Поршневой двигатель внутреннего сгорания: история создания

Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), использует один или несколько поршней, совершающих возвратно-поступательное движение, для преобразования давления во вращательное движение. На данный момент это самый распространенный тип двигателя, используемый в автомобилях. Да и не только в них. Поршневые моторы используются в авиации, судоходстве и промышленности.

Первый поршневой двигатель

Макет самоходной тележки и схема ДВС Исаака Де Риваза

К концу 18-го века в мире уже существовали паромобили. Экипажи с паровым двигателем конструировали в Англии и Франции. Однако эти машины были громоздкими и медлительными. Кроме того, создатель самых совершенных на тот момент паровых двигателей Джейм Уатт считал, что для создания быстрых паромобилей потребуется паровой двигатель с высоким давлением в котле, что попросту не безопасно.

Понимал это и французский инженер и по совместительству действующий артиллерийский офицер — Франсуа Исаак де Риваз. Хорошо знакомый с принципом работы пороховой пушки, он задумался, а почему бы для приведения в движение поршня, использовать энергию пороховых газов, а не пара. В 1804 году он построил первый экспериментальный стационарный двигатель. Он работал по следующему принципу: в цилиндр подавалась смесь водорода с воздухом и воспламенялась при помощи электрического разряда. Фактически Риваз создал первый поршневой двигатель внутреннего сгорания.

В 1807 году изобретатель собрал первый экипаж с мотором собственной конструкции. На четырехколесной базе находился однопоршневой ДВС, без механизма газораспределения, а подача топливной смеси контролировалась вручную. Такой вот примитивный автомобиль смог преодолеть лишь 100 метров. Через шесть лет Риваз собрал новый экипаж куда больших размеров. Он имел длину 6 м, диаметр колес 2 м и весил около тонны. На этот раз мотор работал на смеси из светильного газа и воздуха. Груженая камнями машина смогла преодолеть 26 метров со скоростью 3 км/ч. За один рабочий ход поршня, автомобиль передвигался на 4-6 метров. Конечно с такими характеристиками коммерческая эксплуатация такого ДВС была невозможна, но это было только начало.

Дальнейшее развитие

1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год

Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.

Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.

В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.

Deutz AG

В 1864 году Николаус Отто и Ойген Ланге основали собственную фирму — N. A. Otto & Cie. Все началось маленького производственного цеха, где компаньоны собственноручно собирали первые двигатели. Позднее в компанию пришли такие небезызвестные для автомобильной индустрии люди как Вильгельм Майбах, Этторе Бугатти и Готлиб Даймлер. Последний с 1872 года занимал должность технического директора. В том же году компания меняет название на Gasmotoren-Fabrik Deutz AG.

В 1875 году случилось знаковое событие, которое навсегда перевернуло индустрию. Николаус Отто создал первый успешно работающий четырехтактный ДВС. В отличие от мотора Ленуара, новый двигатель работал намного эффективнее. Уже на первых порах его термический КПД превысил 15%. Кроме того он получился мощнее и экономичнее. Фактически новый мотор Отто послужил началом конца паровых машин.

Интересно посмотреть на характеристики этого двигателя. Одноцилиндровый мотор объемом в 6,1-литра развивал 3 л.с. при 180 об/мин. К примеру 18-литровый агрегат Ленуара развивал всего 2 л.с. Кроме того двигатель Отто был почти в 5 раз экономичнее. В результате новый, более эффективный мотор быстро вытеснил двигатель Ленуара с рынка.

Первый поршневой бензиновый двигатель

Мотоцикл Daimler Reitwagen, эскиз из патента 1885 года

Между тем, Николаус Отто видел свой мотор только в качестве стационарного. Но его соратник Готлиб Даймлер, активно агитировал шефа применить ДВС на транспорте. Отто был против, поэтому в 1880 году прихватив с собой Майбаха, Даймлер покинул Deutz AG.

Два инженера сосредоточились на единственной задаче — создать легкий, достаточно мощный поршневой двигатель, пригодный для установки на колесное шасси. Проблема состояла в том, что двигатель конструкции Отто работал на газе и требовал газогенератор. Даймлер и Майбах решили разработать мотор на жидкостном топливе, дабы избавиться от массивного преобразователя. Дело это было не простое, так как на тот момент еще не существовало способа создать оптимальную топливно-воздушную смесь на которой бы двигатель работал устойчиво. Решением проблемы стал испарительный карбюратор разработанный Майбахом в 1885 году. Карбюратор позволил построить бензиновый ДВС(Standuhr) объемом 100 см3 и мощностью 1 л.с., который работал достаточно устойчиво и стабильно. В том же году, немного уменьшенный Standuhr мощностью в 0,5 л.с. разместили на деревянном велосипеде получив тем самым первый в мире мотоцикл. А спустя год и автомобиль.

С тех пор поршневой двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь. Однако его четырехтактный принцип работы остался неизменен. Сегодня в мире насчитывается более 1,2 млрд. автомобилей и большинство из них оснащены ДВС.

Типы поршневых двигателей внутреннего сгорания: виды

Автопроизводители с каждым годом разрабатывают все больше новых моторов. Они отличаются по размерам, объему и мощности.

Линейки моторов, устанавливающихся на конкретный автомобиль, пестрят ассортиментом. На одну модель производитель может предлагать до 15 вариантов двигателей. Вид топлива, лошадиные силы, количество цилиндров, наличие турбины, тип впрыска, количество клапанов — отличают моторы друг от друга. Но одним из самых главных критериев для различия двигателей является их тип. Именно его чаще всего отмечают дополнительным шильдиком на крышке багажника. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) можно разделить на рядные, V-образные, VR-образные, опозитные и W-образные. Также к ним можно отнести роторный мотор. Авто Информатор разобрался, в чем же характерные различия этих ДВС.

Вкратце о принципе работы самого распространенного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания. В таком двигателе цикл делится на 4 такта (4 хода поршня):

1. Поршень идет вниз от верхней мертвой точки, освобождая камеру сгорания (цилиндр) и засасывая смесь из открытого впускного клапана.
2. Поршень движется к верхней мертвой точке, сдавливая смесь. Когда поршень приближается к ней, в камеру сгорания подается искра.
3. Свободный ход поршня. После подачи искры смесь детонирует и выдавливает поршень из камеры сгорания.
4. Когда поршень совершает свой четвертый ход, открывается выпускной клапан, через который поршень выдавливает отработанные газы из камеры сгорания.

4 такта работы одного цилиндра ДВС

Рядный двигатель

Ход поршней в рядном ДВС (R6 — 6 цилиндров)

Один из самых простых типов двигателя. Он обозначается буквой «R» (R3, R4, R5 и так далее). В таком моторе цилиндры расположены в ряд. Их может быть от двух до шести. Самый распространенный из рядных двигателей — 4-х цилиндровый. Но в истории есть автомобили и с рядными 8-ми цилиндровыми моторами. Их перестали устанавливать из-за большой длины. Рядные «четверки» устанавливаются почти на все машины, объем которых находится в диапазоне от 1 до 2,4 литра. «Пятерки» начали устанавливать еще в 1974 году на Mercedes-Benz W123. Позже они начали появляться на Audi, а в конце 80-х — на автомобилях Volvo и Fiat. Касаемо рядной шестерки, самым ярким носителем данного мотора является Volvo S80, с объемом 3,2 литра.

V-образный двигатель

Ход поршней в V-образном двигателе (V8 — 8 цилиндров)

Следующий по популярности после рядного мотора. В таком двигатели цилиндры расположены друг напротив друга под углом от 10° до 120° (наиболее часто 45°, 60° и 90°) в форме латинской буквы «V», с равным количеством «котлов» на обоих сторонах. В таких моторах поршни вращают один общий коленчатый вал. На шильдике буква «V» обозначает тип двигателя, а следующие за ней цифры — количество цилиндров. Такие моторы бывают V6, V8, V10, V12. (не путать с 16V или 20V, в случае когда буква «V» расположена после цифр, она обозначает количество клапанов «Valve»). Почти всегда это машины с объемом двигателя более 3-х литров. Но бывают и меньше, например 2,8 v6 или 2,6 v6.

VR-образный двигатель

Так располагаются поршни в VR-образном двигателе

Знаменитый двигатель VR6 от Volkswagen, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR). На таких двигателях применяется очень маленький развал блока, всего в 15°. Угол настолько мал, что такой мотор называют еще «смещённо-рядным». Самыми известными авто с таким мотором являются Golf VR6 и Passat VR6.

W-образный двигатель.

Ход поршней в W-образном двигателе (W16 — 16 цилиндров)

Этот мотор также разрабатывался компанией Volkswagen. Суть двигателя заключается в слиянии двух VR-образных моторов в один под углом 72°. Мотор W12 был презентован на концепт каре W12 Roadster. Он состоял из двух моторов VR6. Позже Volkswagen презентовал топовую версию Passat B5 с двигателем W8. Он компоновался из тех же двух VR6 моторов, только с «обрезанными» двумя цилиндрами с каждого. Самый известный W-образный мотор установлен на Bugatti Veyron. Его объем достигает 16,4 литра, а сделан он из двух моторов VR8.

Оппозитный двигатель

Ход поршней в оппозитном двигателе

Двигатель внутреннего сгорания, в котором угол между цилиндрами составляет 180°. Отличается от V-образного с развалом в 180° тем, что стоящие напротив поршни достигают верхней мертвой точки одновременно, а не поочередно. Оппозитный мотор очень активно устанавливается в автомобили марки Subaru.

Рекомендуем посмотреть наш репортаж с чемпионата по дрифту. Он прошел в Киеве на автодроме «Чайка».

Метки:автомобили

Руководство для начинающих: что такое поршень (и что он делает)?

Поршни составляют основу поршневого двигателя внутреннего сгорания, поэтому их часто называют «поршневым двигателем». В своей основе поршень представляет собой просто сплошной металлический цилиндр, который движется вверх и вниз в полом цилиндре блока цилиндров . Сам поршень немного меньше отверстия, в котором он перемещается, но поршневые кольца на нем находятся под напряжением, что обеспечивает (почти) герметичное уплотнение после его установки в цилиндр двигателя. Поршень прикреплен через поршневой палец к шатуну, который, в свою очередь, соединен с коленчатым валом, и вместе они превращают движение вверх и вниз (возвратно-поступательное) в круговое и круговое (вращательное) движение для привода колес.

Двигатели внутреннего сгорания могут работать только с одним цилиндром и, следовательно, с одним поршнем (мотоциклы и газонокосилки) или с двенадцатью, но в большинстве автомобилей их четыре, шесть или восемь.

Поршни также используются в двигателях внешнего сгорания, также известных как паровые двигатели, в которых вода нагревается в котле, а образующийся пар используется для приведения в движение поршней во внешних цилиндрах, которые затем приводят в движение колеса.

В роторном двигателе нет поршней, цилиндров или клапанов, только вращающиеся роторы треугольной формы. Но в настоящее время роторные двигатели Ванкеля не производятся, последним из них является Mazda RX-8 2012 года9.0005

В каждом четырехтактном (бензиновом или дизельном) двигателе впуск, сжатие, сгорание и выхлоп происходят над головкой поршня, что заставляет поршень двигаться вверх и вниз (или из стороны в сторону в горизонтально противоположных двигателей, таких как Porsche или Subaru) внутри цилиндра. Поршень толкает вверх, сжимая топливо и воздух в гораздо меньшее пространство в головке цилиндра, где оно затем воспламеняется свечой зажигания. В результате взрыва поршень движется вниз, создавая выхлопные газы. Гораздо более полное объяснение можно найти здесь или на анимации ниже.

Компоненты двигателя сегодня должны быть прочными для долговечности и легкими для повышения эффективности, что означает, что все поршни изготовлены из алюминиевого сплава. Но еще на заре эры безлошадных повозок поршни были сделаны из чугуна, потому что они были очень долговечными и устойчивыми к теплу, который мог быстро расплавить алюминий. По мере развития металлургии и лучшего контроля температуры за счет более эффективной конструкции легкость алюминия быстро победила и позволила достичь гораздо более высоких оборотов.

Поршневые кольца по-прежнему изготавливались из чугуна и стальных сплавов из-за их более высокой жесткости. Пакет колец обычно состоит из компрессионного кольца, грязесъемного кольца и маслосъемного кольца, расположенных сверху вниз, из чугуна или стали.

Компрессионное кольцо уплотняет зазор между поршнем и цилиндром. Второе, грязесъемное кольцо, способствует сжатию, а также стиранию лишнего масла со стенок цилиндра при движении поршня вниз. Масляное кольцо на самом деле состоит из 2 колец и распределителя в большинстве двигателей, а также вытирает масло со стенки цилиндра, а затем позволяет ему стекать обратно через небольшие отверстия в кольцевой дорожке. Но со временем кольца могут изнашиваться и терять эластичность, позволяя маслу из картера перемещаться в камеру сгорания. Чрезмерный расход масла и голубоватый дым из выхлопных труб обычно свидетельствует об износе поршневых колец.

Основы работы двигателя с поршневым приводом

Многие люди всю жизнь управляют автомобилями, так и не поняв механики их работы. Обладание этими знаниями дает много преимуществ. Курсы обучения водителей отлично подходят для обучения людей правилам дорожного движения, но многие даже не охватывают основы механики.

Большинство современных автомобилей оснащены двигателями внутреннего сгорания. Это тип поршневого двигателя, в котором поршни используются для преобразования давления в движение. Хотя это может показаться сложным, самый простой способ понять ваш двигатель — изучить его различные части и то, что они делают во время этих циклов.

Преимущества понимания работы двигателя  

Существует множество причин, по которым необходимо иметь фундаментальное представление о том, как работает двигатель вашего автомобиля. Во-первых, это даст вам преимущество при покупке автомобиля, потому что вы сможете сравнивать разные автомобили на основе того, что находится под капотом. Когда у вас есть собственный автомобиль, знание устройства двигателя облегчит обслуживание автомобиля и устранение механических проблем.

Точно так же, если вам когда-нибудь понадобится отвезти машину на ремонт, знакомство с двигателем поможет вам понять, какие работы необходимо выполнить и почему. Вы также можете определить, действительно ли некоторые предлагаемые ремонтные работы не нужны.

Основные компоненты двигателя внутреннего сгорания  

Сердцем двигателя транспортного средства являются цилиндры. У большинства автомобилей их четыре, шесть или восемь. Внутри каждого цилиндра находится поршень, который скользит вверх и вниз и при этом вращает коленчатый вал, прикрепленный к коробке передач, которая, в свою очередь, приводит в движение колеса автомобиля. Цилиндры также оснащены клапанами, которые впускают воздух и топливо и позволяют выхлопным газам выходить. Топливо внутри двигателя воспламеняется свечами зажигания, и это сгорание приводит в движение поршни.

Четырехтактный цикл

Двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены многие современные легковые и грузовые автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу, и эти четыре этапа включают впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Поскольку автомобили обычно имеют по крайней мере четыре цилиндра, которые срабатывают последовательно, цилиндры всегда проходят разные этапы цикла, а это означает, что всегда есть поршень, движущийся для приведения в действие коленчатого вала.

• Цикл впуска : Во время цикла впуска впускной клапан цилиндра открывается, когда поршень движется вниз по цилиндру, и вакуум, создаваемый движением поршня вниз, всасывает воздух и топливо в камеру сгорания цилиндра.
• Цикл сжатия : Как только поршень достигает дна цилиндра, впускной клапан закрывается и сжимает воздух и топливо внутри камеры сгорания.