Был специфически транспортным. Он питался смесью жидкого топлива с воздухом, притом экономно. Частота вращения вала была в 4-5 раз больше, чем у газовых двигателей, а литровая мощность (л. с/л) - вдвое. На единицу мощности приходилась меньшая масса.
Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин; и эту тихоходность Бенц оправдывал долговечностью и бесшумностью двигателя. Кривошипный механизм оставался открытым, как у стационарных двигателей. Наиболее интересно в двигателе Бенца электрическое зажигание смеси, в принципе такое же, как у теперешних двигателей. Увы, оно работало очень неустойчиво.
Увеличение мощности двигателя
Увеличить мощность двигателя и тем самым скорость автомобиля было не так-то легко. Если увеличивать диаметр цилиндра, то возрастают силы, действующие на его стенки, на детали кривошипного механизма. Если же увеличивать длину хода поршня, то цилиндр трудно разместить на автомобиле, растут размеры частей кривошипа. В обоих случаях двигатель становится тяжелее. Эти обстоятельства привели конструкторов к мысли - умножить число цилиндров. Даймлер выполнял двухцилиндровыми (У-образными) уже свои самые ранние двигатели, а в 1891 году построил первый четырехцилиндровый.
Увеличение числа цилиндров давало не только компактность двигателя при росте его мощности, но и плавность хода. В четырехцилиндровом двигателе каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового двигателя - на два оборота. Вместе с тем конструкция и сборка двигателя при нескольких цилиндрах более сложные, возникают перекосы и прогиб вала. Пришлось ввести на нем противовесы, увеличивать число его опор, установить рядом вспомогательный уравновешивающий вал.
К концу века многие фирмы выпускали одновременно двигатели одно-, двух- и четырехцилиндровые. Старались применить на всех двигателях фирмы одинаковые цилиндры, чтобы наладить массовое производство и упростить их замену в случае повреждения. Пытались выполнять и головку цилиндра съемной (как это делается теперь), чтобы облегчить сборку двигателя и обслуживание клапанов, но не смогли добиться плотности зазора между головкой и цилиндром; нагрев вызывал деформацию головки, герметичность нарушалась. Тогда стали отливать цилиндр заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали люки с нарезными пробками. Отливка получалась замысловатой. Поэтому рубашка водяного охлаждения была съемной (отсюда и ее название), выполненной из латуни или меди. Крепили ее на винтах.
Важное место занимала система распределения, т. е. наполнения цилиндров горючей смесью и их очистки от газов. У всех ранних двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим тарельчатым клапаном - «тарелочкой» на стержне вроде опрокинутого гриба. По форме клапан похож на нынешний, открывался благодаря разрежению в цилиндре при такте впуска, а в остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Несмотря на частые заедания, простота конструкции такого клапана привлекала специалистов до первых годов XX века. А затем с увеличением частоты вращения вала перешли на управляемый клапан.
Выпускным же клапаном с самого начала управляли, как золотником у паровой машины, при помощи эксцентрика и тяги. С отказом от автоматического клапана и увеличением числа цилиндров множилось и число эксцентриков. Это натолкнуло конструкторов на мысль о едином вале с кулачками вместо эксцентриков, с приводом его от коленчатого вала. Кулачки установили так, что их выступы в нужный момент приподнимали стержни клапанов. При дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым. Устройство распределительного механизма приобрело схему, сохранившуюся до наших дней. Чтобы возместить несовершенство тогдашних карбюраторов, этому механизму придавали еще одну функцию: водитель мог особым (еще одним!) рычагом – отключателем сместить распределительный вал и вывести кулачки из-под клапанов, временно прекратить их действие.
Хотя, казалось бы, автомобильный двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы очень скоро пришли к выводу о большей эффективности водяного охлаждения. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, иногда опоясывавшие весь капот двигателя. Змеевики, несмотря на их громоздкость, большую массу и возможные отказы, просуществовали около 15 лет. На модели «Мерседес» (1901) впервые применен знакомый ныне трубчатый или сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения, изменивший облик автомобиля. В конце XIX века появились водяные насосы, вращаемые коленчатым валом. Для продувки воздуха через радиатор, особенно при медленной езде, применили вентилятор, расположенный позади радиатора или объединенный с маховиком двигателя (в этом случае ставили под двигателем кожух для герметизации подкапотного пространства).
К началу XX века утвердилась система смазки двигателя разбрызгиванием. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали заполнявшее картер масло, его капли смазывали цилиндры и подшипники. Для смазки прочих механизмов автомобиля предназначалась целая батарея «капельниц», красовавшаяся на переднем щитке или сбоку кузова. Время от времени водитель или его помощник нажимали кнопки капельниц.
В разработке приборов, предназначенных для подачи смеси в цилиндры и ее воспламенения, пришлось соприкоснуться со сравнительно новыми научными дисциплинами: электротехникой, газо- и гидродинамикой.
Задолго до появления автомобилей был известен пульверизатор. Стоило поставить его на пути бензина из бака к двигателю, и разрежение в цилиндрах при такте впуска создавало бы тягу воздуха и распыляло бензин. Смешиваясь с воздухом, он образовывал горючую смесь. Однако конструкторы считали, что такая «парикмахерская» схема слишком деликатна для грубых двигателей того времени.
Появление карбюраторов
Изобретали различные замысловатые карбюраторы. Работа карбюратора Маркуса напоминает процесс разбрызгивания краски со щетки (отсюда название - щеточный карбюратор). В «барботажном» (взбалтывающем) карбюраторе Бенца воздух проходил через толщу бензина в баке. Слой бензина по мере его расхода становился тоньше, а смесь - менее насыщенной; прибор работал нормально лишь в начале поездки. От фитильного карбюратора отказались, так как из-за разрежения в цилиндре порой засасывало… сами фитили и двигатель останавливался. При использовании поверхностного карбюратора водителю приходилось постоянно наблюдать за уровнем бензина.
Не добившись желаемого результата, конструкторы обратились к отвергнутому пульверизатору. Пульверизационный карбюратор Даймлера и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры, как из пульверизатора, распыленной струей. Эта схема в принципе сохранилась до наших дней.
Системы зажигания
Разнообразие конструктивных решений характерно и для ранних систем зажигания. Об их «эффективности» свидетельствуют слова «Доброго зажигания!», которыми когда-то приветствовали друг друга автомобилисты. И ныне среди водителей сохранился термин «на длинном зажигании» (буксировка отказавшего автомобиля).
Ленуаровские электрические приборы были настолько не-совершенны, что снабженный ими первый автомобиль Бенца мог работать только на очень ровной дороге, в сухую погоду и вблизи от зарядной станции или имея «на борту» запас сухих бунзеновских элементов. Попробовали заменить их динамо-машиной, но она не работала при малых оборотах; для пуска двигателя нужно было вручную очень энергично раскрутить его вал или каким-либо способом разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был еще очень тяжел, энергетически слаб, портился от тряски.
Многих автостроителей привлекало изобретенное в 1895 году немецким инженером-электриком Робертом Бошем (1861 -1942) «Магнитное зажигание на отрыв». Эта система вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, приводившаяся от якоря. Разрыв происходил в камере сгорания. Возникала искра, воспламенявшая смесь. Система работала надежно, если частота вращения двигателя не превышала 300 об/мин.
Г. Даймлера и В. Майбаха, добивавшихся больших оборотов двигателя, ни одна из тогдашних электрических систем зажигания не удовлетворяла. Поэтому до самого конца XIX века на автомобилях «Даймлер» применялась платиновая калильная трубка, несмотря на ее дороговизну, пожарную опасность и на то, что она нередко вызывала преждевременное воспламенение смеси. В Германии был даже подготовлен законопроект о запрете калильного зажигания. Даймлер первым применил на серийном автомобиле предложенную Р. Бошем магнитоэлектрическую машину с двумя обмотками якоря. Ее назвали «магнето высокого напряжения». Она позволила достичь надежного зажигания и не зависела от числа оборотов двигателя. Автомобили с магнето просуществовали до 1930-х годов.
Так шаг за шагом создавался автомобильный двигатель. Его мощность возросла к началу XX века в десятки раз, а удельная мощность - в 7 раз, расход топлива на 1 л. с. сократился вдвое. Черты сходства со стационарными двигателями почти утратили, кроме самых общих.
Первые идеи создания двигателей внутреннего сгорания относятся к XVII веку, в 1 680 году Гюйгенс предлагал построить двигатель, работающий за счет взрывов заряда пороха в цилиндре. К концу XVIII - началу XIX веков относится ряд патентов связанных с преобразованием тепла органического топлива в работу в цилиндре двигателя.
Дизельный двигатель
Однако первый двигатель подобного типа, пригодный для практического использования, построен и запатентован Ленуаром (Франция) в 1860 году. Двигатель работал на светильном газе, без предварительного сжатия, и имел КПД около 3%.
В 70-80-е годы XIX века началось широкое практическое применение бензиновых двигателей с искровым зажиганием, работавших по циклу быстрого сгорания. С 1885 года началась постройка автомобилей с бензиновыми ДВС. Большой вклад в развитие этого типа двигателей внесли Карл Бенц, Роберт Бош (Германия), Даймлер (Австрия). Имели развитие эти двигатели и в России - капитан русского флота И.С. Костович построил в 1879 году самый легкий в то время двигатель для дирижабля мощностью 80 л.с. с удельным весом 3 кг/л.с., намного опередив немецких инженеров.
Следующим этапом в развитии ДВС явилось создание так называемых «калоризаторных» двигателей, в которых топливо воспламенялось не от электрической искры, от раскаленной детали в цилиндре. Такие двигатели начали строить в начале 90-х годов XIX века.
В 1892 году Рудольф Дизель, инженер фирмы МАН (Германия), получил патент на устройство нового двигателя внутреннего сгорания (патент № 67207 от 28 февраля 1892 года). В 1893 году им была выпущена брошюра “Теория и конструкция рационального теплового двигателя, призванного заменить паровую машину и другие существующие в настоящее время двигатели». В «рациональном» двигателе предполагалось давление сжатия - 250 ат, КПД - 75%, работа - по циклу Карно (подвод тепла при T=const), без охлаждения цилиндров, топливо-угольная пыль.
Официальным испытаниям в феврале 1897 года был предъявлен лишь 4-й двигатель, имевший мощность около 20 л.с., давление сжатия 30 ат и КПД 26-30%. Такой высокий КПД не достигался ранее ни в одном тепловом двигателе.
Костович у своего двигателя Цикл нового двигателя значительно отличался от описанного в патенте и в брошюре. В нем осуществлялись ранее известные и апробированные в других опытных двигателях принципы - предварительного сжатия воздуха в цилиндре, непосредственной подачи топлива в конце такта сжатия, самовоспламенения топлива и т.д. Отличия построенного двигателя от 1-го патента и использование идей других изобретателей послужили причиной многих выпадов против Р. Дизеля, его многочисленных судебных тяжб и финансовых затруднений.
Вероятно, это и дало повод к трагической гибели Р. Дизеля перед началом 1-й мировой войны. Тем не менее, в честь признания заслуг Р. Дизеля в создании нового двигателя и его широком внедрении в промышленности и транспорте двигатель с воспламенением топлива от сжатия получил название «дизель».
Русские инженеры решили многие конструктивные вопросы дизелестроения, при-дали деталям ту конструкцию, которая впоследствии стала общепринятой. В нашей стране были решены и вопросы, связанные с применением дизелей на судах. В 1903 году вступил в строй первый в мире теплоход «Вандал», танкер озерного типа грузоподъемностью 820 т с тремя нереверсивными 4-тактными двигателями суммарной мощностью 360 л.с. В 1908 году построен первый в мире морской теплоход - танкер «Дело» (впоследствии «В. Чкалов») для плавания в Каспийском море водоизмещением 6000 т с двумя дизелями по 500 л.с. Следом за заводом «Л. Нобель» к производству дизелей приступили Коломенский и Сормовский заводы.
Человек, который построил первый дизельный двигатель В 1893 году на заводе фирмы МАН в Аугсбурге была сделана попытка построить такой двигатель. Работами руководил сам автор. При этом выяснилась невозможность реализации идеи - на угольной пыли двигатель работать не мог, сгорание при T=const осуществить не удалось. В 1894 году построен 2-й двигатель, способный работать без нагрузки непродолжительное время. Более удачным оказался 3-й двигатель постройки 1895 года. В нем отказались от основных предложений Р. Дизеля - двигатель работал на керосине, распыливание топлива производилось сжатым воздухом, сгорание - при Р=const, предусматривалось водяное охлаждение цилиндров.
