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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
O motor é a gasolina e gasolina. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Motor de combustão interna - um motor no qual o combustível queima diretamente na câmara de trabalho (dentro) do motor. O motor de combustão interna converte a pressão da combustão do combustível em trabalho mecânico.
A máquina a vapor não resolveu completamente o problema energético enfrentado pela humanidade. Pequenas oficinas e empresas, que no século XIX constituíam grande parte do setor industrial, nem sempre conseguiam utilizá-lo. O fato é que um pequeno motor a vapor tinha uma eficiência muito baixa (menos de 10%). Além disso, o uso de tal motor estava associado a altos custos e problemas. Para colocá-lo em movimento, era necessário fazer uma fogueira e induzir o vapor. Mesmo que o carro fosse necessário apenas às vezes, ele ainda precisava ser constantemente mantido sob pressão. A pequena indústria exigia um motor de pequena potência, ocupando pouco espaço, que podia ser ligado e desligado a qualquer momento sem muita preparação. Pela primeira vez, a ideia de tal motor foi proposta no início do século XIX. No último ano do século XVIII, o engenheiro francês Philippe Lebon descobriu o gás de iluminação. A tradição atribui seu sucesso ao acaso - Le Bon viu o gás explodir, fluindo de um recipiente com serragem incendiada, e percebeu o benefício que poderia ser obtido com esse fenômeno. Em 1799, ele recebeu uma patente para o uso e método de obtenção de gás de iluminação por destilação seca de madeira ou carvão. Esta descoberta foi de grande importância principalmente para o desenvolvimento da tecnologia de iluminação. Muito em breve, na França e depois em outros países europeus, as lâmpadas a gás começaram a competir com sucesso com velas caras. No entanto, o gás de iluminação era adequado não apenas para iluminação. Em 1801, Le Bon tirou uma patente para o projeto de um motor a gás. O princípio de funcionamento desta máquina baseava-se na conhecida propriedade do gás que descobriu: sua mistura com o ar explodia ao ser acionada, liberando grande quantidade de calor. Os produtos da combustão se expandiram rapidamente, exercendo forte pressão sobre o meio ambiente. Ao criar as condições adequadas, é possível usar a energia liberada no interesse do homem. O motor Lebon tinha dois compressores e uma câmara de mistura. Um compressor deveria bombear ar comprimido para a câmara e o outro - gás leve comprimido do gerador de gás. A mistura gás-ar entrou então no cilindro de trabalho, onde se acendeu. O motor era de dupla ação, ou seja, as câmaras de trabalho atuavam alternadamente em ambos os lados do pistão.
Em essência, Le Bon nutriu a ideia de um motor de combustão interna, mas em 1804 ele morreu antes que pudesse dar vida à sua invenção. Mas sua ideia continuou a atrair a atenção mais próxima. De fato, o princípio de operação de um motor a gás é muito mais simples que o de um motor a vapor, pois aqui o próprio combustível produz pressão diretamente no pistão, enquanto em um motor a vapor, a energia térmica é transferida primeiro para outro transportador - vapor de água, que faz um trabalho útil. Nos anos seguintes, vários inventores de diferentes países tentaram criar um motor viável usando gás de iluminação. No entanto, todas essas tentativas não levaram ao aparecimento no mercado de motores que pudessem competir com sucesso com o motor a vapor. A honra de criar um motor de combustão interna de sucesso comercial pertence ao engenheiro belga Jean Etienne Lenoir. Enquanto trabalhava em uma planta de galvanoplastia, Lenoir teve a ideia de que a mistura ar-combustível em um motor a gás poderia ser inflamada com uma faísca elétrica e decidiu construir um motor baseado nessa ideia. O proprietário da oficina de galvanoplastia forneceu dinheiro a Lenoir, com o qual construiu seu primeiro motor em 1860. Tanto na aparência quanto no design, lembrava uma máquina a vapor. O motor era de dupla ação. O carretel inferior fornecia ar e gás alternadamente para as cavidades do cilindro localizadas em lados opostos do pistão. O carretel superior servia para liberar os gases de escape. Gás e ar foram fornecidos ao carretel através de canais separados. A mistura foi sugada para dentro de cada cavidade até cerca de metade do curso, após o que o carretel bloqueou a janela de entrada e a mistura foi inflamada por uma faísca elétrica. Queimando, expandiu-se e agiu sobre o pistão, produzindo trabalho útil. Após o término da reação, o segundo carretel comunicava o cilindro com o tubo de escape. Enquanto isso, a mistura foi inflamada do outro lado do pistão. Ele começou a recuar, deslocando os gases de escape. Lenoir não teve sucesso imediato. Depois que foi possível fazer todas as peças e montar a máquina, ela funcionou bastante e parou, pois devido ao aquecimento o pistão expandiu e emperrou no cilindro. Lenoir melhorou seu motor pensando em um sistema de refrigeração a água. No entanto, a segunda tentativa de lançamento também terminou em falha devido ao mau curso do pistão. Lenoir complementou seu projeto com um sistema de lubrificação. Só então o motor começou a funcionar.
Após o anúncio desta invenção, a oficina começou a receber pedidos para um novo motor, mas seu trabalho continuou insatisfatório - o sistema de ignição frequentemente apresentava mau funcionamento, o carretel não funcionava sem lubrificação e não era possível estabelecer sua lubrificação satisfatória a uma temperatura de 800 graus. A eficiência do motor mal chegou a 4%, consumiu uma enorme quantidade de lubrificante e gás. No entanto, o motor rapidamente ganhou popularidade. Seus principais compradores eram pequenas empresas (impressoras, oficinas de reparos, etc.), para as quais as máquinas a vapor eram muito caras e volumosas. Enquanto isso, o motor Lenoir mostrou-se fácil de operar, leve e de pequenas dimensões. Em 1864, já eram produzidos mais de 300 desses motores de várias capacidades. Tendo enriquecido, Lenoir parou de trabalhar na melhoria de seu carro, e isso predeterminou seu destino - ela foi forçada a sair do mercado por um motor mais avançado criado pelo inventor alemão August Otto. Em 1864, ele recebeu uma patente para seu modelo de motor a gás e no mesmo ano fechou um acordo com o rico engenheiro Langen para explorar essa invenção. Logo a empresa "Otto and Company" foi criada.
À primeira vista, o motor Otto representava um retrocesso em relação ao motor Lenoir. O cilindro era vertical. O eixo rotativo foi colocado acima do cilindro na lateral. Ao longo do eixo do pistão, um trilho conectado ao eixo foi anexado a ele. O motor funcionou da seguinte forma. O eixo rotativo levantou o pistão em 1/10 da altura do cilindro, como resultado do qual um espaço rarefeito se formou sob o pistão e uma mistura de ar e gás foi sugada. A mistura foi então inflamada. Nem Otto nem Langen tinham conhecimento suficiente de engenharia elétrica e abandonaram a ignição elétrica. Eles acenderam com uma chama aberta através de um tubo. Durante a explosão, a pressão sob o pistão aumentou para aproximadamente 4 atm. Sob a ação dessa pressão, o pistão subiu, o volume de gás aumentou e a pressão caiu. Quando o pistão foi levantado, um mecanismo especial desconectou o trilho do eixo. O pistão, primeiro sob pressão de gás e depois por inércia, subiu até que um vácuo foi criado sob ele. Assim, a energia do combustível queimado foi utilizada no motor com a máxima completude. Este foi o principal achado original de Otto. O curso de trabalho descendente do pistão começou sob a ação da pressão atmosférica e, depois que a pressão no cilindro atingiu a pressão atmosférica, a válvula de escape se abriu e o pistão deslocou os gases de escape com sua massa. Devido à expansão mais completa dos produtos de combustão, a eficiência desse motor foi significativamente superior à do motor Lenoir e chegou a 15%, ou seja, superou a eficiência dos melhores motores a vapor da época. O problema mais difícil com este projeto de motor foi a criação de um mecanismo para transmitir o movimento da cremalheira ao eixo. Para este fim, foi inventado um dispositivo de transferência especial com bolas e bolachas. Quando o pistão com a cremalheira voou, os crackers, cobrindo o eixo com suas superfícies inclinadas, interagiram com as bolas de tal forma que não interferiram no movimento da cremalheira, mas assim que a cremalheira começou a descer , as bolas rolaram pela superfície inclinada dos biscoitos e os pressionaram firmemente no eixo, forçando-o a girar. Este projeto garantiu a viabilidade do motor. Como os motores Otto eram quase cinco vezes mais eficientes do que os motores Lenoir, eles estavam imediatamente em alta demanda. Nos anos seguintes, cerca de cinco mil deles foram produzidos. Otto trabalhou duro para melhorar seu design. Logo, a cremalheira foi substituída por uma engrenagem de manivela (muitos ficaram envergonhados com a aparência da cremalheira, que voou por uma fração de segundo, além disso, seu movimento foi acompanhado por um rugido desagradável). Mas a mais significativa de suas invenções veio em 1877, quando Otto registrou a patente de um novo motor de quatro tempos. Este ciclo ainda está subjacente à operação da maioria dos motores a gás e gasolina até hoje. No ano seguinte, os novos motores já foram colocados em produção.
Em todos os motores a gás anteriores, a mistura de gás e ar era inflamada no cilindro de trabalho à pressão atmosférica. No entanto, o efeito da explosão foi mais forte, quanto maior a pressão. Portanto, quando a mistura é comprimida, a explosão deveria ter sido mais forte. No novo motor a gás de Otto, o gás foi comprimido a 2, 5 ou 3 atm, o que fez com que o motor se tornasse menor em tamanho e sua potência aumentasse. Para acomodar a mistura gasosa, o cilindro em um de seus lados foi alongado. Quando o pistão atingiu sua posição final aqui, ainda havia algum espaço preenchido com uma mistura de gás comprimido. Graças a isso, tornou-se possível produzir uma explosão na posição final do pistão, quando ele tem velocidade zero ao mudar de movimento. Com este sistema de ignição de ponto morto, foi possível evitar choques, choques e tremores do pistão contra as paredes do cilindro, que estavam no motor anterior. O curso do pistão foi o seguinte. 1) No primeiro curso do pistão, uma mistura pobre de 1/10 de gás e 9/10 de ar foi aspirada através da válvula de entrada aberta e válvula de entrada de mistura. 2) Durante o curso reverso do pistão, a entrada foi fechada e a mistura aspirada foi comprimida no cilindro. 3) No final deste curso, a ignição ocorreu no ponto morto e a pressão em desenvolvimento dos produtos gasosos da explosão moveu o pistão. No início da terceira braçada, a pressão atingiu 11 atm e, durante a expansão, caiu para quase 3 atm. quatro). Durante o curso reverso secundário do pistão, a válvula de escape se abriu e o pistão deslocou os produtos de combustão do cilindro. Quando atingiu o ponto extremo, alguns restos de produtos de combustão ainda permaneceram no cilindro, mas não interferiram no funcionamento do motor. Pelo contrário, sua presença teve um efeito benéfico - em vez de uma explosão, ocorreu uma combustão mais uniforme, razão pela qual o curso do pistão acabou sendo mais uniforme, sem solavancos, e o motor pôde ser usado onde antes parecia inaceitável - por exemplo, para o movimento de teares e dínamos. Esta foi uma vantagem importante do motor Otto. Para tornar a rotação do eixo ainda mais uniforme, foi equipado com um volante maciço. Afinal, dos quatro tempos do pistão, apenas um correspondia ao trabalho útil, e o volante tinha que fornecer energia para três tempos subsequentes (ou, o que é o mesmo, durante 1 voltas) para que as máquinas operassem sem desacelerar. A mistura foi inflamada, como antes, com uma chama aberta. Devido à conexão da manivela com o eixo, não foi possível obter a expansão do gás para a atmosfera e, portanto, a eficiência do motor não foi muito superior à dos modelos anteriores, mas acabou sendo a mais alta para os motores térmicos da época. O ciclo de quatro tempos foi a maior conquista técnica de Otto. Mas logo descobriu-se que alguns anos antes de sua invenção, exatamente o mesmo princípio de operação do motor foi descrito pelo engenheiro francês Beau de Roche. Um grupo de industriais franceses contestou a patente de Otto no tribunal. O tribunal considerou seus argumentos persuasivos. Os direitos de Otto sob sua patente foram bastante reduzidos, incluindo a remoção de seu monopólio no ciclo de quatro tempos. Otto experimentou dolorosamente esse fracasso, enquanto os negócios de sua empresa estavam indo muito bem. Embora os concorrentes tenham lançado a produção de motores de quatro tempos, o modelo Otto funcionou por muitos anos de produção ainda era o melhor, e a demanda por ele não parou. Em 1897, cerca de 42 mil desses motores de várias capacidades foram produzidos. No entanto, o fato de que o gás leve foi usado como combustível reduziu muito o escopo dos primeiros motores de combustão interna. O número de plantas de iluminação e gás era insignificante mesmo na Europa, e na Rússia havia apenas duas delas - em Moscou e São Petersburgo. Portanto, a busca por um novo combustível para o motor de combustão interna não parou. Alguns inventores tentaram usar vapor de combustível líquido como gás. Em 1872, o americano Brighton tentou usar querosene nessa capacidade. No entanto, o querosene não evaporou bem e Brighton mudou para um produto de petróleo mais leve, a gasolina. Mas para um motor de combustível líquido competir com sucesso com o gás, era necessário criar um dispositivo especial (mais tarde ficou conhecido como carburador) para evaporar a gasolina e obter uma mistura combustível dela com o ar. Brighton no mesmo 1872 veio com um dos primeiros carburadores chamados "evaporativos", mas ele agiu de forma insatisfatória. Um motor a gasolina viável não apareceu até dez anos depois. Foi inventado pelo engenheiro alemão Gottlieb Daimler. Por muitos anos ele trabalhou para a empresa Otto e foi membro de seu conselho. No início dos anos 80, ele propôs ao seu chefe um projeto para um motor compacto a gasolina que pudesse ser usado no transporte. Otto (como Watt em situação semelhante em sua época) reagiu friamente à proposta de Daimler. Então Daimler, junto com seu amigo Wilhelm Maybach, tomou uma decisão ousada - em 1882 eles deixaram a empresa Otto, adquiriram uma pequena oficina perto de Stuttgart e começaram a trabalhar em seu projeto. O problema enfrentado pela Daimler e Maybach não era fácil; eles decidiram criar um motor que não precisasse de um gerador a gás, fosse muito leve e compacto, mas ao mesmo tempo poderoso o suficiente para mover a tripulação. A Daimler esperava aumentar a potência aumentando a velocidade do eixo, mas para isso era necessário garantir a frequência de ignição necessária da mistura. Em 1883, o primeiro motor a gasolina foi criado com ignição a partir de um tubo oco quente aberto no cilindro.
O primeiro modelo de motor a gasolina destinava-se a uma instalação estacionária industrial. Aqui P é o tanque de gasolina, do qual, com a ajuda de uma válvula de fechamento p, tanta gasolina foi passada pelo tubo para o dispositivo para evaporá-la AB, de modo que A sempre permaneceu cerca de 2/3 cheio. B é a lâmpada que foi abastecida primeiro, antes mesmo que a gasolina entrasse em A. Da lâmpada B, através de um tubo com válvula V, a gasolina era fornecida ao queimador, que estava na carcaça L; fluiu em um fluxo fino da ponta estreita do queimador e, graças à alta temperatura do queimador, evaporou imediatamente. As chamas queimaram ao redor do acendedor de platina e o aqueceram. No evaporador A, os vapores da gasolina foram gerados pela sucção do ar aquecido através da gasolina. Esses vapores foram misturados com ar na válvula de controle H, obtendo-se assim uma mistura de gases combustíveis. Durante o curso descendente do pistão, ele sugava esta mistura, durante o curso inverso comprimia-a no espaço destinado à compressão. Em um momento em que o pistão estava no ponto morto superior, o mecanismo de distribuição abriu um ignitor de platina quente, a carga explodiu e os gases de combustão pressionaram o pistão. Para a formação de vapores de gasolina, o ar, como mencionado acima, teve que ser pré-aquecido. Isto foi conseguido pelo fato de que o ar antes de entrar no evaporador passou pela carcaça do queimador.
Para dar partida no motor, após o abastecimento com gasolina A e B, a válvula do queimador V foi primeiro aberta e os tubos do queimador foram aquecidos do lado de fora por um ou dois minutos. Então eles atingiram a temperatura na qual a gasolina começou a evaporar. Quando o ignitor estava em brasa, a válvula V era aberta e o motor era girado manualmente usando uma alça especial; após algumas revoluções, a primeira explosão ocorreu no cilindro de trabalho; então o motor começou a se mover. O cilindro de trabalho, como nos motores a gás, era cercado por um invólucro através do qual a água fluía para resfriamento de um cano de água ou de uma pequena bomba Q, acionada pelo próprio motor. A partir da descrição acima, pode-se observar que o processo de evaporação do combustível líquido nos primeiros motores a gasolina deixou muito a desejar. Portanto, a invenção do carburador fez uma verdadeira revolução na construção de motores. O engenheiro húngaro Donat Banki é considerado seu criador (embora independentemente dele e até um pouco antes, o mesmo design do carburador foi desenvolvido pelo amigo e aliado de Daimler, Maybach). Banki mais tarde ganhou grande fama por suas invenções notáveis no campo das turbinas hidráulicas. Mas, ainda jovem, em 1893, ele registrou a patente de um carburador com jato (bocal), que era o protótipo de todos os carburadores modernos.
Ao contrário de seus antecessores, Banki propôs não evaporar a gasolina, mas pulverizá-la finamente no ar. Isso garantiu sua distribuição uniforme sobre o cilindro, e a própria evaporação já ocorreu no cilindro sob a ação do calor de compressão. Para garantir a atomização, a gasolina era sugada por um fluxo de ar através de um jato dosador, e a constância da mistura era alcançada mantendo um nível constante de gasolina no carburador. O jato foi feito na forma de um ou mais orifícios no tubo, localizados perpendicularmente ao fluxo de ar. Para manter a pressão, era fornecido um pequeno tanque com flutuador, que mantinha o nível a uma determinada altura, de modo que a quantidade de gasolina aspirada fosse proporcional à quantidade de ar que entrava. Assim, o carburador era composto por duas partes: câmara de boia 1 e câmara de mistura 2. O combustível era fornecido livremente à câmara 1 a partir do tanque através do tubo 3 e mantido no mesmo nível pela boia 4, que subia junto com o nível de combustível e durante o enchimento , usando a alavanca 5, baixou a agulha 6 e assim bloqueou o acesso ao combustível. Da câmara 1, o combustível fluía livremente para a câmara 2 e parava no jato 7 no mesmo nível da câmara 1. A câmara 2 tinha uma abertura na parte inferior que se comunicava com o ar externo e na parte superior - com a válvula de admissão do motor. A quantidade de mistura entregue ao cilindro foi regulada girando o acelerador (flap) 8. Durante o curso de sucção do pistão, o ar correu de baixo para a câmara de mistura e sugou o combustível do jato, pulverizando-o e evaporando-o. Os primeiros motores de combustão interna eram monocilíndrico e, para aumentar a potência do motor, era comum aumentar o volume do cilindro. Então eles começaram a conseguir isso aumentando o número de cilindros. No final do século XIX, surgiram os motores de dois cilindros e, a partir do início do século XX, os motores de quatro cilindros começaram a se espalhar. Estes últimos foram dispostos de tal forma que em cada um dos cilindros o ciclo de quatro tempos foi movido por um curso de pistão. Graças a isso, foi alcançada uma boa uniformidade de rotação do virabrequim.
Ao contrário do eixo anterior, o virabrequim consistia em virabrequins separados, que eram conectados a pistões separados com a ajuda de bielas. Por um lado, o eixo recebia o movimento dos pistões e convertia o movimento alternativo em rotacional e, por outro, controlava o movimento dos pistões, que por isso se moviam para frente e para trás em momentos precisamente definidos, ou seja, eles passaram simultaneamente por um ciclo de trabalho em todos os cilindros. Todos esses ciclos se alternavam em intervalos regulares. Autor: Ryzhov K.V.
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