Двигатель Отто — это большой стационарный одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания , разработанный немцем Николаусом Отто . Это была низкооборотная машина, которая запускала только каждый второй такт благодаря циклу Отто , также разработанному Отто.
Немецкие изобретатели Николаус Отто и его партнер Ойген Ланген разработали три типа двигателей внутреннего сгорания . Модели представляли собой неудавшийся двигатель сжатия 1862 года, атмосферный двигатель 1864 года и двигатель цикла Отто 1876 года, известный сегодня как бензиновый двигатель . Первоначально двигатели использовались для стационарных установок, поскольку Отто не интересовался транспортом. Другие производители, такие как Даймлер, усовершенствовали двигатель Отто для использования в транспорте. [1] [ необходима полная цитата ] [2] [ необходима полная цитата ] [3] [ необходима полная цитата ]
Николаус Август Отто в молодости был коммивояжером в бакалейной лавке. Во время своих путешествий он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским эмигрантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром . В 1860 году Ленуару удалось создать двигатель двойного действия , работавший на светильном газе с эффективностью 4%. 18-литровый двигатель Ленуара мог выдавать всего 2 лошадиные силы.
Испытывая копию двигателя Ленуара в 1861 году, Отто узнал о влиянии сжатия на топливный заряд. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, который улучшил бы низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь перед воспламенением, но потерпел неудачу, так как этот двигатель работал не более нескольких минут до своего разрушения. Многие инженеры также пытались решить эту проблему, но безуспешно. [4]
В 1864 году Отто и Ойген Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания NA Otto and Cie (NA Otto and Company). В том же году Отто и Cie удалось создать успешный атмосферный двигатель. [4]
На заводе не хватило места, и в 1869 году он был перенесен в город Дойц, Германия , где компания была переименована в Gasmotoren-Fabrik Deutz (Компания по производству газовых двигателей Deutz). [4]
Готтлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах был руководителем отдела проектирования двигателей. Даймлер был оружейником, который ранее также работал над двигателем Ленуара. [5]
К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжимал топливную смесь перед сгоранием, обеспечивая гораздо большую эффективность, чем любой другой двигатель, созданный до того времени.
Первая версия атмосферного двигателя использовала конструкцию с рифленой колонной, разработанную Ойгеном Лангеном. В атмосферном двигателе рабочий ход поршня осуществляется вверх с помощью зубчатой рейки и шестерни для преобразования линейного движения поршня во вращательное движение. Степень расширения этого двигателя была намного эффективнее, чем у двигателя Ленуара 1860 года, и обеспечивала двигателю его превосходную эффективность .
Двигатель Ленуара сжигал топливо без предварительной попытки сжать топливо/смесь. Атмосферный двигатель Отто/Лангена работал с эффективностью 12% и выдавал 0,5 л. с. (0,37 кВт ; 0,51 л. с. ) при 80 об/мин. На конкурсе на Всемирной выставке 1867 года в Париже он легко превзошел эффективность двигателя Ленуара и завоевал золотую медаль, тем самым проложив путь к производству и продажам, которые финансировали дополнительные исследования.
Первая версия использовала раму для стабилизации стойки. От нее вскоре отказались, поскольку конструкция была упрощена. Более поздние двигатели также отказались от рифленого цилиндра. Атмосферный двигатель использовал систему зажигания с газовым пламенем и выпускался в размерах мощности от 0,25 до 3 л.с. (от 0,19 до 2,24 кВт ; от 0,25 до 3,04 л.с. ).
Когда в 1872 году NA Otto & Cie реорганизовалась в Gasmotoren-Fabrik Deutz , руководство выбрало Даймлера на должность управляющего фабрикой, обойдя даже Отто, и Даймлер присоединился к компании в августе, взяв с собой Майбаха на должность главного конструктора. [6] Хотя Даймлеру удалось улучшить производство, слабость конструкции вертикального поршня Отто в сочетании с упрямым стремлением Даймлера использовать атмосферные двигатели завели компанию в тупик. [7]
Несмотря на весь свой коммерческий успех, когда к 1875 году компания производила 634 двигателя в год, [7] двигатель Отто и Лангена зашел в технический тупик: он выдавал всего 3 л. с. (2,2 кВт ; 3,0 PS ), но для работы требовалось 10–13 футов (3,0–4,0 м) высоты. [7] В 1882 году, после производства 2649 двигателей, производство атмосферных двигателей было прекращено. В этом же году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах покинули компанию. [4]
После 14 лет исследований и разработок Отто удалось создать двигатель внутреннего сгорания со сжатым зарядом 9 мая 1876 года. Отто нашел способ наслаивать топливную смесь в цилиндр, чтобы заставить топливо гореть прогрессивным, а не взрывным образом. Он называл это слоистым или стратификационным зарядом. Это приводило к контролируемому сгоранию и более длительному толчку поршня в цилиндре, а не к взрыву, который разрушил все ранее созданные двигатели. Топливом по-прежнему был светильный газ, как и в атмосферных двигателях Ленуара и его собственных.
Этот двигатель использовал четыре цикла для создания мощности. Сейчас он известен как двигатель цикла Отто . Это тот же двигатель, который впервые был опробован в 1862 году.
Отто обратил свое внимание на 4-тактный цикл во многом благодаря усилиям Франца Рингса и Германа Шумма, привлеченных в компанию Готлибом Даймлером . [7] Именно к этому двигателю (бесшумный двигатель Отто), а не к двигателю Отто и Лангена, относится цикл Отто. Это был первый коммерчески успешный двигатель, использовавший сжатие в цилиндре (запатентованный Уильямом Барнеттом в 1838 году). Двигатель Рингса-Шумма появился осенью 1876 года и сразу же стал успешным. [7]
Расположение цилиндров компрессионного двигателя было горизонтальным. Он отличался золотниковым управлением с газовым пламенным зажиганием , что позволило преодолеть проблемы, которые Ленуар не мог преодолеть с помощью электрического зажигания, которое было ненадежным в то время. За 15 лет до разработки двигателя Отто выходная мощность никогда не превышала 3 л.с. Через несколько лет после разработки двигателя Отто мощность двигателя возросла, пока не достигла 1000 л.с. [4]
Двигатель Отто в конечном итоге был адаптирован для работы на лигроине , а затем на бензине и многих других газах. Во время Второй мировой войны двигатели Отто работали на более чем 62 различных видах топлива, таких как древесный газ, угольный газ, пропан, водород, бензол и многих других. Двигатель ограничен легким топливом. Более поздняя разработка этого двигателя, известная как дизельный двигатель , может сжигать тяжелое топливо и масла.
Deutz также разработал карбюратор и надежную систему зажигания низкого напряжения в 1884 году . Это позволило впервые использовать жидкое нефтяное топливо и сделало возможным использование двигателя в транспорте. Эта работа велась параллельно с работой Готлиба Даймлера и Вильгельма Майбаха, которые также разработали карбюратор, который заменил оригинальное зажигание с горячей трубкой на Daimler Reitwagen , и систему зажигания магнето , которая легла в основу магнето корпорации Robert Bosch . Daimler продолжил разработку двигателя Отто для транспорта, в то время как Deutz переключился на дизельные двигатели.
В 1886 году немецкое патентное ведомство аннулировало патент Deutz, который должен был действовать до 1891 года из-за обнаружения предыдущего патента на четырехтактный двигатель француза Альфонса Бо де Роша . Deutz не смог доказать, что его система индукции стратифицированного заряда отличается от описанной в патенте де Роша, и потерял монополию и один из 25 патентов. К 1889 году более 50 компаний производили двигатели конструкции Отто. [8]
Двигатели Отто были оснащены рядом различных конструкций механизмов для запуска искрообразования. Отто является одним из первых двигателей, использующих свечу зажигания , которая представляет собой устройство, которое производит небольшую электрическую искру для воспламенения топливного заряда. Обычно это состояло из поворотного рычага, который на короткое время захватывает рычаг переключателя питания и быстро тянет его. Затем рычаг переключателя отпускают и позволяют ему вернуться в исходное положение для подготовки к следующему циклу. Эта система требует внешней электрической батареи , катушки зажигания и электрической системы зарядки, аналогичной современным автомобильным двигателям.
В более поздних двигателях Отто использовался небольшой магнето непосредственно на двигателе. Вместо того, чтобы отключать выключатель, рычаг зажигания свечи зажигания быстро вращает ротор магнето, который затем возвращается назад под действием пружины. Это быстрое вращение катушки магнето создает очень короткий ток, который зажигает свечу зажигания и воспламеняет топливо. Такая конструкция имеет преимущество в том, что не требует внешней батареи, и именно так работают современные портативные газовые двигатели, встраивая магнитную часть магнето в маховик . Современные портативные двигатели возбуждают магнето с каждым оборотом маховика и поэтому используют электрический переключатель с кулачковым приводом, чтобы предотвратить зажигание свечи, за исключением рабочего хода двигателя (см. бесполезная искра ).
Это демонстрация того, как работает регулирование скорости в двигателе Отто. Вращающиеся шарики являются центробежным регулятором , и когда машина работает медленнее, маленькое колесо перемещается влево, вставляя шток в соседний ролик и толкая его вверх, чтобы вызвать впуск топлива для запуска двигателя на один оборот.
Если машина находится под нагрузкой и все еще работает слишком медленно, кулачок продолжает оставаться вставленным и заставляет двигатель многократно зажигаться для каждого цикла зажигания. Когда скорость двигателя увеличивается, регулятор тянет маленькое колесо вправо, и машина движется по инерции без впрыскивания топлива, хотя свеча зажигания продолжает зажигаться без топлива в цилиндре.
Этот метод управления скоростью часто называют методом Hit or Miss, потому что двигатель дает пропуски зажигания (из-за недостатка топливной смеси) на тех рабочих тактах, где двигатель работает быстрее, чем регулируемая скорость, но будет давать срабатывания на рабочих тактах, где скорость слишком низкая. Топливо не используется на рабочих тактах с пропуском зажигания.
Двигатели Отто используют водяную рубашку вокруг стенки цилиндра, похожую на современные системы охлаждения двигателей. Все стационарные двигатели Отто, представленные на выставке Western Minnesota Steam Threshers Reunion, имеют один большой радиатор снаружи здания. Эта централизованная система отвода тепла также помогает поддерживать прохладу в здании двигателя.
У Отто и его менеджера Готлиба Даймлера возникли разногласия по поводу будущего направления развития двигателя Отто. В то время как Отто хотел производить большие двигатели для стационарных применений, Даймлер хотел производить двигатели достаточно маленькие, чтобы их можно было использовать в транспорте. После периода разногласий Даймлер ушел с работы Отто в 1882 году и взял с собой Вильгельма Майбаха. В 1883 году Даймлер и Майбах создали двигатель мощностью 0,5 л. с., который был небольшим и эффективным. [9]
В 1885 году Даймлер и Майбах создали двигатель «Grandfather Clock», частично вдохновленный идеями Отто, и построили вокруг него двухколесную раму. [10] Это был первый высокоскоростной бензиновый двигатель. [11] Сын Даймлера Пауль был первым человеком, который ездил на этом моторизованном велосипеде, Daimler Reitwagen , который является первым транспортным средством с двигателем внутреннего сгорания. [12]
Deutz продолжала производить большие стационарные двигатели, в то время как Daimler перешла на лодки, дирижабли, локомотивы, автомобили, грузовики и другие транспортные средства. Deutz является старейшим в мире производителем двигателей. [1] Компания Daimler и Maybach, Daimler Motoren Gesellschaft , позже объединилась с Benz, образовав Daimler-Benz , приняв Mercedes-Benz в качестве своей автомобильной торговой марки. [13]
Компания Отто, Deutz AG , является одной из крупнейших компаний по производству двигателей в мире. [14] Практически все мировые производители автомобилей выпускают транспортные средства, использующие двигатели, работающие по циклу Отто, которые настолько распространены, что их называют двигателями внутреннего сгорания, бензиновыми двигателями и двигателями с искровым зажиганием. [15]
