История создания двигателя внутреннего сгорания

История создания двигателя внутреннего  сгорания (ДВС)

 

История изобретения  и начала развития тепловых машин  уходит в III век до нашей эры, когда великий греческий математик и механик Архимед (Archimed)создал пушку, стреляющую с помощью пара.

Архимед (Archimed)

 

Устройство паровой  пушки представляло собой трубу, заклёпанную с одной стороны. С дульного среза вставлялось  ядро, а казённую часть нагревали  до достаточно высокой температуры. Далее через отверстие в казённой части подавалась вода, которая от резкого перегрева испарялась и пар, расширяясь, выталкивал из пушки ядро. В данном случае система ядро-ствол это первый прототип системы поршень-циллиндр.

 

 

Паровая пушка Архимеда (Archimed)

 

 

Тремя столетиями позже в Александрии  не менее выдающийся учёный Герон Александрийский (Heronus Alexandrinus) изобрёл интересный механизм, получивший название Геронова шара.

 

Герон Александрийский (Heronus Alexandrinus)

 

Конструкция устройства представляла собой полый  металлический шар, закреплённый на горизонтальной оси. Из внешнего закрытого котла в шар по трубке поступал перегретый пар. По окружности шара были установлены трубки (сопла) через которые под давлением выходил пар. Реактивная сила, направленная по касательной к шару, придавала вращательное движение шару вокруг оси. В те времена изобретение Герона особого применения не нашло. Но ценность его в том, что пар готовился в отдельной внешней системе.

Геронов шар

 

После периода средневековья  наступает момент очередного подъёма  в науке и технике. Известнейший итальянский изобретатель, ученый, инженер и художникЛеонардо да Винчи (Leonardo da Vinci) задумывается над теорией использования «внутренней энергии» для получения механической работы. В его рукописях есть описание и чертежи механизма состоящего из цилиндра и поршня. Под поршень заливалась вода и при нагревании дна цилиндра вода, расширяясь, должна была выталкивать поршень наверх. Таким образом, получалась полезная работа. А также в рукописях были найдены чертежи и рисунки паровой пушки Архимеда - architronito, так называл её Леонардо.

 

Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci)

 

В 1680 году - голландский физик Христиан Гюйгенс (Christian Huygens) и работавший некоторое время вместе с ним Дени Папен (Danny Papene)разработали двигатель внутреннего сгорания, который должен был работать на порохе.

 

Христиан Гюйгенс (Christian Huygens)

 

«Пороховая машина»  представляла собой цилиндр с  поршнем внутри, который свободно перемещался вниз и вверх. Цилиндр  устанавливался вертикально. Через  верхнюю открытую часть цилиндра поршень, тросом, перекинутым через блок, соединялся с грузом-противовесом. При движении поршня вверх или вниз груз соответственно опускался или поднимался. В открывающуюся нижнюю часть цилиндра насыпался порох. При горении пороха образовывались газы с избыточным давлением, которые толкали поршень вверх. После этого снаружи цилиндр обливали диодной водой. Охлаждаясь, газы теряли давление - под воздействием собственного веса и атмосферного давления поршень опускался вниз. Груз соответственно при этом поднимался вверх. Таким образом, двигатель совершал полезную работу.

Данный двигатель  не нашёл практического применения так как являлся громоздким и  требовал повышенных мер безопасности, а также уж слишком сложным  был рабочий процесс – засыпка  пороха и обливание водой при функционирующем механизме.

Свой новый двигатель  Дени Папен построил по образу двигателя  Леонардо да Винчи. В нём использовал  вместо пороха воду, которую заливал  под поршень, нагревал её, получал  движение поршня вверх, далее охлаждал цилиндр, опускался поршень и так далее. Опять же в силу проблематики при осуществлении циклов подвода огня, а потом воды, данный двигатель распространения не получил.

 

Все недостатки машин  Папена заключались в том, что  пар готовился внутри цилиндра. Томас Севери (Thomas Savery) современник Дени Папена построил паровой насос для откачки воды из шахты. В нём приготовление пара происходило вне цилиндра в отдельном котле.

 

Томас Севери (Thomas Savery)

 

В 1698 году Томас Севери получает патент на первую в мире промышленную паровую машину.

Паровые машины Томаса Севери (Thomas Savery)

 

В 1705 году после Севери паровую машину сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen). Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

 

Паровая машина Томаса Ньюкомена (Thomas Newcomen)

В 1768 году патент на первый паровой двигатель с конденсатором получает английский механик Джеймс Уатт (James Watt).

 

Джеймс Уатт (James Watt)

 

В 1784 году Уатт работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Позже Уатта модернизировал машину. Направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, он превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован.

Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно  все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а  дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

 

Усовершенствованная паровая машина Джеймса Уатта

 

 

После изобретений  Джеймса Уатта развитие тепловых машин пошло более стремительными темпами.

В 1799 году французский инженер Филипп Лебон (Philippe Lebon), открыл светильный газ. Чуть позже Лебон получил патент на использование и способ получения светильного газа путем сухой перегонки древесины или угля.

Филипп Лебон (Philippe Lebon)

 

 

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения при этом стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду.

 

       Газовый двигателя Лебона

 

По  существу, Лебон вынашивал мысль  о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение.

 

В 1806 году первый в мире действующий двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан братьями Жозефом Нисефором и Клодом Ньепсом (Nisefor & Cloude Niepce). Братья Ньепс назвали машину pireolofor - «пирэолофор», что в переводе с греческого означало «влекомая огненным ветром».

 

 

 

 

 

Жозеф Нисефор Ньепс (Joseph Nisefor Niepce)

 

 

 

 

 

 

 

 

Первый в мире функционирующий ДВС - Pireolofor от братьев Ньепс (Niepce)

 

 

 

 

В 1806 году братья представили в Национальный институт (так называлась тогда французская Академия наук) доклад о новой машине, которая «по силе была бы сравнима с паровой, но потребляет меньше топлива». Машина работала на угольной пыли. Кстати и первый двигатель Дизеля также работал на угольной пыли.

В 1806 году братья оснастили своим двигателем трехметровую лодку, весом 450 кг. Лодка ходила вверх по речке Соне со скоростью вдвое больше скорости течения.

Лодка братьев Ньепс (Niepce)

 

 

В 1807 году Франсуа Исаак де Риваз в Швейцарии предложил двигатель внутреннего сгорания, который использует смесь водорода и кислорода для топлива.

В 1824 году английский инженер, Сэмюэль Браун адаптировал старый паровой двигатель Ньюкомена для сжигания газа.

В 1860 году бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар (Jean Joseph Etienne Lenoir) изобрел и запатентовал двухтактный двигатель внутреннего сгорания, с электрическими свечами зажигания, работающий на угольном газе.

 

Жан Жозеф Этьен Ленуар (Jean Joseph Etienne Lenoir)

 

 

В 1862 году Альфонс Бо де Роша (Alphonse Beau de Rochas), французский инженер, запатентовал, но не построил четырех-тактный двигатель (французский патент № 52593, 16 января, 1862).

В 1863 году Ленуар улучшил конструкцию своего двигателя, использовав вместо газового топлива, керосин. Этот двигатель был установлен на первое в мире колёсное транспортное средство с ДВС. Этот трехколесный прототип современных машин с помощью керосинового двигателя и ременным приводом на заднюю ось проехал исторические 50 миль.

 

 

Трехколесный прототип Ленуара

 

В 1863 году Ленуар дорабатывает двигатель, теперь он работает на нефтяном топливе и имеет примитивный карбюратор.

В 1864 году австрийский инженер Зигфрид Маркус (Siegfried Marcus), построил одноцилиндровый двигатель с карбюратором работающий от сгорания сырой нефти. Несколько лет спустя этот же ученый сконструировал транспортное средство, передвигающееся со скоростью 10 миль в час.

 

В 1866 году немецкий инженер Николаус Август Отто (Nikolaus August Otto) усовершенствовал конструкции Ленуара и де Роша и изобрёл более эффективный газовый двигатель.

 

Николаус Август Отто (Nikolaus August Otto)

 

 

В 1872 году американский инженер Джордж Брайтон (George Brayton) придумал один из первых так называемых "испарительных" карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.

В 1873 году Джордж Брайтон разработал двухтактный керосиновый двигатель (он использовал два внешних насосных цилиндра). В последствие этот двигатель стал бензиновым. Это был первая безопасная модель, правда слишком массивная и медленная для коммерческого использования. Впервые применил масло в двигателе.

В 1876 году Николаус Август Отто изобрел и запатентовал успешный четырехтактный двигатель, известный как "Цикл Отто". Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук.

В 1876 году успешный двухтактный двигатель был изобретен сэром Доугалд Клерком.

В 1877 году Николаус Август Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом и с кривошипно-шатунной передачей. Этот цикл и по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Двигатель Отто

 

 

В 1883 году французский инженер Эдуард Деламар-Деботвиль (Edouard Delamare-Debouteville) конструирует одноцилиндровый четырех-тактный двигатель, топливом в котором служил газ. И хотя до практического воплощения идей дело так и не дошло, по крайней мере на бумаге Деламар-Деботвиль опередил Готлиба Даймлера (Gottlieb Daimler) и Карла Бенца (Karl Benz).

 

В 1883 году Карл Бенц (Karl Benz) организовал «Benz & Company», компанию, которая производила двигатели промышленного назначения в городе Мангейм, Германия. Изначально компания выпускала двигатели по патенту Николаса Отто.

 

Карл Бенц (Karl Benz)

В 1885 году Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) изобрел то, что часто признаётся в качестве прототипа современного двигателя - с вертикальными цилиндрами и бензином, вводимым через карбюратор.

Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler)

 

В 1885 году создаётся первый автомобиль с четырёхтактным ДВС - трёхколёсный экипаж Карла Бенца.

 

 

Трёхколёсный экипаж Бенца

 

 

 

 

В 1886 году 29 января Карл Бенц получил первый патент (DRP NO. 37435) на конструкцию первого в мире трехколесного газового автомобиля с электрическим зажиганием, дифференциалом и водяным охлаждением. Энергия к колесам подводилась при помощи специального шкива и ремня, присоединенным к передаточному валу.

 

В 1889 году Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) и Вильгельм Майбах (Wilhelm Maybach) организуют фирму «Daimler Motoren Gesellschaft», с конвейера которой сходит первый автомобиль.

 

 

Вильгельм Майбах (Wilhelm Maybach)

 

 

В 1889 году Даймлер усовершенствовал свой четырехтактовый двигатель, предложив V-образное расположение цилиндров и использование клапанов, намного увеличивших удельную мощность двигателя на единицу массы.

В1890 году Вильгельм Майбах построил первый четырёх-цилиндровый, четырёх-тактный двигатель.

В 1891 году Бенц построил 4-х колесную машину. Именно Карл Бенц был первым, кому удалось совместить воедино шасси и двигатель.

В 1892 году 28 февраля Дизель Рудольф Кристиан Карл (Diesel Rudolf Christian Karl) получил патент №67207 на свой двигатель.

 

 

 

Патент Рудольфа Дизеля

 

 

 

 

 

 

В 1893 году венгерский инженер Донат Банки взял патент на карбюратор с жиклером.

 

 

Двигатель Доната Банки

 

 

 

В 1897 году на заводе в Аугсбурге, Рудольфом Дизелем был создан первый практический дизельный двигатель. Агрегат высотой в три метра развивал 172 об/мин и при диаметре единственного цилиндра 250 мм, ходе поршня 400 мм выдавал от 17,8 до 19,8 л.с., расходуя 258 г нефти на 1 л.с. в час. При этом термический КПД составлял 26,2% - вдвое выше, чем у паровой машины