-поршневые
• Роторные
• Турбореактивные
• Реактивные
Паровая машина, послужившая прародителем ДВС, по своей сути являлась двигателем внешнего сгорания, так как горение топлива происходило в отдельно стоявшем котле, а рабочее тело (пар) подавалось в цилиндр по трубам.
Такая конструкция приводила к большим потерям тепла (энергии) и черезмерному расходу топлива.
Для преодоления этих недостатков необходимо было сделать так, чтоб топливо сгорало непосредственно в самом цилиндре. Реализацией этой идеи и стал
ДВС различного действия
Двухтактный ДВС — на первом такте происходит впуск и сжатие горючей смеси, а на втором такте расширение и выпуск отработанных газов.
Четырёхтактный ДВС — на первом такте происходит впуск, на втором сжатие, на третьем расширение, на четвёртом выпуск.
Звёздообразный, или радиальный ДВС — имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров.
Ротативный ДВС — двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.
Роторный ДВС — за один оборот двигатель выполняет один рабочий цикл.
Слово «Детонация» здесь неуместно, правильно будет — расширение. Детонация же, это разрушительное следствие неправильной работы двигателя.
Турбореактивный ДВС — в основном используются на самолётах.
Реактивный ДВС — используется в ракетах.
Четырёхтактный ДВС — на первом такте происходит впуск, на втором сжатие, на третьем расширение, на четвёртом выпуск.
Звёздообразный, или радиальный ДВС — имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров.
Ротативный ДВС — двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.
Роторный ДВС — за один оборот двигатель выполняет один рабочий цикл.
Турбореактивный ДВС — в основном используются на самолётах.
Реактивный ДВС — используется в ракетах.
К первым попыткам создать ДВС (если не брать в расчёт артиллерийские орудия) можно отнести проект порохового двигателя в виде цилиндра с поршнем, предложенный Христианом Гюйгенсом и Дени Папеном, в 17 веке. Идея заключалась в том, что насыпанный внутрь цилиндра и подожжённый порох, выталкивал поршень вверх.
Конечно, назвать эту конструкцию двигателем можно лишь с большой натяжкой, однако нужно помнить что на дворе был 1690 год.
Чуть позже, Папен, вместо пороха залил в цилиндр воду, которая доводилась до кипения костром, разожженным под цилиндром, а образующийся пар толкал поршень.
Тогда эта идея, отчасти, поспособствовала созданию паровой машины, а сейчас поршень и цилиндр используется в современных шатунно-поршневых ДВС.
В 1801 году, Филипп Лебон — французский инженер и изобретатель газового освещения, зарегистрировал патент на двигатель внутреннего сгорания работающий на смеси газа и воздуха. 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 в рабочий цилиндр, где и воспламенялась.
В связи со смертью Лебона, в 1804 году, двигатель так и остался проектом на бумаге.
К сожалению, не нашёл никаких картинок.
В 1806 году, французский изобретатель Джозеф Ньепс вместе со своим братом Клодом, сконструировали прототип двигателя внутреннего сгорания и назвали его «Pyreolophore».
Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона. Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.
Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…
Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.
Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение.
Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся.
Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.
Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска.
В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна».
Принято считать, что братья Ньепс были авторами первой в мире системы впрыска.
Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».
Справа стоит самокат (дрезина — лат. быстроя нога), который Джозеф Ньепс построил в 1817 году.
В том же 1807 году, швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Рива сконструировал двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием. Топливом для двигателя служил водород, а идею электрического поджига, де Рива позаимствовал у Алессандро Вольта.Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.
Про Алессандро Вольта
Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб»).
В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет — «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.
В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.
Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.
В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет — «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.
В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.
Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.
A — цилиндр, B — «свеча» зажигания, C — поршень, D — «воздушный» шар с водородом, E — храповик, F — клапан сброса отработанных газов, G — рукоятка для управления клапаном.
Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.
Принцип работы:
• Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух.
• Клапан закрывался.
• Открывался кран подачи водорода из шара.
• Кран закрывался.
• Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу».
• Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх.
• Открывался клапан сброса отработанных газов.
• Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.
После этого цикл повторялся.
В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну.
Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов) и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч.
С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.
Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.
В Парижском «Музее искусств и ремёсел» экспонируется модель автомобиля Франсуа де Рива.
В 1825 году, английский инженер и изобретатель Сэмюэль Браун, создал двигатель работающий на газе (водород).Принцип работы двигателя основывался на сжигании воздуха в цилиндре, что приводило к созданию вакуума и втягивании поршня, а для более эффективного охлаждения, цилиндр окружала водяная рубашка.
Двигатель использовался для перекачки воды и для приведения в движение речных судов. Браун создал компанию по производству двигателей для лодок и барж, некоторые из которых достигали скорости 14 км/ч. Тем не менее, предприятие оказалось неудачным из-за перебоев с поставками топлива и высокой стоимости.
В 1826 году, Сэмюэль Мори, пионер американского «паростроения», запатентовал двигатель внутреннего сгорания работающий на скипидаре и спирте. Двигатель имел много общего с современными, он состоял из двух цилиндров с водяной рубашкой, карбюратора и выпускных клапанов.
Информации очень мало, поэтому пишу что есть:
Мори продемонстрировал свой двигатель в Нью-Йорке и Филадельфии, о чём есть свидетельства очевидцев. Двигатели были установлены на лодку и на телегу. Во время демонстрации «автомобиля», Мори не справился с управлением и съехал в канаву. Это была первая в США поездка на автомобиле. Несмотря на успех, Мори не смог найти покупателя.
Популяризатором идеи Мори был Чарльз Дьюри, изобретатель, сконструировавший первый бензиновый двигатель в Америке. Он профинансировал создание двух рабочих реплик двигателя Мори, одна из которых находится в распоряжении Смитсоновского института, а другая принадлежит Дин Камен.
В 1833 году, американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт, зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.
Дугалд Клерк (см. ниже) в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:
«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»
Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:
В 1838 году, английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.
Первый двигатель — двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.
Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.
Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.
Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.
Чертёж одного из двигателей Барнетта:
В 1853-57 годах, итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с. Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.
Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica), и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.
Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:
Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:
Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.
В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.
Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.
Национальный музей науки и техники Леонардо да Винчи в Милане.
В 1860 году, бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением, представлявший собой переделанную одноцилиндровую горизонтальную паровую машину двойного действия, работавший на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием. Мощность двигателя составляла 12 л/с. Двигатели Ленуара использовались как стационарные, судовые, на локомотивах и на дорожных экипажах.
Современная модель:
Принцип работы прост: смесь, с помощью одного золотникового устройства, попеременно подавалась в полости цилиндра и поджигалась от «свечи», а через другой золотник выбрасывались отработанные газы.
Золотник
В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.
В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.
Видео работы
Это был первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания. К 1865 году более 400 единиц использовались во Франции и около 1000 в Великобритании.
Двигатель Ленуара. «Музей искусств и ремёсел». Париж.
В 1862 году Ленуар построил первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, адаптировав свой двигатель для работы на жидком топливе.
Даже капот есть
После появления четырёхтактного двигателя конструкции Николауса Отто, двигатель Ленуара быстро потерял свои позиции на рынке.
В 1861 году, французский инженер Альфонс Эжен Бо де Роша получил патент на четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Проект был реализован только на бумаге.Картинок я не нашёл.
В 1863 году, Николаус Август Отто и Карл Ойген Ланген сконструировали атмосферный двигатель внутреннего сгорания и основали завод по его производству «N. A. Otto & Cie».В 1867 году на «Парижской Всемирной Выставке» их двигатель был удостоен золотой медали.
После банкротства в 1872 году, Ланген и Отто основали новую компанию, которая сегодня известна как «Deutz AG». На должность топ-менеджера был принят Готлиб Даймлер, который в свою очередь, взял на должность главного конструктора своего друга Вильгельма Майбаха.
Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом — циклом Отто. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
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 (см. выше). Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, 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.
Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область их применения.
В 1865 году, французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.
Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.
Science Museum, London.
В 1870 году, австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку. Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».
В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль — «Second Marcus Car».
Technisches Museum Wien
В 1872 году, американский изобретатель Джордж Брайтон запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине. Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».
Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй — рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.
Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона».
В 1878 году, шотландский инженер Сэр 
Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня о