Lämpömoottorit (pääasiassa höyrykoneet) erottuivat niiden ilmestymishetkestä lähtien suurilla mitoilla ja tämä johtui suurelta osin ulkoisen polton käytöstä (vaatii kattiloita, lauhduttimia, höyrystimiä, lämmönvaihtimia, tarroja, pumppuja, vesisäiliöitä jne. ). Samaan aikaan höyrykoneen pääosa (toiminnallinen) (mäntä ja sylinteri) on suhteellisen pieni. Siksi keksijöiden ajatus palasi aina mahdollisuuteen yhdistää polttoaine moottorin käyttönesteeseen, mikä sitten mahdollisti merkittävästi pienentää mittoja ja tehostaa käyttönesteen otto- ja poistoprosesseja. Moottoreiden keventäminen mahdollisti niiden asentamisen kuljetukseen, myös lentokoneeseen. Nykyaikaiset lentokoneet (lukuun ottamatta pientä määrää sähkömoottoreita) on varustettu yksinomaan polttomoottoreilla - suihkumoottorilla, suihkuturbiinilla tai männällä.
Polttomoottoreiden alan edistyminen liittyy läheisesti erilaisten polttoaineiden, myös syntetisoitujen, löytämiseen ja käyttöön. Koska käyttönesteen koostumus (jota saadaan polttamalla polttoaine-ilmaseosta), lämpöarvo, seoksen palamisnopeus ja sykliparametrit (puristussuhde) riippuvat käytetystä polttoaineesta, se määrää suurelta osin painon, tällaisten moottoreiden koko- ja tehoindikaattorit. Polttomoottorin polttoaine määrää jälkimmäisen laitteen ja yleensä sen luomismahdollisuuden. Ensimmäinen tällainen polttoaine oli sytytyskaasu .
Monet tutkijat ja insinöörit ovat osallistuneet polttomoottoreiden kehittämiseen. Vuonna 1791 John Barber keksi kaasuturbiinin. Vuonna 1794 Thomas Mead patentoi John Barbien, joka loi oranssin ja kaasun moottorin. Myös vuonna 1794 Robert Street patentoi nestemäisen polttoaineen polttomoottorin ja rakensi toimivan prototyypin. Vuonna 1807 ranskalainen insinööri Nicephore Niépce lanseerasi kokeellisen kiinteän polttoaineen polttomoottorin, joka käytti polttoaineena jauhemaista pyreoforia. Vuonna 1807 ranskalainen keksijä François Isaac de Rivaz rakensi ensimmäisen mäntämoottorin, jota usein kutsutaan de Rivaz-moottoriksi . Moottori käytti kaasumaista vetyä, ja siinä oli suunnitteluelementtejä, jotka on sittemmin sisällytetty seuraaviin ICE-prototyyppeihin: mäntäryhmä ja kipinäsytytys. Moottorin suunnittelussa ei vielä ollut kampimekanismia .
Vuonna 1799 ranskalainen insinööri Philippe Lebon löysi valaistuskaasun ja sai patentin sytytyskaasun käytölle ja menetelmälle puun tai hiilen kuivatislauksella. Tällä löydöllä oli suuri merkitys ennen kaikkea valaistustekniikan kehitykselle. Hyvin pian Ranskassa ja sitten muissa Euroopan maissa kaasulamput alkoivat menestyksekkäästi kilpailla kalliiden kynttilöiden kanssa. Valaistuskaasu ei kuitenkaan soveltunut vain valaistukseen. Keksijät ryhtyivät suunnittelemaan moottoreita, jotka voisivat korvata höyrykoneen , kun taas polttoaine ei palanut uunissa , vaan suoraan moottorin sylinterissä .
