Motoarele termice (în principal motoare cu abur) încă din momentul apariției lor s-au remarcat prin dimensiuni mari și acest lucru s-a datorat în mare măsură utilizării arderii externe (s-au cerut cazane, condensatoare, evaporatoare, schimbătoare de căldură, tender, pompe, rezervoare de apă etc.). ). În același timp, partea principală (funcțională) a motorului cu abur (piston și cilindru) este relativ mică. Prin urmare, ideea inventatorilor a revenit întotdeauna la posibilitatea de a combina combustibilul cu fluidul de lucru al motorului, ceea ce a făcut apoi posibilă reducerea semnificativă a dimensiunilor și intensificarea proceselor de admisie și evacuare a fluidului de lucru. Ușurarea motoarelor a făcut posibilă instalarea lor în transport, inclusiv chiar și în avion. Avioanele moderne (cu excepția unui număr mic de motoare electrice) sunt echipate exclusiv cu motoare cu ardere internă - reacție, turboreactor sau piston.
Progresul în domeniul motoarelor cu ardere internă este strâns legat de descoperirea și utilizarea diverșilor combustibili, inclusiv a celor sintetizati. Deoarece compoziția fluidului de lucru (obținut prin arderea amestecului combustibil-aer), puterea calorică, viteza de ardere a amestecului și parametrii ciclului (raportul de compresie) depind de combustibilul utilizat, aceasta determină în mare măsură greutatea, indicatorii de mărime și putere ale unor astfel de motoare. Combustibilul motorului cu ardere internă determină dispozitivul acestuia din urmă și, în general, posibilitatea creării acestuia. Primul astfel de combustibil a fost gazul de aprindere .
Mulți oameni de știință și ingineri au contribuit la dezvoltarea motoarelor cu ardere internă. În 1791, John Barber a inventat turbina cu gaz. În 1794, Thomas Mead a brevetat John Barbie a creat un motor portocaliu și pe gaz. Tot în 1794, Robert Street a brevetat motorul cu combustie internă cu combustibil lichid și a construit un prototip funcțional. În 1807, inginerul francez Nicephore Niépce a lansat un motor experimental cu combustie internă cu combustibil solid, care folosea ca combustibil pireoforul sub formă de pulbere. În 1807, inventatorul francez François Isaac de Rivaz a construit primul motor cu piston, denumit adesea motorul de Rivaz . Motorul funcționa cu hidrogen gazos, având elemente de design care au fost incluse de atunci în prototipurile ICE ulterioare: un grup de piston și aprindere prin scânteie. Nu exista încă un mecanism de manivelă în designul motorului.
În 1799, inginerul francez Philippe Lebon a descoperit gazul de iluminat și a primit un brevet pentru utilizarea și metoda de obținere a gazului de iluminat prin distilarea uscată a lemnului sau a cărbunelui. Această descoperire a fost de mare importanță, în primul rând pentru dezvoltarea tehnologiei de iluminat. Foarte curând în Franța și apoi în alte țări europene , lămpile cu gaz au început să concureze cu succes cu lumânările scumpe. Cu toate acestea, gazul de iluminat era potrivit nu numai pentru iluminat. Inventatorii au preluat proiectarea motoarelor care ar putea înlocui motorul cu abur , în timp ce combustibilul nu ar arde în cuptor , ci direct în cilindrul motorului .
În 1801, Le Bon a obținut un brevet pentru proiectarea unui motor pe gaz. Principiul de funcționare al acestei mașini se baza pe binecunoscuta proprietate a gazului descoperit de el: amestecul acestuia cu aer a explodat la aprindere, eliberând o cantitate mare de căldură. Produsele arderii s-au extins rapid, exercitând o presiune puternică asupra mediului. Prin crearea condițiilor adecvate, este posibil să se folosească energia eliberată în interesul omului. Motorul Lebon avea două compresoare și o cameră de amestec. Un compresor trebuia să pompeze aer comprimat în cameră, iar celălalt gaz ușor comprimat din generatorul de gaz . Amestecul gaz-aer a intrat apoi în cilindrul de lucru , unde s-a aprins. Motorul era cu dublă acțiune, adică camerele de lucru acționau alternativ pe ambele părți ale pistonului. În esență, Lebon a alimentat ideea unui motor cu ardere internă, dar în 1804 a fost ucis înainte de a-și putea aduce invenția la viață [1] .
