18.12.2006 Двигатели внутреннего сгорания | |
| В 19 веке человечество столкнулось с энергетической проблемой, паровой двигатель, чаще всего используемый в качестве привода устройств и механизмов, имел ряд недостатков. Большая часть промышленности была представлена маленькими производствами и мастерскими, использовать в которых паровой двигатель из-за его низкого КПД (не более 10%) просто не выгодно, быстрый запуск и обслуживание парового двигателя невозможно. Необходим был новый двигатель небольшой мощности, лишенный подобных недостатков, при этом новый двигатель должен был занимать меньше места и требовать меньше времени для обслуживания и сервиса. В начале 19 века идея такого двигателя впервые была предложена для реализации. В 1799 году Филипп Лебон открыл светильный газ, Лебон увидел, как вспыхнул газ из поставленного на огонь сосуда с древесными опилками. В тот же год он получил патент на способ получения светильного газа путем перегонки древесины или угля, а так же его использования. Вскоре во многих странах Европы газовые лампы стали использоваться чаще дорогостоящих свечей. Уже через два года тот же Лебон получил патент на конструкцию газового двигателя, в котором смесь газа с воздухом взрывалась при воспламенении. В первом газовом двигателе было предусмотрено использование двух компрессоров (один для газа, второй для воздуха) и камера смешения, после чего образовавшаяся смесь поступала в цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, т.е. существовало две камеры сгорания, с разных сторон поршня в которых происходило воспламенение газово-воздушной смеси. Принцип действия газового двигателя значительно проще, чем паровой машины. Топливо при сгорании непосредственно воздействует на поршень, в отличии от паровой машины в которой сначала энергия сгорающего топлива передается для нагревания воды, которая превратившись в пар совершает работу. К сожалению, смерть изобретателя, в 1804 году, помешала создать первый двигатель внутреннего сгорания. Долгие годы после смерти Лебона не существовало коммерчески успешных двигателей внутреннего сгорания. В 1860 году бельгийский инженер Жан Этьен Ленуар создает ДВС в котором топливо-воздушная смесь воспламенялась с помощью электрической искры. После изготовления двигателя он проработал лишь несколько секунд, поршень расширившись от перегрева заклинило в цилиндре. Двигатель был усовершенствован, была изобретена система жидкостного охлаждения, но и при этом усовершенствовании двигатель проработал совсем недолго из-за плохого хода поршня, который был улучшен системой смазки. Только тогда получился работоспособный образец нового двигателя внутреннего сгорания. КПД нового двигателя едва достигал 5%, он потреблял огромное количество смазки и топлива, наладить эффективную систему смазки при высокой температуре работы не удавалось, но тем не менее было выпущено не менее 300 образцов двигателя Ленуара, основными покупателями были типографии, ремонтные мастерские в которых очень важны габариты двигателя. В 1864 году двигатель Ленуара был вытеснен более совершенным устройством, изготовленным под руководством немецкого изобретателя Августа Отто, который получил на конструкцию своего двигателя патент в том же 1864 году. Казалось, двигатель Отто был шагом назад в сравнении с двигателем Ленуара. Цилиндр вертикальный. Вращаемый вал размещен сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Работа двигателя происходила следующим образом: вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало до 4 атм. Под воздействием давления поршень поднимался, и давление вновь падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень, сперва под давлением газа, а затем по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в этом двигателе с максимальной полнотой. Это и была главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, после того как давление в цилиндре уравнивалось с атмосферным, открывался выпускной вентиль, поршень своей массой вытеснял отработанные газы. КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15%, но кроме этого он превосходил КПД даже самых лучших паровых машин того времени. Это был прорыв. Главной проблемой при такой конструкции двигателя было создание механизма передачи движения рейки на вал. Для этой цели было изобретено особое передаточное устройство с шариками и сухариками. Когда поршень с рейкой поднимался вверх, сухарики, охватывавшие вал своими наклонными поверхностями, взаимодействовали с шариками таким образом, что те не препятствовали перемещению рейки, но как только рейка начинала двигаться вниз, шарики скатывались по наклонной поверхности сухариков и прижимали их к валу, вынуждая его вращаться. Такая конструкция обеспечивала жизнеспособность двигателя. Двигатели Отто оказались почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, на них сразу появился огромный спрос, их было выпущено около пяти тысяч штук. Но Отто продолжал упорно работал над усовершенствованием конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменяет кривошипно шатунная передача. Но главное изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто патентует новый двигатель с четырехтактным циклом. Этот цикл и по сей день лежит в основе работы практически всех ДВС (двигателей внутреннего сгорания). Уже в следующем году новые двигатели были приняты в производство. Во всех более ранних газовых двигателях топливная смесь воспламенялась в рабочем цилиндре при атмосферном давлении. Но энергия взрыва росла с усилением давления. Следовательно, при сжимании смеси отдача должна увеличиться, должна стать сильной. В своем новом газовом двигателе Отто использовал этот эффект. Газ сначала сжимался до 2, 5 или 3 атм, что позволило уменьшить размеры двигателя, а мощность возросла. Для подачи смеси цилиндр на одной из своих сторон был удлинен. Когда поршень доходил здесь до своего конечного положения, еще оставалось некоторое пространство, которое наполнялось сжатой газовой смесью. Это позволило производить взрыв при конечном положении поршня, когда он при перемене движения имеет нулевую скорость. При такой системе зажигания, в мертвой точке избегались удары, толчки и сотрясения поршня о стенки цилиндра, присущие прежним двигателям. Ход поршня был следующий:
Четырехтактный цикл был главным техническим достижением Отто. Но через некоторе время его права были оспорены. Обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения такой же принцип работы двигателя описал французский инженер Бо де Рош. Группа французских промышленников выиграла судебный процесс. Права Отто были значительно сокращены, так же было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл. Отто весьма болезненно переживал эту неудачу, хотя дела его фирмы шли совсем неплохо. Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, многолетнее практическое применение модели Отто доказывало ее превосходство. К 1897 году выпуск составил около 42 тысяч двигателей разной мощности. Но использование в качестве топлива светильного газа накладывало значительные ограничения на применение первых двигателей внутреннего сгорания. Светильногазовых заводов было немного даже в передовой по тем временам Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге. В попытках решить проблему рассматривались все новые виды топлива. Наконец некоторые изобретатели попытались использовать вместо газа пары жидкого топлива. Эти попытки безуспешно велись с 1872 году, когда американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Но керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту — бензину. Для того чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было новое устройство (после получившее называние карбюратор) для испарения бензина и получения его смеси с воздухом. Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но действие его было неэффективным. Работоспособный бензиновый двигатель был создан только десятью годами позже, немецким инженером Готлиб Даймлер. Даймлер много лет работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80 х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, для использования в транспорте. Но Отто (как в свое время Уатт в схожей ситуации) отнесся к предложению Даймлера без энтузиазма. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и приступили к работе работать над своим проектом. Проблема, возникшая перед Даймлером и Майбахом, была серьезной — они решили создать двигатель, не требующий газогенератора, легкий и компактный, но при этом обладающий достаточной мощностью, чтобы двигать экипаж. Увеличить мощность Даймлер рассчитывал за счет увеличения частоты вращения вала, но это требовало соответствующей частоты воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель, где воспламенение происходило от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр. Первая модель бензинового двигателя была сконструирована для промышленной стационарной установки. К примеру P — бак для бензина, из которого при помощи запорного клапана p через трубу пропускается столько бензина к прибору для испарения его AB, что A всегда остается наполненным примерно на 2/3. B — это лампа, которая наполняется первой, еще до попадания бензина в A. Из лампы B через трубку с клапаном V бензин подводится к горелке, которая находится в оболочке L; он вытекает тонкой струйкой из узкого наконечника горелки и благодаря высокой температуре горелки сейчас же испаряется. Пламя горело вокруг платинового зажигателя, накаляя его. В приборе для испарения A пары бензина образуются при просасывании через бензин подогретого воздуха. Пары эти смешиваются с воздухом в регулировочном кране H, и, таким образом, получается горючая газовая смесь. При ходе поршня вниз эта смесь всасывается, при обратном ходе — сжимается в пространстве, предназначенном для сжатия. Во время, нахождения поршня в верхней мертвой точке, распределительный механизм открывает накаленный платиновый зажигатель, заряд взрывается, и газообразные продукты горения, расширяясь, давят на поршень. Для образования паров бензина воздух, как сказано выше, необходимо предварительно нагревать. Это достигалось тем, что воздух перед поступлением в испаритель проходил через кожух горелки. Для пуска двигателя, после наполнения бензином A и B, открывали кран горелки V и в течение нескольких минут нагревали трубки горелки извне. Таким образом, добивались температуры испарения бензина. Когда зажигатель накалялся докрасна, открывали клапан V и, после этого, приходилось вращать двигатель вручную при помощи специальной рукояти; после нескольких оборотов происходил первый взрыв в рабочем цилиндре и двигатель начинал работать. Рабочий цилиндр, окружала оболочка, через которую протекала вода для охлаждения, приток шел из водопровода или от небольшого насоса Q, который приводился в движение самим двигателем. Из описания видно, что процесс испарения жидкого топлива оставлял желать лучшего. Поэтому знаковой вехой в двигателестроении стало изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки (но независимо от него или даже несколько раньше такая же конструкция карбюратора разработана Майбахом). Позднее Банки приобретет большую известность своими изобретениями в области гидравлических турбин. Но в 1893 году, будучи довольно молодым человеком, он взял патент на карбюратор с жиклером (форсункой), который является прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его. Что обеспечивает равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходит уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления, всасывание бензина осуществляется потоком воздуха через дозирующий жиклер, а постоянство состава смеси достигается за счет поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклер выполнялся в виде отверстий в трубке, расположенной перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора используется небольшой бачок с поплавком, который поддерживает уровень на заданной высоте, таким образом, что количество всасываемого бензина пропорционально количеству поступающего воздуха. Таким образом, карбюратор представляет собой систему из двух частей: поплавковой камеры и смесительной камеры. В поплавковую камеру топливо подается из бака по трубке и держится на одном уровне с поплавком, который поднимается вместе с уровнем топлива и при наполнении, с помощью рычага, опускает иглу и, тем самым, закрывает доступ топливу. Из поплавковой камеры топливо перетекает в смесительную камеру и останавливается в жиклере на одном уровне с поплавковой камерой. Смесительная камера снизу имеет отверстие, сообщающееся с наружным воздухом, а сверху — с всасывающим клапаном двигателя. Количество доставляемой в цилиндр смеси регулируется поворачиванием дросселя (заслонки). При всасывающем ходе поршня воздух проходит в смесительную камеру снизу, засасывая из жиклера топливо, распыляя и испаряя его. Первые двигатели внутреннего сгорания состояли из одного цилиндра, и, для увеличения мощности двигателя увеличивали объем цилиндра. Затем увеличения мощности стали добиваться увеличением числа цилиндров. В конце XIX века появляются двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия наибольшее распространение получили четырехцилиндровые. Они устраивались таким образом, что в каждом из цилиндров четырехтактный цикл был сдвинут на один ход поршня. Благодаря этому смещению достигалась равномерность вращения коленвала. Коленчатый вал отличается от прежнего вала, он состоит из отдельных колен “кривошипов”, которые с помощью шатунов связаны с отдельными поршнями. С одной стороны вал принимает движение от поршней и преобразовывает возвратно-поступательное движение во вращательное, а с другой — происходит управление движением поршней, которые благодаря этому осуществляют движение вперед и назад в точно установленные моменты, то есть одновременно проходят по одному рабочему такту. Все эти такты чередуются через равные промежутки времени. |
|
| предыдущая новость |
История |
архив | следующая новость |
