|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Двигун газовий та бензиновий. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Двигун внутрішнього згоряння - двигун, у якому паливо згоряє безпосередньо у робочій камері (всередині) двигуна. ДВС перетворює тиск від згоряння палива на механічну роботу.
Паровий двигун не до кінця вирішив енергетичну проблему, яка стояла перед людством. Невеликі майстерні та підприємства, що становили у XIX столітті більшу частину промислового сектора, не завжди могли ним скористатися. Справа в тому, що маленький паровий двигун мав дуже невисокий ККД (менше 10%). Крім того, використання такого двигуна було пов'язано з великими витратами та клопотами. Для того, щоб запустити його в хід, необхідно було розвести вогонь та навести пари. Навіть якщо машина була потрібна лише часом, її доводилося постійно тримати під парами. Для дрібної промисловості був потрібен двигун невеликої сили, що займає мало місця, який можна було б включати та зупиняти у будь-який час без довгої підготовки. Вперше ідея такого двигуна була запропонована на початку XIX століття. В останній рік XVIII століття французький інженер Філіп Лебон відкрив світильний газ. Традиція приписує його успіх випадковості - Лебон побачив, як спалахнув газ, що витікав з поставленої на вогонь посудини з тирсою, і зрозумів, яку користь можна отримати з цього явища. В 1799 він отримав патент на використання і спосіб отримання світильного газу шляхом сухої перегонки деревини або вугілля. Це відкриття мало велике значення насамперед у розвиток техніки освітлення. Незабаром у Франції, а потім і в інших країнах Європи газові лампи стали успішно конкурувати з дорогими свічками. Проте світильний газ годився як для освітлення. 1801 року Лебон узяв патент на конструкцію газового двигуна. Принцип дії цієї машини ґрунтувався на відомій властивості відкритого ним газу: його суміш із повітрям вибухала при запаленні з виділенням великої кількості теплоти. Продукти горіння стрімко розширювалися, чинячи сильний тиск на довкілля. Створивши відповідні умови, можна використовувати енергію, що виділяється, в інтересах людини. У двигуні Лебона були передбачені два компресори та камера змішування. Один компресор мав накачувати в камеру стиснене повітря, а інший – стиснутий світильний газ із газогенератора. Газоповітряна суміш надходила потім у робочий циліндр, де спалахувала. Двигун був подвійної дії, тобто робочі камери, що поперемінно діяли, знаходилися по обидва боки поршня.
По суті, Лебон виношував думку про двигун внутрішнього згоряння, проте в 1804 він загинув, не встигнувши втілити в життя свій винахід. Але ідея його й надалі привертала до себе пильну увагу. Дійсно, принцип дії газового двигуна набагато простіше, ніж парової машини, тому що тут паливо саме безпосередньо робить тиск на поршень, тоді як у паровому двигуні теплова енергія спочатку передається іншому носію - водяному пару, який і робить корисну роботу. У наступні роки кілька винахідників із різних країн намагалися створити працездатний двигун на світильному газі. Однак усі ці спроби не призвели до появи на ринку двигунів, які б успішно конкурували з паровою машиною. Честь створення комерційно успішного двигуна внутрішнього згоряння належить бельгійському інженеру Жану Етьєну Ленуару. Працюючи на гальванічному заводі, Ленуар прийшов до думки, що паливно-повітряну суміш у газовому двигуні можна спалахувати за допомогою електричної іскри, і вирішив побудувати двигун на основі цієї ідеї. Господар гальванічної майстерні забезпечив Ленуара грошима, куди той і побудував 1860 року свій перший двигун. І на вигляд, і за пристроєм він нагадував парову машину. Двигун був подвійної дії. Нижній золотник по черзі подавав повітря та газ у порожнини циліндра, розташовані по різні боки поршня. Верхній золотник служив випускання відпрацьованих газів. Газ і повітря підводилися до золотника окремими каналами. Всмоктування суміші в кожну порожнину відбувалося приблизно до половини ходу, після чого золотник перекривав вікно впуску, і суміш займалася електричною іскрою. Згоряючи, вона розширювалася і діяла на поршень, роблячи корисну роботу. Після закінчення реакції другий золотник повідомляв циліндр із вихлопною трубкою. Тим часом відбувалося займання суміші з іншого боку поршня. Він починав рухатись назад, витісняючи відпрацьовані гази. Ленуар не відразу досяг успіху. Після того, як вдалося виготовити всі деталі і зібрати машину, вона пропрацювала зовсім небагато і зупинилася, тому що через нагрівання поршень розширився і заклинив у циліндрі. Ленуар удосконалив свій двигун, продумавши систему водяного охолодження. Однак друга спроба запуску також закінчилася невдачею через поганий перебіг поршня. Ленуар доповнив свою конструкцію системою мастила. Тільки тоді двигун почав працювати.
