ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 3

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Рассмотрим в качестве примера особенности конструкции и организации рабочих процессов нескольких типов двухтактных двигателей. В двухтактном двигателе с петлевой продувкой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топлива (рис. 1.15), разработанном кафедрой двигателей внутреннего сго- рания НТУ «ХПИ» совместно с ГПО ФЭД [4] на базе карбюра- торного двигателя с S/D = 68/74, в качестве нагнетателя исполь- зуется подпоршневая полость (кривошипная камера 1), воздух в которую поступает через впускное окно в цилиндре 5 (на рис. 1.15 не показано). Впускное окно открывается нижней кромкой поршня 6 при его перемещении от НМТ к ВМТ за 65 .ПКВ до ВМТ. Поскольку кривошипная камера герметична, при переме- щении поршня к ВМТ в ней возникает разрежение и воздух через воздушный фильтр и впускное окно поступает в кривошипную камеру. Для смазки подшипников коленчатого вала, поршневого пальца, сопряжения поршень–цилиндр к воздуху на впуске спе- циальным насосом добавляется масло (1–2 % от расхода топли- ва). Процесс заполнения кривошипной камеры продолжается до момента достижения поршнем 6 ВМТ. В это же время в над- поршневой полости осуществляется такт сжатия (рис. 1.14, а, б). В начале такта сжатия с помощью механического топливно- го насоса высокого давления 13 и клапанной форсунки 12 осу- ществляется впрыск топлива на поверхности вытеснителя и ка- меры сгорания 10, расположенной в головке цилиндра 9. В конце такта сжатия пары топлива над пленкой топлива на поверхности вытеснителя потоком воздуха из-под вытеснителя (из щели меж- ду поршнем и поверхностью вытеснителя) оттесняются в направ- лении свечи зажигания 11, установленной у вершины камеры сгорания (дополнительная сферическая выемка в головке цилин- дров). Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется путем подачи высокого напряжения на электроды свечи зажига- ния 11 за 20 .ПКВ до ВМТ. Образовавшийся у очага воспламене- ния фронт пламени перемещается навстречу потоку топливовоз- душной смеси. Скорость выгорания топливовоздушной смеси определяется скоростью испарения пленки топлива на поверх- ности вытеснителя и скоростью перемещения фронта пламени. 50 Рисунок 1.15 – Общий вид (продольный разрез) двигателя с кривошипно-камерной продувкой, непосредственным впрыском и искровым зажиганием: 1 – кривошипная камера; 2 – коленчатый вал; 3 – шатун; 4 – поршневой палец; 5 – цилиндр; 6 – поршень; 7 – выпускные окна; 8 – продувочные окна; 9 – головка цилиндра; 10 – камера сгорания; 11 – свеча зажигания; 12 – форсунка; 13 – топливный насос; 14 – регулятор; 15 – кулачковый вал; 16 – вентилятор 51 Данная схема организации процессов смесеобразования и сгорания позволяет осуществить достаточно глубокое расслоение заряда в камере сгорания и интенсивный процесс выгорания топ- ливовоздушной смеси в ограниченном объеме, окруженном воз- духом (на периферии надпоршневой полости находится воздух). А поскольку время контакта паров топлива с воздухом при высо- кой температуре незначительно (топливо испаряется с поверх- ности пленки постепенно, в процессе сгорания), двигатель стано- вится практически нечувствительным к детонационной стойкости топлива (октановому числу топлива) при высоких степенях сжа- тия (. . 9). Процесс сгорания происходит без детонации при ра- боте как на керосине (октановое число 20–40), так и на бензине. Благодаря устранению утечки топливовоздушной смеси при про- дувке, значительному обеднению топливовоздушной смеси при расслоении заряда, бездетонационному эффективному сгоранию топлива переход от внешнего смесеобразования к внутреннему позволил на 30–40 % снизить удельный эффективный расход топлива и на 50–80 % выбросы токсичных веществ с отработав- шими газами по сравнению с карбюраторным вариантом двига- теля. На такте расширения в надпоршневой полости продуктов сгорания в кривошипной камере 1 после закрытия нижней кром- кой поршня впускного окна (65 .ПКВ после ВМТ) происходит сжатие воздуха. За 65 .ПКВ до НМТ верхняя кромка поршня 6 открывает выпускные окна 7 и продукты сгорания со скоростью 600–700 м/с уходят из надпоршневой полости в выпускную сис- тему. Давление в надпоршневой полости снижается как вследст- вие выхода продуктов сгорания, так и вследствие увеличения надпоршневого объема. Через 11 .ПКВ при дальнейшем переме- щении поршня 6 к НМТ верхняя кромка поршня 6 достигает кро- мок продувочных окон 8 по бокам цилиндра 5. К этому моменту давление в кривошипной камере повышается до уровня давления продуктов сгорания в надпоршневой полости и воздух по боко- вым каналам из кривошипной камеры 1 начинает перетекать че- рез продувочные окна в надпоршневую полость, оттесняя про- дукты сгорания к выпускным окнам 7. Продувка надпоршневой полости воздухом продолжается до момента закрытия верхней 52 кромкой поршня 6 продувочных окон 8. Площадь проходных се- чений выпускных окон 7 в этот момент еще значительна и при дальнейшем перемещении поршня 6 к ВМТ часть свежего заряда (до 20 %) уходит в систему выпуска. На рис. 1.14, а и рис. 1.14, б моментам открытия и закрытия выпускных и продувочных окон соответствуют точки e, d, V, e.. В двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продув- кой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топ- лива в камеру сгорания Р. Сарича (рис. 1.16, фирма Orbital Engine Co., Австралия) [6] процессы газообмена в кривошипной каме- ре 1 и надпоршневой полости протекают практически так же, как и в рассмотренном выше двигателе. Для улучшения заполнения кривошипной камеры воздухом в этом двигателе вместо впускно- го окна в цилиндре использованы обратные пластинчатые клапа- ны 4 в канале подвода воздуха в кривошипную камеру, а для уменьшения потери свежего заряда через выпускное окно 8 за выпускным окном установлен золотник 12, перекрывающий вы- пускной канал сразу же после перекрытия поршнем 5 продувоч- ных окон 7. Организация же процессов смесеобразования и сгорания в двигателе Р.Сарича существенно отличается от рассмотренных выше и по схеме их осуществления и по конструкции. В двигате- ле использовано объемное смесеобразование, что значительно снижает степень расслоения топливовоздушной смеси, степень ее обеднения. Поэтому сохраняются высокие требования к детона- ционной стойкости топлива. Двигатель может работать без дето- нации только на бензинах с высоким октановым числом. Распыл топлива в двигателе Р. Сарича осуществляется сжа- тым воздухом, подаваемым к пневматической форсунке 10 ком- прессором при избыточном давлении 0,62 МПа. Топливо к пнев- матической форсунке подается с помощью механического насоса объемного типа при давлении 0,55 МПа. Управление моментом, количеством подаваемого топлива, а также моментом подачи сжатого воздуха осуществляется электронной системой управле- ния. Сначала заполняется топливом смесительная камера В, рас- положенная в распылителе А, через каналы D и С, затем к распы- лителю подается воздух при давлении 0,62 МПа. Под действием 53 избыточного давления воздуха мембранные клапаны Е перекры- вают поступление топлива в смесительную камеру В. После это- го, с помощью электромагнитного привода открывается клапан F и воздух начинает поступать в смесительную камеру с большой скоростью. В смесительной камере образуется топливовоздушная смесь, которая через обратный клапан G и сопло L начинает пе- ретекать в камеру сгорания. Благодаря пневматическому распы- лу, истечению топливовоздушной смеси из сопла L при крити- ческих перепадах давления происходит интенсивный распад струи, дробление капель топлива. Свыше 95 % капель по массе имеют диаметр, не превышающий 10 мкм, тогда как в случае ди- зельной топливной аппаратуры с давлением впрыска порядка 100 МПа средний диаметр капель составляет 20–40 мкм. Не- большой диаметр капель топлива ограничивает дальнобойность факела, обеспечивая обогащение смеси по центру надпоршневой полости. Рисунок 1.16 – Общий вид двигателя Р. Сарича (а) и распылителя форсунки (б): 1 – кривошипная камера; 2 – коленчатый вал; 3 – шатун; 4– блок пластинчатых клапанов; 5 – поршень; 6 – цилиндр; 7 – продувочные окна; 8 – выпускное окно; 9 – головка цилиндра; 10 – пневматическая форсунка; 11 – свеча зажигания; 12 – камера сгорания; 13 – золотник; 14 – дожигатель F G L E D C B A а б 54 Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется свечой зажигания 11. Интенсификация процесса сгорания дости- гается, как и в предыдущем случае, за счет перетекания воздуха из периферийной зоны надпоршневого объема при приближении поршня 5 к ВМТ к центру камеры сгорания 12, расположенной в головке цилиндра 9. Исключение потерь топливовоздушной смеси при продувке, расслоение топливовоздушной смеси, интенсификация процесса сгорания, снижение механических потерь за рабочий цикл (рабо- чий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала) обес- печивают улучшение эксплуатационной экономичности автомо- бильного варианта двигателя Р. Сарича на 20–30 % по сравнению с достигнутым уровнем в современных четырехтактных автомо- бильных двигателях с искровым зажиганием. Разработки по дви- гателю защищены более чем 800 патентами. Ряд ведущих авто- мобилестроительных корпораций приобрело лицензии на право производства этого двигателя, ведут эксплуатационную проверку концепции двигателя в условиях рядовой эксплуатации автомо- биля. В двухтактном дизеле с противоположно движущимися поршнями 2Д100 завода им. В.А. Малышева блок цилиндров сварной, крепится болтами к раме 1 (рис. 1.17). Между верти- кальными перегородками 4 расположены подвесные гильзы ци- линдров 16 с индивидуальными рубашками охлаждения. Пере- мещение верхних поршней 15 определяет моменты открытия и закрытия продувочных окон 17, а перемещение нижних порш- ней 5 – моменты открытия и закрытия выпускных окон 18. Воз- дух под избыточным давлением, создаваемым нагнетателем 11, по продувочным ресиверам 9 подводится к продувочным ок- нам 17. Продукты сгорания после открытия поршнями 5 выпуск- ных окон 18 отводятся в охлаждаемые выпускные коллектора 6. Перемещение верхних поршней по углу поворота нижнего ко- ленчатого вала запаздывает на 12 .ПКВ, что обеспечивает сниже- ние мощности, передаваемой от верхнего коленчатого вала 12 к нижнему 2, до 30 % от суммарной мощности, развиваемой двига- телем, и необходимое запаздывание открытия продувочных окон 17 по отношению к моменту открытия выпускных окон 18. 55 Рисунок 1.17 – Общий вид дизеля 2Д100 (поперечный разрез по десятому цилиндру): 1 – рама; 2 – нижний коленчатый вал; 3 – нижний шатун; 4 – вертикальная перегородка блока цилиндров; 5 – ниж- ний поршень; 6 – выпускные ресиверы; 7 – форсунки; 8 – топливные насоси; 9 – продувочные ресиверы; 10 – кулачковые вали; 11 – нагнетатель; 12 – верхний коленча- тый вал; 13 – верхний шатун; 14 – ребра охлаждения ци- линдра; 15 – верхний поршень; 16 – цилиндр; 17 – впуск- ные окна; 18 – выпускные окна; 19 – втулка рубашки ох- лаждения цилиндра; 20 – рубашка охлаждения цилиндра и выпускного канала; 21 – генератор 56 Воздух через продувочные окна 17 поступает в цилиндр по касательной, создавая интенсивный круговой вихрь, оттесняю- щий продукты сгорания к выпускным окнам 18 при незначитель- ном перемешивании воздуха и продуктов сгорания. Данная схема продувки обеспечивает эффективную очистку рабочей полости от продуктов сгорания, позволяет снизить коэффициент избытка продувочного воздуха до . = 1,1–1,2 при значениях коэффициен- та остаточных газов . = 0,02– 0,05. Процессы сжатия, смесеобразования, сгорания и расшире- ния в рассматриваемом двигателе принципиально не отличаются от аналогичных процессов в четырехтактном дизеле с неразде- ленной камерой сгорания и воспламенением топлива от сжатия. Индикаторные и эффективные показатели двухтактного двигателя определяются так же, как и четырехтактного (зависи- мости 1.32–1.45) за исключением количества циклов за 1 с, так как каждому обороту коленчатого вала соответствует цикл, т.е. к n z 60 . . (1.46) Двухтактные двигатели имеют не только ряд преимуществ по сравнению с четырехтактными ДВС, но и ряд существенных недостатков. Преимущества двухтактных двигателей по сравне- нию с четырехтактными, в основном, могут быть сведены к сле- дующим показателям. 1. При одинаковом литраже и частоте вращения коленчато- го вала мощность двухтактного двигателя больше, чем четырех- тактного (на 50– 60 %, несмотря на увеличение числа циклов в два раза, так как на осуществление процессов газообмена теряет- ся до 25 % рабочего хода поршня). 2. На 50–60 % могут быть уменьшены габариты и масса си- ловой установки при замене четырехтактного двигателя двух- тактным той же мощности. 3. В двухтактном двигателе ниже потери на трение, так как цикл осуществляется только за один оборот коленчатого вала. Поэтому механический, а зачастую и эффективный КПД двух- тактного двигателя на частичных режимах выше, чем в четырех- тактном двигателе той же мощности. 57 4. Двухтактные двигатели с кривошипно-камерной продув- кой значительно проще по конструкции, чем четырехтактные той же мощности, а соответственно и ниже их стоимость. Этим объ- ясняется преимущественное применение двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой для средств малой механиза- ции, мототехники и т.п. 5. Более равномерное вращение коленчатого вала при том же числе цилиндров. Недостатки двухтактных двигателей в сравнении с четырех- тактными обусловлены следующими факторами: . выше тепловая напряженность деталей двигателя вслед- ствие удвоенной частоты рабочих циклов, а соответственно, и выше требования к материалам деталей двигателя; . выше интенсивность износа деталей цилиндро-поршне- вой группы, а соответственно, меньше сроки службы; . больше потери масла с отработавшими газами; . необходим специальный нагнетатель для принудительной продувки цилиндра; . значительные затраты мощности на привод нагнетателя, что снижает механический, а соответственно и эффективный КПД двухтактного двигателя, что требует использования слож- ных устройств для регулирования давления наддува в зависимо- сти от нагрузки. Контрольные вопросы и задания 1. Объяснить принцип работы двухтактного ДВС. 2. Представить принципиальные схемы газообмена в двух- тактных ДВС. 3. Представить индикаторные диаграммы реального цикла двухтактного ДВС в системе координат р–. и р–V. 4. Как определяются индикаторные и эффективные показа- тели двухтактного ДВС? 5. Объясните преимущества и недостатки двухтактного ДВС в сравнении с четырехтактным. 6. Решите следующие задачи: 58 Задача 1. Определить эффективную мощность двухтактно- го шестицилиндрового дизеля с противоположно движущимися поршнями при частоте вращения коленчатого вала n = 3000 об/мин, если диаметр цилиндра D = 120 мм, ход поршня S = 120 мм, удельная индикаторная работа li = 0,8 Дж/см3, механический КПД .м = 0,80. Задача 2. При условиях задачи 1 определить индикаторный и эффективный КПД, удельный индикаторный и удельный эф- фективный расход топлива, величину цикловой подачи топлива, если часовой расход топлива Вч = 40 кг/ч (Qн = 42000 кДж/кг). Задача 3. При условиях задачи 1 определить часовой расход воздуха через двигатель и коэффициент наполнения, если коэф- фициент избытка продувочного воздуха . = 1,2; коэффициент утечки продувочного воздуха . = 0,25; давление воздуха перед продувочными окнами ps = 0,2 МПа, температура воздуха ts = 80.С. §5. Краткая история развития двигателей внутреннего сгорания Первые попытки создания двигателя внутреннего сгорания относятся к XVII столетию. Опыты Э. Торичелли, Б. Паскаля и О. Герике побудили изобретателей использовать давление воздуха как движущую силу в атмосферных машинах. Одни из первых предложили подобные машины аббат Оттефель (1678–1682) и Х. Гюйгенс (1681). Для перемещения поршня в цилиндре они предлагали использовать взрывы пороха. Поэтому Оттефель и Х. Гюйгенс могут рассматриваться как пионеры в области двига- телей внутреннего сгорания. Усовершенствованием пороховой машины Гюйгенса занимался и французский ученый Дени Папен (1647–1714) – изобретатель центробежного насоса, парового кот- ла с предохранительным клапаном, первой поршневой машины, работающей на водяном паре [2, 7]. Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания запа- тентовал в 1794 году в Англии изобретатель Р.Стрит [2]. Двига- тель состоял из цилиндра и подвижного поршня. В цилиндр в на- чале перемещения поршня поступала смесь летучей жидкости 59 (спирт) и воздуха, жидкость и пары жидкости смешивались с воздухом. На середине хода поршня смесь воспламенялась и подбрасывала поршень. В патенте, выданном французскому инженеру Ф.Лебону в 1801 году и представляющем дополнение к патенту на получение светильного газа сухой перегонкой древесины (1799), предлага- ется сжимать газ и воздух отдельными насосами и смешивать их в особой камере [7]. Воспламенение смеси в камере предлагалось осуществлять от электростатической машины, расширение про- дуктов сгорания – в цилиндре. Насосы и цилиндры в двигателе – двойного действия. Изобретатели Р.Стрит и Ф.Лебон не предпринимали попы- ток реализовать свои идеи. Немногочисленные попытки создания двигателя внутреннего сгорания в последующие годы (до 1860) также не увенчались успехом. Основные трудности создания двигателя внутреннего сго- рания были обусловлены отсутствием подходящего топлива, трудностями организации процессов газообмена, топливоподачи, воспламенения топлива. Обойти эти трудности в значительной степени удалось шотландскому аббату Роберту Стирлингу, соз- давшему в 1816–1840 г.г. двигатель с внешним сгоранием и реге- нератором [8]. В двигателе Стирлинга преобразование возвратно- поступательного движения поршня во вращательное движение осуществлялось с помощью ромбического механизма, а в качест- ве рабочего тела использовался воздух. Одним из первых обратил внимание на реальную возмож- ность создания двигателя внутреннего сгорания французский инженер Сади Карно (1796–1832) [9, 10], занимавшийся вопроса- ми теории теплоты, теории тепловых машин. В сочинении «Раз- мышление о движущей силе огня и о машинах, способных разви- вать эту силу» (1824) он писал: «Нам казалось бы более выгод- ным сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда маленькими порциями топ- ливо, при помощи приспособления, легко осуществимого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде, и, наконец, выбросить его в атмосферу или заставить пойти к паровому котлу для использо- вания оставшейся температуры. 60 Главные трудности, встречаемые в этого рода операциях: заключить топку в помещение достаточной крепости и поддер- живать при этом горение в должном состоянии, поддерживать различные части аппарата при умеренной температуре и мешать быстрой порче цилиндра и поршня; мы не думаем, чтобы эти трудности были бы непреодолимы» [10]. Идеи С. Карно не были оценены его современниками. Толь- ко через 20 лет впервые обратил на них внимание французский инженер Э. Клапейрон (1799–1864), автор известного уравнения состояния. Благодаря Э. Клапейрону, использовавшему метод С. Карно, популярность Карно начинает быстро расти. В настоя- щее время Сади Карно общепризнан, как основоположник тепло- техники. 