Газовый двигатель ленуара реферат
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.
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.
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.
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 изобретатель известен 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.
Учитывая с каким темпом прогресс шагал по миру в XIX столетии, ДВС не мог не появиться. Вопрос заключался лишь в том, кто окажется первым и кто доведет идею до нужных кондиций. Впрочем, мало кто сомневался, что дело обойдется без немецкого участия.
Ленуар создал свой двигатель, на чем и успокоился, занявшись другими проектами. Очень типично для французов.
Тут необходимо заметить, что в данном случае мы говорим о первом коммерчески успешном проекте. Созданием подобных аппаратов занималась масса людей и до Ленуара, например, изобретатель светильного газа Филипп Лебон, предпринявший попытку создания собственного мотора еще в 1801 году. И, вероятно, ему бы все удалось, если бы его жизнь трагически не оборвалась три года спустя.
С другой стороны, он, вполне возможно, так и остался бы не у дел, ибо технологии того времени не позволяли создать достаточно надежный механизм. Косвенным подтверждением тому служит как раз двигатель конструкции Ленуара, который появился лишь в 1860 году. Примечательно, что к принципиальному описанию модели своего изобретения француз дошел сквозь идею воспламенения топливо-воздушной смеси с помощью электрического разряда. Хотя, эта тема ему была достаточно близкой, ибо за его плечами к тому моменту уже были технологии получения гальванопластических копий и электрического тормоза. Мало того, в 1865 году он изобретет еще и пишущий телеграф. Однако за несколько лет до этого он столкнулся с массой трудностей, ибо его ДВС сначала продемонстрировал крайнюю склонность к перегреву, что в итоге потребовало внедрения системы водяного охлаждения, а после еще и к невероятно быстрому износу. Последняя проблема была решена, благодаря системе смазки. И только после этого мотор начал более или менее нормально работать.
ДВС на заре своего существования не рассматривался, как двигатель для разного рода транспортных средств. Инженеры бились над созданием альтернативы громоздким и малоэффективным паровым машинам.
Тут бы Ленуару продолжить свои изыскания, но он разбогател (за несколько лет он продал порядка 300 экземпляров) и утратил интерес к модернизации двигателя. И это было фатальной ошибкой, ибо в 1864 году патент на похожий агрегат получил немец Николаус Август Отто. Правда, тот не был столь же технологичным. В частности, он не имел системы электрического зажигания, ибо ни Отто, ни его компаньон и соотечественник Лангрен не обладали достаточными знаниями в электротехнике. Кроме того, цилиндр в их моторе располагался вертикально, а ход поршня составлял лишь 10% его высоты. Но в то же время, Отто разработал более оптимальный цикл работы двигателя. Его КПД достигал 15%, что являлось куда более высоким показателем, чем КПД самой совершенной на тот момент паровой машины.
Читайте также: