Сегодня двигатели внутреннего сгорания окружают нас практически со всех сторон – количество автомобилей измеряется сотнями миллионов. Кроме того, их применяют и во многих других устройствах – от генераторов электрического тока до авиации. Но при всем их разнообразии, принцип их работы одинаков – сгорание жидкого топлива в смеси с кислородом в маленькой камере. При этом происходит микровзрыв и под действием высокого давления от расширяющихся газов происходит движение главной подвижной части двигателя – поршня. Принцип, в общем, прост, но вот интересно, кто первым его придумал?
К предпоследнему столетнему повороту автомобили с паровыми двигателями все еще представляли серьезную конкуренцию тем, у кого двигатели внутреннего сгорания. Паровые машины не нуждаются в снаряжении и тише. На сегодняшний день, по крайней мере, «паровой ролик» сохранился в пресловутом сокровище. Тем не менее, двигатель внутреннего сгорания затем зашел в тупик из-за его более высокой эффективности и потому, что он не требует периода ожидания до нарастания давления, но может быть запущен немедленно.
Сегодняшние автомобили имеют оттомотор или дизельный двигатель. Они называются двигателями внутреннего сгорания, поскольку сжигание топлива происходит в самом двигателе, а не за паровым двигателем. В четырехцилиндровом двигателе есть, как следует из названия, всего четыре цилиндра, которые сдвигают четыре бара. Поэтому, когда двигатель работает, в рабочем цикле всегда есть один цилиндр и может снабжать другие цилиндры энергией.
А первым человеком, который решил использовать энергию сгорающего топлива для создания двигателя, был французский инженер Филипп Лебон. В 1799 году он открыл так называемый светильный газ, который состоял из смеси водорода, метана и углекислого газа. В том же году он запатентовал способ получения этого газа из древесины или угля. В дальнейшем этот газ стали широко применять для освещения – в газовых лампах.
Для начала вам нужна энергия от аккумулятора. Ход - ход всасывания. Уже перед камерой сгорания образуется бензино-воздушная смесь и вводится в цилиндр через впускной клапан. Понижающий вниз поршень создает вакуум и всасывает смесь в цилиндр. Ход - компрессионный ход. Бензино-воздушная смесь уплотняется поршнем, идущим вверх. Окончание субтитров Рисунок 2: Оттомотор и указатель часов Влево: рабочий цикл часов Электрические искры, генерируемые свечой зажигания, зажигают смесь. Он горит, расширяет и перемещает поршень вниз.
Поэтому в этом цикле тепло превращается в механическую, полезную работу. Ход - Ход выпуска. Поршень, который движется вверх снова, выталкивает выхлопные газы через выпускной клапан. В конце цепи поршень снова поднимается и может начинаться спереди. Оттомотор основан на идеализированном цикле Отто. Он состоит из адиабатического сжатия, изохорного теплоснабжения, адиабатического теплоснабжения и изохорной теплоотдачи.
Но Лебон на этом не остановился. Уже в 1801 году он запатентовал газовый двигатель. В его конструкции в рабочий цилиндр нагнетался сжатый воздух и сжатый светильный газ, а затем воспламенялся и приводил в движение поршень. Что интересно – камеры сгорания находились с обеих сторон поршня и срабатывали поочередно, то есть двигатель производил полезную работу постоянно и должен был развивать хорошую мощность. Трагическая смерть в 1804 году прервала работу этого талантливого изобретателя.
Давайте посмотрим на это в реальном Оттомоторе. В такте всасывания всасывается смесь воздух-бензин. Когда поршень убирается, объем в цилиндре увеличивается. Полученное отрицательное давление компенсируется входящей топливной смесью, так что давление остается постоянным во время процесса - такт всасывания является изобарным. Последующий такт сжатия представляет собой адиабатическое сжатие. Зажигание в рабочем цикле происходит настолько быстро, что объем бензино-воздушной смеси можно считать постоянным - здесь у нас есть изохорная теплоснабжение.
Следующим, кто взялся за идею двигателя внутреннего сгорания, был бельгийский механик Жан Этьен Ленуар. Он тоже использовал светильный газ, но придумал воспламенять его с помощью электрической искры. Он даже создал первый рабочий двигатель, который работал совсем немного –расширившийся от температуры поршень заклинил в цилиндре. Во второй модификации Ленуар применил водяное охлаждение, а затем использовал и смазку поршня. И тогда двигатель заработал как следует. В 1864 году Ленуар продал 300 двигателей, но перестал их улучшать и скоро появились более совершенные конструкции.
После воспламенения смесь расширяется адиабатически. Таким образом, рабочий цикл включает изохорическое теплоснабжение и адиабатическое расширение. В такте выхлопа горячие выхлопные газы выталкиваются из цилиндра поршнем, который возвращается назад. Поскольку выхлопные газы могут выходить за пределы давления поршня, этот процесс также является изобарным. Тепло также рассеивается через выход горячих выхлопных газов. В такте выхлопа в оттомоторе это изобарическая теплоотдача.
Однако в идеализированном цикле Отто такие реальные проблемы, как подача топлива или удаление выхлопных газов, не учитываются, здесь газ остается в цилиндре в течение всего процесса без замены. Поэтому цикл Отто не содержит ни процесса всасывания, ни процесса выхлопа. Таким образом, поршень остается в крайнем положении после рабочего хода и может начинаться оттуда с такта сжатия. Тепло не исчерпывается выхлопными газами, но поставляется «просто так». По мере того, как поршень снова не перемещается в цилиндр после рабочего цикла, тепло выделяется с неизменным объемом - отсюда и изохорная теплоотдача в цикле Отто.
Немекий изобретатель Август Отто запатентовал свою конструкцию двигателя в 1864 году, и со временем очень сильно ее усовершенствовал. Этот двигатель был очень популярен, но имел серьезный недостаток – в качестве топлива использовался все тот же светильный газ.
В 1872 году американец Брайтон придумал использовать в качестве топлива керосин, а потом – бензин. Но жидкость нужно было превращать в газ, чтобы получать воздушно – бензиновую смесь, поэтому Брайтон и придумал такое устройство – карбюратор. Только вот работал он плохо.
Воздух всасывается в цилиндр, который затем сильно сжимается. До сих пор температура повышается, так что впоследствии впрыскиваемое дизельное топливо самопроизвольно воспламеняется. Поэтому не следует создавать топливно-воздушную смесь, и искры не требуется.
Дизельный двигатель также основан на идеализированном круговом процессе, аналогичном циклу Отто. В отличие от этого, однако, зажигание вызывает изобарическое теплоснабжение, поскольку оно медленнее, и поэтому объем нельзя считать постоянным. В то время как двигателю внутреннего сгорания требуется топливо, которое необходимо сжечь, а паровой двигатель зависит от транспортировки тепла паром, движется двигатель Стирлинга с любым источником тепла.
И вот, в 1883 году, был создан первый дествительно работающий бензиновый двигатель. А изобрел его немецкий инженер Готлиб Даймлер. Даймлер работал в фирме Отто, и ему был показан первый проект, но тот проигнорировал его. И в результате Даймлер и его друг – Вильгельм Майбах стали работать над новым двигателем самостоятельно. Так вот Отто и прозевал свое счастье, потому что в результате получился компактный, легкий и мощный двигатель.
Идея сжигания водорода в двигателе не нова сама по себе. Результаты итогового отчета были следующими. Эта технология сжигания обладает очень высокой эксплуатационной безопасностью и может быть экономически выгодной в краткосрочной перспективе. Напротив, параллельный тест на топливных элементах для крупных транспортных средств был сертифицирован как «высокие закупочные расходы и высокие простои». Тем не менее, до сих пор нет доступного и модернизированного двигателя для сжигания водорода с рыночной зрелостью.
В испытательной мастерской в Нордхаузене в Тюрингии разработка такого двигателя разрабатывается специально для грузовых автомобилей. Сердцем эксперимента является полностью нормальный дизельный двигатель. Мы изменили систему зажигания, систему впрыска и геометрию поршня. Мы превращаем его в принцип оттомотора, потому что нам нужно воспламенить водород, чтобы он горел в камере сгорания. Измерительные приборы контролируют, насколько эффективно двигатель сжигает водород. Наша цель - дальнейшее повышение ценностей.
Сейчас двигатели внутреннего сгорания настолько широко распространились, что бюджет многих стран зависит от продаж нефти, из которой производят бензин. Теперь уже не люди контролируют двигатель, а он – их. Предпринимаются попытки создания принципиально новых типов двигателей, более дешевых и экологически чистых.
