Хтось придумав перший двс. Історія двигуна внутрішнього згоряння. Історія винаходу бензинового двигуна

Головний пристрій будь-якого транспортного засобу, у тому числі наземного, є силова установка - двигун, що перетворює різні різновиди енергії на механічну роботу.

У ході історичного розвитку транспортних двигунівмеханічна робота руху здійснювалася за рахунок застосування:

1) м'язової сили людини та тварин;

2) сили вітру та потоків води;

3) теплової енергії пари та різних видівгазоподібного, рідкого та твердого палива;

4) електричної та хімічної енергії;

5) сонячної та ядерної енергії.

Записи про спроби побудувати самохідні засоби передбачення були вже в XV - XVI ст. Щоправда, силовими установками цих «коштів» була м'язова сила людини. Однією з перших досить добре відомою самохідною установкою з «м'язовим двигуном» є коляска з ручним приводом безногого годинника з Нюрнберга Стефана Фарфлера, яку він спорудив в 1655 р.

Найбільшу популярність у Росії здобула «самобігла коляска», побудована в Петербурзі селянином Л. Л. Шамшуренковим у 1752 р.

Ця коляска, цілком містка для перевезення кількох людей, наводилася в рух м'язової силою двох людей. Перший педальний металевий велосипед, близький за конструкцією до сучасних, був виготовлений кріпаком Верхотрусського повіту Пермської губернії Артамоновим на рубежі XVIII і XIX ст.

Найдавнішими силовими установками, щоправда, не транспортними, є гідравлічні двигуни - водяні колеса, що наводяться в рух потоком (вагою) падаючої води, а також вітряні двигуни. Сила вітрів з давніх-давен використовувалася для руху вітрильних суден, а значно пізніше і роторних. Використання вітру в роторних судах здійснювалося за допомогою вертикальних обертових колон, що замінили вітрила.

Поява у XVII ст. водяних двигунів, а пізніше і парових зіграло важливу роль у зародженні та розвитку мануфактурного виробництва, а потім і промислової революції. .Однак великі надії винахідників самохідних екіпажів щодо застосування перших парових двигунів для транспортних засобів не виправдалися. Перший паровий самохід вантажопідйомністю 2,5 т, побудований в 1769 р. французьким інженером Жозефом Каньо, вийшов дуже громіздким, тихохідним і вимагає обов'язкових зупинок через кожні 15 хвилин руху.

Тільки наприкінці ХІХ ст. у Франції були створені дуже вдалі зразки самохідних екіпажів з паровими двигунами. Починаючи з 1873 р. французький конструктор Адемі Боле побудував кілька вдалих парових двигунів. У 1882 р. з'явилися парові автомобілі Діон-Бутона,

а 1887 — автомобілі Леона Серполе, якого називали «апостолом пари». Створений Серполе котел з плоскими трубками представляв дуже досконалий парогенератор з майже миттєвим випаром води.

Парові автомобілі Серполе конкурували з бензиновими автомобілями на багатьох гонках і швидкісних змаганнях аж до 1907 р. Разом з тим удосконалення парових двигунів як транспортні двигуни продовжується і сьогодні в напрямку зниження їх масогабаритних показників і підвищення коефіцієнта корисної дії.

Удосконалення парових машин та розвиток двигунів внутрішнього згоряння у другій половині XIX ст. супроводжувалося спробами ряду винахідників використовувати електричну енергіюдля транспортних двигунів Напередодні третього тисячоліття Росія відзначила сторіччя з дня використання міського наземного. електричного транспорту- Трамвая. Дещо більше ста років тому, у 80-ті роки XIX ст., з'явилися і перші електричні автомобілі. Їхня поява пов'язана зі створенням у 1860-ті роки свинцевих акумуляторів. Проте занадто велика питома маса і недостатня ємність не дозволили електромобілям взяти участь у конкуренції з паровими машинамиі газобензиновими двигунами. Електромобілі з легшими та енергоємними срібно-цинковими акумуляторами також не знайшли широкого застосування. У Росії її талановитий конструктор І. У. Романов створив кінці XIX в. кілька типів електромобілів із досить легкими акумуляторами.

Електромобілі мають досить високі переваги. Насамперед вони екологічно чисті, тому що взагалі не мають вихлопних газів, мають дуже хорошу тягову характеристику і великі прискорення за рахунок зростаючого крутного моменту при зниженні числа оборотів; використовують дешеву електроенергію, прості в управлінь, надійні в експлуатації »і т. д. Сьогодні електромобілі і тролейбуси мають серйозні перспективи їх розвитку і застосування на міському і приміському транспорті у зв'язку з необхідністю докорінного вирішення проблем зі зниження забруднення навколишнього середовища.

Спроби створення поршневих двигуніввнутрішнього згоряння робилися ще наприкінці XVIII ст. Так, у 1799 р. англієць Д. Барбер запропонував двигун, який працював на суміші повітря з газом, отриманим шляхом перегонки деревини. Інший винахідник газового двигуна Етьєн Ленуар використовував як паливо світильний газ.

Ще в 1801 р. француз Філіп де Бонне запропонував проект газового двигуна, в якому повітря і газ стискалися самостійними насосами, подавалися в змішувальну камеру і звідти в циліндр двигуна, де суміш загорялася від електричної іскри. Поява цього проекту вважається датою народження ідеї електричного займання паливовоздушної суміші.

Перший стаціонарний двигун нового типу, що працює за чотиритактним циклом з попереднім стиском суміші, був спроектований і побудований в 1862 р. кельнським механіком Н. Отто.

Практично всі сучасні бензинові та газові двигуни до цього часу працюють за циклом Отто (цикл із підведенням теплоти при постійному обсязі).

Практичне застосування двигунів внутрішнього згоряння для транспортних екіпажів почалося у 70 - 80-х роках. ХІХ ст. на основі використання в якості палива газових та бензоповітряних сумішей та попереднього стиснення в циліндрах. Офіційно винахідниками транспортних двигунів, що працюють на рідких фракціях перегонки нафти, визнані три німецькі конструктори: Готліб Даймлер, який побудував за патентом від 29 серпня 1885 р. мотоцикл з бензиновим двигуном;

Карл Бенц, який побудував за патентом від 25 березня 1886 р. триколісний екіпаж із бензиновим двигуном;

Рудольф Дизель, який одержав у 1892 р. патент на двигун із самозайманням суміші повітря з рідким паливом за рахунок теплоти, що виділяється при стисканні.

Тут слід зазначити, що перші двигуни внутрішньої згоряння, що працюють на легких фракціях перегонки нафти, були створені в Росії. Так, в 1879 р. російським моряком І. С. Костовичем був спроектований і в 1885 р. успішно пройшов випробування 8-ціліндровий бензиновий двигун малої маси і великої потужності. Цей двигун призначався для повітроплавних апаратів.

У 1899 р. у Петербурзі створено перший у світі економічний та працездатний двигун із запаленням від стиску. Протікання робочого циклу в цьому двигуні відрізнялося від двигуна, запропонованого німецьким інженером Р. Дизелем, який передбачав здійснити цикл Карно зі згорянням по ізотермі. У Росії протягом короткого часу була вдосконалена конструкція нового двигуна - безкомпресорного дизеля, і вже в 1901 р. в Росії були побудовані безкомпресорні дизелі конструкції Г. В. Трінклера, а конструкції Я. В. Мамина - в 1910 р.

Російський конструктор Є. А. Яковлєв спроектував і побудував моторний екіпаж з гасовим двигуном.

Успішно працювали над створенням екіпажів та двигунів російські винахідники та конст-руктори: Ф. А. Блінов, Хайданов, Гур'єв, Махчанський та багато хтоІнші.

Основними критеріями при конструюванні та виробництві двигунів аж до 70-х років XX ст. залишалося прагнення до підвищення літрової потужності, а отже, і до отримання найбільш компактного двигуна. Після нафтової кризи 70 - 80 гг. основною вимогою стало отримання максимальної економічності. Останні 10 - 15 років XX ст. Головними критеріями для будь-якого двигуна стали постійно зростаючі вимоги і норми з екологічної чистоти двигунів і насамперед по корінному зниженню токсичності відпрацьованих газів при забезпеченні хорошої економічності та високої потужності.

Карбюраторні двигуни, які довгі роки не мали конкурентів за компактністю і літровою потужністю, не відповідають сьогодні екологічним вимогам. Навіть карбюратори з електронним управлінням не можуть забезпечити виконання сучасних вимог з токсичності відпрацьованих газів на більшості робочих режимів двигуна. Ці вимоги та жорсткі умови конкуренції на світовому ринку досить швидко змінили типаж силових установок для транспортних засобів та насамперед для легкового транспорту. Сьогодні різні системи упорскування палива з різними системами управління, включаючи електронні, практично повністю витіснили використання карбюраторів на двигунах легкових автомобілів.

Корінна перебудова двигунобудування найбільшими автомобільними компаніями світу в останнє десятиліття XX ст. збіглася з третім періодом гальмування російського двигунобудування. Через кризових явищ в економіці країни вітчизняна промисловість не змогла забезпечити своєчасне переведення двигуна-телебудування на випуск нових типів двигунів. Разом з тим Росія має гарний науково-дослідний заділ по створенню перспективних двигунів і кваліфіковані кадри спеціалістів, здатних досить швидко реалізувати наявний науковий та конструкторський заділ у виробництві. За останні 8 - 10 років розроблені і виготовлені принципово нові досвідчені зразки двигунів з регульованим робочим об'ємом, а також з регульованим ступенем стиснення. У 1995 р. розроблена та впроваджена на Заволзькому моторному заводі та на Нижньо-Новгородському авто-заводі мікропроцесорна система управлінням паливоподачею та запалюванням, що забезпечує виконання екологічних норм ЄВРО-1. Розроблено та виготовлено зразки двигунів з мікро-процесорною системою управління паливоподачею та нейтралізаторами, що задовольняють екологічні вимоги ЄВРО-2. У цей період вченими та фахівцями НАМІ розроблені та створені: перспективний турбокомпаундний дизель, серія дизель-них та бензинових екологічно чистих двигунівтрадиційної компоновки, двигуни, що працюють на водневому паливі, плаваючі транспортні засоби високої прохідності з щадним впливом на грунт і т. п.

Сучасні наземні види транспорту зобов'язані своїм розвитком головним чином застосуванню як силових установок поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Саме поршневі ДВС до теперішнього часу є основним видом силових установок, переважно використовуваних на автомобілях, тракторах, сільськогосподарських, дорожньо-транспортних та будівельних машинах. Ця тенденція зберігається сьогодні і ще зберігатиметься у найближчій перспективі. Основні конкуренти по-ршневих двигунів - газотурбінні та електричні, сонячні та реактивні силові установки— поки що не вийшли з етапу створення експериментальних зразків і невеликих досвідчених партій, хоча роботи з їх доведення та вдосконалення як автотракторні двигуни продовжуються в багатьох компаніях і фірмах усього світу.

Перші ідеї створення двигунів внутрішнього згоряння відносяться до XVII століття, в 1680 Гюйгенс пропонував побудувати двигун, що працює за рахунок вибухів заряду пороху в циліндрі. До кінця XVIII - початку XIX століть відноситься ряд патентів пов'язаних з перетворенням тепла органічного палива на роботу в циліндрі двигуна. Однак перший двигун подібного типу, придатний для практичного використання, побудований та запатентований Ленуаром (Франція) у 1860 році. Двигун працював на світильному газі, без попереднього стиснення і мав ККД близько 3%.

У 70-80-х роках XIX століття почалося широке практичне застосування бензинових двигунів з іскровим запаленням, що працювали за циклом швидкого згоряння. З 1885 року почалося будівництво автомобілів з бензиновими ДВС. Великий внесок у розвиток цього типу двигунів зробив Карл Бенц, Роберт Бош (Німеччина), Даймлер (Австрія). Розвиток цих двигунів і в Росії - капітан російського флоту І.С. Костович побудував у 1879 році найлегший на той час двигун для дирижабля потужністю 80 к.с. з питомою вагою 3 кг/л.с., набагато випередивши німецьких інженерів.

Наступним етапом у розвитку ДВС стало створення про «калоризаторних» двигунів, у яких паливо займалося немає електричної іскри, від розпеченої деталі в циліндрі. Такі двигуни почали будувати на початку 90-х років ХІХ століття.

У 1892 році Рудольф Дизель, інженер фірми МАН (Німеччина), отримав патент на пристрій нового двигуна внутрішнього згоряння (патент № 67207 від 28 лютого 1892 року). У 1893 році їм була випущена брошура “Теорія та конструкція раціонального теплового двигуна, покликаного замінити парову машинута інші існуючі нині двигуни». У «раціональному» двигуні передбачався тиск стиснення - 250 ат, ККД - 75%, робота - по циклу Карно (підведення тепла при T = const), без охолодження циліндрів, паливо-вугільний пил.

У 1893 році на заводі фірми МАН в Аугсбурзі була спроба побудувати такий двигун. Працями керував сам автор. При цьому з'ясувалась неможливість реалізації ідеї - на вугільному пилу двигун працювати не міг, згоряння при T=const здійснити не вдалося. В 1894 побудований 2-й двигун, здатний працювати без навантаження нетривалий час. Найбільш вдалим виявився третій двигун будівництва 1895 року. У ньому відмовилися від основних пропозицій Р. Дизеля - двигун працював на гасі, розпорошення палива проводилося стисненим повітрям, згоряння - при Р=const, передбачалося водяне охолодження циліндрів.

Офіційним випробуванням у лютому 1897 року було пред'явлено лише 4-й двигун, що мав потужність близько 20 к.с., тиск стиснення 30 ат і ККД 26-30%. Такий високий ККД не досягався раніше в жодному тепловому двигуні.

Цикл нового двигуна значно відрізнявся від описаного в патенті та брошурі. У ньому здійснювалися раніше відомі та апробовані в інших досвідчених двигунах принципи - попереднього стиснення повітря в циліндрі, безпосередньої подачі палива наприкінці такту стиснення, самозаймання палива тощо. Відмінності побудованого двигуна від одного патенту та використання ідей інших винахідників спричинили багато випадів проти Р. Дизеля, його численних судових позовів та фінансових труднощів. Ймовірно, це дало привід до трагічної загибелі Р. Дизеля перед початком 1-ої світової війни. Тим не менш, на честь визнання заслуг Р. Дизеля у створенні нового двигуна та його широкому впровадженні в промисловості та транспорті двигун із запаленням палива від стиску отримав назву «дизель».

В 1898 Петербурзький механічний завод фірми «Людвіг Нобель» (нині завод
"Російський дизель") купив ліцензію на виробництво нових двигунів. Була поставлена ​​мета - забезпечити роботу двигуна на дешевому паливі - сирої нафти (замість дорогої гасу, що застосовувався на Заході). Це завдання було успішно вирішено - у січні 1899 був випробуваний перший дизель, побудований в Росії, потужністю 20 к.с. при частоті обертання 200 об/хв.

Російські інженери вирішили багато конструктивних питань дизелебудування, надали деталям ту конструкцію, яка згодом стала загальноприйнятою. У нашій країні було вирішено й питання, пов'язані із застосуванням дизелів на судах. В 1903 вступив до ладу перший у світі теплохід «Вандал», танкер озерного типу вантажопідйомністю 820 т з трьома нереверсивними 4-тактними двигунами сумарною потужністю 360 к.с. В 1908 побудований перший у світі морський теплохід - танкер «Дело» (згодом «В. Чкалов») для плавання в Каспійському морі водотоннажністю 6000 т з двома дизелями по 500 к.с. Слідом за заводом «Л. Нобель» до виробництва дизелів розпочали Коломенський та Сормівський заводи.

Завдяки успіхам дизелебудування в Росії дизелі стали називати у свій час «російськими двигунами». Росія зберігала чільне становище у судновому дизелебудуванні до 1-ї світової війни. Так, до 1912 року у всьому світі було збудовано 16 теплоходів з потужністю головних дизелів понад 600 к.с.; їх 14 побудовано Росії. Навіть у 20-ті роки, незважаючи на великі руйнування народного господарства в період 1-ї світової та громадянської воєн, у нашій країні були створені та випускалися суднові малооборотні крейцкопфні двигуни марок 6 ДКРН 38/50, 4ДКРН 41/50 та 6ДКРН 65/86 агрегатної потужністю відповідно 750, 500 і 2400 к.с.

Переважне поширення у світовій практиці від початку використання до середини 30-х років мали компресорні дизелі, в яких паливо подавалося в циліндр за допомогою стисненого високого тискуповітря. Як правило, як головні використовувалися малооборотні крейцкопфні 2-х або 4-тактні дизелі, часто подвійної дії. Продування 2-тактних ДВЗ здійснювалося поршневим продувним насосом, що приводиться від колінчастого валу.

Ідея безкомпресорного дизеля, запатентована 1898 року студентом Петербурзького технологічного інституту Г.В. Трінклер (згодом професором Горьковського інституту інженерів водного транспорту), отримала широкий розвиток лише в 30-ті роки, коли була створена досить надійна паливна апаратура для безпосереднього впорскування палива за допомогою насосів високого тиску.

Особливо швидке розвиток дизелебудування спостерігалося після Другої світової війни. Переважне поширення як головний двигун на суднах транспортного флоту отримав малооборотний крейцкопфний 2-тактний реверсивний безкомпресорний дизель простої дії, що працює безпосередньо на гвинт. Як допоміжні двигуни використовувалися і використовуються досі середньооборотні тронкові 4-тактні дизелі.

У 50-ті роки провідні дизелебудівні фірми розгорнули роботи з форсування двигунів за допомогою газотурбінного наддуву, випробуваного та запатентованого інж. Buchi (Щвейцарія) ще 1925 року. У малооборотних 2-тактних двигунах завдяки наддуву середній ефективний тиск у циліндрі Ре було піднято від 4-6 кг/см2 (початок 50-х років) до 7-5-8,3 кг/см2 у 60-ті роки при значенні ефективного ККД двигунівдо 38–40%. У 70-ті роки при подальшому форсуванні двигунів наддувом середній ефективний тиск у циліндрі було збільшено до 11-12 кг/см2; максимальні діаметри циліндрів досягли 1050-1060 мм при ході поршня 1900-2900 мм та циліндрової потужності 5000-6000 елс. В даний період промисловість постачає на світовий ринок суднові малооборотні двигуни із середнім ефективним тиском в циліндрі 18-19,1 кг/см2, з діаметром циліндрів до 960-980 мм і ходом поршня до 3150-3420 мм. Агрегатні потужності досягають 82000-93000 елс. при ефективному ККД до 48-52%. Таких показників економічності не вимагали в жодному тепловому двигуні.

У середньооборотних 4-х тактних двигунів у 50-ті роки середній ефективний тиск Ре лежало в межах 6,75-8,5 кг/см2. У роки Ре було збільшено до 14-15 кг/см2. У 70-80-ті роки всі провідні дизелебудівні фірми досягли рівня Ре 17-20 кг/см2; у дослідних двигунах отримано Рe 25-30 кг/см2. Максимальний діаметр циліндра склав Дц = 600-650 мм, хід поршня S = 600-650 мм, максимальна циліндрова потужність Neц = 1500-1650 елс. ефективний ККД 42-45%. Приблизно такі показники пропонуються на ринку середньооборотних 4-тактних двигунів і сьогодні.

Тенденція до ширшого використання середньооборотних двигунів як головні на судах морського флоту виявилися в 60-ті роки. Певною мірою було пов'язано з успіхами фірми Пілстік (Франція), що створила двигун РС-2 високої конкурентоспроможності, а також з потребами розвитку спеціалізованих судів, що висували обмеження по висоті машинного відділення. Надалі двигуни цього типу були створені й іншими фірмами - V 65/65 Зульцер-МАН, 60М Мітсуі, ТМ-620 Сторк, Вяртсиля 46 та ін. Подальше вдосконалення середньооборотних суднових двигунівйде шляхом збільшення ходу поршня, форсування наддувом, підвищення економічності робочих циклів та економічності експлуатації шляхом використання все більш важких залишкових палив, зниження шкідливих викидів з вихлопними газами навколишнє середовище.

Малооборотний 2-тактний дизель залишається найпоширенішим головним двигуном сучасних морських суден. При цьому в результаті гострої конкурентної боротьби на ринку цього класу двигунів залишилися лише дві конструкції - фірми Бурмейстер і Вайн (Данія) та Зульцер (Швейцарія). Припинили випуск малооборотних двигунів подібної конструкції фірми МАН (Німеччина), Доксфорд (Англія), Фіат (Італія), Гетаверкен (Швеція), Сторк (Голландія).

Фірма Зульцер, створивши на початку 80-х років досить високоефективний ряд двигунів типу RTA, проте рік у рік скорочувала їх випуск. У 1996 та 1997 гг. фірма взагалі отримала замовлень на двигуни RTA. Як результат, контрольний пакет акцій фірми Нью Зульцер Дизель купили фірмою Вяртсиля (Фінляндія).

Фірма Бурмейстер і Вайн створила в 1981 ряд високоекономічних довгоходових двигунів типу МС. Проте фірма не могла подолати фінансових труднощів і поступилася контрольним пакетом акцій фірмі МАН. Об'єднання MAN-B&W продовжує удосконалювати двигуни ряду МС, пропонуючи споживачам крейцкопфні двигуни з діаметром циліндрів від 280 до 980 мм та з відношенням ходу поршня до діаметра, рівним S/D = 2,8; 3,2 та 3,8.

У Росії її сучасні малооборотні дизелі випускаються з 1959 року у Брянському машинобудівному заводі за ліцензією фірми Бурмейстер і Вайн. Двигуни встановлюються як у вітчизняних судах, і на судах іноземної постройки.

Подальше вдосконалення малооборотних крейцкопфних двигунів йде шляхом їх форсування наддувом, зменшення частки, підвищення надійності, збільшення терміну служби між розтинами, використання найважчих залишкових палив, зниження шкідливих викидів у навколишнє середовище. Враховуючи обмеженість запасів рідкого нафтового палива на землі, проводяться дослідні роботиз використання вугільного пилу як паливо в циліндрі малооборотного дизеля.