Двигатель Ленуара¶

Двигатель Ленуара — это первый в мире практически пригодный двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе. Был создан бельгийско-французским изобретателем Этьеном Ленуаром в 1859—1860 годах. Двигатель отличался двухтактным циклом работы, внешним смесеобразованием и искровым зажиганием от электрической свечи. Несмотря на низкий для своего времени термический КПД (около 4—5 %), он получил некоторое промышленное распространение, главным образом в качестве стационарного привода для небольших мастерских и насосов, и стал важным этапом в истории двигателестроения.

¶История создания

¶Предпосылки

К середине XIX века паровые машины достигли значительного совершенства, но оставались громоздкими, требовали котла, топки и постоянного наблюдения за уровнем воды и давлением. Идея использовать сгорание топлива непосредственно внутри цилиндра (двигатель внутреннего сгорания) привлекала многих изобретателей, однако попытки создать работоспособную конструкцию наталкивались на проблемы с воспламенением, герметизацией и охлаждением. Первые патенты на газовые двигатели были получены ещё в начале XIX века (например, патент Роберта Стрита, 1794 год), но ни один из них не был доведён до серийного выпуска.

¶Работа Этьена Ленуара

Этьен Ленуар (1822—1900), владелец небольшой мастерской по эмалированию в Париже, начал эксперименты с газовыми двигателями в конце 1850-х годов. Он использовал светильный газ (смесь водорода, метана и оксида углерода), который к тому времени уже широко применялся для городского освещения. В 1859 году Ленуар построил первый действующий образец, а в 1860 году получил французский патент № 43624 на «двигатель, работающий на расширении газов, получаемых при сгорании горючей смеси».

Первый публичный показ двигателя состоялся в 1860 году. Двигатель Ленуара был представлен на Парижской выставке 1862 года, где привлёк внимание специалистов, однако коммерческого успеха не имел из-за низкой экономичности и высокой стоимости топлива (светильный газ был дорог). Тем не менее, несколько десятков экземпляров были проданы и использовались в типографиях, на водокачках и в мелких производствах. Общий выпуск двигателей Ленуара за 1860—1865 годы оценивается примерно в 100—150 штук.

¶Устройство и принцип работы

¶Конструкция

Двигатель Ленуара был двухтактным, горизонтальным, с одним цилиндром двойного действия. Основные элементы:

• Цилиндр с водяным охлаждением (рубашка охлаждения).
• Поршень, соединённый с коленчатым валом через шатун.
• Золотниковый газораспределительный механизм, управляющий впуском газа и воздуха, а также выпуском отработавших газов.
• Система зажигания — электрическая свеча, питаемая от батареи гальванических элементов (элемент Рюмкорфа) с индукционной катушкой.
• Маховик для выравнивания хода.

¶Рабочий цикл

Цикл двигателя Ленуара отличался от современного четырёхтактного цикла Отто. Он состоял из двух тактов поршня (один оборот коленчатого вала):

1. Первый такт (всасывание и сгорание). Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ). В начале хода открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает горючая смесь (светильный газ + воздух). После прохождения поршнем примерно 1/3 хода впускной клапан закрывается, и смесь поджигается электрической искрой. Сгорание происходит при почти постоянном объёме (изохорно), давление резко возрастает, и поршень продолжает движение к НМТ под действием расширяющихся газов.
2. Второй такт (выпуск). Поршень движется от НМТ к ВМТ. Открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются поршнем в атмосферу. В конце хода выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется.

Таким образом, рабочий ход (расширение) занимал лишь часть первого такта, а остальное время поршень двигался за счёт инерции маховика. Это обуславливало низкий КПД: полезная работа совершалась только на отрезке от момента зажигания до конца хода поршня, а на всасывание и выпуск тратилась энергия.

¶Характеристики

• Топливо: светильный газ (калорийность около 4000—5000 ккал/м³).
• Мощность: от 0,5 до 3 л. с. (0,37—2,2 кВт) в зависимости от модели.
• Частота вращения: 80—120 об/мин.
• Расход газа: около 3—4 м³ на л. с. в час.
• Термический КПД: 4—5 % (для сравнения, у паровой машины того же времени — 8—12 %).
• Масса: около 1—2 тонн на 1 л. с.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Мгновенный запуск: не требовалось разогрева котла, как у паровой машины.
• Компактность: отсутствие парового котла и топки делало установку значительно меньше.
• Простота обслуживания: не было необходимости в постоянном контроле уровня воды и давления.
• Бездымность: сгорание светильного газа давало практически чистый выхлоп, что позволяло использовать двигатель в закрытых помещениях.

¶Недостатки

• Низкая экономичность: расход топлива был в 2—3 раза выше, чем у паровой машины при той же мощности.
• Высокая стоимость топлива: светильный газ был дорогим, что делало эксплуатацию нерентабельной для многих применений.
• Ненадёжность: электрическая система зажигания (батареи, катушка) часто выходила из строя; свечи требовали частой очистки.
• Опасность: при утечке газа или неисправности зажигания возможны были взрывы.
• Малый ресурс: из-за высоких температур и давления детали быстро изнашивались.

¶Сравнение с двигателем Отто

В 1876 году немецкий изобретатель Николаус Отто создал четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, который стал основой современного ДВС. Основные отличия от двигателя Ленуара:

Двигатель Отто благодаря предварительному сжатию смеси и более эффективному циклу обеспечил значительное повышение экономичности, что сделало его коммерчески успешным и вытеснило двигатель Ленуара.

¶Применение

Основное применение двигателей Ленуара — стационарные установки небольшой мощности:

• Привод типографских станков.
• Насосы для водоснабжения.
• Приводы небольших мастерских (токарные, сверлильные станки).
• Электроосвещение (привод динамо-машины).

Известны единичные попытки установки двигателя Ленуара на транспортные средства: в 1863 году Ленуар построил трёхколёсный экипаж с таким двигателем, который развивал скорость около 3 км/ч, но проект не получил развития.

¶Историческое значение

Несмотря на ограниченное распространение, двигатель Ленуара сыграл ключевую роль в истории техники:

• Первый серийный ДВС: доказал принципиальную возможность практического использования двигателя внутреннего сгорания.
• Стимул для развития: недостатки двигателя Ленуара (низкий КПД, высокий расход топлива) подтолкнули других изобретателей, в первую очередь Николауса Отто, к поиску более эффективных циклов.
• Технические решения: двигатель Ленуара впервые применил электрическое зажигание от свечи, водяное охлаждение цилиндра и золотниковое газораспределение, которые впоследствии стали стандартными для ДВС.

В настоящее время сохранилось несколько экземпляров двигателей Ленуара в музеях (например, в Музее искусств и ремёсел в Париже, в Немецком музее в Мюнхене).

¶Интересные факты

• Этьен Ленуар не имел инженерного образования и был самоучкой; он начинал свою карьеру как официант.
• Первый двигатель Ленуара работал непрерывно в течение 10 минут, после чего остановился из-за перегрева — потребовалось доработать систему охлаждения.
• В 1860 году Ленуар продал права на свой патент французской компании «Compagnie des Moteurs Lenoir», которая пыталась наладить серийное производство, но безуспешно.
• В 1862 году Альфонс Бо де Роша теоретически обосновал преимущества четырёхтактного цикла, который позже реализовал Отто; Ленуар же не смог выйти за рамки своей двухтактной схемы.

¶Источники

• Двигатель Ленуара // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Шухардин С. В. История техники. — М.: Наука, 1965.
• Кирпичёв В. Л. Беседы о механике. — М.: Гостехиздат, 1950.
• Двигатели внутреннего сгорания / Под ред. А. С. Орлина. — М.: Машиностроение, 1967.
• H. W. Dickinson. A Short History of the Internal Combustion Engine. — Cambridge University Press, 1939.