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技术历史、技术、我们身边的事物
发动机是汽油和汽油。 发明和生产的历史
内燃机是燃料在发动机工作室（内部）直接燃烧的发动机。 内燃机将燃料燃烧产生的压力转化为机械功。
蒸汽机并没有彻底解决人类面临的能源问题。 在 10 世纪占工业部门很大一部分的小作坊和企业并不总是能够使用它。 事实上，小型蒸汽机的效率非常低（不到 XNUMX%）。 此外，使用这种发动机会带来高成本和麻烦。 为了让它运转起来，必须生火并产生蒸汽。 即使只是偶尔需要这辆车，它仍然必须不断保持动力。 小工业需要一台功率小、占用空间小、无需太多准备就可以随时开启和关闭的发动机。 XNUMX世纪初，首次提出了这种发动机的想法。 1799世纪最后一年，法国工程师菲利普·勒邦发现了照明气体。 传统将其成功归功于机会——Lebon 看到气体从一艘燃烧着锯末的容器中喷出，并意识到这种现象可以带来什么好处。 XNUMX 年，他获得了通过干馏木材或煤炭获得照明气体的用途和方法的专利。 这一发现对照明技术的发展具有重要意义。 很快，在法国，然后在其他欧洲国家，煤气灯开始成功地与昂贵的蜡烛竞争。 然而，照明气体不仅适用于照明。 1801 年，勒庞获得了一项燃气发动机设计专利。 这台机器的工作原理是基于他发现的气体的众所周知的特性：它与空气的混合物在点燃时会爆炸，释放出大量的热量。 燃烧产物迅速膨胀，对环境造成巨大压力。 通过创造适当的条件，可以将释放的能量用于人类的利益。 Lebon 发动机有两个压缩机和一个混合室。 一个压缩机应该将压缩空气泵入腔室，另一个 - 来自气体发生器的压缩轻质气体。 然后气体-空气混合物进入工作气缸，并在那里点燃。 发动机是双作用的，即工作腔交替作用在活塞的两侧。
本质上，勒庞孕育了内燃机的想法，但在 1804 年他还没来得及将他的发明变为现实就去世了。 但他的想法继续引起最密切的关注。 事实上，燃气发动机的工作原理比蒸汽发动机简单得多，因为这里的燃料本身直接在活塞上产生压力，而在蒸汽发动机中，热能首先转移到另一种载体 - 水蒸气，这确实有用。 在随后的几年里，来自不同国家的几位发明家试图使用照明气体制造一种可行的发动机。 然而，所有这些尝试并没有导致可以成功与蒸汽机竞争的发动机出现在市场上。 创造商业上成功的内燃机的荣誉属于比利时工程师让·艾蒂安·勒努瓦。 在电镀厂工作时，Lenoir 提出了可以用电火花点燃燃气发动机中的空气燃料混合物的想法，并决定根据这个想法制造发动机。 电镀车间的老板给了勒努瓦钱，他用这笔钱在 1860 年制造了他的第一台发动机。 无论是外观还是设计，它都类似于蒸汽机。 发动机是双作用的。 下阀芯交替地向位于活塞相对两侧的气缸腔供应空气和气体。 上阀芯用于释放废气。 气体和空气通过单独的通道供应到阀芯。 混合物被吸入每个空腔直到冲程的大约一半，然后阀芯关闭入口窗口，混合物被电火花点燃。 燃烧时，它膨胀并作用于活塞，产生有用的功。 反应结束后，第二个阀芯将气缸与排气管连通。 同时，混合物在活塞的另一侧被点燃。 他开始向后移动，排出废气。 勒努瓦并没有立即成功。 在可以制造所有零件并组装机器后，它工作了一段时间并停止了，因为由于加热，活塞膨胀并卡在气缸中。 Lenoir 通过考虑水冷系统改进了他的引擎。 然而，第二次发射尝试也因活塞行程不佳而以失败告终。 Lenoir 用润滑系统补充了他的设计。 直到那时，发动机才开始运转。
本发明公布后，车间开始接到新发动机的订单，但工作仍不尽人意——点火系统经常出现故障，阀芯在没有润滑的情况下无法工作，无法建立令人满意的润滑在 800 度的温度下。 发动机的效率勉强达到4%，消耗了大量的润滑油和汽油。 尽管如此，该引擎很快就受到欢迎。 它的主要买家是小型企业（印刷厂、修理厂等），蒸汽机对这些企业来说过于昂贵和笨重。 同时，事实证明，Lenoir 发动机易于操作、重量轻且尺寸小。 1864 年，已经生产了 300 多台不同容量的此类发动机。 变得富有后，勒努瓦停止了改进他的汽车的工作，这注定了她的命运——她被德国发明家奥古斯特·奥托创造的更先进的发动机赶出了市场。 1864 年，他的燃气发动机模型获得了专利，并于同年与富有的工程师朗根签订了开发这项发明的协议。 很快，“Otto and Company”公司成立了。
乍一看，Otto 发动机代表了 Lenoir 发动机的倒退。 圆柱体是垂直的。 旋转轴放置在侧面的圆柱体上方。 沿着活塞的轴线，连接到轴的导轨连接到它。 发动机工作如下。 转轴将活塞抬高了气缸高度的1/10，结果活塞下方形成了一个稀薄的空间，空气和气体的混合物被吸入。 然后混合物被点燃。 奥托和朗根都没有足够的电气工程知识，因此放弃了电点火。 他们通过管子用明火点燃。 在爆炸过程中，活塞下方的压力增加到大约 4 个大气压。 在这个压力的影响下，活塞上升，气体体积增加，压力下降。 当活塞升起时，一个特殊的机构将导轨与轴断开。 活塞首先在气压下，然后在惯性作用下上升，直到在其下方形成真空。 因此，燃烧燃料的能量以最大的完整性被用于发动机。 这是奥托的主要原始发现。 活塞向下的工作行程是在大气压的作用下开始的，当气缸内的压力达到大气压后，排气门打开，活塞以其质量将废气排出。 由于燃烧产物的膨胀更彻底，这台发动机的效率明显高于勒努瓦发动机的效率，达到了15%，即超过了当时最好的蒸汽机的效率。 这种发动机设计最困难的问题是创建一种将齿条的运动传递到轴的机构。 为此，发明了一种带有球和饼干的特殊传送装置。 当带有齿条的活塞向上飞行时，饼干的倾斜表面覆盖在轴上，它们与球相互作用，不会干扰齿条的运动，但只要齿条开始向下移动，球从饼干的斜面上滚下来，紧紧地压在轴上，迫使它旋转。 这种设计确保了发动机的可行性。 由于 Otto 发动机的效率几乎是 Lenoir 发动机的五倍，因此它们的需求量立即很大。 在随后的几年里，大约生产了五千件。 Otto 努力改进他们的设计。 很快，齿轮齿条被曲柄齿轮所取代（许多人对齿条的外观感到尴尬，它飞了几分之一秒，而且它的运动伴随着令人不快的嘎嘎声）。 但他最重要的发明是在 1877 年，当时奥托为一种新型四冲程发动机申请了专利。 直到今天，这个循环仍然是大多数燃气和汽油发动机运行的基础。 次年，新发动机已投入生产。
在所有早期的燃气发动机中，气体和空气的混合物在大气压下在工作气缸中被点燃。 但是，爆炸的效果越强，压力就越大。 因此，当混合物被压缩时，爆炸应该更强。 在奥托的新型燃气发动机中，气体被压缩到 2、5 或 3 个大气压，结果发动机尺寸变小，功率增加。 为了容纳气体混合物，加长了一侧的圆柱体。 当活塞到达这里的最终位置时，仍有一些空间充满了压缩气体混合物。 多亏了这一点，当活塞在改变运动时速度为零时，就有可能在活塞的最终位置产生爆炸。 使用这种死点点火系统，可以避免活塞对气缸壁的冲击、冲击和震颤，这在以前的发动机中是有的。 活塞冲程如下。 1) 在第一个活塞冲程中，通过打开的进气阀和混合物进气阀吸入 1/10 气体和 9/10 空气的稀薄混合物。 2）在活塞的反向冲程期间，入口关闭，吸入的混合物在气缸中被压缩。 3）在这个冲程结束时，在死点发生点火，爆炸气体产物的发展压力使活塞移动。 在第三冲程开始时，压力达到 11 个大气压，而在膨胀过程中，它下降到几乎 3 个大气压。 四）。 在活塞的二次反向冲程中，排气门打开，活塞将燃烧产物从气缸中排出。 当达到极限时，一些燃烧产物的残留物仍留在气缸内，但并不影响发动机的进一步运转。 相反，它们的存在产生了有益的影响——不是爆炸，而是发生了更均匀的燃烧，这就是为什么活塞冲程更均匀，没有抖动，并且发动机可以在以前看起来不可接受的地方使用——例如，用于织机和发电机的运动。 这是奥托发动机的一个重要优势。 为了使轴的旋转更加均匀，它配备了一个巨大的飞轮。 毕竟，在活塞的四个冲程中，只有一个对应于有用功，飞轮必须为随后的三个冲程（或者，同样的，在 1 转期间）提供能量，以便工作机器可以在不减速的情况下运行下。 如前所述，用明火点燃混合物。 由于与轴的曲柄连接，无法将气体膨胀到大气中，因此发动机效率并不比以前的型号高多少，但结果却是当时热机的最高水平。 四冲程循环是奥托最大的技术成就。 但很快事实证明，在他发明的几年前，法国工程师博德罗氏（Beau de Roche）描述了完全相同的发动机工作原理。 一群法国实业家在法庭上对奥托的专利提出质疑。 法院认为他们的论点具有说服力。 奥托从他的专利中获得的权利大大减少，包括取消他对四冲程循环的垄断。 奥托痛苦地经历了这次失败，与此同时，他的公司的事务进展得相当顺利。 虽然竞争对手开始生产四冲程发动机，但经过多年生产的奥托模型仍然是最好的，对其的需求并没有停止。 到 1897 年，生产了大约 42 台这些不同容量的发动机。 然而，使用轻质气体作为燃料的事实大大缩小了第一代内燃机的范围。 即使在欧洲，照明和天然气工厂的数量也微不足道，而在俄罗斯只有两个——莫斯科和圣彼得堡。 因此，为内燃机寻找新燃料的工作并未停止。 一些发明人已经尝试使用液体燃料蒸气作为气体。 早在 1872 年，美国布莱顿号就曾试图以这种方式使用煤油。 然而，煤油没有很好地蒸发，布莱顿转而使用更轻的石油产品汽油。 但是为了让液体燃料发动机成功地与汽油竞争，有必要制造一种特殊的装置（后来它被称为化油器）来蒸发汽油并获得它与空气的可燃混合物。布莱顿在 1872 年来到与第一批所谓的“蒸发”化油器之一相比，但他的表现并不令人满意。 直到十年后，才出现了可行的汽油发动机。 它是由德国工程师戈特利布戴姆勒发明的。 多年来，他一直在 Otto 公司工作，并且是其董事会成员。 80 年代初，他向老板提出了一个可用于运输的紧凑型汽油发动机的项目。 奥托（就像他那个时代处于类似情况的瓦特一样）对戴姆勒的提议反应冷淡。 然后戴姆勒和他的朋友威廉迈巴赫做出了一个大胆的决定——1882 年，他们离开了 Otto 公司，在斯图加特附近收购了一个小作坊，并开始着手他们的项目。 戴姆勒和迈巴赫面临的问题并不容易；他们决定制造一种不需要气体发生器的发动机，它既轻巧又紧凑，但同时又足够强大，足以移动机组人员。 戴姆勒希望通过提高轴速来增加功率，但为此必须确保混合物的所需点火频率。 1883 年，第一台汽油发动机通过通向气缸的热空心管点火而诞生。
汽油发动机的第一个模型是为工业固定装置设计的。 这里 P 是汽油箱，在截止阀 p 的帮助下，如此多的汽油通过管道输送到用于蒸发它的装置 AB 中，因此 A 始终保持大约 2/3 满。 B 是在汽油进入 A 之前首先加注的灯。从灯 B 通过带有阀门 V 的管子将汽油供应到位于外壳 L 中的燃烧器； 它从燃烧器的狭窄尖端以细流的形式流动，由于燃烧器的高温，它立即蒸发了。 火焰在铂点火器周围燃烧并将其加热。 在蒸发器 A 中，通过汽油吸入加热的空气产生汽油蒸汽。 这些蒸气在控制阀H中与空气混合，得到可燃气体混合物。 在活塞的向下冲程期间，它吸入这种混合物，在反向冲程期间，它在用于压缩的空间中压缩它。 当活塞处于上止点时，分配机构打开一个热铂点火器，装药爆炸，燃烧气体压在活塞上。 为了形成汽油蒸汽，如上所述，空气必须被预热。 这是通过空气在进入蒸发器之前通过燃烧器外壳的事实来实现的。
启动发动机，在加满汽油 A 和 B 后，首先打开燃烧器阀门 V，从外部加热燃烧器管一到两分钟。 所以他们达到了汽油开始蒸发的温度。 当点火器红热时，打开阀门 V，使用专用手柄手动旋转发动机； 几转后，工作缸发生第一次爆炸； 然后引擎开始运转。 与燃气发动机一样，工作缸被外壳包围，水从水管或由发动机本身驱动的小型泵 Q 流过该外壳以进行冷却。 从上面的描述可以看出，第一代汽油发动机中液体燃料的蒸发过程还有很多不足之处。 因此，化油器的发明给发动机制造带来了真正的革命。 匈牙利工程师 Donat Banki 被认为是它的创造者（尽管独立于他，甚至更早一点，同样的化油器设计是由戴姆勒的朋友和盟友迈巴赫开发的）。 班基后来因其在水轮机领域的杰出发明而声名鹊起。 但是，当他还是个年轻人的时候，他在 1893 年申请了带有喷嘴（喷嘴）的化油器的专利，这是所有现代化油器的原型。
与他的前任不同，班基提议不蒸发汽油，而是将其精细地喷洒到空气中。 这确保了其在气缸上的均匀分布，并且蒸发本身已经在压缩热的作用下在气缸中发生。 为了确保雾化，通过计量喷嘴的气流吸入汽油，并通过在化油器中保持恒定的汽油水平来实现混合物的恒定性。 射流以管中的一个或多个孔的形式制成，垂直于气流定位。 为了保持压力，提供了一个带浮子的小油箱，将液位保持在给定高度，因此吸入的汽油量与进入的空气量成正比。 因此，化油器由两部分组成：浮子室 1 和混合室 2。燃油通过管道 1 从油箱自由进入室 3，并通过浮子 4 保持在同一水平面上，浮子 5 与燃油液位一起上升，在加油过程中，使用杠杆 6，降低了针 1，从而阻止了对燃料的访问。 燃料从腔室 2 自由流入腔室 7，并在与腔室 1 相同高度的喷气口 2 中停止。腔室 8 的底部有一个开口，与外部空气相通，顶部有一个与发动机进气阀相通的开口。 通过转动节流阀（襟翼）XNUMX 来调节输送到气缸的混合物量。在活塞的吸入冲程中，空气从下方冲入混合室并从喷嘴中吸入燃料，将其喷射并蒸发。 最早的内燃机是单缸的，为了增加发动机的功率，增加气缸的容积是很常见的。 然后他们开始通过增加气缸数量来实现这一目标。 XNUMX世纪末出现了两缸发动机，XNUMX世纪初开始普及四缸发动机。 后者的布置方式是，在每个气缸中，四冲程循环移动一个活塞冲程。 由于这一点，曲轴的旋转达到了良好的均匀性。
与以前的轴不同，曲轴由单独的曲轴组成，曲轴在连杆的帮助下连接到单独的活塞上。 一方面，轴接收来自活塞的运动并将往复运动转换为旋转运动，另一方面，它控制活塞的运动，因此活塞在精确设定的时刻前后移动，即，它们同时在所有气缸中经过一个工作循环。 所有这些周期都定期交替。 作者：Ryzhov K.V.
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