Поршневые двигатели внутреннего сгорания развитие науки (стр. 2 из 3)

Молодой немецкий купец Николай Август Отто заинтересовался французским двигателем. Построив опытный двигатель системы Ленуара, он вскоре убедился в целесообразности осуществления предварительного сжатия рабочей смеси перед сгоранием и таким образом пришёл к четырёхтактному циклу. В начале 1862 г. Отто построил четырёх-цилиндровый газовый двигатель с противоположным расположением цилиндров, который оставался работоспособным в течение многих месяцев.[6] Однако Отто не смог, несмотря на все свои старания, устранить резкие взрывные удары (по-видимому, детонацию). Он, как и все инженеры того времени, был убеждён в том, что продукты сгорания должны быть полностью удалены из цилиндра и поэтому применил очень сложную конструкцию поршня.

После неудачи с четырёхтактным двигателем Отто совместно с Лангеном построил работоспособный атмосферный ДВС, который был поставлен на производство (их было выпущено примерно 5000 шт.). Однако, учитывая необходимость увеличения мощности и числа оборотов вала двигателя, Отто вернулся к четырёхтактной машине. В 1876 г. ему удалось создать надежный газовый ДВС. Благодаря предварительному сжатию свежего заряда коэффициент полезного действия двигателя возрос до 12 %.[7]

Одновременно с Отто французский железнодорожный инженер Бо-де- Рош теоретически исследовал вопрос создания высокоэкономичного двигателя. Он написал брошюру, в которой дал описание четырехтактного цикла двигателя. Эту брошюру он приложил к заявлению о выдаче патента на четырехтактный двигатель. Построить такой двигатель Бо-де-Рошу не удалось из-за отсутствия денежных средств.

В период 1879-1885 г. г. моряк русского флота Огнеслав (Игнатий) Стефанович Костович сконструировал и построил восьмицилиндровый двигатель мощностью 80 л. с., работавший на бензине. Это был первый в мире работоспособный двигатель жидкого топлива. Двигатель О. С. Костовича был предназначен для дирижабля и имел удельную массу 3 кг/л. с.

Немецкий инженер Рудольф Дизель, еще будучи студентом и слушая лекции о термодинамическом цикле Сади Карно, попытался осуществить его на практике. Первая модель двигателя не удалась. В 1897 г. Рудольф Дизель закончил испытания нового двигателя с высокой степенью предварительного сжатия рабочего тела. Этот двигатель работал на керосине и имел КПД ≈ 25 %.[8] Уже в 1899 г. в Петербурге на заводе Нобеля («Русский дизель») был построен первый в мире двигатель с воспламенением от сжатия, работавший на нефти. Этот двигатель, созданный русскими инженерами, имел ряд конструктивных достоинств, был надёжнее в эксплуатации и имел непревзойденный по тому времени КПД, равный ≈ 28 %.[9]

Русский изобретатель Яков Васильевич Мамин в 1903-1908 г. г. построил работоспособный двигатель высокого сжатия с впрыском нефти в цилиндр без помощи сжатого воздуха. Впрыск топлива производился в предкамеру, выполненную из чугуна с медной вставкой, что позволяло получить высокую температуру поверхности предкамеры и надежное самовоспламенение. Это был первый в мире бескомпрессорный дизель.

Велик вклад русских и российских учёных в теорию двигателей внутреннего сгорания.

В 1906-1907 г. г. профессор МВТУ (теперь это Московский государственный технический университет – МГТУ) Василий Игнатьевич Гриневецкий предложил тепловой расчёт двигателей, который был впоследствии усовершенствован членом-корреспондентом АН СССР Н. Р. Брилингом, профессором Е.К. Мазингом и академиком Б. С. Стечкиным. На Западе законченный метод теплового расчёта двигателей появился лишь в 1929 г.[10] В 1920-х г. г. начато применение наддува с приводом нагнетателя от коленчатого вала двигателя (механический наддув). Позднее применён газотурбинный наддув дизелей.

В 1937 г. в институте химической физики АН СССР начаты работы по факельному зажиганию, а в начале 1960-х г. г. на Горьковском автозаводе создана конструкция двигателя с зажиганием такого типа. Это были первые двигатели с расслоением заряда. В 1954 г. появились двигатели с впрыском бензина, что позволило повысить мощность и улучшить экономичность бензиновых ДВС [10]. В 1995 г. мировой выпуск автомобильных двигателей с впрыском бензина составил 75 % от общего числа бензиновых ДВС. Применение наддува на этих двигателях, начавшееся с 1970 г., позволило повысить их мощность на 25…30 %.

В середине 50-х годов в связи с развитием реактивных двигателей авиация перешла на потребление средних фракций нефти (керосин, реактивное топливо). Это привело к возникновению избытка легких топлив. В 1954 г. появились многотопливные двигатели фирмы MAN с M-процессом, позволяющим сжигать бензины с малыми скоростями нарастания давлений.[11]

В 60-е годы возникает направление комбинации поршневого двигателя с газовой турбиной – турбокомпаундные двигатели. Большегрузные автомобили «Скания» с такими двигателями имеют мощностные и экономические показатели, находящиеся в ряду наилучших для автомобильных двигателей.

Значительным шагом в развитии автомобильного двигателестроения стало появление первого работоспособного роторно-поршневого двигателя в 1957 г., созданного в Германии под руководством немецкого исследователя Ф.Ванкеля (1902…1988 г.г.). Имея малую удельную массу и габариты, высокую надёжность, РПД достаточно быстро получили широкое распространение главным образом на легковом автотранспорте, в авиации, на судах и стационарных установках. К 2000 г. было изготовлено более двух миллионов автомобилей с РПД.[12]

В последние годы продолжается процесс совершенствования и улучшения показателей бензиновых двигателей и дизелей.

3. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Цикл Отто.

Отто первым осуществил сжатие для поднятия максимальной температуры цикла. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате (без изменения теплоты). Теплота подводится изохорно (с-z на диаграмме). Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме)

КПД автомобильных двигателей (в большинстве своем они используются именно в автомобилях, но также и в лодочных моторах и малой авиации) работающих по циклу Отто достигает 33-35%.[13]

Степени сжатия достигают значения 8-9 (до10) у карбюраторных двигателей, 10-11 у двигателей с распределенным впрыском и до 12.5 у двигателей с непосредственным впрыском. У надувных двигателей степень сжатия понижают, с целью избежания детонации (т.к. наддувный мотор работает с большими давлениями и температурами в конце такта сжатия). У двигателей с непосредственным впрыском есть возможность работы на обедненных смесях с α=1.15-1.3 этим достигается высокая экономия топлива и снижение выбросов (в основном СО).

Цикл Дизеля.

Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливо-воздушную смесь, а воздух. В конце такта сжатия подавалось топливо в смеси с воздухом, от высокой температуры и давления в конце такта сжатия происходило самовоспламенение топлива.

Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось также по адиабате. Теплота подводится изобарно (с-z на диаграмме). Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме). Существенным преимуществом этого цикла является возможность применения высоких степеней сжатия (свыше 20, сам Дизель хотел около 100, но ее дальнейшее увеличение нецелесообразно из-за высокой механической и тепловой напряженности деталей двигателя).[14] Теплота подводится изобарно, а отводится изохорически (изохорно).

Впрыск топлива происходил в конце такта сжатия. Особенностью цикла Дизеля, в его первозданном виде было компрессорное пневматическое распыливание топлива.

Отказ от этого цикла был связан с тем, что на привод компрессора (а у «настоящего» дизеля было компрессорное впрыскивание топливо – воздушной смеси) приходилось 10-15% работы двигателя, в связи, с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже чем у цикла Сабатэ – Тринклера, но в тоже время индикаторные показатели и экологические показатели были выше чем у двигателей работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более лучшим смесеобазованием - подавалась топливовоздушная смесь, а нетопливо в жидкой фазе как у современных дизелей. Повсеместный переход от пневматического на механическое распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого века. Практически сейчас двигателей работающих по циклу Дизеля не производятся (за исключением экспериментальных образцов).

Цикл Сабатэ - Тринклера. Сжатие (а-с на диаграмме) осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (c-z на диаграмме) и далее изобарно (z'-z на диаграмме). Далее следовало адиабатическое расширение (z-b на диаграмме), после чего изохорный отвод теплоты (b-a на диаграмме).[15]

Все выпускающиеся сейчас дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, циклу со смешанным подводом теплоты (и с механическим распыливанием топлива). Теплота подводится сначала изохорно, а затем, как и у цикла Дизеля изобарно.