24 января 1860 г. французский изобретатель Жан Ленуар (1822–1900) получил патент на двигатель внутреннего сгорания, и к концу 1860 г. двигатель был построен [7, 9]. Двигатель рабо- тал на светильном газе без предварительного сжатия. На части хода поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр поступала смесь воздуха и газа, а затем смесь воспламенялась электрической искрой. КПД двигателя не превышал 4 %. Уже первые несовершенные конст- рукции продемонстрировали существенные преимущества двига- теля внутреннего сгорания по сравнению с паровой машиной. Спрос на двигатели быстро рос, и в течение нескольких лет Ж. Ленуар построил свыше 300 двигателей. Он первым использо- вал двигатель внутреннего сгорания в качестве силовой установ- ки различного назначения. Им же изобретены электрический тормоз и пишущий телеграф. В 1862 г. французский инженер А.Ю. Бо де Роша подал в патентное ведомство Франции прошение на выдачу патента (дата приоритета – 1 января 1862 г.), в котором уточнил идею, выска- занную Сади Карно с точки зрения конструкции двигателя и его рабочих процессов [7]. Об этом прошении вспомнили только при патентных спорах относительно приоритета изобретения Н. Отто. Бо де Роша предлагал осуществлять впуск горючей смеси в течение первого хода поршня, сжатие смеси – в течение второго хода поршня, сгорание смеси – при крайнем верхнем положении поршня и расширение продуктов сгорания – в течение третьего хода поршня; выпуск продуктов сгорания – в течение четвертого 61 хода поршня. Этот цикл был осуществлен в двигателе внутренне- го сгорания Н. Отто. Бо де Роша не пытался построить двигатель и при появлении двигателя Н. Отто не стремился доказать свой приоритет. Немецкий инженер Николаус Август Отто (1832–1891) к экспериментам с тепловыми двигателями приступил в начале 60-х годов. Совместно с предпринимателем Е. Ланге занялся раз- работкой газовых двигателей, которые могли бы быть конкурен- тоспособными с паровыми двигателями и двигателем Ж. Ленуа- ра, и создали фирму по производству газовых атмосферных дви- гателей «Отто и К.» [7, 9]. К 1866 г. разработки газового атмо- сферного двигателя были успешно завершены. В 1867 г. на Па- рижской Всемирной выставке атмосферный двигатель Отто– Лангена оказался самым экономичным и был отмечен золотой медалью. В процессе работы по совершенствованию газового атмо- сферного двигателя Н. Отто независимо от Бо де Роша пришел к идее четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и в 1876 году построил первую серию таких двигателей [2, 7, 9]. Преиму- щества четырёхтактного двигателя были очевидны, и 13 мар- та 1878 года Н. Отто был выдан патент Германии № 532 на четы- рёхтактный двигатель внутреннего сгорания [11]. Двигатель был одноцилиндровым крейцкопфным с жидко- стным охлаждением. Впуск воздуха и газа, зажигание смеси, вы- пуск продуктов сгорания осуществлялись с помощью золотника, приводимого от распределительного вала, частота вращения ко- торого была в 2 раза меньше, чем частота вращения кривошипа. В золотнике имелась камера для зажигания, которая заполнялась воздухом и газом. Смесь воспламенялась через отверстие в зо- лотнике от газового рожка, который постоянно горел. Н. Отто обосновал также целесообразность применения для снижения скорости сгорания послойного распределения газа в смеси с воздухом. Эта идея была оговорена Н. Отто в патенте и использовалась в его первых двигателях. На Всемирной выставке в Париже (1878) четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания Н. Отто был признан лучшим и отмечен золотой медалью. Успех двигателя Н. Отто был обще- 62 признан. В течение первых 20 лет завод Н. Отто построил 6000 двигателей [7]. Приоритет Ж. Ленуара и Н. Отто в создании первых работо- способных двигателей внутреннего сгорания не бесспорен. В 1807 г. декретом Наполеона был выдан патент на пирэолофор братьев Клода (1763–1828) и Жозефа (1765–1833) Ньепс. Изобре- татели построили три небольших судна с новыми двигателями [12]. Однако время для широкого использования нового типа двигателя не пришло, и об изобретении братьев Ньепс забыли. В истории техники братья Ньепс известны как изобретатели фото- графии. Значительный вклад в развитие двигателей внутреннего сгорания был сделан также американским инженером Брайтоном, предложившим компрессорный двигатель с постоянным давле- нием сгорания, карбюратор [2, 7]. Производство двигателей внутреннего сгорания неуклонно нарастало, совершенствовалась их конструкция. В 1878–1880 г.г. начинается производство двухтактных двигателей, предложен- ных немецкими изобретателями Виттигом и Гессом, английским предпринимателем и инженером Д.Клерком [2, 7], а с 1890 г. – двухтактных двигателей с кривошипно-камерной продувкой (па- тент Англии № 6410, 1890 г.) [2]. Использование кривошипной камеры как продувочного насоса несколько раньше было пред- ложено немецким изобретателем и предпринимателем Г. Дайм- лером [2]. В 1878 г. Карл Бенц оснастил трёхколесный велосипед дви- гателем мощностью 3 л.с., который развивал скорость свыше 11 км/ч. Им же созданы первые автомобили с одно- и двухцилин- дровыми двигателями. Цилиндры располагались горизонтально, крутящий момент на колеса передавался с помощью ременной передачи. В 1886 г. К.Бенцу был выдан на автомобиль патент Германии № 37435 с приоритетом от 29 января 1886 г. На Па- рижской всемирной выставке в 1889 г. автомобиль К. Бенца был единственным. С автомобиля К. Бенца начинается интенсивное развитие автомобилестроения. Другим выдающимся событием в истории двигателей внут- реннего сгорания было создание двигателя внутреннего сгорания с воспламенением топлива от сжатия. В 1892 г. немецкий инже- 63 нер Рудольф Дизель (1858–1913) запатентовал [13], а в 1893 г. описал в брошюре «Теория и конструкция рационального тепло- вого двигателя для замены паровых машин и известных в на- стоящее время тепловых двигателей» двигатель, работающий по циклу Карно [7]. В патенте Германии № 67207 с приоритетом от 28 февраля 1892 г. «Рабочий процесс и способ выполнения одноцилиндрово- го и многоцилиндрового двигателя» принцип работы двигателя излагался следующим образом. 1. Рабочий процесс в двигателях внутреннего сгорания ха- рактеризуется тем, что поршень в цилиндре настолько сильно сжимает воздух или какой-нибудь индифферентный газ (пар) с воздухом, что получающаяся при этом температура сжатия нахо- дится значительно выше температуры воспламенения топлива. При этом сгорание постепенно вводимого после мертвой точки топлива совершается так, что в цилиндре двигателя не происхо- дит существенного повышения давления и температуры. Вслед за этим, после прекращения подачи топлива, в цилиндре происхо- дит дальнейшее расширение газовой смеси. 2. Для осуществления рабочего процесса, описанного в п.1, к рабочему цилиндру присоединяется многоступенчатый ком- прессор с ресивером. Равным образом возможно соединение не- скольких 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 ка- честве топлива был использован бензин). В течение 1893 г. было построено три двигателя. Неудачи с первыми двигателями выну- дили 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 вос- пламенением от сжатия, работающий на жидком топливе (керо- сине), а в 1897 г. начался период широких испытаний нового дви- 64 гателя. Эффективный КПД двигателя составлял 0,25, механиче- ский 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 машинострои- тельного. Успешно демонстрировались двигатели Р. Дизеля и на Всемирной выставке в Париже (1900). В дальнейшем они нашли широкое применение и по имени изобретателя получили назва- ние «дизельные двигатели» или просто «дизели». Николаус Отто и Рудольф Дизель ясно представляли себе, что их двигатели несовершенны, так как значительная часть хи- мической энергии топлива теряется вследствие неполного рас- ширения в рабочей полости продуктов сгорания. В момент от- крытия выпускных клапанов давление продуктов сгорания на- много превосходит давление окружающей среды. Поэтому и Н. Отто и Р. Дизель пытались реализовать цикл с продолженным расширением в трёх цилиндрах [2]. Средний цилиндр с увели- ченным диаметром использовался для дополнительного расши- рения продуктов сгорания и удаления продуктов сгорания в ат- мосферу, а два крайних работали по четырехтактному циклу со смещением рабочих процессов на 360 градусов поворота колен- чатого вала. Продукты сгорания из крайних цилиндров пооче- редно направлялись в средний для дополнительного расширения. Однако тепловые потери, потери на перетекание газов, механиче- ские потери возросли настолько, что выигрыш по КПД был не- значительным по сравнению с усложнением конструкции дви- гателя. Поэтому и Н. Отто и Р. Дизель отказались от этой идеи. В последующие годы использование продолженного расширения продуктов сгорания (до давления окружающей среды) практиче- ски было реализовано в поршневых двигателях внутреннего сго- рания с газотурбинным наддувом, а затем и в комбинированных двигателях с силовой газовой турбиной. Первые керосиновые двигатели в России начали строиться в 1890 г. на заводе Е.Я. Бромлея (четырехтактные калоризаторные), а с 1892 г. и на механическом заводе Э. Нобеля [14]. В 1899 г. Э. Нобель получил право на производство двигателей Р. Дизеля и в 65 том же году завод приступил и их выпуску. Конструкцию двига- теля разработали специалисты завода. Двигатель развивал мощ- ность 20–26 л.с., работал на сырой нефти, соляровом масле, керо- сине. Специалисты завода выполнили также разработки двигате- лей с воспламенением от сжатия. Они построили первые без- крейцкопфные двигатели, первые двигатели с V-образным рас- положением цилиндров, двухтактные двигатели с прямоточно- клапанной и петлевой схемами продувки, двухтактные двигатели, в которых продувка осуществлялась за счет газодинамических явлений в выпускном канале. В 1903–1911 г.г. на Коломенском, Сормовском, Харьков- ском паровозостроительном заводах, на заводах Фельзера в Риге и Э. Нобеля в Петербурге, на Николаевском судостроительном заводе [7, 14] было начато производство двигателей с воспламе- нением топлива от сжатия. В 1903–1908 г.г. русский изобретатель и предприниматель Я.В. Мамин создал несколько работоспособных быстроходных двигателей с механическим впрыском топлива в цилиндр и вос- пламенением от сжатия [14]. Мощность быстроходного двигате- ля, созданного Я.В. Маминым в 1911 г., составляла уже 25 л.с. Он же впервые в России начал производство тракторов. В 1917 г. Я.В. Мамин безвозмездно передал предприятие государству и в течение ряда лет был директором завода. 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 зна- чения и сегодня. Специалисты дореволюционной России выполнили несом- ненно крупные самостоятельные разработки в области двигате- лей с воспламенением топлива от сжатия. Успешное развитие ди- зелестроения в России объясняется тем, что Россия имела свою нефть, а двигатели Р. Дизеля наиболее отвечали потребностям относительно небольших предприятий. Поэтому производство дизельных двигателей в России началось практически одновре- менно со странами Западной Европы.
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0