В 1859 г. талантливый изобретатель-самоучка Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал, а в 1860 г. построил газовый двигатель. Одна из моделей двигателя Ленуара, построенная в 1861 г., показана на рис. 44. В ней не было новых конструктивных идей. Принцип двойного действия, плоский золотник газораспределения, равно как и кривошипно-шатунный механизм, давно применялись на паровых машинах, идея использования газового топлива была высказана Бонне, воспламенение смеси от электрической искры - Ривацом. Ленуар применил принцип всасывания воздуха и газа без предварительного сжатия насосом и смешения в отдельной камере, а также разработал простейший испарительный карбюратор в случае применения жидкого топлива.
Рис. 44. Двигатель Ленуара: 1 - золотник; 2 - полость охлаждения цилиндра; 3 - свеча зажигания; 4 - поршень; 5 - шток поршня; 6 - шатун; 7 - контактные пластины зажигания; 8 - тяга золотника; 9 - кривошипный вал с маховиками; 10 - эксцентрик тяги золотника
Двигатель Ленуара стал широко использоваться потому, что был создан в нужный момент - конструкция во многом повторяла уже привычную паровую машину, газовое топливо производилось в достаточном количестве для освещения (недаром название - светильный газ), обслуживание двигателя было несравненно проще.
В первой половине хода поршня в цилиндр всасывались газ и воздух, причем смешение их происходило уже в канале золотника, управляющего впуском. Воздух забирался непосредственно из окружающей среды, а подача газа регулировалась дроссельным краном. На половине хода поршня смесь воспламенялась от электрической искры, и начинался рабочий ход. Из пространства под поршнем выталкивались продукты сгорания предыдущего цикла. При переходе через НМТ все повторялось, но уже с другой стороны поршня. Охлаждение цилиндра осуществлялось проточной водой или применялось испарительное охлаждение. Позже Ленуар пришел к выводу, что для рабочего хода достаточно всасывания газовоздушной смеси в течение 1/3...1/4 хода поршня. Поэтому появились две свечи зажигания, каждая из которых поджигала смесь со своей стороны поршня. Для дозирования подачи газа был приспособлен центробежный регулятор.
Весьма бедная смесь без предварительного сжатия и ненадежное (по тем временам) электрическое зажигание, перегрев выпускного золотника (его температура достигала 800°C) доставляли много хлопот владельцам таких двигателей. Кроме того, для двигателя Ленуара необходимо было большое количество топлива - расход дорогого светильного газа достигал 4...7 м³/(кВт·ч) при весьма низком КПД (4...4,5%), близком к КПД паровой машины. Частота вращения вала не превышала 100 мин⁻¹, а литровая мощность 0,05 кВт/л.
Почти одновременно с Ленуаром аналогичный двигатель был создан Гюгоном. Кроме того, утверждают, что первый прототип своего двигателя Гюгон построил на год раньше патентной заявки Ленуара - в 1858 г. Двигатель Гюгона имел более надежное факельное воспламенение смеси, а для снижения температуры продуктов сгорания и защиты золотника от перегрева в цилиндр впрыскивалась вода. Впуск смеси и выпуск отработавших газов осуществлялись через один золотник, что, с одной стороны, позволяло снизить его температуру, а с другой - повысить температуру всасываемой смеси. Но несмотря на это, параметры двигателей Гюгона незначительно отличались от параметров двигателя Ленуара.
Не только появление данных двигателей, но прежде всего присущие им недостатки, дали мощный импульс многим изобретателям к поиску путей их усовершенствования. Одним из них был механик из Кельна Николаус Август Отто. Он построил небольшой экспериментальный двигатель и проводил на нем опыты по определению оптимальных соотношений объемов газа и воздуха, момента воспламенения смеси, настройки механизма газораспределения. Отто пытался достичь осуществления процесса расширения в течение практически всего хода поршня. Идея правильная, но в цилиндр нужно еще засосать газовоздушную смесь, на что в двигателе Ленуара как раз и используется часть хода поршня.
При движении поршня от ВМТ до НМТ осуществлялся впуск смеси, при обратном ходе поршня смесь сжималась. А в то время, когда поршень приближался к ВМТ, Отто воспламенял смесь. В цилиндре происходил мощный взрыв заряда, который с большой скоростью гнал поршень к противоположной крышке цилиндра. Отто вплотную подошел к реализации четырехтактного цикла, характерного для большинства современных двигателей. Но изобретателя пугал слишком быстрый рост давления при сгорании предварительно сжатой смеси.
Отто создал экспериментальный образец четырехтактного двигателя со свободно движущимися амортизационными поршнями (рис. 45). Его устройство и принцип действия таковы: четырехцилиндровый оппозитный двигатель имеет коленчатый вал 1 с двумя кривошипами, шейки которых попарно соединены шатунами 2 с рабочими поршнями 3 противолежащих цилиндров. Сквозь рабочие поршни свободно (но, конечно, с уплотнением, обеспечивающим достаточную герметичность) проходят штоки 4 амортизационных поршней 5. Между рабочим и амортизационным поршнями и заключен объем воздуха, смягчающий воздействие интенсивно нарастающего давления в камере сгорания. Интересная по замыслу конструкция оказалась неработоспособной не только из-за несовершенства уплотнения амортизационного объема, но прежде всего из-за сил инерции, действующих на свободнодвижущиеся амортизационные поршни. В конце такта выпуска, когда практически ничто не мешало их движению, поршни ударялись о крышку цилиндра. Данное обстоятельство Отто не учел в своей конструкции.
Рис. 45. Двигатель Отто
Автором четырехтактного цикла повсеместно считают Отто, и, в целом, справедливо. Но объективности ради нужно отметить, что еще в 1861 г. Альфенс Бо де Роша подробно описал четырехтактный цикл.
В 1864 г. возникла фирма Отто и Ланген (позднее получившая название "Фабрика газовых двигателей Дейтц"), которая с 1866 г. приступает к выпуску... атмосферных двигателей без кривошипного механизма, с приводом на вал через зубчатую рейку и шестерню. Какой шаг назад!
Но даже первые атмосферные двигатели Отто и Лангена оказались в 2...3 раза экономичнее двигателей Ленуара. Удельный расход газа составляет 1...1,5 м³ (кВт-ч) при эффективном КПД 12...15% и удельной литровой мощности 0,2...0,5 кВт/л - почти в 10 раз больше.
Спустя 10 лет Отто вновь возвратился к идее четырехтактного двигателя. Но его постоянно беспокоила жесткость процесса. Поиск решения привел Отто к идеи расслоения заряда. При ходе поршня от ВМТ на такте впуска выпускной канал золотника еще был открыт, и в цилиндр всасывалось некоторое количество продуктов сгорания, затем обедненная газовоздушная смесь и в конце такта впуска - обогащенная, хорошо воспламеняющаяся смесь, которая осталась при сжатии в верхней части цилиндра у запального канала. Наконец четырехтактный двигатель Отто заработал. На рис. 46 приведена схема более позднего усовершенствованного двигателя образца 1884 г. Четырехтактные двигатели Отто имели удельный расход топлива и эффективный КПД почти такие же, как и атмосферные двигатели фирмы Лейти, но в 1,5...2 раза более высокую литровую мощность. Максимальное давление сгорания достигало 2 МПа при среднем значении эффективного давления 0,23...0,25 МПа.
Рис. 46. Четырехтактный двигатель Отто: 1 - впускной трубопровод; 2 - трубка для подачи газа; 3 - ползун крейцкопфа; 4 - шатун; 5 - кривошипный вал; 6 - станина; 7 - выпускной клапан; 8 - золотник; 9 - канал в золотнике; 10 - канал подачи газа в золотнике; 11 - кривошип привода золотника; 12 - полость цилиндра; 13 - поршень; 14 - вал привода механизма газораспределения
На первом этапе применения ДВС газовое топливо оказалось наиболее удобным: подача его легко дозировалась дроссельным краном или заслонкой, газ хорошо смешивался с воздухом и создавал достаточно гомогенную смесь, газовое топливо, потребность в котором ограничивалась малым числом действующих двигателей, было сравнительно небольшим, а подача его на стационарные установки с ДВС не составляла большого труда.
Впрочем возможность использования жидкого углеводородного топлива не была забыта. Одновременно с двигателями Отто в Европе американец Брайтон создал двигатели так называемого медленного сгорания. Эти двигатели работали по принципу Ленуара, но с предварительным сжатием воздуха поршневым компрессором. В процессе впуска, который длился примерно 1/3 хода поршня, воздух насыщался парами бензина (бензин еще не имел привычного нам названия, его называли в Европе и России газолином, а в Америке и до сих пор называют газойлем, а почему - узнаете чуть позже) и поступал в цилиндр. После закрытия впускного клапана смесь воспламенялась, и начинался рабочий ход.
Автор четырехтактного цикла Отто считал его шагом назад по сравнению с циклом Ленуара, так как поршень совершал два лишних, по его мнению, хода одним из которых был впуск смеси. Какой же второй ход лишний? Сжатие? Впрочем сжатая смесь горит гораздо лучше и эффективнее, полнее используется энергия, выделившаяся при сгорании топлива в процессе расширения. Выпуск? Уже есть и идеи, и двигатели, в которых смесь предварительно сжимается компрессором и подается в цилиндр в начале хода впуска. А если поменять процессы местами? В конце рабочего хода осуществлять выпуск и в это же время подавать в цилиндр предварительно сжатую смесь. Отто эту задачу не решил.
В 1878 г. появился двигатель Дагельда Клерка, который работал по описанному выше принципу. В двигателе Клерка отработавшие газы выпускались через окна в нижней части цилиндра в конце рабочего хода, а через клапаны в головке подавался сначала продувочный воздух, а затем уже газовоздушная смесь. Разумное решение, если учесть, что основным недостатком двухтактных двигателей является потеря части топливовоздушной смеси при продувке цилиндра.
Обратите внимание на следующее: первые двигатели Ленуара, Гюгона и даже Отто имели золотниковое газораспределение, как и паровые машины.И при эксплуатации таких двигателей именно из-за золотников возникали большие неприятности - воздействие высокотемпературных отработавших газов, содержащих агрессивные соединения, что вело к пригоранию, коррозии, повышенному изнашиванию, поэтому уплотнение цилиндра было ненадежным. В двигателях Христиана Рейтмана и Клерка появились более надежные клапаны, которые на последующих моделях двигателей постепенно завоевали доминирующее положение. Рис. 47 поможет пояснить это.
Движение золотника (рис. 47, а) было возможно, если между ним и корпусом двигателя имелся зазор, а через него были неизбежны утечки газов из цилиндра, пригорание и повышенное изнашивание. Клапан (рис. 47, б) в процессе рабочего хода, когда давление газа рг в цилиндре становилось наиболее высоким, плотно и неподвижно находился в седле.
Рис. 47. Золотник и клапан
В 1884 г. немецкий изобретатель и впоследствии один из основателей известной фирмы Даймлер-Бенц, Карл Фридрих Бенц создал двухтактный газовый двигатель (рис. 48), в котором продувочный воздух сжимался в полости под поршнем, а газовое топливо - отдельным маленьким поршневым компрессором. Незадолго до конца рабочего хода открывался выпускной клапан 1, а после выравнивания давлений -продувочный клапан 2. Впускной канал снабжался козырьков 3, который направлял воздух к днищу поршня, помогая более полной очистке цилиндра. Продувка продолжалась примерно до половин» обратного хода поршня, затем выпускной 2 и продувочный клапаны 3 закрывались, и в цилиндр через клапан 4 подавался сжатый газ.
Рис. 48. Двухтактный двигатель Бенца: 1 - выпускной клапан; 2 - продувочный клапан; 3 - козырек; 4 - клапан подачи газа; 5 - золотник; 6 - компрессор
Около ВМТ с помощью запального устройства газовоздушная смесь воспламенялась. При рабочем ходе в подпоршневом пространстве сжимался воздух и через золотник подавался в раму-ресивер, откуда в необходимый момент поступал для продувки. При движении поршня к ВМТ в подпоршневую полость через тот же золотник засасывался воздух. Годом позже 'Венц построил двигатель, работавший на жидком топливе, который он установил на трехколесный экипаж (рис. 49). Топливо для экипажа - "бенцины" (от Бенц) и получило впоследствии привычное название бензин.
Рис. 49. Экипаж Бенца
Принцип кривошипно-камерной продувки двухтактного двигателя, работавшего на жидком топливе, позже был использован в двигателе Зенлейна, причем сжатый в кривошипной камере воздух подавался для распиливания топливовоздушной эмульсии через канал а в днище поршня (рис. 50). Принцип впрыскивания топлива в продувочный канал используется в некоторых мотоциклетных двигателях и в наши дни.
Рис. 50. Двигателъ Зенлейна
Оригинальность предложенного Зенлейном способа смесеобразования заключалась в распиливании топлива сжатым, воздухом. Позже данная идея нашла самое широкое применение в системе топливоподачи дизелей.
Спустя 3 года после создания двигателя Отто в России появился четырехтактный восьмицилиндровый двигатель с показателями, невиданными дотоле в двигателестроении. Его автор - офицер Российского флота Огнеслав Костович. Схема двигателя показана на рис. 51. Он предназначался в качестве силового агрегата для дирижабля. Работы по созданию двигателя! велись с необходимой долей секретности, но в отличие от многих других гениальных творений российских инженеров и умельцев основные детали двигателя сохранились, и его можно видеть в музее авиации и космонавтики# Первое его отличие от современного двигателя заключалось в оригинальности компоновки: каждая пара из восьми цилиндров 1 верхней частью соединена с общей камерой сгорания, так что при ходе сжатия или выпуска поршни двигались навстречу друг другу. Позже такая схема приобрела название! "Боксер".
Рис. 51. Двигатель Костовича и дирижабль, для которого он предназначен
Усилия от поршней на общий коленчатый вал 3, располагавшийся на опорах над цилиндрами, передавались с помощью штанг 4 и коромысел 5. В двигателе использовали легкое нефтяное топливо, он имел клапанное газораспределение и оригинальное электрическое зажигание: искра возникала дважды (при замыкании и размыкании цепи) в момент прохождения вращавшегося контакта 2 относительно неподвижного.
Поскольку двигатель был спроектирован для дирижабля, предназначавшегося для армии, о результатах его испытаний (1884 г.) имеются довольно скудные сведения. Но достоверно известно, что он имел мощность около 55 кВт, литровую мощность порядка 2 кВт/л при удельной массе около 4 кг/кВт, что вполне приемлемо, для некоторых типов транспортных двигателей и в наши дни.
В 1882 г. оторвался от вале ной рампы первый в мире самолет, который спроектировал и построил Александр Федорович Можайский» Этому знаменательному в истории техники моменту предшествовала огромная работа по изучению полета птиц, поведению парусов под действием ветра, испытанию моделей, наконец по выбору силового агрегата для самолета.
Первоначально Можайский предполагал использовать двигатель Брайтона с поршневым компрессором (рис. 52, а). Но высокая масса и малая мощность (около 7 кВт) оказались непригодными для летательного аппарата. На этом этапе показатели ДВС оказались хуже показателей паровой машины. В 1880 г. Можайский заказал к изготовлению две легкие паровые машины (рис. 52,6) общей массой 135 кг и мощностью около 22 кВт при n=400 мин⁻¹. Самолет продержался в воздухе всего несколько секунд.
Рис. 52. Двигатель Брайтона и паровая машина двойного расширения: 1 - рабочий цилиндр; 2 - цилиндр компрессора; 3 - коленчатый вал; 4 - парораспределительный золотник; 5, 6 - цилиндры соответственно первой и второй ступеней расширения
Кто знает, как бы развивались события, не опереди Можайский время, так как два года спустя Готлиб Даймлер создал небольшой и достаточно легкий четырехтактный двигатель, работавший на жидком топливе. Одноцилиндровый двигатель с рабочим объемом 462 см³ развивал мощность 0,8 кВт при частоте вращения вала 600 мин"к Этот двигатель Даймлер установил на мотоцикл. В 1886 г. появился первый автомобиль с ДВС (рис 53). В 1895 г. конструктор создал двухцилиндровый V-образный двигатель. В его конструкции много интересных решений, связанных прежде всего с процессами газообмена и организацией сгорания. При ходе поршней к ВМТ, когда в одном цилиндре происходило сжатие смеси, а во втором - выпуск продуктов сгорания, в кривошипную камеру через автоматический клапан 1 засасывался воздух, который сжимался при ходе поршней к НМТ. Причем в одном из цилиндров происходил рабочий ход, а во втором - впуск богатой топливовоздушной смеси. При приближении к НМТ специальные упоры 2 открывали клапаны в днище поршней, и... в тот цилиндр, в котором закончился рабочий ход и уже открылся выпускной клапан 3, поступала порция воздуха для продувки, а в цилиндр, в котором заканчивался впуск, - порция воздуха для доза-рядки. При этом образовывался слоистый заряд с обогащенной смесью в верхней зоне цилиндра и обедненной у днища поршня. Как показывает опыт, идея расслоения заряда продолжает жить.
Рис, 53. Двухцилиндровый двигатель Даймлера и первый экипаж
Чрезвычайно интересен механизм газораспределения: клапаны управлялись с помощью штанг 4 и ползунов 5, скользящих в профильной канавке 6, образованной на торцовой поверхности маховика - щеке 7. Канавка была спрофилирована так, что за один оборот вала ползун двигался по ее внутренней петле - клапаны были закрыты. В месте пересечения канавок он автоматически переходил в канавку большего радиуса - клапаны были открыты в течение второго оборота; а далее опять переход на меньший радиус и закрытие клапанов. Такое оригинальное решение Даймлер применил, несмотря на то что уже давно известен механизм газораспределения с кулачковые валиком.
Двигатели Даймлера имели достаточно совершенные карбюраторы и калильное зажигание (рис. 54) конструкции Вильгельма Майбаха.
Рис. 54. Карбюратор и устройство калильного зажигания двигателя Даймлера: а - карбюратор! б - устройство калильного зажигания; 1 - смесительная камера; 2 - распылитель; 3 - поплавок; 4 - запорный клапан; 5 - патрубок для подачи топлива; 6 - сливная пробка; 7 - впускной клапан; 8 - калильная трубка; 9 - горелка; 10 - выпускной клапан
В том же 1894 г. изобретатель Шпиль создает четырехтактный двигатель с впрыскиванием топлива специальным насосиком на тарелку впускного клапана, откуда оно срывалось потоком воздуха и смешивалось с ним. От данной даты можно вести историю развития систем впрыскивания бензина, которые в настоящее время занимают прочные позиции. А на рис. 55 показана система механического впрыскивания образца 1903 г. с приводом поршневого насоса 1 от кулачка 2 и регулированием подачи за счет изменения плеч коромысла в передаточном механизме 3.
Рис. 55. Система впрыскивания жидкого топлива
Все упомянутые выше двигатели имели одну общую черту: смесь воспламенялась от постороннего источника - электрической искры, калильной трубки или струи пламени, т.е. их можно классифицировать как двигатели с принудительным воспламенением смеси.
В 1893 г. немецкий инженер Рудольф Дизель опубликовал книгу, в которой излагал основы рабочего цикла двигателя с самовоспламенением топлива от воздуха, сжатого до высокого давления.
Однако первые двигатели с воспламенением топлива от раскаленного воздуха были созданы еще за несколько лет до выхода книги Дизеля. Прежде всего следует упомянуть двигатели Хэргривса, построенные в 1887. В 1890 гг. Их нельзя в полной мере отнести к двигателям с воспламенением от сжатия, поскольку для нагрева воздуха до высокой температуры использовался регенератор (рис. 56), нагреваемый теплом отходящих отработавших газов при весьма невысоком (около 0,5 МПа) предварительном сжатии воздуха в поршневом компрессоре (двигатель, представленный на рисунке, работал по двухтактному циклу). В своих двигателях Хэргривс использовал очень интересные идеи. Прежде всего идея регенеративного теплообменника для подогрева воздуха. Для того чтобы максимально снизить потери теплоты, стенки цилиндра и газовоздушный канал покрывались слоем керамического материала (прообраз адиабатных двигателей, к созданию которых приступили только в последние годы). Поршень очень длинный и уплотняющие кольца располагают в нижней его части, вне зоны керамической изоляции. Они контактируют с охлаждаемой металлической стенкой цилиндра. Топливо впрыскивается через форсунку вблизи ВМТ и самовоспламеняется от горячего воздуха.
Рис. 56. Двигатель Хэргривса: 1 - форсунка для впрыскивания керосина; 2 - футеровка цилиндра, камеры сгорания и канала; 3 - теплообменник; 4 и 5 - соответственно впускной и выпускной клапаны; 6 - компрессор
Дизель первоначально предполагал сжать воздух в цилиндре до очень высокого давления около 20 МПа. Но оказалось, что для практического осуществления цикла достаточно давление около 4 МПа, что обеспечивало температуру в конце сжатия 550...6000 С, необходимую для самовоспламенения керосина. Топливо подавалось в цилиндр в виде эмульсии при давлении распыляющего воздуха около 5 МПа, форсунка закрывалась на 12% хода поршня от ВМТ. Один из дизелей, построенных в конце прошлого века, показан на рис. 57. Уже на первых образцах Дизель достиг великолепного результата: расход топлива не превышал 320 г/(кВт·ч).
Рис. 57. Двигатель Дизеля: 1 - цилиндр; 2 - форсунка; 3 - компрессор
В 1899 г. в Петербурге на заводе Людвига Нобеля был впервые построен и испытан дизель, в котором в качестве топлива использовалась дешевая сырая нефть.
Дизель предполагал сгорание топливовоздушной смеси при постоянном давлении, величина которого не превышает значения, достигнутого в конце сжатия. Однако, как показали исследования реальных двигателей, давление в процессе сгорания повышалось и иногда значительно, поэтому подача топлива через форсунку распиливающим воздухом оказалась малопригодной.
В 1908 г. русским инженером Густавом Васильевичем Тринклером были созданы форсунки для непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя, близкие по конструкции и принципу действия современным. Экономичный и надежный двигатель Дизеля оказался идеальным силовым агрегатом для транспортных средств.
Уже на рубеже столетий двигатели Дизеля устанавливаются на тепловозах и судах. Первое судно - нефтеналивной теплоход "Вандал" был построен на Сормовском судостроительном заводе в 1903 г.