Научные труды: от паровой машины к ДВС

Создателем первой тепловой (паровой) машины (1766 г.) является наш соотечественник И. И. Ползунов. Его машина была создана на 12 лет раньше паровой машины Уатта. Машину Ползунова можно считать первым тепловым двигателем универсального назначения.[4] Машина уже содержала механизм паро-водо-распределения, который, можно сказать, стал прообразом механизма газораспределения современных ДВС.

Впервые предложения о создании движущей силы путём сжигания жидкого или газообразного топлива внутри цилиндра поршневой машины были сделаны в конце ХVIII века. На протяжении первой половины XIX века большинство мелких промышленных предприятий было не в состоянии приобрести дорогие паросиловые установки. Мелкие предприятия все настойчивее выдвигали спрос на дешёвые двигатели небольшой мощности, которые всегда были бы готовы к действию. Спрос вызывал целый ряд предложений со стороны многих изобретателей, но работоспособный двигатель появился на мелких предприятиях только в 1860 г.[5] Это был двигатель француза Ленуара. В двигателе Ленуара рабочая смесь, состоявшая из воздуха и светильного газа, сгорала в цилиндре без предварительного сжатия. Газораспределение было не клапанным, а золотниковым. Коэффициент полезного действия этой машины был не большим и составлял примерно 4,5 %, то есть, он был примерно таким же, как и в паровых машинах того времени. Двигателей Ленуара было построено около 1000 шт.

Молодой немецкий купец Николай Август Отто заинтересовался французским двигателем. Построив опытный двигатель системы Ленуара, он вскоре убедился в целесообразности осуществления предварительного сжатия рабочей смеси перед сгоранием и таким образом пришёл к четырёхтактному циклу. В начале 1862 г. Отто построил четырёх-цилиндровый газовый двигатель с противоположным расположением цилиндров, который оставался работоспособным в течение многих месяцев.[6] Однако Отто не смог, несмотря на все свои старания, устранить резкие взрывные удары (по-видимому, детонацию). Он, как и все инженеры того времени, был убеждён в том, что продукты сгорания должны быть полностью удалены из цилиндра и поэтому применил очень сложную конструкцию поршня.

После неудачи с четырёхтактным двигателем Отто совместно с Лангеном построил работоспособный атмосферный ДВС, который был поставлен на производство (их было выпущено примерно 5000 шт.). Однако, учитывая необходимость увеличения мощности и числа оборотов вала двигателя, Отто вернулся к четырёхтактной машине. В 1876 г. ему удалось создать надежный газовый ДВС. Благодаря предварительному сжатию свежего заряда коэффициент полезного действия двигателя возрос до 12 %.[7]

Одновременно с Отто французский железнодорожный инженер Бо-де- Рош теоретически исследовал вопрос создания высокоэкономичного двигателя. Он написал брошюру, в которой дал описание четырехтактного цикла двигателя. Эту брошюру он приложил к заявлению о выдаче патента на четырехтактный двигатель. Построить такой двигатель Бо-де-Рошу не удалось из-за отсутствия денежных средств.

В период 1879-1885 г. г. моряк русского флота Огнеслав (Игнатий) Стефанович Костович сконструировал и построил восьмицилиндровый двигатель мощностью 80 л. с., работавший на бензине. Это был первый в мире работоспособный двигатель жидкого топлива. Двигатель О. С. Костовича был предназначен для дирижабля и имел удельную массу 3 кг/л. с.

Немецкий инженер Рудольф Дизель, еще будучи студентом и слушая лекции о термодинамическом цикле Сади Карно, попытался осуществить его на практике. Первая модель двигателя не удалась. В 1897 г. Рудольф Дизель закончил испытания нового двигателя с высокой степенью предварительного сжатия рабочего тела. Этот двигатель работал на керосине и имел КПД ≈ 25 %.[8] Уже в 1899 г. в Петербурге на заводе Нобеля («Русский дизель») был построен первый в мире двигатель с воспламенением от сжатия, работавший на нефти. Этот двигатель, созданный русскими инженерами, имел ряд конструктивных достоинств, был надёжнее в эксплуатации и имел непревзойденный по тому времени КПД, равный ≈ 28 %.[9]

Русский изобретатель Яков Васильевич Мамин в 1903-1908 г. г. построил работоспособный двигатель высокого сжатия с впрыском нефти в цилиндр без помощи сжатого воздуха. Впрыск топлива производился в предкамеру, выполненную из чугуна с медной вставкой, что позволяло получить высокую температуру поверхности предкамеры и надежное самовоспламенение. Это был первый в мире бескомпрессорный дизель.

Велик вклад русских и российских учёных в теорию двигателей внутреннего сгорания.

В 1906-1907 г. г. профессор МВТУ (теперь это Московский государственный технический университет – МГТУ) Василий Игнатьевич Гриневецкий предложил тепловой расчёт двигателей, который был впоследствии усовершенствован членом-корреспондентом АН СССР Н. Р. Брилингом, профессором Е.К. Мазингом и академиком Б. С. Стечкиным. На Западе законченный метод теплового расчёта двигателей появился лишь в 1929 г.[10] В 1920-х г. г. начато применение наддува с приводом нагнетателя от коленчатого вала двигателя (механический наддув). Позднее применён газотурбинный наддув дизелей.

В 1937 г. в институте химической физики АН СССР начаты работы по факельному зажиганию, а в начале 1960-х г. г. на Горьковском автозаводе создана конструкция двигателя с зажиганием такого типа. Это были первые двигатели с расслоением заряда. В 1954 г. появились двигатели с впрыском бензина, что позволило повысить мощность и улучшить экономичность бензиновых ДВС [10]. В 1995 г. мировой выпуск автомобильных двигателей с впрыском бензина составил 75 % от общего числа бензиновых ДВС. Применение наддува на этих двигателях, начавшееся с 1970 г., позволило повысить их мощность на 25…30 %.

В середине 50-х годов в связи с развитием реактивных двигателей авиация перешла на потребление средних фракций нефти (керосин, реактивное топливо). Это привело к возникновению избытка легких топлив. В 1954 г. появились многотопливные двигатели фирмы MAN с M-процессом, позволяющим сжигать бензины с малыми скоростями нарастания давлений.[11]

В 60-е годы возникает направление комбинации поршневого двигателя с газовой турбиной – турбокомпаундные двигатели. Большегрузные автомобили «Скания» с такими двигателями имеют мощностные и экономические показатели, находящиеся в ряду наилучших для автомобильных двигателей.

Значительным шагом в развитии автомобильного двигателестроения стало появление первого работоспособного роторно-поршневого двигателя в 1957 г., созданного в Германии под руководством немецкого исследователя Ф.Ванкеля (1902…1988 г.г.). Имея малую удельную массу и габариты, высокую надёжность, РПД достаточно быстро получили широкое распространение главным образом на легковом автотранспорте, в авиации, на судах и стационарных установках. К 2000 г. было изготовлено более двух миллионов автомобилей с РПД.[12]

В последние годы продолжается процесс совершенствования и улучшения показателей бензиновых двигателей и дизелей.