Vuonna 1801 Le Bon haki patentin kaasumoottorin suunnittelulle. Tämän koneen toimintaperiaate perustui hänen löytämänsä kaasun hyvin tunnettuun ominaisuuteen: sen seos ilman kanssa räjähti syttyessään vapauttaen suuren määrän lämpöä. Palamistuotteet laajenivat nopeasti aiheuttaen voimakasta painetta ympäristöön. Luomalla sopivat olosuhteet on mahdollista käyttää vapautunut energia ihmisen eduksi. Lebon-moottorissa oli kaksi kompressoria ja sekoituskammio. Yhden kompressorin piti pumpata paineilmaa kammioon ja toisen paineistettua kevytkaasua kaasugeneraattorista . Kaasu-ilmaseos meni sitten työsylinteriin , jossa se syttyi. Moottori oli kaksitoiminen, eli työkammiot toimivat vuorotellen männän molemmilla puolilla. Pohjimmiltaan Lebon ruokki ajatusta polttomoottorista, mutta vuonna 1804 hänet tapettiin ennen kuin hän ehti herättää keksintönsä eloon [1] .
Seuraavina vuosina useat keksijät eri maista yrittivät luoda toimivan moottorin valaistuskaasulla. Kaikki nämä yritykset eivät kuitenkaan johtaneet moottoreiden ilmestymiseen markkinoille, jotka voisivat kilpailla menestyksekkäästi höyrykoneen kanssa . Ansio kaupallisesti menestyneen polttomoottorin luomisesta kuuluu belgialaiselle mekaanikolle Jean Étienne Lenoirille . Työskennellessään galvanointitehtaalla Lenoir keksi ajatuksen, että kaasumoottorin ilma-polttoaineseos voitaisiin sytyttää sähkökipinällä, ja päätti rakentaa moottorin tämän idean pohjalta . Lenoirin vuonna 1860 suunnitteleman ensimmäisen käytännöllisen kaksitahtisen kaasupolttomoottorin teho oli 8,8 kW (11,97 hv ). Moottori oli yksisylinterinen vaakasuora kaksitoiminen kone, joka käytti ilman ja sytytyskaasun seoksella sähköistä kipinäsytytystä ulkoisesta lähteestä ja luistiventtiilin ajoituksesta. Moottorin suunnitteluun ilmestyi kampimekanismi . Moottorin hyötysuhde ei ylittänyt 4,65 %. Puutteista huolimatta Lenoir-moottori sai jonkin verran jakelua. Käytetty veneen moottorina.
Lenoir ei heti menestynyt. Sen jälkeen kun kaikki osat oli mahdollista valmistaa ja kone koota, se toimi jonkin aikaa ja pysähtyi, koska kuumenemisen seurauksena mäntä laajeni ja juuttui sylinteriin. Lenoir paransi moottoriaan ajattelemalla vesijäähdytysjärjestelmää. Kuitenkin myös toinen starttiyritys päättyi epäonnistumiseen männän juuttumisen vuoksi. Lenoir täydensi suunnitteluaan voitelujärjestelmällä, vasta sitten moottori alkoi toimia. Siten Lenoir ratkaisi ensimmäisenä polttomoottoreiden voitelu- ja jäähdytysongelmat. Lenoir-moottorin teho oli noin 12 hv. hyötysuhteella noin 3,3 % [2] .
Vuoteen 1874 mennessä tällaisia moottoreita oli valmistettu jo yli 300 eri teholla. Rikastuttuaan Lenoir lopetti työskentelyn autonsa parantamiseksi, ja tämä määräsi hänen kohtalonsa - hänet pakotettiin pois markkinoilta saksalaisen keksijän Nikolaus Otton luoman edistyneemmällä moottorilla .
Tutustuttuaan Lenoir-moottoriin, erinomainen saksalainen suunnittelija Nikolaus August Otto ja hänen veljensä rakensivat syksyllä 1860 Lenoir-kaasumoottorin kopion ja hakivat tammikuussa 1861 patenttia Lenoir-kaasuun perustuvalle nestemäisen polttoaineen moottorille. moottori Preussin kauppaministeriölle, mutta hakemus hylättiin. Vuonna 1863 hän loi kaksitahtisen ilmakehän polttomoottorin. Moottorissa oli pystysuora sylinterijärjestely, avotuli sytytys ja hyötysuhde jopa 15 %. Syrjäytti Lenoir-moottorin.
Vuonna 1864 hän sai patentin kaasumoottorimallilleen ja teki samana vuonna sopimuksen varakkaan insinööri Langenin kanssa tämän keksinnön hyödyntämisestä. Pian perustettiin yritys "Otto and Company". Vuonna 1876 Nikolaus August Otto rakensi kehittyneemmän nelitahtisen polttokaasumoottorin.
Ensi silmäyksellä Otto-moottori edusti askelta taaksepäin Lenoir-moottorista. Sylinteri oli pystysuorassa. Pyörivä akseli asetettiin sivulle sylinterin yläpuolelle. Männän akselia pitkin kiinnitettiin siihen akseliin yhdistetty kisko. Moottori toimi seuraavasti. Pyörivä akseli nosti mäntää 1/10 sylinterin korkeudesta, minkä seurauksena männän alle muodostui harventunut tila sekä ilman ja kaasun seos. Sitten seos syttyi. Ottolla tai Langenilla ei ollut riittävää tietämystä sähkötekniikasta ja he hylkäsivät sähkösytytyksen. Ne syttyivät avotulella putken läpi. Räjähdyksen aikana männän alla oleva paine nousi noin 4 atm:iin. Tämän paineen vaikutuksesta mäntä nousi, kaasun tilavuus kasvoi ja paine laski. Kun mäntä nostettiin, erityinen mekanismi irrotti kiskon akselista. Mäntä ensin kaasun paineessa ja sitten hitaudesta nousi, kunnes sen alle syntyi tyhjiö. Näin ollen poltetun polttoaineen energia käytettiin moottorissa mahdollisimman täydellisesti. Tämä oli Oton tärkein alkuperäinen löytö. Männän alaspäin suuntautuva työisku alkoi ilmakehän paineen vaikutuksesta, ja kun paine sylinterissä oli saavuttanut ilmakehän paineen, pakoventtiili avautui ja mäntä syrjäytti pakokaasut massallaan. Palamistuotteiden täydellisemmän laajenemisen vuoksi tämän moottorin hyötysuhde oli huomattavasti korkeampi kuin Lenoir-moottorin hyötysuhde ja saavutti 15 % (jopa 22 %? [2] ), eli se ylitti moottorin hyötysuhteen. tuon ajan parhaat höyrykoneet [3] .
Otto-moottorit olivat lähes viisi kertaa tehokkaampia kuin Lenoir-moottorit, joten niillä oli heti suuri kysyntä. Seuraavina vuosina tuotettiin noin viisi tuhatta. Otto työskenteli kovasti parantaakseen niiden suunnittelua. Pian hammastanko korvattiin kampivaihteella. Mutta merkittävin hänen keksinnöstään tuli vuonna 1877 , jolloin Otto sai patentin uudelle nelitahtiselle moottorille. Tämä sykli on edelleen useimpien kaasu- ja bensiinimoottoreiden toiminnan taustalla tähän päivään asti. Seuraavana vuonna uudet moottorit otettiin jo tuotantoon.
Nelitahtinen sykli oli Oton suurin tekninen saavutus. Mutta pian kävi ilmi, että muutama vuosi ennen hänen keksintöään ranskalainen insinööri Beau de Rocha kuvasi täsmälleen saman moottorin toimintaperiaatteen . Ryhmä ranskalaisia teollisuusmiehiä haastoi Otton patentin oikeudessa. Tuomioistuin piti heidän väitteitään vakuuttavina. Otton patenttioikeuksia vähennettiin huomattavasti, mukaan lukien hänen nelitahtisyklin monopolin poistaminen.
Vaikka kilpailijat käynnistivät nelitahtimoottoreiden tuotannon, oli monta vuotta valmistettu Otto-malli edelleen paras, eikä sen kysyntä pysähtynyt. Vuoteen 1897 mennessä näitä eri tehoisia moottoreita valmistettiin noin 42 tuhatta. Kuitenkin se, että sytytyskaasua käytettiin polttoaineena, kavensi suuresti ensimmäisten polttomoottoreiden soveltamisalaa (sylintereiden tilavuuden ja tankkausvaikeuden vuoksi sitä ei voitu käyttää kuljetuksissa). Valaistus- ja kaasulaitosten määrä oli Euroopassakin vähäinen , ja Venäjällä niitä oli yleensä vain kaksi - Moskovassa ja Pietarissa .
Siksi uuden polttoaineen etsiminen polttomoottorille ei pysähtynyt. Jotkut keksijät ovat yrittäneet käyttää nestemäisen polttoaineen höyryä kaasuna. Vuonna 1872 amerikkalainen Brighton yritti käyttää kerosiinia tässä ominaisuudessa. Kerosiini ei kuitenkaan haihtunut hyvin, ja Brighton siirtyi kevyempään öljytuotteeseen - bensiiniin. Mutta jotta nestemäinen polttoainemoottori voisi menestyksekkäästi kilpailla kaasumoottorin kanssa, oli tarpeen luoda erityinen laite bensiinin haihduttamiseen ja sen palavan seoksen saamiseksi ilman kanssa. Samassa vuonna 1872 Brighton keksi yhden ensimmäisistä niin sanotuista "haihdutuskaasuttimista", mutta hän ei toiminut tyydyttävästi.
Toimiva bensiinimoottori ilmestyi vasta kymmenen vuotta myöhemmin. Sen keksijä oli saksalainen insinööri Gottlieb Daimler . Hän työskenteli monta vuotta Otto-yhtiössä ja oli sen hallituksen jäsen. 80-luvun alussa hän ehdotti pomolleen projektia kompaktista bensiinimoottorista, jota voitaisiin käyttää liikenteessä. Otto reagoi kylmästi Daimlerin ehdotukseen. Sitten Daimler yhdessä ystävänsä Wilhelm Maybachin kanssa teki rohkean päätöksen - vuonna 1882 he jättivät Otto-yrityksen, ostivat pienen työpajan lähellä Stuttgartia ja aloittivat työskentelyn projektissaan.
Daimlerin ja Maybachin kohtaama ongelma ei ollut helppo: he päättivät luoda moottorin, joka ei vaadi kaasugeneraattoria , olisi erittäin kevyt ja kompakti, mutta samalla riittävän tehokas kuljettamaan miehistöä. Daimler odotti lisäävän tehoa lisäämällä akselin nopeutta, mutta tätä varten oli tarpeen varmistaa seoksen vaadittu sytytystaajuus. Vuonna 1883 luotiin ensimmäinen hehkuva bensiinimoottori , joka sytytettiin sylinteriin työnnetystä punakuumasta putkesta . Ensimmäinen bensiinimoottorin malli oli tarkoitettu kiinteään teollisuusasennukseen [3] .
Nestemäisen polttoaineen haihdutusprosessi ensimmäisissä bensiinimoottoreissa jätti paljon toivomisen varaa. Siksi kaasuttimen keksintö teki todellisen vallankumouksen moottorinrakennuksessa . Unkarilaista insinööriä Donat Bankia pidetään sen luojana . Vuonna 1883 hän sai patentin suihkukaasuttimelle , joka oli kaikkien nykyaikaisten kaasuttimien prototyyppi. Toisin kuin edeltäjänsä, Banki ehdotti, että se ei höyrystäisi bensiiniä , vaan suihkuttaisi sen hienoksi ilmaan . Tämä varmisti sen tasaisen jakautumisen sylinterissä ja itse haihtuminen tapahtui jo sylinterissä puristuslämmön vaikutuksesta. Sumutuksen varmistamiseksi bensiini imettiin ilmavirralla annostelusuihkun läpi, ja seoksen pysyvyys saavutettiin pitämällä bensiinin vakiona kaasuttimessa. Suihku tehtiin putkessa olevan yhden tai useamman reiän muodossa, jotka sijaitsevat kohtisuorassa ilmavirtaukseen nähden. Paineen ylläpitämiseksi varustettiin pieni säiliö kellukkeella, joka piti tason tietyllä korkeudella niin, että sisään imetyn bensiinin määrä oli verrannollinen sisään tulevan ilman määrään.
Ensimmäiset polttomoottorit olivat yksisylinterisiä, ja moottorin tehon lisäämiseksi ne yleensä lisäsivät sylinterin tilavuutta . Sitten he alkoivat saavuttaa tämän lisäämällä sylinterien määrää. 1800 - luvun lopulla ilmestyi kaksisylinteriset moottorit, ja 1900 -luvun alusta lähtien nelisylinteriset moottorit alkoivat levitä.
Vuonna 1884 [4] Ogneslav Stepanovitš Kostovich rakensi ensimmäisen bensiinikäyttöisen kaasuttimen Venäjällä . Kostovichin moottori oli bokseri, jossa oli vaakasuora järjestely vastakkaisiin sylintereihin [5] . Se oli ensimmäinen maailmassa, joka käytti sähköistä sytytystä [6] . Se oli 4-tahti, 8-sylinterinen, vesijäähdytteinen. Moottorin teho oli 80 litraa. Kanssa. moottorin painolla 240 kg [7] , mikä ylitti huomattavasti vuotta myöhemmin luodun G. Daimler -moottorin suorituskyvyn. Kostovich jätti kuitenkin moottorinsa hakemuksen vasta 14. toukokuuta 1888 [8] ja sai patentin vuonna 1892, toisin sanoen myöhemmin kuin G. Daimler ja V. Maybach, jotka kehittivät kaasutinmoottorin rinnakkain ja O. Kostovichista riippumattomasti. .
Vuonna 1885 saksalaiset insinöörit Gottlieb Daimler ja Wilhelm Maybach kehittivät kevyen bensiinikaasuttimen. Daimler ja Maybach käyttivät sitä ensimmäisen moottoripyöränsä rakentamiseen vuonna 1885 ja vuonna 1886 ensimmäiseen autoonsa .
Saksalainen insinööri Rudolf Diesel , luottaen Saksan runsaisiin hiilivaroihin (jälkimmäisen öljyesiintymien puutteen vuoksi), ehdotti vuonna 1897 puristussytytysmoottoria , joka käytti hiilipölyä. Mäntäryhmän nopean hankaavan kulumisen, alhaisen nopeuden ja hiilen palamisen täydellisyyden vuoksi tällainen moottori ei kuitenkaan ole saanut jakelua. Dieselistä on kuitenkin tullut yleinen nimi kaikille puristussytytysmoottoreille.
Putilovin tehtaalla vuosina 1898-1899 Gustav Vasilyevich Trinkler paransi tätä moottoria käyttämällä kompressoritonta polttoaineen sumutusta, mikä mahdollisti öljyn käytön polttoaineena. Tämän seurauksena itsesytyttävästä , korkeapaineisesta , kompressorittomasta polttomoottorista on tullut taloudellisin paikallaan oleva lämpömoottori . Vuonna 1899 Venäjän ensimmäinen dieselmoottori rakennettiin Ludwig Nobelin tehtaalla ja dieselmoottoreiden massatuotanto aloitettiin. Tämän ensimmäisen dieselin teho oli 20 hv. Kanssa. , yksi sylinteri, jonka halkaisija on 260 mm, männän isku 410 mm ja nopeus 180 rpm . Euroopassa Gustav Vasilievich Trinklerin parantamaa dieselmoottoria kutsuttiin "venäläiseksi dieseliksi" tai "Trinkler-moottoriksi". Pariisin maailmannäyttelyssä vuonna 1900 dieselmoottori sai pääpalkinnon. Vuonna 1902 Kolomnan tehdas osti lisenssin dieselmoottoreiden tuotantoon Emmanuil Ludwigovich Nobelilta ja aloitti pian massatuotannon.
Vuonna 1908 Kolomnan tehtaan pääinsinööri R. A. Koreyvo rakensi ja patentoi Ranskassa kaksitahtisen dieselmoottorin, jossa on vastakkain liikkuvat männät ja kaksi kampiakselia. Koreyvo-dieseliä alettiin käyttää laajalti Kolomnan tehtaan moottorialuksilla. Niitä valmistettiin myös Nobelin tehtailla.