În anii următori, mai mulți inventatori din diferite țări au încercat să creeze un motor funcțional folosind gaz de iluminat. Cu toate acestea, toate aceste încercări nu au dus la apariția pe piață a motoarelor care ar putea concura cu succes cu motorul cu abur . Meritul pentru crearea unui motor cu ardere internă de succes comercial îi aparține mecanicului belgian Jean Étienne Lenoir . În timp ce lucra la o fabrică de galvanizare, Lenoir a venit cu ideea că amestecul aer-combustibil dintr-un motor pe gaz poate fi aprins cu o scânteie electrică și a decis să construiască un motor pe baza acestei idei . Puterea primului motor practic cu combustie internă pe gaz în doi timpi, proiectat de Lenoir în 1860, era de 8,8 kW (11,97 CP ). Motorul era o mașină orizontală cu acțiune dublă cu un singur cilindru, care funcționează cu un amestec de aer și gaz de iluminat, cu aprindere electrică prin scânteie de la o sursă externă și sincronizare a ventilului . Un mecanism de manivelă a apărut în designul motorului . Randamentul motorului nu a depășit 4,65%. În ciuda deficiențelor, motorul Lenoir a primit o anumită distribuție. Folosit ca motor de barcă.
Lenoir nu a avut succes imediat. După ce a fost posibilă realizarea tuturor pieselor și asamblarea mașinii, aceasta a funcționat destul de puțin și s-a oprit, deoarece din cauza încălzirii pistonul s-a extins și s-a blocat în cilindru. Lenoir și-a îmbunătățit motorul gândindu-se la un sistem de răcire cu apă. Cu toate acestea, a doua încercare de pornire s-a încheiat cu eșec din cauza gripării pistonului. Lenoir și-a completat designul cu un sistem de lubrifiere, abia atunci motorul a început să funcționeze. Astfel, Lenoir a fost cel care a rezolvat primul problemele de lubrifiere și răcire a motoarelor cu ardere internă. Motorul Lenoir avea o putere de aproximativ 12 CP. cu un randament de circa 3,3% [2] .
Până în 1874, au fost deja produse peste 300 de astfel de motoare de diferite capacități. După ce s-a îmbogățit, Lenoir a încetat să lucreze la îmbunătățirea mașinii sale, iar acest lucru i-a predeterminat soarta - a fost forțată să iasă de pe piață de un motor mai avansat creat de inventatorul german Nikolaus Otto .
După ce au făcut cunoștință cu motorul Lenoir, în toamna anului 1860, remarcabilul designer german Nikolaus August Otto și fratele său au construit o copie a motorului pe gaz Lenoir și, în ianuarie 1861, au solicitat un brevet pentru un motor cu combustibil lichid bazat pe gazul Lenoir. Ministerul Prusac al Comerțului, dar cererea a fost respinsă. În 1863 a creat un motor cu ardere internă atmosferică în doi timpi. Motorul avea o aranjare verticală a cilindrilor, aprindere cu flacără deschisă și o eficiență de până la 15%. Am înlocuit motorul Lenoir.
În 1864, a primit un brevet pentru modelul său de motor pe gaz și, în același an, a încheiat un acord cu bogatul inginer Langen pentru a exploata această invenție. În curând a fost creată firma „Otto and Company”. În 1876, Nikolaus August Otto a construit un motor cu combustie internă în patru timpi mai avansat.
La prima vedere, motorul Otto reprezenta un pas înapoi față de motorul Lenoir. Cilindrul era vertical. Arborele rotativ a fost plasat deasupra cilindrului pe lateral. De-a lungul axei pistonului, a fost atașată o șină conectată la arbore. Motorul a funcționat după cum urmează. Arborele de rotație a ridicat pistonul cu 1/10 din înălțimea cilindrului, în urma căruia s-a format un spațiu rarefiat sub piston și a fost aspirat un amestec de aer și gaz. Amestecul s-a aprins apoi. Nici Otto, nici Langen nu aveau suficiente cunoștințe de inginerie electrică și au abandonat aprinderea electrică. S-au aprins cu o flacără deschisă printr-un tub. În timpul exploziei, presiunea de sub piston a crescut la aproximativ 4 atm. Sub acțiunea acestei presiuni, pistonul a crescut, volumul de gaz a crescut și presiunea a scăzut. Când pistonul a fost ridicat, un mecanism special a deconectat șina de la arbore. Pistonul, mai întâi sub presiunea gazului și apoi prin inerție, s-a ridicat până când s-a creat un vid sub el. Astfel, energia combustibilului ars a fost folosită în motor cu maximă deplinătate. Aceasta a fost principala descoperire originală a lui Otto. Cursa de lucru descendentă a pistonului a început sub influența presiunii atmosferice, iar după ce presiunea din cilindru a atins presiunea atmosferică, supapa de evacuare s-a deschis, iar pistonul a deplasat gazele de eșapament cu masa sa. Datorită extinderii mai complete a produselor de ardere, eficiența acestui motor a fost semnificativ mai mare decât eficiența motorului Lenoir și a ajuns la 15% (până la 22%? [2] ), adică a depășit randamentul motorului. cele mai bune mașini cu abur din acea vreme [3] .
Deoarece motoarele Otto erau de aproape cinci ori mai eficiente decât motoarele Lenoir, acestea au fost imediat la mare căutare. În anii următori, au fost produse aproximativ cinci mii. Otto a muncit din greu pentru a le îmbunătăți designul. Curând, cremaliera a fost înlocuită cu o manivelă. Dar cea mai semnificativă dintre invențiile sale a venit în 1877 , când Otto a primit un brevet pentru un nou motor cu ciclu în patru timpi. Acest ciclu stă la baza funcționării majorității motoarelor pe benzină și până în prezent. În anul următor, noile motoare au fost deja puse în producție.
Ciclul în patru timpi a fost cea mai mare realizare tehnică a lui Otto. Dar s-a dovedit curând că, cu câțiva ani înainte de invenția sa, exact același principiu de funcționare a motorului a fost descris de inginerul francez Beau de Rocha . Un grup de industriași francezi a contestat brevetul lui Otto în instanță. Instanța a considerat argumentele lor persuasive. Drepturile lui Otto sub patentul său au fost mult reduse, inclusiv eliminarea monopolului său asupra ciclului în patru timpi.
Deși concurenții au lansat producția de motoare în patru timpi, modelul Otto lucrat de mulți ani de producție a fost încă cel mai bun, iar cererea pentru acesta nu a încetat. Până în 1897, au fost produse aproximativ 42 de mii dintre aceste motoare de diferite capacități. Cu toate acestea, faptul că gazul de iluminat a fost folosit ca combustibil a restrâns foarte mult domeniul de aplicare al primelor motoare cu ardere internă (imposibilitatea utilizării acestuia în transport din cauza volumului cilindrilor și a dificultăților de realimentare). Numărul de instalații de iluminat și gaz a fost nesemnificativ chiar și în Europa , iar în Rusia au fost doar două dintre ele în general - la Moscova și Sankt Petersburg .
Prin urmare, căutarea unui nou combustibil pentru motorul cu ardere internă nu s-a oprit. Unii inventatori au încercat să folosească vaporii de combustibil lichid ca gaz. În 1872, americanul Brighton a încercat să folosească kerosenul în această calitate. Cu toate acestea, kerosenul nu s-a evaporat bine, iar Brighton a trecut la un produs petrolier mai ușor - benzina. Dar pentru ca un motor cu combustibil lichid să concureze cu succes cu un motor pe gaz, a fost necesar să se creeze un dispozitiv special pentru evaporarea benzinei și obținerea unui amestec combustibil al acesteia cu aerul. Brighton , în același 1872 , a venit cu unul dintre primele așa-numite carburatoare „evaporative”, dar nu a funcționat satisfăcător.
Un motor pe benzină funcțional nu a apărut decât zece ani mai târziu. Inventatorul său a fost inginerul german Gottlieb Daimler . Mulți ani a lucrat în firma Otto și a fost membru al consiliului de administrație al acesteia. La începutul anilor 80, el i-a propus șefului său un proiect pentru un motor compact pe benzină care ar putea fi folosit în transport. Otto a reacționat rece la propunerea lui Daimler. Apoi , Daimler , împreună cu prietenul său Wilhelm Maybach , au luat o decizie îndrăzneață - în 1882 au părăsit compania Otto, au achiziționat un mic atelier lângă Stuttgart și au început să lucreze la proiectul lor.
Problema cu care se confruntă Daimler și Maybach nu a fost una ușoară: au decis să creeze un motor care să nu necesite un generator de gaz , să fie foarte ușor și compact, dar în același timp suficient de puternic pentru a muta echipajul. Daimler se aștepta să crească puterea prin creșterea vitezei arborelui, dar pentru aceasta a fost necesar să se asigure frecvența de aprindere necesară a amestecului. În 1883, primul motor pe benzină strălucitor a fost creat cu aprinderea dintr-un tub înroșit introdus în cilindru . Primul model de motor pe benzină a fost destinat unei instalații staționare industriale [3] .
Procesul de evaporare a combustibilului lichid în primele motoare pe benzină a lăsat mult de dorit. Prin urmare, o adevărată revoluție în construcția motoarelor a fost făcută prin invenția carburatorului . Inginerul ungur Donat Banki este considerat creatorul ei . În 1883, a primit un brevet pentru un carburator cu reacție , care era prototipul tuturor carburatoarelor moderne. Spre deosebire de predecesorii săi, Banki a propus să nu vaporizeze benzina , ci să o pulverizeze fin în aer . Aceasta i-a asigurat distribuția uniformă pe cilindru, iar evaporarea în sine a avut loc deja în cilindru sub acțiunea căldurii de compresie. Pentru asigurarea atomizării, benzina a fost aspirată printr-un flux de aer printr-un jet de dozare, iar constanța amestecului a fost obținută prin menținerea unui nivel constant de benzină în carburator. Jetul a fost realizat sub forma uneia sau mai multor orificii în tub, situate perpendicular pe fluxul de aer. Pentru menținerea presiunii, a fost prevăzut un rezervor mic cu flotor, care menținea nivelul la o înălțime dată, astfel încât cantitatea de benzină aspirată să fie proporțională cu cantitatea de aer care intra.
Primele motoare cu ardere internă au fost cu un singur cilindru și, pentru a crește puterea motorului, au crescut de obicei volumul cilindrului . Apoi au început să realizeze acest lucru prin creșterea numărului de cilindri. La sfârșitul secolului al XIX-lea au apărut motoarele cu doi cilindri, iar de la începutul secolului al XX- lea au început să se răspândească motoarele cu patru cilindri.
În 1884 [4] Ogneslav Stepanovici Kostovich a construit primul motor cu carburator pe benzină din Rusia . Motorul lui Kostovich era boxer, cu un aranjament orizontal de cilindri direcționați opus [5] . A fost primul din lume care a folosit aprinderea electrică [6] . Era în 4 timpi, 8 cilindri, răcit cu apă. Puterea motorului a fost de 80 de litri. Cu. cu o greutate a motorului de 240 kg [7] , care a depășit semnificativ performanțele motorului G. Daimler, creat un an mai târziu. Totuși, Kostovich a depus o cerere pentru motorul său abia pe 14 mai 1888 [8] , și a primit un brevet în 1892, adică mai târziu decât G. Daimler și V. Maybach, care au dezvoltat motorul cu carburator în paralel și independent de O. Kostovich. .
În 1885, inginerii germani Gottlieb Daimler și Wilhelm Maybach au dezvoltat un motor ușor cu carburator pe benzină. Daimler și Maybach l-au folosit pentru a construi prima lor motocicletă în 1885, iar în 1886 la primul lor automobil .
Inginerul german Rudolf Diesel , bazându-se pe resursele bogate de cărbune ale Germaniei (din cauza lipsei zăcămintelor de petrol din aceasta din urmă), a propus în 1897 un motor cu aprindere prin compresie care funcționa pe praf de cărbune. Cu toate acestea, din cauza uzurii abrazive rapide a grupului de piston, a vitezei reduse și a completității arderii cărbunelui, un astfel de motor nu a primit nicio distribuție. Cu toate acestea, Diesel a devenit un nume cunoscut pentru toate motoarele cu aprindere prin compresie.
La uzina Putilov în anii 1898-1899, Gustav Vasilyevich Trinkler a îmbunătățit acest motor utilizând atomizarea combustibilului fără compresor, ceea ce a făcut posibilă utilizarea uleiului ca combustibil. Ca rezultat , motorul cu ardere internă fără compresor, cu autoaprindere, cu compresie ridicată, a devenit cel mai economic motor termic staționar . În 1899, la uzina Ludwig Nobel a fost construit primul motor diesel din Rusia și a fost lansată producția de masă de motoare diesel. Acest prim diesel avea o capacitate de 20 CP. Cu. , un cilindru cu diametrul de 260 mm, o cursă a pistonului de 410 mm și o turație de 180 rpm . În Europa, motorul diesel, îmbunătățit de Gustav Vasilievich Trinkler , a fost numit „diesel rusesc” sau „motor trinkler”. La expoziția mondială de la Paris din 1900 , motorul diesel a primit premiul principal. În 1902 , uzina Kolomna a cumpărat o licență pentru producția de motoare diesel de la Emmanuil Ludwigovich Nobel și a început curând producția de masă.
În 1908, inginerul șef al uzinei Kolomna, R. A. Koreyvo, construiește și brevetează în Franța un motor diesel în doi timpi cu pistoane cu mișcare opusă și doi arbori cotiți. Motorele Koreyvo au început să fie utilizate pe scară largă pe navele cu motor ale Uzinei Kolomna. Au fost produse și la fabricile Nobel.
În 1896, Charles W. Hart și Charles Parr au dezvoltat un motor pe benzină cu doi cilindri . În 1903, firma lor a construit 15 tractoare. #3 lor de șase tone este cel mai vechi tractor cu motor cu ardere internă din Statele Unite și este găzduit în Muzeul Național de Istorie Americană al Smithsonian din Washington, DC. Motorul cu doi cilindri pe benzină avea un sistem de aprindere complet nesigur și o putere de 30 de litri. Cu. la ralanti si 18 litri. Cu. sub sarcină [9] .
Primul tractor practic alimentat de un motor cu ardere internă a fost tractorul cu trei roți de nivel american al lui Dan Albon din 1902. Au fost construite aproximativ 500 dintre aceste mașini ușoare și puternice.
În 1903, a zburat primul avion al fraților Orville și Wilbur Wright . Motorul avionului a fost construit de mecanicul Charlie Taylor. Principalele părți ale motorului au fost realizate din aluminiu. Motorul Wright-Taylor era o versiune primitivă a motorului cu injecție pe benzină .
Pe prima navă cu motor din lume au fost instalate trei motoare diesel în patru timpi, cu o capacitate de 120 CP - barja de încărcare cu ulei "Vandal" , construită în 1903 în Rusia la uzina Sormovo pentru "Parteneriatul Fraților Nobel" . Cu. fiecare. În 1904 a fost construită nava „Sarmat”.
În 1924, conform proiectului lui Yakov Modestovich Gakkel , la șantierul naval Baltic din Leningrad a fost creată o locomotivă diesel Yu E 2 (Sch EL 1) .
Aproape simultan, în Germania, la ordinul URSS, conform proiectului profesorului Yu. V. Lomonosov și la instrucțiunile personale ale lui Lenin, în 1924, a fost construită la Esslingen locomotiva diesel Eel2 (inițial Yue001). (fostă Kessler) fabrică de lângă Stuttgart.
Au început o dezvoltare tehnică largă abia în secolul al XX-lea, din cauza dificultăților tehnice de proiectare, calcul și fabricare. Deși primele motoare cu reacție au fost folosite în rachete cu mult înainte, ele aveau o utilizare limitată (pirotehnică, afaceri militare) și erau de unică folosință (distruse odată cu racheta). Astronautica a devenit posibilă numai datorită noilor motoare cu ardere internă îmbunătățite (rachete în mai multe etape cu motoare rachete puternice ) .
Motoarele turboreactor au fost anunțate în condițiile ostilităților din Germania nazistă . Primele astfel de motoare au fost instalate pe avioane cu reacție, cum ar fi Me-262 , un proiectil V-1 fără pilot . Wernher von Braun a adus o contribuție neprețuită în acest domeniu : motoarele dezvoltate de el pe noile rachete Saturn-5 au făcut posibilă realizarea programului lunar . Fără dezvoltarea unor astfel de motoare cu ardere internă puternice și fiabile, depășirea atmosferei este încă imposibilă.
Motoarele cu turbină cu gaz, de asemenea ciocanele SGNG și diesel, sunt utilizate pe scară largă în industrie, construcții, marine și armate. De la mijlocul secolului al XX-lea, acestea s-au răspândit pe scară largă.
Motoarele rotative cu ardere internă, la un moment dat, păreau a fi un înlocuitor cu drepturi depline pentru motoarele cu ardere internă cu piston. Cu toate acestea, în ciuda tuturor eforturilor Mazda și ale designerilor următori, aceștia nu au putut îndeplini noile standarde de mediu înăsprite. În același timp, durabilitatea unor astfel de motoare a rămas o problemă, împreună cu un cost destul de ridicat de fabricație și reparație. Prin urmare, până în prezent, astfel de motoare au dispărut aproape complet, domeniul lor este ocupat de motoarele combinate cu piston și turbină cu gaz.