Начало истории автомобильных двигателей
Современный автомобилист – в отличие от его «коллеги» еще полвека назад – зачастую весьма смутно представляет себе, как работает его автомобиль, что происходит под капотом и какие процессы при этом задействованы. Общие слова вроде и понятны – про рабочий объем, мощность и расход топлива. Но для многих это уже не столько технические показатели, сколько характеристика товара. Да, любой автовладелец знает, на бензине или на дизеле он ездит, но для подавляющего большинства эта информация исключительно про то, из какой колонки заправляться. Интерес к двигателю уступает вниманию к всяким мультимедийным фишкам и опциям, возможности подключить смартфон или услышать голосовые подсказки навигации. А порой и просто заменен вопросом «через какое приложение каршеринга здесь удобнее взять автомобиль?».
В рамках спецпроекта с брендом моторных масел G-Energy рассказываем об истории автомобильных двигателей. Первая часть — экскурс в историю двигателестроения.
В будущих статьях мы поговорим о том, как появились современные двигатели, что из себя представляют гоночные агрегаты и какими будут двигатели будущего.
youtube
Нажми и смотри
А ведь современный автомобильный двигатель – это одна из наиболее ярких иллюстраций технического прогресса за последние столетия, конкуренции успешных решений с гениальными, учета меняющегося мира и его требований. И вообще, как говорится, «во-первых, это просто красиво!» В этом цикле статей мы постараемся убедить вас, что это создание инженерной мысли действительно красивое в своем совершенстве, а история автомобильных двигателей – захватывающая и разносторонняя.
Мушкеты, скороварки и светильники
Многие будут удивлены, но одним из первых прообразов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) стала когда-то… средневековая пушка. Ну или какой-нибудь мушкет, если угодно. Ведь что такое по определению двигатель внутреннего сгорания? Это некое устройство, внутри которого происходит некое действие, преобразующее некую энергию в механическую работу.
Собственно этим ДВС и отличается, к примеру, от паровой машины (всем известного паровоза). Ведь там пар образуется «снаружи» и подается к поршням, заставляя их двигаться. То есть подобную силовую установку можно назвать двигателем внешнего сгорания. И основной недостаток такой схемы – огромные потери энергии.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
А в стрелковом оружии порох взрывается, выделяется энергия, силой расширяющихся газов выталкивается «поршень», в качестве которого выступает ядро или пуля. И именно на порохе пытались создать свой двигатель голландский физик Христиан Гюйгенс (весьма небезызвестный в истории науки персонаж) и французский изобретатель Дени Папен. Была предпринята эта попытка еще в далеком 1690 году. Обеспечить стабильную и безопасную работу такого двигателя на практике не удалось: порох все-таки слишком опасен. Но позже Папен на основе этого изобретения сделал существенный шаг вперед – как раз в сторону паровой машины. И, кстати, скороварки – этот кухонный инструмент оставил человечеству именно он.
А вот что использовать в качестве безопасного и стабильного топлива – этот вопрос повис перед учеными, инженерами и изобретателями на несколько веков.
Достаточно популярной идеей было использование газа (например, угольного). Первый газовый поршневой двигатель предложил в 1799 году британец Джон Барбер. На светильном газе работал двигатель Филиппа Лебона – первый из запатентованных (в 1801 году). Что, кстати, немудрено, ведь именно Лебон считается изобретателем газового освещения. Вот только на практике реализовать свой патент двигателя француз не успел – ушел из жизни.
Другая ветка изобретений основывалась на использовании в качестве топлива угольной пыли. Именно на ней работал Pyreolophore – лодочный двигатель братьев Ньепс, Жозефа Нисифора и Клода Феликса. В 1806 году десятилетний патент на него им выдал лично Наполеон Бонапарт. Но конструкция этого механизма скорее была прообразом водометного, а то и реактивного двигателя. Зато именно братья Ньепс стали одними из первых, кто додумался заменить угольную пыль на нефть и оснастить двигатель простейшим, но впрыском топлива – он и стал прародителем современных систем впрыска.
В 1807 году Исаак де Риваз предложил идею двигателя, работавшего на водороде и имевшего ультрасовременное электрическое зажигание: тогда разработки Алессандро Вольты в области электричества и гальваники как раз были на пике инноваций. Конечно, с современными водородными топливными ячейками это не имело ничего общего: водород был просто еще одной попыткой найти наиболее подходящее топливо. Хотя именно четырехколесная повозка с этим двигателем де Риваза и считается многими первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания, это была только идея. Вторая итерация этого автомобиля смогла провезти груз (около 300 кг камней) и четырех человек аж целых 26 м со скоростью целых 3 км/ч, однако практически все в этом двигателе – от подачи топлива до прочистки цилиндра от выхлопных газов, да и сам поджиг рабочей смеси – оператор должен был делать вручную. Те самые 26 м были преодолены примерно за пять «рабочих циклов», обеспечиваемых человеком.
Эпоха первых патентов
Поиски продолжались еще более полувека.
За это время британец Самюэль Браун подарил миру (1825 год) идею водяного охлаждения цилиндра, но работал в этом цилиндре все тот же водород. В 1826 году в Америке Самюэль Мори получил патент на ДВС, где в качестве топлива использовались спирт и скипидар. Америка, кстати, в эти годы сделала серьезный рывок в этой области. Чуть позже изобретатель Чарльз Дьюри впервые в Новом Свете использовал в качестве топлива бензин (который тогда бензином еще не назывался), а в 1833 году появился двигатель Райта. Нет, не того, который «один из братьев Райт» – до их авиационных экспериментов оставалось еще более 60 лет. Лемюэль Веллман Райт запатентовал двигатель, который работал на газе, но уже по двухтактному циклу, и имел систему водяного охлаждения.
Интересным шагом стали двигатели британца Уильяма Барретта. Именно двигатели – в 1838 году он разом запатентовал сразу три. Они были двухтактными (а один и вовсе использовал практически сохранившуюся до настоящего времени схему газообмена), но принципиальным здесь было то, что смесь не просто подавалась в камеру сгорания – она там сжималась перед воспламенением.
До этого практически во всех конструкциях топливовоздушная смесь просто сгорала и расширялась. Предварительное ее сжатие позволяло значительно повысить как мощность, так и коэффициент полезного действия (КПД).
К 1863 году был построен рабочий прототип запатентованного пятью годами ранее двухцилиндрового ДВС итальянцев Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи. Он был двухцилиндровым, развивал мощность 5 л. с. и обладал очень неплохим по тем временам КПД. Именно итальянские изобретатели могли стать первопроходцами в создании по-настоящему коммерчески успешного двигателя – заказы начали поступать весьма активно. Но не судьба. В ходе налаживания выпуска своего детища на заводе в Бельгии Барзанти заболел тифом и умер, а Маттеуччи в одиночку проект вытащить не смог. Хотя и не раз ворчал потом, что тот самый двигатель Николаса Августа Отто (собственно откуда и взялось название «цикл Отто») – фактически копия их разработки.
Двигатель Отто, который действительно стал основоположником серийных ДВС, появился на свет в 1862 году и был вынужден выдержать серьезную конкуренцию за место на рынке с еще одной передовой по тем временам конструкцией – двигателем Жана Жозефа Этьена Ленуара.
Ленуар впервые представил свой двигатель чуть раньше, в 1860 году, но бельгийцу потребовалось несколько лет на доводку систем охлаждения и смазки. Тем не менее в итоге 12-сильный агрегат был доведен до ума, и его коммерческий тираж в Старом Свете составил почти полторы тысячи единиц – по тем-то временам! Автомобильная версия появилась на свет в 1862–1863 годах и тоже использовала для работы вместо угольного газа жидкое топливо – керосин.
Примерно в то же время был разработан и четырехтактный двигатель (один такт отвечает за впуск рабочей смеси, второй – за сжатие, третий – это собственно рабочий ход после воспламенения, а четвертый – прочистка цилиндра и выброс отработанных газов), однако у француза Альфонса Бо де Роша дело дальше патента (1861 год) не ушло. Точнее, ушло – но об этом чуть позже.
Борьба конструкций
Так что официальным предком всех сегодняшних четырехтактных ДВС стал все-таки появившийся в 1862–1863 году двигатель Отто и его партнера Карла Ойгена Лангена.
За несколько лет он был усовершенствован настолько, что удостоился высшей награды Всемирной выставки в Париже (1867 год) и пошел в серию, даже несмотря на то, что Отто и Ланген успели в 1872-м пережить банкротство своей крохотной фирмы N. A. Otto & Cie. Впрочем, основанная уже после этого банкротства компания и по сей день не просто жива, но и великолепно себя чувствует. Это Deutz AG – крупный производитель, как нетрудно догадаться, газовых и дизельных двигателей. Стоит отметить, что в то время слово «дизельный» еще не существовало: Рудольфу Дизелю едва минуло тогда 12 лет.
Даже из патентного конфликта с французами, отстаивавшими первенство прав на четырехтактный двигатель за де Роша (да-да, упомянутое «дело ушло» проявилось именно на этой стадии), Отто со товарищи вышли потрепанными (частью прав пришлось поделиться, как и монополией на изобретение цикла Отто), но непобежденными. А более 40 тысяч (сравните со считавшимся успешным тиражом двигателя Ленуара!) этих двигателей, произведенных за три десятилетия, стали окончательным докозательством промышленного триумфа.
Но слабое место у двигателей Отто было – топливо. В этом качестве снова выступал светильный газ. Дорогой и достаточно дефицитный, он производился к тому времени уже мало где.
Немудрено, что разработки продолжали идти и в первую очередь в направлении использования набиравшего все большую популярность и распространение жидкого топлива. Велись они в Новом Свете (Джордж Брайтон), Австро-Венгрии (Зигфрид Маркус), Британии (Дугальд Клерк), России (Огнеслав Костович). Здесь перечислены далеко не все, кто занимался этими исследованиями.
Кстати, бензиновый двигатель Костовича был очень интересной, весьма совершенной по тем временам и перспективной разработкой. 8 цилиндров по оппозитной схеме (горизонтальное расположение цилиндров друг напротив друга), перспективное и доступное топливо, электрическое зажигание, смазочные масленки, водяное охлаждение и целых 80 л. с. мощности при массе агрегата всего в 2,5 центнера – такое было бы, пожалуй, актуально и век спустя. Неудивительно, что после шести лет разработки (1879–1885) последовали шесть лет патентного триумфа: Костович получил патенты не только в России, но и в Британии и США.
А похоронила проект изначально «неавтомобильная» постановка задачи: российский инженер работал в первую очередь для авиации – для проекта дирижабля «Россия». А проект оказался неудачным.
Имя Костовича, увы, известно ныне лишь специалистам и историкам. А вот его «виртуального оппонента» помнит весь мир. Это Карл Бенц, запатентовавший в 1879 году двухтактный бензиновый двигатель, а в последующие годы совместивший его с гениальным «комплектом» решений. Тут были и катушечное электрическое зажигание с искрой на свече, и карбюратор с дроссельной заслонкой. Было предусмотрено и основное внешнее оборудование: выносной радиатор охлаждения, коробка передач и сцепление. А к 1886 году Бенц запатентовал и четырехтактный двигатель по циклу Отто, но своей – естественно, тоже очень совершенной по тем временам – конструкции. Вот она – практически готовая основа автомобиля! Долго ждать не пришлось, Benz Patent-Motorwagen («Запатентованный автомобиль Бенца») появился на свет в том же 1886 году.
Одноцилиндровый двигатель имел рабочий объем всего 954 см3 и мощность аж 0,9 л.
с. (вздохнем, вспомнив о 80 л. с. двигателя Костовича), но развивавший 16 км/ч «моторваген» навсегда остался «отцом всех автомобилей». Именно он, а не тоже вроде бы вполне себе умевшие двигаться самостоятельно конструкции Ленуара, Маркуса и других.
Но картина первооснов, на которые потом стали опираться (и опираются до сих пор) инженеры-мотористы, была бы неполна без еще нескольких фамилий.
Не Отто единым
В 1886 году англичанин Джеймс Аткинсон предложил усовершенствование для четырехтактного двигателя Отто – несколько иной рабочий цикл, с увеличенной за счет более сложного кривошипно-шатунного механизма длительностью рабочего хода. В свое время это более экономичное решение оказалось слишком конструктивно сложным для практической реализации. Однако к концу ХХ века, когда остро встали вопросы экономичности, а с другими недостатками цикла Аткинсона (например, малый крутящий момент на низких оборотах) справляться научились, идея была возрождена и ныне используется все чаще.
Еще одной разработкой конца XIX века (если точнее, 1891 года) стал двигатель Герберта Эйкройда Стюарта. Его идея была в том, что топливовоздушная смесь воспламенялась в смежной с цилиндром предварительной камере, а затем уже работала в основной камере сгорания. Такая схема обеспечивала лучшее наполнение цилиндров, снижала ударные нагрузки, делала работу двигателя плавней и экономичнее. Однако форкамерные бензиновые двигатели всё-таки остались экзотикой из-за сложности конструкции и частого отличия реальных показателей от расчетных. С такой конструкцией экспериментировали многие, например, мотористы ГАЗа для советских «Волг», однако мейнстримом она так и не стала. Форкамерные дизели более распространены (несмотря на то, что тоже имеют особенности вроде затрудненного холодного пуска), но это отдельная и более специализированная история, выходящая за границы данной статьи.
Интересной и конкурирующей с «моторвагеном» Бенца конструкцией мог бы стать автомобиль англичанина Эдварда Батлера.
Он даже показан был двумя годами раньше немецкого. Но полноценных испытаний изобретатель провести не смог из-за нелепых по нынешним временам британских законов об ограничении скорости «безлошадных экипажей» («Закон красного флага»), в сердцах плюнул и уничтожил свое детище, отказавшись от дальнейшей программы. А двигатель передал для разработок силовых установок для малых лодок – но уже без своего участия. В истории Батлер остался в первую очередь человеком, который дал бензину именно такое название – бензин.
Ну и, конечно, Рудольф Дизель… В 1892–1893 годах он запатентовал идею двигателя, в котором необходимую для воспламенения топливной смеси температуру обеспечивало сжатие воздуха. Дело в том, что, хотя разные виды топлива (угольная пыль, газ, керосин, нефть, бензин) воспламенялись при разных температурах, в любом случае она была достаточно низка, чтобы обеспечить высокую эффективность – тот самый коэффициент полезного действия. Идея Дизеля была в том, что поршень сначала сжимал воздух, и тот нагревался при сжатии до температуры, существенно превышавшей температуру воспламенения топлива.
А впрыск топлива осуществлялся уже в момент максимального сжатия – при значительно большей температуре, чем вытерпело бы просто сжимаемое топливо. Больше сжатие – сильнее и отдача. Кстати, с топливом немецкий инженер тоже наигрался вдоволь: изначально в его качестве выступала угольная пыль, затем керосин, а к началу ХХ века – нефть.
Конструкция Дизеля попутно делала ненужной электрическую систему зажигания: искра тут просто не требовалась. Зато этот двигатель требовал более прочных материалов (из-за более высокой степени сжатия) и системы подачи топлива под очень высоким давлением. Собственно, эти конструктивные особенности никуда не делись и поныне, порой делая дизельные двигатели сложнее и дороже бензиновых. Но зато КПД! Уже самый первый образец, построенный Дизелем (кстати, работа выполнялась на заводе компании, ныне известной под названием MAN), имел КПД минимум на четверть лучше, чем двигатели конструкции Отто – 26,2%. Такой показатель и сегодня для бензиновых двигателей, ставших более совершенными, был бы неплох! В среднем КПД современных бензиновых ДВС находится в пределах 30% (не будем углубляться в особо продвинутые примеры с КПД почти до 40% – таких единицы, и это технические шедевры даже по нынешним меркам).
А современные дизели имеют этот показатель на уровне уже 35–40%.
Кстати, в России работы над двигателями, аналогичными разработанным Дизелем, шли поначалу весьма успешно. Разработка петербуржца Густава Тринклера («Тринклер-мотор») была представлена в 1898 году. Этот атмосферный двигатель с воспламенением от сжатия имел КПД целых 29% и вполне мог бы потеснить собственно «дизели», но вмешалась… нездоровая конкуренция. Нефтепромышленник и владелец завода «Людвиг Нобель» в Санкт-Петербурге Эммануил Нобель к этому моменту уже успел приобрести патент на производство двигателей Дизеля (собственно, и его завод-то потом был переименован в «Русский дизель») и фактически «задушил» опасного конкурента. Тринклер почти на десятилетие уехал продолжать разработки в Германию, а когда вернулся в Россию в 1907 году, занялся судовыми двигателями на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде. Работал там он успешно и долгие годы, создав уже в советское время великолепную школу двигателестроения и воспитав немало учеников.
Но для автомобилестроения этот блестящий специалист был утерян навсегда.
Без чего не обойтись
Итак, на рубеже XIX–XX веков сложилась уже не теоретическая, а вполне практическая база для прорывного – на промышленном, массовом уровне – развития двигателестроения и автомобилестроения в целом. Были созданы базовые концепции и конструкции, в качестве топлива «застолбили место» бензин и другие нефтепродукты. Чего-то в этой схеме все-таки не хватает? Да… И это «что-то» – смазочные материалы. На самом деле специализированные моторные масла к этому времени уже имели свою историю: впервые такой продукт был запатентован еще в 1866 году. Причем не инженером и не химиком, а врачом. Американец Джон Эллис вообще-то изучал свойства нефти в медицинских целях. Но заметил, что продукты на нефтяной основе обладают весьма высокими смазывающими качествами. Проверив наблюдение на практике – починив при помощи такой смазки заклинившую паровую машину – доктор подал заявку на патент и фактически стал основоположником целой будущей индустрии.
Конечно, смазки существовали и ранее, и чего только в их качестве не выступало, начиная от животных и растительных жиров. Увы, даже первые смазки на нефтяной основе – тяжелые и густые «остаточные» составляющие – вполне бы устроили доктора для «расклинивания» своей паровой машины, но абсолютно не подходили для двигателей внутреннего сгорания. И скорость перемещения деталей относительно друг друга, и температурный режим, и нагрузки – все здесь требовало совсем иных качеств. Даже первые примитивные машинные масла конца XIX века не справлялись с отложениями продуктов сгорания в цилиндрах и требовали слишком частой замены.
Кстати, мы только что озвучили требования, которые остались актуальны для моторных масел и по сей день (конечно, список колоссально расширился и отрасль стала технологичной и наукоемкой), но всё-таки…
Это моющие свойства, устойчивость характеристик в требуемых температурных диапазонах, способность противостоять нагрузкам и защищать от них детали двигателя, способность учитывать качество различных видов топлива и даже колебания этих качеств.
Как и двигатели, современные масла прошли колоссальный путь в развитии. Речь уже очень давно идет не о примитивной «касторке» или «машинном масле» – в дело все активнее вступает синтетика, а химики создают самые точные по своему действию присадки. Великолепной иллюстрацией может послужить одна из новейших разработок отечественного производителя – линейка масел Synthetic бренда G-Energy. В нее входит сразу несколько продуктов, и каждый из них обладает своим уникальным набором качеств. Если водитель использует автомобиль в городе, пробеги невелики, а двигатель порой не успевает даже толком прогреться, разумнее использовать масло Super Start. Любителям «покрутить» двигатель и апологетам спортивного стиля больше подойдет масло Active. Масло Long Life готово позаботиться об уже не новых и, соответственно, имеющих определенный износ двигателях – его рецептура подобрана именно для такого применения. А масло Far East (Дальний Восток) учитывает даже региональные особенности двигателей японских и корейских производителей.
Впрочем, о региональных особенностях и о том, как конструкции двигателей развивались в ХХ веке и как при всей схожести они различались, о том, как совершенствовались вместе с ними системы смазки, нам еще предстоит поговорить.
История развития бензиновых двигателей внутреннего сгорания
Эволюция двигателей — Как было раньше, и как стало сегодня.
Несмотря на то, что самые первые двигатели внутреннего сгорания были изобретены и сконструированы более 140 лет тому назад, все-равно у современных автомобильных моторов по-прежнему чрезвычайно много общего с теми первыми силовыми агрегатами, которые по своему принципу действия напоминают гражданам на планете малые миниатюрные электростанции.
Как известно, топливом для первого двигателя был именно газ, который воспламенялся в специальной камере внутреннего сгорания. Как и тогда на заре их появления, в сегодняшних моторах, предварительно смешанные с воздухом пары бензина, поджигаются в камере внутреннего сгорания при помощи искры.
Таким образом становится очевидным, что основной принцип автомобильного двигателя остался до сегодняшних дней неизменным. А вот что касается энергоэффективности и экологичности всех современных моторов, то они в значительной степени действительно сильно эволюционировали и изменились, став при существенном росте эффективности более дружелюбными и безопасными для окружающей среды и для самого человека.
Как владелец компании «Хонда» доказал фирме «General Motors», что его автомобили лучше.
Карбюратор и инжектор
Одним из ключевых элементов в конструкции бензиновых моторов до последнего времени являлся, как все знают, карбюратор. Подобное техническое решение для автомобильных моторов можно встретить еще и в сегодняшние дни, заглянув под капот некоторых отечественных машин сконструированных в прошлом ХХ веке.
Как показали исследования, модернизация карбюратора, являющегося необходимым устройством для качественного и правильного смешивания топлива и воздуха, зашла в тупик.
Повышать эффективность карбюраторов уже не было ни каких возможностей, поэтому инженеры в сфере автомобильной индустрии стали один за другим отказываться от применения карбюраторов на моторах своих автомобилей.
Кроме того, все карбюраторные моторы являются невполне и невесьма экологичными, что в свете тезисов о защите окружающей среды стало дополнительным стимулом отказа от этих самых карбюраторов. Стоит здесь также отметить, что долгое время работа двигателя внутреннего сгорания предполагала смазку трущихся внутренних частей мотора посредством добавления моторного масла непосредственно в бензин. И здесь как-раз было чрезвычайно важно соблюсти те оптимальные пропорции, позволяющие обеспечивать необходимый эффект смазки, вместе с тем допуская минимальное количество нагара, образующегося после выгорания топливной смеси сдобренной моторным маслом. Нарушение технологии смешивания бензина и масла влекло за собой появление густого сизого дыма позади даже исправной машины.
Смотрите также: 10 сумасшедших внедорожных автотранспортных средств.
