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.
Первый по настоящему работоспособный Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС) появился в Германии в 1878 году. Но история создания ДВС уходит своими корнями во Францию. В 1860 году французский изобретатель Этвен Ленуар изобрёл первый двигатель внутреннего сгорания . Но этот агрегат был несовершенен, с низким КПД и не мог быть применён на практике. На помощь пришёл другой французкий изобретатель Бо де Роша , который в 1862 году предложил использовать в этом двигателе четырехтактный цикл:1. всасывание
2. сжатие
3. горение и расширение
4. выхлоп
Именно эта схема и была использована немецким изобретателем Николаусом Отто , построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, КПД которого достигал 22%, что существенно превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Первым автомобилем с четырёхтактным ДВС был трёхколёсный экипаж Карла Бенца , построенный в 1885 году. Годом позже (1886 г) появился вариант
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 и уже выпускался серийно.
Двигатель мощностью 10 л.с. имел КПД 17% , массу 4600 кг и нашел широкое применение. Всего таких двигателей было выпущено более 6 тыс.
К 1880 г. мощность двигателя была доведена до 100 л.с.
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 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.
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.
Конец работы -
Эта тема принадлежит разделу:
Двигатели внутреннего сгорания
факультет МиАС.. Содержание дисциплины.. Введение Двигатели внутреннего сгорания Роль и применение..
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
| Твитнуть |
Все темы данного раздела:
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
Основные механизмы и системы двигателя
ДВС состоит из кривошипно-шатунного механизма, механизма газораспределения и пяти систем: питания, зажигания, смазки, охлаждения и пуска.
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для восп
Теоретические и действительные циклы
Характер рабочего процесса в двигателе бывает различный – подвод теплоты (сгорание) происходит при постоянном объеме (вблизи ВМТ -это карбюраторные двигатели) или при постоянном дав
1.7.3. Процесс сжатияслужит:
1 для расширения температурных пределов между которыми протекает рабочий процесс;
2 для обеспечения возможности получения максимально
Теплообмен в процессе сжатия
В начальный период сжатия после закрытия впускного клапана или продувочных и выпускных окон температура заряда, заполнившего цилиндр, ниже температуры стенок, головки, и днища поршня. Поэтому в пер
Показатели эффективности, экономичности и совершенства конструкции двигателей
Индикаторные показатели:
Рис. 20. Индикаторная диаграмма четырехтактного
Показатели токсичности отработавших газов и способы снижения токсичности
Исходными веществами в реакции горения является воздух, содержащий примерно 85% углерода, 15% водорода и другие газы и углеводородное топливо, содержащее примерно 77% азота, 23% кис
Пределы воспламеняемости топливовоздушных смесей
Рис. 24. Температуры сгорания бензино-воздушных горючих смесей разных составов: Т
Сгорание в карбюраторных двигателях
В карбюраторных двигателях к моменту появления искры рабочая смесь, состоящая из воздуха, парообразного или газообразного топлива и остаточных газов, заполняет объем сжатия. Процесс
Детонация
Детонация – сложный химико-тепловой процесс. Внешними признаками детонации являются появление звонких металлических стуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигат
Сгорание в дизельных двигателях
Особенности процесса сгорания, рис. 28:
- подача топлива начинается с опережением на угол θ до в.м.т. и заканчивается после в.м.т.;
- изменение давления от т.
Формы камер сгорания дизельных ДВС
Неразделенные камеры сгорания.
В неразделенных камерах сгорания Рис.29 улучшение процесса распыливания топлива и перемешивания его с воздухом достига
Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы
3.1. Кривошипно-шатунный механизм (рис.33)предназначен для восприятия давления газов и преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала Он
Наддув, назначение и способы наддува
Наддув цилиндров двигателей может быть либо динамическим, либо осуществляться при помощи специального нагнетателя (компрессора).
Различают три системы наддува при помощи нагнетателей: с п
Системы питания двигателей
4.1 Система питания дизелей. Система питания осуществляет подачу топлива в цилиндры. При этом должны обеспечиваться высокие мощностные
Система питания карбюраторных двигателей
Приготовление и подача к цилиндрам карбюраторных двигателей горючей смеси, регулирование ее количества и состава осуществляется системой питания, работа которой оказывает большое
Контактно-транзисторная система зажигания
КТСЗ начала появляться на автомобилях в 60-х годах. При увеличении степени сжатия, использовании более бедных рабочих смесей и с увеличением частоты вращения коленчатого вала и числа цилиндров кла
Бесконтактно-транзисторная система зажигания
БТСЗ начали применять с 80-х годов. Если в КСЗ прерыватель непосредственно размыкает первичную цепь, в КТСЗ – цепь управления, то в БТСЗ (рис.61-63) прерывателя нет и управление становится бесконта
Микропроцессорные системы управления двигателем
МСУД стали устанавливать на автомобили с середины 80-х годов на легковые автомобили оборудованные системами впрыска топлива.
Система управляет двигателем по оптимальным характеристикам и н
Крышка распределителя
Наружную поверхность крышки распределителя также как и катушки зажигания необходимо содержать в чистоте. У высоких «жигулевских» крышек стекание импульса по наружной поверхности на корпус распредел
Свечи зажигания
Свечи зажигания служат для образования электрической искры, необходимой для воспламенения рабочей смеси в цилиндрах двигателя.
Контакты прерывателя
Надежность классической системы зажигания (KC3) в существенной мере зависит от прерывателя. Часто бывает так, что о прерывателе (кстати, как и о других элементах системы зажигания)
Системы смазки и охлаждения и пуска
Основные положения.Система смазки двигателей предназначается для предотвращения повышенного изнашивания, перегрева и заедания трущихся поверхностей, уменьшения затраты индикаторн
Система охлаждения
В поршневых двигателях в процессе сгорания рабочей смеси температура в цилиндрах двигателя повышается до 2000-28000 К. К концу процесса расширения она снижается до 1000-1
Система пуска
Пуск поршневых д. в. с., независимо от типа и конструкции, осуществл-яется вращением коленчатого вала двигателя от постороннего источника энергии. При этом частота вращения должна о
Топлива
Топлива для ДВС – продукты переработки сырой нефти (бензин, дизельное топливо)-
Основная часть его – углеводороды.
Бензин получают путем конденсации легких фракций переработки неф
Моторное масло
7.3.1.Требования, предъявляемые к моторным маслам.В поршневых двигателях для смазки деталей используют масла главным образом нефтяного происхождения. Физико-химические свойства масел обусл
Охлаждающие жидкости
Через систему охлаждения отводится 25-35% общего тепла. Эффективность и надежность системы охлаждения в значительной степени зависит от качества охлаждающей жидкости.
Требования к охлаж
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.
Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания , являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.
В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:
Шатунно-поршневые
Роторные
Турбореактивные
Реактивные
Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона . Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.
Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…
Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.
Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение.
Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся.
Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.
Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска .
В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна» .
Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».
Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.
Про Алессандро Вольта
Вольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб») .
В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет - «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.
В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.
Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения - Вольт.
A
- цилиндр, B
- «свеча» зажигания, C
- поршень, D
- «воздушный» шар с водородом, E
- храповик, F
- клапан сброса отработанных газов, G
- рукоятка для управления клапаном.
Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.
Принцип работы:
Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух.
Клапан закрывался.
Открывался кран подачи водорода из шара.
Кран закрывался.
Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу».
Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх.
Открывался клапан сброса отработанных газов.
Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.
После этого цикл повторялся.
В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну.
Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов)
и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч.
С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.
Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.
В 1833 году
, американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт , зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.
(см. ниже)
в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:
«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»
Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:
В 1838 году , английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.
Первый двигатель - двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.
Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.
Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.
Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.
Чертёж одного из двигателей Барнетта:
В 1853-57 годах
, итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с.
Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.
Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica) , и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.
Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:
Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:
Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.
В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.
Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.
Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом - циклом Отто . Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто, но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Роша (см. выше) . Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.
Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область их применения.
Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и Петербурге.
В 1865 году , французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.
Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.
Science Museum, London.
В 1870 году , австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку.
Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».
В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль - «Second Marcus Car».
В 1872 году
, американский изобретатель запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине.
Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».
Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй - рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.
Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона» .
В 1878 году , шотландский инженер Сэр (в 1917 году посвящён в рыцари) разработал первый двухтактный двигатель с воспламенением сжатой смеси. Он запатентовал его в Англии в 1881 году.
Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня опускались, из левого цилиндра (через левый патрубок) выбрасывались выхлопные газы, а в правый цилиндр всасывалась новая порция воздуха и топлива. Следуя по инерции поршни поднимались и цикл повторялся.
В 1879 году , построил вполне надежный бензиновый двухтактный двигатель и получил на него патент.
Однако настоящий гений Бенца проявился в том, что в последующих проектах он сумел совместить различные устройства (дроссель, зажигание с помощью искры с батареи, свеча зажигания, карбюратор, сцепление, КПП и радиатор) на своих изделиях, что в свою очередь стало стандартом для всего машиностроения.
В 1883 году, Бенц основал компанию «Benz & Cie» по производству газовых двигателей и в 1886 году запатентовал четырехтактный двигатель, который он использован на своих автомобилях.
Благодаря успеху компании «Benz & Cie», Бенц смог заняться проектированием безлошадных экипажей. Совместив опыт изготовления двигателей и давнишнее хобби - конструирование велосипедов, к 1886-му году он построил свой первый автомобиль и назвал его "Benz Patent Motorwagen ".
Конструкция сильно напоминает трехколёсный велосипед.
Одноцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания рабочим объёмом 954 см3., установленный на "Benz Patent Motorwagen ".
Двигатель был оснащён большим маховиком (использовался не только для равномерного вращения, но и для запуска) , бензобаком на 4,5 л., карбюратором испарительного типа и золотниковым клапаном, через который топливо поступало в камеру сгорания. Воспламенение производилось свечой зажигания собственной конструкции Бенца, напряжение на которую подавалось от катушки Румкорфа .
Охлаждение было водяным, но не замкнутого цикла, а испарительным. Пар уходил в атмосферу, так что заправлять автомобиль приходилось не только бензином, но и водой.
Двигатель развивал мощность 0,9 л.с. при 400 об/мин и разгонял автомобиль до 16 км/ч.
Карл Бенц за «рулём» своего авто.
Чуть позже, в 1896 году, Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель (или плоский двигатель) , в котором поршни достигают верхней мертвой точки в одно и то же время, тем самым уравновешивая друг друга.
Музей «Mercedes-Benz» в Штутгарте.
В 1882 году , английский инженер Джеймс Аткинсон придумал цикл Аткинсона и двигатель Аткинсона.
Двигатель Аткинсона - это по существу двигатель, работающий по четырёхтактному циклу Отто , но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. Отличие заключалось в том, что в двигателе Аткинсона все четыре такта происходили за один оборот коленчатого вала.
Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в этом двигателе не требовалось редуктора для привода газораспределительного механизма, так как открытие клапанов приводил в движение коленчатый вал.
Не смотря на ряд преимуществ (включая обход патентов Отто)
двигатель не получил широкого распространения из-за сложности изготовления и некоторых других недостатков.
Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.
Сейчас двигатель Аткинсона применяется на гибридных автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».
В 1884 году , британский инженер Эдвард Батлер , на лондонской выставке велосипедов "Stanley Cycle Show " продемонстрировал чертежи трёхколёсного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания , а в 1885 году построил его и показал на той же выставке, назвав «Velocycle». Так же, Батлер был первым кто использовал слово бензин .
Патент на «Velocycle» был выдан в 1887 году.
На «Velocycle» был установлен одноцилиндровый, четырёхтактный бензиновый ДВС оснащенный катушкой зажигания, карбюратором, дросселем и жидкостным охлаждением. Двигатель развивал мощность около 5 л.с. при объёме 600 см3, и разгонял автомобиль до 16 км/ч.
На протяжении многих лет Батлер улучшал характеристики своего транспортного средства, но был лишен возможности его тестировать из-за "Закона Красного Флага " (издан в 1865 году) , согласно которому транспортные средства не должны были превышать скорость свыше 3 км/ч. Кроме того, в автомобиле должны были присутствовать три человека, один из которых должен был идти перед автомобилем с красным флагом (такие вот меры безопасности) .
В журнале «Английский Механик» от 1890 года, Батлер написал - «Власти запрещают использование автомобиля на дорогах, в следствии чего я отказываюсь от дальнейшего развития.»
Из-за отсутствия общественного интереса к автомобилю, Батлер разобрал его на металлолом, и продал патентные права Гарри Дж. Лоусону (производителю велосипедов) , который продолжил производство двигателя для использования на катерах.
Сам же Батлер перешёл к созданию стационарных и судовых двигателей.
В 1891 году , Герберт Эйкройд Стюарт в сотрудничестве с компанией "Richard Hornsby and Sons " построил двигатель «Hornsby-Akroyd», в котором топливо (керосин) под давлением впрыскивалось в дополнительную камеру (из-за формы её называли «горячий шарик») , установленную на головке блока цилиндров и соединённую с камерой сгорания узким проходом. Топливо воспламенялось от горячих стенок дополнительной камеры и устремлялось в камеру сгорания.
1. Дополнительная камера (горячий шарик)
.
2. Цилиндр.
3. Поршень.
4. Картер.
Для запуска двигателя использовалась паяльная лампа, которой нагревали дополнительную камеру (после запуска она подогревалась выхлопными газами) . Из-за этого двигатель «Hornsby-Akroyd», который был предшественником дизельного двигателя сконструированного Рудольфом Дизелем , часто называли «полу-дизелем». Однако спустя год Эйкройд усовершенствовал свой двигатель добавив к нему «водяную рубашку» (патент от 1892 г.), что позволило повысить температуру в камере сгорания за счёт увеличения степени сжатия, и теперь уже не было необходимости в дополнительном источнике нагрева.
В 1893 году , Рудольф Дизель получил патенты на тепловой двигатель и модифицированный "цикл Карно " под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу».
В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» (с 1904 года MAN)
, при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер, был создан первый функционирующий дизель Рудольфа Дизеля
Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн.
Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало живейший интерес промышленности в разных странах.
Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух и концу сжатия впрыскивать топливо в цилиндр под сильным давлением.
Так как температура сжатого воздуха достигала 600-650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя, избавиться от системы зажигания, а вместо карбюратора использовать топливный насос высокого давления
В 1933 году Эллинг пророчески писал: «Когда я начал работать над газовой турбиной в 1882 году, я был твёрдо уверен в том, что моё изобретение будет востребовано в авиастроении.»
К сожалению, Эллинг умер в 1949 году, так и не дожив до наступления эры турбореактивной авиации.
Единственное фото, которое удалось найти.
Возможно кто-то найдёт что-либо об этом человеке в "Норвежском музее техники ".
В 1903 году , Константин Эдуардович Циолковский , в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами », где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. В статье был предложен и первый проект ракеты дальнего действия. Корпус её представлял собой продолговатую металлическую камеру, снабжённую жидкостным реактивным двигателем (который тоже является двигателем внутреннего сгорания) . В качестве горючего и окислителя он предлагал использовать соответственно жидкие водород и кислород.
Наверное на этой ракетно-космической ноте и стоит закончить историческую часть, так как наступил 20-ый век и Двигатели Внутреннего Сгорания стали производиться повсеместно.
Философское послесловие…
К.Э. Циолковский полагал, что в обозримом будущем люди научатся жить если не вечно, то по крайней мере очень долго. В связи с этим на Земле будет мало места (ресурсов) и потребуются корабли для переселения на другие планеты. К сожалению, что-то в этом мире пошло не так, и с помощью первых ракет люди решили просто уничтожать себе подобных...
Спасибо всем кто прочитал.
Все права защищены © 2016
Любое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник.
