История создания многотопливных двигателей

 

История создания многотопливных двигателей.

Двигатель внутреннего  сгорания.

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Глава I.

    ВВЕДЕНИЕ

 

Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует  перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность  для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров.

 

Важную роль играет автомобильный  транспорт в освоении восточных  и нечерноземных районов нашей  страны. Отсутствие развитой сети железных дорог и ограничение возможностей использования рек для судоходства  делают автомобиль главным средством  передвижения в этих районах.

 

Автомобильный транспорт  в России обслуживает все отрасли  народного хозяйства и занимает одно из ведущих мест в единой транспортной системе страны. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок. Автомобильный транспорт  создан в результате развития новой  отрасли народного хозяйства - автомобильной  промышленности, которая на современном  этапе является одним из основных звеньев отечественного машиностроения [1]. Начало создания автомобиля было положено более двухсот лет назад (название "автомобиль" происходит от греческого слова autos - "сам" и латинского mobilis - "подвижный"), когда стали изготовлять "самодвижущиеся" повозки. Впервые они появились в России. В 1752 г. русский механик-самоучка крестьянин Л. Шамшуренков создал довольно совершенную для своего времени "самобеглую коляску", приводимого в движение силой двух человек. Позднее русский изобретатель И. П. Кулибин создал "самокатную тележку" с педальным приводом [1]. С появлением паровой машины создание самодвижущихся повозок быстро продвинулось вперед. В 1869-1870 гг. Ж. Кюньо во Франции, а через несколько лет и в Англии были построены паровые автомобили. Широкое распространение автомобиля как транспортного средства начинается с появлением быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г. Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а в 1886 г. К. Бенц - трехколесную повозку. Примерно в это же время в индустриально развитых странах (Франция, Великобритания, США) создаются автомобили с двигателями внутреннего сгорания [1]. В конце XIX века в ряде стран возникла автомобильная промышленность. В царской России неоднократно делались попытки организовать собственное машиностроение. В 1908 г. производство автомобилей было организовано на Русско-Балтийском вагоностроительном заводе в Риге. В течение шести лет здесь выпускались автомобили, собранные в основном из импортных частей. Всего завод построил 451 легковой автомобиль и небольшое количество грузовых автомобилей. В 1913 г. автомобильный парк в России составлял около 9000 автомобилей, из них большая часть - зарубежного производства.

 

После Великой Октябрьской  социалистической революции практически  заново пришлось создавать отечественную  автомобильную промышленность. Начало развития российского автомобилестроения относится к 1924 году, когда в Москве на заводе АМО были построены первые грузовые автомобили АМО-Ф-15 [1]. В период 1931-1941 гг. создается крупносерийное и массовое производство автомобилей. В 1931 г. на заводе АМО началось массовое производство грузовых автомобилей. В 1932 г. вошел в строй завод ГАЗ.

 

В 1940 г. начал производство малолитражных автомобилей Московский завод малолитражных автомобилей. Несколько позже был создан Уральский  автомобильный завод. За годы послевоенных пятилеток вступили в строй _ Кутаисский, Кременчугский, Ульяновский, Минский  автомобильные заводы. Начиная с  конца 60-х гг. , развитие автомобилестроения характеризуется особо быстрыми темпами. В 1971 г. вступил в строй Волжский автомобильный завод им. 50-летия СССР. За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности [1].

 

    ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО  СГОРАНИЯ

 

В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким  устройствам относится карбюраторный  двигатель, дизели, турбореактивные  двигатели и т. д.

 

Тепловые двигатели могут  быть разделены на две основные группы. 1. Двигатели с внешним сгоранием - паровые машины, паровые турбины, двигатели Стирлинга и т. д. 2. Двигатели  внутреннего сгорания. В качестве энергетических установок автомобилей  наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива  с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей  установлены двигатели внутреннего  сгорания.

 

Наиболее экономичными являются поршневые и комбинированные  двигатели внутреннего сгорания. Они имеют достаточно большой  срок службы, сравнительно небольшие  габаритные размеры и массу. Основным недостатком этих двигателей следует  считать возвратно-поступательное движение поршня, связанное с наличием кривошатунного механизма, усложняющего конструкцию и ограничивающего возможность повышения частоты вращения, особенно при значительных размерах двигателя [2].

 

А теперь немного о первых ДВС. Первый двигатель внутреннего  сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским  инженером Этвеном Ленуаром, но эта машина была еще весьма несовершенной.

 

В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1) всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов [3].

 

Быстрое распространение  ДВС в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и стационарной энергетике была обусловлена рядом  их положительных особенностей.

 

Осуществление рабочего цикла  ДВС в одном цилиндре с малыми потерями и значительным перепадом  температур между источником теплоты  и холодильником обеспечивает высокую  экономичность этих двигателей. Высокая  экономичность одно из положительных  качеств ДВС.

 

Среди ДВС дизель в настоящее  время является таким двигателем, который преобразует химическую энергию топлива в механическую работу с наиболее высоким КПД  в широком диапазоне изменения  мощности. Это качество дизелей особенно важно, если учесть, что запасы нефтяных топлив ограничены.

 

К положительным особенностям ДВС стоит отнести также то, что они могут быть соединены  практически с любым потребителем энергии. Это объясняется широкими возможностями получения соответствующих  характеристик изменения мощности и крутящего момента этих двигателей. Рассматриваемые двигатели успешно  используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т. д. , т. е. ДВС отличаются хорошей приспособляемостью к потребителю.

 

Сравнительно невысокая  начальная стоимость, компактность и малая масса ДВС позволили  широко использовать их на силовых  установках, находящих широкое применение и имеющих небольшие размеров моторного отделения. Установки  с ДВС обладают большой автономностью. Даже самолеты с ДВС могут летать десятки часов без пополнения горючего.

 

Важным положительным  качеством ДВС является возможность  их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным  моментом, что очень важно при  использовании их на транспортных установках.

 

Положительным качеством  дизелей является способность одного двигателя работать на многих топливах. Так известны конструкции автомобильных  многотопливных двигателей, а также  судовых двигателей большой мощности, которые работают на различных топливах - от дизельного до котельного мазута.

 

Но наряду с положительными качествами ДВС обладают рядом недостатков. Среди них ограниченное по сравнению, например с паровыми и газовыми турбинами агрегатная мощность, высокий уровень шума, относительно большая частота вращения коленчатого вала при пуске и невозможность непосредственного соединения его с ведущими колесами потребителя, токсичность выхлопных газов, возвратно-поступательное движение поршня, ограничивающие частоту вращения и являющиеся причиной появления неуравновешенных сил инерции и моментов от них. Но невозможно было бы создание двигателей внутреннего сгорания, их развития и применения, если бы не эффект теплового расширения. Ведь в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. А это-то и есть та самая нужная технологическая функция, т. е. силовое воздействие, создание больших давлений, которую выполняет тепловое расширение, и ради которой это явление применяют в различных технологиях и в частности в ДВС.

 

Именно этому явлению  я хочу уделить внимание в следующей  главе.

 

    Глава II.

    ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ

 

Тепловое расширение - изменение  размеров тела в процессе его изобарического нагревания (при постоянном давлении). Количественно тепловое расширение характеризуется температурным  коэффициентом объемного расширения B=(1/V)*(dV/dT)p, где V - объем, T - температура, p - давление. Для большинства тел B>0 (исключением является, например, вода, у которой в интервале температур от 0 C до 4 C B<0). Для идеального газа B=1/T, у жидкостей и твердых тел зависимость B от T значительно слабее. Для твердых тел наряду с B вводят температурный коэффициент линейного расширения a, равный отношению относительного изменения длины тела вдоль рассматриваемого направления при изобарическом нагревании тела к приращению температуры: a=(1/l)*(dl/dT)p, где l - длина тела. Для изотропных тел B=3a [3].

 

    Области применения  теплового расширения

 

Тепловое расширение нашло  свое применение в различных современных  технологиях. В частности можно  сказать о применении теплового  расширения газа в теплотехники. Так, например, это явление применяется  в различных тепловых двигателях, т. е. в двигателях внутреннего и  внешнего сгорания: в роторных двигателях, в реактивных двигателях, в турбореактивных  двигателях, на газотурбинных установках, двигателях Ванкеля, Стирлинга, ядерных силовых установках. Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т. д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства.

 

Например, двигатели внутреннего  сгорания наиболее широко используются на транспортных установках и сельскохозяйственных машинах. В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются на небольших электростанциях, энергопоездах и аварийных энергоустановках. ДВС получили большое распространение  также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т. п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок  при бурении скважин на газовых  и нефтяных промыслах.

 

Турбореактивные двигатели  широко распространены в авиации. Паровые  турбины основной двигатель для  привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также  для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов. Существуют даже паровые автомобили, но они  не получили распространения из-за конструктивной сложности.

 

Тепловое расширение применяется  также в различных тепловых реле, принцип действия которых основан  на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным  температурным коэффициентом линейного  расширения.

 

    Глава III

    ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ  ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

 

Как было выше сказано, тепловое расширение применяется в ДВС. Но каким образом оно применяется  и какую функцию выполняет  мы рассмотрим на примере работы поршневого ДВС.

 

Двигателем называется энергосиловая  машина, преобразующая какую-либо энергию  в механическую работу. Двигатели, в  которых механическая работа создается  в результате преобразования тепловой энергии, называются тепловыми. Тепловая энергия получается при сжигании какого-либо топлива. Тепловой двигатель, в котором часть химической энергии  топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию, называется поршневым двигателем внутреннего  сгорания. (Советский энциклопедический  словарь) Классификация ДВС

 

Как было выше сказано, в качестве энергетических установок автомобилей  наибольшее распространение поучили  ДВС, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты  и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно  в цилиндрах. Но в большинстве  современных автомобилей установлены  двигатели внутреннего сгорания, которые классифицируются по различным  признакам:

 

По способу смесеобразования - двигатели с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и  газовые), и двигатели с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь  образуется внутри цилиндров) дизели;