Николаус Август Отто
(Nikolaus August Otto (1832-1891))
Не смотря на отсутствие технического образования Николаус Август Отто Nikolaus August Otto (1832-1891) изобрёл первый практичный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Позднее он изобрёл четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, сделавшие его знаменитым. Цикл, по которому работал изобретённый им четырехтактный двигатель, назвали циклом Отто. В настоящее время большинство автомобильных двигателей и многие другие двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто.
Именно открытие четырехтактного цикла с обязательным тактом сжатия рабочей смеси позволило создать современные двигатели внутреннего сгорания.
Первый двигатель Отто
В юные годы Отто работал коммивояжёром. Работая в лавке колониальных товаров, Отто впервые увидел двигатель внутреннего сгорания Ленуара, использующий в качестве топлива светильный газ. Этот двигатель очень заинтересовал Отто. Двигатель Ленуара был первым, практически работающим и серийно выпускаемым двигателем внутреннего сгорания. Но, не смотря на свой успех, двигатель Ленуара никогда не был практичной и эффективной машиной. По существу двигатель Ленуара был просто модернизацией парового двигателя, за исключением того, что поршень в цилиндре перемещался не под воздействие пара, находящегося под давлением, а под воздействием воспламенённой в цилиндре смеси воздуха и светильного газа. После воспламенения воздушно-газовая смесь взрывалась, что приводило к её быстрому расширению и увеличению давления, под воздействием которого перемещался поршень. Но двигатель Ленуара был очень шумным, для его работы требовалось очень много светильного газа, который необходимо выработать, сохранить и транспортировать в газообразном состоянии. В дополнение к этому двигатель выделял очень много тепла. Поскольку двигатель всё же имел некоторые преимущества по сравнению с паровой машиной, первоначально небольшие предприятия стали приобретать этот двигатель для замены паровых машин. Но по мере того как выявлялись недостатки двигателя Ленуара, популярность и, соответственно, продажи двигателя сильно упали, тем более, что на рынке появились более успешные конкуренты. Отто был уверен, что если бы двигатель Ленуара работал на жидком топливе, он был бы более удобен в эксплуатации. Для выполнения этой задачи Отто разработал карбюратор для двигателя Ленуара и пытался улучшить работу двигателя другими способами. В 1861 Отто попытался получить в Пруссии патент на карбюратор, но в получении патента Отто было отказано. И в 1861 Отто построил свой первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе. Отто в течение нескольких лет был торговым представителем Ленуара
Партнёрство с Лангеном
В этой статье я стараюсь не затрагивать биографий изобретателей, а больше сконцентрироваться на эволюции технического развития двигателей внутреннего сгорания, но в биографии Отто был один ключевой момент, имеющий прямое отношение к дальнейшей успешной работе Отто. Это было знакомство с промышленником и инженером Лангеном (Eugen Langen).
Это счастливое знакомство произошло в 1864 году. В дальнейшем фамилии Отто и Лангена всегда будут произноситься вместе. Ланген имел большие интересы в мануфактурном производстве и производстве сахара, и поскольку он обладал обширными инженерными знаниями, он лично изобрёл большинство оборудования, применяемого на его предприятиях. Ланген с большим интересом ознакомился с разрабатываемым Отто двигателем, и этот механизм его очень заинтриговал. Ланген хорошо видел что, не смотря на несовершенство предъявленного двигателя, эта машина имеет большой потенциал, и он принял решение инвестировать как в самого Отто, так и в создаваемый им двигатель. Отто, совместно с Лангеном, создали предприятие Отто и компания. В новое предприятие Ланген вложил деньги, а Отто вложил свои знания. В задачи вновь созданного общества входило дальнейшее улучшение двигателя и строительство завода по выпуску разрабатываемого двигателя. Через три года был разработан кардинально измененный двигатель. Двигатель имел очень мало общего, как с двигателем Ленуара, так и с ранними прототипами Отто.
В 1867 году компаньоны решили выставить двигатель на Парижской выставке, при этом они предчувствовали полный провал. Первоначально французское жюри отдало предпочтение более знакомым, местным, конструкциям, предпочтение отдавалось двигателю Ленуара. Но представляющий в жюри Пруссию школьный друг Лангена берлинский профессор Франц Реулекс убедил остальных членов жюри, что при оценке двигателей обязательно необходимо учитывать эффективность его работы. Проведённые тесты, которые длились несколько дней, показали, что двигатель Отто-Лангена потребляет в два раза меньше газа, для выработки одинаковой мощности, чем ближайшие конкуренты, и в четыре, пять, раз меньше чем потреблял двигатель Ленуара. Двигатель Ленуара на выработку одной лошадиной силы мощности в час потреблял более 3-х кубических метров газа, в то время как у двигателя Отто-Лангена этот показатель был 1,359 м³ на л.с./час, а в более поздних версиях этот показатель уменьшился до 0,4 м³ на л.с./час. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени. По результатам испытаний двигатель Отто-Лагнена получил золотую медаль выставки. Последующая широкая известность привела к такому спросу на двигатель, к которому партнёры были никак не готовы.
В течение почти десяти лет, после первого представления двигателя на парижской выставке, двигатель Отто и Лангена стал монополистом среди силовых установок мощностью до 3 лошадиных сил и применялся практически во всех секторах промышленности.
Владельцы типографий считали двигатель более чистым источником механической энергии по сравнению с паровой машиной, владельцы складов использовали двигатель в подъёмных приспособлениях (грузовых лифтах), на металлообрабатывающих предприятиях двигатель использовался для привода токарных станков и другого оборудования. Двигатель широко применялся на предприятиях пищевой промышленности, например, в хлебопекарнях, сахарорафинадных заводах, на пивоваренных и колбасных заводах. На газопроизводящих заводах двигатель применялся для привода скребков, омывателей и экстракторов. Двигатель широко использовался на небольших швейных, прядильных, ткацких, мебельных и инструментальных предприятиях.
Двигатель выпускался мощностью ¼, ½, 1, 2, и 3 лошадиные силы. В Германии было выпущено 2649 двигателей ( по некорорым данным более 5 тысяч), в дополнение к этому в Англии по лицензии фирма Кросслей, предположительно, выпустила 1300 двигателей.
В течение многих лет производства двигатель постоянно улучшался за счёт внесения в конструкцию необходимых изменений, но в 1878 году, после показа на парижской выставке четырёхтактного «Бесшумного двигателя Отто» производство атмосферных двигателей было прекращено.
Поскольку спрос на двигатели был очень высоким, возникла необходимость в расширении предприятия. Но для расширения предприятия требовался капитал. В поисках капитала Отто и Ланген вступили в партнёрство с бизнесменом из Гамбурга Людвигом Розеном (Ludwig August Roosen-Runge). Новая компания, созданная в марте 1869 года, была названа, «Ланген, Отто и Розен», производственное предприятие компании было перемещено в Дойтц, окраину Кёльна. Деньги Розена очень помогли развить производство, но спрос на двигатель всё равно был выше производственных возможностей предприятия. Ланген убедил своих братьев и их партнёров в сахарном бизнесе инвестировать средства в новое предприятие. Общие инвестиции новых членов компании в 13 раз превышали инвестиции Розена, поэтому в январе 1872 года была учреждена новая компания «Производство газовых мотора Дойтц АГ» (Gasmotoren-Frabrik Deutz AG). Тут необходимо отметить, что после нескольких преобразования и переименований эта компания существует и по сегодняшний день. Теперь она называется Klockner-Humbolt-Deutz AG, и считается не только самым старым производителем двигателей внутреннего сгорания в мире, но и самым большим современным предприятием, производящим дизельные двигатели воздушного охлаждения. Отто, который никогда не вкладывал личных денег в компанию, не получил не одной акции вновь созданного предприятия, но вместо этого он получил долговременный рабочий контракт. В этот момент Лангет принял очень важное кадровое решение. Готлиб Даймлер, работавшим до этого оружейником, был принят на предприятие инженером. Он имел очень большой опыт работы на различных предприятиях по всей Европе, и Ланген справедливо предполагал, что Даймлер, имеющий отличное техническое образование, будет хорошим руководителем нового большого производства. Даймлер был назначен техническим директором завода в Дойтце. Вместе собой Даймлер привел на предприятие свого протеже, будущего великого конструктора, молодого инженерам Вильгельма Майбаха.
Через десять лет Майбах, ставший наиболее опытным инженером-конструктором, работал вместе с Отто над многими важными проектами, включая разработку двигателя внутреннего сгорания, который в перспективе предназначался для установки на транспортные средства.
Конструкция первого атмосферного двигателя Отто
Непонятно почему, но почти во всех источниках указывается, что за основу своего двигателя Отто взял двигатель Ленуара. В действительности газовый двигатель Ленуара просто возбудил интерес Отто к более близкому ознакомлению с двигателями внутреннего сгорания, но Отто, видя недостатки этого двигателя и учитывая патентные ограничения, ничего не позаимствовал из конструкции двигателя Ленуара. По своей конструкции атмосферный двигатель Отто был более похож на двигатель итальянских инженеров Барсанти и Матечи .
Основой двигателя был вертикально установленный цилиндр, верхний конец которого был полностью открытым, то есть соединённым с атмосферой, вокруг цилиндра была устроена рубашка охлаждения, в которой циркулировала вода. Внутри цилиндра устанавливался массивный поршень, вес которого был приблизительно 50 кг. К поршню подсоединялась зубчатая рейка, которая при перемещении поршня приводила во вращение большую прямозубую шестерню.
Прямозубая шестерня, являющаяся неотъемной частью фрикционной муфты, через главный вал двигателя приводила во вращение маховик. Фрикционная обгонная муфта была главной новинкой двигателя. Очевидно, её разработал Ланген, обладавший широкими инженерными знаниями, маловероятно, что без этого устройства двигатель получил бы необходимый коммерческий успех. В подобном двигателе конструкции Барсанти и Матечи передача крутящего момента от зубчатой рейки на главный вал двигателя была очень слабым местом, храповой механизм, применявшийся на этом двигателе, часто ломался.
Фрикционная муфта работала как обгонная, то есть передавала вращение только в одну сторону. При подъёме поршня вверх прямозубая шестерня не передавала усилие на внутреннюю часть муфты, то есть зубчатая рейка была отсоединена от главного вала. Это обеспечивалось перемещением роликов обгонной муфты в положение, в котором они не прижимали сухарики к внутренней обойме муфты.
Однако при движении поршня вниз (рабочий ход двигателя) ролики перемещались в положение, при котором сухарики расклинивались и прижимались к внутренней обойме обгонной муфты. Внутренняя и наружная обоймы муфты становились как единое целое, в результате чего усилие от зубчатой реки через муфту передавалось на главный вал двигателя. По своему принципу муфта не отличается от обгонной муфты привода стартёра современных двигателей, в народе эту муфту называют «бендикс». При такой конструкции двигателю не требовался коленчатый вал.
Вторая прямозубая шестерня была необходима для привода вспомогательного (распределительного) вала, на котором были установлены два эксцентрика, при помощи одного из них открывался скользящий (шиберный) клапан, а при помощи второго немного приподнимался поршень в самом начале хода. Конструкция этих механизмов имела некоторую особенность. Дело в том, что у двигателей со свободным поршнем, в отличие от современных двигателей внутреннего сгорания, перемещения поршня не синхронизированы с вращением главного вала. Храповой механизм дополнительного вала включался при помощи горизонтального рычага, а перемещение рычага зависело от упорной бобышки, расположенной в верхней части зубчатой рейки. Поскольку зубчатая рейка неподвижно соединена с поршнем, нажатие на рычаг производилось только тогда, когда поршень находился в необходимом (самом нижнем) положении. За счёт этого происходила необходимая синхронизация положения поршня и открытия шиберного клапана. Именно в этот момент открывался шиберный клапан и начинался механический подъём поршня, за счёт кинетической энергии маховика, приблизительно на 9% общего хода поршня. Но между двумя последующими движениями поршня вверх дополнительный вал мог сделать неопределённое количество оборотов.
При помощи двух конических шестерней вспомогательный вал приводил во вращение центробежный регулятор, но на первых двигателях центробежный регулятор отсутствовал. Центробежный регулятор изменял обороты двигателя за счёт дросселирования отверстия для выпуска отработавших газов.
Поскольку ни Отто, ни Ланген не обладали необходимыми знаниями электротехники, они отказались от применения электрического зажигания, устанавливаемого на двигателе Ленуара. Более того, электрическое зажигание неудовлетворительно работала и на двигателе Ленуара. На двигателе Отто-Лангена воспламенение рабочей смеси в цилиндре двигателя осуществлялось открытым пламенем от специального факела, установленного на корпус шиберного клапана.
Стоящий вертикально цилиндр первых двигателей был декоративно оформлен в виде греческой ионической колонны. Выпуск двигателей такой конструкции на предприятии в Кёльне был начат в 1864 году и продолжался до 1872 года. Такой декоративный стиль отделки был предложен Лангеном. Два вала главный и вспомогательный (распределительный) имели двигатели только первых выпусков. По некоторой информации конструкция каждого экземпляра двигателя первой серии имела свои особенности. У первых двигателей, для направления движения зубчатой рейки, обеспечивающего контакт рейки с зубчатой шестернёй главного вала, применялись два ненадёжных вертикальных штока. Поперечный ползун этой системы, даже при незначительном нарушении регулировки положения вертикальных штоков издавал громкий дребезжащий звук.
Некоторые модернизированные двигатели имели два скользящих клапана, второй клапан регулировал поступление газа к первому клапану. Поздние версии выпускались без направляющих вертикальных штоков с поперечным ползуном, а обеспечение необходимого прижатия зубчатой рейки к прямозубой шестерне осуществлялось при помощи рычага, прижатого к гладкой поверхности зубчатой рейки. Также в модернизированных версиях двигателя отсутствовал вспомогательный вал, а храповые эксцентриковые механизмы устанавливались на главном валу.
Цикл двигателя:
1. Для того чтобы засосать в цилиндр газ и воздух поршень первоначально приподнимается приблизительно на 9% своего полного хода. Усилие, необходимое для поднятия поршня, предаётся на зубчатую рейку поршня через вспомогательный вал и рычаг.
2. Смесь воспламеняется при помощи небольшой порции газа из полости, встроенной в скользящий (шиберный) клапан. Газ в этой полости воспламеняется при помощи первичного факела, установленного на крышке клапана во время кратковременного перемещения клапана. После воспламенения смеси, за счёт бурного расширения газов поршень быстро перемещается в крайнее верхнее положение своего хода. По инерции поршень продолжает перемещаться вверх, после того как давление в цилиндре упало, и за счёт охлаждения цилиндра водой в рубашке охлаждения цилиндра, под поршнем образуется разрежение.
3. Поскольку верхнее отверстие цилиндра полностью открыто, а под поршнем существует разрежение, под воздействием атмосферного давления поршень перемещается вниз, плюс усилие перемещения поршня усиливается за счёт собственного веса поршня.
4. Когда давление в цилиндре становится выше атмосферного, отработавшие газы выходят из цилиндра срез автоматический обратный клапан, установленный в нижней части цилиндра.
5. Центробежный регулятор не допускает превышения максимально разрешённых оборотов двигателем, отключением храпового механизма, расположенного на вспомогательном валу.
Теги: #Статьи #Корч