Після оголошення про цей винахід майстерня почала отримувати замовлення на новий двигун, але робота його продовжувала залишатися незадовільною - система запалювання часто давала збої, золотник без мастила не працював, а налагодити його задовільний мастило при температурі 800 градусів так і не вдалося. ККД двигуна ледве досягав 4%, він споживав величезну кількість мастила та газу. Проте двигун швидко набув поширення. Основними його покупцями стали маленькі підприємства (друкарні, ремонтні майстерні тощо), котрим парові машини були дуже дорогі і громіздкі. Тим часом двигун Ленуара виявився простим в експлуатації, легким і мав невеликі габарити. 1864 року було випущено вже понад 300 таких двигунів різної потужності. Розбагатівши, Ленуар перестав працювати над удосконаленням своєї машини, і це зумовило її долю - вона була витіснена з ринку досконалішим двигуном, створеним німецьким винахідником Августом Отто. У 1864 році той отримав патент на свою модель газового двигуна і того ж року уклав договір з багатим інженером Лангеном для експлуатації цього винаходу. Незабаром було створено фірму "Отто та Компанія".
На перший погляд, двигун Отто був крок назад у порівнянні з двигуном Ленуара. Циліндр був вертикальним. Волок, що обертається, містився над циліндром збоку. Уздовж осі поршня до нього було прикріплено рейку, пов'язану з валом. Двигун працював так. вал, що обертається, піднімав поршень на 1/10 висоти циліндра, в результаті чого під поршнем утворювався розряджений простір і відбувалося всмоктування суміші повітря і газу. Потім суміш спалахнула. Ні Отто, ні Ланген не мали достатніх знань у галузі електротехніки і відмовилися від електричного запалювання. Запалення вони здійснювали відкритим полум'ям через трубку. Під час вибуху тиск під поршнем зростало приблизно до 4 атм. Під впливом цього тиску поршень піднімався, обсяг газу збільшувався і тиск падало. Під час підйому поршня спеціальний механізм від'єднував рейку від валу. Поршень спочатку під тиском газу, а потім за інерцією піднімався доти, доки під ним не створювалося розрядження. Таким чином, енергія палива, що згоріло, використовувалася в двигуні з максимальною повнотою. У цьому полягала головна оригінальна знахідка Отто. Робочий хід поршня вниз починався під дією атмосферного тиску, і після того, як тиск у циліндрі досягав атмосферного, відкривався випускний вентиль, і поршень своєю масою витісняв відпрацьовані гази. Через більш повного розширення продуктів згоряння ККД цього двигуна був значно вищим, ніж ККД двигуна Ленуара і досягав 15%, тобто перевершував ККД найкращих парових машин того часу. Найбільш складною проблемою за такої конструкції двигуна було створення механізму передачі руху рейки на вал. Для цієї мети було винайдено особливий передавальний пристрій з кульками та сухариками. Коли поршень з рейкою злітав вгору, сухарики, що охоплювали вал своїми похилими поверхнями, так взаємодіяли з кульками, що ті не перешкоджали переміщенню рейки, але як тільки рейка починала рухатися вниз, кульки скочувалися по похилій поверхні сухариків і щільно притискали їх до валу. обертатися. Ця конструкція забезпечувала життєздатність двигуна. Оскільки двигуни Отто були майже вп'ятеро економічнішими за двигуни Ленуара, вони відразу стали користуватися великим попитом. У наступні роки їх випустили близько п'яти тисяч штук. Отто наполегливо працював над удосконаленням їхньої конструкції. Незабаром зубчасту рейку замінила кривошипно-шатунна передача (багатьох бентежив вид рейки, що злітала вгору протягом часток секунди, до того ж її рух супроводжувався неприємним гуркотом, що гикав). Але найважливіше з його винаходів було зроблено в 1877 році, коли Отто взяв патент на новий двигун із чотиритактним циклом. Цей цикл досі лежить в основі роботи більшості газових та бензинових двигунів. Наступного року нові двигуни вже були запущені у виробництво.
У всіх ранніх газових двигунах суміш газу і повітря запалювалася в робочому циліндрі при атмосферному тиску. Проте дія вибуху була тим сильнішою, чим тиск був більшим. Отже, при стисканні суміші вибух мав бути сильнішим. У новому газовому двигуні Отто газ стискався до 2, 5 або 3 атм, внаслідок чого двигун став меншим за розмірами, а потужність його зросла. Для приміщення газової суміші циліндр на одній із своїх сторін був подовжений. Коли поршень доходив тут до свого кінцевого положення, ще залишався певний простір, наповнений стиснутою газовою сумішшю. Завдяки цьому стало можливим робити вибух при кінцевому положенні поршня, коли він при зміні руху має нульову швидкість. За цієї системи запалення в мертвій точці вдалося уникнути ударів, поштовхів і струсів поршня об стінки циліндра, які були в колишньому двигуні. Хід поршня був наступний. 1) При першому ході поршня через відкритий впускний клапан і клапан для впуску суміші всмоктувалась бідна газом суміш, що складалася з 1/10 газу та 9/10 повітря. 2) При зворотному ході поршня впускний отвір закривався і всмоктана суміш стискалася в циліндрі. 3) Наприкінці цього ходу в мертвій точці відбувалося займання і тиск газоподібних продуктів вибуху, що розвивається, переміщало поршень. На початку третього такту тиск досягав 11 атм, а при розширенні знижувався майже до 3 атм. 4). При повторному зворотному ході поршня відкривався випускний клапан, і поршень витісняв з циліндра продукти горіння. Коли він доходив до крайньої точки, в циліндрі залишалися деякі залишки продуктів горіння, проте вони не заважали подальшій роботі двигуна. Навпаки, їхня присутність мала сприятливий вплив - замість вибуху відбувалося більш рівне горіння, через що хід поршня виходив більш рівним, без ривків, і двигун можна було застосовувати там, де раніше це здавалося неприпустимим - наприклад, для руху ткацьких верстатів і динамо-машин. У цьому полягала важлива перевага двигуна Отто. Щоб зробити обертання валу ще більш рівномірним, його постачали потужним маховиком. Адже з чотирьох ходів поршня тільки один відповідав корисній роботі, і маховик мав давати енергію для трьох наступних ходів (або, що те саме, під час 1, 5 оборотів), щоб машини, що працюють, могли йти без уповільнення ходу. Запалення суміші вироблялося, як і раніше, відкритим полум'ям. Через кривошипно-шатунне з'єднання з валом отримати розширення газу до атмосферного не вдалося, і тому ККД двигуна був не набагато вище, ніж у попередніх моделей, але він виявився найвищим для теплових двигунів того часу. Чотирьохтактний цикл був найбільшим технічним досягненням Отто. Але незабаром виявилося, що за кілька років до його винаходу такий самий принцип роботи двигуна був описаний французьким інженером Бо де Рошем. Група французьких промисловців заперечила в суді патент Отто. Суд визнав їх аргументи переконливими. Права Отто, які випливали з його патенту, було значно скорочено, в тому числі було анульовано його монопольне право на чотиритактний цикл. Отто болісно переживав цю невдачу, проте справи його фірми йшли непогано. Хоча конкуренти налагодили випуск чотиритактних двигунів, відпрацьована багаторічним виробництвом модель Отто все одно була найкращою, і попит на неї не припинявся. До 1897 було випущено близько 42 тисяч таких двигунів різної потужності. Однак та обставина, що як паливо використовувався світильний газ, сильно звужувала область застосування перших двигунів внутрішнього згоряння. Кількість світильногазових заводів було трохи навіть у Європі, а Росії їх взагалі було лише два - у Москві Петербурзі. Тому не припинялися пошуки нового пального двигуна внутрішнього згоряння. Деякі винахідники намагалися застосувати як газ пари рідкого палива. Ще в 1872 році американець Брайтон намагався використовувати в цій якості гас. Однак гас погано випаровувався, і Брайтон перейшов до легшого нафтопродукту - бензину. Але для того, щоб двигун на рідкому паливі міг успішно конкурувати з газовим, необхідно було створити спеціальний пристрій (згодом він став називатися карбюратором) для випаровування бензину і отримання горючої суміші його з повітрям Брайтон в тому ж 1872 придумав один з перших так званих "випарних" карбюраторів, але він діяв незадовільно. Працездатний бензиновий двигун з'явився лише десятьма роками пізніше. Винахідником його був німецький інженер Готліб Даймлер. Багато років він працював у фірмі Отто і був членом її правління. На початку 80-х він запропонував своєму шефу проект компактного бензинового двигуна, який можна було б використовувати на транспорті. Отто (як свого часу Уатт в аналогічній ситуації) поставився до пропозиції Даймлера холодно. Тоді Даймлер разом зі своїм другом Вільгельмом Майбахом прийняв сміливе рішення – у 1882 році вони пішли з фірми Отто, придбали невелику майстерню поблизу Штутгарта та почали працювати над своїм проектом. Проблема, що стояла перед Даймлером і Майбахом була не з легких, вони вирішили створити двигун, який не вимагав би газогенератора, був би дуже легким і компактним, але при цьому досить потужним, щоб рухати екіпаж. Збільшення потужності Даймлер розраховував отримати за рахунок збільшення частоти обертання валу, але для цього необхідно забезпечити необхідну частоту займання суміші. У 1883 році був створений перший бензиновий двигун із запаленням від розпеченої порожнистої трубочки, відкритої в циліндр.
Перша модель бензинового двигуна призначалася для промислової стаціонарної установки. Тут P - бак для бензину, з якого за допомогою запірного клапана через трубу пропускалося стільки бензину до приладу для випаровування його AB, що A завжди залишався наповненим приблизно на 2/3. B - це лампа, яка наповнювалася першою, ще до попадання бензину в A. З лампи B через трубку з клапаном V бензин підводився до пальника, що знаходився в оболонці L; він випливав тонким струмком з вузького наконечника пальника і завдяки високій температурі пальника зараз же випаровувався. Полум'я горіло навколо платинового запальника і розжарювало його. У приладі для випаровування A пари бензину утворювалися при просмоктуванні через бензин підігрітого повітря. Ці пари змішувалися з повітрям у регулювальному крані H, і таким чином виходила горюча газова суміш. При ході поршня вниз він всмоктував цю суміш, при зворотному ході стискав її в просторі призначеному для стиснення. У той час, коли поршень знаходився у верхній мертвій точці, розподільний механізм відкривав розжарений платиновий запалювач, заряд вибухав, і газоподібні продукти горіння давили на поршень. Для утворення парів бензину повітря, як зазначалося вище, мало попередньо нагріватися. Це досягалося тим, що повітря перед надходженням у випарник проходило через кожух пальника.
Для пуску двигуна, наповнення бензином A і B, спочатку відкривали кран пальника V і протягом однієї або двох хвилин ззовні нагрівали трубки пальника. Так вимагали температури, за якої бензин починав випаровуватися. Коли запалювач розпалювався до червоного, відкривали клапан V і обертали двигун вручну за допомогою спеціальної рукояті; після кількох обертів відбувався перший вибух у робочому циліндрі; потім двигун приходив у рух. Робочий циліндр, як і в газових двигунів, оточувала оболонка, через яку протікала вода для охолодження з водопроводу або від невеликого насоса Q, який рухався самим двигуном. З наведеного опису видно, що процес випаровування рідкого палива в перших бензинових двигунах бажав кращого. Тому справжню революцію в двигунобудуванні зробив винахід карбюратора. Творцем його вважається угорський інженер Донат Банки (хоча незалежно від нього і навіть дещо раніше ту саму конструкцію карбюратора розробив друг і соратник Даймлера Майбах). Пізніше Банки набув великої популярності своїми видатними винаходами в галузі гідравлічних турбін. Але, будучи молодою людиною, він у 1893 році взяв патент на карбюратор із жиклером (форсункою), який був прообразом усіх сучасних карбюраторів.
На відміну від своїх попередників Банки пропонував не випаровувати бензин, а дрібно розпорошувати його у повітрі. Це забезпечувало його рівномірний розподіл циліндром, а саме випаровування відбувалося вже в циліндрі під дією тепла стиснення. Для забезпечення розпилення всмоктування бензину відбувалося потоком повітря через дозуючий жиклер, а сталість складу суміші досягалася за рахунок підтримки постійного рівня бензину в карбюраторі. Жиклер виконувався у вигляді одного або кількох отворів у трубці, що розташовувалась перпендикулярно потоку повітря. Для підтримки напору був передбачений маленький бачок з поплавком, який підтримував рівень на заданій висоті, так що кількість бензину, що всмоктується, було пропорційно кількості повітря, що надходить. Таким чином, карбюратор складався з двох частин: поплавкової камери 1 і камери змішувача 2. У камеру 1 паливо вільно надходило з бака по трубці 3 і трималося на одному рівні поплавком 4, який піднімався разом з рівнем палива і при наповненні, за допомогою важеля 5 , спускав голку 6 і тим самим закривав доступ паливу. З камери 1 паливо вільно протікало в камеру 2 і зупинялося в жиклері 7 на одному рівні з камерою 1. Камера 2 знизу мала отвір, що повідомлялося із зовнішнім повітрям, а вгорі - з клапаном двигуна, що всмоктує. Кількість суміші, що доставляється в циліндр, регулювалося повертанням дроселя (заслінки) 8. При всмоктувальному ході поршня повітря прямував знизу в камеру змішування і засмоктував з жиклера паливо, розпорошуючи і випаровуючи його. Перші двигуни внутрішнього згоряння були одноциліндровими, і, щоб збільшити потужність двигуна, зазвичай збільшували об'єм циліндра. Після цього стали домагатися збільшенням числа циліндрів. Наприкінці ХІХ століття з'явилися двоциліндрові двигуни, і з початку ХХ століття стали поширюватися чотирициліндрові. Останні влаштовувалися в такий спосіб, що у кожному з циліндрів чотиритактний цикл було зрушено однією хід поршня. Завдяки цьому досягалася хороша рівномірність обертання колінчастого валу.
На відміну від колишнього валу, колінчастий вал складався з окремих колін-кривошипів, які за допомогою шатунів були пов'язані з окремими поршнями. З одного боку вал приймав рух від поршнів і перетворював зворотно-поступальний рух на обертальний, а з іншого - керував рухом поршнів, які завдяки цьому рухалися вперед і назад у точно встановлені моменти, тобто одночасно у всіх циліндрах проходили по одному робочому такту. Всі ці такти чергувалися через проміжки часу. Автор: Рижов К.В.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Рух щелеп виробляє електрику ▪ Новий мікроконтролер від Maxim ▪ Кіт робить свого хояїна здоровішим ▪ Електрокросовер Volvo XC40 Recharge
▪ розділ сайту Історії з життя радіоаматорів. Добірка статей ▪ стаття Франсуаза Саган. Знамениті афоризми ▪ стаття Де і коли існувала держава Бізонія? Детальна відповідь ▪ стаття Стопорний вузол. Поради туристу ▪ стаття Автомат періодичного увімкнення навантаження. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Справа не лише у плащах. Фізичний експеримент
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page