Несмотря на то, что первые двигатели внутреннего сгорания были сконструированы более 140 лет назад, у современных автомобильных моторов по-прежнему чрезвычайно много общего с теми первыми агрегатами, которые по своему принципу действия напоминают миниатюрные электростанции.
Как известно, топливом для первого двигателя был газ, воспламеняющийся в специальной камере внутреннего сгорания. Как и тогда, в сегодняшних моторах пары бензина, предварительно смешанные с воздухом, поджигаются в камере внутреннего сгорания при помощи искры. Таким образом очевидно, что основной принцип автомобильного двигателя остался неизменным. А вот что касается энергоэффективности и экологичности современных моторов, то они в значительной степени эволюционировали, став более дружелюбными и безопасными для окружающей среды при существенном росте эффективности.
Одним из ключевых элементов в конструкции бензиновых моторов до последнего времени являлся карбюратор. Подобное техническое решение для автомобильных моторов можно встретить еще и сегодня, заглянув под капот некоторых отечественных машин, сконструированных в ХХ веке.
Как показали исследования, модернизация карбюратора, являющегося устройством, необходимым для качественного и правильного смешивания топлива и воздуха, зашла в тупик. Повышать эффективность карбюраторов больше уже было невозможно, ввиду чего инженеры в сфере автомобильной индустрии стали один за другим отказываться от применения карбюраторов на моторах своих автомобилей.
Кроме того, карбюраторные моторы являются весьма не экологичными, что в свете тезисов о защите окружающей среды стало дополнительным стимулом отказа от карбюраторов. Стоит отметить, что долгое время работа двигателя внутреннего сгорания предполагала смазку трущихся внутренних частей мотора посредством добавления моторного масла непосредственно в бензин. Здесь было чрезвычайно важно соблюсти оптимальные пропорции, позволяющие обеспечивать необходимый эффект смазки, вместе с тем допуская минимальное количество нагара, образующегося после выгорания топливной смеси, сдобренной моторным маслом. Нарушение технологии смешивания бензина и масла влекло за собой появление густого сизого дыма позади даже вполне исправной машины.
Первые моторы, оснащаемые системой топливного впрыска, увидели свет в конце ХIХ столетии. В то время, на заре прошлого века, когда подавляющее количество автомобилестроителей работали над усовершенствованием карбюратора, один из немецких инженеров впервые получил патент на систему впрыска топлива в камеру сгорания автомобильного цилиндра. Однако надежность и практическая безотказность карбюраторных моторов не дала возможности бурному развитию инжекторных моторов, ввиду чего говорить о первых серьезных попытках конструкторов двигателей запустить систему топливного впрыска в серийное производство стало возможным лишь применительно к периоду начала Первой мировой войны. Но именно немецкие военные самолеты стали первыми серийными аппаратами, на чьих моторах карбюраторы уступили место впрыску. А вот советская, английская и американская авиация получила на вооружение самолеты с инжекторными моторами лишь к концу войны. Правда, тогда это была система механического топливного впрыска, по своей эффективности мало чем напоминающая современные электронные системы.
В отличие от карбюраторных моторов, двигатели, оснащенные системой топливного впрыска, отличались большей мощностью и тягой благодаря тому, что для каждого цикла сгорания количество и состав смеси были точно отмерены.
Что касается автомобилестроения, то здесь, несмотря на меньшую эффективность карбюратора, карбюраторные моторы оставались практически безальтернативными еще очень долгое время.
Может показаться, что усовершенствование автомобильных двигателей происходило недостаточно быстро, однако этот вывод преждевременен и не справедлив. Одной из первых деталей, играющих ключевую роль в работе мотора, стал клапан рециркуляции отработанных газов. Система рециркуляции выхлопа является неотъемлемой частью силовых агрегатов подавляющего числа современных автомобилей. Эта система позволяет максимально эффективно задействовать топливо, сжигая его в камерах цилиндров с наибольшим эффектом. Благодаря процессу рециркуляции продуктов сгорания топлива отработанные газы вновь поступают в двигатель, где опять участвуют в процессе воспламенения и сгорания топливной смеси. Таким образом достигается не только более полное сжигание бензина, но и уменьшается количество вредных выбросов, образующихся в результате работы двигателя внутреннего сгорания.
Стоит отметить, что в современных моторах клапан рециркуляции отработанных газов позволяет сэкономить до 25% топлива, не сгоревшего при первоначальном воспламенении рабочей смеси, которое в отсутствии системы рециркуляции попросту вылетело бы в атмосферу. Таким образом, появившись впервые в середине прошлого века, система рециркуляции выхлопных газов стала обязательной частью для выпускаемых ныне моторов.
Система электронного зажигания
Другим важным шагом в процессе эволюции автомобильных моторов можно назвать разработку и применение электроники в системе зажигания. Довольно продолжительное время система зажигания автомобильного двигателя имела контактную конструкцию. Однако при такой конструкции мотора от правильно выставленного опережения зажигания в полной мере зависела эффективность работы всего агрегата.
Электроника, пришедшая на смену контактному зажиганию, позволила точно выверять момент воспламенения топливной смеси, исключив ее преждевременное возгорание относительно хода поршня. Впрочем, весьма продолжительное время электронное зажигание применялось только для некоторых карбюраторных моторов будучи своеобразной опцией для дорогих моделей машин, предназначенной для повышения отдачи двигателя. Но поскольку используемые устройства требовали сложных настроек и специального оборудования, электронные системы зажигания долгое время оставались редкостью, тогда как подавляющее число автомобилистов продолжали сжигать миллионы тонн топлива ввиду неэффективной работы карбюраторных моторов, оснащаемых морально-устаревшей системой зажигания контактного типа.
Вариантом повышения эффективности бензиновых двигателей стал переход некоторых разработчиков на использование обедненной топливной смеси. Инженерами было изменено привычное соотношение топливной смеси. По такой технологии во второй половине 70-х годов стали строить свои моторы инженеры Honda, Mitsubishi, Nissan, а также некоторых других производителей. Но поскольку моторы, разработанные под применение обедненной смеси, требовали установки сложнейших и дорогостоящих каталитических нейтрализаторов, подобные агрегаты не прижились и уже к началу 90-х годов практически полностью перестали производиться.
Пожалуй, наиболее серьезным шагом в процессе эволюции автомобильных моторов является разработка системы электронного топливного впрыска. По сравнению с механическими аналогами, электронные системы позволяли гораздо точнее контролировать количество смеси, подаваемой в камеру сгорания. Первоначальные технологии предусматривали одноточечную конструкцию электронного впрыска, на смену которой пришли системы многоточечного и даже многопортового впрыска. Впрочем, многопортовый впрыск сегодня практически не используется ввиду сложности и дороговизны конструкции.
Сегодня в конструкции инжекторных моторов повсеместно применяются датчики кислорода, именуемые лямбда-зондами. Такие датчики устанавливаются в системе выпуска отработанных газов, выполняя функцию контроля эффективности сгорания топлива в каждом цикле. Многие автомобили располагают двумя и более кислородными датчиками, устанавливаемыми до и после каталитического нейтрализатора. При всех плюсах, лямбда-зонды обладают существенным недостатком, особенно заметным в российских условиях эксплуатации автомобилей. Эти устройства чрезвычайно чувствительны к качеству топлива и при использовании некачественного бензина могут выйти из строя уже после нескольких тысяч пробега.
Помимо двигателей, работающих по принципу цикла Отто, в мире современного автомобилестроения находят применение и другие технологии. Так, в качестве альтернативы можно назвать моторы, работающие по принципу цикла Аткинсона. Правда, такие двигатели не столь распространены ввиду меньшей мощности при прочих равных характеристика. Как правило, бензиновые двигатели, работающие по циклу Аткинсона, используются в гибридных силовых установках.
Сегодня, как и сто лет назад, конструкторы продолжают трудиться над повышением эффективности автомобильных двигателей. Так, уже возможно совсем скоро в свечах зажигания будут использоваться лазерные технологии, а для изготовления дроссельной заслонки будут применяться альтернативные материалы.
Источник
4kolesa.mirtesen.ru
История развития двигателей внутреннего сгорания
Выполнил :ученик 10 класса,
Точенов Денис
2017 Год
Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) – тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
П о роду топлива двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. П о способу заполнения цилиндра свежим зарядом - на 4-тактные и 2-тактные. П о способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Мощность, экономичность и другие характеристики двигателей постоянно улучшаются, но основной принцип действия остаётся неизменным. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу.
П ервый двигатель, изобрёл в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. Её коэффициент полезного действия составлял всего 4 % т.е. лишь 4% теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96% уходили с отработанными газами .
Двигатель Этьена Ленуара
Французский инженер Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя. Однако осуществить свою идею не сумел. Такой двигатель создал в 1878 г. Николаус Август Отто.
Дизельный двигатель Рудольфа Дизеля
Над его конструкцией изобретатель напряженно трудился и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин.
Двигатель Николауса Августа Отто.
Схема работы четырехтактного двигателя
Карбюраторный двигатель .Этот двигатель – одна из разновидностей двигателей внутреннего сгорания. Сгорание топлива происходит внутри двигателя и существенной его деталью является карбюратор – устройство для смешивания бензина с воздухом в нужных пропорциях. Создателем этого двигателя был Готлиб Даймлер.
Двигатель Готлиба Даймлера
Одним из видов ДВС является дизельный двигатель. В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля1893. Хотя Дизель и был первым, который запатентовал такой двигатель с воспламенением от сжатия, инженер по имени Экройд Стюарт высказывал ранее похожие идеи. Но он не обратил внимания на самое большое преимущество — топливную эффективность.
Основные этапы развития ДВС 1860 год Э.Ленуар первый ДВС; 1878 год Н. Отто первый 4х тактный двигатель; 1886 год В.Даймлер первый карбюраторный двигатель; 1890 год Р. Дизель создал дизельный двигатель; 70-е годы 20 века создание инжекторного двигателя.
Спасибо за внимание !
multiurok.ru
Даймлеровский двигатель, был специфично транспортным. Он питался консистенцией водянистого горючего с воздухом, притом экономично. Частота вращения вала была в 4—5 раз больше, чем у газовых движков, а литровая мощность (л. с/л) — в два раза. На единицу мощности приходилась наименьшая масса.
1-ые движки Бенца имели скорость вращения вала, не превосходящую 400 об/мин; и эту тихоходность Бенц оправдывал долговечностью и бесшумностью мотора. Кривошипный механизм оставался открытым, как у стационарных движков. Более любопытно в движке Бенца электронное зажигание консистенции, в принципе такое же, как у теперешних движков. Как досадно бы это не звучало, оно работало очень нестабильно.
Повышение мощности мотора
Прирастить мощность мотора и тем скорость автомобиля было не так просто. Если наращивать поперечник цилиндра, то растут силы, действующие на его стены, на детали кривошипного механизма. Если же наращивать длину хода поршня, то цилиндр тяжело расположить на автомобиле, вырастают размеры частей кривошипа. В обоих случаях двигатель тяжелеет. Эти происшествия привели конструкторов к мысли — помножить число цилиндров. Даймлер делал двухцилиндровыми (У-образными) уже свои самые ранешние движки, а в 1891 году выстроил 1-ый 4-х цилиндровый.
Повышение числа цилиндров давало не только лишь компактность мотора при росте его мощности, да и плавность хода. В 4-х цилиндровом движке каждый рабочий ход приходится на пол-оборота коленчатого вала, тогда как у одноцилиндрового мотора — на два оборота. Совместно с тем конструкция и сборка мотора при нескольких цилиндрах более сложные, появляются перекосы и прогиб вала. Пришлось ввести на нем противовесы, наращивать число его опор, установить рядом вспомогательный уравновешивающий вал.
К концу века многие конторы выпускали сразу движки одно-, двух- и четырехцилиндровые. Старались применить на всех движках компании однообразные цилиндры, чтоб сделать общее создание и упростить их подмену в случае повреждения. Пробовали делать и головку цилиндра съемной (как это делается сейчас), чтоб облегчить сборку мотора и сервис клапанов, но не смогли достигнуть плотности зазора меж головкой и цилиндром; нагрев вызывал деформацию головки, плотность нарушалась. Тогда стали отливать цилиндр заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали лючки с нарезными пробками. Отливка выходила замудренной. Потому рубаха водяного остывания была съемной (отсюда и ее заглавие), выполненной из латуни либо меди. Укрепляли ее на винтах.
Принципиальное место занимала система рассредотачивания, т. е. заполнения цилиндров горючей консистенцией и их чистки от газов. У всех ранешних движков впуск консистенции в цилиндр осуществлялся автоматическим тарельчатым клапаном — «тарелочкой» на стержне вроде опрокинутого гриба. По форме клапан похож на сегодняшний, раскрывался благодаря разрежению в цилиндре при такте впуска, а в остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Невзирая на нередкие заедания, простота конструкции такового клапана завлекала профессионалов до первых годов XX века. А потом с повышением частоты вращения вала перебежали на управляемый клапан.
Выпускным же клапаном с самого начала управляли, как золотником у паровой машины, с помощью эксцентрика и тяги. С отказом от автоматического клапана и повышением числа цилиндров умножалось и число эксцентриков. Это наткнуло конструкторов на идея о едином вале с кулачками заместо эксцентриков, с приводом его от коленчатого вала. Кулачки установили так, что их выступы в подходящий момент приподнимали стержни клапанов. При предстоящем движении кулачка пружина задерживала клапан закрытым. Устройство распределительного механизма получило схему, сохранившуюся до наших дней. Чтоб компенсировать несовершенство тогдашних карбюраторов, этому механизму присваивали еще одну функцию: шофер мог особенным (еще одним!) рычагом — отключателем сдвинуть распределительный вал и вывести кулачки из-под клапанов, временно закончить их действие.
Хотя, казалось бы, авто двигатель в отличие от стационарного можно было охлаждать потоком встречного воздуха, конструкторы очень скоро сделали вывод о большей эффективности водяного остывания. Оно прошло ряд стадий развития, пока не распространились змеевиковые радиаторы, время от времени опоясывавшие весь капот мотора. Змеевики, невзирая на их громоздкость, огромную массу и вероятные отказы, просуществовали около 15 лет. На модели «Мерседес» (1901) в первый раз использован знакомый сейчас трубчатый либо сотовый радиатор с большой поверхностью остывания, изменивший вид автомобиля. В конце XIX века появились водяные насосы, вращаемые коленчатым валом. Для продувки воздуха через радиатор, в особенности при неспешной езде, применили вентилятор, расположенный сзади радиатора либо объединенный с маховиком мотора (в данном случае ставили под движком кожух для герметизации подкапотного места).
К началу XX века утвердилась система смазки мотора разбрызгиванием. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали заполнявшее картер масло, его капли смазывали цилиндры и подшипники. Для смазки иных устройств автомобиля предназначалась целая батарея «капельниц», красовавшаяся на фронтальном щитке либо с боковой стороны кузова. Временами шофер либо его ассистент надавливали кнопки капельниц.
В разработке устройств, созданных для подачи консистенции в цилиндры и ее воспламенения, пришлось соприкоснуться со сравнимо новыми научными дисциплинами: электротехникой, газо- и гидродинамикой.
За длительное время до возникновения автомобилей был известен пульверизатор. Стоило поставить его на пути бензина из бака к движку, и разрежение в цилиндрах при такте впуска создавало бы тягу воздуха и распыляло бензин. Смешиваясь с воздухом, он создавал горючую смесь. Но конструкторы считали, что такая «парикмахерская» схема очень деликатна для грубых движков тех пор.
Возникновение карбюраторов
Изобретали разные замудренные карбюраторы. Работа карбюратора Маркуса припоминает процесс разбрызгивания краски со щетки (отсюда заглавие — щеточный карбюратор). В «барботажном» (взбалтывающем) карбюраторе Бенца воздух проходил через толщу бензина в баке. Слой бензина по мере его расхода становился тоньше, а смесь — наименее насыщенной; прибор работал нормально только сначала поездки. От фитильного карбюратора отказались, потому что из-за разрежения в цилиндре иногда засасывало… сами фитили и двигатель останавливался. При использовании поверхностного карбюратора водителю приходилось повсевременно следить за уровнем бензина.
Не добившись хотимого результата, конструкторы обратились к отвергнутому пульверизатору. Пульверизационный карбюратор Даймлера и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматом поддерживался неизменный уровень горючего. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры, как из пульверизатора, распыленной струей. Эта схема в принципе сохранилась до наших дней.
Системы зажигания
Обилие конструктивных решений типично и для ранешних систем зажигания. Об их «эффективности» свидетельствуют слова «Доброго зажигания!», которыми когда-то приветствовали друг дружку автомобилисты. И сейчас посреди водителей сохранился термин «на длинноватом зажигании» (буксировка отказавшего автомобиля).
Ленуаровские электронные приборы были так не-совершенны, что снабженный ими 1-ый автомобиль Бенца мог работать лишь на очень ровненькой дороге, в сухую погоду и поблизости от зарядной станции либо имея «на борту» припас сухих бунзеновских частей. Попробовали поменять их динамо-машиной, но она не работала при малых оборотах; для запуска мотора необходимо было вручную очень энергично раскрутить его вал либо любым методом разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был еще очень тяжел, энергетически слаб, портился от тряски.
Многих автостроителей завлекало придуманное в 1895 году германским инженером-электриком Робертом Бошем (1861 —1942) «Магнитное зажигание на отрыв». Эта система производила ток благодаря движению якоря в электронном поле меж полюсами магнита. В момент большей силы тока электронную цепь разрывала тяга, приводившаяся от якоря. Разрыв происходил в камере сгорания. Появлялась искра, воспламенявшая смесь. Система работала накрепко, если частота вращения мотора не превосходила 300 об/мин.
Г. Даймлера и В. Майбаха, добивавшихся огромных оборотов мотора, ни одна из тогдашних электронных систем зажигания не удовлетворяла. Потому до самого конца XIX века на автомобилях «Даймлер» применялась платиновая калильная трубка, невзирая на ее дороговизну, пожарную опасность и на то, что она часто вызывала раннее воспламенение консистенции. В Германии был даже подготовлен законопроект о запрете калильного зажигания. Даймлер первым применил на серийном автомобиле предложенную Р. Бошем магнитоэлектрическую машину с 2-мя обмотками якоря. Ее окрестили «магнето высочайшего напряжения». Она позволила достигнуть надежного зажигания и не зависела от числа оборотов мотора. Авто с магнето просуществовали до 1930-х годов.
Так шаг за шагом создавался авто двигатель. Его мощность возросла к началу XX века в 10-ки раз, а удельная мощность — в 7 раз, расход горючего на 1 л. с. сократился в два раза. Черты сходства со стационарными движками практически утратили, не считая самых общих.
Источник: Ю A. Долматовский «Автомобиль за 100 лет»
ctirling.ru
