В 1799 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ и получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения. Изобретатели взялись за конструирование двигателей, способных заменить паровую машину, при этом топливо сгорало бы не в топке, а непосредственно в цилиндре двигателя.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он был убит, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.
Barsanti-Matteucci (1853) В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.
К 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Николаусом Отто.
В 1864 году он получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».
На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое 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 примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разрежение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя Ленуара и достигал 15 %, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.
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. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. 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.
Хотя конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним производством 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 применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два- в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа пары жидкого топлива. Ещё в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.
Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых «испарительных» карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Работоспособный бензиновый двигатель появился только десятью годами позже. Вероятно, первым его изобретателем можно назвать Костовича О.С., предоставившим работающий прототип бензинового двигателя в 1880 году. Однако его открытие до сих пор остается слабо освещенным. В Европе в создании бензиновых двигателей наибольший вклад внес немецкий инженер Готлиб Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом её правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнёсся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение — в 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.
Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счёт увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый калильный бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой трубочки, вставляемой в цилиндр.
Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.
Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях оставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора. Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году он взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклёр, а постоянство состава смеси достигалось за счёт поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклёр выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха. Для поддержания напора был предусмотрен маленький бачок с поплавком, который поддерживал уровень на заданной высоте, так что количество всасываемого бензина было пропорционально количеству поступающего воздуха.
Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.
В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые.
История создания двигателей внутреннего сгорания:
Еще в те далекие годы ученые, инженеры многих стран работали над открытиями в различных областях науки: химии, физике, механике. Так, в 1799 году, Филипп Лебон – французский инженер, открыл светильный газ. Светильный газ он получил из древесины и угля путем сухой перегонки. Открытие послужило началом развития техники освещения.
В 1801 году он разработал свою конструкцию газового двигателя. Работа двигателя основывалась, опять же, на свойствах открытого им газа. Газ, в смеси с воздухом при нагревании, воспламенялся, горел с выделением огромного количества тепла и расширялся. Эту энергию он использовал в своем первом двигателе. Конструкция его двигателя состояла из двух компрессоров и смесительной камеры. Один компрессор закачивал сжатый воздух, второй – светильный газ из газогенератора. Смесь газов направлялась в рабочие цилиндры, расположенные по обе стороны от поршня. Смесь поочередно воспламенялась, то в одном цилиндре, то - в другом. Это открытие послужило предпосылкой создания двигателя внутреннего сгорания. Но воплотить свою идею о создании двигателя внутреннего сгорания он не успел. В 1804 году он погиб. Его идею разработали другие изобретатели.
Конструкции двигателей внутреннего сгорания, в последующие годы, разрабатывались учеными в зависимости от использования горючих веществ - топлива.
В 1877 году Август Отто, немецкий изобретатель, разработал новый двигатель с четырёхтактным циклом. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.
В конце XIХ века появились двухцилиндровые двигатели.
С начала XX века - четырёхцилиндровые.
В зависимости от вида топлива, используемого в двигателе, автомобили делятся на:
- автомобили с карбюраторными двигателями, работающие на легковоспламеняющемся жидком топливе – бензине
- автомобили с дизельными двигателями, работающие на тяжелом жидком дизельном топливе
- автомобили, работающие на сжатом или сжиженном газе, хранящиеся на автомобиле в баллонах.
Двигатели внутреннего сгорания бывают:
1. Поршневые.
2. Роторные.
3. Газотурбинные.
4. Роторно-поршневые.
5. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания.
6. RCV.
Мы будем говорить о поршневых двигателях внутреннего сгорания.
1. О конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания – поршневой
Двигатели внутреннего сгорания состоят из основных конструктивных узлов:
1. Цилиндра с поршнем – камера сгорания.
Где, пары топлива смешанные с воздухом, воспламеняются от электрической искры, сгорают, нагреваются, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Химическая энергия топлива превращается в механическую энергию.
2. Кривошипно-шатунного механизма.
Служит для преобразования прямолинейного, возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.
В него входят:
- блок цилиндров с головкой, поршни с кольцами, поршневые пальцы, шатуны,
коленчатый вал, маховик, картер.
3. Газораспределительного механизма.
Служит для своевременного впуска в цилиндры свежего заряда горючей смеси и выпуска отработанных газов.
Состоит из:
- впускных и выпускных клапанов с пружинами, деталями их крепления, толкателей, направляющих втулок клапанов и толкателей, распределительного вала, распределительных шестерен.
4. Системы охлаждения.
Предназначена для отвода тепла от деталей двигателя, нагревающихся при его работе.
В нее входят:
- рубашка охлаждения блока, головки цилиндров, радиатор, насос, вентилятор,
водораспределительная труба, термостат, соединительные шланги, краники слива жидкости, жалюзи и указатель температуры охлаждающей жидкости.
5. Системы смазки.
Служит для подачи масла к трущимся поверхностям деталей двигателя, частичного охлаждения их и очистки масла.
К ней относятся:
- поддон картера, маслоприемник, масляный насос, масляные фильтры грубой и тонкой очистки, масляный радиатор, указатель давления масла, трубопроводы и каналы.
6. Системы питания.
Предназначена для подвода топлива, очистки и подачи воздуха к карбюратору, приготовления горючей смеси, подвода ее к цилиндрам и отвода из них отработавших газов.
К системе питания относятся:
- топливный бак, фильтр отстойник, насос, карбюратор
7. Системы зажигания.
Служит для образования электрической искры и воспламенения ее в цилиндрах двигателя.
2. О принципе работы поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Для объяснения принципа работы двигателя возьмем цилиндр с поршнем. Поршень, в не рабочем состоянии, свободно перемещается внутри цилиндра. Соединим его с кривошипом вала при помощи шатуна. В цилиндр введем заряд горючей смеси. Воспламеним этот заряд (пары топлива смешанные с воздухом) электрической искрой. При быстром сгорании топлива, газы нагреваясь, расширяются, создают давление и перемещают поршень. Шатун, шарнирно связан одним концом с поршнем, другим концом шарнирно закреплен на шейке кривошипа коленчатого вала. При перемещении поршня, весь узел поворачивает коленчатый вал и закрепленный на его конце маховик. Прямолинейное перемещение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала и маховика. Чтобы поршень работал постоянно, необходимо постоянно впускать заряд. Для этой цели в верхней части цилиндра имеются два отверстия: впускное и выпускное. Эти отверстия перекрываются поочередно клапанами. Маховик очень тяжелый. Он помогает не останавливаться поршню до нового воспламенения смеси.
После расширения газов клапан выпускного отверстия при движении поршня вверх открывается, и отработавшие газы выталкиваются наружу. Коленчатый вал продолжает вращаться, перемещает поршень вниз. В освобождаемой части цилиндра создается разряжение. Открывается впускной клапан впускного отверстия и цилиндр заполняется новой порцией заряда горючей смеси. Полезная работа создается только при новом цикле, когда происходит сгорание горючей смеси, то есть, когда поршень в верхнем положении и сжимает пары горючей смеси.
Верхнее и нижнее положения поршня – это мертвые точки. Движение поршня вверх – вниз – это ход поршня. За один ход поршня коленчатый вал поворачивается на 180 градусов, то есть пол-оборота.
Процессы, происходившие внутри цилиндра за один ход поршня, называются тактом.
Пространство внутри цилиндра над поршнем, при положении поршня в верхней части цилиндра (мертвой точке), называется камерой сгорания.
Пространство, освобождаемое при движении поршня вниз (нижнюю мертвую точку) называется рабочим объемом цилиндра.
В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя и выражается в литрах.
Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема плюс объем камеры сгорания.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия.
Чем больше степень сжатия, тем выше экономичность и мощность двигателя вследствии уменьшения тепловых потерь и уменьшения давления на поршень.
Снижение тепловых потерь достигается уменьшением внутренней поверхности камеры сгорания.
Среднее давление на поршень повышается за счет увеличения температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большом сжатии.
И так выяснили:
- что принцип работы одноцилиндрового двигателя состоит из выполнения одного такта рабочего хода, при котором происходит сгорание рабочей смеси и расширение газов
- что, для этого процесса необходимы три подготовительных такта: впуск, сжатие, расширение и выпуск - четыре такта
- что блок цилиндра или цилиндров, является основной деталью двигателя.
3. О блоке цилиндра, как основном узле двигателя.
Цилиндры в блоке могут быть расположены вертикально, в один ряд, в два ряда, V – образно под углом 90 градусов.
Блок цилиндров отливают из чугуна или алюминиевого сплава. В этой же отливке выполняются: картер, стенки рубашки охлаждения, окружающей цилиндры двигателя, впускные и выпускные каналы, заканчивающиеся гнездами клапанов, и клапанная коробка, где размещается часть деталей газораспределительного механизма. Внутренняя поверхность цилиндров служит направляющей для поршней.
Цилиндр растачивают под требуемый размер, а затем шлифуют. Эта поверхность называется зеркалом цилиндра. Цилиндры могут выполняться и в виде вставных гильз, омываемых охлаждающей жидкостью. Такие гильзы называются мокрыми. Нижняя часть гильз имеют уплотнительные кольца. Вверху уплотнение достигается за счет прокладки головки цилиндров. Для продления срока службы двигателей в верхнюю часть, наиболее изнашивающуюся часть цилиндров, запрессовываются короткие тонкостенные гильзы из кислотоупорного чугуна. Сверху блок закрыт головкой цилиндров, изготовленной из алюминиевого сплава.
Крепятся головки цилиндров к блоку шпильками с гайками, а их герметичность, с помощью металлоасбестовой прокладки.
Поршни отливаются из алюминиевого сплава. Поршни имеют цилиндрическую форму. Состоит из головки с днищем и направляющих стенок (юбки). На цилиндрической части головки поршня выточены канавки для поршневых колец.
В головку залита чугунная кольцевая вставка с прорезью для верхнего компрессионного кольца. Над верхней канавкой сделана кольцевая вытачка для уменьшения передачи тепла от днища поршня к кольцам, для предохранения от их пригорания.
В направляющих стенках имеются два прилива – бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Ось отверстия под поршневой палец смещена в сторону распределительного вала для уменьшения качания поршня в верхней мертвой точке и снижения шума при работе. В юбке, в нижней ее части, есть выемка для прохода противовесов коленчатого вала при вращении.
Для предотвращения заклинивания при нагреве между рабочей поверхностью цилиндра и поршнем есть зазор. Диаметр головки поршня делают меньшим, так как он нагревается больше, чем стенки поршня.
Для уменьшения зазора между поршнем и цилиндром в прогретом состоянии и предотвращения стука в холодном двигателе направляющие стенки поршней делаются овальной формы, или П – образные разрезы, или Т – образные, или косые разрезы. Большая ось овала ставится в плоскости действия боковых сил и меньшей осью в плоскости поршневого пальца. Для правильной установки поршней при сборке на днище выбита с надписью «вперед».
Для ускоренной приработки поршней к цилиндру их покрывают тонким слоем олова.
Поршневые кольца служат для предотвращения прорыва газов в картер двигателя и снятия излишек масла со стенок цилиндра. Изготовляются кольца из чугуна или стали и имеют замок (разрез). Они упругие, поэтому плотно прилегают к стенкам цилиндра. Кольца устанавливают на поршень разрезами в разные стороны.
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Палец – пустотелый, цилиндрической формы. Наружный слой пальца закален с нагревом токами высокой частоты для повышения износостойкости. Палец удерживается от осевого смещения стопорными пружинными кольцами, установленными в вытачках бобышек поршня. Такое крепление поршневого пальца называется плавающим и позволяет ему во время работы двигателя, поворачиваться вокруг оси в бобышках поршня и в верхней головке шатуна.
4. О неисправностях цилиндра, поршня, поршневых колец и пальцев, признаках неисправностей и их устранениях.
1. Двигатель не развивает полной мощности.
Причины:
- уменьшение компрессии в результате нарушения уплотнения прокладки головки цилиндров при слабой или неравномерной затяжке гаек крепления.
Устранение неисправности:
а) ключом раскрутить гайки на шпильках
б) вынуть шпильки
в) тщательно очистить поверхность разъема
г) прокладку натереть порошкообразным графитом
д) заменить металлоасбестовую прокладку
е) провести операцию сборки в обратном порядке с равномерной затяжкой гаек. Затяжку гаек производить от центра, постепенно перемещаясь к краям
- пригорание колец в канавках поршня из за отложения смолистых веществ, приводит к перерасходу топлива.
Устранение неисправности:
а) проверить рукой или компрессометром компрессию в цилиндрах:
Для проверки компрессии рукой, вывернуть свечи зажигания, кроме проверяемого цилиндра. Вращать коленчатый вал пусковой рукояткой. По сопротивлению проворачиванию во время такта сжатия, опытные проверяют, судят о компрессии.
Проверить компрессию с помощью компрессометра. Для этого, прогреть двигатель. Вывернуть свечи. Полностью открыть дроссель и воздушную заслонку карбюратора. Установить резиновый наконечник компрессометра в отверстие для свечи. Вращать коленчатый вал двигателя в течении 2 – 3 секунд. Компрессометр дает показания. В исправном двигателе величина давления конца сжатия в пределах 7,0 – 8,0 килограмм на один квадратный сантиметр.
б) выпустить воду
в) отсоединить шланги
г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску
д) удалить отложения смолистых веществ с помощью скребка из мягкого металла. Перед удалением смолистых веществ, чтобы не повредить поверхность поршня, смочить керосином
е) заменить кольца
ж) вновь собрать узел
з) проверить компрессию двигателя
и) пригорание колец можно устранить и без разборки двигателя. На ночь залить в каждый цилиндр смесь из 20 г, состоящей из равных частей денатурированного спирта и керосина
- износ, поломка, потеря упругости колец
Устранение неисправности:
а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя
б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ, без применения керосина
г) заменить поврежденные кольца.
- отложение нагара на днищах поршней и стенках камеры сгорания
Причины этой неисправности приводят к перегреву двигателя, увеличению расхода топлива, к потере мощности.
Устранение неисправности:
б) выпустить воду
в) отсоединить шланги
г) снять приборы, укрепленные на головке цилиндров, и, отвернув гайки, осторожно отделить головку цилиндров, используя металлическую полоску
д) удалить нагар:
Удаляется нагар с днищ поршней поочередно, когда поршни устанавливаются в цилиндрах в крайние верхние положения. Соседние цилиндры надо закрыть чистой ветошью. Нагар удалять скрепками из мягкого металла, чтоб не повредить поверхность очищаемых деталей. Для размягчения нагара смачивают керосином. Нагар в камере сгорания удаляют также.
е) вновь собрать узел
ж) проверить компрессию двигателя
- износ, поломка, потеря упругости колец
Устранение неисправности:
а) проделать те же операции по определению компрессии двигателя
б) проделать те же операции по разборке узла, что и при удалении отложений смолистых веществ или нагара, без смазки керосином, просто заменой исправными кольцами
- обрыв шпилек, повреждение резьбы шпилек, повреждение резьбы гаек
а) заменить шпильки и гайки
- износ рабочей поверхности цилиндра. Вызывает перерасход топлива, дымный выпуск отработавших газов.
Устранение неисправности:
а) разборка узла, выше указанным способом
б) отправка на восстановление до нужных размеров диаметра цилиндра в специализированные участки или замена новым.
2. Стуки в двигателе.
Причины:
- увеличение зазора в результате износа или повреждения поверхностей поршней, цилиндров, поршневых пальцев и втулок, коренных и шатунных подшипников, выплавление баббитового слоя вкладышей подшипников. Стук во время пуска и работе холодного двигателя, признак увеличения зазора между поршнем и цилиндром. Резкий металлический стук, который прослушивается на всех режимах работы двигателя, говорит об увеличении зазора между поршневыми пальцами и втулками. Увеличение стука при резком повышении оборотов коленчатого вала двигателя указывает на повышенный износ коренных и шатунных подшипников. Если более глухой стук – это износ коренных подшипников. Резкий, не прекращающийся стук в двигателе, который сопровождается падением давления, «говорит» о выплавлении или большом износе слоя баббита во вкладышах подшипников.
Устранение неисправности:
Прослушивание двигателя для определения причин стуков производится с помощью стетоскопа. Пользование этим прибором требует большого навыка.
avtoliteratura.ru
с одержание
1. История создания……………………………………………….…..3
2. История автомобилестроения в России…………………………7
3. Поршневые двигатели внутреннего сгорания……………………8
3.1 Классификация ДВС ………………………………………….8
3.2 Основы устройства поршневых ДВС ………………………9
3.3 Принцип работы……………………………………………..10
3.4 Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя………………………………………………………………10
3.5 Принцип действия четырехтактного дизеля……………11
3.6 Принцип действия двухтактного двигателя…………….12
3.7 Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей………………………………………….…………….13
3.8 Рабочий цикл четырехтактного двигателя………...……14
3.9 Рабочие циклы двухтактных двигателей………………...15
Заключение………………………………………………………………..16
Введение.
XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Телеграф, телефон и радио соединяет нас со всем миром. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные Спутники Земли. Все это действует не без помощи электричества.
Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы. Уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.
С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины, как и орудия труда лишь помогали человеку в его труде. Затем они стали постепенно заменять его.
В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось малоэффективным.
Стали искать другой источник энергии. Долго трудились изобретатели, много машин испытали - и вот, наконец , новый двигатель был построен . Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах.В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства -паровозы.
Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый. В 1860 г. француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания .
1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ
Использовать внутреннюю энергию – это значит совершить за счет нее полезную работу, то есть превращать внутреннюю энергию в механическую. В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает.
Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.
Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель.
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.
Примерно тремя столетиями позже в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.
В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар - это прообраз современных реактивных двигателей.
В то время изобретение Герона не нашло применения и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.
Несколько иначе представлял себе двигатель, использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век ршсе великого Леонардо. Это было колесо слопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машитрудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и Дрогие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, Например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После отого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опусускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он негодился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, И это на протяжении всей работы двигателя!). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным.
Однако нельзя не усмотреть в первой машине Палена черты современного двигателя внутреннего сгорания.
В своем новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался – снова превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой, но для серьезного практического использования был также малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду, ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.
Все эти недостатки были связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Об этом догадался современник Дени Палена англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра - в котле.
Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно <прожорлива>: пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в <ненасытную пасть> топки, а механик управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр.
mirznanii.com
В качестве энергетических установок для транспорта наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннегосгорания.
Особенностью тепловых двигателей этого типа является то, что процесс сгорания топливо-воздушной смеси и преобразование тепловой энергии в механическую происходят непосредственно вцилиндредвигателя.
Положительные свойства двигателей внутреннего сгорания: компактность, высокая экономичность и долговечность, а также возможность использования в них жидкого и газообразного топлива привели к тому, что после появления этих двигателей в начале второй половины XIXв. они вскоре заменили паровую машину.
Первыми двигателями внутреннего сгорания, работавшими на газовом топливе, были двухтактные двигатели Ленуара (1860 г., Франция), Н. Отто и Э. Лангена (1867 г., Германия) и четырехтактный двигатель с предварительным сжатием смеси Н. Отто (1876 г.).
Организация в конце XIXв. промышленной переработки нефти способствовала созданию, а затем и производству двигателей внутреннего сгорания, работающих на жидком топливе: карбюраторные двигатели с искровым зажиганием, калоризаторные двигателии двигателисвоспламенениемотсжатия — дизели.
В России первый двигатель с искровым зажиганием был построен в 1889 г. по проекту инженера И. С. Костовича. В 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге (ныне завод «Русский дизель») был построен промышленный образец высокоэкономичного двигателя с воспламенением от сжатия. Этот двигатель в отличие от двигателя, построенного немецким инженером Р. Дизелем (1897 г.) и работавшего на керосине, мог работать на природной (сырой) нефти и ее погонах. В течение короткого времени конструкция этого двигателя, названного дизелем, была значительно усовершенствована ион сталширокоприменятьсявэнергетических стационарных установках, на судах и т. п. В настоящее время дизели применяются на тепловозах, тракторах, автомобилях средней и большой грузоподъемности и на других транспортных машинах.
На автомобильном транспорте широкое применение получили карбюраторные двигатели. Они устанавливаются на всех легковых автомобилях и на грузовых автомобилях малой и средней груз опо дъемности.
В нашей стране после Великой Октябрьской социалистической революции, особенно в период первых пятилеток, стало быстро развиваться производство двигателей внутреннего сгорания различного назначения, в том числе и автомобильных. Автомобильные карбюраторные двигатели и дизели непрерывно совершенствуются. Модернизируются старые конструкции двигателей и ставятся на производство новые, имеющие большую экономичность и надежность при меньшей массе, приходящейся на единицу мощности.
Успешное развитие двигателей внутреннего сгорания, создание опытных конструкций и промышленных образцов в значительной мере связаны с исследованиями и разработкой теории рабочих процессов. В 1906 г. профессор Московского высшего технического училища В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя. Этот метод в дальнейшем был развит и дополнен чл.-корр. АН СССР Н. Р. Брилингом, проф. Е. К. Мазингом, акад. Б. С. Стечкиным и др.
Анализ развития энергетических установок для автомобильного транспорта показывает, что в настоящее время двигатель внутреннего сгорания является основным силовым агрегатом и еще возможно его дальнейшее совершенствование.
maestria.ru
3.2. Основы устройства поршневых ДВС
Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и взаимодействующих между собой. Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система.
Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала .
Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.
Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания.
Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.
Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.
Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя .
Итак, четырехтактный поршневой двигатель состоит из цилиндра и картера, который снизу закрыт поддоном . Внутри цилиндра перемещается поршень с компрессионными (уплотнительными) кольцами, имеющий форму стакана с днищем в верхней части. Поршень через поршневой палец и шатун связан с коленчатым валом, который вращается в коренных подшипниках, расположенных в картере. Коленчатый вал состоит из коренных шеек, щек и шатунной шейки. Цилиндр ,поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. Сверху цилиндр накрыт головкой с клапанами, открытие и закрытие которых строго согласовано с вращением коленчатого вала, а следовательно, и с перемещением поршня.
Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее его положение - нижняя мертвая точка (НМТ) .
Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня S, который равен удвоенному радиусу R кривошипа: S=2R.
Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vс; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма объема камеры сгорания Vс и рабочего объема Vh составляет полный объем цилиндра Vа: Vа=Vс+Vh. Рабочий объем цилиндра (его измеряют в кубических сантиметрах или метрах): Vh=пД^3*S/4, где Д - диаметр цилиндра. Сумму всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя, его определяют по формуле: Vр=(пД^2*S)/4*i, где i - число цилиндров. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия: E=(Vc+Vh)Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, т.к. сильно влияет на его экономичность и мощность .
3. 3. Принцип работы
Действие поршневого двигателя внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ к НМТ. Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к .давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень. Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.
3.4. Принцип действия четырехтактного карбюраторного двигателя
Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.
В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом:
1. Такт впуска По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь .
2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.
3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ.В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С. 4. Такт выпуска . При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод .
3.5. Принцип действия четырехтактного дизеля
В четырехтактном двигателе рабочие процессы происходят следующим образом:
1. Такт впуска. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом .
3. Такт расширения, или рабочий ход . Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное
давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура 1800 - 2000 С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ в НМТ -происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5 МПа, а температура до 700 - 900 С.
4. Такт выпуска . Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 - 0.12 МПа, а температура до 500-700 С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности. Для обобщения на показаны схемы рабочего цикла карбюраторных двигателей и дизелей.
3.6. Принцип действия двухтактного двигателя
Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных
двигателей - продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное 6 и продувочное, которое сообщается клапаном скривошипной камерой двигателя.
mirznanii.com
Исторически двигателестроение связывают в первую очередь с двумя фамилиями — Отто и Дизель, которые знают даже дилетанты. Важнейшие изобретения этих инженеров более 100 лет тому назад способствовали стремительному развитию конструкции двигателей внутреннего сгорания.
Многие изобретатели работали над этой проблемой, но все попытки создать рабочий образец были тщетными. Все так же для работы люди использовали паровые машины, но такое оборудование не подходило для ремесленников и мелкого производства. Для образования пара требовался котел, который должен был подогреваться, а кроме того, для использования таких механизмов в производстве требовалось разрешение полиции. Поэтому создание бельгийским механиком Ленуаром двигателя, работающего на светильном газе, стало значительным шагом вперед.
Жан Этьен Ленуар (Jean Etienne Lenoir, 1822-1900 гг.) в то время жил в Париже и зарабатывал на жизнь, работая официантом. В свободное время он занимался техническими вопросами. Первый свой двигатель он создал в 1860 году. На рисунке изображена схема данного двигателя.
Рис. Схема двигателя Ленуара
В основе самой конструкции во многом была надежная паровая машина того времени. В результате у Ленуара получился двойной двухтактный двигатель внутреннего сгорания. В паровой машине перегретый пар подается в цилиндры под давлением из парового котла, а в двигателе Ленуара рабочая смесь воздуха и светильного газа через впускной золотник поступала в один из цилиндров под воздействием разрежения, вызванного движением поршня в цилиндре. Затем рабочая смесь воспламенялась от простейших свечей зажигания. Продукты сгорания, расширяясь в объеме, сдвигали поршень до конца его рабочего хода. Обработавшие газы выбрасывались из цилиндра через выпускной золотник, в то время как в другом поршне данный цикл только начинался. Цилиндры двигателя Ленуара имели водяное охлаждение. Золотниковое управление впуском и выпуском рабочей смеси Ленуар позаимствовал из конструкции паровой машины. Оба золотника приводились в действие от эксцентриков на коленчатом валу двигателя. Свечи зажигания работали от электроиндуктора с прерывателем Вагнера.
Напряжение подавалось к свечам зажигания через контактные шины. Свечи поочередно работали в постоянном режиме, в результате чего расход электроэнергии был большим и контакты часто подгорали.
Двигатель Ленуара вырабатывал мощность почти в 3 л.с. и расходовал приблизительно 4 м^3/кВт*ч светильного газа. Шум при работе мотора был очень сильным. Тем не менее, такой двигатель был проще в установке и обслуживании, чем паровая машина, поэтому он быстро завоевал популярность. Вскоре о новом двигателе узнал торговец Николаус Август Отто (Nikolaus August Otto, 1832-1891 гг.). Будучи прирожденным механиком и изобретателем, он сам сконструировал свой первый газовый мотор.
Так же, как и Ленуар, Отто понимал, что паровая машина для мелкого производства слишком дорога и трудна в обслуживании. Как коммерсант, он осознавал, что двигатель внутреннего сгорания способен покрыть рыночный дефицит и будет пользоваться спросом. Отто решил усовершенствовать конструкцию Ленуара, отказавшись от использования светильного газа в пользу горючих жидких фракций переработки нефти, но в первом прошении о предоставлении патента Отто было отказано. После этого изобретатель прекратил думать о патенте и посвятил время совершенствованию двигателя Ленуара.
Отто ясно понимал, что двигатель Ленуара работает шумно и нестабильно, а сильная детонация при воспламенении смеси светильного газа с воздухом отрицательно влияет на детали конструкции. Эти недостатки конструктор решил устранить, используя новый состав рабочей смеси. При этом оказалось, что в конце рабочего хода в цилиндре образуется разрежение, когда поршень закачал новую порцию смеси лишь на четверти своего хода. Из-за этого разрежения поршни вновь «всасывались назад». Таким образом, к Отто пришла мысль о создании атмосферного газового двигателя.
Эта конструкция, еще работавшая на смеси светильного газа и воздуха, схематически представлена на рисунке.
Рис. Атмосферный газовый двигатель. Оба эксцентрика передавали один раз вращение шестерни посредством храпового механизма при каждом рабочем цикле. При этом один эксцентрик немного поднимал поршень (ход всасывания), а второй приводил в действие золотник. После этого эксцентрики не двигались до тех пор, пока не начнется новый рабочий цикл
Поршень засасывал на десятой части своего хода вверх смесь газа с воздухом, которая затем воспламенялась от газовой горелки. Продукты сгорания смеси, расширяясь, выталкивали поршень вверх, при этом срабатывал механизм свободного хода, разъединявший шатун и вал отбора мощности двигателя. В конце хода поршня в цилиндре образовывалось разрежение. Затем, двигаясь вниз, поршень вновь соединялся с валом отбора мощности, и вес опускающегося поршня, усиленный посредством силы давления, выполнял механическую работу.
Во время каждого рабочего цикла от шестерен через храповой механизм однократно приводились в действие два эксцентрика, один из которых немного поднимал поршень при ходе впуска, а второй приводил в действие управляющий золотник. После этого эксцентрики не двигались до начала следующего рабочего цикла.
Рис. Система факельного зажигания. Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре
Для воспламенения рабочей смеси Отто не использовал свечу зажигания Ленуара, так как для ее постоянной работы требовалось слишком много электроэнергии. Вместо нее Отто применил разработанную им же систему факельного зажигания. Процессы выпуска и впуска газов, а также зажигание рабочей смеси управлялись с помощью золотника, который приводился в действие эксцентриком. Атмосферный газовый двигатель Отто работал достаточно громко, но сильная детонация при воспламенении смеси уже не возникала. К тому же расход светильного газа был намного меньше по сравнению с двигателем Ленуара, так как энергия газа использовалась гораздо эффективнее.
Если золотник стоит в положении впуска, поршень втягивает в цилиндр образующуюся в перепускном канале рабочую смесь из газа и воздуха. В то же время в запальном канале образуется запальная смесь, которая поджигается от постоянно работающей запальной горелки и переносится двигающимся вверх золотником во впускной канал, где она и зажигает рабочую смесь в цилиндре.
В разработке этого двигателя участвовал инженер Ойген Ланген (Eugen Langen, 1833-1895 гг.). Отто, который отошел от торговли и полностью посвятил себя своим изобретениям, предложил Лангену создать совместное производство двигателей. Так в 1864 г. образовалась фирма «Otto & Cie», позже преобразованная в фабрику «Gasmotorenfabrik Deutz» по производству газовых двигателей, на основе которой затем возник сегодняшний концерн «Klockner-Humboldt-Deutz AG». Отто и Ланген представили свой атмосферный газовый двигатель в 1867 г. на Парижской всемирной выставке. Низкий расход газа привлекал всеобщее внимание, и двигателю присудили Гран-при. Мощность первого газового двигателя составляла примерно 0,87 л.с. при габаритной высоте почти 2 м. На протяжении года конструкторы смогли поднять мощность до 2, 72 л.с., и это стало пределом. Двигатели еще большей мощности из-за своих габаритов не могли устанавливаться в цехах и, тем более, в небольших мастерских. К тому же шум при работе двигателя становился невыносимым.
Тем не менее, покупатели двигателей требовали модели большей мощности, поэтому пришлось разрабатывать новую конструкцию. Отто сделал эскиз нового двигателя с непосредственным соединением поршней и коленчатого вала и придумал способ снижения детонации при воспламенении рабочей смеси. Идея заключалась в том, что газ и воздух должны были располагаться слоями в цилиндре таким образом, чтобы в точке воспламенения в поршне смесь содержала как можно меньше светильного газа.
В то время Отто думал, что самым большим изобретением в его новом двигателе является послойный заряд рабочей смеси, который к тому же сжимался перед воспламенением. На самом же деле гениальной идеей являлось создание четырехтактного способа работы. Четырехтактный способ работы состоит из следующих частей (тактов):
Первый четырехтактный двигатель Отто и Лангена, созданный в 1876 г., развивал мощность 2,72 л.с. при 180 об/мин. Он является прообразом всех современных четырехтактных двигателей.
Несколькими годами позже был изобретен новый тип силовой установки — дизельный двигатель. Его изобретатель Рудольф Дизель (Rudolf Diesel, 1858-1913 гг.) разрабатывал холодильные установки в компании «Fa. Lindes Eismaschinen». Тщательно изучая холодильное оборудование и теплотехнику, он разработал паровую машину, работавшую на аммиаке. Работы с перегретым паром навели Дизеля на идею создать двигатель, в котором сильно сжатый воздух будет работать при высокой температуре. Такой тепловой двигатель по экономичности должен был превзойти все остальные конструкции. Высоких температур Дизель хотел достичь при помощи сжатия воздуха до 250 бар. Для предотвращения преждевременного воспламенения топливо должно было впрыскиваться в воздух в цилиндре двигателя только в конце такта сжатия. При выборе рабочего цикла Дизель все же допустил ошибку, выбрав цикл Карно, который состоит из двух изоэнтропийных и двух изотермических изменений состояния газа и имеет наилучший термический коэффициент полезного действия из всех термодинамических циклов. Цикл Карно все же не подходит в качестве рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания, так как изотермическое горение в двигателе невозможно. К тому же получаемая полезная работа при цикле Карно настолько мала, что покрывает только потери на трение двигателя. Это происходит из-за небольшой площади цикла (замкнутого процесса), что видно на рисунке.
Рис. Цикл Карно
Вскоре Дизель обнаружил, что его двигатель может работать и без использования цикла Карно. Изобретатель запатентовал свой новый принцип работы мотора и начал искать предприятие, способное создать его конструкцию в металле. После длительных переговоров компания «MAN» в Аугсбурге согласилась построить двигатель по чертежам Дизеля. Первый опытный образец, созданный в 1893 г., был четырехтактным, не имел системы охлаждения и запускался с помощью внешнего механического привода. Первоначально предполагалось использовать в качестве топлива бензин, но эти попытки оказались неудачными. В то же время без системы охлаждения конструкция быстро перегревалась, а система непосредственного впрыска топлива просто не работала, поскольку производство того времени было неспособно создать топливный насос с требуемой точностью изготовления деталей.
Изобретатель изменил принцип подачи топлива, в качестве которого был выбран керосин. Теперь он впрыскивался в цилиндр в момент воспламенения с помощью сжатого воздуха. Для предотвращения перегрева двигателя была разработана система водяного охлаждения. Впервые видоизмененный двигатель Дизеля самостоятельно заработал в 1894 г. Потребовалось еще множество опытов и конструктивных изменений, прежде чем двигатель был готов к использованию. В 1897 г. Дизель продемонстрировал свой двигатель большому кругу заинтересованных лиц. На испытательном стенде силовой агрегат Дизеля развил мощность 17,7 л.с. при 154 об/мин, а расход топлива составил 324 грамма/кВт*час. С таким низким расходом топлива двигатель Дизеля превзошел все тепловые моторы, став фактически самым экономичным тепловым двигателем своего времени. Превосходство в расходе топлива дизельный двигатель сохраняет и в настоящее время.
Сегодня бензиновый двигатель с принудительным искровым зажиганием очень часто называют двигателем Отто, а двигатели с самовоспламенением смеси от сжатия — дизельным двигателем. Таким образом, сохранена славная память о двух великих моторостроителях — Николаусе Августе Отто и Рудольфе Дизеле.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Даймлеровский двигатель, 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.
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.
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.
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.
Источник: Ю A. Долматовский «Автомобиль за 100 лет»www.thingshistory.com
