Газовый двигатель Этьена Ленуара

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступление

XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные спутники Земли. Все это действует не без помощи двигателей.

Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы, но уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.

С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его труде, затем они стали постепенно заменять его.

Человечество стало искать другие источник энергии. Долго трудились изобретатели, много машин испытали - и вот, наконец, новый двигатель был построен.

Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства - паровозы.

Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый. В 1860 г. француз Жак Этьен Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

1. Жак Этьен Ленуар (Lenoir) (1822-1900)

Родился в Сен-Дени - предместье Парижа. Работал официантом, затем рабочим эмалировочной мастерской. Природа наградила Ленуара и умом и способностями, но у него, благодаря газетной болтовне, сложилось наивное представление о творчестве в технике, как о какой то лотерее, где все дело решает случай. Ему казалось, что достаточно самых небольших знаний и опыта, чтобы иметь право участвовать в этой игре, надеясь на свое счастье. О том, что роль случая в творческой работе чрезвычайно ограничена, что случай только помогает выйти из рамок привычного мышления, но помогает исследователю, а не первому встречному, что случаи окружают всех и каждого повсюду, но остаются незамеченными, - обо всем этом Ленуар не думал, не знал и не догадывался.

К середине 19_го века идея создания двигателя внутреннего сгорания висела в воздухе. Многие изобретатели в разных странах создавали опытные конструкции двигателей, работающих на смеси водорода и воздуха, на светильном газе, на угольной пыли и даже на жидком топливе, используя для этого различные горючие жидкости.

Тем более не думал он о том, что творческий процесс происходит главным образом в борьбе с привычным отношением к вещам, в преодолении привычного мышления и в усвоении нового взгляда, нового отношения. Со своими представлениями Ленуар, вероятно, остался бы навсегда пустым мечтателем, но он был настойчивый человек, аккуратный, энергичный, неутомимый и предприимчивый работник.

Работая на бельгийском гальваническом заводе, Ленуар ознакомился с принципами электротехники. Эксперименты с электричеством, проводившиеся Ленуаром в 1859 году привели его к идее использования электрической искры для воспламенения воздушно-газовой смеси. Это привело его к решению создать двигатель, использующий этот принцип. Возможно, Ленуар был знаком с работами Лебона.

Став хозяином мелкой эмалировочной мастерской, Ленуар понял, как необходим мелкой промышленности компактный удобный двигатель. Ленуар стал изучать патенты на газовые двигатели, которых обнаружилось несколько десятков. О нарушении прав изобретателей Ленуар не беспокоился: идея газового двигателя была столь популярна, что казалась уже никому не принадлежащей, и дело сводилось лишь к тому, чтобы создать работоспособную конструкцию.

В 1860 году Ленуару удалось создать практически работающий двигатель внутреннего сгорания, работающей на светильном газе, и первым наладить его коммерческое и получить патент на свой газовый двигатель с воспламенением от электрической искры.

Многие инженеры, современники Ленуара, не считали его двигатель самостоятельным изобретением, поскольку Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. Но двигатель Ленуара оказался первым, практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение.

Ленуар был счастлив. Его имя на все лады повторялось в печати. Патент доставлял ему средства для жизни. Он толстел, лысел и все чаще предпочитал болтать в кафе, чем работать над двигателем.

Вскоре на Ленуара обрушилось сразу несколько судебных исков изобретателей газовых машин. Многие, увидев успех Ленуара, вспомнили о своих неиспользованных патентах и предъявили претензии. С трудом отбившись от конкурентов, Ленуар продолжил работу над двигателем. Стоило в 1867 году на Парижской всемирной выставке появиться газовому двигателю немецкой фирмы «Отто-Дейтц» более экономичному, чем двигатель Ленуара, как спрос на них прекратился. Прославленный изобретатель сошел со сцены. Всеми забытый, но сохранивший до конца жизни свой доход. Ленуар умер в 1900 году.

2. Принципы работы двигателя Ленуара

По своей компоновке и конструкции двигатель Ленуара имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона.

На конструкцию одноцилиндрового двухтактного газового двигателя так же заметное влияние оказали технические решения, использованные в паровой машине Уатта: поршень двойного действия (рабочими ходами являются и прямой и обратный), золотниковый механизм, управляющий подачей рабочего тела в цилиндр и удалением отработанного. Только рабочим телом является не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

3. Как же работает двигатель Ленуара

Первый такт

Второй такт

Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания.

Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня.

Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра.

Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара попадает в группу атмосферных двигателей.

4. Устройство двигателя Ленуара

1 - Катушка Румкорфа; 2 - Гальванические батареи; 3 - Подшипник коленчатого вала; 4 - Коленчатый вал; 5 - Кривошип коленчатого вала; 6 - Маховик; 7 - Эксцентрик впускного золотникового клапана; 8 - Шток впускного клапана; 9 - Эксцентрик выпускного золотникового клапана; 10 - Шток выпускного клапана; 11 - Шатун; 12 - Шток поршня; 13 - Ползунковый распределитель зажигания; 14 - Поршень; 15 - Свеча зажигания задней камеры; 16 - Свеча зажигания передней камеры; 17 - Передняя камера цилиндра; 18 - Впускной золотниковый клапан; 19 - Выпускной золотниковый клапан; 20 - Цилиндр; 20 - Рубашка охлаждения

Двигатель имел следующие технические особенности: светильный газ и воздух подавались в цилиндр двигателя по отдельности, и только в цилиндре двигателя происходило их перемешивание. Этим двигатель Ленуара отличался от двигателя Лебона, в котором смешивание газа и воздуха происходило в отдельной смесительной камере. Две электрические свечи, вставленные с обеих сторон в цилиндр двигателя, поочерёдно обеспечивали воспламенение воздушно-газовой смеси в обеих камерах цилиндра. В систему зажигания также входили медно-цинковые батареи, катушка Румкорфа (прабабушка современных батарейных систем зажигания) и автоматический ползунковый распределитель зажигания. Этот примитивный распределитель, в отличие от современных механических распределителей зажигания, не распределял искру между цилиндрами многоцилиндрового двигателя, а распределял искру между двумя свечами, установленными в противоположные полости одного цилиндра двигателя двухстороннего действия.

Двигатель Ленуара, как и двигатель Лебона, был двигателем двухстороннего действия, воздушно-газовая смесь поочерёдно подавалась с обеих сторон поршня. По существу это был двухтактный двигатель, поскольку рабочий цикл двигателя осуществлялся за два движения поршня. На первом такте происходил впуск смеси в цилиндр, воспламенение и расширение (силовая часть) воздушно-топливной смеси в цилиндре. На следующем такте отработавшие газы выходили из цилиндра. Переключение между выпуском и впуском осуществлялось золотниковым клапаном, который в свою очередь приводился при помощи эксцентрикового кулачка, установленного на вал отбора мощности.

Создать сразу работающий двигатель оказалось не так просто. Первая модель двигателя проработала очень короткий промежуток времени, поскольку поршень заклинило в цилиндре по причине перегрева. Для устранения этой неисправности в следующей модели двигателя Ленуар предусмотрел водяное охлаждение (чего не было на паровых машинах). Но сразу выявилась следующая неисправность, двигатель не удалось запустить, поскольку поршень очень тяжело перемещался в цилиндре. Эту проблему Ленуар решил, добавив в конструкцию двигателя систему смазки. В результате этих улучшений третий вариант двигателя, наконец, заработал. Скорость вращения колебалась в довольно широких пределах (от 102 до 140 об/мин). Мощность двигателя была чуть больше 0,5 л. с. при диаметре цилиндра 120 мм и ходе поршня 100 мм.

Преимущество двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе, по сравнению с паровым двигателем, заключалось в более лёгкой эксплуатации газового двигателя. Двигатель быстро запускался, когда это было необходимо. Кроме того, газовый двигатель был более безопасным, поскольку он не имел парового котла с высоким давлением пара и не имел топки.

Но при этом двигатель внутреннего сгорания не стал легче парового двигателя и мог использоваться только как стационарный. Светильный газ был очень дорог, а двигатель Ленуара отличался особой прожорливостью, каждая единица мощности, выработанная двигателем внутреннего сгорания, обходилась владельцу в семь раз дороже по сравнению с паровым двигателем. На выработку мощности одной лошадиной силы в течение часа двигатель потреблял не менее 3 кубических метров газа. Поскольку большая часть тепловой энергии уходила вместе с выпускными газами, коэффициент полезного действия двигателя не превышал 4 %. После того, как скорость вращения поднималась до 100 об/мин, по причине неудовлетворительной работы электрического зажигания, появлялись пропуски воспламенения. А для охлаждения двигателя требовалось 120 мі воды в час, так как во время работы двигателя выделялось большое количество теплоты. Температура горящего газа поднималась до 800є С, по этой причине выпускной золотниковый клапан перегревался и в результате этого происходило заклинивание клапана. Подшипники двигателя требовали обильной смазки, даже при небольшом уменьшении смазки двигатель заклинивало. В то время относительно двигателя Ленуара существовала злая шутка, что этот двигатель работает не на газе, а на масле. Учитывая выше сказанное, двигатель Ленуара был крайне непрактичным механизмом.

Но, не смотря на все присущие этому двигателю недостатки, на тот момент это был единственный практически работающий двигатель внутреннего сгорания, использующий в виде топлива светильный газ. После того как в 1864 году двигатель Ленуара получил приз на всемирной выставке в Париже, популярность его быстро увеличилась. Только за 1864 было построено не менее 300 двигателей Ленуара.

Двигатель Ленуара позволил заменить паровую машину там, где её применение было затруднительно.

Большинство выпускаемых двигателей имели мощность 3 л.с., но в производстве был ряд двигателей, мощностью от 0,5 до 6 лошадиных сил. Первоначально спрос на двигатели был достаточно высоким, только во Франции было выпущено от 300 до 400 двигателей, около 100 двигателей было выпущено в Англии, также двигатели выпускались и в Америке, но точное количество выпушенных в Америке двигателей не известно.

К сожалению, двигатель Ленуара не оправдал возложенных на него ожиданий, да и рекламных заявлений, рассыпаемых Ленуаром, и его популярность исчезла так же быстро, как и появилась. Ленуар не смог обеспечить модернизацию и усовершенствование работающего двигателя

К концу 1860_х годов производство атмосферных двигателей конструкции Ленуара было прекращено. Более того, никто больше не рисковал применять на двигателе внутреннего сгорания ненадёжную систему электрического зажигания, повсеместно стало стандартом применение зажигания при помощи открытого пламени, вплоть до 1888 года, когда появились зажигание при помощи накалённой головки или калильной трубки.

В 1867 году на рынке появляются значительно более экономичные и удобные в эксплуатации двигатели внутреннего сгорания, и спрос на двигатели Ленуара сразу упал.

В общей сложности, на рынок было выпущено более пяти тысяч двигателей Ленуара, нашедших применение в мелких мастерских.

В 1863 году Ленуар модернизировал свой двигатель. Модернизированный двигатель работал не на газовом топливе, а на керосине, для работы на керосине на двигатель был установлен примитивный карбюратор. Этот двигатель Ленуар установил на простейшую повозку, на которой проехал более 50 километров.

Но после появления в продаже четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания конструкции Николауса Отто (принцип действия которого широко используется и сегодня), двигатель Ленуара быстро теряет свои позиции на рынке, и, в конце концов, вытесняется двигателем Отто.

Двигатель Ленуара значительно уступал конкуренту по термическому КПД, кроме того, по сравнению с другими поршневыми двигателями внутреннего сгорания у него была крайне низкая мощность, снимаемая с единицы рабочего объёма цилиндра. Двигатель с 18_литровым цилиндром развивал мощность всего в 2 лошадиных силы. Эти недостатки были следствием того, что в двигателе Ленуара отсутствует сжатие топливной смеси перед зажиганием. Равномощный ему двигатель Отто (в цикле которого был предусмотрен специальный такт сжатия) весил в несколько раз меньше, и был гораздо более компактным.

Даже очевидные преимущества двигателя Ленуара - относительно малый шум (следствие выхлопа практически при атмосферном давлении), и низкий уровень вибраций (следствие более равномерного распределения рабочих ходов по циклу), не помогли ему выдержать конкуренцию.

В технической термодинамике рабочий процесс двигателя Ленуара описывается циклом Ленуара.

5. Цикл Ленуара

Цикл Ленуара - термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы ряда двигателей внутреннего сгорания, имеющих разную конструкцию и область применения, в том числе:

· исторически первый работающий двигатель внутреннего сгорания (см. Двигатель Ленуара), запатентованый в 1859 г. бельгийским изобретателем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром, в честь которого цикл получил своё название;

· тепловые ракетные двигатели;

· бесклапанные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели;

· газотурбинные двигатели внутреннего сгорания, работающие без доступа атмосферного воздуха, на ракетном топливе, (однокомпонентном, например, перекиси водорода, или двухкомпонентном, содержащем горючее и окислитель), например, турбины двигателей торпед, турбонасосных агрегатов ЖРД, и др.

Идеальный цикл Ленуара состоит из трёх термодинамических процессов:

p-V диаграмма цикла Ленуара

· 1-2 изохорный нагрев рабочего тела;

· 2-3 изоэнтропийное расширение;

· 3-1 изобарное охлаждение.

Термический коэффициент полезного действия идеального цикла Ленуара можно определить любым из следующих эквивалентных выражений:

,

где - степень расширения, а - показатель адиабаты для рабочего тела. Этой формулой удобно пользоваться для определения КПД поршневого двигателя Ленуара, поскольку параметр легко может быть определён из рассмотрения геометрии и кинематики узла цилиндр-поршень двигателя.

ленуар двигатель кинематика газовый

,

здесь - степень повышения давления. Эта формула чаще всего используется для расчётов КПД реактивных и газотурбинных двигателей, работающих по циклу Ленуара.

Заключение

Строение двигателей постоянно усложнялось, свидетельствуя о совершенствовании и «укреплении» человека в науке. Но принцип работы двигателей даже сейчас в эпоху, машин и компьютеров, остается прежним, говоря об определенном «совершенстве в строении разных изобретений». Двигателя стали основой жизни человека.

Если сравнивать разные виды двигателей в мировом прогрессе, то их роль открывается в каких-то определенных отраслях науки и техники. Например паровые машины полностью перевернули промышленность того времени. Из-за их сферы применения: в шахтах, рудниках (для откачки воды), и на фабриках (для приведения в работу различных видов станков). Других устройств для этих целей в XIII веке не было.

Но и такие устройства как паровые машины не давали полным образом человеку подвижности и коммуникабельности. Для этих целей и был изобретен двигатель внутреннего сгорания, универсальный и работающий именно на жидком топливе. Область применения ДВС не заканчивается только на средствах передвижения, - это разнообразные дизельные электрогенераторы, бензопилы, авиамодели и д.р. Первые ДВС не пользовались большим успехом до конца XIX века. Это было связано с тем что люди в тот промежуток времени были очень верующими, и боялись «шумящих монстров» передвигающимися по улицам городов. По этой цели компании Мерседес и Даймлер проводили испытания своих машин только в ночное время. Но ДВС набрали своего доверия и развиваются и применяются до сегодняшнего дня.

Мир меняется, меняется ритм жизни, но только двигателя без сбоев продолжают движения мира. В каждой машине, станке, устройстве есть гудящее «железное сердце», подаренное миру великими учеными. Они постоянно совершенствуется, меняется, модернизируется.

Это говорит о простоте, но в тоже время о совершенстве изобретенных двигателей.

Двигатели когда-то были «впереди планеты всей», а сейчас довольствуется ролью массовки. Но без этой массовки невозможно было изобретения машин и станков, развития всего человечества.

Наука шагает по миру размашисто и неспешно, а в груди её бьётся мотор - в прямом смысле этого слова.

Список литературы

1. «Я познаю мир». А. Леонович. Москва. ООО «Издательство Астрель». 2002 г. 509 стр.

2. «История техники». Ю.К. Миланов. Москва. «Соцэкгиз» 1962 г. 772 стр.

3. «Энциклопедия для детей». Том 14. Техника. М.Д. Аксенова. Москва. «Аванта+». 2001 г. 688 стр.

4. «Энциклопедия для детей». Том 11. Физика. Часть 2. В.А. Володин. Москва. «Аванта+» 2001 г. 432 стр.

5. «Быстроходные поршневые двигателя». А.М. Гугин. Ленинград. «Машиностроение». 1967 г. 259 стр.

6. Великанов Д.П. и др. Развитие автомобильных транспортных средств. М. Транспорт, 1984.

7. Долматовский Ю.А. Автомобиль за 100 лет. М. Знание. 1986.

8. Дубровский В.И. Автомобили и мотоциклы России (1896-1917 гг.)., 1994.

9. Мацкерле Ю. Автомобиль сегодня и завтра. М. Машиностроение, 1980.

10. Моравский А.В. История автомобиля. М. «ИнтерД», 1996.

11. Шляхтинский К.В. Автомобиль в России (история автомобиля). М. Хоббикнига, 1993.

12. Бекман В.В. Гоночные автомобили. Л. Машиностроение, 1980.

13. Долматовский Ю.А. Беседы об автомобиле. М. Молодая гвардия. 1976.

14. Мордашов Ю.Ф. Выживет ли отечественный автомобиль. Н. Новгород. 2004.

Размещено на Allbest.ru