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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
El motor es de gas y gasolina. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Un motor de combustión interna es un motor en el que el combustible se quema directamente en la cámara de trabajo (interior) del motor. El motor de combustión interna convierte la presión de la combustión del combustible en trabajo mecánico.
La máquina de vapor no resolvió por completo el problema energético que enfrentaba la humanidad. Los pequeños talleres y empresas, que en el siglo XIX constituían gran parte del sector industrial, no siempre pudieron utilizarlo. El hecho es que una pequeña máquina de vapor tenía una eficiencia muy baja (menos del 10%). Además, el uso de dicho motor se asoció con altos costos y problemas. Para ponerlo en movimiento, era necesario encender un fuego e inducir vapor. Incluso si el automóvil solo se necesitaba de vez en cuando, todavía tenía que mantenerse constantemente bajo vapor. La pequeña industria requería un motor de pequeña potencia, que ocupase poco espacio, que pudiera encenderse y apagarse en cualquier momento sin mucha preparación. Por primera vez, la idea de un motor de este tipo se propuso a principios del siglo XIX. En el último año del siglo XVIII, el ingeniero francés Philippe Lebon descubrió el gas de iluminación. La tradición atribuye su éxito a la casualidad: Lebon vio la llamarada de gas que fluía de un recipiente con aserrín prendido fuego, y se dio cuenta de los beneficios que podía derivar de este fenómeno. En 1799, recibió una patente para el uso y método de obtención de gas de iluminación por destilación seca de madera o carbón. Este descubrimiento fue de gran importancia principalmente para el desarrollo de la tecnología de iluminación. Muy pronto, en Francia, y luego en otros países europeos, las lámparas de gas comenzaron a competir con éxito con las velas caras. Sin embargo, el gas de iluminación no solo era adecuado para la iluminación. En 1801, Le Bon obtuvo una patente para el diseño de un motor de gas. El principio de funcionamiento de esta máquina se basaba en la conocida propiedad del gas que descubrió: su mezcla con el aire explotaba al encenderse, liberando una gran cantidad de calor. Los productos de la combustión se expandieron rápidamente, ejerciendo una fuerte presión sobre el medio ambiente. Al crear las condiciones apropiadas, es posible utilizar la energía liberada en interés del hombre. El motor Lebon tenía dos compresores y una cámara de mezcla. Se suponía que un compresor bombeaba aire comprimido a la cámara y el otro, gas ligero comprimido del generador de gas. La mezcla de gas y aire luego entró en el cilindro de trabajo, donde se encendió. El motor era de doble efecto, es decir, las cámaras de trabajo actuaban alternativamente a ambos lados del pistón.
En esencia, Le Bon alimentó la idea de un motor de combustión interna, pero en 1804 murió antes de poder dar vida a su invento. Pero su idea siguió atrayendo la atención más cercana. De hecho, el principio de funcionamiento de un motor de gas es mucho más simple que el de un motor de vapor, ya que aquí el combustible en sí mismo produce presión directamente sobre el pistón, mientras que en un motor de vapor, la energía térmica se transfiere primero a otro portador: vapor de agua, que hace un trabajo útil. En los años siguientes, varios inventores de diferentes países intentaron crear un motor funcional utilizando gas de iluminación. Sin embargo, todos estos intentos no condujeron a la aparición en el mercado de motores que pudieran competir con éxito con la máquina de vapor. El honor de crear un motor de combustión interna comercialmente exitoso pertenece al ingeniero belga Jean Etienne Lenoir. Mientras trabajaba en una planta de galvanoplastia, a Lenoir se le ocurrió la idea de que la mezcla de aire y combustible en un motor de gas podría encenderse con una chispa eléctrica y decidió construir un motor basado en esta idea. El propietario del taller de galvanoplastia proporcionó dinero a Lenoir, con el que construyó su primer motor en 1860. Tanto en apariencia como en diseño, se parecía a una máquina de vapor. El motor era de doble efecto. El carrete inferior suministraba alternativamente aire y gas a las cavidades del cilindro ubicadas en lados opuestos del pistón. El carrete superior servía para liberar los gases de escape. Se suministraron gas y aire al carrete a través de canales separados. La mezcla se succionó en cada cavidad hasta aproximadamente la mitad de la carrera, después de lo cual el carrete cerró la ventana de entrada y la mezcla se encendió con una chispa eléctrica. Ardiendo, se expandía y actuaba sobre el pistón, produciendo trabajo útil. Después del final de la reacción, el segundo carrete comunicaba el cilindro con el tubo de escape. Mientras tanto, la mezcla se encendió en el otro lado del pistón. Empezó a retroceder, desplazando los gases de escape. Lenoir no tuvo éxito de inmediato. Después de que fue posible hacer todas las partes y ensamblar la máquina, funcionó bastante y se detuvo, porque debido al calentamiento, el pistón se expandió y se atascó en el cilindro. Lenoir mejoró su motor pensando en un sistema de refrigeración por agua. Sin embargo, el segundo intento de lanzamiento también terminó en fracaso debido a una mala carrera del pistón. Lenoir complementó su diseño con un sistema de lubricación. Solo entonces el motor comenzó a funcionar.
