В даний час нікого не здивуєш використанням двигуна внутрішнього згоряння. Мільйони автомобілів, бензогенераторів та інших пристроїв використовують в якості приводу двигуни внутрішнього згоряння. Поява цього типу двигуна в 19 столітті обумовлена в першу чергу необхідністю створення ефективного і сучасного приводу для різних промислових пристроїв і механізмів. У той час, в основній своїй масі, використовувався паровий двигун. Він мав масу недоліків, наприклад, низький коефіцієнт корисної дії (тобто більшість енергії, яка витрачалася на виробництво пари, просто пропадала), був досить громіздким, вимагав кваліфікованого обслуговування та великої кількості часу на запуск і зупинку. Промисловості потрібен був новий двигун, позбавлений цих недоліків. Ним став двигун внутрішнього згоряння.
Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) – це тип двигуна, теплової машини, в якій хімічна енергія палива (зазвичай застосовується рідке або газоподібне вуглеводневе паливо), що згорає в робочій зоні, перетвориться в механічну роботу. Незважаючи на те, що двигун внутрішнього згоряння є недосконалим типом теплових машин (сильний шум, токсичні викиди, малий ресурс), завдяки своїй автономності (необхідне паливо містить набагато більше енергії, ніж найкращі електричні акумулятори) ДВЗ стали дуже популярними. Основним недоліком двигуна внутрішнього згоряння є те, що він виробляє високу потужність тільки у вузькому діапазоні оборотів. Тому його невід'ємними атрибутами є трансмісія і стартер. Лише в окремих випадках (наприклад, в літаках) можна обійтися без складної трансмісії. Крім цього двигуну внутрішнього згоряння потрібні паливна система (для подачі паливної суміші) і вихлопна система (для відведення вихлопних газів).
Історія винайдення
Ще в 17 столітті голландський фізик Крістіан Хагенс (Christian Huygens) почав експерименти з двигунами внутрішнього згоряння, а в 1680 році був розроблений теоретичний двигун, паливом для якого служив чорний порох. Проте до втілення в життя ідеї автора так і не дійшло.
Першим, кому вдалося створити перший в світі діючий двигун внутрішнього згоряння був Нісефор Ньєпс (Nisefor Neps). Він народився в старовинній дворянській родині. Так само, як і старший брат Клод, він вчився в коледжі батьків-ораторіанців. Зрозуміло, що природничо-наукової освіти він там не отримав. Але й гуманітарні дисципліни він вчив, мабуть, погано, тому що завалив випускний іспит. У 23 роки він зібрався вивчати юриспруденцію, але через рік, в 1789 році спалахнула Велика французька революція. Брати Ньєпси незабаром стали офіцерами революційної армії. Віддавши справі цивільних свобод три роки, вони вийшли у відставку і оселилися в своєму маєтку. З цього часу вони присвятили себе винахідництву. Французька республіка вкрай потребувала джерел сировини та енергії. Уряд, на підтримку патріотизму, призначив великі нагороди за вирішення важливих для країни питань. Так, наприклад, величезна сума була обіцяна за вирощування рослини марени, з якої добували барвник – індиго. Брати вирощували марену, але премія їм, на жаль, не дісталася. Вони винайшли водопідйомну машину для Версаля, але Наполеон віддав замовлення великим промисловцям. Такими ж, невтішними з фінансів, стали винайдені ними способи одержання волокон і крохмалю з місцевих рослин.
Брати не впадали у відчай. У 1806 році вони представили в Національний інститут (так називалася тоді французька Академія наук) доповідь про нову машину, яка «за силою була б порівнянна з паровою, але споживала б менше палива». Брати назвали її «піреолофор». З грецької це можна перекласти як «ваблена вогненним вітром». Працювала вона на вугільному пилу, а не на бензині чи газі. Зрозуміло, що тоді не було ні газової, ні нафтопереробної промисловості. Зауважимо також, що перший двигун Дизеля теж працював на вугільному пилу, інтерес до якого як до палива відродився знову в другій половині 20 століття.
Отже, про піреолофор. Цей винахід викликав великий інтерес. Двом комісарам було доручено розібратися у винаході. Одним з комісарів був Лазар Карно. Карно дав позитивний відгук, який навіть потрапив у газети. Хоча у двигуна був ряд недоробок, чимало з них не можна було усунути на той час через відсутність необхідних технологій: підпал пилу, наприклад, здійснювався при атмосферному тиску, розподіл палива всередині камери був нерівномірним, та й прилягання поршня до стінок циліндра вимагало вдосконалення . У ті часи поршень парової машини вважався підігнаним до стінок циліндра, якщо між ними насилу проходила монета (!).
Брати побудували двигун і оснастили ним в 1806 році триметровий човен, вагою 450 кг. Човен плавав вгору по річці Сені зі швидкістю вдвічі більшою від швидкості течії. Врахуйте, що свою першу невдалу спробу спуску пароплава Фултон здійснив в 1803 році, а знаменитий «Клермонт» почав плавання на рік пізніше човна Ньєпсів, в 1807 р. Брати-винахідники шукали можливості заручитися чиєюсь фінансовою підтримкою, і прийняли рішення домагатися аудієнції у Наполеона. Вони готували для демонстрації невелике судно з двоциліндровим двигуном. Але на дворі був уже 1811 рік, і Наполеон не приїхав до Ліона, де повинні були бути випробування, оскільки він готувався до походу на Росію. Ну, а після російської кампанії імператору вже було не до двигунів.
Пізніше Нісефор Ньєпс вичитав в працях хіміка Лавуазьє, що нафтові «летючі масла» дають з повітрям вибухонебезпечні суміші, і відразу оцінив цей факт. Але у Франції закінчувалася дія патенту на піреолофор (двигун), і в 1817 році старший брат Клод їде в Англію, в надії продати патент там. Розлучившись з Нісефором, Клод продовжує працювати над піреолофором самостійно, і веде свою винахідницьку думку в якусь іншу сторону. У яку – Нісефору важко зрозуміти: боячись розголошення секретів, брат нічого відкрито не розповідає в своїх листах, а лише просить без кінця грошей і обіцяє, що ось-ось буде результат. І вже пізніше Нісефор з листів дізнається, що Клод б’ється над двигуном, який не споживає пального, тобто над вічним двигуном!
Однак повернемося до Лазара Карно? У нього був син – лейтенант Головного штабу Саді Карно, який в 1824 році видає в 200 примірниках роботу, що згодом увіковічнила його ім'я. Це «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». У цій книжці він заклав основи термодинаміки – теорії для розробки двигунів внутрішнього згоряння. У книзі згадувалася машина Ньєпсів, яка, можливо, і наштовхнула Саді Карно на роздуми про двигуни майбутнього – всі двигуни внутрішнього згоряння: і газові, і карбюраторні, і дизельні. Він також пропонує подальше вдосконалення двигуна, починаючи від стиснення повітря в циліндрі і т.д.
Нісефор Ньєпс нікому не зумів продати свій двигун для комерційного виробництва, а до втілення фотографічного процесу в остаточному вигляді просто не дожив.
Пройде ще чверть століття, перш ніж англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) і німецький фізик Рудольф Клаузіус відродять ідеї Карно і зроблять термодинаміку наукою. Про Ньєпса взагалі ніхто не згадає. А наступний двигун внутрішнього згоряння з’явиться лише в 1858 році у бельгійського інженера Жан Жосеф Етьєн Ленуара (Jean Joseph ?tienne Lenoir). Двотактовий електричний карбюраторний двигун, двигун з іскровим запалюванням, паливом для якого служив кам’яновугільний газ, стане першим комерційно успішним двигуном такого роду. Перший двигун пропрацював лише кілька секунд через відсутність маслосистеми і системи охолодження, які були успішно застосовані на наступних зразках. У 1863 році Ленуар поліпшив конструкцію свого двигуна, використавши замість газового палива, гас. На ньому триколісний прототип сучасних машин проїхав історичні 50 миль.
Двигун Ленуара не був позбавлений недоліків, його ККД сягав лише 5%, він не дуже ефективно витрачав паливо і мастильні матеріали, занадто сильно нагрівався і т.д. і т.п., але це був перший, після довгих років забуття, комерційно успішний проект створення нового двигуна для потреб промисловості.
У 1862 році французький вчений Альфонс Бру де Рохас (Alphonse Beau de Rochas) запропонував і запатентував перший у світі чотирициліндровий двигун. Але до його створення, а тим більше комерційного виробництва справа так і не дійшла.
1864 рік – австрійський інженер Зігфрід Маркус (Siegfried Marcus) створив перший у світі одноциліндровий карбюраторний двигун, що працював від згоряння сирої нафти. Кілька років по тому цей же вчений сконструював транспортний засіб, що пересувався зі швидкістю 10 миль на годину.
1873 рік – Джордж Брайтон (George Brayton) запропонував нову конструкцію 2-х циліндрового карбюраторного гасового двигуна, який згодом став бензиновим. Це була перша безпечна модель, правда занадто масивна і повільна для комерційного використання.
1876 ??рік – Ніколас Отто (Nikolaus August Otto), через 14 років після теоретичного обґрунтування роботи 4-х циліндрового двигуна Рохаса, створив робочу модель, відому, як «цикл Отто», цикл із запалюванням від іскрового розряду. Двигун внутрішнього згоряння Отто мав вертикальний циліндр, обертовий вал, з валом була з’єднана спеціальна рейка. Вал піднімав поршень, за рахунок чого утворювалося розрідження, завдяки якому всмоктувалася паливно-повітряна суміш, яка згодом запалювалася. У двигуні не використовувалося електричне запалювання, інженери не володіли достатнім рівнем знань в електротехніці, суміш запалювали відритим полум’ям через спеціальний отвір. Після вибуху суміші зростав тиск, під дією якого поршень піднімався (спочатку під дією газу, а потім за інерцією) і спеціальний механізм від’єднував рейку від валу, знову створювалося розрідження, паливо засмоктувалася в камеру згоряння, і процес повторювався. ККД цього двигуна перевищував 15%, що було значно вище, ніж ККД будь-якої парової машини того часу. Вдала конструкція, висока економічність, а так само постійна робота над будовою агрегату (саме Отто в 1877 році запатентував новий вид двигуна внутрішнього згоряння з чотиритактним циклом, який лежить в основі більшості сучасних двигунів внутрішнього згоряння) дозволило зайняти значну частку ринку приводів для різних пристроїв і механізмів.
Ніколас Отто народився 14 червня 1832 року в Хользаузені (Holzhausen), Німеччина. Одним з перших його занять була торгівля чаєм, кавою і цукром. Незабаром, піддавшись останніми науковими віянням (роботи Ленуара з газовими двотактними двигунами) він захопився вивченням роботи чотиритактних двигунів, а потім і їх проектуванням. Після зустрічі з Євгеном Лангеном (Eugen Langen), людиною, яка добре розумівся в техніці, а заодно була власником цукрового заводу, Отто вирішує залишити торгівлю і удвох з напарником відкриває першу в світі фабрику з виробництва двигунів «NA Otto & Cie». У 1867 році пара отримує золоту медаль на Паризькій виставці за газовий двигун.
1883 рік – французький інженер Едуард Деламар-Деботвіль (Edouard Delamare-Debouteville) конструює одноциліндровий чотирьохтактовий двигун, паливом в якому служив газ. І хоча до практичного втілення ідей справа так і не дійшла, принаймні на папері Деламар-Деботвіль випередив Готліба Даймлера (Gottlieb Daimler) і Карла Бенца (Karl Benz).
1885 рік – Готліб Даймлер (Gottlieb Daimler) створив те, що сьогодні називають прототипом сучасного газового двигуна – пристрій з вертикально розташованими циліндрами і карбюратором. Для цих цілей Даймлер спільно зі своїм другом Вільгельмом Майбахом (Wilgelm Mabah) придбали майстерню біля міста Штутгарт. Двигун створювався для того, щоб він міг рухати екіпаж, тому вимоги до нього, були досить значними. Двигун внутрішнього згоряння повинен був бути компактним, володіти достатньою потужністю і не вимагати газогенератора. "Reitwagen" – так назвали перший двоколісний транспортний засіб винахідники. Рік по тому на світ з’явився і перший прототип 4-х колісного авто. Майбах розробив ефективний карбюратор, який забезпечував ефективне випаровування палива. У той же час угорець Банкі запатентував пристрій карбюратора з жиклером. На відміну від попередників у новому карбюраторі пропонувалося не випаровувати, а розпорошувати паливо, яке випаровувалося безпосередньо в циліндрі двигуна. Так само карбюратор дозував паливо і повітря і рівномірно змішував їх у потрібній пропорції.
Готліб Даймлер народився в 1834 році в Шомфорді (Schomdorf), Німеччина. З самого початку своєї інженерної кар’єри він був переконаний, що паровий двигун застарів і потребує якнайшвидшої заміни. Газові двигуни – ось в чому бачив перспективу розвитку Даймлер. Йому довелося обійти безліч порогів фірм, які не хотіли ризикувати і вкладати гроші в поки ще невідомий їм продукт. Майбах, перша людина, яка зрозуміла його і згодом стала другом і партнером.
У 1872 році Даймлер спільно з Ніколасом Отто збирає всіх найкращих фахівців, з якими йому доводилося працювати на чолі з Майбахом. Завдання було сформульовано таким чином: створити працездатний і ефективний газовий двигун. І вже через два роки ця задача була виконана, а виробництво двигунів поставлено на потік. Два двигуна в день – величезна швидкість за тодішніми мірками. Але тут позиції Даймлера і Отто на подальший розвиток фірми починають розходитися. Перший вважає, що необхідно удосконалити конструкцію і провести ряд досліджень, другий говорить про необхідність збільшити виробництво вже сконструйованих двигунів. На ґрунті цих протиріч Даймлер залишає компанію, слідом за ним йде і Майбах.
У 1889 році вони організовують фірму «Daimler Motoren Gesellschaft», з конвеєра якоїо сходить перший автомобіль. А дванадцять років потому Майбах збирає перший автомобіль Мерседес, названий іменем його дочки, який згодом стане легендою.
29 січня 1886 року Карл Бенц запатентував конструкцію першого в світі триколісного газового автомобіля з електричним запалюванням, диференціалом і водяним охолодженням. Енергія до коліс підводилася за допомогою спеціального шківа і ременя, приєднаного до передавального вала. У 1891 році ним же була побудована чотириколісна машина. Саме Карл Бенц був першим, кому вдалося поєднати воєдино шасі і двигун.
Карл Фрідріх Бенц (Karl Friedrich Benz) народився в 1844 році в містечку Баден Мельбург (Baden Muehlburg), Німеччина, в родині машиніста локомотива. Закінчив середню школу, а пізніше Політехнічний Університет Карлсруе. У 1871 році організував свою першу компанію з партнером Августом Ріттером (August Ritter) - "Iron Foundry and Machine Shop", що постачала будівельні матеріали.
Вивчення двигунів внутрішнього згоряння, як вважав Бенц, повинно було принести йому додаткове джерело доходу. І в 1883 році він організував «Benz & Company», компанію, яка виробляла двигуни промислового призначення в місті Мангейм, Німеччина. Спочатку компанія випускала двигуни за патентом Ніколаса Отто, але вже в 1885 році Бенцом була розроблена власна конструкція двигуна внутрішнього згоряння.
Уже в 1893 році автомобілі Бенца стають першими в світі дешевими транспортними засобами масового виробництва. У 1903 році Фірма «Benz & Company» злилася з фірмою Даймлера, утворивши «Daimler-Benz», а пізніше «Mercedes-Benz», а сам Бенц став членом наглядової ради, поки не помер в 1929 році.
1889 рік – Даймлер удосконалив свій чотирьохтактовий двигун, запропонувавши V-подібне розташування циліндрів і використання клапанів, які набагато збільшили питому потужність двигуна на одиницю маси.
Таким був шлях розвитку двигунів внутрішнього згоряння, що принесли в наше життя комфорт і швидкість переміщення.
Робочий цикл двигуна внутрішнього згоряння
Робочий цикл – це сувора послідовність робочих процесів (тактів), які періодично повторюються у всіх циліндрах двигуна внутрішнього згоряння. Кожен такт відбувається протягом одного ходу поршня.
Двигуни внутрішнього згоряння бувають 4-тактними і 2-тактними. В 4-тактному моторі один робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня, в 2-тактному – за два. У сучасних автомобілях використовується 4-тактний двигун. Що стосується 2-тактних, то вони, як правило, встановлюються на мотоциклах, мопедах, моторних човнах і т. п.
Робочий цикл 4-тактного двигуна внутрішнього згоряння включає в себе наступні такти:
- впуск;
- стиск;
- робочий хід;
- випуск.
Робочий цикл починається з першого такту – впуску горючої суміші в циліндр двигуна. Як вже було зазначено, в циліндрі згорає не паливо в чистому вигляді, а паливно-повітряна суміш. Для її підготовки призначений спеціальний прилад-карбюратор (правда, в сучасних машинах карбюратори не використовуються, так як всім завідує електроніка).
Для бензинового двигуна оптимальною є горюча суміш, що складається з 1 частини бензину і 15 частин повітря (тобто 1:15).
Для потрапляння горючої суміші в циліндр відкривається впускний клапан (його штовхає кулачок розподільного валу). У момент відкриття клапана поршень, що знаходиться у верхній мертвій точці, починає рух вниз у напрямку до нижньої мертвої точки. Простір над ним збільшується, надходить горюча суміш. Інакше кажучи, переміщаючись вниз, поршень засмоктує в циліндр горючу суміш через відкритий впускний клапан. Цей процес триває, поки поршень не досягне нижньої мертвої точки. В цей момент впускний клапан закривається.
При заповненні циліндра горюча суміш змішується із залишками вихлопних газів, які там знаходяться. Після цього вона стає робочою сумішшю.
Протягом першого такту роботи двигуна кривошип колінчастого вала провертається на півоберта.
Другий такт починається після того, як поршень досяг нижньої мертвої точки, впускний клапан закрився, а циліндр заповнився робочою сумішшю. Протягом другого такту поршень рухається вгору – від нижньої мертвої точки до верхньої, стискаючи при цьому робочу суміш. Напевно багато хто чув термін «ступінь стиснення». Цей параметр показує, у скільки разів зменшується об’єм робочої суміші при досягненні поршнем верхньої мертвої точки. У карбюраторних двигунах він зменшується у 8-10 разів. Ступінь стиснення є однією з важливих технічних характеристик автомобіля і вказується в заводському керівництві користувача.
Відповідно до законів фізики температура робочої суміші при стисненні істотно підвищується. Коли поршень доходить до верхньої мертвої точки, температура суміші сягає 300-400 °С. В цей час тиск всередині циліндра становить 9-10 кг/см2.
Другий такт роботи двигуна внутрішнього згоряння завершується в момент максимального стиснення робочої суміші (тобто коли поршень досягає верхньої мертвої точки). Протягом другого такту кривошип колінчастого вала провертається ще на пів-обороту. Отже, за два такти колінчастий вал робить один повний оберт.
Під час третього такту (робочого ходу) теплова енергія перетворюється в механічну. Коли поршень досягає верхньої мертвої точки і робоча суміш стає максимально стисненою, між електродами свічки запалювання проскакує електрична іскра, від якої робоча суміш в камері згоряння запалюється. Після цього вона активно розширюється (як ми зазначали, в камері згоряння відбувається щось на зразок міні-вибуху) і робить сильний тиск на поршень, що знаходиться у верхній мертвій точці. Оскільки обидва клапана закриті, виходу для робочої суміші немає.
Під тиском поршень змушений переміщатися вниз, передаючи рух через шатун на колінчастий вал (конкретно – на свій кривошип), примушуючи його обертатися. Це обертання і є рушійною силою автомобіля.
Тиск на поршень під час третього такту робочого циклу двигуна досягає 40 кг/см2. Температура в циліндрі двигуна під час третього такту досягає 2000 °С. Що стосується колінчастого вала, то під час робочого ходу він знову провертається на півоберта.
Заключним, четвертим тактом робочого циклу є випуск відпрацьованих газів. Він відбувається, коли після третього такту поршень досягає нижньої мертвої точки і знову починає рух вгору. Випускний клапан відкривається (на нього тисне відповідний кулачок розподільного валу), і поршень, що рухається вгору, видавлює відпрацьовані гази з циліндра (які вилітають з дуже великою швидкістю). Потім клапан закривається, вихлопні гази надходять в глушник і виводяться через вихлопну трубу в задній частині автомобіля.
Четвертий такт закінчується, коли поршень досягає верхньої мертвої точки і випускний клапан закривається. Колінчастий вал провертається ще на півоберта. За чотири такти роботи двигуна внутрішнього згоряння (тобто за один робочий цикл) колінчастий вал робить два повних обороти. Після цього знову починається перший такт (відкривається впускний клапан, поршень з верхньої мертвої точки починає рух вниз і т. д.).
Типи двигунів внутрішнього згоряння
Поршневі двигуни
Камерою згоряння є циліндр, де хімічна енергія палива перетворюється в механічну енергію, яка зі зворотно-поступального руху поршня перетворюється на обертальну за допомогою кривошипно-шатунного механізму. Розділяються за типом палива.
Бензинові двигуни
Суміш палива з повітрям готується в карбюраторі і далі у впускному колекторі, або у впускному колекторі за допомогою розпилювальних форсунок (механічних або електричних), далі суміш подається в циліндр, стискається, а потім підпалюється за допомогою іскри. Основна характерна особливість паливо-повітряної суміші цьому випадку - її гомогенізованість. Чим більше однорідною за складом є суміш, тим більш якісно йде процес згоряння. Також існує спосіб сумішоутворення шляхом безпосереднього уприскування бензину в циліндр за допомогою розпилювальних форсунок. Суміш в цьому випадку готується безпосередньо в циліндрі і не є гомогенізованою.
Дизельні двигуни
Спеціальне дизельне паливо впорскується в циліндр під високим тиском. Горюча суміш утворюється (і відразу ж згоряє) безпосередньо в циліндрі в міру упорскування порції палива. Займання суміші відбувається під дією високої температури повітря, що піддалося стиску в циліндрі.
Газові двигуни
Це двигуни внутрішнього згоряння, які спалюють в якості палива вуглеводні, що знаходяться в газоподібному стані при нормальних умовах:
- суміші зріджених газів, що зберігаються в балоні під тиском насичених парів (до 16 атм). Випарена у випарнику рідка фаза або парова фаза суміші ступінчасто втрачає тиск в газовому редукторі до близького до атмосферного, і всмоктується двигуном у впускний колектор через повітряно-газовий змішувач або впорскується у впускний колектор за допомогою електричних форсунок. Запалювання здійснюється за допомогою іскри;
- стислі природні гази – зберігаються в балоні під тиском 150-200 атм. Пристрій систем живлення аналогічний до систем живлення зрідженим газом, відмінність – відсутність випарника;
- генераторний газ – газ, отриманий перетворенням твердого палива в газоподібний. В якості твердого палива використовуються вугілля, торф, деревина.
Газодизельні двигуни
Основна порція палива готується, як в одному з різновидів газових двигунів, але запалюється не електричною свічкою, а запальною порцією дизпалива, що вприскується в циліндр аналогічно до дизельного двигуна.
Роторно-поршневий
Комбінований двигун внутрішнього згоряння
Це двигун внутрішнього згоряння, що представляє собою комбінацію з поршневої (роторно-поршневий) і лопаткової машини (турбіна, компресор), в якому у здійсненні робочого процесу беруть участь обидві машини. Прикладом комбінованого ДВЗ служить поршневий двигун з газотурбінним наддувом (турбонаддув).
RCV
Двигун внутрішнього згоряння, система газорозподілу якого реалізована за рахунок обертання циліндра. Циліндр здійснює обертальний рух поперемінно проходячи впускний і випускний патрубок, поршень при цьому здійснює зворотно-поступальні рухи.
Читайте також:
