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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
エンジンはガソリンとガソリン。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 内燃エンジン - 燃料がエンジンの作動室 (内部) で直接燃焼するエンジン。 内燃エンジンは、燃料の燃焼による圧力を機械的仕事に変換します。
蒸気機関は、人類が直面しているエネルギー問題を完全には解決しませんでした。 10 世紀には産業部門の大部分を占めていた小さな工場や企業は、常にそれを使用できるとは限りませんでした。 実際のところ、小型の蒸気機関の効率は非常に低かった (XNUMX% 未満)。 さらに、そのようなエンジンの使用には、高コストとトラブルが伴いました。 それを動かすには、火を起こして蒸気を発生させる必要がありました。 車が時々しか必要とされなかったとしても、常に蒸気の下に置かれなければなりませんでした。 小さな産業では、ほとんど準備をしなくてもいつでもオンとオフを切り替えることができる、小さなスペースを占有する小さな出力のエンジンが必要でした。 このようなエンジンのアイデアは、XNUMX世紀初頭に初めて提案されました。 1799 世紀の最後の年に、フランスのエンジニア、フィリップ ルボンが照明用ガスを発見しました。 伝統は、その成功を偶然に帰しています。ルボンは、おがくずに火をつけた容器からガスが燃え上がるのを見て、この現象からどのような利益が得られるかを認識しました。 XNUMX 年に、彼は木材または石炭の乾留による照明ガスの使用と方法の特許を取得しました。 この発見は、主に照明技術の開発にとって非常に重要でした。 すぐに、フランス、そして他のヨーロッパ諸国で、ガス灯は高価なキャンドルとうまく競争し始めました. しかし、照明ガスは照明だけではありませんでした。 1801年、ルボンはガスエンジンの設計に関する特許を取得しました。 この機械の動作原理は、彼が発見したガスのよく知られた特性に基づいていました。つまり、点火すると空気との混合物が爆発し、大量の熱を放出しました。 燃焼生成物は急速に膨張し、環境に強い圧力をかけました。 適切な条件を作り出すことにより、放出されたエネルギーを人間の利益のために使用することが可能です。 Lebonエンジンには、XNUMXつのコンプレッサーとXNUMXつの混合チャンバーがありました。 一方のコンプレッサーは圧縮空気をチャンバーに送り込み、もう一方のコンプレッサーはガス発生器からの圧縮軽質ガスを送り込むことになっています。 次に、ガスと空気の混合気が作動シリンダーに入り、そこで点火しました。 エンジンは複動式でした。つまり、作業室はピストンの両側で交互に作用していました。
本質的に、ル ボンは内燃機関のアイデアを育みましたが、1804 年に発明を実現する前に亡くなりました。 しかし、彼のアイデアは引き続き最も注目を集めました。 実際、ガスエンジンの動作原理は蒸気エンジンの動作原理よりもはるかに単純です。ここでは、燃料自体がピストンに直接圧力を発生させますが、蒸気エンジンでは、熱エネルギーは最初に別のキャリアである水蒸気に伝達されます。これは有用な仕事をします。 その後、さまざまな国の何人かの発明者が、照明ガスを使用して実行可能なエンジンを作成しようとしました。 しかし、これらすべての試みは、蒸気エンジンとうまく競合できるエンジンの市場への出現にはつながりませんでした。 商業的に成功した内燃エンジンを作成したことの栄誉は、ベルギーのエンジニア、ジャン・エティエンヌ・レノワールに属しています。 電気めっき工場で働いていたとき、レノアはガスエンジンの空気と燃料の混合物が電気火花で点火できるという考えを思いつき、この考えに基づいてエンジンを作ることに決めました. 電気めっき工房の所有者はレノアにお金を提供し、1860年に彼が最初のエンジンを製造しました。 外観もデザインも蒸気機関に似ていました。 エンジンは複動式でした。 下部スプールは、ピストンの反対側にあるシリンダーキャビティに空気とガスを交互に供給しました。 上部スプールは排気ガスを放出するのに役立ちました。 ガスと空気は別々のチャネルを介してスプールに供給されました。 混合物は、ストロークの約半分まで各キャビティに吸引され、その後、スプールが入口ウィンドウを閉じ、混合物は電気火花によって点火された。 燃焼すると、膨張してピストンに作用し、有用な仕事を生み出しました。 反応の終了後、XNUMX番目のスプールはシリンダーを排気管に接続しました。 その間、混合物はピストンの反対側で点火された。 彼は後退し始め、排気ガスを追い出しました。 レノアはすぐには成功しませんでした。 すべての部品を作成して機械を組み立てることができた後、ピストンが加熱により膨張してシリンダー内で詰まったため、かなり長く機能し、停止しました。 レノアは、水冷システムを考えてエンジンを改良しました。 しかし、XNUMX回目の打ち上げもピストンストロークが悪く失敗に終わった。 レノアは、彼の設計に潤滑システムを追加しました。 その時だけ、エンジンが動き始めました。
本発明の発表後、ワークショップは新しいエンジンの注文を受け始めましたが、その作業は不十分であり続けました-点火システムがしばしば誤動作し、スプールが潤滑なしで動作せず、十分な潤滑を確立することができませんでした800度の温度で。 エンジンの効率はわずか4％に達し、大量の潤滑油とガスを消費しました。 それにもかかわらず、エンジンはすぐに人気を博しました。 その主な購入者は、蒸気機関が高すぎてかさばる中小企業（印刷所、修理店など）でした。 一方、Lenoirエンジンは、操作が簡単で、軽量で、寸法が小さいことが判明しました。 1864 年には、さまざまな容量のこのようなエンジンが 300 台以上製造されました。 金持ちになったレノアは自分の車の改良に取り組むのをやめ、これが彼女の運命を決定づけました。彼女は、ドイツの発明家アウグスト・オットーによって開発されたより高度なエンジンによって市場から追い出されました。 1864 年、彼はガス エンジンのモデルの特許を取得し、同年、裕福なエンジニアのランゲンとこの発明を利用する契約を結びました。 すぐに「Otto and Company」という会社が設立されました。
一見すると、オットー エンジンはレノア エンジンから一歩後退しているように見えます。 シリンダーは垂直でした。 回転軸は、側面のシリンダーの上に配置されました。 ピストンの軸に沿って、シャフトに接続されたレールが取り付けられていました。 エンジンは次のように機能しました。 回転軸がピストンをシリンダーの高さの 1/10 だけ持ち上げ、その結果、ピストンの下に希薄な空間が形成され、空気とガスの混合物が吸い込まれました。 混合物はその後発火した。 オットーもランゲンも電気工学の十分な知識がなく、電気点火を放棄しました。 彼らはチューブを通して裸火で点火しました。 爆発中、ピストンの下の圧力は約4気圧に上昇しました。 この圧力の影響下で、ピストンが上昇し、ガスの量が増加し、圧力が低下しました。 ピストンが上がると、特別なメカニズムがレールをシャフトから切り離しました。 ピストンは、最初はガス圧を受け、次に慣性によって上昇し、その下に真空が作られました。 したがって、燃焼した燃料のエネルギーは、エンジンで最大限に完全に使用されました。 これはオットーの主なオリジナルの発見でした。 ピストンの下向きの作動ストロークは大気圧の作用で始まり、シリンダー内の圧力が大気圧に達した後、排気バルブが開き、ピストンが排気ガスをその質量で押しのけました。 燃焼生成物のより完全な膨張により、このエンジンの効率はレノアエンジンの効率よりも大幅に高く、15％に達しました。つまり、当時の最高の蒸気エンジンの効率を上回りました。 このエンジン設計で最も困難だったのは、ラックの動きをシャフトに伝える機構の作成でした。 この目的のために、ボールとクラッカーを備えた特別な移送装置が発明されました。 ラックを備えたピストンが上昇すると、シャフトを傾斜面で覆うクラッカーがボールと相互作用して、ラックの動きを妨げないようにしましたが、ラックが下降し始めるとすぐに、ボールはクラッカーの傾斜面を転がり落ち、シャフトにしっかりと押し付けられ、回転させられました。 この設計により、エンジンの実行可能性が保証されました。 オットー エンジンはレノア エンジンのほぼ 1877 倍の効率があったため、すぐに高い需要がありました。 その後、約XNUMX個が生産されました。 オットーは彼らのデザインを改善するために一生懸命働きました。 すぐに、ギアラックはクランクギアに置き換えられました（多くの人はラックの外観に戸惑いました。ラックはほんの一瞬飛んでいただけでなく、その動きには不快なガタガタという轟音が伴いました）。 しかし、彼の発明の中で最も重要なものは、XNUMX 年にオットーが新しい XNUMX ストローク エンジンの特許を取得したときに生まれました。 このサイクルは、今日に至るまで、ほとんどのガスおよびガソリン エンジンの動作の根底にあります。 翌年、新しいエンジンはすでに生産されていました。
初期のすべてのガスエンジンでは、ガスと空気の混合物が作動中のシリンダー内で大気圧で点火されていました。 しかし、爆発の影響は、圧力が大きいほど強くなりました。 したがって、混合物が圧縮されると、爆発はより強くなるはずです。 オットーの新しいガスエンジンでは、ガスが 2、5、または 3 気圧に圧縮され、その結果、エンジンのサイズが小さくなり、その出力が増加しました。 ガス混合物を収容するために、片側のシリンダーが長くなりました。 ピストンが最終位置に到達したとき、圧縮されたガス混合物で満たされた空間がまだありました。 これにより、モーション変更時に速度がゼロになるピストンの最終位置で爆発を発生させることが可能になりました。 このデッドセンター点火システムにより、以前のエンジンにあったシリンダー壁に対するピストンの衝撃、ショック、振動を回避することができました。 ピストンストロークは以下の通りでした。 1) 最初のピストン ストロークで、1/10 のガスと 9/10 の空気の希薄な混合気は、開いた入口バルブと混合気入口バルブから吸い込まれました。 2) ピストンの逆行程中、入口が閉じられ、吸引混合物がシリンダー内で圧縮されました。 3) この行程の終わりに、死点で着火が起こり、爆発のガス状生成物の発生圧力がピストンを動かした。 11 回目のストロークの開始時に圧力が 3 気圧に達し、膨張中に圧力がほぼ 4 気圧に低下しました。 四）。 ピストンの二次逆行程中に、排気バルブが開き、ピストンがシリンダーから燃焼生成物を排出しました。 極限に達したとき、燃焼生成物の残留物がまだシリンダー内に残っていましたが、エンジンのさらなる動作を妨げることはありませんでした。 それどころか、それらの存在は有益な効果をもたらしました-爆発の代わりに、より均一な燃焼が発生しました。これが、ピストンストロークがジャークなしでより均一であることが判明した理由であり、以前は許容できないと思われていた場所でエンジンを使用できました-たとえば、織機やダイナモの動きなどです。 これは、オットー エンジンの重要な利点でした。 シャフトの回転をより均一にするため、巨大なフライホイールを搭載。 結局、ピストンの 1 回のストロークのうち、有効な仕事に対応したのは 5 回だけであり、フライホイールは、作業機械が速度を落とさずに進むことができるように、その後の XNUMX 回のストローク (または、XNUMX 回転中) にエネルギーを供給しなければなりませんでした。下。 前と同様に、混合物に直火で点火した。 シャフトとのクランク接続により、大気へのガス膨張を得ることができなかったため、エンジン効率は以前のモデルよりもそれほど高くはありませんでしたが、当時の熱機関としては最高であることが判明しました。 1897 ストローク サイクルは、オットーの最大の技術的成果でした。 しかし、彼の発明の数年前に、まったく同じエンジン動作原理がフランスのエンジニア、ボー・ド・ロシュによって記述されていたことがすぐに判明しました。 フランスの実業家グループが法廷でオットーの特許に異議を唱えました。 裁判所は、彼らの主張に説得力があると考えました。 オットーの特許から派生するオットーの権利は、42 ストローク サイクルの独占権の無効化を含め、大幅に減少しました。 オットーはこの失敗を痛感しましたが、その間、彼の会社の業務は順調に進んでいました。 競合他社がXNUMXストロークエンジンの生産を開始しましたが、長年の生産を経て完成したオットーモデルは依然として最高であり、それに対する需要は止まりませんでした. XNUMX 年までに、さまざまな容量のこれらのエンジンが約 XNUMX 台製造されました。 しかし、燃料として軽質ガスが使用されたという事実は、最初の内燃機関の範囲を大幅に狭めました。 ヨーロッパでも照明とガスプラントの数はわずかであり、ロシアではモスクワとサンクトペテルブルクのXNUMXつしかありませんでした。 したがって、内燃機関用の新しい燃料の探索は止まりませんでした。 一部の発明者は、液体燃料蒸気をガスとして使用しようと試みた。 1872年に、アメリカのブライトンはこの能力で灯油を使用しようとしました。 しかし、灯油は十分に蒸発せず、ブライトンはより軽い石油製品であるガソリンに切り替えました。 しかし、液体燃料エンジンがガスとうまく競争するためには、ガソリンを蒸発させ、それと空気の可燃性混合物を得るための特別な装置（後にキャブレターとして知られるようになりました）を作成する必要がありました。同じ1872年にブライトンが来ました最初のいわゆる「蒸発」キャブレターのXNUMXつを使用しましたが、彼は不十分な行動をしました。 実用的なガソリンエンジンは80年後まで登場しませんでした。 ドイツのエンジニア、ゴットリープ・ダイムラーによって発明されました。 彼は長年、オットー商会に勤務し、取締役を務めていました。 1882 年代初頭、彼は上司に輸送用の小型ガソリン エンジンのプロジェクトを提案しました。 オットーは (彼の時代に同様の状況にあったワットのように) ダイムラーの提案に冷淡に反応した. その後、ダイムラーは友人のヴィルヘルム マイバッハと共に大胆な決断を下しました。 ダイムラーとマイバッハが直面した問題は簡単なものではありませんでした.彼らは、ガス発生器を必要とせず、非常に軽量でコンパクトでありながら、同時に乗組員を動かすのに十分強力なエンジンを作成することを決定しました. ダイムラーは、シャフト速度を上げることで出力を上げることを期待していましたが、そのためには混合気の必要な点火頻度を確保する必要がありました。 1883 年、シリンダーに開いた高温の中空管から点火する最初のガソリン エンジンが作成されました。
ガソリンエンジンの最初のモデルは、産業用固定設備を対象としていました。 ここで、P はガソリンタンクで、そこから遮断弁 p の助けを借りて、大量のガソリンがパイプを通ってそれを蒸発させる装置 AB に送られ、A は常に約 2/3 満タンのままでした。 B は、ガソリンが A に入る前であっても、最初に満たされたランプです。ランプ B から、バルブ V を備えたチューブを介して、シェル L 内にあるバーナーにガソリンが供給されました。 バーナーの狭い先端から細い流れで流れ、バーナーの高温のおかげですぐに蒸発しました。 プラチナイグナイターの周りで炎が燃え上がり、それを加熱しました。 蒸発器 A では、ガソリンを通して加熱された空気を吸引することにより、ガソリン蒸気が生成されました。 これらの蒸気は、制御弁Ｈ内で空気と混合され、可燃性混合ガスが得られた。 ピストンの下降行程中にこの混合物を吸い込み、逆行程中に圧縮用のスペースで圧縮しました。 ピストンが上死点にあるときに、分配機構が高温のプラチナ イグナイターを開き、装薬が爆発し、燃焼ガスがピストンに押し付けられました。 ガソリン蒸気を形成するために、前述のように空気を予熱する必要がありました。 これは、蒸発器に入る前の空気がバーナーケーシングを通過したという事実によって達成されました。