Después del anuncio de esta invención, el taller comenzó a recibir pedidos de un nuevo motor, pero su trabajo siguió siendo insatisfactorio: el sistema de encendido a menudo fallaba, el carrete no funcionaba sin lubricación y no era posible establecer su lubricación satisfactoria. a una temperatura de 800 grados. La eficiencia del motor apenas alcanzaba el 4%, consumía una gran cantidad de lubricante y gasolina. Sin embargo, el motor rápidamente ganó popularidad. Sus principales compradores eran pequeñas empresas (imprentas, talleres de reparación, etc.), para las cuales las máquinas de vapor eran demasiado caras y voluminosas. Mientras tanto, el motor Lenoir resultó ser fácil de operar, liviano y de pequeñas dimensiones. En 1864, ya se produjeron más de 300 motores de este tipo de varias capacidades. Habiéndose enriquecido, Lenoir dejó de trabajar para mejorar su automóvil, y esto predeterminó su destino: un motor más avanzado creado por el inventor alemán August Otto la obligó a salir del mercado. En 1864, recibió una patente para su modelo de motor de gas y en el mismo año llegó a un acuerdo con el rico ingeniero Langen para explotar este invento. Pronto se creó la firma "Otto and Company".
A primera vista, el motor Otto representaba un paso atrás respecto al motor Lenoir. El cilindro era vertical. El eje giratorio se colocó sobre el cilindro en el costado. A lo largo del eje del pistón, se le adjuntó un riel conectado al eje. El motor funcionó de la siguiente manera. El eje giratorio elevó el pistón 1/10 de la altura del cilindro, como resultado se formó un espacio enrarecido debajo del pistón y se aspiró una mezcla de aire y gas. Luego, la mezcla se encendió. Ni Otto ni Langen tenían suficientes conocimientos de ingeniería eléctrica y abandonaron el encendido eléctrico. Se encendían con una llama abierta a través de un tubo. Durante la explosión, la presión debajo del pistón aumentó a aproximadamente 4 atm. Bajo la influencia de esta presión, el pistón subió, el volumen de gas aumentó y la presión cayó. Cuando se levantó el pistón, un mecanismo especial desconectó el riel del eje. El pistón, primero bajo la presión del gas y luego por inercia, se elevó hasta que se creó un vacío debajo de él. Así, la energía del combustible quemado se utilizó en el motor con la máxima integridad. Este fue el principal hallazgo original de Otto. La carrera de trabajo hacia abajo del pistón comenzó bajo la acción de la presión atmosférica, y después de que la presión en el cilindro alcanzó la presión atmosférica, la válvula de escape se abrió y el pistón desplazó los gases de escape con su masa. Debido a la expansión más completa de los productos de combustión, la eficiencia de este motor fue significativamente superior a la eficiencia del motor Lenoir y alcanzó el 15%, es decir, superó la eficiencia de las mejores máquinas de vapor de la época. El problema más difícil con este diseño de motor fue la creación de un mecanismo para transmitir el movimiento de la cremallera al eje. Para este propósito, se inventó un dispositivo de transferencia especial con bolas y galletas. Cuando el pistón con el estante voló hacia arriba, las galletas, que cubrían el eje con sus superficies inclinadas, interactuaron con las bolas de tal manera que no interfirieron con el movimiento del estante, pero tan pronto como el estante comenzó a moverse hacia abajo , las bolas rodaron por la superficie inclinada de las galletas y las presionaron con fuerza contra el eje, obligándolo a girar. Este diseño aseguró la viabilidad del motor. Dado que los motores Otto eran casi cinco veces más eficientes que los motores Lenoir, inmediatamente tuvieron una gran demanda. En los años siguientes, se produjeron alrededor de cinco mil de ellos. Otto trabajó duro para mejorar su diseño. Pronto, la cremallera fue reemplazada por una manivela (muchos se sintieron avergonzados por la apariencia de la cremallera, que voló por una fracción de segundo, además, su movimiento fue acompañado por un ruido desagradable). Pero el más significativo de sus inventos se produjo en 1877, cuando Otto obtuvo una patente para un nuevo motor de cuatro tiempos. Este ciclo todavía subyace en el funcionamiento de la mayoría de los motores de gas y gasolina hasta el día de hoy. Al año siguiente, los nuevos motores ya se pusieron en producción.
En todos los motores de gas anteriores, la mezcla de gas y aire se encendía en el cilindro de trabajo a presión atmosférica. Sin embargo, el efecto de la explosión era más fuerte cuanto mayor era la presión. Por lo tanto, cuando la mezcla se comprime, la explosión debería haber sido más fuerte. En el nuevo motor de gas de Otto, el gas se comprimía a 2, 5 o 3 atm, por lo que el motor se hizo más pequeño y su potencia aumentó. Para acomodar la mezcla de gases, se alargó el cilindro en uno de sus lados. Cuando el pistón alcanzó su posición final aquí, todavía quedaba un espacio lleno con una mezcla de gas comprimido. Gracias a esto, fue posible producir una explosión en la posición final del pistón, cuando tiene velocidad cero al cambiar de movimiento. Con este sistema de encendido de punto muerto, se logró evitar choques, golpes y temblores del pistón contra las paredes del cilindro, que se encontraban en el motor anterior. La carrera del pistón fue la siguiente. 1) En la primera carrera del pistón, se succionó una mezcla pobre de 1/10 de gas y 9/10 de aire a través de la válvula de entrada abierta y la válvula de entrada de mezcla. 2) Durante la carrera inversa del pistón, la entrada se cerró y la mezcla de succión se comprimió en el cilindro. 3) Al final de esta carrera, se produjo la ignición en el punto muerto y el desarrollo de la presión de los productos gaseosos de la explosión movió el pistón. Al comienzo del tercer golpe, la presión alcanzó las 11 atm y durante la expansión cayó a casi 3 atm. cuatro). Durante la carrera inversa secundaria del pistón, la válvula de escape se abrió y el pistón desplazó los productos de combustión del cilindro. Cuando llegó al punto extremo, aún quedaban algunos residuos de productos de combustión en el cilindro, pero no interferían con el funcionamiento posterior del motor. Por el contrario, su presencia tuvo un efecto beneficioso: en lugar de una explosión, se produjo una combustión más uniforme, por lo que la carrera del pistón resultó ser más uniforme, sin tirones, y el motor pudo usarse donde antes parecía inaceptable. por ejemplo, para el movimiento de telares y dínamos. Esta fue una ventaja importante del motor Otto. Para que la rotación del eje sea aún más uniforme, se equipó con un volante masivo. Al fin y al cabo, de las cuatro carreras del pistón, sólo una correspondía a trabajo útil, y el volante debía proporcionar energía para tres carreras sucesivas (o, lo que es lo mismo, durante 1 revoluciones) para que las máquinas de trabajo pudieran marchar sin ralentizar. abajo. La mezcla se encendió, como antes, con una llama abierta. Debido a la conexión del cigüeñal con el eje, no era posible obtener la expansión de los gases a la atmósfera, por lo que la eficiencia del motor no era muy superior a la de los modelos anteriores, pero resultó ser la más alta de los motores térmicos de la época. El ciclo de cuatro tiempos fue el mayor logro técnico de Otto. Pero pronto resultó que unos años antes de su invención, el ingeniero francés Beau de Roche describió exactamente el mismo principio de funcionamiento del motor. Un grupo de industriales franceses impugnó la patente de Otto en los tribunales. El tribunal consideró sus argumentos persuasivos. Los derechos de Otto derivados de su patente se redujeron considerablemente, incluida la anulación de su monopolio sobre el ciclo de cuatro tiempos. Otto experimentó dolorosamente este fracaso, mientras tanto, los asuntos de su empresa iban bastante bien. Aunque los competidores lanzaron la producción de motores de cuatro tiempos, el modelo Otto resultó ser el mejor durante muchos años de producción y la demanda no se detuvo. Para 1897, se produjeron alrededor de 42 mil de estos motores de