Автомобильные моторы (история и перспективы)

. Рабочий процесс в двигателях  внутреннего сгорания характеризуется  тем, что поршень в цилиндре  настолько сильно сжимает воздух  или какой-нибудь индифферентный  газ (пар) с воздухом, что получающаяся при этом температура сжатия находится значительно выше температуры воспламенения топлива. При этом сгорание постепенно вводимого после мертвой точки топлива совершается так, что в цилиндре двигателя не происходит существенного повышения давления и температуры. Вслед за этим, после прекращения подачи топлива, в цилиндре происходит дальнейшее расширение газовой смеси.

. Для осуществления рабочего  процесса, описанного в п.1, к рабочему  цилиндру присоединяется многоступенчатый  компрессор с ресивером. Равным образом возможно соединение нескольких рабочих цилиндров между собой или же с цилиндрами для предварительного сжатия и последующего расширения.

Первый двигатель Р.Дизель построил уже к июлю 1893 г. Предполагалось, что сжатие будет осуществляться до давления 3 МПа, температура воздуха в конце сжатия будет достигать 800 С, а топливо (угольный порошок) - вводиться непосредственно в цилиндр. При запуске первого двигателя произошел взрыв (в качестве топлива был использован бензин). В течение 1893 г. было построено три двигателя. Неудачи с первыми двигателями вынудили Р.Дизеля отказаться от изотермического сгорания и перейти к циклу со сгоранием при постоянном давлении.

В начале 1895 г. был успешно испытан  первый компрессорный двигатель  с воспламенением от сжатия, работающий на жидком топливе (керосине), а в 1897 г. начался период широких испытаний нового двигателя. Эффективный КПД двигателя составлял 0,25, механический КПД - 0,75. Первый двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия для промышленных целей был построен в 1897 г. Аугсбургским машиностроительным заводом. На выставке в Мюнхене в 1899 г. уже было представлено 5 двигателей Р.Дизеля заводами Отто-Дейтц, Круппа и Аугсбургского машиностроительного. Успешно демонстрировались двигатели Р. Дизеля и на Всемирной выставке в Париже (1900). В дальнейшем они нашли широкое применение и по имени изобретателя получили название «дизельные двигатели» или просто «дизели».

В России первые керосиновые двигатели начали строиться в 1890 г. на заводе Е.Я. Бромлея (четырехтактные калоризаторные), а с 1892 г. и на механическом заводе Э. Нобеля. В 1899 г. Нобель получил право на производство двигателей Р. Дизеля и в том же году завод приступил и их выпуску. Конструкцию двигателя разработали специалисты завода. Двигатель развивал мощность 20-26 л.с., работал на сырой нефти, соляровом масле, керосине. Специалисты завода выполнили также разработки двигателей с воспламенением от сжатия. Они построили первые безкрейцкопфные двигатели, первые двигатели с V-образным расположением цилиндров, двухтактные двигатели с прямоточно-клапанной и петлевой схемами продувки, двухтактные двигатели, в которых продувка осуществлялась за счет газодинамических явлений в выпускном канале. Производство двигателей с воспламенением топлива от сжатия было начато в 1903-1911 гг. на Коломенском, Сормовском, Харьковском паровозостроительном заводах, на заводах Фельзера в Риге и Нобеля в Петербурге, на Николаевском судостроительном заводе. В 1903-1908 гг. русский изобретатель и предприниматель Я.В. Мамин создал несколько работоспособных быстроходных двигателей с механическим впрыском топлива в цилиндр и воспламенением от сжатия, мощность которого в 1911 г., составляла уже 25 лс. Впрыск топлива производился в предкамеру, выполненную из чугуна с медной вставкой, что позволяло получить высокую температуру поверхности предкамеры и надежное самовоспламенение. Это был первый в мире бескомпрессорный дизель. В 1906 г. профессор МВТУ В.И. Гриневецкий предложил конструкцию двигателя с двойным сжатием и расширением - прототипа комбинированного двигателя. Им же разработан метод теплового расчета рабочих процессов, который впоследствии был развит Н.Р. Брилингом и Е.К. Мазингом и не потерял своего значения и сегодня. Как видим, специалисты дореволюционной России выполнили несомненно крупные самостоятельные разработки в области двигателей с воспламенением топлива от сжатия. Успешное развитие дизелестроения в России объясняется тем, что Россия имела свою нефть, а двигатели Дизеля наиболее отвечали потребностям небольших предприятий, поэтому производство дизельных двигателей в России началось практически одновременно со странами Западной Европы.

Успешно развивалось  отечественное двигателестроение  и в послереволюционный период. К 1928 г. в стране уже выпускалось свыше 45 типов двигателей суммарной мощностью около 110 тыс. кВт. В годы первых пятилеток был освоен выпуск автомобильных и тракторных двигателей, судовых и стационарных двигателей мощностью до 1500 кВт, созданы авиадизель, танковый дизель В-2, в значительной степени предопределивший высокие тактико-технические характеристики бронетанковой техники страны. Значительный вклад в развитие отечественного двигателестроения внесли выдающиеся советские ученые: Н.Р. Брилинг, Е.К. Мазинг, В.Т. Цветков, А.С. Орлин, В.А. Ваншейдт, Н.М. Глаголев, М.Г. Круглов и др.