Первые моторы, что оснащались системой топливного впрыска, увидели свет в конце ХIХ столетия. В то время на заре прошлого века, когда подавляющее количество автомобилестроителей работали над усовершенствованием карбюратора, один из умных немецких инженеров впервые получил патент на систему впрыска топлива в камеру сгорания автомобильного цилиндра. Однако надежность и практическая безотказность карбюраторных моторов не дала той возможности бурному развитию инжекторных моторов, ввиду чего, говорить о первых серьезных попытках конструкторов двигателей запустить новую систему топливного впрыска в серийное производство не приходится, это стало возможным лишь к периоду начала Первой мировой войны. Но именно немецкие военные самолеты стали первыми серийными аппаратами на чьих моторах карбюраторы уступили место непосредственному впрыску. А вот Советская, Английская и Американская авиации получили на вооружение самолеты с инжекторными моторами только к концу войны. Правда тогда это была система механического топливного впрыска по своей эффективности мало чем напоминающая современные электронные системы.
В отличие от карбюраторных моторов, двигатели, оснащенные системой топливного впрыска, отличались большей мощностью и хорошей тягой, и это благодаря тому, что для каждого цикла сгорания количество и состав смеси были точно отмерены.
Что касается автомобилестроения, то здесь, несмотря на меньшую эффективность карбюратора, карбюраторные моторы оставались практически безальтернативными еще очень долгое время.
Рециркуляция выхлопных газов.
Может сначала показаться, что усовершенствование автомобильных двигателей происходило недостаточно быстро, однако этот вывод преждевременен и не справедлив. Одной из первых деталей, играющих ключевую роль в работе мотора, стал клапан рециркуляции отработанных газов. Система рециркуляции выхлопа является неотъемлемой частью силовых агрегатов подавляющего числа современных автомобилей. Эта система позволяет максимально эффективно задействовать топливо сжигая его в камерах цилиндров с наибольшим эффектом.
Благодаря процессу рециркуляции продуктов сгорания топлива, отработанные газы вновь поступают в двигатель, где опять участвуют в процессе воспламенения и сгорания топливной смеси. Таким образом достигается не только более полное сжигание бензина, но и заодно уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу, образующихся в результате работы двигателя внутреннего сгорания.
Стоит также отметить, что в современных моторах клапан рециркуляции отработанных газов позволяет сэкономить до 25% топлива не сгоревшего при первоначальном воспламенении рабочей смеси, которое в отсутствии системы рециркуляции попросту вылетело бы в атмосферу. Таким образом, впервые появившись в середине прошлого века данная система рециркуляции выхлопных газов стала обязательной частью для всех выпускаемых ныне моторов.
Система электронного зажигания.
Другим важным шагом в процессе эволюции автомобильных моторов можно назвать разработку и применение электроники в системе зажигания.
Как владелец компании «Хонда» доказал фирме «General Motors», что его автомобили лучше.
Электроника, пришедшая на смену контактному зажиганию, позволила точно выверять момент воспламенения топливной смеси, исключив ее преждевременное возгорание относительно хода поршня. Впрочем, весьма продолжительное время электронное зажигание применялось только для некоторых карбюраторных моторов будучи своеобразной опцией для дорогих моделей машин, которая предназначалась для повышения отдачи двигателя. Но поскольку используемые устройства требовали сложных настроек и специального оборудования, такие электронные системы зажигания долгое время оставались редкостью, тогда как подавляющее число автомобилистов продолжали сжигать миллионы тонн топлива ввиду неэффективной работы карбюраторных моторов, оснащаемых морально-устаревшей системой зажигания контактного типа.
Применение обедненной топливной смеси.
Вариантом повышения эффективности бензиновых двигателей стал переход некоторых разработчиков на использование обедненной топливной смеси. Инженерами было изменено привычное соотношение топливной смеси. По такой технологии во второй половине 70-х годов стали строить свои моторы инженеры фирм «Honda», «Mitsubishi», «Nissan», а также некоторых других производителей. Но поскольку, разработанные под применение обедненной смеси моторы требовали установки сложнейших и дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, подобные агрегаты не прижились в автомобилестроении и уже к началу 90-х годов практически полностью перестали производиться.
Электронный топливный впрыск.
Пожалуй наиболее серьезным шагом в процессе эволюции автомобильных моторов является разработка системы электронного топливного впрыска. По сравнению с механическими аналогами, такие электронные системы позволяли гораздо точнее контролировать количество смеси подаваемой в камеру сгорания.
Первоначальные технологии изначально предусматривали одноточечную конструкцию электронного впрыска, но вскоре на смену им пришли системы многоточечного и даже многопортового впрыска. Впрочем, хотим заметить, что многопортовый впрыск сегодня практически ни одним производителем моторов не используется ввиду сложности и дороговизны такой конструкции.
Сегодня в конструкции инжекторных моторов повсеместно применяются датчики кислорода именуемые лямбда-зондами. Такие датчики устанавливаются в системе выпуска отработанных газов и выполняют функцию контроля эффективности сгорания топлива в каждом цикле. Многие автомобили располагают двумя и более кислородными датчиками, которые устанавливаются до и после каталитического нейтрализатора. При всех плюсах, лямбда-зонды обладают существенным недостатком, особенно заметным в российских условиях эксплуатации автомобилей. Эти устройства чрезвычайно чувствительны к качеству топлива и при использовании некачественного бензина могут выйти из строя уже после нескольких тысяч километров пробега.
Помимо двигателей, работающих по принципу цикла Отто, в мире современного автомобилестроения находят применение и другие технологии. Так, в качестве альтернативы можно назвать те моторы, работающие по принципу цикла Аткинсона. Правда такие двигатели не столь распространены ввиду меньшей мощности при прочих равных характеристиках. Как правило, бензиновые двигатели, работающие по циклу Аткинсона, используются в основном в гибридных силовых установках.
Сегодня, как и сто лет тому назад, конструкторы продолжают трудиться над повышением эффективности автомобильных двигателей. Так, уже возможно, совсем скоро в свечах зажигания будут использоваться лазерные технологии, а для изготовления дроссельной заслонки будут применяться альтернативные материалы.
Кто изобрел двигатель внутреннего сгорания и как он изменил мир? – Engineering Exploration
В 1876 году миру был представлен первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания; это было основой автомобильной революции.
В настоящее время Глядя на улицу и видя все эти автомобили, движущиеся по улицам снаружи, я не могу представить, как бы выглядела наша жизнь, если бы в мире не было двигателей внутреннего сгорания.
Содержание
Кто изобрел первый двигатель внутреннего сгорания?
Если поискать в Google изобретателя первого двигателя внутреннего сгорания, можно найти много заявлений Николауса Отто, но это не так; Отто известен тем, что изобрел современный двигатель внутреннего сгорания, но первый коммерчески успешный двигатель был изобретен бельгийским изобретателем Этьеном Ленуаром в 1860 году. . Первый для двигателя внутреннего сгорания, двигатель Ленуара был коммерциализирован в достаточном количестве, чтобы считаться успешным.
История двигателя Ленуара
В то время пар использовался для приведения в действие машин. Ленуару нужны были компактные двигатели, которые могли бы работать на угольном газе, а также на городском или легком газе, оба из которых были легко доступны в Париже.
Идея была основана на паровой машине, которая всасывала смесь 6% городского газа и 94% воздуха в течение первой половины первого такта.
Несжатая смесь воспламенялась на полпути первого такта от свечи зажигания – еще одно запатентованное изобретение Ленуара. Комбинация расширяющихся газов вытолкнула поршень с огромной силой. Сгоревшая газовая смесь выбрасывалась на втором такте.
В то время двигатель имел только один цилиндр, что приводило к его перегреву. Однако он мог приводить в движение трехколесное транспортное средство, которое могло двигаться примерно две мили в час.
Машина Ленуара сочетает в себе многочисленные технологии того времени, в том числе паровой двигатель, недавно изобретенную катушку зажигания Румкорфа и запатентованную свечу зажигания Ленуара. Был изобретен первый двигатель внутреннего сгорания с двухсторонним действием, двухтактным действием и без предварительного сжатия.
Что изобрел Николаус Отто ?
Вскоре после этого немецкий инженер Николаус Август Отто (1832–1891) изобрел двигатель, аналогичный двигателю Ленуара.
Его назвали атмосферным газовым двигателем или двигателем Flugkolben. Этот двигатель был прототипом для окончательного четырехтактного двигателя. Этот двигатель уже совершенствовался и вызывал ажиотаж на Всемирной выставке в Париже в том году.
В 1876 году произошел окончательный прорыв. В том же году Отто создал четырехтактный двигатель, который позже послужил прототипом для последующих двигателей внутреннего сгорания. Поскольку топливная смесь соответствующим образом обновляется, четырехтактный двигатель более экономичен. Его назвали двигателем Отто.
Изобретение дизельного двигателя.
В 1878 году немецкий изобретатель Рудольф Дизель задался целью разработать более эффективный двигатель, и в 1892 году родился дизельный двигатель. Потребовалось еще много лет, чтобы построить более чистый и тихий дизельный двигатель, который был бы более эффективным, чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Ранние дизельные двигатели выделяли сажистый дым и первоначально использовались в основном в грузовиках.
Новые разработки позволили улучшить дизельный двигатель этой формы внутреннего сгорания. Преобразование топлива в энергию различается между бензиновыми и дизельными двигателями.
Дизель Против. Бензиновые двигатели
ДВС могут работать на газообразном топливе, таком как природный газ, биогаз, и на жидком топливе, таком как мазут, сырая нефть, керосин, возобновляемые виды топлива и т. д. двигателями внутреннего сгорания, но каковы основные различия между этими двумя типами? Найдем
Оба типа двигателей потребляют топливо и преобразуют его в энергию путем сгорания (взрыва). Основное различие между дизельным и бензиновым двигателями заключается в том, как происходят взрывы.
В бензиновом двигателе топливо смешивается с воздухом, сжимается поршнями и воспламеняется искрами свечей зажигания. Однако в дизельном двигателе сначала сжимается воздух, а затем впрыскивается топливо. Когда воздух сжимается, он нагревается и воспламеняет топливо.
В чем разница между двигателями внутреннего (ДВС) и внешнего сгорания (ЕС)?
Двигатели внутреннего сгорания Двигатели, в которых сгорание топлива происходит исключительно в цилиндре, а работа над поршнем совершается сгоревшими газами или продуктами сгорания, которые затем выбрасываются через выпускные клапаны. Это основа современных двигателей CI и бензиновых двигателей.
С другой стороны, внешнее сгорание Сгорание происходит вне поршневого цилиндра, и отработанные газы необходимы для нагрева вторичного рабочего тела, такого как вода, для получения пара, который затем используется в качестве рабочего тела в цилиндрах. Автомобиль приводится в движение силой пара, воздействующей на поршни.
Двухтактный и четырехтактный двигатель
Чтобы понять различия между этими двумя двигателями, необходимо сначала изучить основы.
Поршень движется вверх и вниз внутри цилиндра на протяжении всего цикла сгорания двигателя.
Термины «верхняя мертвая точка» и «нижняя мертвая точка») используются для описания положения поршня внутри цилиндра. Ближайшее к клапанам положение – ВМТ, а наиболее удаленное от них – НМТ. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ или наоборот на протяжении всего хода поршня. Полный процесс впрыска газа и воздуха в поршень, его воспламенения и выпуска выхлопных газов известен как оборот сгорания или цикл сгорания:
Впуск : Когда поршень опускается в цилиндр, смесь топлива и воздуха впрыскивается в камеру сгорания.
