6.15. Основные направления поиска новых машин-двигателей

В течение почти всего XIX в. паровая машина была основным универсальным промышленным и транспортным двигателем. Однако КПД паровой машины был небольшим, повысить его не удавалось, и поэтому велся поиск новых двигателей машин по трем направлениям.

Первое направление – разработка способа непосредственного преобразования энергии топлива в механическую энергию вращающегося кривошипа, минуя промежуточное превращение воды в пар, поскольку оно приводило к большим потерям энергии. Это направление привело к созданию двигателя внутреннего сгорания, включая двигатель дизельного типа.

Второе направление – непосредственное получение вращательного движения с помощью улучшения древнейшего принципа машины, заложенного в водяном колесе. Здесь результат поисков – сначала водяная турбина, затем турбина, в которой рабочим телом стал пар, а уже в XX в. – газ.

Третье направление – освоение нового вида энергии – электрической, для получения механической работы. Проблема создания электрического двигателя была связана с другой не менее важной проблемой – передачей электроэнергии на расстояние. Сперва были созданы генераторы постоянного тока, а затем освоен и переменный ток.

6.16. История создания двигателя внутреннего сгорания

Первое направление – создание двигателя внутреннего сгорания, в котором сгорание топлива и преобразование теплоты в механическую работу происходит внутри цилиндра, т.е. самого двигателя.

Дени Папен и Христиан Гюйгенс в XVII в. создали пороховой двигатель. На дно цилиндра насыпали немного пороха, который поджигали фитилем. При сгорании пороха выделялись горючие газы повышенного давления, поршень поднимался вверх, и при охлаждении холодной водой цилиндра поршень опускался вниз, тянул трос и совершал работу. Такой двигатель был очень несовершенен, и полезная работа была от него незначительна. Пар же был более энергоемким.

Французский инженер Филипп Лебой в 1790 г. получил светильный газ посредством сухой перегонки древесины. В 1801г. он предложил проект газового двигателя внутреннего сгорания.

Первый практически пригодный газовый д.в.с. был сконструирован в 1860 г. французским изобретателем Этьеном Ленуаром (1822-1900). В своем патенте он писал “Мое изобретение заключается в том, чтобы применять светильный газ в смеси с атмосферным воздухом, зажигая его электричеством, и получить, таким образом, движущую силу через нагревание и значительное расширение газовой смеси. Двигатель Ленуара был двигателем непосредственного действия. В нем смесь светильного газа и воздуха засасывалась в цилиндр движением в поршень. Когда поршень достигал половины хода, впускной клапан закрывался, смесь зажигалась с помощью электрической искры, и происходило сгорание топлива. Давление газов двигало поршень дальше. При достижении поршнем верхней точки, в цилиндре открывался выпускной клапан, через которые отработанные газы выпускались наружу обратным ходом поршня. Зажигание смеси производилось искрой от электрического прибора с батареей. Давление газа в момент сжигания достигало 5 атмосфер.

В основном, двигатель работал так же, как и паровая машина: движение поршня передавалось через кривошипно-шатунный механизм на вал двигателя с маховым колесом. Одновременно вал через эксцентрик приводил в движение золотник, регулирующий поступление топлива в цилиндр с помощью впускного и выпускного клапанов.

Двигатель Ленуара имел мощность около 12л.с. (8,8кВт) и имел ряд недостатков: 1) малый КПД (4,65%); 2) большая потребность газа (3м³/1 л.с.); 3) постоянная смазка (нужен смазчик, который должен был все время стоять и заполнять масленки смазочным маслом). Однако двигатель получил распространение в малых установках во Франции, т.к. был сравнительно прост, легок и не требовал громоздкого котла. Было построено свыше трехсот таких двигателей, один из которых был установлен в 1863 г. магазине Шопенав Петербурге. Двигатель приводил во вращение станок.

Для совершенствования двигателя Ленуара русский инженер П.Д. Кузьминский предложил поднять КПД путем предварительного сжатия воздуха перед сжиганием газа в цилиндре двигателя. Французский инженер Бо де Рощ предложил способ сжатия воздуха, производя работу в цилиндре в 4 такта (всасывание, сжатие, рабочий ход, выхлоп). Немецкий конструктор Н. Отто совместно с инженером Э. Лангеком в 1878 г. построил первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания мощностью 4л.с. при КПД 14%. Возле Кельна в местечке Дейтц был организован завод газовых двигателей “Отто-Дейтц”. Сначала завод выпускал маломощные двигатели, затем двигатели мощностью 10л.с. и двухцилиндровые двигатели мощность 50л.с. За 20 лет было построено 42000 двигателей, которые в основном применялись динамо-машинах и обслуживали городские электростанции. В 1896г. немецкий инженер Люринг построил вагон с газовым двигателем, который курсировал по Дрезденской городской железной дороге. Двигатели располагались под сиденьем в середине вагона и питались от баллонов с газом, сжатым до 6 атмосфер. Газовый транспорт постепенно совершенствовался, но затем был вытеснен электрическим трамваем, и двигатели внутреннего сгорания стали переводиться на жидкое топливо.

Русский ученый Е.А. Яковлев создал керосиновый двигатель. Русский изобретатель И.С. Костич (1851-1916) в 1884 г. сконструировал бензиновый двигатель мощностью 80л.с., который в настоящее время находится в Доме Авиации в Москве. В середине 80^хгг. немецкие изобретатели Г. Даймлер и (1834-1900) и К. Бенц (1844-1911) создали двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, которые они применяли в безрельсовом транспорте.

Рис. 6.18. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – выпускной трубопровод; 4 – выпускной клапан; 5 – свега зажигания; 6 – выпускной клапан; 7 – выпускной трубопровод; 8 – шатун; 9 – коленчатый вал

ДВС, работающие по циклу ОТТО, относятся к двигателям с внешним смесеобразованием горючей смеси с помощью карбюратора (рис.6.18). Эта смесь сжимается до давления в несколько атмосфер, нагреваясь до 400⁰С, и затем воспламеняется электрической искрой и сгорает. В результате давление продуктов сгорания повышается до 50 атмосфер, а температура – до 2000⁰С. Карбюраторные многоцилиндровые (48 цилиндров) ДВС применяются в основном в легковых автомобилях, в авиации и т.д.

А.Г. Уфимов (1880-1936) разработал двухцилиндровый и шестицилиндровый (1910 г.) карбюраторный двигатель для самолетов.

Немецкий инженер Рудольф Дизель (1856-1913) работал над повышением эффективности ДВС. В 1897 г. создал новый тип двигателя с самовоспламенением при сжатии воздуха (с внутренним смесеобразованием).

Рис. 6.19. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

1 – топливный насос; 2 – поршень; 3 – форсунка; 4 – воздухоочиститель; 5 – выпускной клапан; 6 – выпускной клапан; 7 – цилиндр

Двигатель Дизеля (дизель) оказался наиболее экономичным двигателем, имел КПД 34% (КПД карбюраторных двигателей обычно 25-30%). Рабочий цикл дизеля (рис.6.19) состоит из четных тактов: всасывания, сжатия (воздух сжимается до 35 атмосфер, нагревается до 700⁰С, что достаточно для воспламенения топлива), рабочего хода (форссункой впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое сгорает, поднимая температуру продуктов сгорания до 1900⁰С и давление до 80атм.) и выхлопа.

Одним из первых начал строить двигатель Дизеля машиностроительный завод в Петербурге крупнейшего российского нефтепромышленника Эммануила Нобиля. В качестве топлива применяли нефть и мазут.

Каждый двигатель имеет свои преимущества и недостатки и находит свое применение. Карбюраторный двигатель, как более легкий, стал применяться в авиации и транспорте. Дизельный двигатель стал применяться в качестве автомобильного, судового, тракторного двигателя и на дизельных электростанциях.