История создания и эволюции двигателя внутреннего сгорания

История тепловых двигателей началась не с паровой машины, как принято считать, а с разработки порохового двигателя. В 1680 году голландский ученый-механик Христиан Гюйгенс предложил концепцию устройства, в котором поршень в вертикальном цилиндре подбрасывался продуктами сгорания порохового заряда. Поднявшись, поршень открывал доступ в атмосферу, а при опускании тянул за собой груз через систему блоков. Для своей эпохи эта «махина» была революционным изобретением, поскольку конкурировала лишь с водяным колесом. Реализацией этой идеи на практике занялся ученик Гюйгенса, французский физик Дени Папен, что и позволило ему войти в историю как одному из создателей первых тепловых двигателей.

«Пороховая махина» Папена по праву считается прообразом современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), поскольку процесс горения топлива происходил непосредственно внутри рабочего цилиндра. Однако порох оказался непрактичным и опасным топливом, что заставило изобретателя искать альтернативные решения. Под влиянием работ Роберта Бойля по изучению газов и при поддержке математика Готфрида Лейбница Папен создал новый агрегат. В его пароатмосферном двигателе поршень поднимался паром, получаемым от внешнего источника тепла, а опускался под действием атмосферного давления после конденсации пара.

Несмотря на использование пара, новая машина Папена не была паровой в классическом понимании, так как рабочее тело не покидало пределов цилиндра. Это позволяет классифицировать ее как двигатель внешнего сгорания. Первый образец такого двигателя совершал всего один рабочий ход в минуту, что было явно недостаточно для практического применения. Гениальным прорывом Папена стало разделение котла и цилиндра, что и привело к созданию полноценной паровой машины. Согласно его книге «Новое искусство эффективно поднимать воду на высоту при помощи огня», эта машина качала воду для привода водяного колеса.

В XVIII веке развитие тепловых двигателей продолжилось в русле совершенствования паровых машин. Значительный вклад внесли англичанин Томас Ньюкомен, создавший свою машину в 1711 году, русский изобретатель Иван Ползунов (1763 г.) и знаменитый Джеймс Уатт (1784 г.). В то же время не угасал и интерес к идее внутреннего сгорания, сулившей объединение топки и цилиндра в едином устройстве. В 1801 году француз Филипп Лебон выдвинул предположение о возможности использования в качестве топлива светильного газа, однако практическая реализация этой идеи заняла несколько десятилетий.

Первый в мире практически пригодный ДВС был создан в 1861 году французским инженером бельгийского происхождения Жаком Этьеном Ленуаром. Его двигатель представлял собой паровую машину двойного действия, адаптированную для сжигания смеси светильного газа и воздуха при атмосферном давлении. Хотя агрегат Ленуара был громоздким, неэкономичным и заслужил прозвище «вращающийся кусок сала», он получил определенное распространение. Однако его век был недолог, так как на Всемирной выставке 1867 года в Париже был представлен более совершенный двигатель.

Пальму первенства на выставке перехватили немецкие инженеры Николаус Отто и Эйген Ланген, представившие свой «газовый атмосферный двигатель». Несмотря на оглушительный шум при работе, их двигатель потреблял значительно меньше топлива и имел на 10% более высокий КПД по сравнению с агрегатом Ленуара. Секрет успеха заключался в использовании предварительного сжатия рабочей смеси, что было инновацией для того времени. Теоретической основой для этого послужили работы французского физика Никола Леонара Сади Карно, изложенные в его книге «Размышления о движущей силе огня».

Принцип предварительного сжатия был детально описан в четырехтактном цикле, запатентованном французом Альфонсом Бо де Роша в 1862 году. Интересно, что Отто и Ланген, будучи практиками, пришли к этому решению независимо, не зная о теоретических наработках. Их знаменитый четырехтактный двигатель, практически не отличающийся от современных ДВС, был представлен на Всемирной выставке 1873 года. Ключевым усовершенствованием стала замена золотникового механизма газораспределения на клапанную систему, что значительно повысило эффективность.

Следующим революционным шагом стало появление двигателя, работающего на жидком топливе. Важную роль в этом сыграл российский инженер Огнеслав Костович, создавший в 1888 году один из первых в мире легких бензиновых двигателей для дирижабля. Он достиг невероятного для своего времени показателя удельной массы – 3 кг/л.с. Конструкция двигателя была оригинальной: восемь горизонтальных цилиндров с водяным охлаждением, а пары противолежащих поршней через коромысла вращали коленчатый вал, расположенный сверху (рис. 2). Этот двигатель сохранился до наших дней и экспонируется в Московском Доме авиации.

Рис. 2. Схема двигателя О. С. Костовича. Мощность 80 л. с. Восемь горизонтальных цилиндров с водяным охлаждением

Финальный камень в фундамент современного двигателестроения заложил немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1893 году он предложил идею «рационального теплового двигателя», а первый работоспособный образец, продемонстрированный в 1897 году, обладал рекордным для той эпохи КПД в 26%. Несмотря на множество недостатков, высокая эффективность обеспечила двигателю перспективу. Значительный вклад в его доводку и совершенствование внесли русские инженеры на Петербургском заводе Нобеля в период с 1899 по 1902 годы, после чего дизель стал полноценным конкурентом карбюраторным двигателям.

С началом XX века началась активная борьба за снижение массы и габаритов двигателей, особенно в авиации. Традиционный кривошипно-шатунный механизм с его инерционными нагрузками и значительными потерями на трение стал сдерживающим фактором. Поиски альтернатив привели к появлению ротативных и звездообразных двигателей, а также двигателей с так называемой косой шайбой (рис. 4). В такой конструкции, использовавшейся в России с 1916 года, цилиндры располагались параллельно валу, а их штоки связывались с косо посаженной шайбой, что делало блок более компактным.

Рис. 4. Схема двухтактного авиадвигателя А. А. Микулина и Б. С. Стечкина (1916 г.). Мощность 300 л. с. 1 — непосредственный впрыск легкого топлива, предложенный впервые в мире

Однако двигатели с косой шайбой имели серьезные недостатки, главным из которых были повышенные потери на трение (15-25% мощности). Аналогичные проблемы преследовали и другие альтернативные схемы, такие как двигатели фирм «Хипл», «Фиала-Фернбраг» и «Дина-Стар» (рис. 5). Несмотря на усилия изобретателей, полностью избавиться от «врагов» эффективности – сил трения, инерционных нагрузок и тепловой напряженности – не удалось. К середине XX века стало ясно, что дальнейший значительный прогресс поршневых ДВС связан с принципиально иными решениями.

Рис. 5. Двигатели со сложной кинематической схемой: а — схема А. А. Агатова; б — схема, распространенная в авиации в 30-х годах, представляющая собой модификацию схемы О. С, Костовича, разработанной в 1878—1881 гг.

Современные вызовы двигателестроения включают не только повышение эффективности, но и снижение токсичности выхлопных газов. Ужесточение экологических норм заставляет конструкторов дефорсировать двигатели, снижая степень сжатия и обороты, что негативно сказывается на их мощности и экономичности. Одним из перспективных направлений остается разработка бесшатунных конструкций, позволяющих радикально снизить механические потери. Другой путь – создание двигателей принципиально иных типов, например, ротационных или работающих по альтернативным тепловым циклам, где могут быть применены наработки, полученные при совершенствовании традиционных ДВС.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.