История двигателя внутреннего сгорания
Главное устройство любого транспортного средства, в том числе назем-ного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.
В ходе исторического развития транспортных двигателей меха-ническая работа движения осуществлялась за счет применения:
1) мускульной силы человека и животных;
2) силы ветра и потоков воды;
3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;
4) электрической и химической энергии;
5) солнечной и ядерной энергии.
Записи о попытках построить самоходные средства перед-вижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускуль-ным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.
Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.
Эта коляска, вполне вместительная для пере-возки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоно-вым на рубеже XVIII и XIX вв.
Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортны-ми, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приво-дящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.
Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако боль-шие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправда-лись. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построен-ный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных оста-новок через каждые 15 минут движения.
Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удач-ные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начи-ная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил неско-лько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона,
а в 1887 — автомобили Леона Серполе, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенера-тор с почти мгновенным испарением воды.
Паровые автомобили Серполе конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г. Вместе с тем совершенствование паровых двигателей в качестве транспортных двигателей продолжается и сегодня в направлении снижения их массогабаритных показателей и повышения коэффициента полез-ного действия.
Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внут-реннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось по-пытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Рос-сия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические авто-мобили. Их появление связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недо-статочная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двига-телями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.
Электромобили имеют достаточно высокие пре-имущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тя-говой характеристикой и большими ускорениями за счет возраста-ющего крутящего момента при снижении числа оборотов; исполь-зуют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на го-родском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.
Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобрета-тель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топ-лива светильный газ.
Еще в 1801 г. француз Филипп де Бонне предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смеситель-ную камеру и оттуда в цилиндр двигателя, где смесь воспламеня-лась от электрической искры. Появление этого проекта считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоз-душной смеси.
Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.
Практически все современные бензиновые и газовые двигатели до настоящего времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме).
Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных сме-сей и предварительного сжатия в цилиндрах. Официально изобрета-телями транспортных двигателей, работающих на жидких фракциях перегонки нефти, признаны три немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;
Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;
Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с само-воспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.
Здесь следует отметить, что первые двигатели внутреннего сго-рания, работающие на легких фракциях перегонки нефти, были созданы в России. Так, в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован ив 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилин-дровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппара-тов.
В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Проте-кание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который пред-полагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В Рос-сии в течение короткого времени была усовершенствована конст-рукция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.
Русский конструктор Е. А. Яковлев спроектировал и построил моторный экипаж с керосиновым двигателем.
Успешно работали над созданием экипажей и двигателей русские изобретатели и конст-рукторы: Ф. А. Блинов, Хайданов, Гурьев, Махчанский и многие Другие.
Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремле-ние к повышению литровой мощности, а следовательно, и к полу-чению наиболее компактного двигателя. После нефтяного кри-зиса 70 — 80 гг. основным требованием стало получение макси-мальной экономичности. Последние 10 — 15 лет XX в. главными критериями для любого двигателя стали постоянно растущие требования и нормы по экологической чистоте двигателей и преж-де всего по коренному снижению токсичности отработавших газов при обеспечении хорошей экономичности и высокой мощ-ности.
Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурен-тов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требо-ваний по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Эти требования и жесткие условия конкуренции на мировом рынке достаточно быстро изменили типаж силовых установок для транспортных средств и прежде всего для легкового транспорта. Сегодня различные системы впрыска топлива с различ-ными системами управления, включая электронные, практически полностью вытеснили использование карбюраторов на двигателях легковых автомобилей.
Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомо-бильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная про-мышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двига-телестроения на выпуск новых типов двигателей. Вместе с тем Россия имеет хороший научно-исследовательский задел по созда-нию перспективных двигателей и квалифицированные кадры специ-алистов, способных достаточно быстро реализовать имеющийся научный и конструкторский задел в производстве. За последние 8 — 10 лет разработаны и изготовлены принципиально новые опыт-ные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия. В 1995 г. разработана и внедрена на Заволжском моторном заводе и на Нижне-Новгородском авто-заводе микропроцессорная система управлением топливоподачей и зажиганием, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1. Разработаны и изготовлены образцы двигателей с микро-процессорной системой управления топливоподачей и нейтрализа-торами, удовлетворяющие экологические требования ЕВРО-2. В этот период учеными и специалистами НАМИ разработаны и созданы: перспективный турбокомпаундный дизель, серия дизель-ных и бензиновых экологически чистых двигателей традиционной компоновки, двигатели, работающие на водородном топливе, пла-вающие транспортные средства высокой проходимости с щадящим воздействием на грунт и т. п.
Современные наземные виды транспорта обязаны своим раз-витием главным образом применению в качестве силовых устано-вок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршне-вые ДВС до настоящего времени являются основным видом сило-вых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и стро-ительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе. Основные конкуренты по-ршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных пар-тий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.
Источник: Колчин А.И., Демидов В.П. — Конструкция и расчет автотракторных двигателей, 2008 г.
Источник: //www.azbukadvs.ru/history.html