1. Газовий двигун Ленуара
2. Принцип роботи двигуна Отто
3. Двигун внутрішнього згоряння Даймлера

Двигун для автомобіля, як і сам автомобіль, неодмінно повинен був з'явитися в останній чверті минулого століття. І двигун з'явився, а потім дот вже протягом 100 років безроздільно панує на автомобілях. Розмова йде про поршневому двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ), що працює на бензині по чотиритактному циклу. Про конструкціях ДВС інших типів буде розказано нижче.

Творці перших транспортних ДВС відштовхувалися від конструкції парової машини. Як зробити її більш компактною і продуктивної? Найоб'ємніші, до того ж небезпечні її елементи - топка і котел. Значить, їх-то і потрібно замінити, вважали винахідники. Чим? Відповідь на це питання здавалося простим: потрібен резервуар з пальним газом, наприклад світильним. Газ треба змішати з повітрям, вводити в циліндр машини і там запалювати. Горіння і розширення суміші справлять силу, яка замінить пар. Топка і котел більше не знадобляться.

Газовий двигун Ленуара

Ще в 1860 році французький механік Етьєн Ленуар (1822-1900) побудував газовий двигун, що нагадував парову машину. Однак сама по собі суміш светильного газу і повітря на відміну від пара не тисне на поршень. Потрібно її підпалити. Для запалювання служили дві електричні свічки, вкручені в кришки циліндра. Двигун Ленуара - двосторонній (або, як прийнято говорити, подвійної дії; робочий процес відбувається з двох сторін поршня) і двотактний, т. Е. Повний цикл роботи поршня триває протягом двох його ходів. При першому ході відбуваються впуск, займання і розширення суміші в циліндрі (робочий хід), а при другому ході - випуск відпрацьованих газів. Впусканням і випуском керує засувка-золотник, а золотником - ексцентрик, змонтований на валу двигуна.

Переваги нового двигуна перед паровою машиною не обмежувалися ліквідацією котла і топки. Газові двигуни не вимагали розведення пари, обслуговувати їх було неважко. На жаль, маса нового двигуна залишалася майже такий же, як і у парової машини. Одиниця виробленої потужності двигуна (л. С. Або кВт), обходилася в 7 разів дорожче, ніж у парової машини. Тільки 1/25 теплоти згорілого газу здійснювала корисну роботу, т. Е. Коефіцієнт корисної дії (ККД) двигуна становив 0,04. Решта йшло з відпрацьованими газами, витрачалося на нагрів корпусу і відводилося в атмосферу. Коли частота обертання валу сягала 100 об / хв, запалювання діяло ненадійно, двигун працював з перебоями. На охолодження витрачалося до 120 м3 води на годину (!). Температура газів доходила до 800 ° С. Перегрів викликав заїдання золотника. Незгорілі частки суміші засмічували канали впуску-випуску.

Причина низької продуктивності двигуна полягала в самому принципі його дії. Тиск запаленої суміші не перевищувало 5 кг / см2, а до кінця робочого ходу знижувалося втричі. Простий розрахунок показує, що одноциліндровий двигун робочого об'єму 2 л при такому тиску, частоті обертання валу 100 об / хв і ККД 0,04 розвиває потужність не більше 0,1 кВт. Іншими словами, ленуаровскій двигун в тисячу разів менш продуктивний, ніж двигун нинішнього автомобіля.

Створення швидкохідного саморушного екіпажу стало можливим після винаходу двигуна внутрішнього згоряння, особливо чотиритактного. Його робочий процес - «цикл Отто» - зберігся до наших днів. На діаграмі показано, наскільки він ефективніше початкового, запропонованого Е. Ленуаром. Зліва - пристрій двигуна Ленуара

Зробити газовий двигун ефективнішим вдалося в 1876 році комерційному службовцю Миколі-Августу Отто (1832-1891) з Кельна (Німеччина) спільно з Євгеном Лангеном (1833-1895).

Вдалося ... Легко хвалити або критикувати справи винахідників 100 років по тому. За їх рідкісними успіхами - роки праці, невдач, поневірянь, вони творили в умовах нестачі технічної інформації, відсутності приладів, інструментів і матеріалів, при недовіру обивателів ... Наприклад, отриманий Отто патент був в 1889 році анульовано, так як чотиритактний цикл нібито обґрунтував раніше француз Л. Бо-де-Роша.

Лише посмертно заслуги Отто визнала світова технічна громадськість, цикл назвали його ім'ям. У праці «Нові газові і нафтові двигуни» французький (підкреслюю, французький) вчений Г. Рішар писав в 1892 році: «Без запропонованого Отто робочого тіла - горючої суміші - сучасний двигун не існував би» і «Бо-де-Роша не винайшли чотиритактний цикл, здійснений до нього (при зовнішньому стисканні суміші) Лебоном в 1801 році і (при стисканні всередині циліндра) в 1861 році - Отто ».

Принцип роботи двигуна Отто

Звернемося тепер до суті винаходу. Спостерігаючи роботу побудованого газового двигуна, схожого на ленуаровскій, Отто прийшов до висновку, що зможе домогтися його більш продуктивної роботи, якщо буде запалювати суміш не на середині ходу поршня, а в його початку. Тоді тиск газів при згорянні суміші діяло б на поршень протягом всього його ходу. Але як наповнити циліндр сумішшю до початку ходу? Отто випробував наступне: обертаючи маховик вручну, він наповнив циліндр, продовжував обертати маховик і включив запалювання лише в той момент, коли поршень повернувся в початкове положення. Маховик різко «взяв» обороти, а до цього згоряння суміші давало йому лише слабкий поштовх. Отто не надав значення тому, що суміш була стиснута перед запалюванням, він вважав покращення процесу результатом тривалого розширення суміші в процесі згоряння.

Отто знадобилося 15 років, щоб сконструювати економічний двигун з ККД, що досягає 0,15. Двигун назвали чотиритактним, так як процес в ньому відбувався протягом чотирьох ходів поршня і відповідно двох обертів колінчастого вала. Золотник в потрібний момент відкривав доступ в циліндр від запальний камери, де постійно горів газ. Відбувалося запалювання суміші. Золотниковое розподіл і запалювання пальником не застосовуються в сучасних двигунах, але цикл Отто повністю зберігся до наших днів. З цього циклу працює переважна більшість автомобільних двигунів. Наведу саме короткий опис його.

При першому такті поршень віддаляється від вихідної «мертвої точки» - головки циліндра, створюючи в ньому розрідження, при цьому засмоктується приготована особливим приладом (карбюратором) горюча суміш. Випускний отвір закрито. Коли поршень досягає нижньої «мертвої точки», закривається і впускне. При другому такті закриті обидва отвори. Поршень, що штовхається шатуном, йде вгору і стискає суміш. У чому значення її стиснення, особливо підкреслює Рішаром? Частинки палива зближуються, суміш легше піддається займання. Якщо обсяг циліндра над поршнем (т. Е. В камері згоряння) дорівнює його робочому об'єму (між «мертвими точками»), то ступінь стиснення дорівнює 2, як у ранніх ДВС (т. Е. Вдвічі більше атмосферного тиску), а тиск газів при їх вибуху вчетверо більше атмосферного (у сучасних двигунів воно в 40-50 разів більше, ніж у двигуна Отто). Третій такт - робочий хід. На початку його відбувається запалювання стислій суміші. Рух поршня через шатун перетвориться в обертання колінчастого вала. Обидва отвори закриті. Тиск в циліндрі поступово зменшується до атмосферного. При четвертому такті маховик, отримавши імпульс руху, продовжує обертатися, шатун штовхає поршень і витісняє відпрацьовані гази в атмосферу через відкрилося випускний отвір, впускне закрито.

Інерції маховика вистачає і на те, щоб поршень зробив ще три ходи, повторюючи четвертий, перший і другий такти. Після них вал і маховик знову отримують імпульс. При пуску двигуна перші два такту відбуваються під дією зовнішньої сили. За часів Отто і ще протягом півстоліття маховик прокручували вручну, а тепер його обертає електродвигун - стартер. Після перших кількох робочих ходів стартер автоматично відключається і двигун працює самостійно.

Впускний і випускний отвори відкриває і закриває розподільний механізм. Своєчасне займання суміші забезпечує система запалювання. Циліндр може бути розташований горизонтально, вертикально або похило, процес роботи двигуна від цього не змінюється.

До недоліків двигуна Отто відносять його тихохідність і велику масу. Збільшення числа обертів вала до 180 в хвилину призводило до перебоїв в роботі і швидкого зносу золотника. Великий тиск в циліндрі вимагало міцних кривошипного механізму і стінок циліндра, тому маса двигуна досягала 500 кг на 1 кВт / год. Для розміщення всього запасу газу потрібен був величезний резервуар. Все це зумовило невдачу: газовий двигун Отто, так само як і перший його варіант, був непридатний для установки на автомобіль, проте набув широкого поширення в стаціонарних умовах.

Двигун внутрішнього згоряння Даймлера

Двигун внутрішнього згоряння став придатним для застосування на транспорті, після того як заробив на рідкому паливі, придбав швидкохідні, компактність і легкість.

