История газового двигателя внутреннего сгорания

26 августа 1801 года французский инженер, профессор механики в Школе мостов и дорог в Париже Филипп Лебон оформил патент на конструкцию газового двигателя. Движущая сила возникала после взрыва газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра — у человечества появился двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Поиск альтернативы тепловым (паровым) машинам начался фактически сразу после их появления. К этому подталкивала сама их несовершенная конструкция. С одной стороны, они обладали большими габаритами и массой из-за применения внешнего оборудования для обеспечения сгорания топлива и поддержания давления пара. А с другой — функциональная часть паровой машины (поршень и цилиндр) сравнительно невелика. Данное противоречие постоянно побуждало мысль изобретателей к поиску возможности совмещения процесса сгорания топлива с рабочим телом двигателя. Всех перспектив такого прорыва разум человека конца XVIII века представить не мог, но было ясно, что решение проблемы позволит значительно уменьшить габариты и вес двигателя и увеличить его полезное действие.

Однако, чтобы такое стало осуществимым, сначала нужно было решить вопрос с подходящим топливом. Без этого любой прогресс в области ДВС просто невозможен. Именно топливо определяет устройство двигателя, его габариты и характеристики, да и саму возможность его создания. И первым таким топливом стал светильный газ.

Он был открыт французским инженером Филиппом Лебоном (1769−1804) (рис. 1), который в 1799 году получил патент на использование и способ получения этого газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами.

Рис. 1. Филипп Лебон

Лебон понял, что его светильный газ можно использовать не только для освещения. Изобретателю пришла в голову мысль взяться за конструирование двигателя, способного заменить паровую машину. Основным требованием к конструкции такого агрегата было сгорание топлива не во внешней топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.

Через два года работа Лебона, который к тому времени получил звание профессора механики в парижской Школе мостов и дорог, дала результат. И 26 августа 1801 года он оформил патент на конструкцию своего газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на уже известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом при воспламенении взрывалась с выделением большого количества теплоты.

Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Для полезного использования этого явления в двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора.

Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. Таким образом, в руках 32-летнего французского профессора оказалась хоть и несовершенная, но вполне действующая первая в истории модель двухтактного ДВС.

Если бы Провидение подарило этому талантливому изобретательному французскому инженеру долгую жизнь, то вполне вероятно, что человечество значительно раньше пересело бы из конных экипажей в автомобили и поднялось в воздух на первых аэропланах. Однако Лебону не суждено было продолжить работы по усовершенствованию своего творения — в 1804 году он был убит.

Работы над двигателем, работающим на светильном газе, продолжил бельгийский механик Жан Этьен Ленуар. Он значительно усовершенствовал конструкцию и первым применил электрическую искру для воспламенения газовоздушной смеси внутри рабочего цилиндра. Также он первым снабдил свой двигатель водяной системой охлаждения и использовал систему смазки для лучшего хода поршня. Двигатель Ленуара (рис. 2), который окончательно был сконструирован в 1860 году, имел мощность около 12 л. с. с КПД около 3,3%. Получив изрядный доход от выпуска своего двигателя, Ленуар перестал работать над его усовершенствованием, и позднее более удачные модели вытеснили этот двигатель с рынка.

Еугенио Барзанти и Фетис Матточчи развили эту идею и в 1854 году представили свой двигатель внутреннего сгорания. Он работал в трехтактной последовательности (без хода сжатия) и имел водяное охлаждение. Хотя рассматривались и другие виды топлива, но все же в качестве горючего была выбрана смесь воздуха с каменноугольным газом, и при этом удалось достичь мощности в 5 л. с.

В 1862 году французский изобретатель Альфонс Бо де Роша запатентовал принципиально новое устройство — первый в мире двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершался за два оборота коленчатого вала, т.е. за четыре хода (такта) поршня. Однако до коммерческого производства четырехтактного двигателя дело тогда так и не дошло.

На Парижской всемирной выставке 1867 года представители завода газовых двигателей Deutz, основанного инженером Николасом Отто и промышленником Эженом Лангеном, продемонстрировали двигатель (рис. 3), сконструированный с использованием принципа Барзанти-Матточчи. Этот агрегат создавал меньше вибраций, был легче и поэтому скоро вытеснил упомянутый выше двигатель Ленуара.

Рис. 2. Газовый двигатель Ленуара 1860 г.

Рис. 3. Газовый двигатель Отто 1867 г.

Цилиндр нового двигателя был вертикальным, вращаемый вал помещался над ним сбоку. Вдоль оси поршня к нему крепилась рейка, связанная с валом. Вал приподнимал поршень, под ним образовывалось разрежение, и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась открытым пламенем через трубку (Отто и Ланген не были специалистами в области электротехники и отказались от электрического зажигания). При взрыве давление под поршнем возрастало, поршень поднимался, объем газа увеличивался, и давление падало. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним вновь не создавалось разрежение.

Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой: КПД этого двигателя достигал 15%, т. е. превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. Этот четырехтактный цикл и в настоящее время используется в основе работы большинства бензиновых и газовых двигателей (рис. 4).

Рис. 4. Схема работы поршневого четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

Использование в качестве топлива светильного газа сильно сужало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Газовых заводов было немного даже в Европе, а в России и вовсе только два — в Москве и Петербурге.

В 1883 году появился бензиновый двигатель, изобретенный немецкими инженерами Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, бывшими сотрудниками фирмы Отто. Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.

А в 1885 году Даймлер и Майбах разработали легкий бензиновый карбюраторный двигатель. Они использовали его для создания первого мотоцикла в 1885 году, а в 1886-м — на первом автомобиле. Человечество вступило в новую эру.