Vuonna 1896 Charles W. Hart ja Charles Parr kehittivät kaksisylinterisen bensiinimoottorin . Vuonna 1903 heidän yrityksensä rakensi 15 traktoria. Heidän kuuden tonnin painoinen #3 on Yhdysvaltojen vanhin polttomoottoritraktori , ja se sijaitsee Smithsonianin National Museum of American Historyssa Washington DC:ssä. Kaksisylinterisellä bensiinimoottorilla oli täysin epäluotettava sytytysjärjestelmä ja 30 litran teho. Kanssa. tyhjäkäynnillä ja 18 litraa. Kanssa. kuormitettuna [9] .
Ensimmäinen käytännöllinen polttomoottorilla varustettu traktori oli Dan Albonin 1902 amerikkalainen kolmipyöräinen traktori. Näitä kevyitä ja tehokkaita koneita rakennettiin noin 500 kappaletta.
Vuonna 1903 veljesten Orville ja Wilbur Wrightin ensimmäinen lentokone lensi . Lentokoneen moottorin rakensi mekaanikko Charlie Taylor. Moottorin pääosat oli valmistettu alumiinista. Wright-Taylor-moottori oli primitiivinen versio bensiiniruiskutusmoottorista .
Kolme nelitahtista dieselmoottoria, joiden teho oli 120 hv, asennettiin maailman ensimmäiseen moottorialukseen - öljynlastausproomu "Vandal" , joka rakennettiin vuonna 1903 Venäjällä Sormovon tehtaalla " Nobel-veljesten kumppanuutta" varten . Kanssa. jokainen. Vuonna 1904 rakennettiin laiva "Sarmat".
Vuonna 1924 Yakov Modestovich Gakkelin hankkeen mukaan Baltian telakalla Leningradissa luotiin dieselveturi Yu E 2 (Sch EL 1) .
Melkein samanaikaisesti Saksassa Neuvostoliiton määräyksestä, professori Yu. V. Lomonosovin hankkeen ja Leninin henkilökohtaisista ohjeista, vuonna 1924 Esslingenissä rakennettiin dieselveturi Eel2 (alun perin Yue001) (entinen Kessler) tehdas lähellä Stuttgartia.
Ne aloittivat laajan teknisen kehityksen vasta 1900-luvulla niiden suunnittelun, laskennan ja valmistuksen teknisten vaikeuksien vuoksi. Vaikka ensimmäisiä suihkumoottoreita käytettiin raketteissa kauan ennen sitä, niillä oli rajoitettu käyttö (pyrotekniikka, sotilasasioissa) ja ne olivat kertakäyttöisiä (tuhoutuivat raketin mukana). Astronautiikka tuli mahdolliseksi vain uusien, parannettujen polttomoottoreiden ansiosta (monivaiheiset raketit tehokkailla rakettimoottoreilla ).
Suihkuturbimoottoreista ilmoitettiin natsi-Saksan vihollisuuksien olosuhteissa . Ensimmäiset tällaiset moottorit asennettiin suihkukoneisiin, kuten Me-262 , miehittämätön V-1- ammus . Wernher von Braun antoi korvaamattoman panoksen tällä alalla : hänen uusiin Saturn-5- raketteihin kehittämänsä moottorit mahdollistivat Kuu-ohjelman toteuttamisen . Ilman tällaisten tehokkaiden ja luotettavien polttomoottoreiden kehittämistä ilmakehän ulkopuolelle pääseminen on edelleen mahdotonta.
Kaasuturbiinimoottoreita, myös SGNG- ja dieselvasaroita, käytetään laajalti teollisuudessa, rakentamisessa, laivastossa ja armeijassa. 1900-luvun puolivälistä lähtien ne ovat yleistyneet.
Pyörivät polttomoottorit näyttivät aikoinaan olevan täysimittainen korvike mäntäpolttomoottoreille. Huolimatta kaikista Mazdan ja myöhempien suunnittelijoiden ponnisteluista he eivät kuitenkaan kyenneet täyttämään tiukentuvia uusia ympäristöstandardeja. Samaan aikaan tällaisten moottoreiden kestävyys pysyi ongelmana, samoin kuin melko korkeat valmistus- ja korjauskustannukset. Siksi tällaiset moottorit ovat tähän mennessä kadonneet lähes kokonaan, ja niiden soveltamisalaan kuuluvat yhdistetyt mäntä- ja kaasuturbiinimoottorit.