Николаус Август Отто был германским изобретателем, который в 1876 году создал первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, прототип сотен миллионов двигателей, построенных с тех пор. Трудно переоценить его заслугу в мировом автомобилестроении, просто без этого двигателя автомобилестроение не развивалось, этот двигатель, и есть двигатель этого развитие. 
Предпринималось множество попыток сконструировать автомобиль до того, как Отто создал свой двигатель. Некоторые изобретатели, такие как Зигфрид Маркус (в 1875 году), Этьен Ленуар (в 1862 году) и Николас Джозеф Канно (около 1769 года) даже добивались успеха и изготавливали модели, которые ехали. Но из-за отсутствия приемлемого типа двигателя - такого, который мог бы соединить в себе низкий вес и большую мощность - ни одна из этих моделей не нашла практического применения. В течение пятнадцати лет после изобретения Отто четырехтактного двигателя два изобретателя, Карл Бенц и Готлиб Дзймлер, независимо друг от друга сконструировали практичные, годные для продажи автомобили. Николаус Август Отто родился в 1832 году в городе Хольцхаузен в Германии. Его отец умер, когда Отто был еще ребенком. Будущий изобретатель хорошо учился, но в шестнадцать лет бросил высшую школу, чтобы найти работу и получить опыт в бизнесе. Некоторое время он работал в бакалейной лавке в маленьком городке, позже стал клерком во Франкфурте, а потом коммивояжером. Около 1860 года Отто услышал о газовом двигателе, недавно изобретенном Этьеном Ленуаром (1822–1900), первом рабочем двигателе внутреннего сгорания. Николаус Отто понял, что это изобретение имело бы гораздо большее применение, если бы могло работать на жидком топливе, поскольку в этом случае его не надо было бы прикреплять к газовым выходам. Вскоре Отто спроектировал карбюратор. Но ему отказали в регистрации патента, так как похожие аппараты уже были изобретены. Отто не разочаровался и с еще большими усилиями взялся за усовершенствование двигателя Ленуара. Уже в 1861 году он натолкнулся на идею принципиально нового типа двигателя, работающего в четырехтактном цикле (в отличие от примитивного двигателя Ленуара, который работал в двухтактном цикле). 
gpmar.ru
| Обратная связь | Рассмотрение четырехтактного цикла работы двигателя. Особенности устройства (золотниковая система газораспределения; зажигание горелкой) и технические характеристики двигателя. Причины, воспрепятствовавшие применению двигателя Николая-Августа Отто на автомобиле. Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему Николаю-Августу Отто (1832-1891) из Кёльна (Германия) совместно с Евгением Лангеном (1833-1895). Полученный Отто патент был в 1889 году аннулирован, так как четырехтактный цикл якобы обосновал ранее француз Л. Бо-де-Роша. Лишь посмертно заслуги Отто признала мировая техническая общественность, цикл назвали его именем. В труде «Новые газовые и нефтяные двигатели» французский (подчеркиваю, французский) ученый Г. Ришар писал в 1892 году: «Без предложенного Отто рабочего тела — горючей смеси — современный двигатель не существовал бы» и «Бо-де-Роша не изобрел четырехтактный цикл, осуществленный до него (при внешнем сжатии смеси) Лебоном в 1801 году и (при сжатии внутри цилиндра) в 1861 году — Отто». Обратимся теперь к существу изобретения. Наблюдая работу построенного газового двигателя, похожего на ленуаровский, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто испробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр, продолжал вращать маховик и включил зажигание лишь в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания. Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и соответственно двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Приведем краткое описание его. При первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» — головки цилиндра, создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. В чем значение ее сжатия, особо подчеркиваемое Ришаром? Частицы топлива сближаются, смесь легче поддается воспламенению. Если объем цилиндра над поршнем (т.е. в камере сгорания) равен его рабочему объему (между «мертвыми точками»), то степень сжатия равна 2, как у ранних ДВС (т.е. вдвое больше атмосферного давления), а давление газов при их взрыве вчетверо больше атмосферного (у современных двигателей оно в 40-50 раз больше, чем у двигателя Отто). Третий такт — рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное закрыто. Инерции маховика хватает и на то, чтобы поршень совершил еще три хода, повторяя четвертый, первый и второй такты. После них вал и маховик снова получают импульс. При пуске двигателя первые два такта происходят под действием внешней силы. Во времена Отто и еще в течение полувека маховик проворачивали вручную, а теперь его вращает электродвигатель — стартер. После первых нескольких рабочих ходов стартер автоматически отключается и двигатель работает самостоятельно. Впускное и выпускное отверстия открывает и закрывает распределительный механизм. Своевременное воспламенение смеси обеспечивает система зажигания. Цилиндр может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно, процесс работы двигателя от этого не меняется. К недостаткам двигателя Отто относят его тихоходность и большую массу. Увеличение числа оборотов вала до 180 в минуту приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Большое давление в цилиндре требовало крепких кривошипного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя достигала 500 кг на 1 кВт•ч. Для размещения всего запаса газа нужен был огромный резервуар. Все это предопределило неудачу: газовый двигатель Отто, так же как и первый его вариант, был непригоден для установки на автомобиль, однако получил широкое распространение в стационарных условиях. | |
pdnr.ru
За сто лет, в течение которых люди используют автомобиль, изменилось практически всё: менялся дизайн, исчезали одни автопроизводители и появлялись новые, менялась автомобильная мода. Да и чего только не поменялось… Хотя нет… За все эти годы только одно, пожалуй, осталось неизменным с 1876 г. - это всего лишь такты, по которым работает любой двигатель. И свершилось это благодаря изобретателю самоучке по фамилии Отто.
Николаус Август Отто родился в небольшой деревушке Хольцхаузен на берегу р.Таунус 10 июня 1832 года. Уже через несколько лет он остался без отца, и Николаусу пришлось бросить учебу и начать работать, для того чтобы прокормить семью.Однако жажда знаний не отпускала Николауса, и он по мере сил посещал разные курсы, в первую очередь связанные с техникой. При его работе коммивояжером, которая связана с постоянными переездами, это было достаточно трудно, но он делал это. А ведь ему ещё надо было кормить семью! Но предприимчивому немцу удалось найти, то, что через несколько лет стало для него настоящей золотой жилой. В конце 50-х годов XIX в. француз Ленуараи представил миру двухтактный двигатель собственной конструкции. Однако двигатель имел большое количество недостатков, в первую очередь небольшой ресурс и склонность к самовозгоранию. Именно его совершенствованием занялся Николаус Отто.В результате своих изысканий он пришел к выводу, что наиболее перспективным вариантом является четырехтактный двигатель. В принципе, эксперименты по созданию четырехтактного двигателя производились и до Отто, но авторы сталкивались с рядом проблем, в первую очередь с тем, что вспышки горючей смеси в цилиндрах происходили в настолько неожиданных последовательностях, что обеспечить ровную и постоянную передачу мощности было невозможно. Отто удалось правильно подобрать ключик к решению этой задачи, найдя, что проблема всех предшествующих конструкций двигателей была в составе смеси (пропорции горючего и окислителя), кроме того, необходимо ему было решить проблему синхронизации системы впрыска топлива и его сгорания. Именно на разработке этих проблем Николаус Отто и сосредоточил свое внимание. Кроме того, ему удалось заручиться поддержкой видного в то время промышленника Отто Йогена Лангена, основав компанию Gasmotorenfabric Deiz AG. Освободившись от забот о хлебе насущном, Отто целиком сосредоточился на поисках необходимых решений.
Результат не заставил себя ждать уже к 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя. Но программа-максимум была еще не выполнена: дело в том, что Отто тогда еще не удалось разработать эти знаменитые четыре такта, и он упростил конструкцию, сделав её двухтактной. Однако и это уже был прорыв! Впервые была создана конструкция по КПД превосходившая паровой двигатель и приспособленная к эксплуатации.
В 1866 году Николаус Август Отто получил патент на свой двигатель. Интересно, что практически аналогичный двигатель был ранее запатентован французом А. Бо де Рошом, но так как ему по каким-то причинам не удалось создать действующий двигатель, патент был отдан Отто, после того как он предоставил комиссии работоспособный двигатель. Первое достижение придало Отто сил и он продолжил работу над совершенствованием своего двигателя. Через десять лет в 1876 году он наконец-то патентует первый в истории четырехтактный двигатель. Двигатель, который работал по привычным для нас тактам: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Тактам, которые до наших дней не изменившись, так изменили наш мир…
Новый двигатель стал очень хорошо раскупаться. За 15 лет было продано 30 000 двигателей, что принесло их создателю немалый доход. Однако долгая и напряженная работа негативно сказалась на здоровье Отто. С 1888 г. он начал буквально угасать, а 26 января 1891 его не стало: не выдержало сердце.
* сейчас автомобилистам известна другая цифра: стехиометрическим считается соотношение воздух / топливо, равное 14,7:1 (массовые части).
wiki.zr.ru
Не смотря на отсутствие технического образования Николаус Август Отто NikolausAugust Otto (1832-1891) изобрёл первый практичный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Позднее он изобрёл четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, сделавшие его знаменитым. Цикл, по которому работал изобретённый им четырехтактный двигатель, назвали циклом Отто. В настоящее время большинство автомобильных двигателей и многие другие двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто.
Именно открытие четырехтактного цикла с обязательным тактом сжатия рабочей смеси позволило создать современные двигатели внутреннего сгорания.
Первый двигатель Отто
В юные годы Отто работал коммивояжёром. Работая в лавке колониальных товаров, Отто впервые увидел двигатель внутреннего сгорания Ленуара, использующий в качестве топлива светильный газ. Этот двигатель очень заинтересовал Отто. Двигатель Ленуара был первым, практически работающим и серийно выпускаемым двигателем внутреннего сгорания. Но, не смотря на свой успех, двигатель Ленуара никогда не был практичной и эффективной машиной. По существу двигатель Ленуара был просто модернизацией парового двигателя, за исключением того, что поршень в цилиндре перемещался не под воздействие пара, находящегося под давлением, а под воздействием воспламенённой в цилиндре смеси воздуха и светильного газа. После воспламенения воздушно-газовая смесь взрывалась, что приводило к её быстрому расширению и увеличению давления, под воздействием которого перемещался поршень. Но двигатель Ленуара был очень шумным, для его работы требовалось очень много светильного газа, который необходимо выработать, сохранить и транспортировать в газообразном состоянии. В дополнение к этому двигатель выделял очень много тепла. Поскольку двигатель всё же имел некоторые преимущества по сравнению с паровой машиной, первоначально небольшие предприятия стали приобретать этот двигатель для замены паровых машин. Но по мере того как выявлялись недостатки двигателя Ленуара, популярность и, соответственно, продажи двигателя сильно упали, тем более, что на рынке появились более успешные конкуренты. Отто был уверен, что если бы двигатель Ленуара работал на жидком топливе, он был бы более удобен в эксплуатации. Для выполнения этой задачи Отто разработал карбюратор для двигателя Ленуара и пытался улучшить работу двигателя другими способами. В 1861 Отто попытался получить в Пруссии патент на карбюратор, но в получении патента Отто было отказано. И в 1861 Отто построил свой первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе. Отто в течение нескольких лет был торговым представителем Ленуара
Партнёрство с Лангеном
В этой статье я стараюсь не затрагивать биографий изобретателей, а больше сконцентрироваться на эволюции технического развития двигателей внутреннего сгорания, но в биографии Отто был один ключевой момент, имеющий прямое отношение к дальнейшей успешной работе Отто. Это было знакомство с промышленником и инженером Лангеном (Eugen Langen).
Это счастливое знакомство произошло в 1864 году. В дальнейшем фамилии Отто и Лангена всегда будут произноситься вместе. Ланген имел большие интересы в мануфактурном производстве и производстве сахара, и поскольку он обладал обширными инженерными знаниями, он лично изобрёл большинство оборудования, применяемого на его предприятиях. Ланген с большим интересом ознакомился с разрабатываемым Отто двигателем, и этот механизм его очень заинтриговал. Ланген хорошо видел что, не смотря на несовершенство предъявленного двигателя, эта машина имеет большой потенциал, и он принял решение инвестировать как в самого Отто, так и в создаваемый им двигатель. Отто, совместно с Лангеном, создали предприятие Отто и компания. В новое предприятие Ланген вложил деньги, а Отто вложил свои знания. В задачи вновь созданного общества входило дальнейшее улучшение двигателя и строительство завода по выпуску разрабатываемого двигателя. Через три года был разработан кардинально измененный двигатель. Двигатель имел очень мало общего, как с двигателем Ленуара, так и с ранними прототипами Отто.
В 1867 году компаньоны решили выставить двигатель на Парижской выставке, при этом они предчувствовали полный провал. Первоначально французское жюри отдало предпочтение более знакомым, местным, конструкциям, предпочтение отдавалось двигателю Ленуара. Но представляющий в жюри Пруссию школьный друг Лангена берлинский профессор Франц Реулекс убедил остальных членов жюри, что при оценке двигателей обязательно необходимо учитывать эффективность его работы. Проведённые тесты, которые длились несколько дней, показали, что двигатель Отто-Лангена потребляет в два раза меньше газа, для выработки одинаковой мощности, чем ближайшие конкуренты, и в четыре, пять, раз меньше чем потреблял двигатель Ленуара. Двигатель Ленуара на выработку одной лошадиной силы мощности в час потреблял более 3-х кубических метров газа, в то время как у двигателя Отто-Лангена этот показатель был 1,359 м? на л.с./час, а в более поздних версиях этот показатель уменьшился до 0,4 м? на л.с./час. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. По результатам испытаний двигатель Отто-Лагнена получил золотую медаль выставки. Последующая широкая известность привела к такому спросу на двигатель, к которому партнёры были никак не готовы.
В течение почти десяти лет, после первого представления двигателя на парижской выставке, двигатель Отто и Лангена стал монополистом среди силовых установок мощностью до 3 лошадиных сил и применялся практически во всех секторах промышленности.
Владельцы типографий считали двигатель более чистым источником механической энергии по сравнению с паровой машиной, владельцы складов использовали двигатель в подъёмных приспособлениях (грузовых лифтах), на металлообрабатывающих предприятиях двигатель использовался для привода токарных станков и другого оборудования. Двигатель широко применялся на предприятиях пищевой промышленности, например, в хлебопекарнях, сахарорафинадных заводах, на пивоваренных и колбасных заводах. На газопроизводящих заводах двигатель применялся для привода скребков, омывателей и экстракторов. Двигатель широко использовался на небольших швейных, прядильных, ткацких, мебельных и инструментальных предприятиях.
Двигатель выпускался мощностью ?, ?, 1, 2, и 3лошадиные силы. В Германии было выпущено 2649 двигателей ( по некорорым данным более 5 тысяч), в дополнение к этому в Англии по лицензии фирма Кросслей, предположительно, выпустила 1300 двигателей.
В течение многих лет производства двигатель постоянно улучшался за счёт внесения в конструкцию необходимых изменений, но в 1878 году, после показа на парижской выставке четырёхтактного «Бесшумного двигателя Отто» производство атмосферных двигателей было прекращено.
Поскольку спрос на двигатели был очень высоким, возникла необходимость в расширении предприятия. Но для расширения предприятия требовался капитал. В поисках капитала Отто и Ланген вступили в партнёрство с бизнесменом из Гамбурга Людвигом Розеном (Ludwig August Roosen-Runge). Новая компания, созданная в марте 1869 года, была названа, «Ланген, Отто и Розен», производственное предприятие компании было перемещено в Дойтц, окраину Кёльна. Деньги Розена очень помогли развить производство, но спрос на двигатель всё равно был выше производственных возможностей предприятия. Ланген убедил своих братьев и их партнёров в сахарном бизнесе инвестировать средства в новое предприятие. Общие инвестиции новых членов компании в 13 раз превышали инвестиции Розена, поэтому в январе 1872 года была учреждена новая компания «Производство газовых мотора Дойтц АГ» (Gasmotoren-Frabrik Deutz AG). Тут необходимо отметить, что после нескольких преобразования и переименований эта компания существует и по сегодняшний день. Теперь она называется Klockner-Humbolt-Deutz AG, и считается не только самым старым производителем двигателей внутреннего сгорания в мире, но и самым большим современным предприятием, производящим дизельные двигатели воздушного охлаждения. Отто, который никогда не вкладывал личных денег в компанию, не получил не одной акции вновь созданного предприятия, но вместо этого он получил долговременный рабочий контракт. В этот момент Лангет принял очень важное кадровое решение. Готлиб Даймлер, работавшим до этого оружейником, был принят на предприятие инженером. Он имел очень большой опыт работы на различных предприятиях по всей Европе, и Ланген справедливо предполагал, что Даймлер, имеющий отличное техническое образование, будет хорошим руководителем нового большого производства. Даймлер был назначен техническим директором завода в Дойтце. Вместе собой Даймлер привел на предприятие свого протеже, будущего великого конструктора, молодого инженерам Вильгельма Майбаха.
Через десять лет Майбах, ставший наиболее опытным инженером-конструктором, работал вместе с Отто над многими важными проектами, включая разработку двигателя внутреннего сгорания, который в перспективе предназначался для установки на транспортные средства.
Конструкция первого атмосферногодвигателя Отто
Непонятно почему, но почти во всех источниках указывается, что за основу своего двигателя Отто взял двигатель Ленуара. В действительности газовый двигатель Ленуара просто возбудил интерес Отто к более близкому ознакомлению с двигателями внутреннего сгорания, но Отто, видя недостатки этого двигателя и учитывая патентные ограничения, ничего не позаимствовал из конструкции двигателя Ленуара. По своей конструкции атмосферный двигатель Отто был более похож на двигатель итальянских инженеров Барсанти и Матечи .
Основой двигателя был вертикально установленный цилиндр, верхний конец которого был полностью открытым, то есть соединённым с атмосферой, вокруг цилиндра была устроена рубашка охлаждения, в которой циркулировала вода. Внутри цилиндра устанавливался массивный поршень, вес которого был приблизительно 50 кг. К поршню подсоединялась зубчатая рейка, которая при перемещении поршня приводила во вращение большую прямозубую шестерню.
Прямозубая шестерня, являющаяся неотъемной частью фрикционной муфты, через главный вал двигателя приводила во вращение маховик. Фрикционная обгонная муфта была главной новинкой двигателя. Очевидно, её разработал Ланген, обладавший широкими инженерными знаниями, маловероятно, что без этого устройства двигатель получил бы необходимый коммерческий успех. В подобном двигателе конструкции Барсанти и Матечи передача крутящего момента от зубчатой рейки на главный вал двигателя была очень слабым местом, храповой механизм, применявшийся на этом двигателе, часто ломался.
Фрикционная муфта работала как обгонная, то есть передавала вращение только в одну сторону. При подъёме поршня вверх прямозубая шестерня не передавала усилие на внутреннюю часть муфты, то есть зубчатая рейка была отсоединена от главного вала. Это обеспечивалось перемещением роликов обгонной муфты в положение, в котором они не прижимали сухарики к внутренней обойме муфты.
Однако при движении поршня вниз (рабочий ход двигателя) ролики перемещались в положение, при котором сухарики расклинивались и прижимались к внутренней обойме обгонной муфты. Внутренняя и наружная обоймы муфты становились как единое целое, в результате чего усилие от зубчатой реки через муфту передавалось на главный вал двигателя. По своему принципу муфта не отличается от обгонной муфты привода стартёра современных двигателей, в народе эту муфту называют «бендикс». При такой конструкции двигателю не требовался коленчатый вал.
Вторая прямозубая шестерня была необходима для привода вспомогательного (распределительного) вала, на котором были установлены два эксцентрика, при помощи одного из них открывался скользящий (шиберный) клапан, а при помощи второго немного приподнимался поршень в самом начале хода. Конструкция этих механизмов имела некоторую особенность. Дело в том, что у двигателей со свободным поршнем, в отличие от современных двигателей внутреннего сгорания, перемещения поршня не синхронизированы с вращением главного вала. Храповой механизм дополнительного вала включался при помощи горизонтального рычага, а перемещение рычага зависело от упорной бобышки, расположенной в верхней части зубчатой рейки. Поскольку зубчатая рейка неподвижно соединена с поршнем, нажатие на рычаг производилось только тогда, когда поршень находился в необходимом (самом нижнем) положении. За счёт этого происходила необходимая синхронизация положения поршня и открытия шиберного клапана. Именно в этот момент открывался шиберный клапан и начинался механический подъём поршня, за счёт кинетической энергии маховика, приблизительно на 9% общего хода поршня. Но между двумя последующими движениями поршня вверх дополнительный вал мог сделать неопределённое количество оборотов.
При помощи двух конических шестерней вспомогательный вал приводил во вращение центробежный регулятор, но на первых двигателях центробежный регулятор отсутствовал. Центробежный регулятор изменял обороты двигателя за счёт дросселирования отверстия для выпуска отработавших газов.
Поскольку ни Отто, ни Ланген не обладали необходимыми знаниями электротехники, они отказались от применения электрического зажигания, устанавливаемого на двигателе Ленуара. Более того, электрическое зажигание неудовлетворительно работала и на двигателе Ленуара. На двигателе Отто-Лангена воспламенение рабочей смеси в цилиндре двигателя осуществлялось открытым пламенем от специального факела, установленного на корпус шиберного клапана.
Стоящий вертикально цилиндр первых двигателей был декоративно оформлен в виде греческой ионической колонны. Выпуск двигателей такой конструкции на предприятии в Кёльне был начат в 1864 году и продолжался до 1872 года. Такой декоративный стиль отделки был предложен Лангеном. Два вала главный и вспомогательный (распределительный) имели двигатели только первых выпусков. По некоторой информации конструкция каждого экземпляра двигателя первой серии имела свои особенности. У первых двигателей, для направления движения зубчатой рейки, обеспечивающего контакт рейки с зубчатой шестернёй главного вала, применялись два ненадёжных вертикальных штока. Поперечный ползун этой системы, даже при незначительном нарушении регулировки положения вертикальных штоков издавал громкий дребезжащий звук.
Некоторые модернизированные двигатели имели два скользящих клапана, второй клапан регулировал поступление газа к первому клапану. Поздние версии выпускались без направляющих вертикальных штоков с поперечным ползуном, а обеспечение необходимого прижатия зубчатой рейки к прямозубой шестерне осуществлялось при помощи рычага, прижатого к гладкой поверхности зубчатой рейки. Также в модернизированных версиях двигателя отсутствовал вспомогательный вал, а храповые эксцентриковые механизмы устанавливались на главном валу.
Цикл двигателя:
1. Для того чтобы засосать в цилиндр газ и воздух поршень первоначально приподнимается приблизительно на 9% своего полного хода. Усилие, необходимое для поднятия поршня, предаётся на зубчатую рейку поршня через вспомогательный вал и рычаг.
2. Смесь воспламеняется при помощи небольшой порции газа из полости, встроенной в скользящий (шиберный) клапан. Газ в этой полости воспламеняется при помощи первичного факела, установленного на крышке клапана во время кратковременного перемещения клапана. После воспламенения смеси, за счёт бурного расширения газов поршень быстро перемещается в крайнее верхнее положение своего хода. По инерции поршень продолжает перемещаться вверх, после того как давление в цилиндре упало, и за счёт охлаждения цилиндра водой в рубашке охлаждения цилиндра, под поршнем образуется разрежение.
3. Поскольку верхнее отверстие цилиндра полностью открыто, а под поршнем существует разрежение, под воздействием атмосферного давления поршень перемещается вниз, плюс усилие перемещения поршня усиливается за счёт собственного веса поршня.
4. Когда давление в цилиндре становится выше атмосферного, отработавшие газы выходят из цилиндра срез автоматический обратный клапан, установленный в нижней части цилиндра.
5. Центробежный регулятор не допускает превышения максимально разрешённых оборотов двигателем, отключением храпового механизма, расположенного на вспомогательном валу. После этого маховик продолжает вращаться только за счёт собственной инерции, поскольку отключается механизм первоначального подъёма поршня и открытия шиберного клапана. Повторное подключение храпового механизма промежуточного вала осуществляется после падения оборотов двигателя ниже установленного предела.
Исходя из этого описания, можно сказать, что первый двигатель Отто был двухтактным атмосферным двигателем.
Двигатель Отто-Лангена, несомненно, был лучшим двигателем внутреннего сгорания своего времени, но и у него присутствовали врождённые недостатки атмосферного двигателя со свободным поршнем . Двигатель был очень шумным, производящим громкие ударные шумы, похожие на шум работающей кузницы, издаваемые при устрашающем, очень быстром передвижении зубчатой рейки вверх. Прямозубые шестерни, применяемые на двигателе, во время работы так же издавали сильный шум. Работа двигателя сопровождалась большими вибрациями, что требовало установки двигателя на массивный фундамент. Разумеется, по этим причинам не допускалась установка двигателя выше первого этажа.
Большим недостатком для потребителей было то, что даже для двигателя небольшой мощности требовалось помещение, с высотой потолков не менее трёх с половиной метров.
Несомненно, этот двигатель был передовой энергетической машиной своего времени с очень интересной конструкцией и необычными для нас принципами работы, но не этот атмосферный двухтактный двигатель сделал Отто великим.
Мировую славу Отто принёс четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Но почему-то в большинстве статей, в которых Отто упоминается, как создатель четырёхтактного двигателя на иллюстрациях изображается его первый атмосферный двухтактный двигатель.
Николаус Август Отто изобрёл не один, а два абсолютно разных по конструкции и принципам работы двигателя внутреннего сгорания.
Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания
Предприятие Дойтц стало одним из самых передовых предприятий в мире по производству двигателей внутреннего сгорания, его изделия получили лицензию во всех странах Европы. В 1867 году новое изобретение Отто навсегда изменило облик двигателя внутреннего сгорания, двигатель уже никогда не станет таким, каким он был до этой даты. Отто понимал, что атмосферный двигатель с вертикальным цилиндром и свободным поршнем, уже полностью исчерпал свои возможности. Этот двигатель был очень шумным, имел сильные вибрации и не мог выработать необходимую мощность. Увеличение мощности и эффективности двигателя можно было достичь за счёт лучшего управления составом смеси и предварительным сжатием смеси перед воспламенением. Отто считал, что все требования к двигателю можно выполнить только при применении четырёхтактного цикла при обязательном сжатии смеси перед воспламенением.
На первом такте из четырёх поршень, перемещаясь вниз, засасывал в цилиндр смесь воздуха с топливом через открытый впускной клапан. На втором такте поршень, перемещаясь вверх, сжимал рабочую смесь, готовя её к воспламенению. На третьем, рабочем такте, смесь, после воспламенения, взрывалась и стремительно расширялась, под воздействие давления в цилиндре поршень перемещался вниз, на этом такте производилась необходимая работа. На четвёртом такте, перемещающийся вверх поршень, через выпускной клапан, выталкивал в атмосферу отработавшие газы из цилиндра двигателя. Конструкция двигателя противоречила всему, что было принято разумным в конструировании двигателей того времени. Большая часть инженеров того времени считала, что двигатель должен производить полезную работу на каждом такте, как это было в паровой машине. Инженеры были убеждены, что двигатель, работающий по циклу Отто, будет иметь очень низкую эффективность, поскольку из четырёх тактов только в одном генерировалась необходимая работа.
Очень важным в теории Отто было предложение о послойном смесеобразовании. Наблюдая за дымом, выходящем из дымовой трубы, и его распространением в воздухе, Отто понял, что такой послойный принцип состояния смеси можно применять и в цилиндре двигателя, для обеспечения чистой и плавной работы. Не смотря на то, что принцип работы четырёхтактного двигателя получил моментальный успех и распространение, теория послойного смесеобразования была встречена в штыки и дискредитирована современниками.
Это предложение Отто на целое столетие опередило своё время, поскольку первые опыты практического применения послойного смесеобразования были проведены компанией Хонда только в начале 1970-х годов.
Четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания стали называться двигателями Отто, а четырёхтактный цикл, стал называться циклом Отто.
Патентное противоборство
Концепция двигателя Отто была настолько передовой, что конкуренция других производителей практически отсутствовала.
Дойтц при помощи патентов защитила вою позицию как единственно в мире производителя и держателя лицензии на производство двигателей Отто. И последовательно защищала свои позиции в суде, отражая требования различных недобросовестных претендентов.
Но в 1864 конкуренты компании Дойц откопали нужные себе обстоятельна. Адвокат C. Виганд, дружок хозяев компании конкурента Эрнст и Бертхолд Кортинг из Ганновера нашёл старую французскую брошюру, описывающую четырёхтактный цикл Отто до того как Отто начал выпускать свои двигатели. Брошюра базировалась на заявке на патент от 1862 года, заполненной французским инженером Альфонсом Бо де Роше. При этом не принималось во внимание, что Бо де Роше никогда не построил ни одного двигателя и что патент прекратил свой действие по причине неуплаты ежегодных патентных сборов. Во многих странах ежегодная оплата патентных сборов является обязательной для поддержания права на патент.
Также не учитывалось, что Бо де Роше никогда не пытался защищать свой патент, даже когда двигатель, работающий по циклу Отто, получил широкую известность, продавался в огромных количествах и в 1878 году получил золотую медаль на выставке в Париже.
Не смотря на все перечисленные факты Кортинг, при помощи адвоката Виганда довёл дело до суда. Перспективы данного дела для противников Отто были очень слабенькие, но общая атмосфера в Германии складывалась не в пользу Отто. В то время в Германии не существовало общенационального регистратора патентов, и патент мог быть зарегистрирован в любой из земель. Очень часто происходили случаи, когда в одной из земель патент регистрировался, в другой земле в регистрации патента было отказано. Поэтому Виганд, разумеется, выбрал для оспаривания патента наиболее подходящую для решения вопросу землю.
Некоторые историки склонны предполагать, что правительство Германии было очень не заинтересованно в уменьшении держателей патентов, по причине борьбы с монополизмом и стремлением расширить производство. По каким бы то не было причинам, процесс Отто был проигран.
Не смотря на то, что до 1886 года было выпущено более 30000 двигателей, работающих по циклу Отто, причем на каждом из них компания Дойц устанавливала табличку «Двигатель Отто», патент Отто в Германии был отозван. Компания Корнинг получила законную возможность производить двигатели, работающие по циклу Отто. Отто имел право использовать свой патент в Англии.
Отто умер 26 января 1891 года в Кёльне. К моменту смерти Отто, благодаря принадлежащим ему лицензиям и патентам, был достаточно богатым человеком.
Компания Klockner-Humboldt-Deutz AG, основанная им и Лангеном, стала одной из самых больших в мире компаний, производящих двигатели внутреннего сгорания. В память заслуг Отто перед вокзалом Кёльна установлен мемориал.
В 1882 Отто, вместе с Александром Беллом, было присвоено звание почётного доктора университета Визбурга.
Уже после смерти Отто в 1936 году в честь высоких заслуг Отто в изобретении двигателя внутреннего сгорания Ассоциация Германских Инженеров приняла решение – все четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания (за исключением дизельных двигателей) называть двигателями Отто.
И не смотря на то, что Отто никогда не был прямо связан с автомобильной промышленностью, его двигатель дал толчок развитию технологического совершенства и до настоящего времени цикл Отто является теоретической основой всех выпускаемых двигателей внутреннего сгорания.
Довольно часто о многих заслуженных людях говорят: "Этот человек поставил мир на колеса", возможно, это выражение выглядит более правдивым, когда говорят о Николаусе Августе Отто.
Пусть большинство обывателей в мире помнят только фамилию Даймлер, как первого производителя автомобиля, историки и все люди, имеющие хоть какое то отношение к автомобильной индустрии, отлично понимают, что всё это было достигнуто благодаря изобретению двигателя внутреннего сгорания, работающего по принципу Отто.
Конструкция и принципы работы четырёхтактного двигателя будут рассмотрены в отдельной статье.
Термины
Двигатель со свободным поршнем
Двигатель, в котором поршень непосредственно не соединён с главным валом, а присоединяется к главному валу двигателя при помощи обгонной муфты.
Обгонная муфта
Механизм, передающий вращение от одного вала к другому только в одном направлении, если скорость ведомого вала становится выше скорости ведущего, ведущий вал продолжает вращаться со своей скоростью.
Подобные муфты широко применяются в автоматических коробках передач. Иногда эти муфты называются муфтами свободного хода.
Автоматический клапан
Клапан, открывающийся не при помощи работы клапанного механизма, а только под воздействие разности давления с обеих сторон клапана. На первых четырёхтактных двигателях Отто использовались впускные автоматические клапаны.
Е.Н. Жарцов.
autopribor.ru
Николаус Август Отто
(Nikolaus August Otto (1832-1891))
Не смотря на отсутствие технического образования Николаус Август Отто NikolausAugust Otto (1832-1891) изобрёл первый практичный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Позднее он изобрёл четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, сделавшие его знаменитым. Цикл, по которому работал изобретённый им четырехтактный двигатель, назвали циклом Отто. В настоящее время большинство автомобильных двигателей и многие другие двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто.
Именно открытие четырехтактного цикла с обязательным тактом сжатия рабочей смеси позволило создать современные двигатели внутреннего сгорания.
Первый двигатель Отто
В юные годы Отто работал коммивояжёром. Работая в лавке колониальных товаров, Отто впервые увидел двигатель внутреннего сгорания Ленуара, использующий в качестве топлива светильный газ. Этот двигатель очень заинтересовал Отто. Двигатель Ленуара был первым, практически работающим и серийно выпускаемым двигателем внутреннего сгорания. Но, не смотря на свой успех, двигатель Ленуара никогда не был практичной и эффективной машиной. По существу двигатель Ленуара был просто модернизацией парового двигателя, за исключением того, что поршень в цилиндре перемещался не под воздействие пара, находящегося под давлением, а под воздействием воспламенённой в цилиндре смеси воздуха и светильного газа. После воспламенения воздушно-газовая смесь взрывалась, что приводило к её быстрому расширению и увеличению давления, под воздействием которого перемещался поршень. Но двигатель Ленуара был очень шумным, для его работы требовалось очень много светильного газа, который необходимо выработать, сохранить и транспортировать в газообразном состоянии. В дополнение к этому двигатель выделял очень много тепла. Поскольку двигатель всё же имел некоторые преимущества по сравнению с паровой машиной, первоначально небольшие предприятия стали приобретать этот двигатель для замены паровых машин. Но по мере того как выявлялись недостатки двигателя Ленуара, популярность и, соответственно, продажи двигателя сильно упали, тем более, что на рынке появились более успешные конкуренты. Отто был уверен, что если бы двигатель Ленуара работал на жидком топливе, он был бы более удобен в эксплуатации. Для выполнения этой задачи Отто разработал карбюратор для двигателя Ленуара и пытался улучшить работу двигателя другими способами. В 1861 Отто попытался получить в Пруссии патент на карбюратор, но в получении патента Отто было отказано. И в 1861 Отто построил свой первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе. Отто в течение нескольких лет был торговым представителем Ленуара
Партнёрство с Лангеном
В этой статье я стараюсь не затрагивать биографий изобретателей, а больше сконцентрироваться на эволюции технического развития двигателей внутреннего сгорания, но в биографии Отто был один ключевой момент, имеющий прямое отношение к дальнейшей успешной работе Отто. Это было знакомство с промышленником и инженером Лангеном (Eugen Langen).
Это счастливое знакомство произошло в 1864 году. В дальнейшем фамилии Отто и Лангена всегда будут произноситься вместе. Ланген имел большие интересы в мануфактурном производстве и производстве сахара, и поскольку он обладал обширными инженерными знаниями, он лично изобрёл большинство оборудования, применяемого на его предприятиях. Ланген с большим интересом ознакомился с разрабатываемым Отто двигателем, и этот механизм его очень заинтриговал. Ланген хорошо видел что, не смотря на несовершенство предъявленного двигателя, эта машина имеет большой потенциал, и он принял решение инвестировать как в самого Отто, так и в создаваемый им двигатель. Отто, совместно с Лангеном, создали предприятие Отто и компания. В новое предприятие Ланген вложил деньги, а Отто вложил свои знания. В задачи вновь созданного общества входило дальнейшее улучшение двигателя и строительство завода по выпуску разрабатываемого двигателя. Через три года был разработан кардинально измененный двигатель. Двигатель имел очень мало общего, как с двигателем Ленуара, так и с ранними прототипами Отто.
В 1867 году компаньоны решили выставить двигатель на Парижской выставке, при этом они предчувствовали полный провал. Первоначально французское жюри отдало предпочтение более знакомым, местным, конструкциям, предпочтение отдавалось двигателю Ленуара. Но представляющий в жюри Пруссию школьный друг Лангена берлинский профессор Франц Реулекс убедил остальных членов жюри, что при оценке двигателей обязательно необходимо учитывать эффективность его работы. Проведённые тесты, которые длились несколько дней, показали, что двигатель Отто-Лангена потребляет в два раза меньше газа, для выработки одинаковой мощности, чем ближайшие конкуренты, и в четыре, пять, раз меньше чем потреблял двигатель Ленуара. Двигатель Ленуара на выработку одной лошадиной силы мощности в час потреблял более 3-х кубических метров газа, в то время как у двигателя Отто-Лангена этот показатель был 1,359 м³ на л.с./час, а в более поздних версиях этот показатель уменьшился до 0,4 м³ на л.с./час. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. По результатам испытаний двигатель Отто-Лагнена получил золотую медаль выставки. Последующая широкая известность привела к такому спросу на двигатель, к которому партнёры были никак не готовы.
В течение почти десяти лет, после первого представления двигателя на парижской выставке, двигатель Отто и Лангена стал монополистом среди силовых установок мощностью до 3 лошадиных сил и применялся практически во всех секторах промышленности.
Владельцы типографий считали двигатель более чистым источником механической энергии по сравнению с паровой машиной, владельцы складов использовали двигатель в подъёмных приспособлениях (грузовых лифтах), на металлообрабатывающих предприятиях двигатель использовался для привода токарных станков и другого оборудования. Двигатель широко применялся на предприятиях пищевой промышленности, например, в хлебопекарнях, сахарорафинадных заводах, на пивоваренных и колбасных заводах. На газопроизводящих заводах двигатель применялся для привода скребков, омывателей и экстракторов. Двигатель широко использовался на небольших швейных, прядильных, ткацких, мебельных и инструментальных предприятиях.
Двигатель выпускался мощностью ¼, ½, 1, 2, и 3лошадиные силы. В Германии было выпущено 2649 двигателей ( по некорорым данным более 5 тысяч), в дополнение к этому в Англии по лицензии фирма Кросслей, предположительно, выпустила 1300 двигателей.
В течение многих лет производства двигатель постоянно улучшался за счёт внесения в конструкцию необходимых изменений, но в 1878 году, после показа на парижской выставке четырёхтактного «Бесшумного двигателя Отто» производство атмосферных двигателей было прекращено.
Поскольку спрос на двигатели был очень высоким, возникла необходимость в расширении предприятия. Но для расширения предприятия требовался капитал. В поисках капитала Отто и Ланген вступили в партнёрство с бизнесменом из Гамбурга Людвигом Розеном (Ludwig August Roosen-Runge). Новая компания, созданная в марте 1869 года, была названа, «Ланген, Отто и Розен», производственное предприятие компании было перемещено в Дойтц, окраину Кёльна. Деньги Розена очень помогли развить производство, но спрос на двигатель всё равно был выше производственных возможностей предприятия. Ланген убедил своих братьев и их партнёров в сахарном бизнесе инвестировать средства в новое предприятие. Общие инвестиции новых членов компании в 13 раз превышали инвестиции Розена, поэтому в январе 1872 года была учреждена новая компания «Производство газовых мотора Дойтц АГ» (Gasmotoren-Frabrik Deutz AG). Тут необходимо отметить, что после нескольких преобразования и переименований эта компания существует и по сегодняшний день. Теперь она называется Klockner-Humbolt-Deutz AG, и считается не только самым старым производителем двигателей внутреннего сгорания в мире, но и самым большим современным предприятием, производящим дизельные двигатели воздушного охлаждения. Отто, который никогда не вкладывал личных денег в компанию, не получил не одной акции вновь созданного предприятия, но вместо этого он получил долговременный рабочий контракт. В этот момент Лангет принял очень важное кадровое решение. Готлиб Даймлер, работавшим до этого оружейником, был принят на предприятие инженером. Он имел очень большой опыт работы на различных предприятиях по всей Европе, и Ланген справедливо предполагал, что Даймлер, имеющий отличное техническое образование, будет хорошим руководителем нового большого производства. Даймлер был назначен техническим директором завода в Дойтце. Вместе собой Даймлер привел на предприятие свого протеже, будущего великого конструктора, молодого инженерам Вильгельма Майбаха.
Через десять лет Майбах, ставший наиболее опытным инженером-конструктором, работал вместе с Отто над многими важными проектами, включая разработку двигателя внутреннего сгорания, который в перспективе предназначался для установки на транспортные средства.
Конструкция первого атмосферногодвигателя Отто
Непонятно почему, но почти во всех источниках указывается, что за основу своего двигателя Отто взял двигатель Ленуара. В действительности газовый двигатель Ленуара просто возбудил интерес Отто к более близкому ознакомлению с двигателями внутреннего сгорания, но Отто, видя недостатки этого двигателя и учитывая патентные ограничения, ничего не позаимствовал из конструкции двигателя Ленуара. По своей конструкции атмосферный двигатель Отто был более похож на двигатель итальянских инженеров Барсанти и Матечи .
Основой двигателя был вертикально установленный цилиндр, верхний конец которого был полностью открытым, то есть соединённым с атмосферой, вокруг цилиндра была устроена рубашка охлаждения, в которой циркулировала вода. Внутри цилиндра устанавливался массивный поршень, вес которого был приблизительно 50 кг. К поршню подсоединялась зубчатая рейка, которая при перемещении поршня приводила во вращение большую прямозубую шестерню.
Прямозубая шестерня, являющаяся неотъемной частью фрикционной муфты, через главный вал двигателя приводила во вращение маховик. Фрикционная обгонная муфта была главной новинкой двигателя. Очевидно, её разработал Ланген, обладавший широкими инженерными знаниями, маловероятно, что без этого устройства двигатель получил бы необходимый коммерческий успех. В подобном двигателе конструкции Барсанти и Матечи передача крутящего момента от зубчатой рейки на главный вал двигателя была очень слабым местом, храповой механизм, применявшийся на этом двигателе, часто ломался.
Фрикционная муфта работала как обгонная, то есть передавала вращение только в одну сторону. При подъёме поршня вверх прямозубая шестерня не передавала усилие на внутреннюю часть муфты, то есть зубчатая рейка была отсоединена от главного вала. Это обеспечивалось перемещением роликов обгонной муфты в положение, в котором они не прижимали сухарики к внутренней обойме муфты.
Однако при движении поршня вниз (рабочий ход двигателя) ролики перемещались в положение, при котором сухарики расклинивались и прижимались к внутренней обойме обгонной муфты. Внутренняя и наружная обоймы муфты становились как единое целое, в результате чего усилие от зубчатой реки через муфту передавалось на главный вал двигателя. По своему принципу муфта не отличается от обгонной муфты привода стартёра современных двигателей, в народе эту муфту называют «бендикс». При такой конструкции двигателю не требовался коленчатый вал.
Вторая прямозубая шестерня была необходима для привода вспомогательного (распределительного) вала, на котором были установлены два эксцентрика, при помощи одного из них открывался скользящий (шиберный) клапан, а при помощи второго немного приподнимался поршень в самом начале хода. Конструкция этих механизмов имела некоторую особенность. Дело в том, что у двигателей со свободным поршнем, в отличие от современных двигателей внутреннего сгорания, перемещения поршня не синхронизированы с вращением главного вала. Храповой механизм дополнительного вала включался при помощи горизонтального рычага, а перемещение рычага зависело от упорной бобышки, расположенной в верхней части зубчатой рейки. Поскольку зубчатая рейка неподвижно соединена с поршнем, нажатие на рычаг производилось только тогда, когда поршень находился в необходимом (самом нижнем) положении. За счёт этого происходила необходимая синхронизация положения поршня и открытия шиберного клапана. Именно в этот момент открывался шиберный клапан и начинался механический подъём поршня, за счёт кинетической энергии маховика, приблизительно на 9% общего хода поршня. Но между двумя последующими движениями поршня вверх дополнительный вал мог сделать неопределённое количество оборотов.
При помощи двух конических шестерней вспомогательный вал приводил во вращение центробежный регулятор, но на первых двигателях центробежный регулятор отсутствовал. Центробежный регулятор изменял обороты двигателя за счёт дросселирования отверстия для выпуска отработавших газов.
Поскольку ни Отто, ни Ланген не обладали необходимыми знаниями электротехники, они отказались от применения электрического зажигания, устанавливаемого на двигателе Ленуара. Более того, электрическое зажигание неудовлетворительно работала и на двигателе Ленуара. На двигателе Отто-Лангена воспламенение рабочей смеси в цилиндре двигателя осуществлялось открытым пламенем от специального факела, установленного на корпус шиберного клапана.
Стоящий вертикально цилиндр первых двигателей был декоративно оформлен в виде греческой ионической колонны. Выпуск двигателей такой конструкции на предприятии в Кёльне был начат в 1864 году и продолжался до 1872 года. Такой декоративный стиль отделки был предложен Лангеном. Два вала главный и вспомогательный (распределительный) имели двигатели только первых выпусков. По некоторой информации конструкция каждого экземпляра двигателя первой серии имела свои особенности. У первых двигателей, для направления движения зубчатой рейки, обеспечивающего контакт рейки с зубчатой шестернёй главного вала, применялись два ненадёжных вертикальных штока. Поперечный ползун этой системы, даже при незначительном нарушении регулировки положения вертикальных штоков издавал громкий дребезжащий звук.
Некоторые модернизированные двигатели имели два скользящих клапана, второй клапан регулировал поступление газа к первому клапану. Поздние версии выпускались без направляющих вертикальных штоков с поперечным ползуном, а обеспечение необходимого прижатия зубчатой рейки к прямозубой шестерне осуществлялось при помощи рычага, прижатого к гладкой поверхности зубчатой рейки. Также в модернизированных версиях двигателя отсутствовал вспомогательный вал, а храповые эксцентриковые механизмы устанавливались на главном валу.
Цикл двигателя:
1. Для того чтобы засосать в цилиндр газ и воздух поршень первоначально приподнимается приблизительно на 9% своего полного хода. Усилие, необходимое для поднятия поршня, предаётся на зубчатую рейку поршня через вспомогательный вал и рычаг.
2. Смесь воспламеняется при помощи небольшой порции газа из полости, встроенной в скользящий (шиберный) клапан. Газ в этой полости воспламеняется при помощи первичного факела, установленного на крышке клапана во время кратковременного перемещения клапана. После воспламенения смеси, за счёт бурного расширения газов поршень быстро перемещается в крайнее верхнее положение своего хода. По инерции поршень продолжает перемещаться вверх, после того как давление в цилиндре упало, и за счёт охлаждения цилиндра водой в рубашке охлаждения цилиндра, под поршнем образуется разрежение.
3. Поскольку верхнее отверстие цилиндра полностью открыто, а под поршнем существует разрежение, под воздействием атмосферного давления поршень перемещается вниз, плюс усилие перемещения поршня усиливается за счёт собственного веса поршня.
4. Когда давление в цилиндре становится выше атмосферного, отработавшие газы выходят из цилиндра срез автоматический обратный клапан, установленный в нижней части цилиндра.
5. Центробежный регулятор не допускает превышения максимально разрешённых оборотов двигателем, отключением храпового механизма, расположенного на вспомогательном валу. После этого маховик продолжает вращаться только за счёт собственной инерции, поскольку отключается механизм первоначального подъёма поршня и открытия шиберного клапана. Повторное подключение храпового механизма промежуточного вала осуществляется после падения оборотов двигателя ниже установленного предела.
Исходя из этого описания, можно сказать, что первый двигатель Отто был двухтактным атмосферным двигателем.
Двигатель Отто-Лангена, несомненно, был лучшим двигателем внутреннего сгорания своего времени, но и у него присутствовали врождённые недостатки атмосферного двигателя со свободным поршнем . Двигатель был очень шумным, производящим громкие ударные шумы, похожие на шум работающей кузницы, издаваемые при устрашающем, очень быстром передвижении зубчатой рейки вверх. Прямозубые шестерни, применяемые на двигателе, во время работы так же издавали сильный шум. Работа двигателя сопровождалась большими вибрациями, что требовало установки двигателя на массивный фундамент. Разумеется, по этим причинам не допускалась установка двигателя выше первого этажа.
Большим недостатком для потребителей было то, что даже для двигателя небольшой мощности требовалось помещение, с высотой потолков не менее трёх с половиной метров.
Несомненно, этот двигатель был передовой энергетической машиной своего времени с очень интересной конструкцией и необычными для нас принципами работы, но не этот атмосферный двухтактный двигатель сделал Отто великим.
Мировую славу Отто принёс четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Но почему-то в большинстве статей, в которых Отто упоминается, как создатель четырёхтактного двигателя на иллюстрациях изображается его первый атмосферный двухтактный двигатель.
Николаус Август Отто изобрёл не один, а два абсолютно разных по конструкции и принципам работы двигателя внутреннего сгорания.
Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания
Предприятие Дойтц стало одним из самых передовых предприятий в мире по производству двигателей внутреннего сгорания, его изделия получили лицензию во всех странах Европы. В 1867 году новое изобретение Отто навсегда изменило облик двигателя внутреннего сгорания, двигатель уже никогда не станет таким, каким он был до этой даты. Отто понимал, что атмосферный двигатель с вертикальным цилиндром и свободным поршнем, уже полностью исчерпал свои возможности. Этот двигатель был очень шумным, имел сильные вибрации и не мог выработать необходимую мощность. Увеличение мощности и эффективности двигателя можно было достичь за счёт лучшего управления составом смеси и предварительным сжатием смеси перед воспламенением. Отто считал, что все требования к двигателю можно выполнить только при применении четырёхтактного цикла при обязательном сжатии смеси перед воспламенением.
На первом такте из четырёх поршень, перемещаясь вниз, засасывал в цилиндр смесь воздуха с топливом через открытый впускной клапан. На втором такте поршень, перемещаясь вверх, сжимал рабочую смесь, готовя её к воспламенению. На третьем, рабочем такте, смесь, после воспламенения, взрывалась и стремительно расширялась, под воздействие давления в цилиндре поршень перемещался вниз, на этом такте производилась необходимая работа. На четвёртом такте, перемещающийся вверх поршень, через выпускной клапан, выталкивал в атмосферу отработавшие газы из цилиндра двигателя. Конструкция двигателя противоречила всему, что было принято разумным в конструировании двигателей того времени. Большая часть инженеров того времени считала, что двигатель должен производить полезную работу на каждом такте, как это было в паровой машине. Инженеры были убеждены, что двигатель, работающий по циклу Отто, будет иметь очень низкую эффективность, поскольку из четырёх тактов только в одном генерировалась необходимая работа.
Очень важным в теории Отто было предложение о послойном смесеобразовании. Наблюдая за дымом, выходящем из дымовой трубы, и его распространением в воздухе, Отто понял, что такой послойный принцип состояния смеси можно применять и в цилиндре двигателя, для обеспечения чистой и плавной работы. Не смотря на то, что принцип работы четырёхтактного двигателя получил моментальный успех и распространение, теория послойного смесеобразования была встречена в штыки и дискредитирована современниками.
Это предложение Отто на целое столетие опередило своё время, поскольку первые опыты практического применения послойного смесеобразования были проведены компанией Хонда только в начале 1970-х годов.
Четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания стали называться двигателями Отто, а четырёхтактный цикл, стал называться циклом Отто.
Патентное противоборство
Концепция двигателя Отто была настолько передовой, что конкуренция других производителей практически отсутствовала.
Дойтц при помощи патентов защитила вою позицию как единственно в мире производителя и держателя лицензии на производство двигателей Отто. И последовательно защищала свои позиции в суде, отражая требования различных недобросовестных претендентов.
Но в 1864 конкуренты компании Дойц откопали нужные себе обстоятельна. Адвокат C. Виганд, дружок хозяев компании конкурента Эрнст и Бертхолд Кортинг из Ганновера нашёл старую французскую брошюру, описывающую четырёхтактный цикл Отто до того как Отто начал выпускать свои двигатели. Брошюра базировалась на заявке на патент от 1862 года, заполненной французским инженером Альфонсом Бо де Роше. При этом не принималось во внимание, что Бо де Роше никогда не построил ни одного двигателя и что патент прекратил свой действие по причине неуплаты ежегодных патентных сборов. Во многих странах ежегодная оплата патентных сборов является обязательной для поддержания права на патент.
Также не учитывалось, что Бо де Роше никогда не пытался защищать свой патент, даже когда двигатель, работающий по циклу Отто, получил широкую известность, продавался в огромных количествах и в 1878 году получил золотую медаль на выставке в Париже.
Не смотря на все перечисленные факты Кортинг, при помощи адвоката Виганда довёл дело до суда. Перспективы данного дела для противников Отто были очень слабенькие, но общая атмосфера в Германии складывалась не в пользу Отто. В то время в Германии не существовало общенационального регистратора патентов, и патент мог быть зарегистрирован в любой из земель. Очень часто происходили случаи, когда в одной из земель патент регистрировался, в другой земле в регистрации патента было отказано. Поэтому Виганд, разумеется, выбрал для оспаривания патента наиболее подходящую для решения вопросу землю.
Некоторые историки склонны предполагать, что правительство Германии было очень не заинтересованно в уменьшении держателей патентов, по причине борьбы с монополизмом и стремлением расширить производство. По каким бы то не было причинам, процесс Отто был проигран.
Не смотря на то, что до 1886 года было выпущено более 30000 двигателей, работающих по циклу Отто, причем на каждом из них компания Дойц устанавливала табличку «Двигатель Отто», патент Отто в Германии был отозван. Компания Корнинг получила законную возможность производить двигатели, работающие по циклу Отто. Отто имел право использовать свой патент в Англии.
Отто умер 26 января 1891 года в Кёльне. К моменту смерти Отто, благодаря принадлежащим ему лицензиям и патентам, был достаточно богатым человеком.
Компания Klockner-Humboldt-Deutz AG, основанная им и Лангеном, стала одной из самых больших в мире компаний, производящих двигатели внутреннего сгорания. В память заслуг Отто перед вокзалом Кёльна установлен мемориал.
В 1882 Отто, вместе с Александром Беллом, было присвоено звание почётного доктора университета Визбурга.
Уже после смерти Отто в 1936 году в честь высоких заслуг Отто в изобретении двигателя внутреннего сгорания Ассоциация Германских Инженеров приняла решение – все четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания (за исключением дизельных двигателей) называть двигателями Отто.
И не смотря на то, что Отто никогда не был прямо связан с автомобильной промышленностью, его двигатель дал толчок развитию технологического совершенства и до настоящего времени цикл Отто является теоретической основой всех выпускаемых двигателей внутреннего сгорания.
Довольно часто о многих заслуженных людях говорят: "Этот человек поставил мир на колеса", возможно, это выражение выглядит более правдивым, когда говорят о Николаусе Августе Отто.
Пусть большинство обывателей в мире помнят только фамилию Даймлер, как первого производителя автомобиля, историки и все люди, имеющие хоть какое то отношение к автомобильной индустрии, отлично понимают, что всё это было достигнуто благодаря изобретению двигателя внутреннего сгорания, работающего по принципу Отто.
Конструкция и принципы работы четырёхтактного двигателя будут рассмотрены в отдельной статье.
Термины
Двигатель со свободным поршнем
Двигатель, в котором поршень непосредственно не соединён с главным валом, а присоединяется к главному валу двигателя при помощи обгонной муфты.
Обгонная муфта
Механизм, передающий вращение от одного вала к другому только в одном направлении, если скорость ведомого вала становится выше скорости ведущего, ведущий вал продолжает вращаться со своей скоростью.
Подобные муфты широко применяются в автоматических коробках передач. Иногда эти муфты называются муфтами свободного хода.
Автоматический клапан
Клапан, открывающийся не при помощи работы клапанного механизма, а только под воздействие разности давления с обеих сторон клапана. На первых четырёхтактных двигателях Отто использовались впускные автоматические клапаны.
Е.Н. Жарцов.
autopribor.ru
Рассмотрим использование СНГ в двух видах двигателей внутреннего сгорания карбюраторных, работающих по циклу ОТТО с зажиганием смеси от искры, и дизельных, зажигание в которых осуществляется за счет повышения температуры горючей смесн при ее сжатии. Основное внимание уделим только основным принципам конструктивного оформления и работы двигателей, работающих на СНГ. [c.213]
Двигатели с зажиганием (но циклу Отто) и двигатели с воспламенением от сжатия (по циклу Дизеля) могут совершать рабочий процесс в четыре и два такта, что соответствует в первом случае двум, а во втором — одному обороту коленчатого вала. [c.9]
В отличие от двигателей, работающих по циклу Отто, в двигателях дизеля наблюдаются стуки, ассоциирующиеся с началом сгорания. Запаздывание зажигания и присущая высокооктановым бензинам плохая самовоспламеняемость приводят к быстрому повышению давления и вызывают вибрацию в нормальном двигателе дизеля. Слишком большая затяжка сгорания приводит к тепловым потерям, неполному сгоранию и образованию дымного выхлопа. Многотопливный двигатель должен обеспечивать регулирование процесса сгорания при нрименении топлив различных типов. [c.202]
В 1876 году Н.А.Отто создал четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в 1897 году Р.Дизель создал поршневой четырехтактный двигатель с самовоспламенением топлива. [c.3]
Биогаз успешно применяется как топливо. Его можно сжигать в горелках отопительных установок, водогрейных котлов, газовых плит, использовать в холодильных установках абсорбционного типа, в инфракрасных излучателях, в автотракторных двигателях, в газовом цикле Отто (с искровым зажиганием) и газодизельном цикле (с впрыскиванием небольшой дозы запального дизельного топлива). Карбюраторные двигатели легко переводятся на газ достаточно заменить карбюратор на смеситель. [c.301]
Турбулентные пламена предварительно перемешанной смеси. Как видно из табл. 1.2, другим примером пламен предварительно перемешанной смеси является широко известное пламя двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием (двигателя Отто), в котором поток редко бывает ламинарным. В этом случае фронт пламени предварительно перемешанной смеси распространяется в турбулентный поток. Если интенсивность турбулентности не слишком большая, формируются искривленные фронты ламинарного пламени. При этом турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль микролами-нарных пламен предварительно перемешанной смеси. Такой подход к представлению турбулентного пламени как ансамбля микролами-нарных пламен подробно обсуждается в гл. 14. [c.12]
Наименование фактора дизельмоторе (зажигание от сжатия) двигателе Отто (зажигание от искры) [c.259]
В настоящее время применяется два типа двигателей внутреннего сгорания двигатель Отто и двигатель Дизеля. В качестве моторных топлив применяются чаще всего углеводороды в жидкой фазе и при обычных температурах. В двигателе Отто топлизо-воздушная смесь поступает в цилиндр сжатие ее производится ходом поршня вверх, а зажигание—искрой. В двигателе Дизеля сжатие воздуха также производится ходом поршня вверх, а топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия в распыленном виде. В большинстве типов двигателей Дизеля температура и давление сжатого воздуха сами по себе достаточны для зажигания топлива. Двигатели эти часто называются двигателями с воспламенением от сжатия. Процессы горения для этих двух методов сжигания топлива очень различны, и от этого сильно зависят конструкция двигателя и требуемые свойства топлива. Прежде чем приступить к обсуждению процессов горения, полезно кратко рассмотреть термодинамику работы двигателя с целью уяснить себе факторы, определяющие к. п. д., или экономию топлива, и мощность двигателя. [c.389]
Газовые двигатели, которые распространились сравнительно недавно, применяют для приведения в действие насосных систем в линиях природного газа, продувочных насосов, генераторов на установках очистки, газовых танкерах и т. д. В газовых двигателях Отто смесь газ/воздух воспламеняется с помощью свечей зажигания. В газовых дизельных двигателях воспламенение достигается путем непрерывного впрыска небольших количеств (5—10 %) дизельного топлива, инициирующего сгорание трудно-воспламеняющегося метаносодержащего газа с большим сопротивлением детонации. Посредством переключающих и управляющих устройств можно переходить с топлива на газ, т. е. изменять содержание дизельного топлива в смеси от 5 до 100 %. Это важно в случае нехватки газа. [c.293]
Двигатели с прямым впрыском топлива объединяют преимущества дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания (двигателей Отто) [Takagi, 1998]. Топливо инжектируется непосредственно в цилиндр в течение фазы сжатия. Воспламенение инициируется свечой зажигания вблизи зоны перемешивания горючего и воздуха. В зоне воспламенения смесь богатая, что поддерживает процесс воспламенения. С другой стороны, состав всей смеси бедный, что снижает образование окислов азота (см. гл. 17). Результирующие [c.262]
Для дальнейшего развития и совершенствования технологии дви-гателестроения и технологии создания новых топлив необходимы детальные знания о процессах горения в двигателях. Они нужны для эффективного использования топлива с минимальным количеством образуюш ихся вредных выбросов. Термодинамический анализ цикла двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием, т.е. двигателя Отто, показывает, что результирующий КПД г] возрастает с увеличением степени сжатия е (г и 1 — 1/е к = Ср/Су)- Кроме того, полная выходная мощность возрастает, когда большая масса смеси вовлекается в каждом такте впуска. К сожалению, при увеличении степени сжатия возникает явление, называемое стуком двигателя, которое губительно для его конструкции. В данной главе рассматриваются химические основы явления стука в двигателе. [c.267]
Рабочий цикл двигателя с искровым зажиганием (цикл Отто) приведен на рис. У1П-3, г. Бензин, состоящий из смеси углеводородов С4—Си, смешивается с воздухом в карбюраторе. Соотношение топливо — воздух близко к стехиометрическому, иеоб- [c.205]
Двигатели, работающие по циклу Дизеля и по циклу Отто, предъявляют противоположные требования к воспламеняемости топлив. Для дизеля требуется топливо, склонное к реакциям предварительного окисления, а для двигателя с искровым зажиганием, наоборот, необходимо топливо, стойкое против образования перекисей и других продуктов начального окисления. В соответствии с этим между шкалой октановых чисел и цетаповых чисел топлив существует обратная зависимость, имеющая практи- [c.196]
chem21.info
motore (a ciclo) Otto
Dictionnaire technique russo-italien. 2013.
Двигатель Ленуара — в двух проекциях … Википедия
Двигатель Стирлинга — Двигатель Стирлинга … Википедия
Отто Ган (судно) — «Отто Ган» Otto Hahn … Википедия
Отто Николаус Август — Отто (Otto) Николаус Август (10.6.1832, Хольцхаузен, Нассау, ≈ 26.1.1891, Кельн), немецкий конструктор и предприниматель. После окончания в 1848 реального училища занялся коммерческой деятельностью. В 1867 (совместно с немецким инженером Э.… … Большая советская энциклопедия
Отто Штуппахер — Национальность Австрия Дата рождения 3 марта 1947 года Дата смерти … Википедия
ОТТО (Otto) Николаус Август — (1832 91) немецкий конструктор. Создал (1876) 4 тактный газовый двигатель внутреннего сгорания … Большой Энциклопедический словарь
Двигатель внутреннего сгорания — Схема: Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с глушителем … Википедия
Двигатель Аткинсона — Термодинамические циклы Статья является частью серии «Термодинамика». Цикл Аткинсона Цикл Брайтона/Джоуля Цикл Гирна Цикл Дизеля Цикл Калины Цикл Карно Цикл Ленуара … Википедия
Отто Николаус Август — (Otto) (1832 1891), немецкий конструктор. Создал (1876) четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. * * * ОТТО Николаус Август ОТТО (Otto) Николаус Август (10 июня 1832, Хольцхаузен, Нассау, ныне Германия 26 января 1891, Кельн),… … Энциклопедический словарь
Двигатель — У этого термина существуют и другие значения, см. Двигатель (значения). Двигатель, мотор (от лат. motor приводящий в движение) устройство, преобразующее какой либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века… … Википедия
Двигатель Ванкеля — Роторно поршневой двигатель в разрезе. Роторно поршневой двигатель внутреннего сгорания (РПД, двигатель Ванкеля), конструкция которого разработана в 1957 инженером компании NSU Вальтером Фройде (англ.), ему же принадлежала идея этой конструкции.… … Википедия
polytechnic_ru_it.academic.ru
