Исторически двигателестроение связывают в первую очередь с двумя фамилиями - Отто и Дизель , которые знают даже дилетанты. Важнейшие изобретения этих инженеров более 100 лет тому назад способствовали стремительному развитию конструкции двигателей внутреннего сгорания.
Многие изобретатели работали над этой проблемой, но все попытки создать рабочий образец были тщетными. Все так же для работы люди использовали паровые машины, но такое оборудование не подходило для ремесленников и мелкого производства. Для образования пара требовался котел, который должен был подогреваться, а кроме того, для использования таких механизмов в производстве требовалось разрешение полиции. Поэтому создание бельгийским механиком Ленуаром двигателя, работающего на светильном газе, стало значительным шагом вперед.
Жан Этьен Ленуар (Jean Etienne Lenoir, 1822-1900 гг.) в то время жил в Париже и зарабатывал на жизнь, работая официантом. В свободное время он занимался техническими вопросами. Первый свой двигатель он создал в 1860 году. На рисунке изображена схема данного двигателя.
Рис. Схема двигателя Ленуара
В основе самой конструкции во многом была надежная паровая машина того времени. В результате у Ленуара получился двойной двухтактный двигатель внутреннего сгорания. В паровой машине перегретый пар подается в цилиндры под давлением из парового котла, а в двигателе Ленуара рабочая смесь воздуха и светильного газа через впускной золотник поступала в один из цилиндров под воздействием разрежения, вызванного движением поршня в цилиндре. Затем рабочая смесь воспламенялась от простейших свечей зажигания. Продукты сгорания, расширяясь в объеме, сдвигали поршень до конца его рабочего хода. Обработавшие газы выбрасывались из цилиндра через выпускной золотник, в то время как в другом поршне данный цикл только начинался. Цилиндры двигателя Ленуара имели водяное охлаждение. Золотниковое управление впуском и выпуском рабочей смеси Ленуар позаимствовал из конструкции паровой машины. Оба золотника приводились в действие от эксцентриков на коленчатом валу двигателя. Свечи зажигания работали от электроиндуктора с прерывателем Вагнера.
Напряжение подавалось к свечам зажигания через контактные шины. Свечи поочередно работали в постоянном режиме, в результате чего расход электроэнергии был большим и контакты часто подгорали.
Двигатель Ленуара вырабатывал мощность почти в 3 л.с. и расходовал приблизительно 4 м^3/кВт*ч светильного газа. Шум при работе мотора был очень сильным. Тем не менее, такой двигатель был проще в установке и обслуживании, чем паровая машина, поэтому он быстро завоевал популярность. Вскоре о новом двигателе узнал торговец Николаус Август Отто (Nikolaus August Otto, 1832-1891 гг.). Будучи прирожденным механиком и изобретателем, он сам сконструировал свой первый газовый мотор.
Так же, как и Ленуар, Отто понимал, что паровая машина для мелкого производства слишком дорога и трудна в обслуживании. Как коммерсант, он осознавал, что двигатель внутреннего сгорания способен покрыть рыночный дефицит и будет пользоваться спросом. Отто решил усовершенствовать конструкцию Ленуара, отказавшись от использования светильного газа в пользу горючих жидких фракций переработки нефти, но в первом прошении о предоставлении патента Отто было отказано. После этого изобретатель прекратил думать о патенте и посвятил время совершенствованию двигателя Ленуара.
Отто ясно понимал, что двигатель Ленуара работает шумно и нестабильно, а сильная детонация при воспламенении смеси светильного газа с воздухом отрицательно влияет на детали конструкции. Эти недостатки конструктор решил устранить, используя новый состав рабочей смеси. При этом оказалось, что в конце рабочего хода в цилиндре образуется разрежение, когда поршень закачал новую порцию смеси лишь на четверти своего хода. Из-за этого разрежения поршни вновь «всасывались назад». Таким образом, к Отто пришла мысль о создании атмосферного газового двигателя.
Эта конструкция, еще работавшая на смеси светильного газа и воздуха, схематически представлена на рисунке.
Рис. Атмосферный газовый двигатель. Оба эксцентрика передавали один раз вращение шестерни посредством храпового механизма при каждом рабочем цикле. При этом один эксцентрик немного поднимал поршень (ход всасывания), а второй приводил в действие золотник. После этого эксцентрики не двигались до тех пор, пока не начнется новый рабочий цикл
Поршень засасывал на десятой части своего хода вверх смесь газа с воздухом, которая затем воспламенялась от газовой горелки. Продукты сгорания смеси, расширяясь, выталкивали поршень вверх, при этом срабатывал механизм свободного хода, разъединявший шатун и вал отбора мощности двигателя. В конце хода поршня в цилиндре образовывалось разрежение. Затем, двигаясь вниз, поршень вновь соединялся с валом отбора мощности, и вес опускающегося поршня, усиленный посредством силы давления, выполнял механическую работу.
Во время каждого рабочего цикла от шестерен через храповой механизм однократно приводились в действие два эксцентрика, один из которых немного поднимал поршень при ходе впуска, а второй приводил в действие управляющий золотник. После этого эксцентрики не двигались до начала следующего рабочего цикла.
Рис. Система факельного зажигания. Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре
Для воспламенения рабочей смеси Отто не использовал свечу зажигания Ленуара, так как для ее постоянной работы требовалось слишком много электроэнергии. Вместо нее Отто применил разработанную им же систему факельного зажигания. Процессы выпуска и впуска газов, а также зажигание рабочей смеси управлялись с помощью золотника, который приводился в действие эксцентриком. Атмосферный газовый двигатель Отто работал достаточно громко, но сильная детонация при воспламенении смеси уже не возникала. К тому же расход светильного газа был намного меньше по сравнению с двигателем Ленуара, так как энергия газа использовалась гораздо эффективнее.
Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре.
В разработке этого двигателя участвовал инженер Ойген Ланге н (Eugen Langen, 1833-1895 гг.). Отто, который отошел от торговли и полностью посвятил себя своим изобретениям, предложил Лангену создать совместное производство двигателей. Так в 1864 г. образовалась фирма «Otto & Cie», позже преобразованная в фабрику «Gasmotorenfabrik Deutz» по производству газовых двигателей, на основе которой затем возник сегодняшний концерн «Klockner-Humboldt-Deutz AG». Отто и Ланген представили свой атмосферный газовый двигатель в 1867 г. на Парижской всемирной выставке. Низкий расход газа привлекал всеобщее внимание, и двигателю присудили Гран-при. Мощность первого газового двигателя составляла примерно 0,87 л.с. при габаритной высоте почти 2 м. На протяжении года конструкторы смогли поднять мощность до 2, 72 л.с., и это стало пределом. Двигатели еще большей мощности из-за своих габаритов не могли устанавливаться в цехах и, тем более, в небольших мастерских. К тому же шум при работе двигателя становился невыносимым.
Тем не менее, покупатели двигателей требовали модели большей мощности, поэтому пришлось разрабатывать новую конструкцию. Отто сделал эскиз нового двигателя с непосредственным соединением поршней и коленчатого вала и придумал способ снижения детонации при воспламенении рабочей смеси. Идея заключалась в том, что газ и воздух должны были располагаться слоями в цилиндре таким образом, чтобы в точке воспламенения в поршне смесь содержала как можно меньше светильного газа.
В то время Отто думал, что самым большим изобретением в его новом двигателе является послойный заряд рабочей смеси, который к тому же сжимался перед воспламенением. На самом же деле гениальной идеей являлось создание четырехтактного способа работы. Четырехтактный способ работы состоит из следующих частей (тактов):
- впуск рабочей смеси газа и воздуха;
- сжатие рабочей смеси;
- воспламенение рабочей смеси с последующим расширением газов, образуемых при горении;
- выпуск отработавших газов.
Первый четырехтактный двигатель Отто и Лангена, созданный в 1876 г., развивал мощность 2,72 л.с. при 180 об/мин. Он является прообразом всех современных четырехтактных двигателей.
Несколькими годами позже был изобретен новый тип силовой установки - дизельный двигатель. Его изобретатель Рудольф Дизель (Rudolf Diesel, 1858-1913 гг.) разрабатывал холодильные установки в компании «Fa. Lindes Eismaschinen». Тщательно изучая холодильное оборудование и теплотехнику, он разработал паровую машину, работавшую на аммиаке. Работы с перегретым паром навели Дизеля на идею создать двигатель, в котором сильно сжатый воздух будет работать при высокой температуре. Такой тепловой двигатель по экономичности должен был превзойти все остальные конструкции. Высоких температур Дизель хотел достичь при помощи сжатия воздуха до 250 бар. Для предотвращения преждевременного воспламенения топливо должно было впрыскиваться в воздух в цилиндре двигателя только в конце такта сжатия. При выборе рабочего цикла Дизель все же допустил ошибку, выбрав цикл Карно, который состоит из двух изоэнтропийных и двух изотермических изменений состояния газа и имеет наилучший термический коэффициент полезного действия из всех термодинамических циклов. Цикл Карно все же не подходит в качестве рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания, так как изотермическое горение в двигателе невозможно. К тому же получаемая полезная работа при цикле Карно настолько мала, что покрывает только потери на трение двигателя. Это происходит из-за небольшой площади цикла (замкнутого процесса), что видно на рисунке.
Рис. Цикл Карно
Вскоре Дизель обнаружил, что его двигатель может работать и без использования цикла Карно. Изобретатель запатентовал свой новый принцип работы мотора и начал искать предприятие, способное создать его конструкцию в металле. После длительных переговоров компания «MAN» в Аугсбурге согласилась построить двигатель по чертежам Дизеля. Первый опытный образец, созданный в 1893 г., был четырехтактным, не имел системы охлаждения и запускался с помощью внешнего механического привода. Первоначально предполагалось использовать в качестве топлива бензин, но эти попытки оказались неудачными. В то же время без системы охлаждения конструкция быстро перегревалась, а система непосредственного впрыска топлива просто не работала, поскольку производство того времени было неспособно создать топливный насос с требуемой точностью изготовления деталей.
Изобретатель изменил принцип подачи топлива, в качестве которого был выбран керосин. Теперь он впрыскивался в цилиндр в момент воспламенения с помощью сжатого воздуха. Для предотвращения перегрева двигателя была разработана система водяного охлаждения. Впервые видоизмененный двигатель Дизеля самостоятельно заработал в 1894 г. Потребовалось еще множество опытов и конструктивных изменений, прежде чем двигатель был готов к использованию. В 1897 г. Дизель продемонстрировал свой двигатель большому кругу заинтересованных лиц. На испытательном стенде силовой агрегат Дизеля развил мощность 17,7 л.с. при 154 об/мин, а расход топлива составил 324 грамма/кВт*час. С таким низким расходом топлива двигатель Дизеля превзошел все тепловые моторы, став фактически самым экономичным тепловым двигателем своего времени. Превосходство в расходе топлива дизельный двигатель сохраняет и в настоящее время.
Сегодня бензиновый двигатель с принудительным искровым зажиганием очень часто называют двигателем Отто, а двигатели с самовоспламенением смеси от сжатия - дизельным двигателем. Таким образом, сохранена славная память о двух великих моторостроителях - Николаусе Августе Отто и Рудольфе Дизеле.
Девятнадцатый век был полон людей, не желающих жить спокойно. Они дополняли и меняли мир своими изобретениями. Одним из таких гениев инженерной мысли был Этьен Ленуар. Не имея специального образования, он обладал неспокойным сердцем и верой в бесконечную силу разума.
Из гарсона в механики
Жан Этьен Ленуар родился 12.01.1822 года в Мюсси-ла-Виль (Бельгия). Его отец был бельгийским промышленником. Он умер, когда мальчику исполнилось восемь лет.
Молодой человек мечтал учиться в парижском техническом учебном заведении, но вместо этого ему пришлось работать официантом в ресторане под названием «Холостой парижанин». Частыми посетителями этого заведения были механики и владельцы мастерских. Этьен Ленуар часто слушал разговоры механиков и инженеров. В его голове зародилась идея - усовершенствование двигателя.
Вскоре молодой человек оставил ресторан и перешел работать в мастерскую, где занимался составлением новых эмалей. Спустя год он поссорился с хозяином и стал свободным механиком. Он чинил все, что требовалось - от экипажей до кухонной утвари.
Работа у Маринони
Мелкая починка было неблагодарным занятием, которое не приносило достаточно денег для существования. Ленуар решил поступить на работу к итальянцу Маринони. Благодаря своему труду Этьен Ленуар смог преобразить литейное заведение в гальванопластическую мастерскую.
В эти годы механик вел безбедную жизнь. К тому же он получил возможность экспериментировать со своими изобретениями. Он сумел создать собственные варианты таких аппаратов, как электромотор, регулятор динамомашины, водомер. На все свои изобретения он получил патенты.
Ленуар много времени уделял изучению инженерного опыта других изобретателей, чтобы создать паровую машину двойного действия. Его первое творение поразило своей бесшумностью. При этом двигатель быстро нагревался. Изобретатель не смог позаботиться о своем изобретении в юридическом плане, поэтому его машина была опечатана.
Создание собственной фирмы
Ссора со спонсором, которым выступал Маринони, подтолкнула изобретателя на создание собственной фирмы. Его компания наладила выпуск газовых двигателей. Мощность изобретения была четыре лошадиные силы.
В 1860 году Этьен Ленуар, биография которого связана с развитием автомобильного дела, получил патент на свое детище. Спустя два года машину демонстрировали на Парижской выставке. Всего было выпущено около трех сотен двигателей такими французскими и немецкими фирмами, как «Маринони», «Готье», «Кун» и другие.
Их использовали на судах, локомотивах, в дорожных экипажах. В 1872 году двигатель Ленуара установили на дирижабле. Его испытания прошли успешно. Однако слава закончилась уже через несколько лет. Причиной тому стало новое изобретение.
Коллега, ставший конкурентом
В 1860 году Этьен Ленуар познакомил со своим двигателем немецкого коллегу, который сперва прославил труд автора, а позже отнял его лавры. Инженер Николаус Отто создал вместе с Лангеном фирму по производству двигателей выходца из Бельгии.
При этом немецкий инженер вел работу по созданию собственного варианта. Ему удалось это в 1878 году. Его машина была шумной и громоздкой. Двигатель был четырехтактным. Но он работал с КПД в 16%. Машина же Ленуара давала лишь КПД в 5%. Рекорд был побит, и слава перешла к немцам.
Умер изобретатель 04.08.1900 года во Франции. Ленуар не стал богатым и знаменитым изобретателем. Но он был одним из тех, кто приблизили прогресс. Умер он как гражданин Франции. Такую честь он получил не за свои изобретения, а за оборону Парижа во Франко-Прусской войне. Многим как создатель пишущего телеграфа.
Что представлял собой двигатель Ленуара
Машина, которую создал Жан Этьен Ленуар (двигатель), стала первым подобным изобретением, которое начали выпускать серийно.
Его конструкция была одноцилиндровой, двухтактной. Идея подобного технического решения была взята от паровой машины Уатта. Отличием было то, что в качестве рабочего тела использовался не пар. Его заменили продукты сгорания, производимые газогенератором, в котором сжигалась смесь светильного газа и воздуха.
Газовый двигатель имел свои преимущества по отношению к паровому:
- менее громоздкий;
- проще в управлении;
- не требовал разогрева котла перед запуском;
- работал автоматически (в стационарном режиме);
- малошумный;
- низкий уровень вибраций.
Все эти преимущества сделали газовый аппарат популярным. Однако вскоре его вытеснил двигатель Отто. Принцип действия последнего изобретения широко используется в современное время. Чем же модель Ленуара уступала машине немецкого инженера?
Несмотря на массу преимуществ, изобретение француза бельгийского происхождения имело низкое КПД, а также низкую мощность. Поэтому оно не смогло выдержать конкуренцию, и было вытеснено с рынка более продуктивным детищем Николауса Отто.
Этьен Ленуар (фр. Jean Joseph Etienne Lenoir, 12 января 1822, Мюсси-ла-Виль, Мюсон, Люксембург, Бельгия - 4 августа 1900, Ла-Варан-Сент-Илер, Сен-Мор-де-Фоссе, Вал-де-Марн, Франция) - французский изобретатель бельгийского происхождения, изобретатель двигателя внутреннего сгорания (двигателя Ленуара).
Биография
С 1838 года жил во Франции.
В 1860 году сконструировал первый практически пригодный газовый двигатель внутреннего сгорания. Мощность двигателя составляла 8,8 кВт (12 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.
Изобрел технологию получения гальванопластических копий (1851), электрический тормоз (1855), пишущий телеграф (1865).
Литература
Радциг, Александр Александрович. История теплотехники. - М.: Изд-во Акад. наук СССР, 1936. - 430 с.
Свеча зажигания это еще одна незаменимая деталь автомобиля, достойная внимания и целой статьи. Свеча зажигания родилась в те далекие времена, когда наука об электрическом токе только начинала зарождаться. Считается, что отцом первого прототипа свечи был .
в 1800 году, Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Во́льтов столб»). Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения - Вольт . Прототипом свечи можно назвать изготовление металлического стержня, помещенного внутрь глиняного изолятора, дабы разъяснить свойства электрического тока и его возможность изоляции от металла. Конечно, в те годы еще не было двигателей внутреннего сгорания, были лишь мысли и идеи о чём-то новом, о самостоятельном устройстве, способном вращать и передвигать определенный вес.
Спустя годы, бельгийский инженер Жан-Этьен Ленуар начал разработку своего первого двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе. Для получения искры, Ленуар разработал электрическую систему, основанную на свече зажигания, которая очень похожа на современную своей формой и принципом работы.
Жан-Этьен Ленуар
В 1860 году Ленуар оформил патент на изобретенный им двигатель и к 1885 году полностью доработал свою свечу. На основе своего прототипного двигателя, Ленуар создал новый двигатель для своей самобеглой повозки под весёлым названием- «Гиппомобиль» , который появился задолго до автомобиля Бенца .
Свеча требовала постоянного обслуживания из-за замасливания и регулярно выходила из строя. Изолятор не мог долгое время выдерживать температуру и от перегревания разрушался.
Двигатель Жана Ленуара
самобеглая повозка — «Гиппомобиль»
В 1898 году, сразу три патента на изобретение и разработку систем искрообразования были оформлены Николой Тесла, Робертом Бошем и Фредериком Ричардом Симсом. Этот год можно уверенно назвать основой для современных свечей зажигания. Но лишь благодаря стараниям Готлиба Хоннельда, сотрудничавшего с Робертом Бошем в 1902 году на свет появилась свеча, способная работать в системе Магнето.
В начале 1900-х годов братья Роберт и Фрэнк Стрэннахан , занимавшиеся продажей автомобильных запчастей решили модернизировать свечу. Собрав необходимую информацию, свеча была отправлена на доработку. Изолятор изготовили из фарфора и было добавлено металлическое кольцо для уплотнения в месте посадки. В результате этих поисков и доработок, в 1908 году образовалась компания Champion, которую вы прекрасно знаете. Более 300 тысяч свечей нового поколения было приобретено компанией Ford и Triumph.
Существует легенда о неком Эдмонде Бергере, который придумал особый вид свечи, но пропал без вести, а свой рисунок оставил неизвестному инженеру одной из компаний, находившейся под крылом Champion. К сожалению, проверенных фактов нет, поэтому, это останется мифом…
Учитывая все изменения и прогресс в области создания двигателей внутреннего сгорания, свечи становились прочнее, долговечнее и красивее! Более ста лет назад, на пике автомобилестроения и развития электроприборов, появился главный символ жизни мотора-свеча, до сих пор являющаяся его неотъемлемой частью!
По материалам: Google Patents,Wikipedia,MadeHow,Champion,Bosch
1 из 13
Сегодня пойдет речь об изобретателе по имени Этьен Ленуар. Его изобретением является двигатель на водородном топливе. Он также является одним из лучших инженеров по созданию двигателей для гиппомобилей. Журналист одного издания решил взять у Этьена интервью и лучше узнать о его изобретении...
- Когда и где Вы родились?
- О чем вы мечтали в юношеские годы?
Я мечтал учиться в парижском техническом учебном заведении. Мне часто доводилось слышать разговоры механиков и инженеров. С малых лет в моей голове зародилась идея усовершенствования двигателя для гиппомобиля. Гиппомобиль - это автомобиль, который приводился в движение двигателем внутреннего сгорания конструкции Ленуара.
- Каким было Ваше первое изобретение?
Самым первым изобретением был мой двигатель (двигатель Ленуара), или как его еще называют "двигатель внутреннего сгорания". Рабочий процесс двигателя Ленуара можно рассмотреть начиная с движения поршня из одного из крайних положений. При этом золотники установлены в позицию, при которой в рабочую полость цилиндра поступает воздух и светильный газ, из другой полости поршнем вытесняются продукты сгорания, образовавшиеся в предшествующем такте. Проще говоря, в некую рабочую полость попадает газ, который за счет изобарного сжатия получает энергию. (Энергия появляется за счет работы над газом)
- В каком году Вами был изобретен двигатель?
В 1860 году я получил патент за изобретение собственного двигателя. Так как я очень сильно увлекался автомобильным делом, уже спустя два года я демонстрировал свою машину на выставке в Париже.
- Что представлял собой двигатель Ленуара?
Конструкция газового двигателя была одноцилиндровой, двухтактной. В качестве рабочего тела использовались продукты сгорания, производимые газогенератором. В цилиндре сжигалась смесь светильного газа и воздуха.
- Что стало помехой для использования двигателя? (В связи с чем выпуск двигателя был прекращен?)
Несмотря на все преимущества моего газового аппарата, вскоре его вытеснил двигатель Отто. Двигатель моего изобретения имел низкий КПД, а также низкую мощность. Именно поэтому моё изобретение не смогло выдержать конкуренцию и было вытеснено двигателем немецкого инженера Николауса Отто, который придумал, чтобы топливо сгорало непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя. ДВС преобразовывает тепловую энергию от сгорания топлива в механическую работу.
- Сколько Ваших двигателей было выпущено?
Этих двигателей было выпущено свыше 300 единиц несколькими французскими фирмами, в которых я размещал свои заказы на изготовление.
- Кто и при каких обстоятельствах стал Вашим конкурентом?
Это был мой коллега, немецкий инженер Николаус Отто. Я представил ему свое изобретение в 1860 году. После этого он начал работу над изобретением своего двигателя. Однако, характеристики изобретения Николауса Отто значительно превышали мои, поэтому я потерпел поражение в этой конкурентной борьбе.
Наши предложения по усовершенствованию изобретения Ленуара
1 предложение. Возможно усовершенствовать гиппомобиль благодаря уменьшению расхода топлива за счёт устройства для сжатия газа перед его сгоранием. Это обеспечит устройству большую мощность.
Для сжатия газа можно использовать поршень, который будет поступательно двигаться и совершать работу над газом, сжимая его.
Чтобы КПД изобретения повысилось, можно добавить коленвал, который обеспечит эффективную передачу крутящего момента.
2 предложение. Использование более выгодного газа, например, пропана позволит уменьшить объём рабочего тела, что приведет к удобству транспортировки устройства и сможет составить конкуренцию современным разработкам. Мы бы ещё поменяли цилиндр в моторе, который располагался вертикально, заменив его на более практичный образец и изменили расположение цилиндра. Это также даст увеличение КПД, так как ход в 10% от высоты поршня не обеспечивает рационального использования энергии (энергия растрачивается впустую).