Сжатие происходит, когда поршень возвращается в верхнюю часть цилиндра, а впускной клапан закрывается, сжимая газы внутри.
Воспламенение : Воздушно-топливная смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. который заставляет поршень двигаться вниз
Выхлоп : Поршень движется вверх в цилиндре в исходное положение, и выпускной клапан открывается.
Разница между 4-тактным и 2-тактным двигателями заключается в том, сколько раз поршень поднимается и опускается во время каждого цикла сгорания.
4-тактный: При каждом обороте 4-тактного двигателя поршень совершает два такта: один такт сжатия и один такт выпуска, за которым следует такт возврата. Свечи зажигания срабатывают только один раз за два оборота, а мощность вырабатывается за четыре хода поршня. Эти двигатели также не требуют предварительного смешивания топлива и масла, поскольку масло содержится в отдельном отсеке.
2-тактный: Цикл сгорания в 2-тактном двигателе выполняется всего за один ход поршня: такт сжатия, за которым следует взрыв сжатого топлива. Во время второго такта выхлоп выпускается, и в цилиндр впрыскивается новая топливная смесь. Свечи зажигания зажигаются один раз за каждый оборот, а мощность вырабатывается каждые два хода поршня. Масло также должно быть предварительно смешано с топливом в двухтактных двигателях.
Типы двигателей внутреннего сгорания (схемы)
Двигатель – мозг автомобиля. В нем есть все необходимое для поддержания автомобиля в рабочем состоянии.
И ваша машина была бы ничем без него. Однако на дорогах существует множество типов автомобильных двигателей.
Двигатели бывают двух основных конструкций. поршневые двигатели и роторные двигатели, поршневые двигатели бывают разной формы и количества поршней, а роторные двигатели имеют только одну компоновку
Рядный двигатель
Рядные двигатели являются наиболее распространенным типом двигателей; они используются в подавляющем большинстве транспортных средств на улице, включая тяжелые машины и корабли. У него все цилиндры выровнены и обращены вверх. Рядный 4-цилиндровый двигатель сегодня является наиболее распространенным типом двигателя, используемого в автомобилях; поэтому вполне вероятно, что ваш автомобиль оснащен им.
Он меньше, легче и имеет меньше движущихся компонентов, чем другие двигатели. На спуске он редко превышает 2,5–3,0 литра. Наиболее распространенный тип этого макета в строках 4 и 6.
Двигатель Vee
Спереди этот тип двигателя выглядит как буква «V». В основании все цилиндры обращены наружу и приводят в движение один общий коленчатый вал.
Тем не менее, этот тип двигателя не будет найден в бюджете. Двигатель Vee используется исключительно в высокопроизводительных спортивных автомобилях и внедорожниках. Это связано с тем, что двигатель Vee может вместить больше цилиндров в меньшее пространство, чем другие типы двигателей. Наиболее распространенными типами двигателей Vee являются двигатели V6 и V8.
Двигатели VR и W,
Этот двигатель очень похож на двигатель Vee, за некоторыми исключениями. Двигатели VR и W, разработанные Volkswagen, имеют цилиндры с небольшим расстоянием между ними. Сегодня этот двигатель используется в таких автомобилях, как Bentley Mulsanne. Наиболее распространенным типом двигателя Vr является Vr6, известный тем, что он используется в автомобилях Volkswagen, и W16, который используется в автомобилях Bugatti.
Плоский двигатель
Плоский двигатель, также известный как оппозитный двигатель, является единственным в своем роде. Он состоит из двух рядов по два цилиндра, лежащих плоско на боку. Эти цилиндры направлены друг от друга, что снижает гравитацию и улучшает управляемость. Японский автопроизводитель Subaru известен своими оппозитными двигателями, которые используются почти во всех его автомобилях, и его можно найти в роскошных автомобилях, таких как Porsche.
Роторный двигатель (двигатель Ванкеля)
Немецкий инженер Феликс Ванкель является изобретателем двигателя Ванкеля, названного в его честь. Вместо поршней в роторном двигателе используются роторы. Он имеет небольшой дизайн с изогнутой прямоугольной формой. Однонаправленный центральный ротор создает впуск, сжатие, мощность и выпуск во время работы двигателя. Из-за своей конструкции этот двигатель имеет низкий выходной крутящий момент и используется только в автомобилях Mazda RX.
Автомобильная революция: Карл Бенц и изобретение автомобиля
В 1879 году Карл Бенц получил патент на свой двигатель внутреннего сгорания, надежный двухтактный газовый двигатель, основанный на конструкции четырехцилиндрового двигателя Николауса Отто. -тактный двигатель. Позже Бенц изобрел и сконструировал свой четырехтактный двигатель для использования в своих транспортных средствах, которые стали первыми автомобилями массового производства.
В 1886 году Карл Бенц запатентовал трехколесный автомобиль, известный как Motorwagen. Это был первый настоящий современный автомобиль; следовательно, Бенц обычно считается изобретателем автомобиля. Бенц также разработал свою систему дроссельной заслонки, свечи зажигания, переключатели передач, водяной радиатор, карбюратор и другие автомобильные компоненты. Впоследствии Бенц основал автомобильную фирму, которая до сих пор существует как Daimler Group.
В этот момент было очевидно, что все эти немцы своими изобретениями меняют мир и образ жизни человека на ближайшие 200 лет
Влияние двигателей с ДВС на человечество
3
250 миллионов автомобилей в Соединенных Штатах и 1,2 миллиарда автомобилей во всем мире используют двигатели внутреннего сгорания, которые обеспечивают превосходную управляемость и долговечность.
Они могут использовать возобновляемые или альтернативные виды топлива в дополнение к бензину или дизельному топливу (например, природный газ, пропан, биодизель или этанол). Их также можно использовать с гибридно-электрическими силовыми агрегатами для повышения экономии топлива или подключаемыми гибридными электрическими системами для увеличения запаса хода гибридного электромобиля.
