Создание и развитие двигателей внутреннего сгорания

     Создателем  другого универсального парового  двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819). Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 году построил двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принятона ура. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.

В двигателе  Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня вовращательное движение колеса.

     Уже  потом было придумано <двойное действие> машины: направляя поочередно пар то под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю  части цилиндра направлялся специальным парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван <золотником>.

     Затем  Уатт пришел к выводу, что вовсе  не обязательно все время, пока поршень движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет  расширяться и перемещать поршень в крайнее положение. Это сделало машинуэкономичней: меньше требовалось пара, меньше расходовалось топлива.

     Сегодня  один из самых распространенных  тепловых двигателей – двигатель  внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов  таких двигателей.

     Для  оценки теплового двигателя важно  знать, какую часть энергии,

выделяемую  топливом, он превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

     Для  характеристики экономичности вводится  понятие коэффициента полезного действия (КПД).

     КПД  теплового двигателя - это отношение  той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива.

     Первый  дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая  машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, современный стационарный дизель имеет КПД 34-44%.

                          2. ИСТОРИЯ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ В РОСИИ

   Автомобильный   транспорт  в  России  обслуживает   все  отрасли  народного  хозяйства и занимает одно из ведущих  мест  в  единой  транспортной  системе  страны. На долю  автомобильного  транспорта  приходится  свыше  80%  грузов, перевозимых  всеми  видами  транспорта   вместе   взятыми,   и   более   70% пассажирских перевозок.

    Автомобильный  транспорт  создан  в  результате  развития  новой  отрасли народного хозяйства - автомобильной промышленности, которая  на  современном  этапе является одним из основных звеньев отечественного машиностроении.

    Начало  создания  автомобиля  было  положено  более   двухсот  лет  назад (название "автомобиль" происходит  от  греческого  слова autos  -  "сам"  и латинского mobilis - "подвижный"), когда стали изготовлять  "самодвижущиеся" повозки. Впервые они появились в России. В 1752 г. русский  механик-самоучка крестьянин Л.Шамшуренков создал  довольно  совершенную  для  своего  времени"самобеглую коляску", приводимого в движение  силой  двух  человек.  Позднее русский изобретатель И.П.Кулибин создал  "самокатную  тележку"  с  педальнымприводом.  С  появлением  паровой  машины  создание  самодвижущихся  повозок быстро продвинулось вперед. В 1869-1870 гг.  Ж.Кюньо  во  Франции,  а  черезнесколько  лет  и  в  Англии  были  построены  паровые  автомобили.  Широкое  распространение  автомобиля  как   транспортного   средства   начинается   споявлением  быстроходного  двигателя  внутреннего  сгорания.   В   1885   г.Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886  г.К.Бенц - трехколесную повозку. Примерно  в  это  же  время  в  индустриально развитых странах  (Франция,  Великобритания,  США)  создаются автомобили  с  двигателями внутреннего сгорания.

    В конце XIX века в ряде стран возникла автомобильная промышленность.  В царской  России  неоднократно  делались  попытки  организовать   собственное машиностроение. В 1908 г.  производство  автомобилей  было  организовано  на Русско-Балтийском вагоностроительном заводе в  Риге.  В  течение  шести  лет  здесь выпускались автомобили, собранные  в  основном  из  импортных  частей.  Всего  завод  построил  451  легковой  автомобиль  и  не большое   количество грузовых автомобилей. В 1913 г. автомобильный парк в России составлял около 9000 автомобилей, из них большая часть - зарубежного производства.

    После Великой  Октябрьской социалистической революции практически заново пришлось  создавать  отечественную  автомобильную   промышленность.   Начало  развития российского автомобилестроения  относится к 1924  году,  когда в     Москве на заводе АМО были построены первые грузовые автомобили АМО-Ф-15. В период 1931-1941 гг. создается крупно серийное и массовое  производство  автомобилей. В  1931 на  заводе  АМО  началось  массовое  производство  грузовых автомобилей. В 1932 г. вошел в строй завод ГАЗ.

      В 1940 г. начал производство малолитражных автомобилей Московский  завод  малолитражных   автомобилей.   Несколько   позже   был   создан    Уральский  автомобильный  завод.  За  годы  послевоенных  пятилеток  вступили  в  строй  Кутаисский,  Кременчугский,  Ульяновский,  Минский   автомобильные   заводы. Начиная с конца 60-х гг., развитие автомобилестроения характеризуется особо быстрыми темпами. В 1971 г. вступил в строй Волжский  автомобильный завод им. 50-летия СССР.

                 3. ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

    Как было выше  сказано, тепловое расширение  применяется в ДВС.  Но  каким  образом оно применяется и какую функцию выполняет мы рассмотрим  на  примере  работы  поршневого  ДВС.   Двигателем   называется   энергосиловая   машина, преобразующая  какую-либо  энергию  в  механическую  работу.  Двигатели,   в которых механическая работа создается в результате  преобразования  тепловой  энергии, называются тепловыми.  Тепловая  энергия  получается  при  сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической  энергиитоплива,  сгорающего  в  рабочей  полости,  преобразуется   в   механическую  энергию, называется поршневым двигателем  внутреннего  сгорания.  (Советский  энциклопедический словарь)

                                            3. 1. Классификация ДВС

    Как было выше  сказано, в качестве энергетических  установок  автомобилей наибольшее распространение поучили ДВС, в которых процесс  сгорания  топлива с выделением теплоты и превращением  ее  в  механическую  работу  происходит непосредственно  в  цилиндрах.  Но  в  большинстве  современных  автомобилей установлены двигатели  внутреннего  сгорания,  которые классифицируются  по различным признакам: По  способу  смесеобразования  -  двигатели  с  внешним смесеобразованием, у которых  горючая  смесь  приготовляется  вне  цилиндров (карбюраторные и газовые),  и двигатели с внутренним  смесеобразованием (рабочая смесь   образуется   внутри   цилиндров)   -дизели;   По   способу осуществления рабочего  цикла  -  четырехтактные  и  двухтактные;  По  числу цилиндров  -  одноцилиндровые,  двухцилиндровые   и   многоцилиндровые;   По расположению  цилиндров   -   двигатели   с   вертикальным   или   наклонным расположением цилиндров в один ряд,  V-образные  с  расположением  цилиндров под углом (при расположении цилиндров под  углом  180  двигатель  называется двигателем  с  противолежащими  цилиндрами,  или оппозитным);  По   способу охлаждения - на двигатели с жидкостным или воздушным  охлаждением;  По  виду применяемого топлива - бензиновые, дизельные, газовые и  многотопливные; По степени сжатия. В зависимости от степени сжатия различают    двигатели высокого (E=12...18) и низкого  (E=4...9)  сжатия;  По  способу наполнения цилиндра свежим  зарядом: а)  двигатели  без  наддува,  у  которых впуск  воздуха  или  горючей  смеси  осуществляется  за  счет  разряжения  в цилиндре при всасывающем ходе  поршня;)  двигатели  с  наддувом,  у  которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под  давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и  получения  повышенной мощности двигателя; По  частоте  вращения:  тихоходные, повышенной  частоты вращения, быстроходные  ;По  назначению  различают  двигатели  стационарные, авто тракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.

                                   3.2. Основы устройства поршневых ДВС

    Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем,  выполняющих  заданные  им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого  двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и  газораспределительный  механизм,  а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система. Кривошипно-шатунный  механизм  преобразует   прямолинейное   возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

      Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

     Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания. Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и  частичного  их  охлаждения,  наряду  с  этим циркуляция  масла  приводит  к  смыванию   нагара   и   удалению   продуктов изнашивания.

    Система охлаждения  поддерживает нормальный  температурный   режим  работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно  нагревающихся  при  сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и  клапанного механизма.

    Система  зажигания   предназначена  для  воспламенения   рабочей  смеси  в цилиндре двигателя.

    Итак, четырехтактный поршневой двигатель  состоит из цилиндра и  картера, который снизу закрыт поддоном.  Внутри  цилиндра  перемещается  поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана  с  днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан  с  коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках,  расположенных  в  картере. Коленчатый вал состоит из коренных  шеек,  щек  и  шатунной  шейки.  Цилиндр, поршень, шатун и  коленчатый  вал  составляют  так  называемый  кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами,  открытие  и закрытие  которых  строго  согласовано  с  вращением  коленчатого  вала,   а следовательно, и с перемещением поршня.

     Перемещение   поршня  ограничивается  двумя  крайними  положениями,  при которых  его  скорость  равна  нулю.  Крайнее   верхнее   положение   поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ),  крайнее нижнее  его положение - нижняя мертвая точка (НМТ) .

    Безостановочное   движение  поршня  через  мертвые  точки  обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным  ободом.  Расстояние,  проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который  равен  удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.

    Пространство  над днищем поршня  при  нахождении  его  в  ВМТ  называется камерой сгорания; ее объем  обозначается  через  Vс;  пространство  цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его  рабочим  объемом  и обозначается Vh. Сумма объема  камеры  сгорания  Vс  и  рабочего  объема  Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем  цилиндра  (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д -  диаметр

цилиндра. Сумму  всех рабочих объемов цилиндров  многоцилиндрового  двигателя называют   рабочим   объемом   двигателя,   его   определяют   по   формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема  цилиндра Va   к   объему    камеры   сгорания   Vc   называется   степенью    сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия   является   важным   параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его  экономичность  и мощность .

                                                     3. 3. Принцип работы

     Действие  поршневого  двигателя  внутреннего   сгорания   основано   на использовании работы теплового расширения нагретых газов во  время  движения поршня от ВМТ  к  НМТ.  Нагревание  газов  в  положении  ВМТ  достигается  в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом.  При  этом повышается температура газов и давления. Т. к .давление  под  поршнем  равно атмосферному, а в цилиндре оно намного  больше,  то  под  действием  разницы давлений поршень будет перемещаться  вниз,  при  этом  газы  -  расширяться, совершая полезную  работу.  Вот  здесь-то  и  дает  о  себе  знать  тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция:  давление на поршень. Чтобы  двигатель  постоянно  вырабатывал  механическую  энергию, цилиндр необходимо периодически  заполнять  новыми  порциями  воздуха  через

впускной клапан и топливо через форсунку или  подавать через впускной  клапан смесь воздуха с топливом. Продукты  сгорания  топлива  после  их  расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи  выполняют  механизм газораспределения, управляющий открытием и  закрытием  клапанов,  и  система подачи топлива.

             3.4. Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя

    Рабочим   циклом  двигателя  называется  периодически  повторяющийся  ряд последовательных  процессов,  протекающих  в  каждом  цилиндре  двигателя  и обусловливающих превращение тепловой энергии  в  механическую  работу.  Если рабочий  цикл  совершается  за  два  хода  поршня,  т.е.  за   один   оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.