エンジンを始動するには、ガソリン A と B を充填した後、最初にバーナー バルブ V を開き、バーナー チューブを外側から XNUMX ～ XNUMX 分間加熱しました。 そのため、ガソリンが蒸発し始める温度に達しました。 イグナイターが真っ赤になったら、バルブ V を開き、特別なハンドルを使用してエンジンを手動で回転させました。 数回回転した後、最初の爆発が作動中のシリンダーで発生しました。 するとエンジンが動き始めました。 ガスエンジンの場合と同様に、作動中のシリンダーはシェルに囲まれており、水パイプまたはエンジン自体によって駆動される小さなポンプQから冷却するために水が流れていました。 上記の説明から、最初のガソリンエンジンにおける液体燃料の蒸発プロセスには、多くの要望が残されていることがわかります。 したがって、キャブレターの発明は、エンジン製造に真の革命をもたらしました。 ハンガリーのエンジニア、Donat Banki がその作成者であると考えられています (ただし、彼とは独立しており、さらに少し前に、ダイムラーの友人であり同盟国である Maybach によって同じキャブレターの設計が開発されていました)。 バンキは後に、水車の分野での優れた発明で大きな名声を得ました。 しかし、まだ若い頃、1893 年にジェット (ノズル) を備えたキャブレターの特許を取得しました。これは、すべての現代のキャブレターの原型でした。
彼の前任者とは異なり、バンキはガソリンを蒸発させるのではなく、空気中に細かく噴霧することを提案しました。 これにより、シリンダー全体に均一に分布することが保証され、蒸発自体は、圧縮熱の作用下でシリンダー内ですでに発生していました。 微粒化を確実にするために、計量ジェットを通る空気流によってガソリンが吸い込まれ、キャブレター内のガソリンのレベルを一定に保つことによって、混合気の一定性が達成されました。 ジェットは、空気の流れに対して垂直に配置された、チューブ内のXNUMXつまたは複数の穴の形で作成されました。 圧力を維持するために、フロート付きの小さなタンクが提供され、所定の高さでレベルを維持し、吸入されるガソリンの量が流入する空気の量に比例するようにしました。 したがって、キャブレターはフロートチャンバー1とミキシングチャンバー2の1つの部分で構成されていました。燃料はタンクからパイプ3を通ってチャンバー4に自由に入り、フロート5によって同じレベルに保たれました。フロート6は、燃料レベルとともに上昇し、充填中に上昇しました。レバー1を使用して、ニードル2を下げ、燃料へのアクセスをブロックしました。 チャンバー7から、燃料はチャンバー1に自由に流れ込み、チャンバー2と同じレベルでジェット8で停止しました。チャンバーXNUMXの下部には外気と連絡する開口部があり、上部にはエンジン吸気バルブがあります。 シリンダーに送られる混合気の量は、スロットル（フラップ）XNUMXを回すことによって調整されました。ピストンの吸引ストローク中に、空気が下から混合チャンバーに流れ込み、ジェットから燃料を吸引し、噴霧して蒸発させました。 初期の内燃機関は単気筒で、エンジンの出力を上げるために、シリンダーの容積を大きくするのが一般的でした。 その後、シリンダーの数を増やすことでこれを達成し始めました。 XNUMX世紀末にはXNUMX気筒エンジンが登場し、XNUMX世紀初頭からはXNUMX気筒エンジンが普及し始めました。 後者は、各シリンダーでXNUMXストロークサイクルがXNUMXピストンストロークで移動するように配置されました。 これにより、クランクシャフトの回転の均一性が向上しました。
以前のシャフトとは異なり、クランクシャフトは、コンロッドを使用して別々のピストンに接続された別々のクランクシャフトで構成されていました。 一方では、シャフトはピストンから動きを受け、往復運動を回転運動に変換し、他方では、ピストンの動きを制御しました。これにより、正確に設定された瞬間に前後に動きました。つまり、それらはすべてのシリンダーで同時にXNUMXつの作業サイクルを通過しました。 これらのサイクルはすべて一定の間隔で交互に繰り返されます。 著者：Ryzhov K.V.
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