Termiska motorer (främst ångmaskiner) från det ögonblick de uppträdde kännetecknades av stora dimensioner och detta berodde till stor del på användningen av extern förbränning (pannor, kondensorer, förångare, värmeväxlare, tenderar, pumpar, vattentankar etc. krävdes ). Samtidigt är den huvudsakliga (funktionella) delen av ångmaskinen (kolv och cylinder) relativt liten. Därför återvände uppfinnarnas idé alltid till möjligheten att kombinera bränsle med motorns arbetsvätska, vilket sedan gjorde det möjligt att avsevärt minska dimensionerna och intensifiera processerna för intag och utsläpp av arbetsvätskan. Belysningen av motorerna gjorde det möjligt att installera dem på transport, inklusive till och med på ett flygplan. Moderna flygplan (förutom ett litet antal på elmotorer) är uteslutande utrustade med förbränningsmotorer - jet, turbojet eller kolv.
Framsteg inom området för förbränningsmotorer är nära kopplat till upptäckten och användningen av olika bränslen, inklusive syntetiserade. Eftersom sammansättningen av arbetsvätskan (erhållen genom förbränning av bränsle-luftblandningen), värmevärdet, blandningens förbränningshastighet och cykelparametrarna (kompressionsförhållande) beror på det använda bränslet, bestämmer det till stor del vikten, storleks- och effektindikatorer för sådana motorer. Förbränningsmotorns bränsle bestämmer enheten för den senare och i allmänhet möjligheten att skapa den. Det första sådana bränslet var tändgas .
Många forskare och ingenjörer har bidragit till utvecklingen av förbränningsmotorer. 1791 uppfann John Barber gasturbinen. 1794, patenterade Thomas Mead John Barbie och skapade en apelsin- och gasmotor. Också 1794 patenterade Robert Street förbränningsmotorn för flytande bränsle och byggde en fungerande prototyp. År 1807 lanserade den franske ingenjören Nicephore Niépce en experimentell förbränningsmotor med fast bränsle som använde pyreofor i pulverform som bränsle. År 1807 byggde den franske uppfinnaren François Isaac de Rivaz den första kolvmotorn, ofta kallad de Rivaz-motorn . Motorn körde på gasformigt väte, med designelement som sedan dess har inkluderats i efterföljande ICE-prototyper: en kolvgrupp och gnisttändning. Det fanns ingen vevmekanism i motordesignen ännu.
År 1799 upptäckte den franske ingenjören Philippe Lebon tändgas och fick patent på användningen och metoden för att erhålla tändgas genom torrdestillation av trä eller kol. Denna upptäckt var av stor betydelse, främst för utvecklingen av ljusteknik. Mycket snart i Frankrike , och sedan i andra europeiska länder, började gaslampor framgångsrikt konkurrera med dyra ljus. Belysningsgas lämpade sig dock inte bara för belysning. Uppfinnarna tog upp konstruktionen av motorer som kunde ersätta ångmaskinen , medan bränslet inte skulle brinna i ugnen , utan direkt i motorns cylinder .
1801 tog Le Bon patent på designen av en gasmotor. Funktionsprincipen för denna maskin baserades på den välkända egenskapen hos den gas som han upptäckte: dess blandning med luft exploderade när den antändes och frigjorde en stor mängd värme. Förbränningsprodukterna expanderade snabbt och utövade ett starkt tryck på miljön. Genom att skapa lämpliga förutsättningar är det möjligt att använda den frigjorda energin i människans intresse. Lebon-motorn hade två kompressorer och en blandningskammare. En kompressor skulle pumpa in komprimerad luft i kammaren och den andra komprimerade lätt gas från gasgeneratorn . Gas-luftblandningen kom sedan in i arbetscylindern , där den antändes. Motorn var dubbelverkande, det vill säga arbetskamrarna verkade växelvis på båda sidor om kolven. I grund och botten närde Lebon idén om en förbränningsmotor, men 1804 dödades han innan han kunde levandegöra sin uppfinning [1] .
