История развития двигателестроения

Введение

В данном отчете приводится описание систем и некоторых конструктивных изменений в деталях базового двигателя, установка которых позволяет достичь уровень стандарта Stage 3B, который предусматривает улучшение экологических и в малой степени мощностных показателей двигателя, также наблюдается снижение шумности двигателя.

Двигатели принято называть машины, с помощью которых любой вид энергии может быть преобразован в механическую работу. В зависимости от вида энергии, используемой в двигателях, они подразделяются на первичные и вторичные.

Природные источники энергии (топливо, сила воды и ветра) преобразуются в механическую работу первичным двигателем. 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, превращающие в механическую работу энергию, получаемую при сжигании различных твердых, жидких и газообразных топлив.

Первым двигателем, заменившим двигательную силу человека и животного еще в период зарождения мануфактурного производства, было простое водяное колесо. Водяное колесо сыграло в то время важную роль в развитии производительных сил. Однако по мере развития производства и появления в начале XVIII в. большого количества машин - орудий (прядильных, ткацких и других станков) оно уже не могло удовлетворить возросшие потребности в двигателях и уступило место более совершенному типу двигателя - паровой машине.

Впервые паровая машина была построена русским механиком И. И. Ползуновым в 1765 г., 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. Паровые машины, послужившие основой в промышленной революции, до конца XIX в. являлись практически единственными тепловыми двигателями, обслуживавшими нужды промышленного производства.

Паровые машины громоздки, обладают низким коэффициентом использования тепла, но имеют сравнительно большое распространение и в наше время. Они используются в стационарных установках, на судах и до последнего времени были основным типом теплового двигателя на железнодорожном транспорте. В первой половине XIX в. паровые машины получили практическое применение даже на автомобилях. Над совершенствованием паровых автомобилей работы продолжались и во второй половине текущего столетия, но из-за громоздкости существовавших силовых установок с паровыми машинами и низкой их экономичности поиски были прекращены.

На смену паровым машинам пришли более совершенные двигатели - паровые турбины и двигатели внутреннего сгорания.

Первая паровая турбина, получившая практическое применение, была построена в Англии в конце XIX в. В настоящее время паровые турбины достигли высокой степени совершенства, обладают большой мощностью и хорошей экономичностью, поэтому имеют существенное значение в современном энергетическом хозяйстве. Советское турбостроение, получившее развитие после Октябрьской революции, в своё время занимало одно из ведущих мест в мире. Заводы СССР выпускали турбины сверхвысоких параметров мощностью 100 - 150 МВт и более.

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. В 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси из воздуха и газа, получавшегося путем перегонки древесины. В этой и более поздних конструкциях двигателя внутреннего сгорания смесь засасывалась в цилиндр всего на 1/3 хода поршня и сжигалась без предварительного сжатия. По показателям мощности и экономичности такие двигатели не могли конкурировать с паровыми машинами того времени и практического применения не получили.

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 %), но мог уже заменять паровую машину и пользовался спросом.

Широкое практическое применение двигатели внутреннего сгорания нашли лишь после того, как кельнский механик Николай Отто в 1877 г. осуществил предварительное сжатие смеси в цилиндре, благодаря чему эффективность таких двигателей резко повысилась. К 1895 г. мощность двигателей Отто, работавших на доменном газе, достигала уже 1000 л.с. (735 кВт) в одном агрегате.

В 1892 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель внутреннего сгорания нового типа, рассчитанный на использование жидкого топлива (керосина). Дизель предлагал нагревать воздух в цилиндре путем сжатия до температуры, при которой мелко распыленное впрыскиваемое топливо могло бы самовоспламеняться и сгорать по мере поступления в цилиндр, не изменяя в нем температуру.

По замыслу изобретателя такое изотермическое сгорание должно было обеспечить работу двигателя без охлаждения стенок цилиндра. Последующий опыт не подтвердил возможность создания двигателя без охлаждения цилиндров, но идея самовоспламенения топлива оказалась плодотворной.

Двигатель с самовоспламенением смеси за счет тепла сжатия, работающий на нефти, впервые был построен в 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге. Он развивал мощность 25 л.с. (18 кВт) и показывал хорошую работоспособность.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работавший на легких погонах нефти, был спроектирован русским моряком И. С. Костовичем в 1879 г. Двигатель предназначался для воздухоплавательных аппаратов и в 1885 г. прошел успешные испытания. В настоящее время он хранится в Центральном Доме авиации в Москве.

В 1885 г. немецкий инженер Готлиб Даймлер построил двигатель с небывалым по тому времени числом оборотов вала - 800 в минуту и мощностью менее 1 л.с. (0,7 кВт). Этот двигатель предназначался уже для легких самодвижущихся экипажей. Первые такие экипажи были созданы в 1882 г. в России инженером Путиловым и в 1887 г. в Германии Даймлером и Бенцем. Так было положено начало строительству самодвижущихся экипажей с двигателями внутреннего сгорания, позднее названных автомобилями.

