Газовый двигатель Этьена Ленуара (1860 г.): принцип действия и основы устройства; достоинства и недостатки

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный педагогический университет

им. Козьмы Минина»

 

Автомобильный факультет

Кафедра Автомобильного транспорта

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине:  «Развитие и современное состояние автомобилизации»

 Тема №2: «Газовый двигатель Этьена Ленуара (1860 г.): принцип действия и основы устройства; достоинства и недостатки»

 

 

Выполнил: студент 2 курса

заочного отделения

Автомобильного института

группа АСЗ-11-1

Бердников Василий Иванович

 

Преподаватель:

Ст. преподаватель Запойнов В. Д.

 

Нижний Новгород

2013

 

Содержание

 

Раздел	№ стр.
Вступление		3
Жак Этьен Ленуар		4
Принципы работы двигателя Ленуара		7
Устройство двигателя  Лену		10
Цикл Ленуара		15
Заключение		18
Список литературы		20

 

 

Вступление

XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции  вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные спутники Земли. Все это действует не без помощи двигателей.

Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы, но уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.

С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его труде, затем они стали постепенно заменять его.

Человечество стало искать другие источник энергии. Долго  трудились изобретатели, много машин испытали - и вот, наконец, новый двигатель был построен.

Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства - паровозы.

Но паровые машины были сложными, громоздкими и  дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый. В 1860 г. француз Жак Этьен Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания. 
Жак Этьен Ленуар (Lenoir) (1822—1900)

Родился в Сен-Дени – предместье Парижа. Работал официантом, затем рабочим эмалировочной мастерской. Природа наградила Ленуара и умом и способностями, но у него, благодаря газетной болтовне, сложилось наивное представление о творчестве в технике, как о какой то лотерее, где все дело решает случай. Ему казалось, что достаточно самых небольших знаний и опыта, чтобы иметь право участвовать в этой игре, надеясь на свое счастье. О том, что роль случая в творческой работе чрезвычайно ограничена, что случай только помогает выйти из рамок привычного мышления, но помогает исследователю, а не первому встречному, что случаи окружают всех и каждого повсюду, но остаются незамеченными, – обо всем этом Ленуар не думал, не знал и не догадывался.

К середине 19-го века идея создания двигателя внутреннего сгорания висела в воздухе. Многие изобретатели в разных странах создавали опытные конструкции двигателей, работающих на смеси водорода и воздуха, на светильном газе, на угольной пыли и даже на жидком топливе, используя для этого различные горючие жидкости.

Тем более не думал он о том, что творческий процесс происходит главным образом в борьбе с привычным отношением к вещам, в преодолении привычного мышления и в усвоении нового взгляда, нового отношения. Со своими представлениями Ленуар, вероятно, остался бы навсегда пустым мечтателем, но он был настойчивый человек, аккуратный, энергичный, неутомимый и предприимчивый работник.

Работая на бельгийском гальваническом заводе, Ленуар ознакомился с принципами электротехники. Эксперименты с электричеством, проводившиеся Ленуаром в 1859 году привели его к идее использования электрической искры для воспламенения воздушно-газовой смеси. Это привело его к решению создать  двигатель , использующий этот  принцип . Возможно, Ленуар был знаком с работами Лебона.

Став хозяином мелкой эмалировочной мастерской, Ленуар понял, как необходим мелкой промышленности компактный удобный двигатель. Ленуар стал изучать патенты на газовые двигатели, которых обнаружилось несколько десятков. О нарушении прав изобретателей Ленуар не беспокоился: идея газового двигателя была столь популярна, что казалась уже никому не принадлежащей, и дело сводилось лишь к тому, чтобы создать работоспособную конструкцию.

В 1860 году Ленуару удалось создать практически работающий двигатель внутреннего сгорания, работающей на светильном газе, и первым наладить его коммерческое и получить патент на свой газовый двигатель с воспламенением от электрической искры.

Многие инженеры, современники Ленуара, не считали его двигатель самостоятельным изобретением, поскольку Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. Но двигатель Ленуара оказался первым, практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение.

Ленуар был счастлив. Его имя на все лады повторялось в печати. Патент доставлял ему средства для жизни. Он толстел, лысел и все чаще предпочитал болтать в кафе, чем работать над двигателем.

Вскоре на Ленуара обрушилось сразу несколько судебных исков изобретателей газовых машин. Многие, увидев успех Ленуара, вспомнили о своих неиспользованных патентах и предъявили претензии. С трудом отбившись от конкурентов, Ленуар продолжил работу над двигателем. Стоило в 1867 году на Парижской всемирной выставке появиться газовому двигателю немецкой фирмы "Отто-Дейтц" более экономичному, чем двигатель Ленуара, как спрос на них прекратился. Прославленный изобретатель сошел со сцены. Всеми забытый, но сохранивший до конца жизни свой доход. Ленуар умер в 1900 году

 

Принципы работы двигателя Ленуара.

По своей компоновке и  конструкции двигатель Ленуара имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона.

 

На конструкцию одноцилиндрового двухтактного газового двигателя так же заметное влияние оказали технические решения, использованные в паровой машине Уатта: поршень двойного действия (рабочими ходами являются и прямой и обратный),золотниковый механизм, управляющий подачей рабочего тела в цилиндр и удалением отработанного. Только рабочим телом является не пар, а продукты сгорания смеси воздуха и светильного газа, вырабатываемого газогенератором.

 

Как же работает двигатель Ленуара:

Первый такт

Второй такт

Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания.

Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и  вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня.

Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра.

Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара  попадает в группу атмосферных двигателей.

 

Устройство двигателя Ленуара

1 – Катушка Румкорфа; 2 – Гальванические батареи; 3 – Подшипник коленчатого вала; 4 – Коленчатый вал; 5 – Кривошип коленчатого вала; 6 – Маховик; 7 – Эксцентрик впускного золотникового клапана; 8 – Шток впускного клапана; 9 – Эксцентрик выпускного золотникового клапана; 10 – Шток выпускного клапана; 11 – Шатун; 12 – Шток поршня; 13 – Ползунковый распределитель зажигания; 14 – Поршень; 15 – Свеча зажигания задней камеры; 16 – Свеча зажигания передней камеры; 17 – Передняя камера цилиндра; 18 – Впускной золотниковый клапан; 19 – Выпускной золотниковый клапан; 20 – Цилиндр; 20 – Рубашка охлаждения.

Двигатель имел следующие технические особенности: светильный газ и воздух подавались в цилиндр двигателя по отдельности, и только в цилиндре двигателя происходило их перемешивание. Этим двигатель Ленуара отличался от двигателя Лебона, в котором смешивание газа и воздуха происходило в отдельной смесительной камере. Две электрические свечи, вставленные с обеих сторон в цилиндр двигателя, поочерёдно обеспечивали воспламенение воздушно-газовой смеси в обеих камерах цилиндра. В систему зажигания также входили медно-цинковые батареи, катушка Румкорфа (прабабушка современных батарейных систем зажигания) и автоматический ползунковый распределитель зажигания. Этот примитивный распределитель, в отличие от современных механических распределителей зажигания, не распределял искру между цилиндрами многоцилиндрового двигателя, а распределял искру между двумя свечами, установленными в противоположные полости одного цилиндра двигателя двухстороннего действия .

Двигатель Ленуара, как и двигатель Лебона, был двигателем двухстороннего действия , воздушно-газовая смесь поочерёдно подавалась с обеих сторон поршня. По существу это был двухтактный двигатель , поскольку рабочий цикл двигателя осуществлялся за два движения поршня. На первом такте происходил впуск смеси в цилиндр, воспламенение и расширение (силовая часть) воздушно-топливной смеси в цилиндре. На следующем такте отработавшие газы выходили из цилиндра. Переключение между выпуском и впуском осуществлялось золотниковым клапаном, который в свою очередь приводился при помощи эксцентрикового кулачка, установленного на вал отбора мощности.

Создать сразу работающий двигатель оказалось не так просто. Первая модель двигателя проработала очень короткий промежуток времени, поскольку поршень заклинило в цилиндре по причине перегрева. Для устранения этой неисправности в следующей модели двигателя Ленуар предусмотрел водяное охлаждение (чего не было на паровых машинах). Но сразу выявилась следующая неисправность, двигатель не удалось запустить, поскольку поршень очень тяжело перемещался в цилиндре. Эту проблему Ленуар решил, добавив в конструкцию двигателя систему смазки. В результате этих улучшений третий вариант двигателя, наконец, заработал. Скорость вращения колебалась в довольно широких пределах (от 102 до 140 об/мин). Мощность двигателя была чуть больше 0,5 л. с. при диаметре цилиндра 120 мм и ходе поршня 100 мм.

Преимущество двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе, по сравнению с паровым двигателем, заключалось в более лёгкой эксплуатации газового двигателя. Двигатель быстро запускался, когда это было необходимо. Кроме того, газовый двигатель был более безопасным, поскольку он не имел парового котла с высоким давлением пара и не имел топки.

Но при этом двигатель внутреннего сгорания не стал легче парового двигателя и мог использоваться только как стационарный. Светильный газ был очень дорог, а двигатель Ленуара отличался особой прожорливостью, каждая единица мощности, выработанная двигателем внутреннего сгорания, обходилась владельцу в семь раз дороже по сравнению с паровым двигателем. На выработку мощности одной лошадиной силы в течение часа двигатель потреблял не менее 3 кубических метров газа. Поскольку большая часть тепловой энергии уходила вместе с выпускными газами, коэффициент полезного действия двигателя не превышал 4%. После того, как скорость вращения поднималась до 100 об/мин, по причине неудовлетворительной работы электрического зажигания, появлялись пропуски воспламенения. А для охлаждения двигателя требовалось 120 м³ воды в час, так как во время работы двигателя выделялось большое количество теплоты. Температура горящего газа поднималась до 800º С, по этой причине выпускной золотниковый клапан перегревался и в  результате этого происходило заклинивание клапана. Подшипники двигателя требовали обильной смазки, даже при небольшом уменьшении смазки двигатель  заклинивало. В то время относительно двигателя Ленуара существовала злая шутка, что этот двигатель работает не на газе, а на масле. Учитывая выше сказанное, двигатель Ленуара был крайне непрактичным механизмом.