Заключение
Многие изобретатели внесли свой вклад в изобретение двигателя внутреннего сгорания, пока он не достиг своей нынешней конструкции, но наиболее значительными из них являются Этьен Ленуар (1822-183 гг. От), 1891) и Рудольф Дизель (1858-1913). Когда в 1860-х годах Ленуар представил первый коммерчески успешный двигатель, он оказал большее влияние на экономику, экологию и повседневную жизнь миллионов людей, чем любая другая технология в двадцатом веке. В двигателях Отто для сжигания топлива использовались свечи зажигания, а в двигателях Дизеля это достигалось за счет высокой степени сжатия.
Эти технологии позволили приводить в действие автомобили, локомотивы, корабли и самолеты, проложив путь к повсеместной мобильности и растущему глобальному потоку продуктов. В то же время это привело к огромным изменениям в ландшафте и окружающей среде из-за строительства бесчисленных дорог, глобального загрязнения воздуха и роста потребления ресурсов и энергии обществами с высоким потреблением энергии.
От лошадей к двигателям: 1700–1920
Реплика HMS Bounty . До появления паровой машины корабли приводились в движение ветром (парус) или людьми (в случае галер). По иронии судьбы, энергия ветра использовалась за пятьсот лет до того, как она нам понадобилась.
До промышленной революции радикальные инновации в транспортных системах не происходили, поскольку мир был охвачен войной, болезнями и религиозным фанатизмом с тех пор, как 1400 лет назад рухнула Римская империя. Единственным исключением из этого является появление парусов, которые заменили рабов на галерах брезентом, используя энергию ветра, вызванную силой Кориолиса на поверхности Земли.
Паровой двигатель Джеймса Ватта. Это было революционно для своего времени и породило совершенно новый метод производства энергии. Эта модель использовалась для электроснабжения заводов вдали от традиционных источников воды; пройдет некоторое время, прежде чем эта концепция будет применена к транспорту.
Первым реальным достижением в области транспорта было создание паровой машины Джеймсом Уаттом около 1775 года. [На самом деле это была не первая паровая машина, поскольку Томас Ньюкомен создал действующую модель около 60 лет назад; однако они были крайне неэффективны и не нашли широкого применения, часто дополняя водяное колесо в качестве источников энергии, пока Уатт не улучшил конструкцию.] Водяное колесо было основным источником выработки электроэнергии в течение сотен лет, используя воду для работы циркулярных пил ( на лесопилках) или точить точильные камни; по истории и масштабу использования его можно сравнить с ветряной мельницей, и водяное колесо, и ветряная мельница до сих пор широко используются в модифицированных формах.
Пароход Роберта Фултона
В течение следующих ста лет паровой двигатель претерпел дальнейшие изменения, позволив пару находиться под давлением, что позволило уменьшить размер двигателя; регулируя его мощность, обеспечивая постоянную скорость; и, что особенно важно, создание составного двигателя, позволяющего генерировать большую мощность за счет того, что пар перемещается от одного поршня ко второму или даже третьему поршню без потерь до того, как можно будет полностью использовать пар, в значительной степени.
увеличение мощности и КПД паровых машин. Паровые машины начали заменять паруса на судоходстве еще в 1807 году, когда был построен 9-й0265 Clermont
Миниатюризация паровой энергии пошла не только на пользу кораблям. Угольная и дровяная паровая энергия использовалась как основа для создания и расширения железнодорожных сетей; Первым паровозом управлял Ричард Тревитик в феврале 1804 года, но он был слишком тяжелым для рельсов. Однако к 1830-м годам поезда стали достаточно полезными и достаточно легкими, чтобы их можно было использовать в Соединенных Штатах, где они сыграли заметную роль в экспансии на запад.
Сила пара продолжала бы доминировать над железной дорогой до 19 века.30-х годов, когда пар заменили дизельным топливом.
Benz Patent Motorwagen 1886 года. Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, он был предшественником почти всех последующих автомобилей.
Первым автомобилем с двигателем внутреннего сгорания был Benz Patent Motorwagen в 1886 году; в отличие от своих [нескольких] предшественников, этот автомобиль был бензиновым, и, хотя он был способен развивать низкую скорость, идея заключалась в том, чтобы бензиновый двигатель стал жизнеспособным источником энергии. [На самом деле, если бы это не было началом идеи, изменившей мир, оно, вероятно, получило бы здесь лишь мимолетное упоминание.] Паровая энергия все еще широко использовалась в автомобилях, которые все еще были относительно редки, примерно до 19 века.20. Автомобиль с паровым двигателем побил мировой рекорд скорости на суше в 1906 году, разогнавшись до впечатляющей скорости 127 миль в час.
Автомобиль, который сделал это, был построен Стэнли, чей Stanley Steamer (не связанный со службой чистки ковров) был одним из самых известных паровых автомобилей. Энергия пара также использовалась во время Первой мировой войны, когда многие автомобили были оснащены модернизированными двигателями, в том числе «газификатором», работающим на дровах.
Ford Model T 1909 года выпуска. В сочетании с конвейерной линией и доминированием Генри Форда в автомобильной промышленности автомобили с альтернативными двигателями будут отправлены в учебники истории на 65 лет, пока необходимость не потребует их возвращения на рынок после 1973 Арабский нефтяной кризис.
По мере того, как автомобили с бензиновым двигателем все еще укреплялись, оставалось еще место для инноваций. Электромобили использовались с середины 1800-х годов, хотя создатель широко оспаривается; несомненно то, что они существовали с 1890-х годов, когда электромобиль побил мировой рекорд скорости на суше в 1899 году, разогнавшись до 65 миль в час.