Газовый двигатель лебона кратко
Обновлено: 05.07.2024
26 августа 1801 года французский инженер, профессор механики в Школе мостов и дорог в Париже Филипп Лебон оформил патент на конструкцию газового двигателя. Движущая сила возникала после взрыва газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра — у человечества появился двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Поиск альтернативы тепловым (паровым) машинам начался фактически сразу после их появления. К этому подталкивала сама их несовершенная конструкция. С одной стороны, они обладали большими габаритами и массой из-за применения внешнего оборудования для обеспечения сгорания топлива и поддержания давления пара. А с другой — функциональная часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Данное противоречие постоянно побуждало мысль изобретателей к поиску возможности совмещения процесса сгорания топлива с рабочим телом двигателя. Всех перспектив такого прорыва разум человека конца XVIII века представить не мог, но было ясно, что решение проблемы позволит значительно уменьшить габариты и вес двигателя и увеличить его полезное действие.
Однако, чтобы такое стало осуществимым, сначала нужно было решить вопрос с подходящим топливом. Без этого любой прогресс в области ДВС просто невозможен. Именно топливо определяет устройство двигателя, его габариты и характеристики, да и саму возможность его создания. И первым таким топливом стал светильный газ.
Он был открыт французским инженером Филиппом Лебоном (1769−1804) (рис. 1), который в 1799 году получил патент на использование и способ получения этого газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами.
Рис. 1. Филипп Лебон
Лебон понял, что его светильный газ можно использовать не только для освещения. Изобретателю пришла в голову мысль взяться за конструирование двигателя, способного заменить паровую машину. Основным требованием к конструкции такого агрегата было сгорание топлива не во внешней топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.
Через два года работа Лебона, который к тому времени получил звание профессора механики в парижской Школе мостов и дорог, дала результат. И 26 августа 1801 года он оформил патент на конструкцию своего газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на уже известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом при воспламенении взрывалась с выделением большого количества теплоты.
Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Для полезного использования этого явления в двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора.
Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. Таким образом, в руках 32-летнего французского профессора оказалась хоть и несовершенная, но вполне действующая первая в истории модель двухтактного ДВС.
Если бы Провидение подарило этому талантливому изобретательному французскому инженеру долгую жизнь, то вполне вероятно, что человечество значительно раньше пересело бы из конных экипажей в автомобили и поднялось в воздух на первых аэропланах. Однако Лебону не суждено было продолжить работы по усовершенствованию своего творения — в 1804 году он был убит.
Работы над двигателем, работающим на светильном газе, продолжил бельгийский механик Жан Этьен Ленуар. Он значительно усовершенствовал конструкцию и первым применил электрическую искру для воспламенения газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра. Также он первым снабдил свой двигатель водяной системой охлаждения и использовал систему смазки для лучшего хода поршня. Двигатель Ленуара (рис. 2), который окончательно был сконструирован в 1860 году, имел мощность около 12 л. с. с КПД около 3,3%. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ленуар перестал работать над его усовершенствованием, и позднее более удачные модели вытеснили этот двигатель с рынка.
Еугенио Барзанти и Фетис Матточчи развили эту идею и в 1854 году представили свой двигатель внутреннего сгорания. Он работал в трехтактной последовательности (без хода сжатия) и имел водяное охлаждение. Хотя рассматривались и другие виды топлива, но все же в качестве горючего была выбрана смесь воздуха с каменноугольным газом, и при этом удалось достичь мощности в 5 л. с.
В 1862 году французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство — первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело тогда так и не дошло.
На Парижской всемирной выставке 1867 года представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лангеном, продемонстрировали двигатель (рис. 3), сконструированный с использованием принципа Барзанти-Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил упомянутый выше двигатель Ленуара.
Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение, и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение.
Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой: КПД этого двигателя достигал 15%, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей (рис. 4).
Рис. 4. Схема работы поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания
Использование в качестве топлива светильного газа сильно сужало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два — в Москве и Петербурге.
В 1883 году появился бензиновый двигатель, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.
А в 1885 году Даймлер и Майбах разработали легкий бензиновый карбюраторный двигатель. Они использовали его для создания первого мотоцикла в 1885 году, а в 1886-м — на первом автомобиле. Человечество вступило в новую эру.
Сегодня на каждую модель машины приходится примерно по одной модели двигателя. Так было, конечно, не всегда. Сегодня я расскажу, как выглядел самый первый двигатель внутреннего сгорания, на чем он работал, какой он был по мощности и для чего он использовался.
В 1799 году французский инженер Лебон открывает и патентует светильный газ. Чтобы его получить, топливо (например, каменный уголь – самое доступное на тот момент горючее) помещается в сосуд, откуда откачивают воздух. Снаружи сосуд начинают нагревать и топливо превращается в газ. Сначала светильный газ использовали для освещения улиц и домов, что следует из название.
Однако в 1801 году тот же Лебон проектирует и патентует двигатель, работающий на этом газе. У этого изобретения были все шансы воплотиться в жизнь, но изобретателя убивают в 1804 году, и он не успевает построить рабочий прототип двигателя.
В это время свои проекты создают другие ученые, но ни у кого из них не получилось создать что-то, что было объективно лучше паровой машины – главного источника энергии 18 века.
В этих изысканиях достигает успеха бельгиец Жан Этьен Ленуар. В то время он работал на гальваническом заводе – там, с помощью электричества получали чистые металлы. У изобретателя появилась идея – использовать искру, чтобы поджигать топливо внутри двигателя.
В 1860 году Ленуар построил первый двигатель, мощность которого составила 12 л.с. Для сравнения – человек имеет примерно в 120 раз меньшую мощность. Двигатель представлял собой горизонтальный цилиндр, в котором ходил поршень. Поршень делил пространство цилиндра как бы на две части, каждая из которых являлась камерой сгорания.
Работал он следующим образом – сначала человек раскручивал маховик – большое колесо, соединенное напрямую с валом, который крутил двигатель.
К валу присоединен кривошип, который вращается вместе с ним.
К кривошипу через подшипник присоединен шатун.
К шатуну, опять же через подшипник, присоединяется поршневой палец, на который уже насаживается поршень.
Такая конструкция называется кривошипно-шатунный механизм (думаю понятно почему именно такое название). Такой же механизм можно найти, например, в швейной машинке.
Кривошипно-шатунный механизм позволяет преобразовать поступательное движение (вперед-назад) во вращательное (или наоборот).
Вернемся к принципу работы двигателя. Когда маховик крутится, поршень ходит взад-вперед. В определенный момент открывается впускной клапан над поршнем и туда поступает светильный газ, смешанный с воздухом. Когда в полости уже достаточно топлива (это определяется конструкцией двигателя), то подача топлива прекращается, а на свечу зажигания – два электрода, находящиеся внутри цилиндра – подается разряд, и она поджигает все топливо внутри. В результате смесь взрывается и с силой отталкивает поршень.
За счет инерции, поршень начинает двигаться в обратную сторону, выталкивая продукты сгорания. Процесс начинается заново, но топливо закачивается уже в другую камеру, находящуюся с противоположной стороны цилиндра. Так продолжается пока не закончится топливо.
КПД двигателя был меньше 5%. Это значит, что из 1 кубического метра светильного газа только 50 литров уходило на движение, а остальные 950 литров – пустые траты.
У двигателя было множество недостатков, которые делали его довольно слабым конкурентом паровой машины, но Ленуару удалось сделать рабочий мотор без котлов и печей, который к тому же работал автоматически.
Двигатель заработал не сразу – при первом запуске из-за нагрева поршень заклинил в цилиндре. Изобретателю пришлось добавлять к своему детищу систему водяного охлаждения. Однако оказалось, что проблема не только в тепловом расширении, но и в неточной подгонке деталей и сильном трении. Ленуар добавил в свою конструкцию смазку и вот тогда двигатель заработал.
За 4 года изобретатель сконструировал более 300 двигателей разной мощности и получил большое количество денег. Ленуар не стал дальше улучшать свое изобретение – вместо этого он ушел на покой и жил в богатстве до конца жизни.
Двигатель Ленуара – это первый ДВС, выпускавшийся серийно и первый двигатель с системой охлаждения и смазки.
Несмотря на изобретение парового двигателя, многие небольшие предприятия и мастерские XIX века не могли его использовать, т.к. это было хлопотно, связано с большими затратами, а КПД небольшого парового двигателя был невысок (меньше 10%). Появилась острая необходимость в двигателе небольшой мощности, занимающего немного места, не требующего долгой подготовки к работе и который можно включать и выключать в любое время. Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ и получил патент на способ получения и использования этого газа методом сухой перегонки угля или древесины, что значительно повлияло на развитие техники освещения.
Газовый двигатель Лебона
В 1801 году Лебон, основываясь на свойстве открытого газа, создал и запатентовал конструкцию газового двигателя. При воспламенении смесь газа с воздухом взрывалась, выделяя при этом большое количество теплоты. При расширении продукты горения оказывали давление на окружающую среду. При соответствующих условиях выделяемую энергию можно использовать в интересах человека. Двигатель Лебона включал 2 компрессора и камеру смешения. Один компрессор накачивал в камеру сжатый светильный газ, другой — сжатый воздух. Полученная в результате газовоздушная смесь направлялась в рабочий цилиндр, в котором воспламенялась. Это был двигатель двойного действия — действовавшие попеременно рабочие камеры были по обе стороны поршня. По сути, Лебон был близок к созданию двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель Ленуара
После гибели изобретателя в 1804 году было несколько попыток создать двигатель на светильном газе. В 1860 году бельгийский изобретатель Хан Этьен Ленуар создал газовый двигатель, где горючая смесь воспламеняется, как и сейчас, при помощи электрической искры. Вначале из-за нагрева поршень расширялся и мешал нормальной работе мотора. Кроме того, у поршня был плохой ход. Для устранения этих недостатков изобретатель дополнил конструкцию системой охлаждения и системой смазки. Так появился двухтактный ДВС. В 1876 году Н. Отто создал новый четырехтактный двигатель, который и сегодня является основой работы большей части бензиновых и газовых двигателей.
Двигатель Брайтона
Двигатель для автомобиля Даймлера, разработанный Майбахом
Наконец, в 1882 году Ю. Даймлер и В. Майбах изобрели полноценный бензиновый двигатель с воспламенением бензина от трубки накаливания. В 1893 году венгерский изобретатель Донат Банки запатентовал карбюратор с форсункой (жиклером), ставший прообразом современных карбюраторов. Вместо испарения бензина Банки предлагал его мелко распылять в воздухе через дозирующий жиклер. Это позволило равномерно распределить бензин по цилиндру, испарение происходило под действием тепла сжатия в цилиндре.
Первые двигатели были одноцилиндровыми, для увеличения мощности двигателя приходилось увеличивать объем цилиндра. Позже эта проблема стала решаться путем увеличения числа цилиндров. В конце XIX столетия уже были двухцилиндровые двигатели внутреннего сгорания, с начала XX века большое распространение получили четырехцилиндровые. Двигатель внутреннего сгорания является наиболее важной деталью любого автомобиля. С каждым годом совершенствуется конструкция автомобилей, улучшаются технические характеристики двигателя, повышается его эффективность.
История появления двигателя внутреннего сгорания начинает свою историю с 1799 года, когда Филиппом Лебоном был открыт светильный газ. Именно он послужил основой для возникновения идеи по созданию двигателя, в котором топливо будет сгорать непосредственно в цилиндре.
