2. Поиски двигателя

При работе с данным разделом Вам предстоит:

1) Изучить теоретический материал.

2) Ответить на вопросы для самопроверки.

Изучаемые вопросы:

Паровая машина второй половины XYIII века как транспортный двигатель. "Паровая телега" Никола-Жозефа Кюньо (1767 г.). Развитие безрельсовых паровых повозок в XIX веке. Паровые автомобили Франции. Особенности эксплуатации и недостатки паровой силовой установки. Создание первых транспортных поршневых ДВС.

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.

В начале XVIII века конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.

В конце XIX века были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

Первая паровая машина была построена Джеймсом Уаттом в 1784 г. Главной ее частью был цилиндр, закрытый с обоих концов крышками. В крышках цилиндра имелись отверстия, через которые поступал пар. Вначале его впускали с одной стороны, а когда поршень доходил до противоположного конца цилиндра — с другой.

Впервые идею постройки автомобиля высказали Дени Папен и Томас Севери — авторы единицы мощности «лошадиная сила». Реализация оставшихся в теории английских проектов Севери и Уатта удалась французу Никола Жозефу Кюньо.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества автомобильных инженеров.

Паровые экипажи применялись для подвозки грузов и пассажиров к железной дороге. К этому времени мощность паровых экипажей увеличилась в 10 раз по сравнению с повозкой Кюньо, значительно были уменьшены размеры машин и расход топлива.

Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач (рутьер) получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей. Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

Во Франции конца XIX века паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки. В 1533 г. итальянский математик и философ Джероламо Кардано (1506-1576) предложил способ соединения двух вращающихся валов, находящихся под углом друг к другу.

Аналогичным образом были построены паровые экипажи отца и сына Болли. В 1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Болли продолжал совершенствовать свою паровую повозку и через некоторое время придал ей более традиционный вид. Его модель, изготовленная в 80-х гг. XIX века и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Это был один из первых образцов общественного транспорта. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XX века.

В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду».

В 80-х гг. XIX века появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске, хотя они были не лишены ряда недостатков, от которых уже «вылечились» паровые машины.

Еще французский физик Дени Папен пытался построить двигатель, использующий взрывчатую энергию пороха. Это было в 1687 г., но дальше экспериментов дело не пошло.

Первые попытки создать новый двигатель были предприняты в 1799 г. Француз Филипп Лебон высказал идею о том, что в цилиндры паровой машины можно впускать не пар, а горючий газ, который в нужный момент поджигался бы электрической искрой. Несколько позже он разработал конструкцию двухтактного двигателя, которую запатентовал в 1801 г.

Следующие разработки в этой области можно отнести к 1807 г., когда швейцарец Исаак де Риваз подал заявку на «использование взрыва светильного газа или иных взрывающихся материалов как источника энергии в двигателе».

Первым, кто изготовил технологичный, пригодный для производства двухтактный газовый двигатель, был французский механик Жан Ленуар. Это произошло в 1860 г. Ленуар поставил перед собой задачу избавить паровую машину от наиболее громоздких ее деталей — котла и топки.

Конструируя свой двигатель, Ленуар взял у предшественников самое лучшее. Для зажигания смеси светильного газа и воздуха служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. В двигателе Ленуара двойного действия полный цикл работы поршня длился в течение двух его ходов. При рабочем ходе поршня происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре, а при втором ходе — выпуск отработанных газов. Впуском и выпуском управляла задвижка-золотник, а золотником — эксцентрик, вмонтированный на валу двигателя. Котла и топки, так же как и кочегаров, не было, но на этом преимущества нового двигателя заканчивались. Его масса была не намного меньше существующих паровых двигателей. А единица выработанной таким двигателем мощности обходилась в семь раз дороже, чем у парового собрата. Только одна двадцать пятая часть теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу. Коэффициент полезного действия (КПД) такого двигателя равнялся всего 4%. Остальное тепло уходило с отработанными газами, нагревало корпус и выводилось в атмосферу. Однако двигатель работал и был признан пригодным для производства, а относительно небольшие размеры мотора устраивали хозяев.

Узнав из газет о ленуаровском изобретении, Николаус Отто задался целью создать универсальный газовый двигатель, способный вытеснить парового собрата. После многочисленных опытов Отто смог усовершенствовать мотор Ленуара так, что его мощность существенно возросла.

Основная идея Отто состояла в том, что перед зажиганием смесь необходимо подвергать сжатию, а взрыв выгоднее всего производить в крайнем верхнем положении поршня. Чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим хотя бы 15%, Отто понадобилось 15 лет. Изготовленный двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и, соответственно, двух оборотов коленчатого вала.

Вначале, при движении поршня вниз, смесь воздуха и горючего газа через открытый впускной клапан поступала в цилиндр, происходил первый такт работы двигателя — впуск. После этого поршень поднимался вверх, впускной клапан закрывался и смесь, не имея выхода наружу, сжималась, происходил второй такт — сжатие. Далее смесь воспламенялась от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси, и расширяющиеся во время горения газы толкали поршень вниз, совершая механическую работу третьего такта — рабочий ход. После этого поршень вновь поднимался вверх, выталкивая через открывшийся выпускной клапан продукты горения наружу. Это был четвертый такт двигателя — выпуск.

Зажигание горелкой не применяется в современных двигателях, но рабочий цикл двигателя Отто полностью сохранился до наших дней. По четырехтактному циклу работает подавляющее большинство современных автомобильных двигателей.

В начале 1864 г. Отто при поддержке Ойгена Лангена организовал компанию «Отто и К°». Постепенно небольшая фирма Отто расширялась благодаря возросшему числу заказчиков и финансовой помощи семьи Лангенов. В 1872 г. она превратилась в «Акционерное общество газомоторной фабрики Отто-Дойц», в котором вскоре пересеклись судьбы талантливых изобретателей, предопределивших судьбу автомобиля, — Николауса Отто, Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха. Именно Даймлер и Майбах, приглашенные работать к Отто, а впоследствии основавшие собственную фирму, внесли наибольший вклад в создание компактного двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе и пригодного для применения на транспорте.

Первый двигатель, разработанный Даймлером, годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал он и на газе, и на бензине. Все дальнейшие конструкции Даймлера были рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Для этого он применил специальное устройство — карбюратор. В нем бензин испарялся, пары смешивались с воздухом и поступали в цилиндры двигателя.

Созданный Даймлером двигатель имел уменьшенную массу, картер двигателя, заполненный смазочными маслами, защищал подвесные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель водяной рубашке способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка.

В 1871 г. Карл Бенц купил небольшие механические мастерские, где решил изготовлять и ремонтировать приобретающие все большую популярность двигатели внутреннего сгорания. Небольшие мастерские через двенадцать лет превратились в солидную фирму «Бенц и К°», выпускающую двигатели различного назначения. К этому времени Бенц решил построить легкий трехколесный экипаж с двигателем внутреннего сгорания. В 1885 г. Карл Бенц построил четырехтактный бензиновый одноцилиндровый двигатель с искровым зажиганием. Летом 1885 г. состоялись первые испытания самохода, изготовленного изобретателем.

В 1886 г. Карл Бенц подал заявку на оформление патента на самодвижущийся экипаж с двигателем внутреннего сгорания. 29 января 1886 г. Бенц получил патент на свою самоходную машину. Но понадобилось еще около десяти лет, чтобы сделать ее практически пригодной для широкого потребления и коммерчески рентабельной.

Заявки на патенты Бенц и Даймлер подали почти одновременно, однако в разные патентные бюро. И в каждом чиновники, выдававшие изобретателям привилегии, искренне думали, что регистрируют самую первую конструкцию механического экипажа с двигателем внутреннего сгорания.

Механизмы, приводившиеся в движение двигателем внутреннего сгорания, были созданы задолго до 1886 г., но Бенц был первым, кто предложил покупателю годный для эксплуатации прообраз современного автомобиля, а Даймлер первый запустил в производство функциональный автомобильный двигатель.

18 марта 1858 г. родился еще один немецкий изобретатель, сделавший для автомобилестроения не меньше, чем Карл Бенц или Готлиб Даймлер - это Рудольф Дизель. Долгие годы Дизель работал над созданием двигателя, в котором, по его замыслу, воздух должен был сжиматься таким образом, чтобы при соединении его с топливом создавалась необходимая для воспламенения температура. Такой двигатель, по расчетам изобретателя, смог бы работать не только на дорогом и редком бензине, но и на других видах топлива — керосине, солярке, нефти. В 1890 г. «метод работы машины и способ изготовления двигателей внутреннего сгорания». Это был патент на первый в мире двигатель с самовоспламенением топливной смеси от сжатия, названный впоследствии именем Дизеля. В конце июля 1893 г. первый в мире дизельный двигатель был готов, но еще почти год понадобился для Дизель закончил расчеты и теоретическое обоснование своей идеи нового двигателя. Логическим завершением его исследований стал патент от 28 февраля 1892 г. на его доработки. Дата 17 февраля 1894 г. считается днем рождения двигателя, работающего на дешевых видах топлива. В этот день в мастерской, принадлежавшей Дизелю, в течение одной минуты проработал второй опытный образец двигателя, совершив при этом 88 оборотов.

В ОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Когда и кем был построен первый паровой котёл?

2. Когда и кем бала построена первая паровая машина?

3. Какова роль Николы Жозефа Кюньо в ссоздании автомобиля?

4. Когда и где в России был построен первый паровой колесный тягач ?

5. Каковы особенности конструкции паровой машины, предложенной Леоном Серполле?

6. Каковы особенности конструкций паровых экипажей, предложенных отцом и сыном Болли?

7. Когда и кем впервые был изготовлен технологичный, пригодный для производства двухтактный газовый двигатель?

8. Каковы особенности конструкции первых двухтактных газовых двигателей?

9. Когда и кем впервые был изготовлен четырёхтактный двигатель?

10. Каковы особенности конструкции первых четырёхтактных двигателей?

11. Каков принцип работы четырёхтактных двигателей?

12. Каковы особенности двигателя, построенного Готлибом Даймлером?

13. Каковы особенности двигателя, построенного Карлом Бенцом?

14. Какова роль Рудольфа Дизеля в строительстве двигателя внутреннего сгорания?

15. Каковы особенности конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия?

16. Каковы достоинства и недостатки бензиновых и дизельных двигателей?