История развития двигателя внутреннего сгорания
История автомобиля неразрывно связана с историей двигателя, приводимого в движение автомобиль. Первые автомобили снабжались паровыми машинами, которые были весьма несовершенны в смысле затрат топлива и поначалу полезная отдача едва доходила до 1%. Лишь через несколько лет она достигла 8%, поэтому паровая машина не удовлетворяла конструкторов.
Тогда вновь начали интересоваться другими видами двигателей.
Первыми тепловыми двигателями были ДВС, изобретенные приблизительно в начале ХVIII века – Гюйгенсом была предложена машина, работавшая взрывами пороха, который выгонял воздух из цилиндра, а затем при охлаждении поршень передвигался давлением наружного воздуха.
Серьезное соревнование паровых машин, которые можно назвать двигателями «с наружным сгоранием, и двигателей «с внутренним сгоранием» топлива началось только тогда, когда перешли на газообразное, а затем жидкое топливо.
С 1860 года применяют горение газа внутри цилиндра, но потребление газа было весьма велико.
Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания появился в 1860 году, изобретен он был французским инженером Ленуаром.В связи с отсутствием предварительного сжатия рабочего тела и неудачным конструктивным решением двигатель Ленуара представлял собой крайне несовершенную тепловую установку, которая не могла конкурировать даже с паровыми машинами того времени.
Исходя из предложенного в 1862 г. французским инженером Бо де Роша рабочего цикла ДВС с предварительным сжатием рабочего тела и сгоранием при постоянном объеме, немецкий механик Николаус Август Отто в 1870 г. создал четырехтактный газовый двигатель, явившийся прообразом современных карбюраторных двигателей. По своим показателям двигатель Отто значительно превзошел паровые машины и в течение ряда лет использовался в качестве стационарного двигателя.
Необходимо было перейти на жидкое топливо, чтобы сделать ДВС применимым для передвижения. Одновременно необходимо было уменьшить вес двигателя.
Жидкое топливо требовало предварительного обращения его в газ, что и происходило во многих типах машин в самом цилиндре. Неудобство подобного способа заставило применять особый прибор – карбюратор, в котором горючая жидкость превращалась раньше, чем поступала в цилиндр.
Начали применять легко испаряемый вид жидкого топлива – бензин, потому что нелегко было предварительно нагревать топливо на передвижной машине.
Параллельно велись работы по увеличению мощности за счет увеличения числа цилиндров.
Впервые бензиновый двигатель транспортного типа был предложен в 1879 г. и затем выполнен в 1881 г. в металле русским инженером И.С. Костовичем.
Двигатель Костовича по своему времени имел оригинальную конструкцию и отличался очень высокими показателями. В этом восьмицилиндровом было применено электрическое зажигание с оригинальной системой и использованы противолежащие цилиндры. При мощности 80 л.с. двигатель весил 240 кг, опережая по удельному весу на 2-3 десятилетия все получившие в последующем распространение карбюраторные двигатели.
Уменьшение веса было достигнуто резким скачком опытов Г. Даймлера в Германии в 80х годах ХIХ века, когда впервые был построен двигатель с большим числом оборотов, что позволило движущимся частям производить большую работу.
Паровые машины в этом отношении были окончательно побеждены.
1890 год, когда впервые появились автомобили с быстроходными двигателями, можно считать началом широкого распространения а/м.
Начало развития двигателей с самовоспламенением от сжатия относится к 90-м годам ХIХ века. В 1894 г. немецкий инженер Р. Дизель теоретически разработал рабочий цикл двигателя с самовоспламенением от сжатия. Сделав ряд отступлений от своих теоретических предпосылок, в 1897 г. Р. Дизель выполнил в металле первый образец работоспособного стационарного компрессорного двигателя.
В дальнейшем вследствие ряда конструктивных недостатков этот двигатель не получил широкого распространения и был снят с производства.
Внеся ряд оригинальных изменений в двигатель Дизеля, в 1899 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил конструкцию двигателя с самовоспламенением от сжатия, работающего без особого компрессора для распыливания топлива.
Двигатели Г.В. Тринклера и Я.В. Мамина представляли собой первые модели транспортных двигателей с самовоспламенением от сжатия и явились прообразами всех используемых в настоящее время дизелей.
Появившиеся в середине прошлого века роторные двигатели при их неоспоримых преимуществах перед поршневыми двигателями в области мощностей не могут конкурировать с существующими двигателями и практически не имеют перспектив широкого применения в качестве силовых агрегатов автомобилей.
Основными силовыми установками для автомобилей в настоящее время по-прежнему остаются поршневые двигатели как карбюраторные, так и дизели.
В последнее время появились двигатели, занимающие промежуточное положение между карбюраторными двигателями и дизелями – двигатели с впрыском топлива и принудительным воспламенением рабочей смеси (инжекторные). Эти двигатели в зависимости от организации процесса смесеобразования и конструктивных особенностей в той или иной степени сочетают в себе положительные свойства и карбюраторных двигателей и дизелей.
В настоящее время двигателестроение развивается быстрыми темпами, но, к сожалению, осуществляется только модернизация двигателей. При этом основное внимание при разработке конструкций новых и перспективных двигателей уделяется повышению их удельных мощностных показателей, экономичности, надежности и долговечности.
Раздел I. Двигатель
Тема 1.1 Общие сведения
Двигатель - это агрегат, преобразующий какой-либо вид энергии в механическую работу.
Двигатель, у которого механическая работа получается за счет тепловой энергии, называется тепловым двигателем.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловой двигатель, у которого рабочая смесь сгорает внутри цилиндра.
На отечественных автомобилях устанавливаются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива преобразуется в механическую работу, используемую для передвижения автомобиля. Расширяющиеся при сгорании рабочей смеси в цилиндрах двигателя газы воздействуют на поршни, поступательное движение которых преобразуется кривошипно-шатунным механизмом во вращательное движение коленчатого вала, которое в свою очередь передается при помощи агрегатов трансмиссии на ведущие колеса автомобиля, приводя его в движение.
Требования, предъявляемые к двигателям
· Низкий уровень шума;
· Соответствие требованиям международных норм по токсичности отработавших газов;
· Высокая экономичность;
· Компактность;
· Простота и безопасность обслуживания;
· Высокие мощностные показатели.
Классификация двигателей внутреннего сгорания
ДВС могут быть классифицированы по следующим признакам:
- по типу схемы и конструкции рабочих органов – поршневые и роторные;
- по применяемому топливу – двигатели, работающие на легком жидком топливе (бензиновые); работающие на тяжелом жидком топливе (дизельные); работающие на газе (газовые);
- по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные), с внутренним смесеобразованием (дизельные);
- по способу воспламенения горючей смеси – с самовоспламенением от сжатия (дизельные) и с принудительным воспламенением от электрической свечи (карбюраторные, инжекторные)
- по способу осуществления рабочего цикла – четырехтактные и двухтактные;
- по способу подачи топлива – с карбюрацией (карбюраторные), под давлением впрыска (дизельные, инжекторные).
Основные механизмы и системы двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем:
· кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
· газораспределительный механизм (ГРМ);
· система охлаждения;
· смазочная система;
· система питания;
· система зажигания (в бензиновых и газовых двигателях);
· система электрического пуска двигателя.
Основные определения и параметры двигателей
Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения (см. рис.1).
Мертвыми точками называются крайние положения поршня, где он меняет направление движения и его скорость равна нулю. При нахождении в верхней мертвой точке (ВМТ) поршень наиболее удален от оси коленчатого вала, а в нижней мертвой точке (НМТ) – наиболее приближен к ней.
 |
Рис.1 Схема кривошипно-шатунного механизма
а – продольный разрез; б – поперечный разрез
Ход поршня S – расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 1800 (пол-оборота).
Ход поршня S и диаметр цилиндра Dобычно определяют размеры двигателя.
Даже при равномерном вращении коленчатого вала поршень в цилиндре движется неравномерно: приближаясь к мертвой точке, он уменьшает свою скорость, а, удаляясь от нее – увеличивает. В результате неравномерного движения поршня возникают неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся поршня и связанных с ним деталей, что вызывает вибрацию двигателя и всего автомобиля, снижает надежность и долговечность его работы.
Уменьшение неравномерности движения поршня и величины сил инерции достигается различными мерами, в том числе выбором оптимального отношения радиуса кривошипа rк длине шатуна l: