История создания двигателя внутреннего сгорания, конструкция и принцип работы двигателя, поршневого двигателя внутреннего сгорания, конструкция блока цилиндра, его неисправности и ремонт

История создания двигателей внутреннего сгорания:

Еще в те далекие годы ученые, инженеры многих стран работали над открытиями в различных областях науки: химии, физике, механике. Так, в 1799 году, Филипп Лебон – французский инженер, открыл светильный газ. Светильный газ он получил из древесины и угля путем сухой перегонки. Открытие послужило началом развития техники освещения.

В 1801 году он разработал свою конструкцию газового двигателя. Работа двигателя основывалась, опять же, на свойствах открытого им газа. Газ, в смеси с воздухом при нагревании, воспламенялся, горел с выделением огромного количества тепла и расширялся. Эту энергию он использовал в своем первом двигателе. Конструкция его двигателя состояла из двух компрессоров и смесительной камеры. Один компрессор закачивал сжатый воздух, второй – светильный газ из газогенератора. Смесь газов направлялась в рабочие цилиндры, расположенные по обе стороны от поршня. Смесь поочередно воспламенялась, то в одном цилиндре, то — в другом. Это открытие послужило предпосылкой создания двигателя внутреннего сгорания. Но воплотить свою идею о создании двигателя внутреннего сгорания он не успел. В 1804 году он погиб. Его идею разработали другие изобретатели.

Конструкции двигателей внутреннего сгорания, в последующие годы, разрабатывались учеными в зависимости от использования горючих веществ — топлива.

В 1877 году Август Отто, немецкий изобретатель, разработал новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

В конце XIХ века появились двухцилиндровые двигатели.

С начала XX века — четырёхцилиндровые.

В зависимости от вида топлива, используемого в двигателе, автомобили делятся на:

— автомобили с карбюраторными двигателями, работающие на легковоспламеняющемся жидком топливе – бензине

— автомобили с дизельными двигателями, работающие на тяжелом жидком дизельном топливе

— автомобили, работающие на сжатом или сжиженном газе, хранящиеся на автомобиле в баллонах.

Двигатели внутреннего сгорания бывают:

1. Поршневые.

2. Роторные.

3. Газотурбинные.

4. Роторно-поршневые.

5. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания.

6. RCV.

 
Мы будем говорить о поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. О конструкции двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания – поршневой

Двигатели внутреннего сгорания состоят из основных конструктивных узлов:

1. Цилиндра с поршнем – камера сгорания.

Где, пары топлива смешанные с воздухом, воспламеняются от электрической искры, сгорают, нагреваются, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Химическая энергия топлива превращается в механическую энергию.

2. Кривошипно-шатунного механизма.

Служит для преобразования прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В него входят:

— блок цилиндров с головкой, поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны,

коленчатый вал, маховик, картер.

3. Газораспределительного механизма.

Служит для своевременного впуска в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуска отработанных газов.

Состоит из:

— впускных и выпускных клапанов с пружинами, деталями их крепления, толкателей, направляющих втулок клапанов и толкателей, распределительного вала, распределительных шестерен.

4. Системы охлаждения.

Предназначена для отвода тепла от деталей двигателя, нагревающихся при его работе.

В нее входят:

— рубашка охлаждения блока, головки цилиндров, радиатор, насос, вентилятор,

водораспределительная труба, термостат, соединительные шланги, краники слива жидкости, жалюзи и указатель температуры охлаждающей жидкости.

5. Системы смазки.

Служит для подачи масла к трущимся поверхностям деталей двигателя, частичного охлаждения их и очистки масла.

К ней относятся:

— поддон картера, маслоприемник, масляный насос, масляные фильтры грубой и тонкой очистки, масляный радиатор, указатель давления масла, трубопроводы и каналы.

6. Системы питания.

Предназначена для подвода топлива, очистки и подачи воздуха к карбюратору, приготовления горючей смеси, подвода ее к цилиндрам и отвода из них отработавших газов.

К системе питания относятся:

— топливный бак, фильтр отстойник, насос, карбюратор

7. Системы зажигания.

Служит для образования электрической искры и воспламенения ее в цилиндрах двигателя.

2. О принципе работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Для объяснения принципа работы двигателя возьмем цилиндр с поршнем. Поршень, в не рабочем состоянии, свободно перемещается внутри цилиндра. Соединим его с кривошипом вала при помощи шатуна. В цилиндр введем заряд горючей смеси. Воспламеним этот заряд (пары топлива смешанные с воздухом) электрической искрой. При быстром сгорании топлива, газы нагреваясь, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Шатун, шарнирно связан одним концом с поршнем, другим концом шарнирно закреплен на шейке кривошипа коленчатого вала. При перемещении поршня, весь узел поворачивает коленчатый вал и закрепленный на его конце маховик. Прямолинейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала и маховика. Чтобы поршень работал постоянно, необходимо постоянно впускать заряд. Для этой цели в верхней части цилиндра имеются два отверстия: впускное и выпускное. Эти отверстия перекрываются поочередно клапанами. Маховик очень тяжелый. Он помогает не останавливаться поршню до нового воспламенения смеси.

После расширения газов клапан выпускного отверстия при движении поршня вверх открывается, и отработавшие газы выталкиваются наружу. Коленчатый вал продолжает вращаться, перемещает поршень вниз. В освобождаемой части цилиндра создается разряжение. Открывается впускной клапан впускного отверстия и цилиндр заполняется новой порцией заряда горючей смеси. Полезная работа создается только при новом цикле, когда происходит сгорание горючей смеси, то есть, когда поршень в верхнем положении и сжимает пары горючей смеси.

Верхнее и нижнее положения поршня – это мертвые точки. Движение поршня вверх – вниз – это ход поршня. За один ход поршня коленчатый вал поворачивается на 180 градусов, то есть пол-оборота.

Процессы, происходившие внутри цилиндра за один ход поршня, называются тактом.

Пространство внутри цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней части цилиндра (мертвой точке), называется камерой сгорания.

Пространство, освобождаемое при движении поршня вниз (нижнюю мертвую точку) называется рабочим объемом цилиндра.

В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя и выражается в литрах.

Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема плюс объем камеры сгорания.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия.

Чем больше степень сжатия, тем выше экономичность и мощность двигателя вследствии уменьшения тепловых потерь и уменьшения давления на поршень.

Снижение тепловых потерь достигается уменьшением внутренней поверхности камеры сгорания.

Среднее давление на поршень повышается за счет увеличения температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большом сжатии.

И так выяснили:

— что принцип работы одноцилиндрового двигателя состоит из выполнения одного такта рабочего хода, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов

— что, для этого процесса необходимы три подготовительных такта: впуск, сжатие, расширение и выпуск — четыре такта

— что блок цилиндра или цилиндров, является основной деталью двигателя.

3. О блоке цилиндра, как основном узле двигателя.

Цилиндры в блоке могут быть расположены вертикально, в один ряд, в два ряда, V – образно под углом 90 градусов.

Блок цилиндров отливают из чугуна или алюминиевого сплава. В этой же отливке выполняются: картер, стенки рубашки охлаждения, окружающей цилиндры двигателя, впускные и выпускные каналы, заканчивающиеся гнездами клапанов, и клапанная коробка, где размещается часть деталей газораспределительного механизма. Внутренняя поверхность цилиндров служит направляющей для поршней.

Цилиндр растачивают под требуемый размер, а затем шлифуют. Эта поверхность называется зеркалом цилиндра. Цилиндры могут выполняться и в виде вставных гильз, омываемых охлаждающей жидкостью. Такие гильзы называются мокрыми. Нижняя часть гильз имеют уплотнительные кольца. Вверху уплотнение достигается за счет прокладки головки цилиндров. Для продления срока службы двигателей в верхнюю часть, наиболее изнашивающуюся часть цилиндров, запрессовываются короткие тонкостенные гильзы из кислотоупорного чугуна. Сверху блок закрыт головкой цилиндров, изготовленной из алюминиевого сплава.

Крепятся головки цилиндров к блоку шпильками с гайками, а их герметичность, с помощью металлоасбестовой прокладки.

Поршни отливаются из алюминиевого сплава. Поршни имеют цилиндрическую форму. Состоит из головки с днищем и направляющих стенок (юбки). На цилиндрической части головки поршня выточены канавки для поршневых колец.

В головку залита чугунная кольцевая вставка с прорезью для верхнего компрессионного кольца. Над верхней канавкой сделана кольцевая вытачка для уменьшения передачи тепла от днища поршня к кольцам, для предохранения от их пригорания.

В направляющих стенках имеются два прилива – бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Ось отверстия под поршневой палец смещена в сторону распределительного вала для уменьшения качания поршня в верхней мертвой точке и снижения шума при работе. В юбке, в нижней ее части, есть выемка для прохода противовесов коленчатого вала при вращении.

Для предотвращения заклинивания при нагреве между рабочей поверхностью цилиндра и поршнем есть зазор. Диаметр головки поршня делают меньшим, так как он нагревается больше, чем стенки поршня.

Для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром в прогретом состоянии и предотвращения стука в холодном двигателе направляющие стенки поршней делаются овальной формы, или П – образные разрезы, или Т – образные, или косые разрезы. Большая ось овала ставится в плоскости действия боковых сил и меньшей осью в плоскости поршневого пальца. Для правильной установки поршней при сборке на днище выбита с надписью «вперед».

Для ускоренной приработки поршней к цилиндру их покрывают тонким слоем олова.

Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов в картер двигателя и снятия излишек масла со стенок цилиндра. Изготовляются кольца из чугуна или стали и имеют замок (разрез). Они упругие, поэтому плотно прилегают к стенкам цилиндра. Кольца устанавливают на поршень разрезами в разные стороны.

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Палец – пустотелый, цилиндрической формы. Наружный слой пальца закален с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости. Палец удерживается от осевого смещения стопорными пружинными кольцами, установленными в вытачках бобышек поршня. Такое крепление поршневого пальца называется плавающим и позволяет ему во время работы двигателя, поворачиваться вокруг оси в бобышках поршня и в верхней головке шатуна.

4. О неисправностях цилиндра, поршня, поршневых колец и пальцев, признаках неисправностей и их устранениях.

1. Двигатель не развивает полной мощности.

Причины:

— уменьшение компрессии в результате нарушения уплотнения прокладки головки цилиндров при слабой или неравномерной затяжке гаек крепления.

Устранение неисправности:

а) ключом раскрутить гайки на шпильках

б) вынуть шпильки

в) тщательно очистить поверхность разъема

г) прокладку натереть порошкообразным графитом

д) заменить металлоасбестовую прокладку

е) провести операцию сборки в обратном порядке с равномерной затяжкой гаек. Затяжку гаек производить от центра, постепенно перемещаясь к краям

— пригорание колец в канавках поршня из за отложения смолистых веществ, приводит к перерасходу топлива.

Устранение неисправности:

а) проверить рукой или компрессометром компрессию в цилиндрах:

Для проверки компрессии рукой, вывернуть свечи зажигания, кроме проверяемого цилиндра. Вращать коленчатый вал пусковой рукояткой. По сопротивлению проворачиванию во время такта сжатия, опытные проверяют, судят о компрессии.

Проверить компрессию с помощью компрессометра. Для этого, прогреть двигатель. Вывернуть свечи. Полностью открыть дроссель и воздушную заслонку карбюратора. Установить резиновый наконечник компрессометра в отверстие для свечи. Вращать коленчатый вал двигателя в течении 2 – 3 секунд. Компрессометр дает показания. В исправном двигателе величина давления конца сжатия в пределах 7,0 – 8,0 килограмм на один квадратный сантиметр.

б) выпустить воду

в) отсоединить шланги

г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску

д) удалить отложения смолистых веществ с помощью скребка из мягкого металла. Перед удалением смолистых веществ, чтобы не повредить поверхность поршня, смочить керосином

е) заменить кольца

ж) вновь собрать узел

з) проверить компрессию двигателя

и) пригорание колец можно устранить и без разборки двигателя. На ночь залить в каждый цилиндр смесь из 20 г, состоящей из равных частей денатурированного спирта и керосина

— износ, поломка, потеря упругости колец

Устранение неисправности:

а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя

б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ, без применения керосина

г) заменить поврежденные кольца.

— отложение нагара на днищах поршней и стенках камеры сгорания

Причины этой неисправности приводят к перегреву двигателя, увеличению расхода топлива, к потере мощности.

Устранение неисправности:

б) выпустить воду

в) отсоединить шланги

г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску

д) удалить нагар:

Удаляется нагар с днищ поршней поочередно, когда поршни устанавливаются в цилиндрах в крайние верхние положения. Соседние цилиндры надо закрыть чистой ветошью. Нагар удалять скрепками из мягкого металла, чтоб не повредить поверхность очищаемых деталей. Для размягчения нагара смачивают керосином. Нагар в камере сгорания удаляют также.

е) вновь собрать узел

ж) проверить компрессию двигателя

— износ, поломка, потеря упругости колец

Устранение неисправности:

а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя

б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ или нагара, без смазки керосином, просто заменой исправными кольцами

— обрыв шпилек, повреждение резьбы шпилек, повреждение резьбы гаек

а) заменить шпильки и гайки

— износ рабочей поверхности цилиндра. Вызывает перерасход топлива, дымный выпуск отработавших газов.

Устранение неисправности:

а) разборка узла, выше указанным способом

б) отправка на восстановление до нужных размеров диаметра цилиндра в специализированные участки или замена новым.

2. Стуки в двигателе.

Причины:

— увеличение зазора в результате износа или повреждения поверхностей поршней, цилиндров, поршневых пальцев и втулок, коренных и шатунных подшипников, выплавление баббитового слоя вкладышей подшипников. Стук во время пуска и работе холодного двигателя, признак увеличения зазора между поршнем и цилиндром. Резкий металлический стук, который прослушивается на всех режимах работы двигателя, говорит об увеличении зазора между поршневыми пальцами и втулками. Увеличение стука при резком повышении оборотов коленчатого вала двигателя указывает на повышенный износ коренных и шатунных подшипников. Если более глухой стук – это износ коренных подшипников. Резкий, не прекращающийся стук в двигателе, который сопровождается падением давления, «говорит» о выплавлении или большом износе слоя баббита во вкладышах подшипников.

Устранение неисправности:

Прослушивание двигателя для определения причин стуков производится с помощью стетоскопа. Пользование этим прибором требует большого навыка.

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?».

Антон Борисенко

В рамках спецпроекта с брендом моторных масел G-Energy рассказываем об истории автомобильных двигателей.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Хронология развития двигателей и двигателей

Если вы похожи на многих американцев, то привыкли полагаться на свой автомобиль. Он безопасно и эффективно доставит вас на работу, в школу или в продуктовый магазин. Вы, вероятно, не задумываетесь о двигателе своего автомобиля, если только он не перестанет работать или не начнет издавать необычный шум.

Тем не менее, история технологии двигателей — увлекательная тема, и она уходит своими корнями в более далекое прошлое, чем вы можете себе представить. Фактически, простая паровая турбина, называемая эолипилом, была изобретена в 1 году нашей эры!

Продолжайте читать, чтобы узнать больше интересных фактов об истории двигателей и моторов.

Первые дни двигателей

1698: Английский инженер Томас Савери изобретает паровой насос для удаления воды из шахт. Всего 14 лет спустя его знакомый Томас Ньюкомен усовершенствовал насос Savery, добавив поршни и цилиндры.

1807: Дебют первого в мире двигателя внутреннего сгорания. В следующем году изобретатель Франсуа Исаак де Риваз установил водородный двигатель на примитивный автомобиль.

1821: Майкл Фарадей открывает и экспериментирует с принципами электромагнитной индукции. В результате появился первый электродвигатель, работающий от электричества.

1877: Николас Отто регистрирует патент на четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

1886: Готлиб Даймер разрабатывает двигатель, работающий на бензине.

1889: Фердинанд Порше представляет первый в мире гибридный автомобиль. Позже его имя стало синонимом роскошных автомобилей.

Достижения 20-го века

1905: Впервые появились турбокомпрессоры, повышающие мощность и эффективность двигателей внутреннего сгорания.

1926: Роберт Хатчингс Годдард закладывает основу для космических полетов, разрабатывая ракету на жидком топливе. В течение следующих 15 лет Годдард и его соратники запустят 34 таких ракеты. Некоторые из них достигли скорости 550 миль в час.

1939 и 1941: Два ученых, Ханс фон Охайн и Франк Уиттл, первыми изобрели газотурбинные двигатели для авиационных двигателей, которые позволяют совершать полеты с турбореактивными двигателями в Германии и Англии соответственно.

1957: Феликс Ванкель строит рабочий прототип своего роторного двигателя, который он запатентовал около 30 лет назад. Двигатели Ванкеля легче и компактнее других двигателей внутреннего сгорания. Это делает их полезными для гидроциклов, картингов, снегоходов и бензопил.

Современная эра

1975: В ответ на более строгие правила EPA, касающиеся выхлопных газов автомобилей, автопроизводители начинают использовать каталитические нейтрализаторы. Технология двигателей начинает решать экологические проблемы.

1980-е годы: Впрыск топлива начинает заменять карбюраторы. Благодаря этому двигатели работают более плавно и эффективно.

1997: Toyota выпускает свой культовый гибридный автомобиль Prius в Японии. В Европе в том же году Audi выпускает гибридный автомобиль под названием Duo.

1999: Американцы теперь могут покупать гибридные автомобили, начиная с Honda Insight. В следующем году дебютирует Prius. Несмотря на увеличение пробега и уменьшение выбросов, водители не спешили переходить на новый автомобиль.

2003: На рынок выходит полностью переработанный Prius, и на этот раз он завоевал популярность. Продажи гибрида удвоились в 2004 г. и снова в 2005 г. Нетерпеливым покупателям иногда приходилось ждать несколько месяцев, потому что производство не могло удовлетворить спрос.

2008: Tesla Motors предлагает первый электромобиль, разрешенный для использования на дорогах, — Roadster.

2010: Nissan Leaf представлен в Японии и США. Он считается первым полностью электрическим автомобилем, созданным крупным производителем автомобилей для массового рынка.

2017: Consumer Reports называет Tesla ведущим автомобильным брендом США.

Что будет дальше с технологиями двигателей?

Разумеется, это лишь основные моменты длинной и богатой историей технологии двигателей. В будущем, несомненно, будет много новых достижений, особенно в области гибридных и электрических автомобильных технологий.

Хотите быть в курсе событий? Хотите узнать больше о том, как движки влияют на то, как мы работаем и играем? Добавьте наш блог в закладки и регулярно проверяйте!

Выбор технологий | Национальный музей американской истории

Между 1890-ми и 1920-ми годами в результате конкуренции между паровыми, электрическими автомобилями и автомобилями с двигателем внутреннего сгорания возник стандартный автомобильный дизайн. Производители выбирали двигатели, трансмиссии и аксессуары, которые, по их мнению, могли привлечь покупателей или создать автомобили. мощнее, дешевле или проще в эксплуатации. Автомобиль с передним расположением двигателя и двигателем внутреннего сгорания с приводом от вала появился к 1901 году и к 1919 году стал подавляющим выбором автомобилистов.10. Паровые автомобили и электромобили потеряли популярность и исчезли с рынка в 1920-е годы

Белый паровой автомобильный двигатель, 1910 год

Паровая энергия была популярна среди некоторых первых автомобилистов. Паровые автомобили были быстрыми и мощными, но менее безопасными и более сложными в эксплуатации, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания для грузовых автомобилей, 1921 г.

Двигатель внутреннего сгорания стал успешным, потому что он мог работать долгое время между остановками для дозаправки, а также из-за постоянных усовершенствований карбюратора, зажигания, дроссельной заслонки и отношения мощности к весу. Новые функции, такие как электрический стартер и электрическое освещение передало некоторые преимущества электромобилей автомобилям и грузовикам с двигателем внутреннего сгорания.

Электродвигатель грузового автомобиля Westinghouse, около 1912 г.

Автомобили, работающие на электрических батареях — чистые, тихие и легко заводимые — были популярны в городах, но не в сельской местности, где не хватало электричества для подзарядки. Но у электромобилей были недостатки: они не могли далеко уехать без подзарядки, а аккумулятор обслуживание всегда было проблемой. Электрические грузовики были обычным явлением на коротких городских маршрутах доставки с частыми остановками.

Почему руль оказался слева?

Почему бензиновый двигатель, а не паровой двигатель или электродвигатель, стал самой распространенной силовой установкой для автомобилей?