Например, японцы представили действующую модель автомобиля, который работает на воде. Что может быть дешевле и доступнее воды, которой на планете больше, чем суши? Современные технологии позволяют получить энергию практически из чего угодно.
Новым является то, что этот двигатель внутреннего сгорания также использует водород, который производится как отходы в промышленности, без необходимости дорогостоящей переработки. Тем не менее, это работает почти без выбросов. Только масло, которое смазывает цилиндры, вырабатывает выхлопные газы. Но они минимальны, говорит Кох. Не образуется монооксид углерода, потому что углерод не участвует в этом процессе горения, в отличие от дизельного топлива, природного газа и бензина.
Доступная и модифицированная альтернатива для транспортных компаний
То, что остается от загрязнителей, по-прежнему остается оксидом азота, однако настолько низким, что будет соблюден стандарт Евро 6. Только спрос на коммерческие автомобили является самым большим, потому что им по-прежнему не хватает недорогих альтернатив. В этом году компания планирует представить прототип. Когда ожидается запуск рынка, он все еще открыт. Но тогда владельцы коммерческих автомобилей могли бы превратить свой дизельный двигатель примерно в € 000. На следующем этапе транспортные средства должны быть оснащены двигателем с водородным двигателем непосредственно с завода, а затем за значительно меньшие деньги.
Так вот, этот японский автомобиль существует в единственном экземпляре – его сделали для регистрации патента. Что он может? А может он на литре воды любого качества – от дождевой до морской, лишь бы без грязи, проехать целый час, притом на скорости 80 км/ч. Представляете? Взял бутылку воды – и катайся себе на здоровье, а кончится – можно из речки или из крана еще набрать.
Экологически чистые синтетические топлива: промышленность давно работает над альтернативными видами топлива, которые предназначены для обеспечения долговечности двигателя внутреннего сгорания. «Трюки на грани законности». Теперь пришли гигантские мамы.
Проект закона мобильности предназначен для регулирования автоматического вождения. «Мы находимся перед двигателем номер один из истории, который является предшественником четырехтактного двигателя, который мы все знаем сегодня в самых разных вариантах». До этого г-н Отто думал о разработке машины, что является более экономичным, чем паровой двигатель, используемый в то время, и то, что мы видим здесь, представляет собой одноцилиндровый двигатель с большим маховиком, а когда на этой линии зажигания горит пламя, машина может быть введена в эксплуатацию.
Есть ли будущее у таких автомобилей? Казалось бы – несомненно. Но… есть производители бензина и экспортеры нефти… Весь мир давно поделен на сферы влияния и что-то новое, нарушающее привычный порядок, а тем более – приносящее ущерб, быстро пресекается или прячется в ящик. Против монополистов не попрешь. Патенты на такие технологии выдаются неохотно. Но как знать, может идея и пробьет себе дорогу…
Машина за ним гремит. Поршень поднимается, большой и небольшой поворот колеса. Теперь он показывает посетителям один из первых двигателей в мире. Прямо рядом с ним: еще одна огромная машина. Он не растет по ширине. Четвертый акт - веха мобильности - до сегодняшнего дня. Вначале можно было управлять автомобилем с четырехтактным двигателем.
Только один процент автомобилей управляется наполовину и электрически или с газом
Вскоре после разработки первых двигателей, Карл Фридрих Бенц строит один из первых автомобилей в Мангейме, что также практично. Происходит триумфальное шествие двигателя внутреннего сгорания. Чуть более одного процента автомобилей управляют электрическим, полуэлектрическим или газовым. Неутешительная доля. Рынок бензина и дизельного топлива.
Три века назад, в 1680 г. голландский ученый- механик Христиан Гюйгенс придумал «пороховой двигатель». Согласно $го идее под поршень, размещенный в вертикальном цилиндре, нужно было заложить заряд пороха и поджечь его через маленькое отверстие в стенке цилиндра. Продукты горения подбрасывали бы поршень до большого отверстия, сообщающего камеру сгорания с атмосферой. Опускаясь, поршень должен был тянуть груз, подвешенный на блоках. Для эпохи Гюйгенса это была сверхнеобычная «махина» (термины «двигатель» или «машина» еще не появились), ибо тогда единственным мощным двигателем было водяное колесо.
Но самое позднее, поскольку дело об управляемых значениях выхлопных газов, дизельное топливо находится под давлением. Автомобили с двигателем внутреннего сгорания с ископаемым топливом больше не имели бы шанса. Приоритетный привод должен иметь альтернативные приводы, Зеленые вызовы выше всего электродвигателя.
Электродвигатель вместо сгорания. Однако автомобильная промышленность не согласна с этой формулой. Даймлершеф Дитер Цетше, приглашенный оратор на Зеленой партийной конференции. Сегодня никто не может с уверенностью сказать, что электромобили, в том числе плагины-гибриды, будут иметь абсолютное большинство в новых автомобилях.
Сам X. Гюйгенс в то время увлекся шлифовкой линз для гигантских и по нынешним понятиям телескопов с фокусным расстоянием до 60 м. Поэтому постройку небезопасной «махины» поручил ученику - французскому физику Дени Папену, воплотившему идею в металл. Его именем и открывается история тепловых двигателей. Распространенное утверждение, что первой появилась паровая машина, неверно. «Пороховая махина» Д. Папена - прообраз современного двигателя внутреннего сгорания, поскольку горение внутри цилиндра - его неотъемлемый признак.
Вместо того, чтобы точно обсуждать, когда мы приходим, речь идет о ускорении темпа. Итак: альтернативные типы дисков, да, запрет на горение нет. Обсуждение также касается рабочих мест. Поставщики, мастерские с исследованиями выхлопных газов, заправочные станции - тысячи рабочих мест зависят от горелки.
Германия - это сильная аппаратно-ориентированная отрасль, которая сильно зависит от двигателя внутреннего сгорания. И все же, говорит Братзель, изменить нельзя. Соотношение двигателя внутреннего сгорания вернется и отрасль должна отрегулировать. По словам Братцеля, автомобильная индустрия потеряла доверие к дизельному двигателю.
Провозившись с «махиной» несколько лет, Папен понял, что порох - горючее не из лучших. Судьба послала ему в ту пору новых выдающихся учителей. В Англии он знакомится с Робертом Бойлем, изучавшим состояние газов, а позже, в Германии, с математиком Готфридом Лейбницем. Возможно, что их работы и помогли Д. Папену создать «пароатмосферный двигатель», в котором поршень поднимал «получаемый при посредстве огня водяной пар». Когда источник тепла (огонь) убирали, пар «опять сгущался в воду», и поршень под действием веса и атмосферного давле- ния (!) опускался вниз.
Но великий прорыв еще впереди. В прошлом году это было неплохо 000 раз. Экологический баланс электромобилей также противоречив. Они являются только экологически чистыми, когда им предъявляются обвинения в использовании возобновляемой электроэнергии. Скептицизм - это также оценка жизненного цикла в производстве автомобилей.
Но их вряд ли рекламируют. «Электронная мобильность уже входит в рекламу, вы видите сообщения, но если вы посмотрите на цифры, мы еще не находимся там, что электронная мобильность - большая тема». Он изучил расходы строителей на рекламу. Всего на рекламу на рекламном рынке тратится около одного миллиарда долларов, и на этом рекламном рынке электронная мобильность достигла пика от 60 до 70 миллионов евро или хорошие пять процентов.
И хотя здесь уже используется пар, новую машину Папена нельзя назвать паровой: рабочее тело в ней не покидает пределов цилиндра и только источник тепла расположен снаружи. Поэтому можно сказать, что вслед за ДВС Папен изобрел двигатель внешнего сгорания. Первый в мире делал всего один ход в минуту, что не отвечало даже непритязательным требованиям тех времен. И Папен, отделив котел от цилиндра, изобрел паровую машину!
Первая в мире пароатмосферная машина попала в «подмастерья» к водяному колесу. В книге Д. Папена «Новое искусство эффективно поднимать воду на высоту при помощи огня» сказано, что она качала воду, чтобы та... вращала водяное колесо.
Восемнадцатый век. Он не принес нового истории ДВС. Но зато Томас Ньюкомен в Англии (в 1711 г.), Иван Ползунов (в 1763 г.) и англичанин Джеймс Уатт (в 1784 г.) развили идеи Д. Пап^ра. Началась самостоятельная жизнь паровой машины, ее победное шествие. Оживились и сторонники внутреннего сгорания. Да разве не заманчиво объединить и топку и котел паровой машины с ее цилиндром? Когда-то Папен поступил наоборот, а теперь...
В 1801 г. француз Ф. Лебон предположил, что светильный газ - неплохое топливо для ДВС. На претворение идеи в жизнь ушло 60 лет. Его земляк, Жак Эть- ен Ленуар, бельгиец по национальности, запустил в 1861 г. первый в мире ДВС. По устройству это была паровая машина двойного действия без котла, приспособленная для сжигания в ней4 смеси воздуха и светильного газа, подаваемой при атмосферном давлении.
Нельзя сказать, что Ленуар был первым. За 60 лет патентные ведомства получили множество заявок на «привилегии» по постройке необычных тепловых двигателей. Например, в 1815 г. заработал «воздушный тепловой двигатель» Po6efpTa Стирлинга, который в 1862 г. удалось превратить в холодильную машину. Были и другие попытки постройки ДВС.
Но распространение получил лишь , несмотря на то, что он был громоздок, капризен, поглощал массу смазки и воды, за что даже получил нелестное прозвище «вращающийся кусок сала». Но Жак Ленуар потирал руки - спрос на «куски сала» рос. Однако торжествовал он недолго. На Всемирной выставке 1867 г. в Париже вопреки ожиданиям первый приз получил «газовый атмосферный двигатель», привезенный из Германии Николаусом Отто и Эйг^ном Лангеном. Он оглушал посетителей неимоверным треском, но зато потреблял гораздо меньше топлива, чем двигатель Лену ара, и имел на 10% больший КПД. Секрет его успеха - предварительное сжатие рабочей смеси, чего в двигателях Ленуара не было.
Еще в 1824 г. французский инженер Никола Леонар Сади Карно издал книжку «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Фейерверк идей: принципы теплопередачи, критерии для сравнения всех тепловых циклов, основы термодинамики двигателей и среди них предварительное сжатие - был рассыпан на страницах этой маленькой книжки. Через десять лет эти идеи развил Б. Клапейрон, а чуть позднее - У. Томсон. Теперь эти имена всем знакомы. Но ни Ленуар, ни Отто, ни Ланген об их трудах ничего не знали. Они предпочитали теории эксперимент. Не знали они и того, что в 1862 г. француз А. Бо де Роша уже запатентовал четырехтактный цикл. А второй по счету такт - как раз и есть предварительное сжатие рабочей смеси.
Четырехтактный двигатель, практически не отличающийся от современных ДВС, Отто и Ланге привезли лишь на Всемирную выставку 1873 г. До этого изобретатели не только использовали опыт производства паровых машин, но применяли такой же, как у них, механизм газораспределения - золотник. В новом двигателе вместо золотника стояли клапаны.
Неприступные позиции паровой машины пошатнулись. ДВС перешел в наступление. Недолго поработав на светильном газе, он принялся за более калорийный - генераторный. А потом, и поначалу это казалось невероятным, добрался до «необычного» жидкого топлива.
Сдалась не сразу. В 1880 г. М. Д. Можайский заказал для своего самолета две паровые машины. Об «удельном» весе, равном 5 кг/л. е., конструкторы ДВС в то время только мечтали, а М. Можайский достиг этого без особого труда. Но уже через восемь лет «Товарищество по постройке воздушного корабля «Россия» собралось установить на свой дирижабль один из первых в мире бензиновых двигателей, построенный Огнеславом Костовичем. Он добился не
обычайной легкости конструкции: на 1 л. с. мощности в его двигателе приходилось всего по 3 кг веса. Оригинальной была и компоновка двигателя. Пары противолежащих поршней через расположенные с боков коромысла вращали коленчатый вал, размещенный над цилиндрами (2). Двигатель сохранился, и с ним мож^о ознакомиться в Московском Доме авиации им. М. В» Фрунзе.
На рубеже XX в. в постройку здания ДВС был заложен последний камень. В 1893 г. с претенциозной идеей «рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели» выступил немецкий инженер Рудольф Дизель. Первый образец его двигателя заработал в 1897 г. Масса недостатков сполна компенсировалась небывало высоким КПД, равным 26%. Для первого образца этого более чем достаточно. Интересно, что усовершенствование двигателей Дизеля, их доводку осуществили русские инженеры на Петербургском заводе Нобеля в 1899-1902 гг. Только после этого дизель стал достойным конкурентом карбюраторного ДВС.
Массовое распространение ДВС резко изменило жизнь человека. Грохот моторов стал слышаться со всех сторон. Он заставил пешеходов испуганно жаться к стенам домов, с любопытством задирать голову вверх, часами глазеть на манипуляции различных машин.