Двигатели автомобилей

Меню


Главная

История

 

 

тексты для сайта

ДВИГАТЕЛЬ - энергосиловая машина, преобразующая энергию топлива, электричества, ветра, солнца и пр. в механическую работу. Тепловые двигатели, в которых энергия топлива преобразуется в механическую работу, составляют наибольшую группу среди первичных двигателей и используют природные энергетические ресурсы в виде химического или ядерного топлива. В основе работы таких двигателей лежит замкнутый (или условно замкнутый) термодинамический цикл. Невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения, так как в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу.

Эффективность работы теплового двигателя определяется так называемым коэффициентом полезного действия - кпд, то есть отношением механической работы к тепловой энергии. Эффективный кпд тепловых двигателей колеблется в пределах 0,1-0,6.

В настоящее время существует большое количество двигателей, использующих тепловое расширение газов. К таким двигателям относятся карбюраторные, дизельные, турбореактивные и т.д.

Тепловой двигатель впервые был построен в 1816 г. Робертом Стирлингом.

Тепловые двигатели, осуществляющие рабочие термодинамические процессы, могут быть разделены на две основные группы:

1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т.д.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Двигатели, у которых топливо распыленное и смешенное с воздухом сгорает внутри цилиндров и в результате выделяющиеся газы - продукты сгорания производят работу, называются двигателями внутреннего сгорания.

По назначению различают двигатели стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.

Важнейший параметр двигателя - мощность. При повышении мощности улучшаются его динамические свойства, автоматически увеличивается его средняя скорость.

В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.

В цилиндрах двигателей перемещаются поршни, которые связаны непосредственно шатуном с коленчатым валом. Поэтому двигатели внутреннего сгорания называют еще поршневыми.

Основным преимуществом двигателей внутреннего сгорания перед другими двигателями, например электрическими, является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.) и транспортные средства могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Но наряду с положительными качествами двигатели внутреннего сгорания обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них.

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. В двигателях с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

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:

- 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.

Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Этьеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной. Хотя известно, что еще в 1826 г. в Лондоне проходили испытания тележки Брауна с двигателем внутреннего сгорания.

В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл:

1. всасывание;

2. сжатие;

3. горение и расширение;

4. выхлоп.

Эта идея была использована немецким изобретателем Николаусом Августом Отто, построившим в 1876-1878 гг. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Топливом для которого служил газ. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов. В России первый двигатель внутреннего сгорания был построен Игнатием Степановичем Костовичем в 1882-1984 гг. на Охтенской судостроительной верфи. Этот четырехтактный двигатель имел мощность 80 л.с. и весил 240 кг. Его предлагалось использовать для движения большого дирижабля. Первые попытки применения бензиновых двигателей на автомобиле были предприняты французским изобретателем Этьеном Ленуаром в 1862 г. Он установил такой двигатель собственной конструкции на экипаже.

Первый в мире четырехцилиндровый бензиновый двигатель был сконструирован в 1891 г. французским инженером Фернаном де Форе (1851-1914). В 1899 г. русским инженером Г.В. Триклером на Путиловском заводе был разработан и изготовлен бескомпрессионный двигатель высокого сжатия с самовоспламенением.

Сравнительно невысокая стоимость, компактность и малая масса позволили широко использовать их на силовых установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения.

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания идет по пути повышения их мощности, надежности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций. Следует отметить общую тенденции в развитии таких двигателей, как постепенное замещение карбюраторных двигателей дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей, увеличение частоты вращения и др.

У автомобильных двигателей внутреннего сгорания пока нет серьезных конкурентов, поэтому есть все основания полагать, что в первое десятилетие XXI века ими будет оснащаться подавляющее большинство автомобилей. Тем не менее, идет постоянный поиск принципиально новых двигателей, которые не будут потреблять нефтяные топлива, а значит, оказывать вредное воздействие на окружающую среду.

Следует отметить еще ряд типов двигателей, некоторые из которых нашли широкое применение:

Воспламенение смеси происходит в результате нагрева в процессе сильного сжатия. В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал первый в мире двигатель с воспламенением топлива от сжатия, развивающий мощность 2,74 л.с.

Среди двигателей внутреннего сгорания дизель в настоящее время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД в широком диапазоне изменения мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены. Основным преимуществом дизельного двигателя от бензинового является более низким (на 25-40%) расходе топлива и меньшая токсичность отработавших газов. Однако дизель более сложен в изготовлении, более металлоемок, уступает ему по удельной мощности.

Первый в мире автомобильный дизельный двигатель был построен в 1910 г. швейцарской фирмой "Сафир АГ". В 1914 г. на заводе "Виккерса" (Германия) был изготовлен первый бескомпрессорный дизельный двигатель. Первый 4-х тактный дизельный двигатель в России был построен в 1932 г. в Москве в НАТИ. Это был дизель мощностью 60 л.с. и предназначался для установки на автомобиле ЗИС-5. На серийных автомобилях дизель стал использоваться в 1923 г. в Германии на "БЕНЦ-5КЗ". Машина имела рабочий объем двигателя 8830 см3, мощность 50 л.с. Масса машины в снаряженном состоянии составляла 4,4 т, грузоподъемность - 5 т, скорость движения - 30 км/ч. Впервые серийное производство дизельных легковых автомобилей было осуществлено в 1936 г. немецкой фирмой "Даймлер-Бенц". Дизель с турбонаддувом впервые на советских автомобилях был применен на самосвале БелАЗ-548А. Широкое использование дизельного двигателя началось в 1949 г. в Штутгарте, когда было освоено поточное производство автомобилей. Дизельный двигатель 300 SD (Германия, Мерседес-Венц) рядный 6-цилидровый турбодизель рабочим объемом 3,5 л мощностью 150 л.с./4000 м-1 и максимальным крутящим моментом 310 Нм. При 2000 об/мин укомплектованная модель "S-класса" последнего поколения при массе 2550 кг развивает максимальную скорость 185 км/ч, разгон с места до 100 км/ч за 13 сек. Средний расход топлива составляет 9,7 л на 100 км.

Первые опыты с паром в качестве средств передвижения проводилась еще в 17 веке. Силовое действие давление воздуха открыл в 1643 г. Эвангелист Торричелли. Еще через 37 лет голландец Кристиан Гюйгенс спроектировал первую силовую паровую машину, которая работала на принципе расширения газов в цилиндре при взрыве пороха. Это был первый двигатель внутреннего сгорания.

Сила взрыва вскоре была заменена французским физиком Денисом Папеном менее разрушительной нор мощной силой пара. В 1690 г. он построил паровую машину, известную как паровой котел.

На первых автомобилях широко использовались паровые двигатели. Однако в дальнейшем из-за низкого их кпд они уступили более экономичным двигателям внутреннего сгорания.

В настоящее время самым старым сохранившимся до настоящего времени в рабочем состоянии паровым двигателем является поршневой балансировочный двигатель 1812 г. фирмы "Боултон и Уотт". Он имеет мощность 26 л.с., ход поршня 1066 мм и находится в Грейт-Бедуине, Великобритании. Первый в мире универсальный паровой двигатель был построен в 1765 г. русским изобретателем Иваном Ивановичем Ползуновым. В 1813 г. алтайский мастер Поликарп Залесов сконструировал паровую турбину.

Самый большой паровой двигатель был построен в 1849 г. по проекту Метью Лоумом на литейном заводе "Хейл" для дренажных работ в Нидерландах. Диаметр поршня - 3,65 м.

На протяжении всего XX века конструкторы автомобильных моторов пытались создать альтернативу поршневому двигателю внутреннего сгорания. Испытывались и роторно-поршневые агрегаты, и двигатели внешнего сгорания, и, наконец, газовые турбины, получившие широкое применение в авиации. Чем же хороша и чем плоха газовая турбина? В ней примерно на 200 трущихся деталей меньше, чем в обычном моторе, поэтому газовый агрегат в целом имеет меньший износ. Высокая температура требует применения особых сортов стали.

В середине 50-х годов применением газотурбинного двигателя в автостроении занялись многие ведущие фирмы мира: американская "большая тройка" - "General Motors", "Ford" и "Chrysler", итальянский "Fiat", французский "Renault", английский "Rover" и т.д. Однако большинство из них вскоре отказались от дальнейшего продвижения нового силового агрегата и устанавливали его только на спортивные или концептуальные модели. Основной причиной тому была крайне неудовлетворительная динамика газотурбинного автомобиля.

Однако использование газотурбинного двигателя продолжается. Дональд Кэмпбелл (Великобритания) на автомобиле "Блуберд" с газотурбинным двигателем на озере Эйр, Австралия 17 июля 1964 г. развил скорость 690,909 км/ч.

Шведcкий автомобильный концерн "Вольво" на Парижском автосалоне в октябре 1992 г. продемонстрировало автомобиль с двумя двигателями - газотурбинным и электрическим. Первым легковым автомобилем с газотурбинным двигателем был "Ровер" 8Т мощностью 136 кВт.

Двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. Назван по имени английского изобретателя Роберта Стирлинга, который в 1816-40 создал двигатель с незамкнутым циклом, работавший на подогреваемом воздухе. Патент на него был получен в 1818 г., а построен в 1827 г.

Двигатель работает по замкнутому регенеративному циклу, состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. Рабочее тело двигателя - гелий или водород под давлением 10-14 Мн/м2 (100-140 кгс/см2) - находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется, а лишь изменяет объем при нагревании и охлаждении.

В этом двигателе топливо сжигается в форсунках, пламя которых направлено на трубки нагревателя. Горение происходит с большим избытком воздуха, вследствие чего в продуктах сгорания содержится: значительно меньше токсичных веществ, чем в продуктах сгорания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Двигатель Стирлинга может работать на любом топливе. Его работа отличается бесшумностью, мягкостью, высокой надёжностью и экономичностью. Основные недостатки таких двигателей: большие габариты и масса, высокая стоимость по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания. По кпд приближается к дизельному двигателю.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 г. инженером Ф. Ванкелем. Особенность двигателя - применение вращающегося ротора (поршня), размещенного внутри цилиндра. Установленный на валу ротор жестко соединен с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Его грани при этом скользят по поверхности цилиндра и отсекают переменные объемы камер в цилиндре. Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения спец. механизма газораспределения.

Первый роторный двигатель шестеренчатого типа был построен в 1799 г. англичанином Д. Мордоком. работоспособный роторный двигатель был впервые изготовлен в 1957 г. Всего было зарегистрировано более 30 тыc. патентов на изготовление и уcовершеcтвование этого двигателя.

Впервые в мире в 1968 г. в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения академии наук под руководством академика В.В. Струминского был изготовлен и проведены испытания двигателя для автомобиля, работающего на водородном топливе. Автомобиль, работающий на водороде, был продемонстрирован летом 1992 г. на всемирной выставке в Рио-де-Жанейро.

В настоящее время самым большим в мире автомобильным двигателем является V-образный 6-цилиндровый, который представлен как экспонат тематического парка Автомобильный мир, открытый в 1984 г. в американском городе Флинт. Его вес более 10 т, диаметр цилиндров 90 см. Действующая модель имеет высоту с трехэтажный дом, и стоила 1 млн. долл.

Во многих странах пытаются создать автомобильные моторы, лишенных недостатков двигателей внутреннего сгорания. Пока к таковым можно отнести главным образом электромобили и автомобили с двигателями на водородном топливе, но научные поиски новых двигателей ведутся и в других направлениях.