1. Перші теплові двигуни
2. Винахід двигунів внутрішнього згоряння
3. двигун Папена
4. двигун Ленуара
5. двигун Отто
6. двигун Дизеля
7. Двигун Трінклера (Сабате-Трінклера)

Перші теплові двигуни

До тепловим двигунам прийнято відносити всі машини, що перетворюють теплову енергію в механічну енергію руху. В результаті поетапного розвитку науки і техніки людством використовувалися різні конструкції і типи теплових двигунів.

У першому столітті до нашої ери давньогрецьким вченим Героном Олександрійським була описана примітивна парова турбіна, яку сам Герон назвав в своєму трактаті "Пневматика" кулею "Еола" або еоліпілом (Еол - давньогрецький напівбог, володар вітрів і ураганів).
Конструкція еоліпіла представляла собою бронзовий казан з водою, встановлений на опори. Від кришки котла вгору піднімалися дві трубки, до яких кріпилася сфера, при цьому з'єднання трубок зі сферою дозволяло останньої обертатися. При нагріванні води в котлі по трубках в сферу надходив пар під тиском. Зі сфери виходили дві трубки, вигнуті таким чином, що виривається з них пар змушував сферу обертатися. Щодо практичного застосування цієї примітивної парової турбіни невідомо нічого, найімовірніше, вона використовувалася для розваги.
Цікаво, що виготовлений через століття по опису Герона еолопіл під час випробувань показав чудові швидкісні й тягові характеристики.

Ще одним типом теплових двигунів, відомим людині з давніх часів, є реактивний двигун. Енергія згоряння палива в цьому двигуні супроводжується підвищенням тиску в камері згоряння і спрямованим закінченням об'єктів, що швидко газів з сопла, що викликають спрямовану протилежно потоку газів рушійну силу, що діє на сам двигун і машину, в якій він розміщений (ракету). Відомо про застосування реактивних двигунів для створення невеликих реактивних снарядів і феєрверків у військових і декоративно-видовищних цілях в Китаї і деяких інших азіатських країнах ще в XIII столітті.

Своєрідним двигуном внутрішнього згоряння можна назвати винайдені трохи пізніше гармати і рушниці, що стріляють з допомогою порохового заряду. Адже це теж, по суті, теплові машини, що перетворюють теплову енергію газів в механічну енергію летить ядра, кулі або снаряда.

Проте, не можна сказати, що ці винаходи використовувалися в механізмах і машинах для перетворення теплоти в корисну роботу. Яких-небудь серйозних наукових робіт в цьому напрямку не проводилося, а похмурий період середньовічного застою не тільки не вніс скільки-небудь помітного внеску в науково-технічний прогрес, а й того варті перші праці стародавніх винахідників.
Початком епохи сучасних теплових двигунів можна вважати кінець XVIII століття. Саме в цей період з'явилися перші винаходи, метою яких було не просто демонстрація можливостей теплових "іграшок", а перетворення теплоти в корисну роботу.

У 1764 році талановитий винахідник-самородок з Алтаю І. І. Повзунів запропонував першу в світі конструкцію теплового двигуна, який використав для перетворення теплоти в корисну роботу гаряча пара. Він поставив перед собою завдання створити "вогненну машину, здатну з волі нашої, що буде потрібно було виправляти".
Проект парової машини, запропонований І. І. Ползуновим вимагав значних матеріальних витрат, проте, через рік установка була виготовлена. Вона була величезною, досягала висоти 11 метрів. Максимальний діаметр котла досягав 3,5 метрів, парові циліндри мали в висоту 2,8 метра.
В кінці 1765 року випробування машини завершилося успішно; конструкція виявилася працездатною, і деякий час навіть використовувалася в гірничій справі.
Проте, в умовах феодально-кріпосницького виробництва парова машина І. І. Ползунова не могла, звичайно ж, отримати широкого розповсюдження.
Патентне і авторське право в умовах російської глибинки тих часів теж мало хто цікавило, тому слава винахідника парової машини дісталася іншій людині.
Пізніше результати робіт Ползунова були закинуті і на деякий час забуті в Росії.

