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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Le moteur est au gaz et à l'essence. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Un moteur à combustion interne est un moteur dans lequel le carburant brûle directement dans la chambre de travail (à l'intérieur) du moteur. Le moteur à combustion interne convertit la pression de la combustion du carburant en travail mécanique.
La machine à vapeur n'a pas complètement résolu le problème énergétique auquel l'humanité est confrontée. Les petits ateliers et entreprises, qui constituaient au XIXe siècle une grande partie du secteur industriel, n'ont pas toujours pu l'utiliser. Le fait est qu'une petite machine à vapeur avait un rendement très faible (moins de 10%). De plus, l'utilisation d'un tel moteur était associée à des coûts et des problèmes élevés. Pour le mettre en mouvement, il était nécessaire d'allumer un feu et d'induire de la vapeur. Même si la voiture n'était nécessaire que par moments, elle devait toujours être constamment maintenue sous pression. La petite industrie nécessitait un moteur de petite puissance, prenant peu de place, qui pouvait être allumé et éteint à tout moment sans trop de préparation. Pour la première fois, l'idée d'un tel moteur a été proposée au tout début du XIXe siècle. Dans la dernière année du XVIIIe siècle, l'ingénieur français Philippe Lebon découvre l'éclairage au gaz. La tradition attribue son succès au hasard - Lebon a vu le gaz s'embraser, s'écoulant d'un récipient avec de la sciure de bois incendiée, et a réalisé quel bénéfice pouvait être tiré de ce phénomène. En 1799, il obtient un brevet pour l'utilisation et le procédé d'obtention du gaz d'éclairage par distillation sèche du bois ou du charbon. Cette découverte était d'une grande importance principalement pour le développement de la technologie d'éclairage. Très vite, en France, puis dans d'autres pays européens, les lampes à gaz ont commencé à concurrencer avec succès les bougies coûteuses. Cependant, le gaz d'éclairage ne convenait pas seulement à l'éclairage. En 1801, Le Bon dépose un brevet pour la conception d'un moteur à gaz. Le principe de fonctionnement de cette machine reposait sur la propriété bien connue du gaz qu'il découvrit : son mélange avec l'air explosait lorsqu'il était enflammé, dégageant une grande quantité de chaleur. Les produits de combustion se sont rapidement dilatés, exerçant une forte pression sur l'environnement. En créant les conditions appropriées, il est possible d'utiliser l'énergie libérée dans l'intérêt de l'homme. Le moteur Lebon avait deux compresseurs et une chambre de mélange. Un compresseur était censé pomper de l'air comprimé dans la chambre et l'autre - du gaz léger comprimé provenant du générateur de gaz. Le mélange gaz-air est ensuite entré dans le cylindre de travail, où il s'est enflammé. Le moteur était à double effet, c'est-à-dire que les chambres de travail agissaient alternativement des deux côtés du piston.
En substance, Le Bon a nourri l'idée d'un moteur à combustion interne, mais en 1804, il mourut avant de pouvoir donner vie à son invention. Mais son idée a continué à attirer l'attention la plus proche. En effet, le principe de fonctionnement d'un moteur à gaz est beaucoup plus simple que celui d'un moteur à vapeur, car ici le carburant lui-même produit directement une pression sur le piston, tandis que dans un moteur à vapeur, l'énergie thermique est d'abord transférée à un autre vecteur - la vapeur d'eau, qui fait un travail utile. Au cours des années suivantes, plusieurs inventeurs de différents pays ont tenté de créer un moteur fonctionnel utilisant du gaz d'éclairage. Cependant, toutes ces tentatives n'ont pas conduit à l'apparition sur le marché de moteurs capables de concurrencer avec succès la machine à vapeur. L'honneur de créer un moteur à combustion interne à succès commercial appartient à l'ingénieur belge Jean Etienne Lenoir. Alors qu'il travaillait dans une usine de galvanoplastie, Lenoir a eu l'idée que le mélange air-carburant dans un moteur à essence pouvait être allumé avec une étincelle électrique et a décidé de construire un moteur basé sur cette idée. Le propriétaire de l'atelier de galvanoplastie a fourni de l'argent à Lenoir, avec lequel il a construit son premier moteur en 1860. Tant par son apparence que par sa conception, il ressemblait à une machine à vapeur. Le moteur était à double effet. Le tiroir inférieur alimentait alternativement en air et en gaz les cavités du cylindre situées sur les côtés opposés du piston. Le tiroir supérieur servait à libérer les gaz d'échappement. Le gaz et l'air ont été fournis à la bobine par des canaux séparés. Le mélange a été aspiré dans chaque cavité jusqu'à environ la moitié de la course, après quoi la bobine a fermé la fenêtre d'entrée, et le mélange a été enflammé par une étincelle électrique. Brûlant, il s'est dilaté et a agi sur le piston, produisant un travail utile. Après la fin de la réaction, la deuxième bobine a mis en communication le cylindre avec le tuyau d'échappement. Pendant ce temps, le mélange a été enflammé de l'autre côté du piston. Il a commencé à reculer, déplaçant les gaz d'échappement. Lenoir ne réussit pas immédiatement. Une fois qu'il a été possible de fabriquer toutes les pièces et d'assembler la machine, cela a fonctionné pendant un certain temps et s'est arrêté, car en raison du chauffage, le piston s'est dilaté et coincé dans le cylindre. Lenoir a amélioré son moteur en pensant à un système de refroidissement par eau. Cependant, la deuxième tentative de lancement s'est également soldée par un échec en raison d'une mauvaise course du piston. Lenoir a complété sa conception avec un système de lubrification. Ce n'est qu'alors que le moteur a commencé à tourner.
Après l'annonce de cette invention, l'atelier a commencé à recevoir des commandes pour un nouveau moteur, mais son travail a continué à être insatisfaisant - le système d'allumage fonctionnait souvent mal, la bobine ne fonctionnait pas sans lubrification et il n'était pas possible d'établir sa lubrification satisfaisante à une température de 800 degrés. L'efficacité du moteur atteignait à peine 4%, il consommait une énorme quantité de lubrifiant et de gaz. Néanmoins, le moteur a rapidement gagné en popularité. Ses principaux acheteurs étaient de petites entreprises (imprimeries, ateliers de réparation, etc.), pour lesquelles les machines à vapeur étaient trop chères et encombrantes. Pendant ce temps, le moteur Lenoir s'est avéré facile à utiliser, léger et de petites dimensions. En 1864, plus de 300 moteurs de différentes capacités étaient déjà produits. Devenu riche, Lenoir a cessé de travailler à l'amélioration de sa voiture, ce qui a prédéterminé son destin - elle a été chassée du marché par un moteur plus avancé créé par l'inventeur allemand August Otto. En 1864, il obtient un brevet pour son modèle de moteur à essence et, la même année, conclut un accord avec le riche ingénieur Langen pour exploiter cette invention. Bientôt, la société "Otto and Company" a été créée.
À première vue, le moteur Otto représentait un pas en arrière par rapport au moteur Lenoir. Le cylindre était vertical. L'arbre rotatif était placé au-dessus du cylindre sur le côté. Le long de l'axe du piston, un rail relié à l'arbre y était attaché. Le moteur fonctionnait comme suit. L'arbre rotatif a soulevé le piston de 1/10 de la hauteur du cylindre, à la suite de quoi un espace raréfié s'est formé sous le piston et un mélange d'air et de gaz a été aspiré. Le mélange s'est alors enflammé. Ni Otto ni Langen n'avaient une connaissance suffisante de l'électrotechnique et ont abandonné l'allumage électrique. Ils se sont enflammés avec une flamme nue à travers un tube. Lors de l'explosion, la pression sous le piston est passée à environ 4 atm. Sous l'influence de cette pression, le piston monte, le volume de gaz augmente et la pression chute. Lorsque le piston a été soulevé, un mécanisme spécial a déconnecté le rail de l'arbre. Le piston, d'abord sous pression de gaz, puis par inertie, s'est élevé jusqu'à ce qu'un vide se crée sous lui. Ainsi, l'énergie du carburant brûlé a été utilisée dans le moteur avec une complétude maximale. C'était la principale découverte originale d'Otto. La course de travail vers le bas du piston a commencé sous l'action de la pression atmosphérique, et après que la pression dans le cylindre a atteint la pression atmosphérique, la soupape d'échappement s'est ouverte et le piston a déplacé les gaz d'échappement avec sa masse. En raison de l'expansion plus complète des produits de combustion, l'efficacité de ce moteur était nettement supérieure à l'efficacité du moteur Lenoir et atteignait 15%, c'est-à-dire qu'elle dépassait l'efficacité des meilleures machines à vapeur de l'époque. Le problème le plus difficile avec cette conception de moteur était la création d'un mécanisme de transmission du mouvement de la crémaillère à l'arbre. À cette fin, un dispositif de transmission spécial avec des boules et des craquelins a été inventé. Lorsque le piston avec la crémaillère s'est envolé, les craquelins, recouvrant l'arbre de leurs surfaces inclinées, ont interagi avec les billes de manière à ne pas gêner le mouvement de la crémaillère, mais dès que la crémaillère a commencé à descendre , les boules roulaient sur la surface inclinée des craquelins et les pressaient fermement contre l'arbre, le forçant à tourner. Cette conception a assuré la viabilité du moteur. Les moteurs Otto étant presque cinq fois plus efficaces que les moteurs Lenoir, ils ont immédiatement été très demandés. Au cours des années suivantes, environ cinq mille d'entre eux ont été produits. Otto a travaillé dur pour améliorer leur conception. Bientôt, la crémaillère a été remplacée par un engrenage à manivelle (beaucoup ont été gênés par l'apparence de la crémaillère, qui a volé pendant une fraction de seconde, de plus, son mouvement s'est accompagné d'un rugissement désagréable). Mais la plus importante de ses inventions a eu lieu en 1877, lorsqu'Otto a déposé un brevet pour un nouveau moteur à quatre temps. Ce cycle sous-tend encore aujourd'hui le fonctionnement de la plupart des moteurs à gaz et à essence. L'année suivante, les nouveaux moteurs étaient déjà mis en production.
Dans tous les moteurs à gaz antérieurs, le mélange de gaz et d'air était enflammé dans le cylindre de travail à la pression atmosphérique. Cependant, l'effet de l'explosion était d'autant plus fort que la pression était grande. Par conséquent, lorsque le mélange est comprimé, l'explosion aurait dû être plus forte. Dans le nouveau moteur à essence d'Otto, le gaz était comprimé à 2, 5 ou 3 atm, à la suite de quoi le moteur est devenu plus petit et sa puissance a augmenté. Pour accueillir le mélange gazeux, le cylindre a été allongé sur l'un de ses côtés. Lorsque le piston a atteint sa position finale ici, il y avait encore un espace rempli d'un mélange de gaz comprimé. Grâce à cela, il est devenu possible de produire une explosion à la position finale du piston, lorsqu'il a une vitesse nulle lors du changement de mouvement. Avec ce système d'allumage au point mort, il était possible d'éviter les chocs, les secousses et les tremblements du piston contre les parois du cylindre, qui se trouvaient dans le moteur précédent. La course du piston était la suivante. 1) Lors du premier coup de piston, un mélange pauvre en gaz de 1/10 de gaz et de 9/10 d'air a été aspiré par la soupape d'admission ouverte et la soupape d'admission de mélange. 2) Pendant la course inverse du piston, l'entrée était fermée et le mélange aspiré était comprimé dans le cylindre. 3) À la fin de cette course, l'allumage s'est produit au point mort et la pression croissante des produits gazeux de l'explosion a déplacé le piston. Au début du troisième coup, la pression a atteint 11 atm, et pendant l'expansion, elle est tombée à près de 3 atm. quatre). Pendant la course inverse secondaire du piston, la soupape d'échappement s'est ouverte et le piston a déplacé les produits de combustion du cylindre. Lorsqu'il a atteint le point extrême, certains restes de produits de combustion sont restés dans le cylindre, mais ils n'ont pas interféré avec le fonctionnement ultérieur du moteur. Au contraire, leur présence a eu un effet bénéfique - au lieu d'une explosion, une combustion plus uniforme s'est produite, c'est pourquoi la course du piston s'est avérée plus uniforme, sans secousses, et le moteur a pu être utilisé là où il semblait auparavant inacceptable - par exemple, pour le mouvement des métiers à tisser et des dynamos. C'était un avantage important du moteur Otto. Afin de rendre la rotation de l'arbre encore plus uniforme, il était équipé d'un volant d'inertie massif. Après tout, sur les quatre coups du piston, un seul correspondait à un travail utile, et le volant d'inertie devait fournir de l'énergie pendant trois coups successifs (ou, ce qui revient au même, pendant 1 tour) pour que les machines de travail puissent tourner sans ralentir vers le bas. Le mélange a été enflammé, comme précédemment, avec une flamme nue. En raison de la connexion de la manivelle avec l'arbre, il n'était pas possible d'obtenir une expansion du gaz dans l'atmosphère, et donc le rendement du moteur n'était pas beaucoup plus élevé que celui des modèles précédents, mais il s'est avéré être le plus élevé pour les moteurs thermiques de cette époque. Le cycle à quatre temps était la plus grande réussite technique d'Otto. Mais il s'est vite avéré que quelques années avant son invention, exactement le même principe de fonctionnement du moteur avait été décrit par l'ingénieur français Beau de Roche. Un groupe d'industriels français a contesté le brevet d'Otto devant les tribunaux. Le tribunal a jugé leurs arguments convaincants. Les droits d'Otto découlant de son brevet ont été considérablement réduits, y compris l'annulation de son monopole sur le cycle à quatre temps. Otto a douloureusement vécu cet échec, pendant ce temps, les affaires de sa société allaient plutôt bien. Bien que les concurrents aient lancé la production de moteurs à quatre temps, le modèle Otto élaboré sur de nombreuses années de production était toujours le meilleur et la demande ne s'est pas arrêtée. En 1897, environ 42 XNUMX de ces moteurs de différentes capacités ont été produits. Cependant, le fait que le gaz léger soit utilisé comme carburant a considérablement réduit le champ d'application des premiers moteurs à combustion interne. Le nombre d'usines d'éclairage et de gaz était insignifiant même en Europe, et en Russie, il n'y en avait que deux - à Moscou et à Saint-Pétersbourg. Par conséquent, la recherche d'un nouveau carburant pour le moteur à combustion interne ne s'est pas arrêtée. Certains inventeurs ont essayé d'utiliser la vapeur de combustible liquide comme gaz. En 1872, l'Américain Brighton a essayé d'utiliser le kérosène à ce titre. Cependant, le kérosène ne s'est pas bien évaporé et Brighton est passé à un produit pétrolier plus léger, l'essence. Mais pour qu'un moteur à carburant liquide puisse concurrencer avec succès le gaz, il était nécessaire de créer un dispositif spécial (plus tard, il est devenu connu sous le nom de carburateur) pour évaporer l'essence et en obtenir un mélange combustible avec de l'air. Brighton dans le même 1872 est venu avec l'un des premiers carburateurs dits "à évaporation", mais il n'a pas agi de manière satisfaisante. Un moteur à essence fonctionnel n'est apparu que dix ans plus tard. Il a été inventé par l'ingénieur allemand Gottlieb Daimler. Pendant de nombreuses années, il a travaillé pour la firme Otto et a été membre de son conseil d'administration. Au début des années 80, il propose à son patron un projet de moteur à essence compact pouvant être utilisé dans les transports. Otto (comme Watt dans une situation similaire à son époque) a réagi froidement à la proposition de Daimler. Puis Daimler, avec son ami Wilhelm Maybach, a pris une décision audacieuse - en 1882, ils ont quitté la société Otto, ont acquis un petit atelier près de Stuttgart et ont commencé à travailler sur leur projet. Le problème auquel étaient confrontés Daimler et Maybach n'était pas simple ; ils ont décidé de créer un moteur qui ne nécessiterait pas de générateur de gaz, serait très léger et compact, mais en même temps assez puissant pour déplacer l'équipage. Daimler s'attendait à augmenter la puissance en augmentant la vitesse de l'arbre, mais pour cela, il était nécessaire d'assurer la fréquence d'allumage requise du mélange. En 1883, le premier moteur à essence a été créé avec un allumage à partir d'un tube creux chaud ouvert dans le cylindre.
Le premier modèle de moteur à essence était destiné à une installation industrielle fixe. Ici P est le réservoir d'essence, à partir duquel, à l'aide d'une vanne d'arrêt p, tant d'essence a été passée à travers le tuyau vers l'appareil pour l'évaporer AB, de sorte que A est toujours resté environ aux 2/3 plein. B est la lampe qui a été remplie en premier, avant même que l'essence n'entre en A. De la lampe B, à travers un tube avec valve V, l'essence était fournie au brûleur, qui se trouvait dans la coque L; il s'écoulait en un mince filet de la pointe étroite du brûleur et, grâce à la température élevée du brûleur, s'évaporait immédiatement. Les flammes brûlaient autour de l'allumeur en platine et le réchauffaient. Dans l'évaporateur A, les vapeurs d'essence étaient générées en aspirant de l'air chauffé à travers l'essence. Ces vapeurs ont été mélangées à de l'air dans la vanne de régulation H, et ainsi un mélange de gaz combustible a été obtenu. Lors de la course descendante du piston, il aspirait ce mélange, lors de la course inverse il le comprimait dans l'espace destiné à la compression. À un moment où le piston était au point mort haut, le mécanisme de distribution a ouvert un allumeur au platine chaud, la charge a explosé et les gaz de combustion ont appuyé sur le piston. Pour la formation de vapeurs d'essence, l'air, comme indiqué ci-dessus, devait être préchauffé. Ceci a été réalisé par le fait que l'air avant d'entrer dans l'évaporateur traversait le boîtier du brûleur.
Pour démarrer le moteur, après avoir fait le plein d'essence A et B, la vanne du brûleur V a d'abord été ouverte et les tubes du brûleur ont été chauffés de l'extérieur pendant une ou deux minutes. Ils ont donc atteint la température à laquelle l'essence a commencé à s'évaporer. Lorsque l'allumeur était chauffé au rouge, la vanne V a été ouverte et le moteur a été tourné manuellement à l'aide d'une poignée spéciale; après quelques tours, la première explosion s'est produite dans le cylindre de travail; puis le moteur a commencé à bouger. Le cylindre de travail, comme pour les moteurs à essence, était entouré d'une coque à travers laquelle coulait de l'eau pour le refroidissement à partir d'une conduite d'eau ou d'une petite pompe Q, qui était entraînée par le moteur lui-même. D'après la description ci-dessus, on peut voir que le processus d'évaporation du carburant liquide dans les premiers moteurs à essence laissait beaucoup à désirer. Par conséquent, l'invention du carburateur a fait une véritable révolution dans la construction de moteurs. L'ingénieur hongrois Donat Banki est considéré comme son créateur (bien qu'indépendamment de lui et même un peu plus tôt, le même design de carburateur a été développé par l'ami et allié de Daimler Maybach). Banki a ensuite acquis une grande renommée pour ses inventions exceptionnelles dans le domaine des turbines hydrauliques. Mais, alors qu'il était encore jeune, il déposa en 1893 un brevet pour un carburateur à jet (buse), qui était le prototype de tous les carburateurs modernes.
Contrairement à ses prédécesseurs, Banki proposait de ne pas évaporer l'essence, mais de la vaporiser finement dans l'air. Cela assurait sa distribution uniforme sur le cylindre, et l'évaporation elle-même avait déjà lieu dans le cylindre sous l'action de la chaleur de compression. Pour assurer l'atomisation, l'essence était aspirée par un flux d'air à travers un jet doseur, et la constance du mélange était obtenue en maintenant un niveau constant d'essence dans le carburateur. Le jet était réalisé sous la forme d'un ou plusieurs trous dans le tube, situés perpendiculairement au flux d'air. Pour maintenir la pression, un petit réservoir avec un flotteur était fourni, qui maintenait le niveau à une hauteur donnée, de sorte que la quantité d'essence aspirée était proportionnelle à la quantité d'air entrant. Ainsi, le carburateur se composait de deux parties: la chambre à flotteur 1 et la chambre de mélange 2. Le carburant pénétrait librement dans la chambre 1 depuis le réservoir par le tuyau 3 et était maintenu au même niveau par le flotteur 4, qui montait avec le niveau de carburant et pendant le remplissage, à l'aide du levier 5, a abaissé l'aiguille 6 et a ainsi bloqué l'accès au carburant. De la chambre 1, le carburant s'écoulait librement dans la chambre 2 et s'arrêtait dans le jet 7 au même niveau que la chambre 1. La chambre 2 avait une ouverture en bas qui communiquait avec l'air extérieur et en haut - avec la soupape d'admission du moteur. La quantité de mélange délivrée au cylindre était régulée en tournant l'accélérateur (volet) 8. Pendant la course d'aspiration du piston, l'air se précipitait par le bas dans la chambre de mélange et aspirait le carburant du jet, le pulvérisant et l'évaporant. Les premiers moteurs à combustion interne étaient monocylindres et, pour augmenter la puissance du moteur, le volume du cylindre était généralement augmenté. Ensuite, ils ont commencé à y parvenir en augmentant le nombre de cylindres. À la fin du XIXe siècle, les moteurs à deux cylindres font leur apparition et, à partir du début du XXe siècle, les moteurs à quatre cylindres commencent à se répandre. Ces derniers étaient disposés de telle manière que dans chacun des cylindres, le cycle à quatre temps était déplacé d'un coup de piston. Grâce à cela, une bonne uniformité de rotation du vilebrequin a été obtenue.
Contrairement à l'arbre précédent, le vilebrequin se composait de vilebrequins séparés, qui étaient reliés à des pistons séparés à l'aide de bielles. D'une part, l'arbre recevait le mouvement des pistons et convertissait le mouvement alternatif en rotation, et d'autre part, il contrôlait le mouvement des pistons, qui, de ce fait, se déplaçaient d'avant en arrière à des moments précis, c'est-à-dire ils ont traversé simultanément un cycle de travail dans tous les cylindres. Tous ces cycles alternaient à intervalles réguliers. Auteur : Ryzhov K.V.
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