Обращение к истории позволяет не только проследить этапы возникновения и становления тех или иных научных идей или механизмов, но и заглянуть в будущее. История хранит множество решений, которые только в наши дни возможно воплотить или которые еще ждут своего часа. В создании и развитии идей не существует национальных или государственных границ; двигатель является творением коллективного разума человечества, и каждый народ внес в его создание свою лепту, соответствующую конкретным социально-историческим условиям его развития на том или ином отрезке истории. ДВС является только одним из видов тепловых двигателей, он развивался одновременно с паровыми и тепловоздушными двигателями.
Основа ДВС — цилиндр и поршень, связанный кривошипным механизмом с коленчатым валом, или лопаточное колесо турбины. С этими элементами двигателя человечество знакомо с древнейших времен.
Водяное лопаточное колесо для подъема воды или привода жерновов известно со времен цивилизации междуречья Тигра и Евфрата и долины Нила. Здесь же возникли искусство обработки металлов и токарное ремесло, появились первые прообразы кривошипно-шатунных механизмов. Поршневой насос для подъема воды, оснащенный автоматическими клапанами, был известен в эллинистических государствах еще до наступления новой эры. Гончарный круг и простейший токарный станок, а еще ранее — полый ствол бамбука предопределили и конструктивную основу поршневых машин.
В эллинистических государствах достигла расцвета механика, прежде всего, благодаря заслугам Архимеда. Древние римляне были знатоками строительства и практической теплотехники. Примером достигнутого ими уровня могут быть системы отопления жилых зданий и грандиозные термы эпохи императоров. Правитель Александрии Герон создал устройства, способные открывать двери храма или поднимать помосты в результате давления нагреваемого воздуха; машину, которая вращалась под действием выходящей из нее струи пара. В то время все это воспринималось как чудеса» нежели устройства для практического применения.
Средневековые схоласты-алхимики, искавшие философский камень и эликсир вечной молодости, сделали многие полезные открытия в области химии и металлургии, а практичные народные умельцы освоили и водяное колесо, и ветряную мельницу, и многие другие механизмы, оставленные им в наследие античностью.
В XV в. Бертольду Шварцу удалось разгадать секрет изготовления пороха, задолго до этого изобретенного в Китае. В Европе появилось огнестрельное оружие, а ведь орудийный ствол и ядро очень близки к цилиндру и поршню. В XVI в., по свидетельству летописей, в России появились огненные стрелы — прообразы реактивных снарядов.
Эпоха Возрождения — эпоха развития торговли и мореплавания, искусства и науки, ремесел и мануфактурного производства раскрепостила человека от догмы, создала человека-творца. Недаром она породила целую плеяду замечательных ученых-естествоиспытателей. В этой эпохе возродилась идея создания машины, способной заменить человеческий труд, машины, не зависящей от непостоянства природы.
В начале XVII в. в 1606 г., итальянец Джованни Порта предлагает осуществлять подъем воды посредством расширяющегося нагретого пара (рис. 37). Спустя несколько лет, в 1629 г., Джованни Бранка разработал идею использования паровой турбины для привода камнедробилки (рис. 38).
Эта статья взята с веб-сайта (Renaultbook.ru)
Рис» 37. Эффект давления пара
Рис. 38. Паровая турбина Бранка
В середине XVII в. итальянец Эванджелиста Торричелли и француз Блез Паскаль, изучая свойства воздуха, открыли эффект атмосферного давления. Исаак Ньютон провел опыты с паром и создал проект повозки с реактивным паровым двигателем, а в 1654 г. немецкий ученый Отто фон Геррике продемонстрировал знаменитый опыт с полушариями, из полостей которых был откачан воздух. Данный опыт надолго поразил воображение современников и послужил мощным импульсом к созданию двигателя атмосферного двигателя. Если воздух с такой силой сжимает полушария, что их не могут разъединить шестнадцать статных коней, то не будет ли он двигать поршень, если под ним создать вакуум (рис. 39).
Рис. 39. Опыт Отто Геррике
В 1673 г. Христиан Гюйгенс создал прообраз первого атмосферного двигателя, известного под названием "трубки Гюйгенса" (рис. 40, а).
Рис. 40. Атмосферные машины Гюйгенса и Палена: а - "трубка Гюйгенса"; б, в - машины Папена соответственно паровая и пороховая
Пороховой заряд, располагавшийся на дне цилиндра, поджигался запальным шнуром; продукты сгорания выталкивали поршень вверх вплоть до открытия выпускных патрубков 1 с надетыми на них кожаными рукавами 2. Раскаленные пороховые газы вырывались через них в окружающую среду, а далее по мере остывания газов в цилиндре, под действием давления кожаные рукава сжимались, и поршень возвращался в исходное положение. Опускаясь под действием атмосферного давления, поршень мог через блок поднимать груз, совершая полезную работу. Отметим многие признаки ДВС. Это заряд топлива (в данном случае порох, который и в наше время иногда используется для пуска ДВС), принудительное воспламенение заряда внутри цилиндра, выпуск отработавших газов через продувочные каналы в конце хода поршня, автоматические клапаны в виде кожаных рукавов.
В 1688 г. ученик Гюйгенса и участник его опытов с трубкой французский физик Дени Папен оснастил пороховую машину (рис. 40, б) автоматическими выпускными и предохранительным клапанами на поршне и клапаном-стаканом для порохового заряда. Но ДВС пришлось на много десятилетий уступить первенство развития паровой машине.
В том же 1688 г. Папен сконструировал атмосферную паровую машину (рис. 40, в), которая работала следующим образом. Под поршень наливалось некоторое количество воды, которая испарялась при нагревании днища цилиндра, и под воздействием пара поршень поднимался вверх. Затем жаровня убиралась, пар охлаждался и конденсировался, а поршень опускался вниз, совершая подъем груза. Однако процесс охлаждения пара был слишком длительный.
Англичане Томас Севери и Томас Ньюкомен строят паровую машину, в которой ускорение конденсации паров осуществлялось впрыскиванием в цилиндр небольшого количества охлаждающей воды. Паровая машина быстро находит признание как силовой агрегат для различных установок. В 1765 г. горный мастер Иван Иванович Ползунов создал впервые двухцилиндровую паровую атмосферную машину, внеся в нее ряд усовершенствований, в частности применил автоматический поплавковый клапан для поддержания уровня воды, который позже нашел широкое применение, например в карбюраторах.
В стационарной паровой машине Джеймс Уатт (1769 г.) для совершения полезной работы использовал давление пара. В машине Уатта отработавший пар уже не конденсировался в цилиндре, а выбрасывался в атмосферу, что позволило существенно повысить число ее рабочих ходов. От парораспределения посредством крана перешли к парораспределению посредством золотника. В конструкцию машины ввели центробежный регулятор частоты ходов или частоты вращения вала, предохранительные клапаны на котлах и другие усовершенствования.
Конец XVIII в. стал началом века пара; паровые машины быстро распространились в качестве стационарных силовых агрегатов на шахтах и фабриках, в качестве двигателей на судах и на наземном рельсовом и безрельсовом транспорте. Этому способствовали сравнительная простота конструкции, доступность топлива (в топке можно сжигать и дрова, и уголь, и нефть), удовлетворительная надежность и простота обслуживания (однако квалификация машиниста считалась очень высокой и престижной).
Тем не менее родившаяся идея ДВС продолжала жить. И на то была веская причина - чрезвычайно низкий КПД паровой машины. Даже в лучших машинах того времени он не превышал 2..3%. В работе Карно была теоретически обоснована невозможность получения лучших результатов. Да и котлы нередко взрывались.
В 1791 г. англичанин Джон Барбер предложил проект газотурбинного двигателя, в котором для получения рабочего тела предусматривалось смешение жидкого топлива с воздухом и некоторым количеством воды. Конечно, Барбер был далек от современных представлений о процессе сгорания и роли воды в нем, но идея добавки воды для снижения температуры процесса сгорания, для управления им с целью повышения детонационной стойкости, снижения высокотоксичных оксидов азота в продуктах сгорания и повышения экономичности двигателей актуальна и в наши дни, и даже более или менее успешно реализуется на ряде моделей двигателей. Спустя три года Роберт Стрит предложил проект поршневого двигателя, использовавшего жидкое топливо (скипидарное масло), которое впрыскивалось на раскаленное днище поршня, испарялось, смешивалось с воздухом, засасываемым в цилиндр в первой половине хода поршня. А воспламенение топливовоздушной смеси осуществлялось с помощью постоянно горящего пламени запальной горелки. Такой способ воспламенения был в дальнейшем использован в ряде реально построенных и действующих двигателей. Идея испарения топлива с днища поршня - это не что иное, как принцип объемно-пленочного смесеобразования, реализованный инженерами фирмы МАН спустя более полутора веков.
В 1801 г. француз Филипп ле Бонне, владелец фабрики по производству светильного газа, предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смесительную камеру и оттуда в цилиндр, где смесь воспламенялась от электрической искры. Данная дата считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоздушной смеси. И возникла она, конечно же, благодаря блестящим исследованиям ряда физиков, занимающихся изучением электричества, в частности итальянца Александро Вольта.
В 1805 г. Исаак де Ривац под влиянием опытов Вольты с газовым пистолетом создал действовавшую модель газового двигателя с воспламенением смеси от электрической искры. Двигатель Риваца приводил в движение колеса маленькой повозки, которая с успехом демонстрировалась публике (рис. 41).
Рис. 41. Повозка де Риваца
В большинстве проектов ДВС того времени применялся принцип действия паровой машины: в начале хода поршня воздух (или заранее приготовленная топливовоздушная смесь, даже предварительно сжатая, как в проекте Бонне) всасывался, затем он смешивался с топливом, и смесь поджигалась где-то на середине хода поршня от внешнего источника. Авторы проектов стремились заменить процесс расширения пара после впуска в цилиндр расширением продуктов сгорания топливовоздушной смеси.
Несколько отвлечемся от основной темы и обратимся к механизму, передающему движение от поршня к валу. Первые паровые двигатели использовались в качестве шахтных насосов, в которых движение обоих поршней (машины и насоса) - возвратно-поступательное, а сами поршни связаны штангами и коромыслами.
Для шахтных насосов не было нужды преобразовывать поступательное движение поршня во вращение вала. Несмотря на то что кривошипный механизм давно известен, привод от поршня на ось колеса осуществлялся в экипаже Никола Жозефа Кюньо с помощью достаточно сложного рычажно-храпового механизма, воздействовавшего на шестерню, расположенную на оси колеса, а в двигателе Риваца поршень вытягивал трос, намотанный на ось, хотя задача могла быть решена проще.
Кривошипный механизм в сочетании с паровой машиной появился на экипаже Уильяма Мюрдока в 1786 г., и тем не менее реечно-шестеренчатый привод еще неоднократно использовался в конструкции ДВС.
В 1833 г. Вельман Райт создал газовый двигатель (рис. 42) двойного действия с предварительным сжатием газа и воздуха насосами. Газовоздушная смесь воспламенялась в крайних положениях поршня от наружной горелки. Состав смеси регулировался с помощью центробежного регулятора 1 и золотника, ограничивающего подачу газа.
Рис. 42. Газовый двигатель двойного действия Райта: 1 - дозатор газового топлива с центробежным регулятором; 2 - цилиндр с рубашкой охлаждения; 3 - поршень; А - рабочие полости цилиндра
В двигателе Вильяма Барнета (1838 г.) кроме предварительного сжатия газа и воздуха насосами, применялись окончательное сжатие смеси в цилиндре и воспламенение ее в ВМТ от газовой горелки через канал во вращающемся золотнике (рис. 43). Такой принцип нашел применение и в более поздних конструкциях двигателей.
Рис. 43 Газовый двигатель двойного действия Барнетта и его запальное устройство: а - двигатель; б - устройство воспламенения; 1 - выпускной канал; 2 - впускной клапан; 3 - ресивер-смеситель воздуха и газа; 4 - газовый и воздушный насосы; 5 - золотник; 6 - запальная горелка; 7 - постоянно действующая горелка для воспламенения запальной
В 1842 г. Дрейк построил двигатель со всасыванием смеси в первой половине хода поршня и воспламенением ее от калильной трубки, которая открывалась поршнем на середине .хода. Дозирование подачи газа осуществлялось с помощью центробежного регулятора.
Итак, к середине XIX в. основные принципы современного ДВС уже сформировались — сжигание топливовоздушной смеси непосредственно в цилиндре, регулирование мощности двигателя путем изменения подачи топлива посредством центробежного регулятора, реагирующего на изменение частоты вращения вала с падением или ростом нагрузки, сжатие смеси в цилиндре, воспламенение смеси от электрической искры (или иным источником принудительного воспламенения), использование давления газов для совершения полезной работы. До появления реально применяемого в практических целях и серийно выпускаемого двигателя оставалось менее двух десятилетий.