varias capacidades. Sin embargo, el hecho de que se utilizara gas ligero como combustible redujo mucho el alcance de los primeros motores de combustión interna. La cantidad de plantas de iluminación y gas era insignificante incluso en Europa, y en Rusia solo había dos: en Moscú y San Petersburgo. Por ello, la búsqueda de un nuevo combustible para el motor de combustión interna no se detuvo. Algunos inventores han intentado utilizar vapor de combustible líquido como gas. En 1872, el estadounidense Brighton intentó usar queroseno en esta capacidad. Sin embargo, el queroseno no se evaporó bien y Brighton cambió a un producto de petróleo más liviano, la gasolina. Pero para que un motor de combustible líquido compitiera con éxito con el gas, era necesario crear un dispositivo especial (más tarde se conoció como un carburador) para evaporar la gasolina y obtener una mezcla combustible con aire Brighton en el mismo 1872 vino con uno de los primeros llamados carburadores "evaporativos", pero actuó de manera insatisfactoria. Un motor de gasolina viable no apareció hasta diez años después. Fue inventado por el ingeniero alemán Gottlieb Daimler. Durante muchos años trabajó para la firma Otto y fue miembro de su directorio. A principios de los años 80, le propuso a su jefe un proyecto para un motor de gasolina compacto que podría usarse en el transporte. Otto (como Watt en una situación similar en su época) reaccionó con frialdad a la propuesta de Daimler. Luego, Daimler, junto con su amigo Wilhelm Maybach, tomaron una decisión audaz: en 1882 dejaron la empresa Otto, adquirieron un pequeño taller cerca de Stuttgart y comenzaron a trabajar en su proyecto. El problema al que se enfrentaban Daimler y Maybach no era fácil, decidieron crear un motor que no necesitara un generador de gas, que fuera muy ligero y compacto, pero al mismo tiempo lo suficientemente potente como para mover a la tripulación. Daimler esperaba aumentar la potencia aumentando la velocidad del eje, pero para ello era necesario asegurar la frecuencia de encendido requerida de la mezcla. En 1883, se creó el primer motor de gasolina con encendido a partir de un tubo hueco caliente abierto en el cilindro.
El primer modelo de un motor de gasolina estaba destinado a una instalación estacionaria industrial. Aquí P es el tanque de gasolina, desde el cual, con la ayuda de una válvula de cierre p, se pasó tanta gasolina a través de la tubería hasta el dispositivo para evaporarla AB, de modo que A siempre permaneció aproximadamente 2/3 lleno. B es la lámpara que se llenó primero, incluso antes de que entrara la gasolina en A. Desde la lámpara B, a través de un tubo con válvula V, se suministró gasolina al quemador, que estaba en la carcasa L; fluía en un chorro delgado desde la punta estrecha del quemador y, gracias a la alta temperatura del quemador, se evaporaba inmediatamente. Las llamas ardían alrededor del encendedor de platino y lo calentaban. En el evaporador A, se generaron vapores de gasolina al aspirar aire caliente a través de la gasolina. Estos vapores se mezclaron con aire en la válvula de control H, y así se obtuvo una mezcla de gases combustibles. Durante la carrera descendente del pistón, succionó esta mezcla, durante la carrera inversa la comprimió en el espacio destinado a la compresión. En un momento en que el pistón estaba en el punto muerto superior, el mecanismo de distribución abrió un encendedor de platino caliente, la carga explotó y los gases de combustión presionaron el pistón. Para la formación de vapores de gasolina, el aire, como se indicó anteriormente, tuvo que ser precalentado. Esto se logró por el hecho de que el aire antes de ingresar al evaporador pasó a través de la carcasa del quemador.
Para arrancar el motor, después de llenar con gasolina A y B, primero se abrió la válvula del quemador V y los tubos del quemador se calentaron desde el exterior durante uno o dos minutos. Entonces alcanzaron la temperatura a la que la gasolina comenzó a evaporarse. Cuando el encendedor estaba al rojo vivo, se abría la válvula V y se hacía girar el motor manualmente usando una manija especial; después de algunas revoluciones, se produjo la primera explosión en el cilindro de trabajo; entonces el motor empezó a moverse. El cilindro de trabajo, como en los motores de gas, estaba rodeado por una carcasa a través de la cual fluía agua para enfriar desde una tubería de agua o desde una pequeña bomba Q, que era impulsada por el propio motor. De la descripción anterior se desprende que el proceso de evaporación del combustible líquido en los primeros motores de gasolina dejaba mucho que desear. Por lo tanto, la invención del carburador supuso una verdadera revolución en la construcción de motores. Se considera que el ingeniero húngaro Donat Banki es su creador (aunque independientemente de él e incluso algo antes, el mismo diseño de carburador fue desarrollado por el amigo y aliado de Daimler, Maybach). Banki más tarde ganó gran fama por sus destacados inventos en el campo de las turbinas hidráulicas. Pero, siendo todavía un hombre joven, en 1893 obtuvo una patente para un carburador con chorro (boquilla), que fue el prototipo de todos los carburadores modernos.
A diferencia de sus predecesores, Banki proponía no evaporar la gasolina, sino rociarla finamente en el aire. Esto aseguró su distribución uniforme sobre el cilindro, y la propia evaporación tuvo lugar ya en el cilindro bajo la acción del calor de compresión. Para asegurar la atomización, la gasolina fue aspirada por una corriente de aire a través de un chorro dosificador, y la constancia de la composición de la mezcla se logró manteniendo un nivel constante de gasolina en el carburador. El chorro se realizó en forma de uno o más orificios en el tubo, ubicados perpendicularmente al flujo de aire. Para mantener la presión se disponía de un pequeño depósito con flotador que mantenía el nivel a una altura determinada, de forma que la cantidad de gasolina aspirada era proporcional a la cantidad de aire entrante. Así, el carburador constaba de dos partes: la cámara del flotador 1 y la cámara de mezcla 2. El combustible ingresaba libremente a la cámara 1 desde el tanque a través del tubo 3 y se mantenía al mismo nivel por el flotador 4, que subía junto con el nivel de combustible y durante el llenado, usando la palanca 5, bajó la aguja 6 y bloqueó así el acceso al combustible. Desde la cámara 1, el combustible fluía libremente hacia la cámara 2 y se detenía en el surtidor 7 al mismo nivel que la cámara 1. La cámara 2 tenía una abertura en la parte inferior que comunicaba con el aire exterior y en la parte superior, con la válvula de admisión del motor. La cantidad de mezcla entregada al cilindro se reguló girando el acelerador (aleta) 8. Durante la carrera de succión del pistón, el aire se precipitó desde abajo hacia la cámara de mezcla y succionó combustible del chorro, rociándolo y evaporándolo. Los primeros motores de combustión interna eran monocilíndricos, y para aumentar la potencia del motor era común aumentar el volumen del cilindro. Luego comenzaron a lograr esto aumentando el número de cilindros. A finales del siglo XIX aparecieron los motores de dos cilindros y desde principios del siglo XX comenzaron a extenderse los motores de cuatro cilindros. Estos últimos estaban dispuestos de tal manera que en cada uno de los cilindros el ciclo de cuatro tiempos se movía con una carrera de pistón. Gracias a esto, se logró una buena uniformidad de rotación del cigüeñal.
A diferencia del eje anterior, el cigüeñal constaba de cigüeñales separados, que estaban conectados a pistones separados con la ayuda de bielas. Por un lado, el eje recibía el movimiento de los pistones y convertía el movimiento alternativo en rotacional y, por otro lado, controlaba el movimiento de los pistones, que debido a esto se movían de un lado a otro en momentos precisamente establecidos, es decir, pasaron simultáneamente por un ciclo de trabajo en todos los cilindros. Todos estos ciclos se alternaban a intervalos regulares. Autor: Ryzhov K.V.
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