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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
엔진은 가스와 휘발유입니다. 발명과 생산의 역사
내연 기관 - 엔진의 작업실(내부)에서 연료가 직접 연소되는 엔진. 내연 기관은 연료 연소의 압력을 기계적 작업으로 변환합니다.
증기 기관은 인류가 직면한 에너지 문제를 완전히 해결하지 못했습니다. 10세기에 산업 부문의 큰 부분을 차지했던 소규모 작업장과 기업이 항상 그것을 사용할 수 있었던 것은 아닙니다. 사실 소형 증기기관은 효율이 매우 낮습니다(XNUMX% 미만). 또한 이러한 엔진의 사용은 높은 비용과 문제와 관련이 있습니다. 그것을 움직이기 위해서는 불을 피우고 증기를 일으켜야 했다. 차가 가끔씩만 필요하더라도 계속해서 증기를 유지해야 했습니다. 소규모 산업은 작은 공간을 차지하는 작은 동력의 엔진이 필요했으며 많은 준비 없이 언제든지 켜고 끌 수 있었습니다. 처음으로 그러한 엔진에 대한 아이디어는 XNUMX세기 초에 제안되었습니다. 1799세기 말, 프랑스 엔지니어 필립 르봉이 조명 가스를 발견했습니다. 전통은 그 성공을 우연이라고 생각합니다. 레본은 톱밥이 불에 탄 배에서 가스가 튀는 것을 보고 이 현상에서 어떤 이점을 얻을 수 있는지 깨달았습니다. XNUMX년에 그는 목재나 석탄을 건식증류하여 점화가스를 얻는 방법과 용도에 대한 특허를 받았습니다. 이 발견은 주로 조명 기술의 발전에 매우 중요했습니다. 곧 프랑스와 다른 유럽 국가에서 가스 램프가 값 비싼 양초와 성공적으로 경쟁하기 시작했습니다. 그러나 조명 가스는 조명에만 적합하지 않았습니다. 1801년 르봉은 가스 엔진 설계에 대한 특허를 취득했습니다. 이 기계의 작동 원리는 그가 발견한 가스의 잘 알려진 특성에 기반을 두었습니다. 즉, 점화될 때 공기와의 혼합물이 폭발하여 많은 양의 열을 방출합니다. 연소 생성물은 빠르게 팽창하여 환경에 강한 압력을 가합니다. 적절한 조건을 만들어 인간의 이익을 위해 방출된 에너지를 사용할 수 있습니다. Lebon 엔진에는 두 개의 압축기와 혼합 챔버가 있습니다. 하나의 압축기는 압축 공기를 챔버로 펌핑하고 다른 하나는 가스 발생기에서 압축된 가벼운 가스를 펌핑해야 했습니다. 그런 다음 가스-공기 혼합물이 작동 실린더로 들어가 점화되었습니다. 엔진은 복동식이었습니다. 즉, 작업실이 피스톤의 양쪽에서 교대로 작동했습니다.
본질적으로 르 봉은 내연 기관에 대한 아이디어를 키웠지만 1804년 그의 발명품을 실현하기 전에 사망했습니다. 그러나 그의 아이디어는 계속해서 가장 주목을 끌었습니다. 실제로, 가스 엔진의 작동 원리는 증기 엔진의 작동 원리보다 훨씬 간단합니다. 여기서 연료 자체는 피스톤에 직접 압력을 생성하는 반면 증기 엔진에서는 열 에너지가 먼저 다른 운반체(수증기)로 전달되기 때문입니다. 유용한 작업을 수행합니다. 그 후 몇 년 동안 여러 나라의 여러 발명가들이 조명 가스를 사용하여 작동 가능한 엔진을 만들려고 했습니다. 그러나 이러한 모든 시도가 증기 기관과 성공적으로 경쟁할 수 있는 엔진 시장의 등장으로 이어지지는 않았습니다. 상업적으로 성공적인 내연 기관을 만드는 영예는 벨기에 엔지니어 Jean Etienne Lenoir에게 있습니다. 전기도금 공장에서 일하는 동안 Lenoir는 가스 엔진의 공기-연료 혼합물이 전기 스파크로 점화될 수 있다는 아이디어를 생각해냈고 이 아이디어를 기반으로 엔진을 만들기로 결정했습니다. 전기도금 작업장의 주인은 Lenoir에게 돈을 줬고, 그 돈으로 1860년에 첫 번째 엔진을 만들었습니다. 외관과 디자인 모두 증기 기관과 비슷했습니다. 엔진은 복동식이었다. 하부 스풀은 피스톤의 반대쪽에 위치한 실린더 캐비티에 공기와 가스를 교대로 공급했습니다. 상부 스풀은 배기 가스를 방출하는 역할을 했습니다. 가스와 공기는 별도의 채널을 통해 스풀에 공급되었습니다. 혼합물은 스트로크의 약 절반이 될 때까지 각 캐비티로 흡입되었고, 그 후 스풀이 입구 창을 닫았고 혼합물은 전기 스파크에 의해 점화되었습니다. 연소, 팽창하여 피스톤에 작용하여 유용한 작업을 생성합니다. 반응이 끝난 후 두 번째 스풀은 실린더와 배기관을 연결했습니다. 한편, 혼합물은 피스톤의 다른 쪽에서 점화되었습니다. 그는 배기 가스를 대체하면서 뒤로 움직이기 시작했습니다. Lenoir는 즉시 성공하지 못했습니다. 모든 부품을 만들고 기계를 조립한 후에는 피스톤이 팽창하여 실린더에 끼어 가열로 인해 꽤 작동하고 멈췄습니다. Lenoir는 수냉식 시스템을 생각하여 엔진을 개선했습니다. 그러나 두 번째 발사 시도도 피스톤 스트로크가 좋지 않아 실패로 끝났다. Lenoir는 윤활 시스템으로 그의 설계를 보완했습니다. 그제서야 엔진이 작동하기 시작했습니다.
이 발명이 발표된 후 작업장은 새 엔진에 대한 주문을 받기 시작했지만 작업은 계속 불만족스러웠습니다. 점화 시스템이 자주 오작동하고 스풀이 윤활 없이 작동하지 않으며 만족스러운 윤활을 확립할 수 없었습니다. 800도의 온도에서. 엔진의 효율은 겨우 4%에 도달했고 엄청난 양의 윤활유와 가스를 소비했습니다. 그럼에도 불구하고 엔진은 빠르게 인기를 얻었습니다. 주요 구매자는 증기 기관이 너무 비싸고 부피가 큰 소규모 기업(인쇄소, 수리점 등)이었습니다. 한편 Lenoir 엔진은 작동하기 쉽고 가볍고 크기가 작은 것으로 판명되었습니다. 1864년에는 다양한 용량의 300개 이상의 엔진이 이미 생산되었습니다. 부자가 된 Lenoir는 자동차 개선 작업을 중단했고 이것이 그녀의 운명을 결정지었습니다. 그녀는 독일 발명가 August Otto가 만든 고급 엔진에 의해 시장에서 쫓겨났습니다. 1864년에 그는 자신의 가스 엔진 모델에 대한 특허를 받았고 같은 해에 부유한 엔지니어인 Langen과 이 발명을 이용하기로 계약을 체결했습니다. 곧 "Otto and Company"라는 회사가 만들어졌습니다.
언뜻 보기에 오토 엔진은 르누아르 엔진에서 한 발짝 뒤로 물러난 모습이었다. 실린더는 수직이었습니다. 회전축은 측면의 실린더 위에 배치되었습니다. 피스톤의 축을 따라 샤프트에 연결된 레일이 부착되었습니다. 엔진은 다음과 같이 작동했습니다. 회전축에 의해 피스톤이 실린더 높이의 1/10만큼 높아져 피스톤 아래에 형성된 희박한 공간과 공기와 가스의 혼합물이 흡입되었다. 그런 다음 혼합물이 점화되었습니다. Otto도 Langen도 전기 공학에 대한 충분한 지식이 없었고 전기 점화를 포기했습니다. 그들은 튜브를 통해 열린 불꽃으로 점화되었습니다. 폭발하는 동안 피스톤 아래의 압력은 약 4기압으로 증가했습니다. 이 압력의 영향으로 피스톤이 상승하고 가스의 양이 증가하고 압력이 떨어졌습니다. 피스톤이 올라가면 특수 메커니즘이 샤프트에서 레일을 분리했습니다. 피스톤은 먼저 가스 압력을 받은 다음 관성에 의해 그 아래에 진공이 생성될 때까지 상승했습니다. 따라서 연소 된 연료의 에너지는 최대한의 완전성으로 엔진에 사용되었습니다. 이것이 Otto의 주요 원본 발견이었습니다. 피스톤의 하향 작동 스트로크는 대기압의 작용하에 시작되었으며 실린더의 압력이 대기압에 도달 한 후 배기 밸브가 열리고 피스톤은 배기 가스를 질량으로 대체했습니다. 연소 생성물의보다 완전한 확장으로 인해이 엔진의 효율은 Lenoir 엔진의 효율보다 훨씬 높으며 15 %에 도달했습니다. 즉, 당시 최고의 증기 기관의 효율을 초과했습니다. 이 엔진 설계에서 가장 어려운 문제는 랙의 움직임을 샤프트로 전달하는 메커니즘을 만드는 것이었습니다. 이를 위해 볼과 크래커가 있는 특수 이송 장치가 발명되었습니다. 랙이있는 피스톤이 날아갈 때 경사면으로 샤프트를 덮고있는 크래커는 랙의 움직임을 방해하지 않는 방식으로 볼과 상호 작용했지만 랙이 아래로 이동하기 시작하자마자 , 볼은 크래커의 경사면을 굴려 샤프트에 단단히 눌러 회전시킵니다. 이 디자인은 엔진의 생존성을 보장했습니다. Otto 엔진은 Lenoir 엔진보다 거의 1877배 더 효율적이기 때문에 즉시 수요가 많았습니다. 그 후 몇 년 동안 약 XNUMX 개가 생산되었습니다. Otto는 디자인을 개선하기 위해 열심히 노력했습니다. 곧 기어 랙은 크랭크 기어로 교체되었습니다(많은 사람들이 랙의 모습에 당황했고, XNUMX초도 안 되는 순간에 날아올랐고, 그 움직임에는 불쾌한 덜걱거리는 포효가 동반되었습니다). 그러나 그의 발명 중 가장 중요한 것은 Otto가 새로운 XNUMX행정 엔진에 대한 특허를 취득한 XNUMX년에 나왔습니다. 이 사이클은 오늘날까지도 대부분의 가스 및 가솔린 엔진 작동의 기초가 됩니다. 다음 해에 새로운 엔진이 이미 생산에 투입되었습니다.
모든 초기 가스 엔진에서 가스와 공기의 혼합물은 대기압에서 작동 실린더에서 점화되었습니다. 그러나 폭발의 영향이 강할수록 압력은 더 커졌습니다. 따라서 혼합물이 압축되면 폭발이 더 강력해야합니다. Otto의 새로운 가스 엔진에서는 가스가 2, 5 또는 3 atm으로 압축되어 엔진이 작아지고 출력이 높아졌습니다. 가스 혼합물을 수용하기 위해 측면 중 하나의 실린더가 길어졌습니다. 피스톤이 여기에서 최종 위치에 도달했을 때 압축 가스 혼합물로 채워진 약간의 공간이 여전히 있었습니다. 그 덕분에 피스톤의 움직임을 바꿀 때 속도가 1일 때 피스톤의 최종 위치에서 폭발을 일으키는 것이 가능해졌습니다. 이 데드 센터 점화 시스템을 사용하면 이전 엔진에 있던 실린더 벽에 대한 피스톤의 충격, 충격 및 떨림을 피할 수 있었습니다. 피스톤 스트로크는 다음과 같았다. 1) 첫 번째 피스톤 스트로크에서 10/9 가스와 10/2 공기의 희박한 혼합물이 열린 입구 밸브와 혼합물 입구 밸브를 통해 흡입되었습니다. 3) 피스톤의 역행정 동안 입구가 닫히고 흡입 혼합물이 실린더에서 압축되었습니다. 11) 이 행정의 끝에서 사점에서 점화가 일어나고 폭발의 기체 생성물의 발달 압력이 피스톤을 움직였다. 세 번째 스트로크가 시작될 때 압력은 3 기압에 도달했으며 팽창 중에는 거의 4 기압으로 떨어졌습니다. 네). 피스톤의 1차 역방향 스트로크 동안 배기 밸브가 열리고 피스톤이 실린더에서 연소 생성물을 밀어냈습니다. 극한 지점에 도달했을 때 연소 생성물의 일부 잔류 물이 여전히 실린더에 남아 있었지만 엔진의 추가 작동을 방해하지 않았습니다. 반대로, 그들의 존재는 유익한 효과가있었습니다. 폭발 대신 연소가 더 고르게 발생했기 때문에 피스톤 스트로크가 저크없이 더 고르게 나타났으며 이전에는 용납 할 수 없었던 곳에서 엔진을 사용할 수있었습니다. 예를 들어, 직기와 발전기의 움직임. 이것은 Otto 엔진의 중요한 장점이었습니다. 샤프트의 회전을 더욱 균일하게 만들기 위해 거대한 플라이휠이 장착되었습니다. 결국 피스톤의 5개 행정 중 XNUMX개만 유용한 작업에 해당했고 플라이휠은 XNUMX개의 후속 행정(또는 동일한 것은 XNUMX회전 동안)에 에너지를 제공해야 작업 기계가 감속 없이 이동할 수 있었습니다. 아래에. 혼합물을 이전과 같이 화염으로 점화시켰다. 샤프트와의 크랭크 연결로 인해 대기로의 가스 팽창을 얻을 수 없었기 때문에 엔진 효율은 이전 모델보다 훨씬 높지는 않았지만 당시 열기관 중 가장 높은 것으로 나타났습니다. 1897행정 사이클은 Otto의 가장 큰 기술적 성취였습니다. 그러나 그의 발명 몇 년 전에 프랑스 엔지니어 Beau de Roche가 정확히 동일한 엔진 작동 원리를 설명했음이 곧 밝혀졌습니다. 프랑스 기업가 그룹이 법원에서 오토의 특허에 대해 이의를 제기했습니다. 법원은 그들의 주장이 설득력이 있다고 판단했습니다. 그의 특허에서 파생된 Otto의 권리는 42행정 사이클에 대한 독점 무효화를 포함하여 크게 축소되었습니다. Otto는 이 실패를 뼈저리게 겪었지만, 한편 그의 회사 일은 꽤 순조롭게 진행되었습니다. 경쟁자들이 XNUMX행정 엔진의 생산을 시작했지만 수년간 생산된 Otto 모델은 여전히 최고였으며 수요가 멈추지 않았습니다. XNUMX년까지 다양한 용량의 약 XNUMX개의 엔진이 생산되었습니다. 그러나 경질 가스가 연료로 사용되었다는 사실은 최초의 내연기관의 범위를 크게 좁혔습니다. 조명 및 가스 플랜트의 수는 유럽에서도 미미했으며 러시아에서는 모스크바와 상트 페테르부르크에 그 중 두 개만있었습니다. 따라서 내연 기관의 새로운 연료 검색은 멈추지 않았습니다. 일부 발명가는 액체 연료 증기를 기체로 사용하려고 시도했습니다. 1872년에 American Brighton은 이 용량으로 등유를 사용하려고 했습니다. 그러나 등유가 잘 증발하지 않아 브라이튼은 더 가벼운 석유 제품인 휘발유로 전환했습니다. 그러나 액체 연료 엔진이 가스와 성공적으로 경쟁하려면 가솔린을 증발시키고 공기와 가연성 혼합물을 얻는 특수 장치(나중에 기화기로 알려짐)를 만들어야 했습니다. 최초의 소위 "증발식" 기화기 중 하나에 도달했지만 그는 만족스럽지 않게 행동했습니다. 작동 가능한 가솔린 엔진은 80년 후까지 등장하지 않았습니다. 독일 엔지니어 Gottlieb Daimler가 발명했습니다. 수년 동안 그는 Otto 회사에서 일했으며 이사회의 일원이었습니다. 1882년대 초 그는 상사에게 수송에 사용할 수 있는 소형 가솔린 엔진 프로젝트를 제안했습니다. Otto(당시 비슷한 상황의 Watt처럼)는 Daimler의 제안에 차갑게 반응했습니다. 그런 다음 Daimler는 친구 Wilhelm Maybach와 함께 과감한 결정을 내렸습니다. 1883년 그들은 Otto 회사를 떠나 슈투트가르트 근처의 작은 작업장을 인수하여 프로젝트 작업을 시작했습니다. Daimler와 Maybach가 직면한 문제는 쉬운 문제가 아니었고 가스 발생기가 필요하지 않고 매우 가볍고 컴팩트하면서도 승무원을 움직일 수 있을 만큼 강력한 엔진을 만들기로 결정했습니다. Daimler는 샤프트 속도를 증가시켜 출력을 증가시킬 것으로 예상했지만 이를 위해서는 혼합물의 필요한 점화 빈도를 보장할 필요가 있었습니다. XNUMX년에 실린더로 열려 있는 뜨거운 중공 튜브에서 점화되는 최초의 가솔린 엔진이 만들어졌습니다.
가솔린 엔진의 첫 번째 모델은 산업용 고정 설치용으로 제작되었습니다. 여기에서 P는 차단 밸브 p의 도움으로 너무 많은 가솔린이 파이프를 통해 AB를 증발시키는 장치로 전달되어 A가 항상 약 2/3로 채워진 가솔린 탱크입니다. B는 가솔린이 A에 들어가기 전에 먼저 채워진 램프입니다. 램프 B에서 밸브 V가있는 튜브를 통해 쉘 L에있는 버너에 가솔린이 공급되었습니다. 그것은 버너의 좁은 끝에서 얇은 스트림으로 흐르고 버너의 높은 온도 덕분에 즉시 증발했습니다. 화염은 백금 점화기 주위를 태우고 가열했습니다. 증발기 A에서는 가솔린을 통해 가열된 공기를 흡입하여 가솔린 증기를 생성했습니다. 이들 증기는 제어 밸브(H)에서 공기와 혼합되어 가연성 가스 혼합물을 얻었다. 피스톤이 아래로 내려가는 동안에는 이 혼합물을 흡입하고 역방향으로 움직이는 동안에는 압축을 위한 공간에서 압축했습니다. 피스톤이 상사점에 있을 때 분배 메커니즘이 뜨거운 백금 점화기를 열면 충전물이 폭발하고 연소 가스가 피스톤을 누르게 됩니다. 가솔린 증기의 형성을 위해서는 위에서 언급한 바와 같이 공기를 예열해야 했습니다. 이것은 증발기에 들어가기 전에 공기가 버너 케이싱을 통과했다는 사실에 의해 달성되었습니다.
엔진을 시동하기 위해 가솔린 A와 B를 채운 후 버너 밸브 V를 먼저 열고 버너 튜브를 외부에서 XNUMX~XNUMX분간 가열했다. 그래서 그들은 휘발유가 증발하기 시작하는 온도에 도달했습니다. 점화기가 붉게 뜨거워지면 밸브 V가 열리고 엔진은 특수 핸들을 사용하여 수동으로 회전되었습니다. 몇 번의 회전 후에 작동 실린더에서 첫 번째 폭발이 발생했습니다. 그때 엔진이 움직이기 시작했다. 가스 엔진과 마찬가지로 작동 실린더는 물 파이프 또는 엔진 자체에 의해 구동되는 작은 펌프 Q에서 냉각을 위해 흐르는 쉘로 둘러싸여 있습니다. 이상의 설명에서, 최초의 가솔린 엔진에서 액체 연료의 증발 과정이 많이 요구됨을 알 수 있다. 따라서 기화기의 발명은 엔진 제작에 진정한 혁명을 일으켰습니다. 헝가리 엔지니어 Donat Banki가 창시자로 간주됩니다(그와 독립적이고 다소 이전에도 동일한 기화기 설계는 Daimler의 친구이자 동맹인 Maybach에 의해 개발되었습니다). Banki는 나중에 유압 터빈 분야에서 뛰어난 발명품으로 큰 명성을 얻었습니다. 그러나 아직 젊었을 때 1893년에 그는 모든 현대식 기화기의 원형인 제트(노즐)가 있는 기화기에 대한 특허를 받았습니다.
그의 전임자들과 달리 Banki는 휘발유를 증발시키지 않고 공기 중에 미세하게 살포하자고 제안했습니다. 이것은 실린더 전체에 균일한 분포를 보장하고 증발 자체는 압축 열의 작용하에 실린더에서 이미 발생했습니다. 분무화를 보장하기 위해 계량 제트를 통해 기류에 의해 가솔린을 흡입하고 기화기에서 일정한 수준의 가솔린을 유지함으로써 혼합 조성의 불변성을 달성했습니다. 제트는 공기 흐름에 수직으로 위치한 튜브에 하나 이상의 구멍 형태로 만들어졌습니다. 압력을 유지하기 위해 흡입되는 휘발유의 양이 유입되는 공기의 양에 비례하도록 주어진 높이에서 레벨을 유지하는 플로트가 있는 작은 탱크가 제공되었습니다. 따라서 기화기는 플로트 챔버 1과 혼합 챔버 2의 두 부분으로 구성되었습니다. 연료는 파이프 1을 통해 탱크에서 챔버 3로 자유롭게 들어가고 연료 레벨과 함께 상승하는 플로트 4에 의해 동일한 레벨로 유지되었습니다. 레버 5를 사용하여 바늘 6을 낮추어 연료에 대한 접근을 차단했습니다. 챔버 1에서 연료는 챔버 2로 자유롭게 흐르고 챔버 7과 같은 수준의 제트 1에서 멈췄습니다. 챔버 2는 외부 공기와 소통하는 하단과 엔진 흡기 밸브와 연결되는 상단에 구멍이 있었습니다. 실린더로 전달되는 혼합물의 양은 스로틀(플랩) 8을 돌려 조절했습니다. 피스톤의 흡입 행정 동안 공기가 아래에서 혼합 챔버로 돌진하고 제트에서 연료를 흡입하여 분사하고 증발시킵니다. 최초의 내연기관은 단기통이었고, 엔진의 출력을 높이기 위해 실린더의 부피를 증가시키는 것이 일반적이었습니다. 그런 다음 실린더 수를 늘려 이를 달성하기 시작했습니다. XNUMX세기 말에 XNUMX기통 엔진이 등장했고, XNUMX세기 초부터 XNUMX기통 엔진이 보급되기 시작했습니다. 후자는 각 실린더에서 XNUMX행정 사이클이 피스톤 XNUMX행정만큼 이동하는 방식으로 배열되었습니다. 덕분에 크랭크 샤프트의 회전 균일성이 우수했습니다.
이전 샤프트와 달리 크랭크 샤프트는 커넥팅로드의 도움으로 별도의 피스톤에 연결된 별도의 크랭크 샤프트로 구성되었습니다. 한편, 샤프트는 피스톤의 운동을 받아 왕복운동을 회전운동으로 변환하고, 다른 한편으로는 피스톤의 운동을 제어하는데 이로 인해 정확한 순간에 앞뒤로 움직이는 즉, , 그들은 모든 실린더에서 동시에 하나의 작업 사이클을 거쳤습니다. 이 모든 주기는 일정한 간격으로 교대로 이루어졌습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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