История создания тепловых двигателей
Подготовил ученик 8Б класса
МБОУ Школы №72 г.о.Самара
Сергеев Олег
Самара 2017г.
Ранние тепловые двигатели
В I веке до н.э. Герон Александрийский создал эолипил – большой котел с водой, над которым крепится сфера. Нагревая воду, пар, выходя из двух трубок, прикреплённых к сфере, заставлял её двигать. О практическом применении эолипила ничего неизвестно, скорее всего он использовался как игрушка.
Реактивный двигатель известен человеку издавна. Так в Китае XIII века этот двигатель использовался для запуска фейерверков и для торжественно-военных парадов. И только в XX веке двигатель стали использовать для запуска ракет.
Пушки и ружья тоже можно считать тепловыми двигателями. Ведь ядро или патрон вылетали из дула путём сгорания пороха. И в этих тепловых двигателях тепловая энергия превращается в механическую.
Современные тепловые двигатели
В 1764 году Иван Ползунов создал свой паровой аппарат. Она имела поистине циклопические размеры — была высотой с трехэтажный дом, а некоторые детали весили 2,5 тонны. Работала она так: вода нагревалась в котле, склепанном из металлических листов, и, превратившись в пар, поступала в два трехметровых цилиндра. Поршни цилиндров давили на коромысла, которые соединялись с мехами, раздувавшими пламя в рудоплавильных печах, а также с водяными насосами-распределителями. Наличие двух поршней позволяло сделать процесс работы непрерывным. Была предусмотрена автоматическая подача в котел подогретой воды. Этот двигатель использовался в горном деле.
В 1781 году Джеймс Уатт запатентовал вакуумную паровую машину с кривошипношатунным механизмом, которая производила непрерывное вращательное движение вала. Двигатель всё ещё оставался вакуумным, но вакуумный двигатель Уатта с кривошипно-шатунным механизмом, мощностью десять лошадиных сил, стало возможным, при наличии каменного угля и воды, устанавливать и использовать в любом месте для любой цели. С вакуумным двигателем Уатта принято связывать начало промышленной революции в Англии. Разработанные Уаттом конструкции легли в основу многих механизмов и машин. Его двигатели использовались на пароходе(1807) и паровозе(1804).
Дени Папен изучал работу поршня в цилиндре. В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Папен изобрел и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. За цилиндр он взял вертикально поставленный ствол пушки, топливом стал порох, поднимающий поршень. Испытания закончились неудачно - ствол пушки разорвало.В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану ЭтьенуЛенуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи. Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать. К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Николаусом Отто. В 1864 году он получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге. В 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину.Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер ГотлибДаймлер.В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр.Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия.Дизель — поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Работает на дизельном топливе, экономичен. Применяется в основном на судах, тепловозах, автобусах и грузовых автомобилях, тракторах, дизельных электростанциях, а с середины 2000-х годов стал распространен и на легковых автомобилях. Назван по имени изобретателя Рудольфа Дизеля. Первый двигатель с воспламенением от сжатия был построен Рудольфом Дизелем в 1897 году.После нескольких неудач первый практически применимый образец, названный Дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан.Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. «Тринклер-моторы» не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был более постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены.В 1898 г. Эммануил Нобель приобрёл лицензию на двигатель внутреннего сгорания Рудольфа Дизеля.
Первую паровую турбину создал шведский изобретатель ГустафЛаваль. По одной из версий, Лаваль создал её для того, чтобы приводить в действие сепаратор молока собственной конструкции. Для этого нужен был скоростной привод. Двигатели того времени не обеспечивали достаточную частоту вращения. Единственным выходом оказалось сконструировать скоростную турбину. В качестве рабочего тела Лаваль выбрал широко используемый в то время пар.В 1884 году английский инженер Чарлз Парсонс получил патент на многоступенчатую турбину. Турбина предназначалась для приведения в действие электрогенератора. В 1885 году он разработал усовершенствованную версию, которая получила широкое применение на электростанциях. В конструкции турбины был применен выравнивающий аппарат, представляющий из себя набор неподвижных венцов (дисков) с лопатками, имевшими обратное направление. Турбина имела три ступени разного давления с разной геометрией лопаток и шагом их установки. Таким образом, в турбине использовался как «активный», так и «реактивный» принцип.