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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Il motore è gas e benzina. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Un motore a combustione interna è un motore in cui il carburante brucia direttamente nella camera di lavoro (all'interno) del motore. Il motore a combustione interna converte la pressione derivante dalla combustione del carburante in lavoro meccanico.
Il motore a vapore non ha risolto completamente il problema energetico che l'umanità deve affrontare. Non sempre le piccole officine e le imprese, che nell'Ottocento costituivano gran parte del settore industriale, potevano utilizzarlo. Il fatto è che un piccolo motore a vapore aveva un rendimento molto basso (inferiore al 10%). Inoltre, l'uso di un tale motore era associato a costi e problemi elevati. Per metterlo in moto era necessario accendere un fuoco e produrre vapore. Anche se l'auto era necessaria solo a volte, doveva comunque essere tenuta costantemente sotto controllo. La piccola industria richiedeva un motore di piccola potenza, che occupasse poco spazio, che potesse essere acceso e spento in qualsiasi momento senza molta preparazione. Per la prima volta, l'idea di un tale motore fu proposta proprio all'inizio del XIX secolo. Nell'ultimo anno del 1799° secolo, l'ingegnere francese Philippe Lebon scoprì il gas per l'illuminazione. La tradizione attribuisce il suo successo al caso: Le Bon vide il gas divampare, sgorgare da un vaso con segatura incendiata, e si rese conto dei benefici che si poteva trarre da questo fenomeno. Nel XNUMX ricevette un brevetto per l'uso e il metodo per ottenere il gas per l'illuminazione mediante distillazione a secco di legno o carbone. Questa scoperta è stata di grande importanza principalmente per lo sviluppo della tecnologia di illuminazione. Molto presto, in Francia, e poi in altri paesi europei, le lampade a gas iniziarono a competere con successo con candele costose. Tuttavia, il gas per l'illuminazione era adatto non solo per l'illuminazione. Nel 1801 Le Bon ottenne un brevetto per la progettazione di un motore a gas. Il principio di funzionamento di questa macchina si basava sulla ben nota proprietà del gas da lui scoperto: la sua miscela con l'aria esplodeva quando si accendeva, rilasciando una grande quantità di calore. I prodotti della combustione si espansero rapidamente, esercitando una forte pressione sull'ambiente. Creando le condizioni appropriate, è possibile utilizzare l'energia rilasciata nell'interesse dell'uomo. Il motore Lebon aveva due compressori e una camera di miscelazione. Un compressore doveva pompare aria compressa nella camera e l'altro - gas leggero compresso dal generatore di gas. La miscela gas-aria è quindi entrata nel cilindro di lavoro, dove si è accesa. Il motore era a doppio effetto, cioè le camere di lavoro agivano alternativamente su entrambi i lati del pistone.
In sostanza, Le Bon alimentò l'idea di un motore a combustione interna, ma nel 1804 morì prima di poter dare vita alla sua invenzione. Ma la sua idea ha continuato ad attirare la massima attenzione. In effetti, il principio di funzionamento di un motore a gas è molto più semplice di quello di un motore a vapore, poiché qui il carburante stesso produce direttamente pressione sul pistone, mentre in un motore a vapore l'energia termica viene prima trasferita a un altro vettore: vapore acqueo, che fa un lavoro utile. Negli anni successivi, diversi inventori di diversi paesi hanno cercato di creare un motore funzionante utilizzando il gas di illuminazione. Tuttavia, tutti questi tentativi non hanno portato alla comparsa sul mercato di motori in grado di competere con successo con il motore a vapore. L'onore di creare un motore a combustione interna di successo commerciale appartiene all'ingegnere belga Jean Etienne Lenoir. Mentre lavorava in un impianto di galvanica, Lenoir ebbe l'idea che la miscela aria-carburante in un motore a gas potesse essere accesa con una scintilla elettrica e decise di costruire un motore basato su questa idea. Il proprietario dell'officina galvanica fornì denaro a Lenoir, con il quale costruì il suo primo motore nel 1860. Sia nell'aspetto che nel design, assomigliava a una macchina a vapore. Il motore era a doppio effetto. La bobina inferiore forniva alternativamente aria e gas alle cavità del cilindro situate sui lati opposti del pistone. La bobina superiore serviva per rilasciare i gas di scarico. Gas e aria sono stati forniti alla bobina attraverso canali separati. La miscela è stata aspirata in ciascuna cavità fino a circa metà corsa, dopodiché la bobina ha chiuso la finestra di ingresso e la miscela è stata accesa da una scintilla elettrica. Bruciando, si espandeva e agiva sul pistone, producendo un lavoro utile. Dopo la fine della reazione, la seconda bobina metteva in comunicazione il cilindro con il tubo di scarico. Nel frattempo, la miscela è stata accesa sull'altro lato del pistone. Cominciò a indietreggiare, spostando i gas di scarico. Lenoir non ebbe immediatamente successo. Dopo che è stato possibile realizzare tutte le parti e assemblare la macchina, ha funzionato per un bel po' e si è fermata, perché a causa del riscaldamento il pistone si è espanso e si è bloccato nel cilindro. Lenoir ha migliorato il suo motore pensando a un sistema di raffreddamento ad acqua. Tuttavia, anche il secondo tentativo di lancio si è concluso con un fallimento a causa della scarsa corsa del pistone. Lenoir ha integrato il suo progetto con un sistema di lubrificazione. Solo allora il motore ha iniziato a girare.
Dopo l'annuncio di questa invenzione, l'officina ha iniziato a ricevere ordini per un nuovo motore, ma il suo lavoro ha continuato a essere insoddisfacente: il sistema di accensione spesso non funzionava correttamente, la bobina non funzionava senza lubrificazione e non è stato possibile stabilirne una lubrificazione soddisfacente ad una temperatura di 800 gradi. L'efficienza del motore ha raggiunto a malapena il 4%, ha consumato un'enorme quantità di lubrificante e gas. Tuttavia, il motore ha rapidamente guadagnato popolarità. I suoi principali acquirenti erano piccole imprese (tipografie, officine di riparazione, ecc.), per le quali i motori a vapore erano troppo costosi e ingombranti. Nel frattempo, il motore Lenoir si è rivelato facile da usare, leggero e di piccole dimensioni. Nel 1864 erano già stati prodotti più di 300 di questi motori di varie cilindrate. Essendo diventato ricco, Lenoir smise di lavorare per migliorare la sua auto, e questo predeterminò il suo destino: fu costretta a uscire dal mercato da un motore più avanzato creato dall'inventore tedesco August Otto. Nel 1864 ricevette il brevetto per il suo modello di motore a gas e nello stesso anno stipulò un accordo con il ricco ingegnere Langen per sfruttare questa invenzione. Ben presto nasce l'azienda "Otto and Company".
A prima vista, il motore Otto rappresentava un passo indietro rispetto al motore Lenoir. Il cilindro era verticale. L'albero rotante è stato posizionato sopra il cilindro sul lato. Lungo l'asse del pistone era fissata una rotaia collegata all'albero. Il motore ha funzionato come segue. L'albero rotante ha sollevato il pistone di 1/10 dell'altezza del cilindro, per cui si è formato uno spazio rarefatto sotto il pistone e una miscela di aria e gas è stata aspirata. La miscela si è quindi accesa. Né Otto né Langen avevano una conoscenza sufficiente dell'ingegneria elettrica e abbandonarono l'accensione elettrica. Si sono accesi a fiamma libera attraverso un tubo. Durante l'esplosione, la pressione sotto il pistone è aumentata a circa 4 atm. Sotto l'influenza di questa pressione, il pistone è salito, il volume del gas è aumentato e la pressione è diminuita. Quando il pistone è stato sollevato, un meccanismo speciale ha scollegato la guida dall'albero. Il pistone, prima sotto pressione del gas, e poi per inerzia, si alzò fino a creare un vuoto sotto di esso. Pertanto, l'energia del carburante bruciato è stata utilizzata nel motore con la massima completezza. Questa è stata la principale scoperta originale di Otto. La corsa verso il basso del pistone è iniziata sotto l'azione della pressione atmosferica e, dopo che la pressione nel cilindro ha raggiunto la pressione atmosferica, la valvola di scarico si è aperta e il pistone ha spostato i gas di scarico con la sua massa. A causa dell'espansione più completa dei prodotti della combustione, l'efficienza di questo motore era significativamente superiore all'efficienza del motore Lenoir e raggiunse il 15%, ovvero superava l'efficienza dei migliori motori a vapore dell'epoca. Il problema più difficile con questo progetto di motore è stata la creazione di un meccanismo per trasmettere il movimento della cremagliera all'albero. A tale scopo è stato inventato uno speciale dispositivo di trasferimento con palline e cracker. Quando il pistone con la cremagliera è volato verso l'alto, i cracker, coprendo l'albero con le loro superfici inclinate, hanno interagito con le sfere in modo tale da non interferire con il movimento della cremagliera, ma non appena la cremagliera ha iniziato a scendere , le palline rotolavano lungo la superficie inclinata dei cracker e le premevano strettamente contro l'albero, costringendolo a ruotare. Questo design ha assicurato la fattibilità del motore. Poiché i motori Otto erano quasi cinque volte più efficienti dei motori Lenoir, furono immediatamente molto richiesti. Negli anni successivi ne furono prodotti circa cinquemila. Otto ha lavorato duramente per migliorare il loro design. Ben presto, la cremagliera fu sostituita da una manovella (molti erano imbarazzati dall'aspetto della cremagliera, che volò su per una frazione di secondo, inoltre, il suo movimento era accompagnato da uno spiacevole rombo sferragliante). Ma la più significativa delle sue invenzioni arrivò nel 1877, quando Otto ottenne il brevetto per un nuovo motore a quattro tempi. Questo ciclo è ancora alla base del funzionamento della maggior parte dei motori a benzina e benzina fino ad oggi. L'anno successivo i nuovi motori furono già messi in produzione.
In tutti i primi motori a gas, la miscela di gas e aria veniva accesa nel cilindro di lavoro a pressione atmosferica. Tuttavia, l'effetto dell'esplosione è stato tanto più forte, maggiore è la pressione. Pertanto, quando la miscela è stata compressa, l'esplosione avrebbe dovuto essere più forte. Nel nuovo motore a gas di Otto, il gas è stato compresso a 2, 5 o 3 atm, di conseguenza il motore è diventato di dimensioni più ridotte e la sua potenza è aumentata. Per accogliere la miscela di gas, il cilindro su uno dei suoi lati è stato allungato. Quando il pistone ha raggiunto la sua posizione finale qui, c'era ancora uno spazio riempito con una miscela di gas compresso. Grazie a ciò, è stato possibile produrre un'esplosione nella posizione finale del pistone, quando ha velocità zero quando cambia movimento. Con questo sistema di accensione a punto morto è stato possibile evitare urti, scosse e tremori del pistone contro le pareti del cilindro, che erano nel motore precedente. La corsa del pistone era la seguente. 1) Alla prima corsa del pistone, una miscela magra di 1/10 di gas e 9/10 di aria è stata aspirata attraverso la valvola di ingresso aperta e la valvola di ingresso della miscela. 2) Durante la corsa inversa del pistone, l'ingresso è stato chiuso e la miscela aspirata è stata compressa nel cilindro. 3) Al termine di questa corsa, si è verificata l'accensione nel punto morto e la pressione in via di sviluppo dei prodotti gassosi dell'esplosione ha spostato il pistone. All'inizio del terzo colpo, la pressione ha raggiunto 11 atm e durante l'espansione è scesa a quasi 3 atm. quattro). Durante la corsa inversa secondaria del pistone, la valvola di scarico si è aperta e il pistone ha spostato i prodotti della combustione dal cilindro. Quando ha raggiunto il punto estremo, alcuni residui di prodotti della combustione sono rimasti ancora nel cilindro, ma non hanno interferito con l'ulteriore funzionamento del motore. Al contrario, la loro presenza ha avuto un effetto benefico - invece di un'esplosione si è verificata una combustione più uniforme, motivo per cui la corsa del pistone è risultata più uniforme, senza strappi, e il motore poteva essere utilizzato dove prima sembrava inaccettabile - ad esempio per la movimentazione di telai e dinamo. Questo era un importante vantaggio del motore Otto. Per rendere ancora più uniforme la rotazione dell'albero, è stato dotato di un massiccio volano. Del resto, delle quattro corse del pistone, solo una corrispondeva al lavoro utile, e il volano doveva fornire energia per tre corse successive (o, che è lo stesso, per 1 giri) affinché le macchine operatrici potessero andare senza rallentamenti. La miscela è stata accesa, come prima, a fuoco vivo. A causa del collegamento della manovella con l'albero, non era possibile ottenere l'espansione del gas nell'atmosfera, e quindi l'efficienza del motore non era molto superiore a quella dei modelli precedenti, ma si rivelò la più alta per i motori termici dell'epoca. Il ciclo a quattro tempi è stato il più grande risultato tecnico di Otto. Ma presto si scoprì che pochi anni prima della sua invenzione, lo stesso principio di funzionamento del motore era stato descritto dall'ingegnere francese Beau de Roche. Un gruppo di industriali francesi ha impugnato il brevetto di Otto in tribunale. La corte ha ritenuto convincenti le loro argomentazioni. I diritti di Otto derivanti dal suo brevetto furono notevolmente ridotti, compreso l'annullamento del suo monopolio sul ciclo a quattro tempi. Otto ha vissuto dolorosamente questo fallimento, nel frattempo gli affari della sua azienda stavano andando abbastanza bene. Sebbene i concorrenti abbiano lanciato la produzione di motori a quattro tempi, il modello Otto, elaborato in molti anni di produzione, era ancora il migliore e la domanda non si è fermata. Nel 1897 furono prodotti circa 42 mila di questi motori di varie capacità. Tuttavia, il fatto che il gas leggero fosse usato come carburante ridusse notevolmente la portata dei primi motori a combustione interna. Il numero di impianti di illuminazione e gas era insignificante anche in Europa e in Russia ce n'erano solo due: a Mosca e San Pietroburgo. Pertanto, la ricerca di un nuovo carburante per il motore a combustione interna non si è fermata. Alcuni inventori hanno cercato di utilizzare il vapore di combustibile liquido come gas. Già nel 1872, l'americano Brighton tentò di utilizzare il cherosene in questa veste. Tuttavia, il cherosene non è evaporato bene e Brighton è passata a un prodotto petrolifero più leggero, la benzina. Ma affinché un motore a combustibile liquido potesse competere con successo con il gas, era necessario creare un dispositivo speciale (in seguito divenne noto come carburatore) per far evaporare la benzina e ottenerne una miscela combustibile con l'aria.Brighton nello stesso 1872 arrivò con uno dei primi carburatori cosiddetti "evaporativi", ma ha agito in modo insoddisfacente. Un motore a benzina funzionante non apparve fino a dieci anni dopo. Fu inventato dall'ingegnere tedesco Gottlieb Daimler. Per molti anni ha lavorato per la ditta Otto e ne è stato membro del consiglio di amministrazione. Nei primi anni '80 propose al suo capo un progetto per un motore a benzina compatto che potesse essere utilizzato nei trasporti. Otto (come Watt in una situazione simile ai suoi tempi) ha reagito freddamente alla proposta di Daimler. Quindi Daimler, insieme al suo amico Wilhelm Maybach, prese una decisione coraggiosa: nel 1882 lasciarono l'azienda Otto, acquisirono una piccola officina vicino a Stoccarda e iniziarono a lavorare al loro progetto. Il problema che Daimler e Maybach hanno dovuto affrontare non è stato facile, hanno deciso di creare un motore che non richiedesse un generatore di gas, fosse molto leggero e compatto, ma allo stesso tempo abbastanza potente da muovere l'equipaggio. Daimler prevedeva di aumentare la potenza aumentando la velocità dell'albero, ma per questo era necessario garantire la frequenza di accensione richiesta della miscela. Nel 1883 fu creato il primo motore a benzina con accensione da un tubo cavo caldo aperto nel cilindro.
Il primo modello di motore a benzina era destinato a un'installazione fissa industriale. Qui P è il serbatoio della benzina, dal quale, con l'aiuto di una valvola di intercettazione p, è stata fatta passare attraverso il tubo tanta benzina al dispositivo per farla evaporare AB, in modo che A rimanesse sempre circa 2/3 pieno. B è la lampada che è stata riempita per prima, ancor prima che la benzina entrasse in A. Dalla lampada B, attraverso un tubo con valvola V, veniva fornita benzina al bruciatore, che era nel guscio L; dalla punta stretta del bruciatore defluiva a filo sottile e, grazie all'elevata temperatura del bruciatore, evaporava immediatamente. Le fiamme bruciavano intorno all'accenditore di platino e lo riscaldavano. Nell'evaporatore A, i vapori di benzina sono stati generati aspirando aria riscaldata attraverso la benzina. Questi vapori sono stati miscelati con aria nella valvola di controllo H, ottenendo così una miscela di gas combustibile. Durante la corsa discendente del pistone aspirava tale miscela, durante la corsa inversa la comprimeva nello spazio destinato alla compressione. In un momento in cui il pistone era al punto morto superiore, il meccanismo di distribuzione ha aperto un accenditore al platino caldo, la carica è esplosa e i gas di combustione hanno premuto sul pistone. Per la formazione di vapori di benzina, l'aria, come notato sopra, doveva essere preriscaldata. Ciò è stato ottenuto dal fatto che l'aria prima di entrare nell'evaporatore è passata attraverso l'involucro del bruciatore.
Per avviare il motore, dopo aver riempito di benzina A e B, è stata prima aperta la valvola del bruciatore V e i tubi del bruciatore sono stati riscaldati dall'esterno per uno o due minuti. Così hanno raggiunto la temperatura alla quale la benzina ha cominciato ad evaporare. Quando l'accenditore era rovente, la valvola V veniva aperta e il motore veniva ruotato manualmente tramite un'apposita maniglia; dopo alcuni giri si verificò la prima esplosione nel cilindro di lavoro; poi il motore ha iniziato a muoversi. Il cilindro di lavoro, come nei motori a gas, era circondato da un guscio attraverso il quale scorreva l'acqua per il raffreddamento da un tubo dell'acqua o da una piccola pompa Q, azionata dal motore stesso. Da quanto sopra descritto si evince che il processo di evaporazione del combustibile liquido nei primi motori a benzina lasciava molto a desiderare. Pertanto, l'invenzione del carburatore ha fatto una vera rivoluzione nella costruzione del motore. L'ingegnere ungherese Donat Banki è considerato il suo creatore (sebbene indipendentemente da lui e anche poco prima, lo stesso design del carburatore sia stato sviluppato dall'amico e alleato di Daimler Maybach). In seguito Banki ottenne una grande fama per le sue eccezionali invenzioni nel campo delle turbine idrauliche. Ma, ancora giovane, nel 1893 ottenne un brevetto per un carburatore a getto (ugello), che era il prototipo di tutti i carburatori moderni.
A differenza dei suoi predecessori, Banki propose di non far evaporare la benzina, ma di spruzzarla finemente nell'aria. Ciò garantiva la sua distribuzione uniforme sul cilindro e l'evaporazione stessa avveniva già nel cilindro sotto l'azione del calore di compressione. Per garantire l'atomizzazione, la benzina è stata aspirata da un flusso d'aria attraverso un getto dosatore e la costanza della miscela è stata ottenuta mantenendo un livello costante di benzina nel carburatore. Il getto era realizzato sotto forma di uno o più fori nel tubo, posti perpendicolarmente al flusso d'aria. Per mantenere la pressione era previsto un piccolo serbatoio con galleggiante, che manteneva il livello ad una determinata altezza, in modo che la quantità di benzina aspirata fosse proporzionale alla quantità di aria in ingresso. Pertanto, il carburatore era costituito da due parti: camera del galleggiante 1 e camera di miscelazione 2. Il carburante entrava liberamente nella camera 1 dal serbatoio attraverso il tubo 3 ed era mantenuto allo stesso livello dal galleggiante 4, che saliva insieme al livello del carburante e durante il riempimento, agendo sulla leva 5, si è abbassato lo spillo 6 bloccando così l'accesso al carburante. Dalla camera 1, il carburante scorreva liberamente nella camera 2 e si fermava nel getto 7 allo stesso livello della camera 1. La camera 2 aveva un'apertura nella parte inferiore che comunicava con l'aria esterna e nella parte superiore - con la valvola di aspirazione del motore. La quantità di miscela erogata al cilindro è stata regolata ruotando l'acceleratore (flap) 8. Durante la corsa di aspirazione del pistone, l'aria scorreva dal basso nella camera di miscelazione e aspirava il carburante dal getto, spruzzandolo ed evaporandolo. I primi motori a combustione interna erano monocilindrici e per aumentare la potenza del motore era comune aumentare il volume del cilindro. Quindi hanno iniziato a raggiungere questo obiettivo aumentando il numero di cilindri. Alla fine del XIX secolo apparvero i motori a due cilindri e dall'inizio del XX secolo iniziarono a diffondersi i motori a quattro cilindri. Questi ultimi erano disposti in modo tale che in ciascuno dei cilindri il ciclo a quattro tempi fosse spostato di una corsa del pistone. Grazie a ciò è stata raggiunta una buona uniformità di rotazione dell'albero motore.
A differenza dell'albero precedente, l'albero a gomiti era costituito da alberi a gomiti separati, che erano collegati a pistoni separati con l'aiuto di bielle. Da un lato, l'albero ha ricevuto il movimento dai pistoni e ha convertito il movimento alternativo in rotatorio e, dall'altro, ha controllato il movimento dei pistoni, che a causa di ciò si sono mossi avanti e indietro in momenti precisi, cioè hanno attraversato contemporaneamente un ciclo di lavoro in tutti i cilindri. Tutti questi cicli si alternavano a intervalli regolari. Autore: Ryzhov KV
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