Первые попытки создания двигателя
Итак, первым кто задумался над созданием двигателя внутреннего сгорания, был изобретатель Лебон. Воспользовавшись свойствами светильного газа, который при смешивании с воздухом взрывался и выделял огромное количество тепла, он создал двигатель способный конвертировать эту энергию на нужды человека. Его двигатель представлял собой механизм из камеры и двух компрессоров. В одном компрессоре находился светильный газ, а в другом – воздух. При их смешивании возникало воспламенение, которое и позволяло двигателю работать. Однако изобретателю так и не удалось реализовать свою задумку, так как в 1804 году он погиб.
Следующие годы были безуспешными для других исследователей старавшихся создать двигатель, однако бельгийский механик Ленуар решил попытать счастья и создать механизм, в котором смесь топлива и воздуха будет воспламеняться при помощи искры.
Прошли годы, однако, несмотря на затруднения и неудачи ему все-таки удалось воплотить задуманное в жизнь и к 1864 году мир увидели более трехсот двигателей различной мощности. Однако существенно заработав, Ленуар прекратил усовершенствование изобретения, чем и поплатился, ведь другому изобретателю удалось создать двигатель лучше предыдущего.
Новая ступень в создании двигателя
Итак, в 1865 году патент на создание газового двигателя получил немецкий изобретатель Август Отто, который сделал небольшой шаг назад и создал менее прогрессивный, но более экономичный аналог двигателя Ленуара, что позволило ему захватить рынок и существенно заработать.
Однако в отличие от предшественника он не остановился на этом и, получив в 1877 году патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом – создал его. Но выяснилась, что такую же модель ранние разработал французский инженер Бо деРоша, который отсудил права на изобретение у Отто.
Несмотря на это налаженное производство двигателей Отто позволило ему удержаться на ринке и даже захватить его существенную долю. Спрос возрастал, а вот потребность в светличном газе оказывалась все менее обеспеченной, что привело к необходимости поиска нового вида горючего, которое можно было бы распылить и воспламенить. И таким, в ходе исследований американца Брайтона изначально стал керосин, однако из-за высокой массы затрудняющей испарение он был заменен на бензин.
Прорыв в создании двигателя
С использованием бензина была достигнута необходимая конкурентоспособность двигателя, однако одним из немаловажных моментов оставалось обеспечение испарения этого самого бензина в воздушной смеси для достижения эффекта возгорания.
В 1880 году изобретателем Костовичем был создан первый работоспособный прототип бензинового двигателя, однако о его разработке мало кому известно.
В это же время в Европе разработкой бензинового двигателя занимался сотрудник компании Отто по имени Готлиб Даймлер. Однако представленная им разработка не была по достоинству оценена его руководством, и прототип бензинового двигателя так и дальше остался бы лишь прототипом, если бы Готлиб не был так уверен в его дееспособности на транспорте.
Решившись на отчаянный шаг, Даймлер вместе с напарником из фирмы Отто Майбахом оставляют компанию и, купив небольшую мастерскую неподалеку от Штутгарта, начинают работу над проектом.
Основной задачей для них становится создание легкого, и компактного двигателя способного перемещать экипаж. Увеличение мощности разработчиками планировалось за счет более частого вращения вала, однако чтобы достигнуть этого, им необходимо было обеспечить постоянный источник воспламенения. И им это удалось, в 1883 году они создают первый калильный бензиновый двигатель, в котором вещество воспламеняется благодаря раскаленной трубочке, вставленной в цилиндр.
Настоящим прорывом для использования бензиновых двигателей стало изобретение карбюратора, создателем которого был венгерский инженер Донат Банки. Именно он придумал не испарять бензин, а лишь распылять его в воздухе, благодаря чему он равномерно распределялся по цилиндру, а его испарение было обусловлено действием сжатого тепла.
Распыление бензина обеспечивалось проходящим потоком воздуха, через дозирующий жиклер, который представлял собой трубку с несколькими отверстиями расположенной перпендикулярно. Равномерность достигалась благодаря поддержанию постоянного уровня бензина внутри карбюратора.
Именно эти двигатели стали первыми, и их мощность достигалась благодаря увеличению цилиндра, однако в конце девятнадцатого века для увеличения мощности начали просто увеличивать количество цилиндров.
Читайте также: