Общ преглед

Физиците наричат ​​двигателя с вътрешно горене „първичен двигател“, което означава, че той използва някаква форма на енергия (например бензин) за преместване на обекти. Първите надеждни двигатели с вътрешно горене са разработени в средата на деветнадесети век и почти веднага са пуснати в употреба за транспортиране. Развитието на двигателя с вътрешно горене спомогна за освобождаването на мъжете от най-тежкия ръчен труд, направи възможно самолета и други видове транспорт и спомогна за революция в производството на електроенергия.

вътрешно

Заден план

През 1698 г. Томас Савъри (около 1650-1715), британски военен инженер, построява „Приятелят на миньора“, устройство, което използва налягане на парата за изпомпване на вода от наводнените мини. Няколко години по-късно Томас Нюкомен (1663-1729) ще разшири дизайна на Savery и ще създаде първия истински двигател. Двигателят на Newcomen, за разлика от Christiaan Huygens (1629-1695) и Savery, използва бутало, което е прикрепено към самия двигател. Следователно той може да произвежда непрекъсната (макар и трудно гладка) мощност.

Три условия, присъстващи през деветнадесети век, насърчават развитието на двигателя с вътрешно горене. Основното условие беше търсенето на мощност, представено от индустриалната революция. Второ, физиците започват да разбират ключовите концепции, върху които е построен двигателят с вътрешно горене. Трето, горивото, необходимо за задвижване на двигателя, ставаше все по-достъпно.

Между 1700 и 1900 учените развиват областта на термодинамиката, която дава на изобретателите инструментите за изчисляване на ефективността и мощността на различните видове двигатели. Тези изчисления предполагат, че двигателят с вътрешно горене е потенциално далеч по-ефективен от парния двигател (който за разлика от него е двигател с външно горене, което означава, че запалва горивото извън самия двигател).

Най-важното събитие в ранната история на двигателя с вътрешно горене се случи през 1859 г. от белгийския изобретател Жан-Йозеф Етиен Леноар (1822-1900). Двигателят на Lenoir беше едновременно издръжлив (някои от тях работеха перфектно след 20 години употреба) и по-важното - надежден. По-ранните версии на двигателя бяха с лошо качество и биха спрели да работят без причина. Двигателят Lenoir осигуряваше непрекъсната мощност и работеше безпроблемно. През 1862 г. Леноар изобретява първия автомобил в света.

През 1860-те години Николаус Ото (1832-1891) започва да си играе с двутактовите леноарски и теоретичните четиритактови двигатели на Алфонс Бо дьо Рошас (1815-1893). Ото беше продавач на хранителни стоки; той нямаше техническо образование или опит. През 1866 г. Ото - с помощта на Ойген Ланген (1833-1895), немски индустриалец - разработва успешния, но тежък и шумен двигател на Ото и Ланген. Той продължи да експериментира с двигатели. През 1876 г. той пуска „Silent Otto“, първият в света четиритактов двигател. Освен че е по-тих от предишните двигатели, Silent Otto беше и далеч по-икономичен.

Двигателят на Ото зададе стандарта за времето. Всъщност основният дизайн на съвременните двигатели остава идентичен с този на Ото. Както термодинамиката беше предсказала, двигателят с вътрешно горене е далеч по-ефективен от горивото от парния. Двигателите с вътрешно горене, които бяха по-тихи, по-евтини в експлоатация и по-малко обемисти от парните машини, започнаха да се появяват в промишлените заводи в Северна Европа.

За да може двигателят с вътрешно горене да използва течни горива, първо трябва да превърне течността в парообразно състояние. Следващото предизвикателство за производителите на двигатели беше да измислят начин тази промяна да се случи. Между 1880 и 1900 г. за изпълнението на тази задача са измислени различни процеси. Между 1885 и 1892 г. са разработени три метода: карбурация, изпаряване с гореща крушка и дизелов двигател.

При карбурацията устройство, наречено карбуратор, смесва въздуха с изпаренията от течното гориво. След това карбураторът доставя сместа в двигателя. Искра или пламък вътре в двигателя запалват сместа. Това е функцията на карбуратора в съвременните автомобили. За сравнение, двигателят с гореща крушка пръска бензин върху гореща повърхност до цилиндъра и след това изтегля изпаряващото се гориво в двигателя под формата на пара. С двигателя с гореща крушка беше възможно да се използват по-малко летливи горива като керосин. Трети метод е дизеловият компресионен двигател. Вместо да използва външен източник на топлина за запалване на газа, както при първите два метода, немският инженер Рудолф Дизел (1858-1913) изобретява процес, при който газът се самозапалва. Дизелът имаше силен опит в математиката и науката и знаеше, че когато газът се компресира, температурата му се повишава до точката, в която горивото се запалва.

Въздействие

Към началото на века двигателите с вътрешно горене са станали неразделна част от живота на Запада. Индустриалните заводи в цяла Европа и Америка ги използват широко и се отваря порталът за мащабното автомобилно производство през 1900-те.

В областта на транспорта бензиновият двигател с вътрешно горене и неговите варианти (предимно дизеловият двигател) са адаптирани за използване при пътуване по море, суша и въздух. В морето голям брой по-малки кораби бяха и продължават да бъдат задвижвани от дизелови двигатели, ускоряващи движението на хора и стоки между места, свързани с вода. Това е направило търговията по-бърза и по-евтина. Комбинирането на морски транспорт с по-ефективен сухопътен транспорт на стоки прави тези предимства още по-значими. На свой ред засилването на търговията води до по-голям просперитет и по-висок стандарт на живот за двете страни, да не говорим за създаването на нови работни места.

Самолетите също дължат своето съществуване на развитието на бензиновия двигател. Много изобретатели са правили опит за полет с двигател в края на деветнадесети век, но едва когато са налични бензинови двигатели с ниско тегло и мощност, е създадена сферата на авиацията. Всъщност бензиновите двигатели доминираха в авиацията през първата половина на ХХ век и дори днес играят важна роля в частната, търговската и военната авиация.

Също така трябва да се има предвид въздействието върху земеделието и производството на храни. Тракторите и друго модерно земеделско оборудване, обикновено работещи на дизелови или бензинови двигатели, играят съществена роля в изобилието от храна в развития свят и в някои от развиващите се страни. Използването на трактори за обработка, засаждане и прибиране на реколтата, както и за изтегляне на тежки товари, спомогна за увеличаване на количеството земя, което може да обработва един фермер, както и за увеличаване на добива от хектар. Това двойно увеличаване на ефективността на отделните фермери води до повече храни на по-ниски цени. В развития свят това означава не само повече и по-евтина храна, достъпна за гражданите, но и повече храни, достъпни за износ за всички държави.

Дизеловият двигател е израстък на двигателя с вътрешно горене, както беше споменато по-рано. Дизеловите двигатели са мощни, изискват по-малко поддръжка и използват по-малко високо рафинирано гориво от бензиновите двигатели. Тези фактори ги правят по-евтини и те са се превърнали в двигател по избор за железопътни пътувания, големи лодки и малки кораби и камиони. Дизеловите двигатели също се използват широко за производство на електрическа енергия, особено като аварийни резервни захранвания за инсталации като болници и атомни електроцентрали. И в двата си качества дизеловите двигатели се доказаха като надеждни и евтини за поддръжка и експлоатация.

Последното въздействие, което трябва да бъде обсъдено, е въздействието върху околната среда на двигателя с вътрешно горене. Всички двигатели с вътрешно горене работят чрез изгаряне на някаква форма на въглеводород и изпускане на отработени газове. Тези въглеводороди обикновено се получават от нефт и те изгарят, образувайки въглероден диоксид, въглероден оксид и вода. Въпреки че са разработени водородни двигатели, които изгарят водород и произвеждат водни пари като отработени газове, те са необичайни към настоящата публикация.

От гледна точка на горивата, петролните резерви са ограничени и стават все по-трудни за откриване и извличане. Процесът на извличане неизменно води до някакво въздействие върху околната среда, не само на мястото на сондиране, но и по транспортния път. Тъй като повечето петрол се оползотворява в региони, отдалечени от рафинериите и индустриалните държави, голяма част от него се транспортира от океански кораби-танкери, които понякога причиняват разливи с потенциално сериозни резултати.

Веднъж изгорени в двигатели, въглеводородните горива отделят много газове, повечето от които са допринесли за замърсяването на въздуха. До забраната в Съединените щати, много горива също съдържаха оловни съединения, които бяха замесени в случаи на оловно отравяне. Дори и без олово обаче, въглеродният диоксид, първичният отработен газ за горене, изглежда се произвежда в достатъчно високи количества, за които е отбелязано, че атмосферните нива се увеличават в световен мащаб. Тъй като е известно, че въглеродният диоксид помага за улавянето на слънчевата топлина, има много спекулации, че широкото използване на двигатели с вътрешно горене води до повишаване на температурите в целия свят с потенциално катастрофални резултати. Трябва обаче да се подчертае, че данните, които са интерпретирани, за да покажат глобалното затопляне, са обект на много различни показания и не всички учени вярват, че глобалното затопляне всъщност се случва. Освен това трябва да се помни, че през по-голямата част от историята на Земята температурите са били много по-високи от сегашните. Така че, дори ако настъпи глобално затопляне, това може или не може да се дължи на изгаряне на изкопаеми горива в двигатели с вътрешно горене.

ТОД ДЖЕНСЕН И П. АНДРЮ КАРАМ

Допълнителна информация

Гребени, Хари. Убийте дяволския хълм. Бостън: Houghton Mifflin Company, 1979.

Харденберг, Хорст О. Средновековието на двигателя с вътрешно горене 1794-1886. Детройт: Общество на автомобилните инженери, 1999.

Робъртс, Питър. Ветерани и ретро автомобили. Лондон: Drury House, 1967.