Благодаря успехам дизелестроения в России дизели стали называть одно время «русскими двигателями». Россия сохраняла ведущее положение в судовом дизелестроении вплоть до 1-й мировой войны. Так, до 1912 года во всем мире было построено 16 теплоходов с мощностью главных дизелей более 600 л.с.; из них 14 построено в России. Даже в 20-е годы, несмотря на большие разрушения народного хозяйства в период 1-й мировой и гражданской войн, в нашей стране были созданы и выпускались судовые малооборотные крейцкопфные двигатели марок 6 ДКРН 38/50, 4ДКРН 41/50 и 6ДКРН 65/86 агрегатной мощностью соответственно 750, 500 и 2400 л.с.
Преимущественное распространение в мировой практике от начала использования до середины 30-х годов имели компрессорные дизели, в которых топливо подавалось в цилиндр с помощью сжатого до высокого давления воздуха. Как правило, в качестве главных использовались малооборотные крейцкопфные 2-х или 4-тактные дизели, часто двойного действия. Продувка 2-тактных ДВС осуществлялась поршневым продувочным насосом, приводимым от коленчатого вала.
Идея бескомпрессорного дизеля, запатентованная в 1898 году студентом Петербургского технологического института Г.В. Тринклером (впоследствии профессором Горьковского института инженеров водного транспорта), получила широкое развитие лишь в 30-е годы, когда была создана достаточно надежная топливная аппаратура для непосредственного впрыска топлива с помощью насосов высокого давления.
Первый двигатель Рудольфа Дизеля В 1898 году Петербургский механический завод фирмы «Людвиг Нобель» (ныне завод
«Русский дизель») купил лицензию на производство новых двигателей. Была поставлена цель - обеспечить работу двигателя на дешевом топливе - сырой нефти (вместо дорогого керосина, применявшегося на Западе). Эта задача была успешно решена - в январе 1899 года был испытан первый дизель, построенный в России, мощностью 20 л.с. при частоте вращения 200 об/мин.
Особенно быстрое развитие дизелестроения наблюдалось после 2-й мировой войны. Преимущественное распространение в качестве главного двигателя на судах транспортного флота получил малооборотный крейцкопфный 2-тактный реверсивный бескомпрессорный дизель простого действия, работающий непосредственно на винт. В качестве вспомогательных двигателей использовались и используются по сей день среднеоборотные тронковые 4-тактные дизели.
В 50-е годы ведущие дизелестроительные фирмы развернули работы по форсировке двигателей с помощью газотурбинного наддува, испытанного и запатентованно¬го инж. Buchi (Щвейцария) еще в 1925 году. В малооборотных 2-тактных двигателях благодаря наддуву среднее эффективное давление в цилиндре Ре было поднято от 4-6 кг/см2 (начало 50-х годов) до 7-5-8,3 кг/см2 в 60-е годы при значении эффективного КПД двигателей до 38-40%. В 70-е годы при дальнейшей форсировке двигателей наддувом среднее эффективное давление в цилиндре было увеличено до 11-12 кг/см2; максимальные диаметры цилиндров достигли 1050-1060 мм при ходе поршня 1900-2900 мм и цилиндровой мощности 5000-6000 элс.
В настоящий период промышленность поставляет на мировой рынок судовые малооборотные двигатели со средним эффективным давлением в цилиндре 18-19,1 кг/см2, с диаметром цилиндров до 960-980 мм и хо¬дом поршня до 3150-3420 мм. Агрегатные мощности достигают 82000-93000 элс. при эффективном КПД до 48-52%. Таких показателей экономичности не добивались ни в одном тепловом двигателе.
У среднеоборотных 4-х тактных двигателей в 50-е годы среднее эффективное давление Ре лежало в пределах 6,75-8,5 кг/см2. В 60-е годы Ре было увеличено до 14-15 кг/см2. В 70-80-е годы все ведущие дизелестроительные фирмы достигли уровня Ре 17-20 кг/см2; в опытных двигателях получено Рe 25-30 кг/см2. Максимальный диаметр цилиндра составил Дц = 600-650 мм, ход поршня S = 600-650 мм, максимальная цилиндровая мощность Neц = 1500-1650 элс., эффективный КПД 42-45 %. Примерно такие показатели предлагаются на рынке среднеоборотных 4-тактных двигателей и сегодня.
Тенденция к более широкому использованию среднеоборотных двигателей в качестве главных на судах морского флота проявились в 60-е годы. В какой-то степени было связано с успехами фирмы Пилстик (Франция), создавшей двигатель РС-2 высокой конкурентоспособности, а также с потребностями развития специализированных судов, выдвигавших ограничение по высоте машинного отделения. В последующем двигатели этого типа были созданы и другими фирмами - V 65/65 Зульцер-МАН, 60М Митсуи, ТМ-620 Сторк, Вяртсиля 46 и др. Дальнейшее совершенствование среднеоборотных судовых двигателей идет по пути увеличения хода поршня, форсировки наддувом, повышения экономичности рабочих циклов и экономичности эксплуатации путем использования все более тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов с выхлопными газами в окружающую среду.
Судовой дизельный двигатель Вяртсиля Малооборотный 2-тактный дизель остается наиболее распространенным главным двигателем современных морских судов. При этом в результате острой конкурентной борьбы на рынке этого класса двигателей остались лишь 2 конструкции - фирмы Бурмейстер и Вайн (Дания) и Зульцер (Швейцария). Прекратили выпуск малооборотных двигателей подобной конструкции фирмы МАН (Германия), Доксфорд (Англия), Фиат (Италия), Гетаверкен (Швеция), Сторк (Голландия).
Фирма Зульцер, создав в начале 80-х годов достаточно высокоэффективный ряд двигателей типа RTA, тем не менее, из года в год сокращала их выпуск. В 1996 и 1997 гг. фирма вообще не получила заказов на двигатели RTA. Как итог, контрольный пакет акций фирмы Нью Зульцер Дизель был куплен фирмой Вяртсиля (Финляндия).
Фирма Бурмейстер и Вайн создала в 1981 году ряд высокоэкономичных длинноходовых двигателей типа МС. Однако фирма не могла преодолеть финансовых затруднений и уступила контрольный пакет акций фирме МАН. Объединение MAN-B&W продолжает совершенствовать двигатели ряда МС, предлагая потребителям крейцкопфные двигатели с диаметром цилиндров от 280 до 980 мм и с отношением хода поршня к диаметру, равным S/D = 2,8; 3,2 и 3,8.
В России современные малооборотные дизели выпускаются с 1959 года на Брянском машиностроительном заводе по лицензии фирмы Бурмейстер и Вайн. Двигатели устанавливаются как на отечественных судах, так и на судах иностранной постройки.
Дальнейшее совершенствование малооборотных крейцкопфных двигателей идет по пути их форсировки наддувом, уменьшения удельного веса, повышения надежности, увеличения срока службы между вскрытиями, использования самых тяжелых остаточных топлив, снижения вредных выбросов в окружающую среду. Учитывая ограниченность запасов жидкого нефтяного топлива на земле, проводятся исследовательские работы по использованию угольной пыли в качестве топлива в цилиндре малооборотного дизеля.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ Лекция 6 История развития авиационных двигателей. Часть 1 Период поршневых авиационных двигателей
✪ Первые автомобили (рус.) Новая история
✪ Современная техника для чайников. Лекция 8. Двигатели внутреннего сгорания
Субтитры
Филипп Лебон
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.
Николаус Отто
Поиски нового горючего
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту - бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.
Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Бензиновый двигатель
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С. , предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер Готлиб Даймлер . Много лет он работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнёсся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение - в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.
Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счёт увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от, а мелко распылять его в воздухе . Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалось за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.
Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра . Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала столетия стали распространяться четырёхцилиндровые.
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
(факультет МиАС)
Введение. Двигатели внутреннего сгорания
Роль и применение ДВС в строительстве
Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют поршневой тепловой двигатель, в котором процессы сгорания топлива, выделение теплоты и превращение ее в механическую работу происходят непосредственно в цилиндре двигателя.
Рис 1. Общий вид дизельного ДВС
Двигатели внутреннего сгорания, особенно дизельные, нашли самое широкое применение в качестве силового оборудования на разнообразных строительных и дорожных машинах, требующих независимости от внешних источников энергии. Это, в первую очередь, транспортные (автомобили общего и специального назначения, седельные тягачи, тракторы), погрузочно-разгрузочные машины (вилочные и ковшовые погрузчики, многоковшовые погрузчики), стреловые самоходные краны, машины для земляных работ и т.д. На строительных и дорожных машинах применяются двигатели мощностью от 2 до 900 кВт.
Особенностью их эксплуатации является то, что эти машины длительное время эксплуатируются на режимах близких к номинальным, при значитель-
ном и непрерывном изменении внешней нагрузки, повышенной запыленнос-ти воздуха, в существенно различных климатических условиях и нередко без гаражного хранения.
Рис 2. Габаритные размеры различных типов двигателей: а – мотоцикла;
б – легкового автомобиля; в – грузового автомобиля средней грузоподъем-ности; г – тепловоза; д – судового дизеля; е – авиационного ТРД.
Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был изобретен французским инженером Ленуаром в 1860 г. Этот двигатель во многом повторял паровую машину, работал на светильном газе по двухтактному циклу без сжатия. Мощность такого двигателя составляла примерно 8 л.с., КПД – около 5%. Этот двигатель Ленуара был очень громоздким и поэтому не нашел дальнейшего применения.
Через 7 лет немецкий инженер Н. Отто (1867 г.) создал 4-х-тактный двигатель с воспламенением от сжатия. Этот двигатель имел мощность 2 л.с., с числом оборотов 150 об/мин. Двигатель мощностью 10 л.с. имел КПД 17% , массу 4600 кг нашел широкое применение. Всего таких двигателей было выпущено более 6 тыс.1880 г. мощность двигателя была доведена до 100 л.с.
В 1885 г. в России капитан Балтийского флота И.С.Костович создал двигатель для воздухоплавания мощностью 80 л.с. с массой 240 кг. Тогда же в Германии Г.Даймлер и независимо от него К.Бенц создали двигатель небольшой мощность для самодвижущихся экипажей – автомобилей. С этого года началась эра автомобилей.
Рис 3. Двигатель Ленуара: 1 – золотник; 2 – полость охлаждения цилин-дра: 3 – свеча зажигания: 4 – поршень: 5 – шток поршня: 6 – шатун: 7 – контактные пластины зажигания: 8 – тяга золотника: 9 – кривошипный вал с маховиками: 10 – эксцентрик тяги золотника.
В конце 19 в. немецким инженером Дизелем был создан и запатентован двигатель, который впоследствии стали называть по имени автора двигателем Дизеля. Топливо в двигателе Дизеля подавалось в цилиндр сжатым воздухом от компрессора и воспламенялось от сжатия. КПД такого двигателя составляло примерно 30%.
Интересно, что за несколько лет до Дизеля русский инженер Тринклер разработал двигатель, работающий на сырой нефти по смешанному циклу – по которому работают все современные дизельные двигатели, однако он не был запатентован, а имя Тринклера мало кто теперь знает.
Введение
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС нашли очень широкое распространение. Основным недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартёр. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Кроме этого ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов).
двигатель внутреннее сгорание автомобиль
История создания двигателя внутреннего сгорания
В настоящее время никого не удивишь использованием двигателя внутреннего сгорания. Миллионы автомобилей, бензогенераторов и других устройств используют в качестве привода ДВС (двигатели внутреннего сгорания). Появление этого типа двигателя в 19 веке обусловлено в первую очередь необходимостью создания эффективного и современного привода для различных промышленных устройств и механизмов. В то время, в основной своей массе, использовался паровой двигатель. Он имел массу недостатков, например, низкий коэффициент полезного действия (т.е. большинство энергии затрачиваемой на производство пара просто пропадало), был достаточно громоздким, требовал квалифицированного обслуживания и большого количества времени на запуск и остановку. Промышленности требовался новый двигатель лишенный этих недостатков. Им стал двигатель внутреннего сгорания.
Еще в 17 веке голландский физик КристианХагенс начал эксперименты с двигателями внутреннего сгорания, а в 1680 году был разработан теоретический двигатель, топливом для которого служил черный порох. Однако до воплощения в жизнь идеи автора так и не дошли.
Первым, кому удалось создать первый в мире действующий двигатель внутреннего сгорания был НисефорНьепс. В 1806 году он с братом представили в Национальный институт (так называлась тогда французская Академия наук) доклад о новой машине, которая «по силе была бы сравнима с паровой, но потребляла бы меньше топлива». Братья назвали ее «пирэолофор». С греческого это можно перевести как «влекомая огненным ветром». Работала она на угольной пыли, а не на бензине или газе. В те времена не было ни газовой, ни нефтеперерабатывающей промышленности.изобретение пирэолофора вызвало большой интерес. Двум комиссарам было поручено разобраться в изобретении. Одним из комиссаров был Лазар Карно. Карно дал положительный отзыв, даже попавший в газеты. Хотя у двигателя был ряд недоработок, многие из них нельзя было устранить на то время из-за отсутствия необходимых технологий: поджиг пыли, например, осуществлялся при атмосферном давлении, распределение горючего вещества внутри камеры было неравномерным, да и прилегание поршня к стенкам цилиндра требовало совершенствования. В те времена поршень паровой машины считался подогнанным к стенкам цилиндра, если между ними с трудом проходила монета.
Братья построили двигатель и оснастили им в 1806 году трехметровую лодку, весом 450 кг. Лодка ходила вверх по речке Соне со скоростью вдвое больше скорости течения.
У Лазара Карно был сын - лейтенант Главного штаба Сади Карно, который в 1824 году издает в 200 экземплярах работу, увековечившую впоследствии его имя. Это «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». В этой книжке он заложил основы термодинамики - теории для разработки двигателей внутреннего сгорания. В книге упоминалась машина Ньепсов, которая, возможно, и натолкнула Сади Карно на размышления о двигателях будущего - всех двигателях внутреннего сгорания: и газовых, и карбюраторных, и дизельных. Он также предлагает дальнейшее совершенствование двигателя, начиная от сжатия воздуха в цилиндре и т.д.
Пройдет еще четверть века, прежде чем английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) и немецкий физик Рудольф Клаузиус возродят идеи Карно и сделают термодинамику наукой. О Ньепсах вообще никто не вспомнит. А следующий двигатель внутреннего сгорания появится лишь в 1858 году у бельгийского инженера Жан ЖосефаЭтьенЛенуара. Двухтактовый электрический карбюраторный двигатель, двигатель с искровым зажиганием, топливом для которого служил каменноугольный газ, станет первым коммерчески успешным двигателем такого рода. Первый двигатель проработал лишь несколько секунд из-за отсутствия системы смазки и системы охлаждения, которые были успешно применены на последующих образцах. В 1863 году Ленуар улучшил конструкцию своего двигателя, использовав вместо газового топлива, керосин. На нем трехколесный прототип современных машин проехал исторические 50 миль.
Двигатель Ленуара не был лишен недостатков, его КПД достигал лишь 5%, он не очень эффективно расходовал топливо и смазочные материалы, слишком сильно нагревался и т.д., но это был первый, после долгих лет забвения, коммерчески успешный проект создания нового двигателя для нужд промышленности. В 1862 году французский ученый Альфонс Беу де Рохас предложил и запатентовал первый в мире четырехцилиндровый двигатель. Но до его создания, а тем более коммерческого производства дело так и не дошло.
1864 год - австрийский инженер Зигфрид Маркус создал первый в мире одноцилиндровый карбюраторный двигатель, работающий от сгорания сырой нефти. Несколько лет спустя этот же ученый сконструировал транспортное средство, передвигающееся со скоростью 10 миль в час.
1873 год - Джордж Брайтон предложил новую конструкцию 2-х цилиндрового карбюраторного керосинового двигателя, в последствие ставшим бензиновым. Это был первая безопасная модель, правда слишком массивная и медленная для коммерческого использования.
1876 год - Николас Отто, спустя 14 лет после теоретического обоснования работы 4-х цилиндрового двигателя Рохасом, создал рабочую модель, известную, как «цикл Отто», цикл с воспламенением от искрового разряда. ДВС Отто имел вертикальный цилиндр, вращаемый вал располагался на боку, с валом была соединена специальная рейка. Вал поднимал поршень, за счет чего образовывалось разрежение, благодаря которому всасывалась топливовоздушная смесь, которая впоследствии воспламенялась. В двигателе не использовалось электрическое зажигание, инженеры не обладали достаточным уровнем знаний в электротехнике, смесь воспламенялась отрытым пламенем через специальное отверстие. После взрыва смеси возрастало давление, под действием которого поршень поднимался (сначала под действием газа, а потом по инерции) и специальный механизм отсоединял рейку от вала, вновь создавалось разрежение, топливо засасывалось в камеру сгорания, и процесс повторялся вновь. КПД этого двигателя превышал 15 %, что было значительно выше, чем КПД любой паровой машины того времени. Удачная конструкция, высокая экономичность, а так же постоянная работа над устройством агрегата (именно Отто в 1877 году запатентовал новый вид двигателя внутреннего сгорания с четырехтактным циклом, который лежит в основе большинства современных ДВС) позволило занять значительную долю рынка приводов для различных устройств и механизмов.
1883 год - французский инженер Эдуард Деламар-Деботвиль конструирует одноцилиндровый четырехтактовый двигатель, топливом в котором служил газ. И хотя до практического воплощения идей дело так и не дошло, по крайней мере, на бумаге Деламар-Деботвиль опередил ГотлибаДаймлераи Карла Бенца.
1885 год - ГотлибДаймлер создал то, что сегодня называют прототипом современного газового двигателя - устройство с вертикально расположенными цилиндрами и карбюратором. Для этих целей Даймлер совместно со своим другом Вильгельмом Майбахом приобрели мастерскую близ города Штутгарт. Двигатель создавался для того, чтобы он мог двигать экипаж, поэтому требования, предъявляемые к нему, были весьма значительными. ДВС должен был быть, компактным, обладать достаточной мощностью и не требовать газогенератора. “Reitwagen” - так назвали первое двухколесное транспортное средство изобретатели. Год спустя миру предстал и первый прототип 4-х колесного авто. Майбах разработал эффективный карбюратор, который обеспечивал эффективное испарение топлива. В то же время венгр Банки запатентовал устройство карбюратора с жиклером. В отличие от предшественников в новом карбюраторе предлагалось не испарять, а распылять топливо, которое испарялось непосредственно в цилиндре двигателя. Так же карбюратор дозирует топливо и воздух и равномерно смешивает их в нужной пропорции.ГотлибДаймлер с самого начала своей инженерной карьеры он был убежден, что паровой двигатель устарел и нуждается в скорейшей замене. Газовые двигатели - вот в чем видел перспективу развития Даймлер. Ему пришлось обстучать множество порогов фирм, которые не хотели рисковать и вкладывать деньги в пока еще неизвестный им продукт. Майбах, первый человек, который понял его, впоследствии стал его другом и партнером. В 1872 году Даймлер совместно с Николасом Отто собирает всех лучших специалистов, с которыми ему приходилось когда-либо работать во главе с Майбахом. Задача была сформулирована следующим образом: создать работоспособный и эффективный газовый двигатель. И уже два года спустя эта задача была выполнена, а производство двигателей поставлено на поток. Два двигателя в день - огромная скорость по тем меркам. Но здесь позиции Даймлера и Отто на дальнейшее развитие фирмы начинают расходиться. Первый считает, что необходимо усовершенствовать конструкцию и провести ряд исследований, второй говорит о необходимости увеличить производство уже сконструированных двигателей. На почве этих противоречий Даймлер покидает компанию, вслед за ним уходит и Майбах.В 1889 году они организуют фирму «DaimlerMotorenGesellschaft», с конвейера которой сходит первый автомобиль. А двенадцать лет спустя Майбах собирает первый автомобиль Мерседес, названный по имени своей дочери, который впоследствии станет легендой.
1886 год - 29 января Карл Бенц запатентовал конструкцию первого в мире трехколесного газового автомобиля с электрическим зажиганием, дифференциалом и водяным охлаждением. Энергия к колесам подводилась при помощи специального шкива и ремня, присоединенным к передаточному валу. В 1891 году им же была построена 4-х колесная машина. Именно Карл Бенц был первым, кому удалось совместить воедино шасси и двигатель.Уже в 1893 году автомобили Бенца становятся первыми в мире дешевыми транспортными средствами массового производства. В 1903 году Фирма «Benz&Company» слилась с фирмой Даймлера, образовав «Daimler-Benz», а позже «Mercedes-Benz», а сам Бенц стал членом наблюдательного совета, пока не умер в 1929 году. 1889 год - Даймлер усовершенствовал свой четырехтактовый двигатель, предложив V-образное расположение цилиндров и использование клапанов, намного увеличивших удельную мощность двигателя на единицу массы.
Таким был путь развития двигателей внутреннего сгорания, принесших в нашу жизнь комфорт и скорость перемещения. Дальнейшее развитие этого направления покажет время, но уже сейчас конструкторы предлагают достаточно интересные альтернативные варианты конструкции ДВС.