Under de följande åren försökte flera uppfinnare från olika länder skapa en fungerande motor med hjälp av tändgas. Men alla dessa försök ledde inte till uppkomsten av motorer på marknaden som framgångsrikt kunde konkurrera med ångmaskinen . Äran för att skapa en kommersiellt framgångsrik förbränningsmotor tillhör den belgiske mekanikern Jean Étienne Lenoir . När Lenoir arbetade på en galvaniseringsanläggning kom Lenoir på idén att luft-bränsleblandningen i en gasmotor kunde antändas med en elektrisk gnista, och bestämde sig för att bygga en motor baserad på denna idé . Effekten hos den första praktiska tvåtaktsgasförbränningsmotorn, designad av Lenoir 1860, var 8,8 kW (11,97 hk ). Motorn var en encylindrig horisontell dubbelverkande maskin, som kördes på en blandning av luft och tändgas med elektrisk gnisttändning från en extern källa och spoleventiltiming . En vevmekanism dök upp i designen av motorn . Motorns verkningsgrad översteg inte 4,65 %. Trots bristerna fick Lenoir-motorn viss distribution. Används som båtmotor.
Lenoir var inte omedelbart framgångsrik. Efter att det var möjligt att tillverka alla delar och sätta ihop maskinen, fungerade den ganska länge och stannade, för på grund av uppvärmning expanderade kolven och fastnade i cylindern. Lenoir förbättrade sin motor genom att tänka på ett vattenkylningssystem. Det andra startförsöket slutade dock också i misslyckande på grund av att kolven fastnade. Lenoir kompletterade sin design med ett smörjsystem, först då började motorn fungera. Således var det Lenoir som först löste problemen med smörjning och kylning av förbränningsmotorer. Lenoir-motorn hade en effekt på cirka 12 hk. med en verkningsgrad på cirka 3,3 % [2] .
År 1874 hade mer än 300 sådana motorer med olika kapacitet redan producerats. Efter att ha blivit rik slutade Lenoir arbeta med att förbättra sin bil, och detta förutbestämde hennes öde - hon tvingades bort från marknaden av en mer avancerad motor skapad av den tyske uppfinnaren Nikolaus Otto .
Efter att ha bekantat sig med Lenoir-motorn, på hösten 1860, byggde den enastående tyske designern Nikolaus August Otto och hans bror en kopia av Lenoir-gasmotorn och ansökte i januari 1861 om patent på en flytande bränslemotor baserad på Lenoir-gasen. motor till det preussiska handelsministeriet, men ansökan avslogs. 1863 skapade han en tvåtakts atmosfärisk förbränningsmotor. Motorn hade ett vertikalt cylinderarrangemang, öppen låga och en verkningsgrad på upp till 15 %. Förflyttade Lenoir-motorn.
1864 fick han patent på sin modell av en gasmotor och ingick samma år ett avtal med den rike ingenjören Langen om att utnyttja denna uppfinning. Snart skapades firman "Otto and Company". 1876 byggde Nikolaus August Otto en mer avancerad fyrtaktsmotor för förbränningsgas.
Vid första anblicken representerade Otto-motorn ett steg bakåt från Lenoir-motorn. Cylindern var vertikal. Den roterande axeln placerades ovanför cylindern på sidan. Längs kolvens axel fästes en skena ansluten till axeln. Motorn fungerade enligt följande. Den roterande axeln höjde kolven med 1/10 av cylinderns höjd, vilket resulterade i att ett förtunnat utrymme bildades under kolven och en blandning av luft och gas sögs in. Blandningen antändes sedan. Varken Otto eller Langen hade tillräckliga kunskaper om elektroteknik och övergav elektrisk tändning. De antändes med öppen låga genom ett rör. Under explosionen ökade trycket under kolven till cirka 4 atm. Under verkan av detta tryck steg kolven, gasvolymen ökade och trycket sjönk. När kolven höjdes kopplade en speciell mekanism bort skenan från axeln. Kolven, först under gastryck, och sedan genom tröghet, steg tills ett vakuum skapades under den. Således användes energin från det brända bränslet i motorn med maximal fullständighet. Detta var Ottos främsta ursprungliga fynd. Kolvens nedåtgående arbetsslag började under påverkan av atmosfärstryck, och efter att trycket i cylindern nått atmosfärstryck, öppnade avgasventilen och kolven fördrev avgaserna med sin massa. På grund av den mer fullständiga expansionen av förbränningsprodukterna var verkningsgraden hos denna motor betydligt högre än Lenoir-motorns verkningsgrad och nådde 15% (upp till 22%? [2] ), det vill säga den översteg verkningsgraden för motorn. den tidens bästa ångmaskiner [3] .
Eftersom Otto-motorer var nästan fem gånger effektivare än Lenoir-motorer, var de direkt efterfrågade. Under de följande åren producerades cirka fem tusen. Otto arbetade hårt för att förbättra sin design. Snart ersattes kuggstången av ett vevhjul. Men den viktigaste av hans uppfinningar kom 1877 , när Otto fick patent på en ny fyrtaktsmotor. Denna cykel ligger fortfarande till grund för driften av de flesta bensin- och bensinmotorer än i dag. Redan året därpå sattes de nya motorerna i produktion.
Fyrtaktscykeln var Ottos största tekniska bedrift. Men det visade sig snart att några år innan hans uppfinning beskrevs exakt samma princip för motordrift av den franske ingenjören Beau de Rocha . En grupp franska industrimän ifrågasatte Ottos patent i domstol. Rätten ansåg deras argument övertygande. Ottos rättigheter under hans patent reducerades avsevärt, inklusive avlägsnandet av hans monopol på fyrtaktscykeln.
Även om konkurrenterna lanserade produktionen av fyrtaktsmotorer, var Otto-modellen som fungerade under många års produktion fortfarande den bästa, och efterfrågan på den slutade inte. År 1897 producerades cirka 42 tusen av dessa motorer med olika kapacitet. Men det faktum att belysningsgas användes som bränsle minskade avsevärt omfattningen av de första förbränningsmotorerna (omöjligheten att använda den i transporter på grund av cylindrarnas skrymmande och svårigheterna att tanka). Antalet belysnings- och gasanläggningar var obetydligt även i Europa , och i Ryssland fanns det bara två av dem i allmänhet - i Moskva och St. Petersburg .
Därför slutade inte sökandet efter ett nytt bränsle för förbränningsmotorn. Vissa uppfinnare har försökt använda flytande bränsleånga som gas. Redan 1872 försökte amerikanen Brighton använda fotogen i denna egenskap. Men fotogen avdunstade inte bra, och Brighton bytte till en lättare petroleumprodukt - bensin. Men för att en flytande bränslemotor skulle kunna konkurrera med en gasmotor, var det nödvändigt att skapa en speciell anordning för att förånga bensin och erhålla en brännbar blandning av den med luft. Brighton kom samma 1872 med en av de första så kallade "evaporativa" förgasarna, men han fungerade inte tillfredsställande.
En fungerande bensinmotor dök inte upp förrän tio år senare. Dess uppfinnare var den tyske ingenjören Gottlieb Daimler . Under många år arbetade han i företaget Otto och var ledamot av dess styrelse. I början av 80-talet föreslog han till sin chef ett projekt för en kompakt bensinmotor som skulle kunna användas i transporter. Otto reagerade kallt på Daimlers förslag. Då fattade Daimler , tillsammans med sin vän Wilhelm Maybach , ett djärvt beslut - 1882 lämnade de Otto-företaget, förvärvade en liten verkstad nära Stuttgart och började arbeta med sitt projekt.
Problemet för Daimler och Maybach var inte lätt: de bestämde sig för att skapa en motor som inte skulle kräva en gasgenerator , skulle vara mycket lätt och kompakt, men samtidigt kraftfull nog att flytta besättningen. Daimler förväntade sig att öka effekten genom att öka axelhastigheten, men för detta var det nödvändigt att säkerställa den erforderliga tändningsfrekvensen för blandningen. 1883 skapades den första glödande bensinmotorn med tändning från ett glödhett rör som satts in i cylindern . Den första modellen av en bensinmotor var avsedd för en industriell stationär installation [3] .
Processen med avdunstning av flytande bränsle i de första bensinmotorerna lämnade mycket att önska. Därför gjordes en verklig revolution inom motorbyggnaden genom uppfinningen av förgasaren . Den ungerske ingenjören Donat Banki anses vara dess skapare . 1883 fick han patent på en jetförgasare , som var prototypen på alla moderna förgasare. Till skillnad från sina föregångare föreslog Banki att inte förånga bensin , utan att fint spraya den i luften . Detta säkerställde dess likformiga fördelning över cylindern, och själva förångningen skedde redan i cylindern under inverkan av kompressionsvärme. För att säkerställa finfördelning sögs bensin in av ett luftflöde genom en doseringsstråle, och blandningens beständighet uppnåddes genom att hålla en konstant nivå av bensin i förgasaren. Strålen gjordes i form av ett eller flera hål i röret, placerade vinkelrätt mot luftflödet. För att upprätthålla trycket tillhandahölls en liten tank med flottör, som höll nivån på en given höjd, så att mängden bensin som sugs in var proportionell mot mängden inkommande luft.
De första förbränningsmotorerna var encylindriga, och för att öka motorns kraft ökade de vanligtvis cylindervolymen . Sedan började man uppnå detta genom att öka antalet cylindrar. I slutet av 1800-talet dök tvåcylindriga motorer upp, och från början av 1900 -talet började fyrcylindriga motorer spridas.
År 1884 [4] byggde Ogneslav Stepanovich Kostovich den första bensinförgasarmotorn i Ryssland . Kostovichs motor var boxer, med ett horisontellt arrangemang av motsatt riktade cylindrar [5] . Det var först i världen att använda elektrisk tändning [6] . Den var 4-takts, 8-cylindrig, vattenkyld. Motoreffekten var 80 liter. Med. med en motorvikt på 240 kg [7] , vilket avsevärt översteg prestandan hos G. Daimler-motorn, skapad ett år senare. Kostovich lämnade dock in en ansökan om sin motor först den 14 maj 1888 [8] , och fick patent 1892, alltså senare än G. Daimler och V. Maybach, som utvecklade förgasarmotorn parallellt och oberoende av O. Kostovich .
1885 utvecklade de tyska ingenjörerna Gottlieb Daimler och Wilhelm Maybach en lätt bensinförgasarmotor. Daimler och Maybach använde den för att bygga sin första motorcykel 1885, och 1886 på sin första bil .
Den tyske ingenjören Rudolf Diesel , som förlitade sig på de rika koltillgångarna i Tyskland (på grund av bristen på oljeavlagringar i det senare), föreslog 1897 en motor med kompressionständning som kördes på koldamm. Men på grund av kolvgruppens snabba slitage, låg hastighet och fullständighet av kolförbränning har en sådan motor inte fått någon distribution. Diesel har dock blivit ett känt namn för alla motorer med kompressionständning.
Vid Putilov-fabriken 1898-1899 förbättrade Gustav Vasilyevich Trinkler denna motor genom att använda kompressorlös bränsleförstoftning, vilket gjorde det möjligt att använda olja som bränsle. Som ett resultat har den självantändande, högkompressionsfria, kompressorlösa förbränningsmotorn blivit den mest ekonomiska stationära värmemotorn . 1899 byggdes den första dieselmotorn i Ryssland vid Ludwig Nobel-fabriken och massproduktion av dieselmotorer lanserades. Denna första diesel hade en kapacitet på 20 hk. Med. , en cylinder med en diameter på 260 mm, ett kolvslag på 410 mm och en hastighet på 180 rpm . I Europa kallades dieselmotorn, förbättrad av Gustav Vasilievich Trinkler , "rysk diesel" eller "Trinklermotor". På världsutställningen i Paris år 1900 fick dieselmotorn huvudpriset. 1902 köpte Kolomna-fabriken en licens för tillverkning av dieselmotorer av Emmanuil Ludwigovich Nobel och började snart massproduktion.
År 1908 bygger och patenterar chefsingenjören för Kolomna-fabriken, R. A. Koreyvo, i Frankrike en tvåtakts dieselmotor med motsatt rörliga kolvar och två vevaxlar. Koreyvo-dieslar började användas i stor utsträckning på motorfartyg från Kolomna-fabriken. De tillverkades också på Nobelfabrikerna.
1896 utvecklade Charles W. Hart och Charles Parr en tvåcylindrig bensinmotor . 1903 byggde deras företag 15 traktorer. Deras sextons #3 är den äldsta förbränningsmotortraktorn i USA och är inrymd i Smithsonians National Museum of American History i Washington, DC. Den tvåcylindriga bensinmotorn hade ett helt opålitligt tändsystem och en effekt på 30 liter. Med. på tomgång och 18 liter. Med. under belastning [9] .
Den första praktiska traktorn som drevs av en förbränningsmotor var Dan Albons 1902 amerikanska trehjuliga traktor. Cirka 500 av dessa lätta och kraftfulla maskiner byggdes.
1903 flög det första flygplanet av bröderna Orville och Wilbur Wright . Planets motor byggdes av mekanikern Charlie Taylor. Huvuddelarna av motorn var gjorda av aluminium. Wright-Taylor-motorn var en primitiv version av bensininsprutningsmotorn .
Tre fyrtaktsdieselmotorer med en kapacitet på 120 hk installerades på världens första motorfartyg - oljelastningspråmen "Vandal" , byggd 1903 i Ryssland vid Sormovo-fabriken för "Partnership of the Nobel Brothers" . Med. varje. 1904 byggdes fartyget "Sarmat".
1924, enligt projektet av Yakov Modestovich Gakkel , skapades ett diesellokomotiv Yu E 2 (Sch EL 1) vid Baltic Shipyard i Leningrad .
Nästan samtidigt, i Tyskland, på order av Sovjetunionen, enligt professor Yu. V. Lomonosovs projekt och på personliga instruktioner från Lenin, 1924, byggdes diesellokomotivet Eel2 (ursprungligen Yue001) vid Esslingen (tidigare Kessler) fabrik nära Stuttgart.
De började en bred teknisk utveckling först på 1900-talet, på grund av tekniska svårigheter för deras design, beräkning och tillverkning. Även om de första jetmotorerna användes i raketer långt innan dess, hade de begränsad användning (pyroteknik, militära angelägenheter) och var engångsbruk (förstördes tillsammans med raketen). Astronautik blev möjlig endast tack vare nya, förbättrade förbränningsmotorer ( flerstegsraketer med kraftfulla raketmotorer ).
Turbojetmotorer tillkännagavs under villkoren för fientligheter i Nazityskland . De första sådana motorerna installerades på jetflygplan, som Me-262 , en obemannad V-1- projektil . Wernher von Braun gjorde en ovärderlig insats på detta område : motorerna han utvecklade på de nya Saturn-5- raketerna gjorde det möjligt att genomföra månprogrammet . Utan utvecklingen av sådana kraftfulla och pålitliga förbränningsmotorer är det fortfarande omöjligt att gå bortom atmosfären.
Gasturbinmotorer, även SGNG- och dieselhammare, används i stor utsträckning inom industri, bygg, marin och militär. Sedan mitten av 1900-talet har de fått stor spridning.
Roterande förbränningsmotorer verkade vid en tidpunkt vara ett fullfjädrat substitut för kolvförbränningsmotorer. Men trots alla ansträngningar från Mazda och efterföljande designers kunde de inte uppfylla de skärpta nya miljökraven. Samtidigt förblev hållbarheten hos sådana motorer ett problem, tillsammans med en ganska hög kostnad för tillverkning och reparation. Därför har sådana motorer hittills nästan helt försvunnit, deras omfattning upptas av kombinerade kolv- och gasturbinmotorer.