Из разработок в области  тепловых двигателей последних десятилетий  ХХ века следует отметить три важнейшие: создание немецким инженером Феликсом Ванкелем работоспособной конструкции роторно-поршневого двигателя, комбинированного двигателя с высоким наддувом и конструкции двигателя с внешним сгоранием, конкурентоспособного с быстроходным дизелем. Появление двигателя Ванкеля было встречено с воодушевлением. Имея малую удельную массу и габариты, высокую надёжность, РПД достаточно быстро получили широкое распространение главным образом на легковом автотранспорте, в авиации, на судах и стационарных установках. Лицензию на производство двигателя Ф. Ванкеля приобрело более чем 20 фирм, в их числе и такие как «Дженерал Моторс», «Форд. К 2000 г. было изготовлено более двух миллионов автомобилей с РПД.

В последние годы продолжается процесс совершенствования и  улучшения показателей бензиновых двигателей и дизелей. Развитие бензиновых двигателей идёт по пути улучшения их экологических характеристик, экономичности и мощностных показателей путем более широкого применения и совершенствования системы впрыска бензина в цилиндры; применения электронных систем управления впрыском, расслоения заряда в камере сгорания с обеднением смеси на частичных нагрузках; увеличения энергии электрической искры при зажигании и т. д. В результате экономичность рабочего цикла бензиновых двигателей становится близкой к экономичности дизелей.

Для повышения технико-экономических  показателей дизелей используют повышение давления впрыскивания топлива, применяют управляемые форсунки, форсирование по среднему эффективному давлению путём наддува и охлаждения наддувочного воздуха, используют мероприятия по снижению токсичности отработавших газов.

Таким образом, непрерывное  совершенствование двигателей внутреннего  сгорания обеспечило им господствующее положение, и только в авиации  двигатель внутреннего сгорания уступил свои позиции газотурбинному двигателю. Для других отраслей народного хозяйства альтернативных энергетических установок малой мощности, столь же универсальных и экономичных, как двигатель внутреннего сгорания, еще не предложено. Поэтому и на отдаленную перспективу двигатель внутреннего сгорания рассматривается как основной тип энергетической установки средней и малой мощности для транспорта и других отраслей народного хозяйства.

 

Перспективы автомобильных моторов

 

В результате обзора и  анализа конструкций автомобильных  двигателей, построенных на протяжении все истории существования автомобилей, на основе современного состояния автомобильной техники можно cделать некоторые заключения о перспективах развития автомобильных двигателей в ближайшем будущем.

Прежде всего следует  сказать о развитии конструкции бензиновых двигателей. На протяжении более полу, века бензиновые двигатели на автомобиле, несмотря на то, что в качестве их конкурентов выступали такие серьезные претенденты на широкое распространение, как паровые, дизельные и электрические двигатели, показали свое несомненное превосходство по большинству показателей. До сих пор нет основания предполагать о широкой замене автомобилей электромобилями до решения проблемы создания легких, емких и прочных аккумуляторов. Еще менее оснований ждать расширения областей использования паровых автомобилей, имеющих ограниченное применение при благоприятных для этого условиях.

Дизельные, газобаллонные  и газогенераторные двигатели автомобилей  составляют в настоящее время  очень небольшой процент по сравнению с бензиновыми и нет оснований ожидать, чтобы число их стало очень быстро увеличиваться. Переработка нефти дает выход бензина в больших количествах, и при современных методах нет возможности вести переработку только на дизельное топливо, потребителями которого являются воздушный, железнодорожный, морской и речной транспорт, стационарные установки и другие отрасли техники.

Главнейшей причиной медленного распространения дизельных  двигателей является их сложность и  больший вес, преимущества же их сказываются только на тяжелых грузовых автомобилях, самосвалах и междугородных автобусах. Газобаллонные автомобили могут получить распространение после организации широкой сети наполнительных станций, однако их доля в автохозяйствах всех стран будет значительно ниже доли бензиновых автомобилей. Газогенераторные автомобили не найдут сколько-нибудь заметного применения, так как низкие показатели и трудности эксплуатации препятствуют их распространению даже в тех местностях, где имеется дешевое твердое местное топливо.

Остановимся кратко на других возможных типах автомобильных  двигателей. В последние годы сильно активизировалась работа по созданию роторных двигателей внутреннего сгорания. Следует заметить, что эта работа велась не один десяток лет, но не принесла успеха вследствие существенных трудностей, стоящих на пути к созданию надежно и долго работающего роторного двигателя, способного сравниться с поршневым. Активизация работ над роторными двигателями вызвана успехом Ф. Ванкеля, разработавшего в ФРГ двигатель, в котором рабочий процесс осуществляется в переменных полостях, образованных между ротором, движущимся по сложной траектории относительно статора, и статором. Изменение объема полостей дает возможность провести процессы, имеющие место в поршневом двигателе, и преобразовать тепло сгорания топлива в механическую работу вращения ротора и вала двигателя. Двигатель Ванкеля, установленный на автомобиле NSU «Принц», развивал мощность 44 л. с. при 9000 об/мин. Литровая мощность двигателя составила 175 л. с./л. Вес без масла и радиатора был 33 кг, а удельный вес - 0,7 кг/л. с. Двигатель удалось сделать надежным. Автомобиль NSU «Принц» с этим двигателем прошел без ремонта 40 000 км. В процессе испытаний выявлены несомненные достоинства этого двигателя и ряд недостатков.

К числу наиболее серьезных недостатков следует отнести следующие:

1) недостаточная герметичность  ротора, которая сказывается при работе на малых оборотах;

2) высокие потери на  трение в уплотнениях;

3) быстрый износ некоторых деталей;

4) повышенный расход  масла;

5) затруднения с отводом тепла от ротора;

6) несовершенство формы камеры сгорания;

7) термические деформации деталей;

8) перегрузка подшипников  главного вала.

По экономичности роторный двигатель не уступает поршневому бензиновому  двигателю. Успехи оказались настолько велики, что лицензии на этот двигатель куп лены рядом фирм, в том числе такой большой фирмой, как Кортес-Райт, производящей газотурбинные установки. Этой фирмой построен роторный двигатель 1RC-6 большой мощности, имеющий литровую мощность 125 л. с.

Естественно, что роторные двигатели еще далеки от совершенства и предстоит громадная работа прежде, чем они станут конкурентноспособными  по отношению к поршневым двигателям, однако показателен тог факт, что  за 6 лет работы над роторным двигателем неизмеримо меньшими силами достигнуты большие успехи, чем за 15 лет работы ряда больших фирм над газотурбинными установками.

Теперь о перспективах газотурбинных двигателей. Возможно, что перспективной силовой установкой на ряде типов автомобилей является газотурбинная. Выпуск их еще не начался и пока не продано ни одного газотурбинного автомобиля. Это можно объяснить прежде всего тем, что, произведя громадные затраты на переоборудование автомобильной промышленности в 50-х годах, владельцы предприятий хотят использовать оборудование заводов еще 5-10 лет, чтобы не нести затрат на новое переоборудование промышленности для выпуска газотурбинных автомобилей. Начав продажу газотурбинных автомобилей, промышленники будут вынуждены их выпускать, хотя бы серийно, а в это время их могут обогнать конкуренты, получившие вместе с купленными машинами в свои руки секреты конструкции так тщательно до сих пор скрываемые.

Правда, во всей автомобильной  литературе о газотурбинных автомобилях  содержатся уверения, что наладить их производство можно только через 5-10 лет, а, может быть, и через больший срок. По всей вероятности основным типом двигателя газотурбинного автомобиля будет газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа. Для грузовых автомобилей и автобусов газовые турбины более перспективны, чем для легковых, так как здесь нет затруднений в расположении теплообменников и турбин, а мощности 150-250 л. с.- наиболее рациональны и практичны. В случае надобности, например, для автомобилей-самосвалов грузоподъемностью 40- 50 г рационально ставить две турбины мощностью по 200-250 л. с. Обе вместе они будут работать только при быстрых и трудных разгонах, при езде в гору и на тяжелых дорогах, в остальное время достаточно работы одной турбины.

Остается сказать о  перспективах атомных автомобилей, которым принадлежит будущее, хотя, вероятно, и не самое ближайшее. Сейчас даже нельзя еще с известной долей достоверности сказать, какой схемой силовой установки будут пользоваться конструкторы. Наиболее известная схема, состоящая из атомного реактора, парового котла и паровой турбины, тяжелая даже в стационарных или судовых вариантах (советская атомная электростанция и советский атомный ледокол), неприемлема для автомобилей по своей громоздкости. Особенно тяжелыми и громоздкими являются экраны биологической защиты от излучения реактора. В лучшем случае атомные установки такого типа могут быть установлены на тяжелых тракторах или автопоездах, перевозящих на нескольких прицепах 100 т и более груза.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Двигатель внутреннего сгорания - это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Создание и развитие ДВС имеет богатую историю. Впервые предложения о создании движущей силы путём сжигания жидкого или газообразного топлива внутри цилиндра поршневой машины были сделаны в конце ХVIII века. На протяжении первой половины XIX века большинство мелких промышленных все настойчивее выдвигали спрос на дешёвые двигатели небольшой мощности, которые всегда были бы готовы к действию. Спрос вызывал целый ряд предложений со стороны многих изобретателей, но работоспособный двигатель появился на мелких предприятиях только в 1860 г. Это был двигатель француза Ленуара, который официально признан изобретателем ДВС. В 1876 Николай Август Отто построив опытный двигатель системы Ленуара убедился в целесообразности осуществления предварительного сжатия рабочей смеси перед сгоранием и таким образом пришёл к четырёхтактному циклу. ДВС оказался принципиально более прост, т.к. устранено одно звено энергетического преобразования - парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность, меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность. В России в 1880-х гг. О.С. Костович построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого ДВС в 1898-99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате ДВС становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. Основным преимуществом ДВС является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные ДВС., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение ДВС на транспортных средствах. Совершенствование ДВС идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций.