Автомобильные двигатели

Курс лекций (68 часов) для основного потока

ЛИТЕРАТУРА

1.Архангельский В.М., Вихерт М.М, Воинов А.Н. и др. Под ред. М.С. Ховаха. М: Машиностроение, 1977. – 591с.

2.Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М: Высшая школа, 2002. – 496с.

3.Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей: Учебник. Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - 4-е изд. М.: Машиностроение, 1983 г

4. Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей: Учебник. Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. - 4-е изд. М.: Машиностроение, 1984 г

5. Испытания двигателей внутреннего сгорания: Учебник. И.Я. Райков.- М.: Высшая школа, 1975 г.

6. Автомобильные материалы: Справочник. М.А. Масино, В.И. Алексеев, Г. В. Мотовилин.- М.: Транспорт, 1979 г.

ЛЕКЦИЯ 1

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

Основой любого транспортного средства, в том числе наземного является силовая установка — двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу.

В ходе исторического развития транспортных двигателей механическая работа движения осуществлялась за счет использования:

— мускульной силы человека и животных;

— силы ветра и потоков воды;

— тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;

— электрической и химической энергии;

— солнечной и ядерной энергии.

Упоминания о попытке. построить самоходные средства передвижения имеются уже в ХV — ХVI в.в. Правда, двигателями этих «самоходов» была мускульная сила человека. Одной из первых, достаточно хорошо известной самоходной установки с «мускульным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он построил в 1635 г.

Наибольшую известность в нашей стране получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752г. Эта коляска, достаточно вместительная для перевозки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным был построен крепостным крестьянином Верхотурского уезда Пермской губернии Артамоновым на рубеже ХVIII и ХIХ вв.

Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортными, являются гидравлические двигатели — вал колеса, приводящийся в движение потоком (весом) падающей воды, а также, ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.

Появление в ХУII в. водяных двигателей, а позднее и паровых, сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. Однако большие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправдались. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построенный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных остановок через каждые 15 минут движения.

Только в конце ХIХ в. во Франции были созданы весьма удачные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начиная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил несколько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона. А в 1887 — автомобили Леона Серполе, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенератор с почти мгновенным испарением воды. Паровые автомобиля Серполе конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязниях вплоть до 1907 г. Вместе с тем совершенствование паровых двигателей в качестве транспортных - продолжается и сегодня в направлении снижения их массогабаритных показателей и повышения коэффициента полезного действия.

Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внутреннего сгорания во второй половине ХIХ в. сопровождалось попытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Россия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим болое ста лет назад, в 80-с годы ХIХ в., появились и первые электрические автомобили. Их появление связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недостаточная емкость не позволяли электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двигателями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно – цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце ХIХ в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами. Электромобили имеют достаточно высокие преимущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тяговой характеристикой и большими ускорениями за счет возрастающего крутящего момента при снижения числа оборотов; используют дешевую электроэнергию, просты в управления, надежны в эксплуатации и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на городском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце ХVIII в. Так, в 1799 г англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобретатель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топлива светильный газ. Еще в 1801 г. француз Филипп де Бонне предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смесительную камеру и оттуда в цилиндр двигателя, где смесь воспламенялась от электрической искры. Появление этого проекта считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоздушной смеси.

Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по чётырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто. Практически все современные бензиновые и газовые двигателя до настоящего, времени работают по циклу Отто (цикл с подводом теплоты при постоянном объеме - изохорный).

Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70—80 гг. ХIХ в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных смесей и предварительного сжатия их в цилиндрах. Официально изобретателями транспортных двигателей, работающих на жидких фракциях перегонки нефти, признаны три немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем; Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем; Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с самовоспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии воздуха.

Здесь следует отметить, что первые двигатели внутреннего сгорания, работающие на легких фракциях перегонки нефти, были созданы в России. Так, в 1879 г. русским моряком И. С. Костовичем был спроектирован и в 1885 г. успешно прошел испытания 8-цилндровый бензиновый двигатель малой массы и большой мощности. Этот двигатель предназначался для воздухоплавательных аппаратов.

В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, и конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.

Русский конструктор Е. А. Яковлев спроектировал и построил моторный экипаж с керосиновым двигателем. Успешно работали над созданием экипажей и двигателей к ним русские изобретатели и конструкторы: Ф. А. Блинов, Хайданов, Гурьев, Махчансквй и многие другие.

Одним из наиболее крупных российских конструкторов в области транспортного двигателестроения конца ХIХ — начала ХХ века был инженер Б.Г. Луцкой. Он проектировал и строил двигатели различного назначения (автомобильные, авиационные, лодочные, судовые) мощностью, от 50 л. с. (36,8 кВт) до 6000 л. с. (4413 кВт). В 1901 г. он построил грузовик, который принимал участие в военных маневрах 1902 г., и показал значительно лучшие технико- экономические качества, чем иностранные грузовики. Б. Г. Луцкой был удостоен многих наград и получил хорошие отзывы специалистов на выставках автомобилей, но из-за отсутствия поддержки и средств в России был вынужден организовать производство своих автомобилей в Германии.

Успешное проектирование, разработка новых конструкций и создание опытных образцов двигателей внутреннего сгорания были в значительной мере обеспечены серьезными научно-исследовательскими работами в области теории рабочего процесса двигателей. В 1906 г. профессор Московского высшего технического училища (МВТУ) В. И. Гриневецкий впервые разработал метод теплового расчета двигателя. Профессор, а затем член-корреспондент АН СССР Н. Р. Бриллинг стал первым руководителем Научной автомобильной лаборатории (ныне всемирно известный Государственный научный центр автомобильной промышленности России — НАМИ). Пионер автомобильного дела в России, основоположник отечественной школы по теории двигателей внутреннего сгорания Николай Романович Бриллинг создал в 1926 г. курс лекций по теории легких двигателей, который до сих пор считается классическим. Вместе с Н. Р. Бриллингом отечественную школу автомобилистов и двигателистов создавали видные ученые: Е. А. Чудаков, Е. К. Мазинг, С. И. Алексеев, В. А. Петров, Б. С. Стечкин и многие другие.

К сожалению, следует отметить, что массовое производство автомобилей и автотракторных двигателей в России на протяжения ХХ в. неоднократно тормозилось. К началу первой мировой войны в России действовал единственный автосборочный Русско-Балтийский завод в Риге, который в 1915 г. был эвакуирован в Москву и полностью прекратил выпуск автомобилей.

Днем возрождения отечественного автомобилестроения можно считать 7 апреля 1921 г., когда был осуществлен первый выпуск российских автомобильных двигателей. Их выпуск позволил уже в ноябре 1924 г. собрать первые 10 машин отечественного производства АМО-Ф-15. Через год после амовцев, в ноябре 1925 г, были собраны первые два грузовика Я-3 на Ярославском заводе. В 1927 г. Московский завод «Спартак» приступил к производству первого отечественного малолитражного автомобиля НАМИ 1. В августе 1929 г. началось строительство нового крупнейшего автозавода в Нижнем Новгороде, а в январе 1932 г., т е. менее чем через три года, с конвейера завода сошел первый грузовой автомобиль ГАЗ-АА грузоподъемностью 1,5 т. В 1931 г. была закончена реконструкция Московского автозавода АМО, который стал ежегодно выпускать 15 тыс. грузовых автомобилей АМО-3 грузоподъемностью 2,5 т. На торжественном митинге 1 октября 1931 г., посвященном пуску автозавода после реконструкции, директор завода Иван Алексеевич Лихачев говорил: «Мы с вами видам огромные вновь построенные корпуса и частично использованные старые помещения, которые составляют только 1/20 часть всей производственной площади завода. А если считать по затраченному капиталу, то можно сказать, что мы к пуговице пришили пальто».

Так рождалось отечественное автомобилестроение и успешно развивалось до Великой Отечественной войны 1941 — 1945 гг. Военный период явился вторым серьезным тормозом в развитии автотракторостроения в Россия. Все производство было перестроено на снабжение армии всеми необходимыми средствами и машинами.

Послевоенный период характеризовался практически полной реконструкцией автотракторной промышленности, строительством новых заводов, постановкой на производство более совершенных конструкций автотракторных бензиновых двигателей и дизелей. Разрабатывались и создавались двигатели новых типов: газотурбинные, газогенераторные, газобаллонные. Были созданы новые опытные образцы паровых двигателей газодизельный двигатель для КаМАЗа, электромобиль и т. д.

Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов ХХ в. оставалось стремление к повышению литровой мощности, а следовательно, и к получению наиболее компактного двигателя. После нефтяного кризиса 70 — 80 гг. основным требованием стало получение максимальной экономичности. Последние 10— 15 лет ХХ в. главными критериями для любого двигателя стали постоянно растущие требования и нормы по экологической чистоте двигателей и прежде всего по коренному снижению токсичности отработавших газов при обеспечении хорошей экономичности и высокой удельной мощности.

Карбюраторные двигателя, долгие годы не имевшие конкурентов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям, даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требований по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Эти требования и жесткие условия конкуренции на мировом рынке достаточно быстро изменили типаж силовых установок для транспортных средств и прежде всего для легкового транспорта. Сегодня различные системы впрыска топлива с различными системами управления, включая электронные, практически полностью вытеснили использование карбюраторов на двигателях легковых автомобилей.

Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомобильными компаниями мира в последнее десятилетие ХХ в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная промышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двигателестроения на выпуск новых типов двигателей. Вместе с тем, пока еще, Россия имеет хороший научно-исследовательский задел по созданию перспективных двигателей и квалифицированные кадры специалистов, способных достаточно быстро реализовать имеющийся научный и конструкторский задел в производстве. За последние 8— 10 лет разработаны и изготовлены принципиально новые опытные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия. В 1995 г. разработана и внедрена на Заволжском моторном заводе и на Нижне-Новгородском автозаводе микропроцессорная система управлением топливоподачей и зажиганием, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1 Разработаны и изготовлены образцы двигателей с микропроцессорной системой управления топливоподачей и нейтрализаторами ОГ, удовлетворяющие экологическим требованиям ЕВРО-2 и ЕВРО-3. В этот период учеными и специалистами НАМИ разработаны и созданы: перспективный турбокомпаундный дизель, серия дизельных и бензиновых экологически чистых двигателей традиционной компоновки, двигатели, работающие на водородном топливе, плавающие транспортные средства высокой проходимости с щадящим воздействием на грунт и т. п.

Успешное проведение научно-исследовательских и экспериментальных работ во второй половине ХХ в. такими российскими учеными, как профессора А. С. Орлин и М. С. Ховах, А. А. Липгард и И. М. Ленин, В. И. Кирсанов и многие другие, позволяет надеяться на скорейший выход отечественных автотракторных двигателей на мировой уровень. Эту надежду укрепляет и сегодняшняя когорта ученых, конструкторов и исследователей, которую возглавляют: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерация В. Ф. Кутенев, чл.корреспондент РАН В. Н. Луканин, профессора: Н. А. Иващенко, М. Г. Шатров, К Я. Райков, Г. П. Покровский и многие др.

Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных дорожно-транспортных и строительных машинах. Эта тенденция сохраняется сегодня, и будет еще сохраняться в ближайшей перспективе. Основные конкуренты поршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных партий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.

ЛЕКЦИЯ 2