В последние годы в народном хозяйстве все в большей и большей мере в качестве двигателей используются газовые турбины. Идея газовой турбины зародилась почти одновременно с первыми попытками создания поршневых двигателей внутреннего сгорания. Построена газовая турбина была только в конце XIX столетия, в 1897 г. по проекту инженера П. Д. Кузьминского.

В настоящее время газовые турбины широко используются в стационарных силовых установках, авиации, на водном и железнодорожном транспорте. Ведутся настойчивые работы по созданию газовых турбин мощностью 200 - 500 л.с. (150 - 370 кВт) для легковых и грузовых автомобилей. Уже создан ряд опытных образцов, обладающих хорошей экономичностью, но в силу специфичности, сложности и дороговизны газовых турбин они Серьезным конкурентом не только газотурбинных, но и обычных поршневых двигателей стал созданный в последние годы весьма компактный работоспособный роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, т.е. двигатель с вращающимся поршнем. Попытки создания простых по идее двигателей роторного типа предпринимались еще в XIX в., но успеха не имели из - за трудностей уплотнения ротора. Только в 1957 г. после тридцатилетней работы немецкому инженеру Феликсу Ванкелю совместно с известной фирмой NSU удалось создать работоспособный роторно-поршневой двигатель. Над совершенствованием и внедрением двигателя такого типа настойчиво работают в ряде стран. При успешном освоении роторно-поршневых двигателей они, возможно, найдут широкое применение на автомобильном транспорте

Кроме упомянутых двигателей, в настоящее время применяются реактивные двигатели, используемые для гоночных автомобилей.

Принцип действия реактивных двигателей, основанный на использовании реактивного эффекта струи вытекающего газа, известен был давно, но практическое применение его стало возможным только в наше время. Приоритет создания реактивных двигателей принадлежит русским ученым и изобретателям. В 1903 г. выдающийся русский ученый К. Э. Циоловский изобрел жидкостный ракетный двигатель, по схеме которого и работают современные жидкостные двигатели этого типа.

Все перечисленные тепловые двигатели, получившие практическое применение в качестве силовых агрегатов в различных тяговых устройствах и стационарных установках, могут быть разделены на две основные группы: двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.

В силовых агрегатах первой группы, в которую входят паровые машины и паровые турбины, сгорание топлива и выделение теплоты осуществляется вне двигателя. Для этого используются топки паровых котлов, а непосредственно в двигателе осуществляется лишь преобразование части теплоты в механическую работу. В качестве рабочего тела здесь служит водяной пар, поступающий из парового котла.

В силовых агрегатах второй группы сгорание топлива, выделение тепла и преобразование части этой теплоты в механическую работу осуществляются в самом двигателе. Рабочим телом в этом случае является воздух, необходимый для сжигания топлива, и продукты сгорания. К этой группе относятся поршневые двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины и реактивные двигатели. Так как рабочие процессы полностью осуществляются в цилиндрах или в соответствующих внутренних полостях этих деталей, то для них не требуются отдельные паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели и другие агрегаты, без которых не могут обходиться паровые машины и паровые турбины. Поэтому использование в силовых установках различных двигателей внутреннего сгорания и не только увеличивает компактность и снижает их вес, но заметно уменьшает потери тепла, что способствует увеличению его доли, преобразуемой в механическую работу. установках, на водном, железнодорожном и автомобильном транспорте, в авиации, на различных сельскохозяйственных, дорожных и строительных машинах и механизмах. Можно сказать, что нет такой отрасли народного хозяйства, где бы ни применялись двигатели внутреннего сгорания. Их строят мощностью от десятых долей до нескольких десятков тысяч л.с. в одном агрегате. Благодаря непрерывному совершенствованию конструкции и высокой технике производства современные двигатели внутреннего сгорания долговечны, надежны, удобны в эксплуатации и экономичны.

Всюду, где требуются, например, легкие, компактные, экономичные и удобные для обслуживания автономные силовые агрегаты сравнительно небольшой мощности, находят применение поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигатели этого типа широко используются для массовых автомобилей всех классов.

Однако быстрый рост современных городов и чрезмерное насыщение их автотранспортными средствами создают определенные трудности. Отработавшие газы автомобильных двигателей внутреннего сгорания засоряют атмосферу городов токсичными веществами. Поэтому в настоящее время настойчиво изыскиваются способы эффективного снижения токсичности автомобильных газов или обезвреживания их перед выпуском в атмосферу. Одновременно ведутся поиски новых топлив, изучаются возможности использования на городском автомобильном транспорте электроаккумуляторной, паровой и иных видов тяги. Для условий крупных городов автомобили с силовыми агрегатами, не засоряющими атмосферу токсичными газами, наиболее целесообразны и перспективны