Двигатели внутреннего сгорания


Двигателями принято называть машины, с помощью которых любой вид энергии может быть преобразован в механическую работу. В зависимости от вида энергии, используемой в двигателях, их подразделяют на первичные и вторичные. Природные источники энергии (топливо, сила воды и ветра) преобразуются в механическую работу первичными двигателями. Такие виды энергии, как электрическая, и энергия сжатого воздуха, получающиеся в результате работы первичных двигателей, преобразуются в механическую с помощью вторичных электрических и пневматических двигателей.
Из первичных двигателей самое широкое распространение получили тепловые двигатели, начало которым положила паровая машина. Впервые такая машина была построена в 1765 г. русским механиком И. И. Ползуновым, но ранняя смерть прервала дальнейшие его работы. И только в 1786—1790 гг. английскому механику Д. Уатту удалось построить и приспособить паровую машину для непосредственного вращения вала. До конца XIX в. паровые машины являлись практически единственными тепловыми двигателями, применявшимися в промышленности и на транспорте. Они были громоздки и малоэкономичны, л но работали на любом виде топлива. Еще в начале XX в. паровые машины использовали даже на автомобилях. Над совершенствованием паровых автомобилей работы продолжались и во второй половине текущего столетия, продолжаются (они и в наше время в связи с поисками возможностей замены нефтяных топлив. На смену паровым машинам пришли более совершенные двигатели — паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания.
Попытки создания .поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в., однако первый работоспособный двигатель был построен французским механиком Ленуаром только в 1860 г. Двигатель работал на светильном газе без сжатия смеси в цилиндре, вследствие чего имел низкий коэффициент полезного действия (4,6%).
Широкое практическое применение двигатели внутреннего сгорания нашли лишь после того, как немецкий механик Н. Отто в 1877 г. осуществил предварительное сжатие смеси в цилиндре, благодаря чему эффективность таких двигателей резко повысилась.
В 1892 г. Р. Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания нового типа, рассчитанный на использование жидкого топлива (керосина). Изобретатель предложил нагревать воздух в цилиндре путем сжатия до температуры, при которой мелко распыленное впрыскиваемое топливо могло бы самовоспламеняться и сгорать по мере поступления в цилиндр, причем по его замыслу двигатель должен был работать без охлаждения стенок цилиндра. Последующий опыт, однако, не подтвердил возможность создания в то время двигателя без охлаждения цилиндров, но идея самовоспламенения топлива оказалась плодотворной.
Двигатель с самовоспламенением смеси за счет сжатия, работающий на нефти, впервые был построен в 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге.
В 1885 г. немецкий инженер Г. Даймлер построил двигатель с небывалой по тому времени частотой вращения вала — 800 мин-1 и мощностью менее 1 кВт. Этот двигатель предназначался уже для легких самодвижущихся экипажей, т. е. для транспортных средств.
В настоящее время в народном хозяйстве успешно используют газовые турбины, идея создания которых зародилась почти одновременно с первыми попытками создания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Построена газовая турбина была только в 1897 г. по проекту русского инженера П. Д. Кузьминского. Газовые турбины широко используют в стационарных силовых установках, в авиации, на водном и железнодорожном транспорте. Созданы также экономичные газотурбинные двигатели для легковых и грузовых автомобилей.
В 60-х годах нашего века настойчиво изыскивали пути использования в качестве транспортного агрегата весьма компактного работоспособного роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания, т. е. двигателя с вращающимся поршнем. Попытки создания простых по идее двигателей роторного типа предпринимались еще в XIX в., но успеха не имели из-за трудностей уплотнения зазоров между ротором и статором. Только в 1957 г. немецкому инженеру Ф. Ванкелю совместно с известной фирмой «NSU» удалось создать работоспособный роторно-поршневой двигатель.
Для дальнейшего повышения эффективности двигателей внутреннего сгорания в современной практике широко применяют комбинированные двигатели, в которых поршневой двигатель и газовая турбина работают на одном и том же рабочем теле, так как в газовой турбине продолжается расширение газов, вытекающих из поршневого двигателя, и энергия от них передается потребителю.
В сложившейся кризисной ситуации с моторными двигателями усиленно осваивают транспортные варианты двигателей Стирлинга, работающих на любых топливах, так как камера сгорания их размещена вне цилиндров. Созданы уже приемлемые образцы тяговых агрегатов для транспортных средств. Такие двигатели были предложены ранее других, но из-за большой сложности освоение их стало возможным только на фазе достижений современной технологии машиностроения.
Перечисленные тепловые двигатели могут быть разделены на двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. Их успешно применяют в промышленных, сельскохозяйственных и других силовых установках, на водном, железнодорожном и автомобильном транспорте, в авиации, на различных сельскохозяйственных, дорожных и строительных машинах. Можно сказать, что нет такой отрасли народного хозяйства, где бы ни применяли двигатели внутреннего сгорания. Всюду, где требуются, например, легкие, компактные, экономичные и удобные для обслуживания автономные силовые агрегаты сравнительно небольшой мощности, находят применение поршневые двигатели внутреннего сгорания. Особенно широко их используют для тракторов и автомобилей всех классов. Крутящий момент двигателя, подведенный через механизмы трансмиссии к ведущим колесам автомобиля, вызывает их вращение. В месте соприкосновения колеса с дорогой от крутящего момента возникает окружная сила, а со стороны дороги — продольная реакция (см. рис. 73), равная по величине окружной силе, но направленная в противоположную сторону. Суммарная продольная реакция ведущих колес передается на задний мост и вызывает движение автомобиля, поэтому называется тяговой силой.
Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Но величина тяговой силы не может превысить силу сцепления ведущих колес с дорогой? Если тяговая сила превысит силу сцепления, то ведущие колеса будут пробуксовывать.
Сила сцепления равна, произведению коэффициента сцепления на сцепной вес. Для тягового автомобиля сцепной вес равен нормальной нагрузке, приходящейся на ведущие колеса автомобиля. При торможении сцепной вес автомобиля равен нормальной нагрузке, приходящейся на затормаживаемые колеса.
Коэффициент сцепления зависит от типа и состояния покрытия дороги, от конструкции и состояния шины (давление воздуха, рисунок протектора), от нагрузки и скорости движения автомобиля, об этом и многом другом вы можете изнать из руководства по ремонту автомобиля. Величина коэффициента сцепления снижается при мокрой и влажной поверхностях дороги, особенно с увеличением скорости движения и при изношенных шинах. Например, для сухой дороги с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления равен 0,7—0,8, а для мокрой —0,35—0,45. При обледенелой дороге коэффициент сцепления снижается до 0,1—0,2.
Сила тяжести автомобиля приложена в центре тяжести. У современных легковых автомобилей! центр тяжести располагается на высоте 0,45—0,6 м от поверхности дороги и примерно посередине автомобиля.; Поэтому нормальная нагрузка легкового автомобиля распределяется по его осям примерно поровну, т. е. сцепной вес равен 50% нормальной нагрузки.