Двигатель внутреннего сгорания Отто
В первом тепловом двигателе — паровой машине — тепло производилось в топке и в паровом котле, вне цилиндра — рабочего органа машины. Топка и котёл делали двигатель громоздким и тяжёлым, годным только для стационарного использования или для установки на большие пароходы и паровозы. В поисках идеи компактного и лёгкого двигателя конструкторы пришли к мысли сжигать топливо внутри рабочего цилиндра — так появились прототипы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Первый ДВС, схожий с современным, создал в 1876 г. немецкий конструктор Николаус Отто.
Пробный вариант
Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) создал французский изобретатель Ф.И. де Ривас в 1807 г. Смесь воздуха и водорода в рабочем цилиндре зажигалась электрической искрой от батареи Вольта, после подрыва смесь расширялась, создавая высокое давление в цилиндре и подбрасывая поршень. Отработанные газы выпускались, образуя под поршнем вакуум. Под воздействием давления атмосферы и своего веса поршень падал, возвращаясь в исходное положение, чтобы повторить цикл. Де Ривас использовал свой ДВС как привод передних колёс повозки. Но из-за низкой эффективности его двигатель не нашёл спроса. Впоследствии идеи де Риваса легли в основу дальнейших разработок ДВС.
Двигатель Ленуара
В 1860 г. другой француз, механик Э. Ленуар, сделал ДВС, похожий на горизонтальную паровую машину, но работающий на смеси воздуха со светильным газом (содержащим углеводороды). ДВС Ленуара был двойного действия — рабочий ход поршень совершал при движении в обе стороны. Это обеспечивалось тем, что смесь поджигалась искрой от двух электрических свечей по обе стороны от поршня, и впуск и выпуск газов проводился также с двух концов цилиндра с помощью золотников (таких же, как в паровых машинах).
Цикл работы ДВС Ленуара состоял из двух тактов (из двух ходов поршня — вперёд и назад). Оба хода обеспечивались расширением газовой смеси при сжигании, что требовало большого расхода топлива. Работа ДВС Ленуара обходилась в 7 раз дороже работы паровой машины той же мощности. Зато из-за отсутствия котла и топки ДВС был компактнее, и его, например, ставили на лодки, где не было места для паровой машины.
Первая победа Отто
Недостатки ДВС Ленуара учёл немецкий конструктор Н.А. Отто при создании своего двухтактного двигателя. Сделанный им в 1864 г. ДВС тоже работал на смеси воздуха со светильным газом. Отто поджигал смесь не электрической искрой, а пламенем газовой горелки, что было надёжнее при тогдашнем уровне развития электротехники. ДВС Отто совершал один рабочий ход. Сделав цилиндр вертикальным, Отто заставил поршень двигаться вниз без помощи давления газов, только под воздействием своего веса и давления атмосферы. Это позволило его ДВС при вдвое меньшем расходе топлива развивать мощность как у ДВС двойного действия. ДВС Отто оказался в 4-5 раз экономичнее двигателя Ленуара. Первые ДВС Отто широко использовались как приводы для типографских машин, грузовых лифтов-подъёмников, токарных и ткацких станков, прядильных машин и прочего оборудования.
Двухтактные ДВС, работающие по принципу ДВС Отто 1864 г., и сейчас используются как приводы сенокосилок и бензопил, в лодочных и мотоциклетных моторах.
Четыре такта успеха
Настоящий прорыв в создании ДВС Отто совершил в 1876 г. В новом двигателе Отто вернулся к горизонтальной конструкции. Для увеличения мощности ДВС Отто решил перед воспламенением сжать топливную смесь, а для этого цикл работы ДВС пришлось увеличить до 4 тактов — 4 ходов поршня, и этот двигатель стал называться четырёхтактным ДВС.
Мощный четырёхтактный ДВС Отто вытеснил все предыдущие модели ДВС — его схема стала образцом для создания всех последующих ДВС вплоть до нашего времени и открыла возможность применения ДВС на транспорте.
Развитие идеи
Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много. В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки.
Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.
Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).