В даний час в багатьох джерелах інформації (особливо, зарубіжних) винахідником першого парового двигуна згадується англійський винахідник Джеймс Уатт (1736-1819 р.р.). Уатт побудував свій перший експериментальний двигун, як і Ползунов, в 1765 році. Але якщо двигун Ползунова був цілком працездатною конструкцією, яка виконувала певні функції у виробничому процесі гірничої справи, то Д. Уатт роботу над подібним дітищем завершив лише в 1768 році, і тільки в 1782 році отримав патент на паровий двигун. Як би там не було, заслуги Д. Уатта в розробці та вдосконаленні конструкцій парових двигунів важко переоцінити. Розроблені ним конструкції парових двигунів лягли в основу самих різних по функціоналу машин і механізмів.

Перші парові машини (двигуни зовнішнього згоряння) конструювалися і розроблялися без будь-якої наукової бази. Ні прогнозування ефективності, ні на міцність деталей в ті роки не проводилися, тому перші парові двигуни були справжніми монстрами, що мають колосальні за нашими мірками розміри. По крайней мере, під капотом сучасного автомобіля таку махину вже точно не розмістити. Ефективність перетворення теплоти в механічну роботу в таких двигунах теж перебувала на вкрай низькому рівні - ККД парових машин не перевищував 2 ... 5%.

Проте, парові двигуни Д. Уатта з успіхом використовувалися не тільки на транспорті (перший паровоз був виготовлений в 1804 р, перший пароплав - в 1807 р), а й в різних промислових машинах і установках, полегшуючи багато технологічних процесів і виробництва .

На рубежі XVIII-XIX століть почався бурхливий розвиток новоявленої науки - теплотехніки і її розділу - термодинаміки.
Були описані основні термодинамічні процеси і відкриті газові закони, які в подальшому послужили базою для обгрунтування першого і другого почав термодинаміки , а також основного рівняння стану газів , Авторами якого є англієць Е. Клайперон і наш знаменитий співвітчизник Д. І. Менделєєв.
Велику роль в становленні і розвитку теплотехніки зіграли праці французьких учених Ж. Шарля, Е. Маріотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, італійця А. Авогадро, англійців Р. Бойля і Д. Дальтона.

Перший серйозний працю, що пояснює шляхи і способи ефективного перетворення теплової енергії в механічну, з'явився на початку XIX століття. Він належав талановитому французькому інженеру і фізику Сади Карно . Його «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу», опубліковані в 1824 році, стали першою дороговказною зіркою для винахідників і розробників конструкцій теплових машин. Карно довів, що ефективність будь-якої теплової машини залежить не від конструктивного рішення, а від параметрів стану робочого тіла на початку і в кінці робочого циклу, а саме - від різниці між його максимальної та мінімальної температурою.

Ідеальний цикл теплового двигуна , Описаний молодим французьким вченим, і в наші дні є недосяжною метою, до якої прагнуть наблизитися конструктори теплових двигунів будь-якого типу і будь-якої конструкції. Проте, навіть найдосконаліші двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), розроблені в наші дні, мають ККД менше 50%. Решта - невикористані резерви досягнення максимальної та мінімальної температури робочого тіла (газів, пара, горючої суміші і т. П.), А також баластні втрати енергії на подолання сил тертя і нагрів навколишнього середовища.

***

Винахід двигунів внутрішнього згоряння

Але повернемося до історії створення перших двигунів.
Отже, двигуни зовнішнього згоряння (парові турбіни і парові поршневі машини) до середини XIX століття людство використовувати навчилося.
Наступним етапом розвитку теплових машин стала поява двигунів внутрішнього згоряння, т. Е. Таких, у яких робоче тіло отримувало тепло прямо в циліндрах двигуна.

***

двигун Папена

Перша згадка про створення примітивної конструкції своєрідного двигуна внутрішнього згоряння відноситься до XVII століття.
Французького винахідника Д. Папена осінила ідея використовувати енергію порохових газів в стовбурі гармати для виконання будь-якої корисної механічної роботи. Папен використовував ствол гармати в якості циліндра, розташувавши його вертикально, і помістивши в нього рухливий поршень, з'єднаний системою блоків і важелів з вантажем. За задумом винахідника після згоряння пороху в стволі поршень повинен був піднятися вгору; потім його слід було охолодити водою, і він, опускаючись вниз, повинен підняти власною вагою гирю, т. е. виконати корисну роботу.

Незважаючи на гадану наївність ідеї, вона була новаторською для свого часу - по суті це був перший поршневий двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ).
На жаль, перше ж випробування "двигуна" Д. Папена закінчилося розривом гарматного стовбура. Порох виявився не зовсім відповідним робочим тілом для теплового двигуна.

До ідеї Папена повернулися лише в середині XIX століття, після того, як людство навчилося виготовляти менше "запальність" паливо - світильний газ. У 1799 році французький інженер Ф. Лебон запатентував спосіб отримання светильного газу шляхом сухої перегонки деревини або вугілля. Він же і став автором ідеї використовувати цей газ як робоче тіло в поршневому двигуні внутрішнього згоряння. Патент на винайдений ним двигун Ф. Лебон отримав в 1801 році, але реалізувати свої ідеї не встиг - в 1804 році він загинув у віці 35 років.

***

двигун Ленуара

Через більш півстоліття, в 1859 році французький винахідник Е. Ленуар побудував і запатентував поршневий двигун, який був вдосконаленою конструкцією двигуна Лебона, і теж використовував як робоче тіло світильний газ, займистий від зовнішнього джерела (електричної свічки) прямо в циліндрі.
При явному новаторство конструкції, двигун Ленуара багато запозичив у парового двигуна. Він складався з циліндра з двухходовим поршнем і кривошипно-шатунним приводом на вал. Світильний газ (від газогенератора) і повітря в циліндр подавалися через спеціальні золотники, весь цикл складався з двох тактів.
Попереднього стиснення горючої суміші не передбачалося. І це цілком зрозуміло - двоходовий цикл (робочий хід поршня здійснювався за принципом - туди-сюди) не дозволяв здійснювати стиснення. Втім, про стиснення робочої суміші для збільшення ефективності роботи двигуна в ті часи не здогадувалися.
Запуск двигуна здійснювався тривалим ручним розкручуванням колеса-маховика, після чого машина починала щодо стало працювати.

Звичайно, конструкція була дуже далека до досконалості, проте, спостережні промисловці і активні ділки відразу угледіли в двигуні Ленуара ряд безперечних переваг перед безроздільно панувати в той час паровими двигунами зовнішнього згоряння.

По-перше, двигун внутрішнього згоряння, запропонований Ленуаром, був значно компактніше парового двигуна при тих же робочих параметрах.

По-друге, для його запуску не був потрібен виснажливий ритуал, що супроводжувався тривалим розігрівом парового котла.

По-третє - він був значно простіше в обслуговуванні і експлуатації - міг працювати самостійно, практично в автономному режимі, без нагляду кочегара і обслуговуючого персоналу.
Крім того, двигун Ленуара був майже безшумним (в порівнянні з сучасними четирехтактнимі двигунами), оскільки працював без стиснення горючої суміші, і добре збалансований, т. Е. Майже не вібрував.

В процесі розробки і створення двигуна Ленуару довелося вирішувати несподівані проблеми, що призвело до винаходу систем охолодження і змащення двигуна.

Дітище Е. Ленуара отримало визнання, і для потреб що з'явилися споживачів були виготовлені кілька сотень (за деякими джерелами - близько 500) таких двигунів, що застосовувалися на судах, локомотивах, дорожніх екіпажах і промислових установках. До слова сказати, Ленуар сколотив на своєму двигуні пристойний стан, і перестав працювати над удосконаленням конструкції.

Основним недоліком двигуна Ленуара була низька ефективність - його ККД, як і слід було очікувати, лише трохи перевищував ККД парових машин і становив не більше 3 ... 4%. А оскільки його конструкція була дещо складніше, гідної конкуренції парових двигунів він скласти не зміг.

***

двигун Отто

У 1864 році німецький інженер Андреас Отто (нім. Andreas Otto) отримав патент на свою модель газового двигуна, який принципово і конструктивно відрізнявся від двигуна Ленуара.
Циліндр двигуна розміщувався вертикально. Суміш повітря і газу засмоктувалася в циліндр завдяки розрідженню, створюваному поршнем, після чого відбувалося займання за допомогою відкритого полум'я через спеціальну запальну трубку. Здійснювався робочий хід, потім випуск газів і процес повторювався.

Вигадливістю відрізнялося і конструктивне рішення передачі механічної енергії від поршня до валу двигуна - спеціальна зубчаста рейка, прикріплена вздовж осі поршня, періодично пов'язувалася з валом, обертаючи його під час робочого ходу поршня, і від'єднувалася від вала, коли поршень робив інерційний рух.

ККД двигуна Отто був значно вище, ніж у двигуна Ленуара (приблизно, в п'ять разів), тому конструкція відразу привернула інтерес. Чи не володіє достатніми коштами для самостійної роботи над двигуном, А. Отто в тому ж 1864 уклав контракт з заможним інженером Лангеном для експлуатації свого винаходу. Незабаром була створена фірма "Отто і Компанія".

А. Отто постійно працював над удосконаленням свого дітища, яке стало користуватися великим попитом у споживачів. У 1877 році винахідник запатентував абсолютно нове технічне рішення в області принципу роботи теплових машин - чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. Принцип роботи цього двигуна лежить в основі сучасних бензинових і газових поршневих двигунів внутрішнього згоряння із запалюванням від зовнішнього джерела.

Тріумф німецького винахідника був затьмарений французькими конкурентами - з'ясувалося, що за кілька років до винаходу Отто, принцип роботи двигуна по чотиритактному циклу був описаний французьким інженером Альфонсом Еженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).
Бо де Роша, як і Отто, прийшов до висновку, що газову суміш перед займанням необхідно стиснути, а потім запропонував і схему чотиритактного робочого циклу для двигуна внутрішнього згоряння. Він виклав свої ідеї в книзі, опублікованій кілька раніше, ніж захистив свій патент Отто - ще в 1862 році, але сам двигун виготовляти не став.
Групі французьких промисловців вдалося оскаржити в суді авторські права Отто на винахід, в результаті чого його патентні привілеї були значно скорочені, в тому числі анульовано монопольне право на чотиритактний цикл теплового двигуна.

Проте, конкурентам не вдалося створити двигун, що перевершував по робочим характеристикам і технічним параметрам двигуни, створювані фірмою "Отто і Компанія". Позначався великий попередній досвід німецьких розробників.
Довгий час двигуни Отто вважалися найкращими і користувалися незмінним попитом у промисловців. За два десятки років було випущено понад сорок тисяч таких двигунів різної потужності.

Істотним недоліком двигуна Отто було застосування дорогого светильного газу в якості палива. Ця обставина значно гальмувало процес широкого впровадження двигунів Отто в усі сфери промисловості і транспорту - заводів, що випускають світильний газ, було мало, а технологія його виготовлення щодо витратної.

Пошуки підходящого палива, здатного замінити світильний газ, не припинялися з часу винаходу двигуна Ленуара.
Помітно досяг успіху в цьому питанні американець Д. Брайтон, який запропонував в 1872 році ряд цікавих технічних рішень. В якості альтернативи Світильня газу Брайтон спочатку пропонував використовувати гас, але погана випаровуваність цього палива наштовхнула винахідника на ідею використовувати як пальне більш легкий і ефективно випаровується бензин.
Залишалося придумати спеціальний пристрій, здатний перетворити цю горючу рідину в пароподібний стан і змішати пари бензину з повітрям, що призвело до винаходу першого карбюратора. Карбюратор Брайтона був побудований на принципі випаровування бензину з допомогою нагріву, що виявилося не найвдалішим рішенням.

У 1882 році німецький винахідник Г. Даймлер, працював довгий час у фірмі Отто, відкрив свій бізнес з виробництва двигунів, і спробував створити компактну конструкцію двигуна внутрішнього згоряння, маючи намір встановлювати його на невеликих транспортних засобах.
Уже через рік йому вдалося виготовити перший двигун. В системі живлення свого двигуна він використовував кілька вдосконалену конструкцію карбюратора Брайтона, але його дітище теж не було позбавлене недоліків, оскільки випаровування бензину здійснювалося нагріванням, а займання горючої суміші - розпеченій трубкою, що поміщається в циліндр.
Проте, двигун Даймлера був цілком працездатний.

Геніальна ідея відвідала в 1893 році угорського інженера Д. Банки. На відміну від Брайтона і Даймлера він пропонував не випаровується бензин, а розпорошувати його в повітряному струмені за допомогою жиклерів. Так з'явилася перша конструкція жиклерною карбюратора, що став прообразом сучасних карбюраторів бензинових двигунів. Розпорошений бензин випаровувався вже в циліндрі завдяки змішуванню з повітрям, що нагрівається в процесі стиснення поршнем.
Принципові ідеї, запропоновані і здійснені Д. Банки в його карбюраторі, використовуються в удосконаленому вигляді і в наші дні.

***

двигун Дизеля

Черговий революційний прорив в галузі двигунобудування відбувся завдяки німецькому винахіднику, інженеру Рудольфу Дизелю.
Деякий час Дизель намагався винайти двигун, здатний працювати на вугільного пилу, але його роботи в цьому напрямку виявилися невдалими. Тоді він направив творчу енергію в зовсім інше русло.
Слабким місцем газових і карбюраторних двигунів вважався процес запалення робочої суміші в циліндрі двигуна - застосовувалися для цих цілей запальні, гартівні і електричні пристрої не відрізнялися високою надійністю.

Дизелю прийшла ідея використовувати для займання горючої суміші тепло, що виділяється в робочому тілі в процесі стиснення, що протікає майже по адіабатне циклу.

За легендою, геніальна ідея відвідала винахідника, коли він накачував ручним насосом колесо велосипеда - Дизель звернув увагу, що насос сильно нагрівся через циклічного стискання повітря.

Розумно було припустити, що для сильного нагріву суміш повинна бути стиснута значно сильніше, ніж в карбюраторних двигунах.
Втім, навіщо стискати готову горючу суміш? Адже досить стиснути в циліндрі повітря, а потім подати в нього паливо в розпиленому стані, і воно спалахне.
Приблизно так міркував винахідник, розробляючи абсолютно нову конструкцію теплового двигуна, що принесла йому славу, популярність і стан.

У 1892 р Р. Дизель запатентував свій двигун, який згодом так і назвуть - дизельний двигун, або просто - дизель.
Двигун Дизеля був здатний працювати без карбюратора і запального пристрою, при цьому він витрачав менше палива, ніж всі відомі до того часу теплові двигуни.
В якості палива міг використовуватися і бензин, і гас, т. Е. Був багатопаливним.

Незабаром Дизель продав право на використання свого винаходу багатющого промисловця Е. Нобелю (братові відомого засновника престижної премії), і його дітище стрімко завоювало популярність у промисловців і споживачів.
У 1913 році Р. Дизель трагічно загинув (потонув) при невідомих обставинах по шляху в Англію на теплоході.

***

Двигун Трінклера (Сабате-Трінклера)

Удосконалення конструкції двигуна Дизеля російським інженером Г. В. Трінклера призвело до патентним протистоянням. Володар патенту на дизельний двигун Е. Нобель зажадав припинити роботи над двигуном Трінклера, що і було виконано. Справа в тому, що двигун російського винахідника для запалення палива використовував запатентований Р. Дизелем принцип - теплоту повітря, що стискається, що послужило приводом для претензій з боку власника прав на винахід.

Густав Васильович Трінклер (1876-1957) - радянський учений і винахідник, творець Безкомпресорні дизельного двигуна.
Ідея створення теплового двигуна нового типу відвідала Г. Тринклера ще в студентські роки, але лише через десятиліття йому вдалося втілити задум у життя. Причому для цього йому навіть довелося виїхати до Німеччини, оскільки через патентні протистоянь з власником патенту на дизель Е. Нобеля в Росії йому заборонили займатися роботами в цьому напрямку.
По поверненню в Росію він тривалий час керував відділом теплових двигунів на Сормовском машинобудівному заводі.
Трінклер є автором понад півсотні наукових робіт. У 1930 році за заслуги перед наукою йому було присвоєно вчений ступінь доктора технічних наук без захисту дисертації.
У 1934 році Трінклер перейшов на викладацьку роботу в інститут водного транспорту, але до кінця життя підтримував тісний зв'язок з заводом Червоне Сормово.

Основна відмінність конструкції "Трінклер-мотора" полягало в тому, що паливо в циліндр подавалося за допомогою спеціального пристрою - прообразу сучасного ТНВД і форсунки, конструкція якого була дещо раніше запропонована французьким винахідником Сабате (Сабатье). У класичному ( "чистому") дизельному двигуні паливо подавалося в камеру згоряння за допомогою спеціального компресора, тому такі двигуни іноді називають компресорними дизелями, а двигуни Сабате-Трінклера - Безкомпресорні.
Крім того, Трінклер вніс ще одне вдосконалення, що дозволяє ефективніше спалювати паливо: стиснене повітря надходив з циліндра в невелику окрему камеру, куди і впорскується паливо, а потім вже з камери процес горіння поширювався в циліндр.
Ця конструкція згодом отримає назву двигун Трінклера (Сабате-Трінклера), іноді його називають бескомпрессорний або форкамерний дизель.

Через деякий час винахіднику вдалося довести явне відміну робочого циклу, здійснюваного новим двигуном, від робочого циклу двигуна Дизеля, що дозволило заявити про істотну новизну конструкції, і народження двигуна Трінклера відбулося, хоч і з деяким запізненням.
Цикл двигуна Трінклера нагадує гібрид робочих циклів двигунів Отто і Дизеля - запалення робочої суміші на першій стадії здійснюється майже по ізохорно процесу (як у двигуна Отто), а потім - по Ізобаричний (як у дизельного двигуна). Використання винаходу Трінклера дозволяло досягти більш повного і рівномірного спалювання палива під час робочого ходу поршня.

Якщо порівнювати тепловий ККД поршневих двигунів, які отримали найбільш широке поширення в промисловості і транспорті, то безумовне першість належить двигуну Дизеля, що має найвищий коефіцієнт корисної дії. Однак, двигун Дизеля в "чистому" вигляді майже не застосовується в практичних цілях через недосконалість системи подачі палива. В даний час назва дизельний двигун закріпилося за двигунами, які справедливіше було б називати двигунами Трінклера. Проте, двигун, що працює за циклом Дизеля має найвищий температурний ККД серед відомих типів ДВС.
У двигуна Отто найнижчий температурний ККД при рівних умовах роботи.
Двигун, що працює за циклом Сабате - Трінклера займає проміжне місце на цьому "п'єдесталі пошани" між дизельним двигуном і двигуном Отто.

***

Ідеальні цикли поршневих двигунів внутрішнього згоряння

Завантажити теоретичні питання до екзаменаційних білетів
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки и теплотехнікі"
(В форматі Word, розмір файлу 68 кБ)

Завантажити Робоча програма
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки и теплотехнікі" (в форматі Word):

Завантажити календарно-тематичний план
з навчальної дисципліни "Основи гідравліки и теплотехнікі" (в форматі Word):