Найбільший внесок в його створення внесли інженери-машинобудівники XIX століття - технічний директор заводу Отто в Дойц Г. Даймлер (1834-1900) і його найближчий співробітник В. Майбах (1846-1929), пізніше заснували власну фірму.

Про винахідників машин нерідко пишуть, що вони з дитинства захоплювалися технікою, майстрували прилади, розбирали і збирали годинник, що ідею майбутньої нової машини вони виношували мало не з пелюшок. І ще пишуть, що винахідники, мовляв, усвідомлювали її ймовірне соціальне і економічне значення. Насправді справа зазвичай дещо інакше. Ми це вже бачили на прикладах Кулібіна, Кюньо і Болле. Але у Готліба Даймлера і Вільгельма Майбаха біографії «зразкових» винахідників. Даймлер з юних років присвятив себе машинам, послідовно накопичував знання з локомотивів. З успіхом закінчив Вище політехнічна училище в Штутгарті. Під час тривалої служби в Ельзасі і на англійських машинобудівних заводах Даймлер добре вивчив передову для того часу техніку і до того ж, володіючи французькою та англійською мовами, отримав доступ до великої спеціальній літературі. Спочатку його просто захоплювало конструювання машини. Потім, як у багатьох конструкторів, виникла думка про будівництво другого, третього варіантів машини, поліпшених з досвіду роботи над попередньою, і ... про її продаж. Тут-то виявляється попит, зароджуються комерційні міркування. Така найбільш типова схема. В даному ж випадку кузен Даймлера, математик і політичний діяч, людина широкого кругозору та ще й із засобами, допомагав умільцю, не будучи сам здатним на конструювання. А «геніальному» (як його називали біографи) самоука Майбаху допомагав сам Даймлер.

Але перш ніж конструювати і будувати саморушну візок, потрібно було створити для неї двигун.

В офіційній фірмової (1935) біографії Даймлера сказано: «У 1881 році Даймлер об'їздив Росію, щоб на місці ознайомитися з нафтою, йому вже тоді продукти нафти представлялися паливом для транспортного двигуна ... 1882 рік став поворотним в житті Даймлера. Цей рік можна вважати роком народження автомобільного двигуна, хоча сам двигун був готовий тільки в наступному році ».

Чому саме подорож до Росії знадобилося Даймлеру для здійснення його задумів? У Росії вже працював завод по перегонці сирої нафти в гас. Хімік А. А. Літній провів експерименти і довів, що перегонка нафти і її залишків через розпечені залізні труби дає різні продукти, зокрема, таке пальне, як бензин. Легке нафтове паливо було якраз тим, що шукав Даймлер для екіпажного двигуна: воно добре випаровується, швидко і повно згорає, зручно в транспортуванні.

Один з перших двигунів Г. Даймлера - двоциліндровий, так званий У-образний.

Перший двигун Даймлера годився і для транспортного, і для стаціонарного застосування. Працював на газі і на бензині. Усі пізніші конструкції Даймлера розраховані виключно на рідке паливо. Велику частоту обертання валу двигуна, що забезпечується, зокрема, інтенсивним займанням суміші, Даймлер справедливо вважав головним показником роботи двигуна на транспортний машині. Частота обертання валу двигуна Даймлера була в 4-5 разів більше, ніж у газових двигунів, і досягала 450-900 об / хв, а потужність на 1 л робочого об'єму - вдвічі більше. Відповідно могла бути зменшена маса. До цих штрихах «транспортної специфіки» додамо закритий картер (кожух) двигуна, заповнений мастилом і захищав рухливі частини від пилу і бруду. Охолодження води в навколишньому двигун «сорочці» сприяв пластинчастий радіатор. Для пуску двигуна служила заводна рукоятка ... Тепер було все необхідне для створення легкого саморушного екіпажу - автомобіля.

Від своїх предків автомобіль успадкував багато. «Автомобіль ... потрібно вважати сином паровоза, що дав йому душу, і велосипеда, забезпечивши його тілом», - так образно писав в 1902 р один з російських журналів. Механічна візок для своєї роботи не вимагала будь-яких наземних пристроїв, крім дороги. На відміну від кінних возів механічна не вимагає для свого руху додатки живої сили, крім невеликих, як це здавалося, зусиль водія з управління нею. Підкреслимо, що ідея автомобіля була спочатку чітко спрямована на заміну лише легкого екіпажу особистого користування. Можливість його використання для вантажних і масових пасажирських перевезень розглядалася пізніше.

Джерело: Ю A. Долматовський « Автомобіль за 100 років »