Vidaus degimo variklis (VDV) — šiluminis variklis, kuriame kuras sudega tiesiogiai degimo kameroje, esančioje variklio viduje. Kaip ir kiekviena šiluminė mašina, VDV paverčia sudeginamo kuro šiluminę energiją mechaniniu darbu.

Lyginant su išorinio degimo varikliais VDV:

·       neturi papildomų šilumos perdavimo elementų — kuras sudegdamas pats sukuria darbinę šilumą;

·       kompaktiškesni, nes neturi daugybės papildomų agregatų;

·       lengvesni;

·       ekonomiškesni;

·       naudoja dujinį arba skystąjį kurą, pasižymintį labai griežtai apibrėžtais parametrais (garavimu, garų užsiliepsnojimo temperatūra, tankiu, degimo šiluma, oktaniniu arba cetaniniu skaičiumi), nes nuo šių savybių priklauso patiesVDV veikimas.

Vidaus degimo variklių raidos istorija

1799 metais prancūzų inžinierius Philippe Lebon atrado apšvietimo dujas. 1799 metais jis gavo apšvietimo dujų gamybos ir naudojimo, paremto medienos arba anglies pirolizės principu, patentą. Šis atradimas turėjo didžiulę reikšmę, visų pirma, apšvietimo technikos plėtrai. Netrukus Prancūzijoje, o paskui ir kitose Europos valstybėse dujinės lempos pradėjo sėkmingai konkuruoti su brangiomis žvakėmis. Be to, apšvietimo dujos tiko ne tik apšvietimo reikmėms.

Philippe Lebon

1801 metais Lebon gavo patentą atlikti dujinio variklio konstravimo darbus. Šios mašinos veikimo principas buvo paremtas žinoma jo atrastų dujų savybe: šių dujų ir oro mišinys užsiliepsnodamas sprogdavo, išskirdamas didelį šilumos kiekį. Degimo produktai sparčiai plisdavo, sudarydami didelį slegį aplinkai. Sukūrus tinkamas sąlygas, išsiskiriančią energiją galima naudoti žmogaus reikmėms. Lebon variklyje buvo numatyti du kompresoriai ir maišymo kamera. Vienas kompresorius turėjo pumpuoti į kamerą suslėgtą orą, o kitas — suslėgtas apšvietimo dujas iš dujų generatoriaus. Paskui dujų ir oro mišinys patekdavo į darbinį cilindrą, kur buvo padegamas. Variklis turėjo dviejų krypčių veikimą, t. y. paeiliui veikiancčos darbinės kameros buvo išdėstytos abiejose stūmoklio pusėse. Iš esmės Lebon mintyse kūrė vidaus degimo variklį, tačiau 1804 metai jis žuvo, nespėjęs įgyvendinti savo sumanymo.

Jean – Joseph Etienne Lenoir

Kitais metais keletas išradėjų iš įvairių šalių bandė sukurti apšvietimo dujomis varomą darbinį variklį. Tačiau visais šiais bandymais nesugebėta sukurti variklio, galinčio sėkmingai konkuruoti su garo mašinomis. Komerciškai naudingo vidaus degimo variklio sukūrimo garbė atiteko belgų mechanikui Jean-Joseph Étienne Lenoir. Dirbdamas galvanizavimo gamykloje, Lenoir priėjo prie išvados, kad dujų ir oro mišinį dujiniame variklyje galima uždegti naudojant elektros kibirkštį, ir nutarė sukurti variklį šios idėjos pagrindu.

Lenoir ne iš karto sulaukė sėkmės. Po to, kai pavyko pagaminti visas detales ir surinkti mašiną, ji veikė labai trumpai ir nustojo veikti, nes dėl aukštos temperatūros poveikio stūmoklis išsiplėtė ir užsikirto cilindre. Lenoir patobulino savo variklį, sukurdamas jo aušinimo vandeniu sistemą. Tačiau antrasis bandymas taip pat buvo nesėkmingas dėl netinkamos stūmoklio eigos. Lenoir papildė savo konstrukciją tepimo sistema. Tik tada jo variklis pradėjo veikti.

Nikolaus August Otto

1864 metais jau buvo pagaminta daugiau kaip 300 tokių ivairių galių variklių. Praturtėjęs Lenoir nustojo tobulinti savo mašiną ir tai nulėmė jos likimą — ji buvo išstumta iš rinkos tobulesnio variklio, sukurto vokiečių išradėjo August Otto.

1864 metais jis gavo savo dujinio variklio modelio gamybos patentą ir tais pačiais metais pasirašė sutartį su turtingu inžinieriumi Eugen Langen dėl šio išradimo eksploatacijos. Netrukus buvo įsteigta pirmoji pasaulyje variklių gamykla „N.A.Otto Cie“, vėliau, 1869 metais, „Gasmotorenfabrik Deutz“ (Benzininių variklių gamykla „Deutz“).

Iš pirmo žvilgsnio galėtų atrodyti, kad Otto variklis buvo žingsnis atgal, lyginant su Lenoir varikliu. Cilindras buvo vertikalus. Sukamasis velenas buvo montuojamas šone virš cilindro. Išilgai stūmoklio ašies prie jo buvo pritvirtinta traukė, sujungta su velenu. Variklis veikė tokiu principu: besisukantis velenas pakeldavo stūmoklį 1/10 cilindro aukšcio, dėl to po stūmokliu susidarydavo vakuumas ir buvo įsiurbiamas oro ir dujų mišinys. Paskui mišinys buvo padegamas. Nei Otto, nei Langen neturėjo pakankamų žinių elektrotechnikos srityje, todėl atsisakė elektrinio uždegimo. Mišinys buvo uždegamas naudojant atvirą liepsną per specialų vamzdelį. Mišiniui sprogus, slėgis po stūmokliu pakildavo apytikriai iki 4 atmosferų. Šio slėgio veikiamas stūmoklis pakildavo, dujų tūris padidėdavo ir slėgis krisdavo. Stūmokliui kylant, specialus mechanizmas atjungdavo traukę nuo veleno. Stūmoklis, iš pradžių veikiamas slėgio, o vėliau inercijos jėgos, kildavo tol, kol po juo susidarydavo vakuumas. Todėl variklyje sudegusio kuro energija būdavo išnaudojama maksimaliai. Tuo rėmėsi pagrindinis originalus Otto sprendimas. Darbinė stūmoklio eiga į apačią prasidėdavo dėl atmosferinio slėgio ir po to, kai slėgis cilindre susilygindavo su atmosferiniu, atsidarydavo išmetimo vožtuvas ir stūmoklis savo svoriu išstumdavo sudegusias dujas. Dėl didesnio degimo produktų išsiplėtimo šio variklio NVK buvo kur kas aukštesnis nei Lenoir variklio NVK ir siekdavo 15 %, t. y. buvo aukštesnis nei geriausių tų laikų garo mašinų NVK.

Kadangi Otto varikliai buvo beveik penkis kartus ekonomiškesni už Lenoir variklius, jie iš karto tapo labai paklausia preke. Vėlesniais metais buvo pagaminta apie penki tūkstančiai tokių variklių. Otto atkakliai dirbo tobulindamas jų konstrukcijas. Netrukus dantytą traukę pakeitė švaistiklinė – alkūninė pavara. Bet svarbiausias Otto išradimas, padarytas 1877 metais, — tai patentuotas naujas keturių taktų ciklo variklis. Šis ciklas iki mūsų dienų sudaro daugumos dujinių bei benzininių variklių veikimo pagrindą. Jau kitais metais buvo pradėta naujųjų variklių gamyba.

Keturių taktų ciklas buvo didžiausias Otto techninis pasiekimas. Tačiau netrukus paaiškėjo, kad kelerius metus prieš jo išradimą lygiai toks pat variklio veikimo principas buvo aprašytas prancūzų inžinieriaus Alphonse Beau de Rochas. Grupė prancūzų verslininkų apskundė teisme Otto patentą. Teismas sutiko su jų pateiktais argumentais. Otto teisės, susijusios su jo patentu, buvo gerokai sumažintos, taip pat buvo panaikinta jo monopolinė teisė į keturių taktų ciklą.

Nors konkurentai išmoko gaminti keturių taktų variklius, bet per ilgus gamybos metus ištobulintas Otto modelis vis tiek buvo geriausias ir jo paklausa nesumažėjo. Iki 1897 metų buvo pagaminti apie 42 tūkstančiai tokių įvairios galios variklių. Tačiau tas faktas, kad variklių naudojamas kuras buvo apšvietimo dujos, labai ribojo pirmųjų vidaus degimo variklių naudojimo sritį. Gamyklų, gaminančių apšvietimo dujas, skaičius Europoje buvo nedidelis, o Rusijoje jų buvo tik dvi – Maskvoje ir Peterburge.

Naujo kuro paieškos

Dėl šios priežasties buvo nuolat ieškoma naujo kuro vidaus degimo varikliams. Kai kurie išradėjai bandė vietoje dujų naudoti degiųjų skysčių garus. Dar 1872 metais amerikietis Brighton bandė naudoti šiam tikslui žibalą. Tačiau žibalas sunkiai garavo ir Brighton pasirinko lengvesnį naftos produktą — benziną. Bet tam, kad variklis, naudojantis skystą kurą, galėtų sėkmingai konkuruoti su varikliu, naudojančiu dujas, reikėjo sukurti specialų irenginį benzinui garinti ir degiam mišiniui su oru gauti.

Benzininis variklis

Naudoti tinkamas benzininis variklis buvo sukurtas tik po dešimties metų. Jo išradėjas buvo vokiečių inžinierius Gottlieb Wilhelm Daimler. Jis daugelį metų dirbo Otto firmoje ir buvo jos valdybos narys. 80-tųjų pradžioje jis pasiūlė savo viršininkui kompaktinio benzininio variklio, kurį būtų galima naudoti transporto priemonėse, projektą. Tačiau Otto labai šaltai priėme Daimlerio pasiūlymą. Tuomet Daimler su savo draugu August Wilhelm Maybach priėmė drąsų sprendimą — 1882 metais jie išėjo iš Otto firmos, nusipirko nedideles dirbtuves šalia Štutgarto ir pradėjo darbuotis prie savo projekto.

Užduotis, kurią iškėlė sau Daimler ir Maybach, buvo išties nelengva: jie nutarė sukurti variklį, kuriam nereikėtų dujų generatoriaus, kuris būtų lengvas ir kompaktiškas, bet kartu pakankamai galingas, sugebantis varyti transporto priemonę. Padidinti galią Daimler ruošėsi, didindamas veleno apsukų skaičių, bet šiam tikslui pasiekti reikėjo užtikrinti reikiamą degaus mišinio uždegimo dažnį. 1883 metais buvo sukurtas pirmasis benzininis kaitinamasis variklis, kuriame mišiniui uždegti buvo naudojamas į cilindrą įstatytas įkaitintas vamzdelis.

Pirmasis benzininio variklio modelis buvo skirtas stacionariam pramoniniam įrenginiui.

Pirmųjų benzininių variklių skystojo kuro garinimo procesas buvo labai primityvus ir jį reikėjo tobulinti. Todėl tikrąją revoliuciją variklių raidoje sukėlė karbiuratoriaus sukūrimas. Jo kūrėju laikomas vengrų inžinierius Donát Bánki. 1893 metais jis patentavo karbiuratorių su purkštuku, kuris yra visų šiuolaikinių karbiuratorių pirmtakas. Skirtingai nuo savo pirmtakų, Bánki siūlė ne garinti benziną, o jį smulkiai išpurkšti ore. Tai užtikrino tolygų benzino pasklidimą cilindre, o garavimas vyko pačiame cilindre dėl šilumos, atsirandančios suslegiant mišinį. Purškimui užtikrinti benzinas buvo įsiurbiamas oro srautu per dozuojamąjį purkštuką, o mišinio sudėties vienodumas buvo užtikrinamas palaikant karbiuratoriuje pastovų benzino lygį. Purkštuką sudarydavo viena arba kelios skylutės vamzdelyje, kuris buvo montuojamas statmenai įsiurbiamo oro srautui. Slėgiui sudaryti buvo numatytas mažas bakelis su plūde, palaikančia kuro lygį, todėl įsiurbiamo benzino kiekis buvo proporcingas patenkančio oro kiekiui.

Pirmieji vidaus degimo varikliai buvo vieno cilindro ir variklio galiai padidinti paprastai buvo didinamas cilindro tūris. Vėliau tai buvo pasiekiama didinant cilindrų skaičių.

XIX amžiaus pabaigoje atsirado dviejų cilindrų varikliai, o nuo XX amžiaus pradžios pradėjo plisti keturių cilindrų varikliai.

Tais pačiais 1872 metais Brighton sugalvojo vieną pirmųjų vadinamųjų „garinančiųjų“ karbiuratorių, tačiau jis veikė netinkamai.