Двигатели внутреннего сгорания


Двигатели внутреннего сгорания, пришедшие на смену паровым двигателям, стали самыми распространёнными устройствами, созданные человеком за всю историю его осознанного существования.
Чтобы убедиться в этом достаточно выйти на улицу и посмотреть вокруг. Растущее с пугающим постоянством количество автомобилей является ярким подтверждением тому.
В каждом самодвижущемся экипаже под капотом находится двигатель внутреннего сгорания, который, собственно, и движет эти экипажи по поверхности, страдающей от них планеты.
По сути своей двигатели внутреннего сгорания являются типичными тепловыми машинами, мало чем, в принципе, отличающимися от паровых двигателей. Нюансы, конечно, есть. Вот о них мы и поговорим более подробно.


Рис. 3.109. Филипп Лебон
Французский инженер, профессор академии мостов Филипп Лебон (рис. 3.109) в 1899 г. экспериментируя с разложением каменного угля, открыл, так называемый, светильный газ.
Лебон в 1799 г. получил патент на способ сухой перегонки угля. Внедрение в практику получения светильного газа из угля по способу Лебона позволило перейти при искусственном освещении на более прогрессивные технологии. Газовые светильники сменили фитильные фонари и свечи. Но вскоре применение светильного газа для фонарей отошло на второй план.
В 1801 г. всё тот же Лебон обратился в инстанции за подтверждением своего авторства на газовый двигатель. Будучи грамотным инженером, Лебон обратил внимание на выделение большого количества тепла при воспламенении открытого им газа.


Продукты сгорания, при этом, взрывообразно расширялись, создавая градиенты давления в закрытых объёмах. Именно этот факт натолкнул Лебона на мысль заставить возгораться светильный газ в цилиндре, закрытом поршнем. Двигатель Лебона состоял из двух нагнетателей (компрессоров) и камеры сгорания. В камеру смешения одновременно подавался сжатый воздух и сжатый светильный газ, а затем газовоздушная смесь далее подавалась в рабочий цилиндр и воспламенялась. Камеры сгорания в двигателе Лебона были расположены по обе стороны цилиндра. Прекрасная идея Лебона, к сожалению не была широко реализована на практике.
Двигатель Лебона не получил распространения. Однако идея использовать внутреннюю энергию светильного газа не умерла окончательно. Коммерчески конкурентноспособный двигатель на светильном газе создал бельгийский изобретатель Жан Этьен Ленуар (рис.
3.110). Ленуара первого посетили идеи использовать для воспламенения горючей смеси электрическую искру и
для повышения долговечности - смазку.              Рис              3110              Этьен              Леиуар
В юные годы по причине отсутствия средств на обучение Этьен был вынужден работать официантом в ресторане «Холостой парижанин», куда часто захаживали механики и владельцы мастерских. Слушая их разговоры, юноша увлёкся идеей усовершенствования двигателя, о котором много и подробно разговаривали некоторые посетители.
Оставив место гарсона, Этьен поступил на работу в одну из мастерских, но работал там не долго. Поссорившись с хозяином, Ленуар подался в вольные механики, он стал в свободном режиме чинить любого рода технику, на что приглашали.
Это была хорошая практика и возможность познакомиться с различными конструкциями. Поднаторев в техническом плане, Ленуар предложил свои услуги литейной мастерской итальянца Маринони. Это было время, когда начали интенсивно развиваться отрасли промышленности, связанные с использованием электричества. Учение об электрических явлениях проснулось от длительной спячки, им стали заниматься серьёзные учёные, что не преминуло сказаться на практическом применении тех эффектов, которые сопровождали прохождение электрического тока через среды.
Ленуар убедил хозяина мастерской в необходимости переориентации мастерской, с литейной в гальванопластическую. Дела пошли настолько хорошо, что Ле- нуар, обладая некоторой экономической независимостью от окружающих, мог заняться изобретательством. Он активно патентовал свои изобретения: электромотор малой мощности, регулятор оборотов для динамо-машин, водомер.
Но, главное увлечение Ленуара составляли паровые двигатели, особенно машины двойного действия. Владелец мастерской, будучи человеком прозорливым, стимулировал экономически творчество Ленуара.
Первый образец газотопливного двигателя, реализующий идеи Лебона, заработал. Мотор не так грохотал, как паровики, однако быстро перегревался и поршень заклинивало. А тут вследствие юридических неурядиц, власти закрыли мастерскую Маринони.


Рис. 3.111. Двигатель Ленуара
Как говорится: «Нет худа без добра». Ленуар, воодушевлённый первыми своими успехами в изобретательстве газовых силовых машин, открывает собственную фирму «Ленуар и Ко» по производству газовых двигателей (рис. 3.111).
Получив в 1860 г. патент на двигатель мощностью в 4 лошадиных силы, Ленуар распространил его производство как во Франции, так и в Германии. Немцы, прежде всего инженер Отто, взялись посредничать между Ленуаром и немецкими заказчиками.
Закончилось такое сотрудничество известной концовкой. Отто, в конечном счёте, покрайней мере в Германии, оттеснил Ленуара от места под «двигательным солнцем», нацепив на себя жёлтую майку лидера. Конечно, тевтоны всегда недолюбливали «лягушатников», так сложилось исторически.
Во Франции же Ленуар в двигателестроении солировал. В 1862 г. на Парижской выставке демонстрировался омнибус Ленуара с его двигателем (рис. 3.112). Мотор Ленуара в 1872 г. даже был установлен на дирижабле, который успешно с его помощью плавал в воздухе в нужном направлении, а не туда, куда несут воздушные потоки. К 1864 г. только во Франции было выпущено более 300 двигателей.


Рис. 3.113. Николаус Отто и его первый двигатель


Рис. 3.112. Автомобиль Ленуара
Как и всякий истинный француз, разбогатев, Ленуар перестал активно заниматься модернизацией своего изобретения, а поводов для этого было предостаточно. Часто сбоила система зажигания, был неудовлетворительным мото ресурс впускных и выпускных устройств, которые работали при температуре около 800 0С, не до конца были решены вопросы смазки движущихся деталей. И конечно же КПД. Он превосходил несколько в среднем КПД паровиков, но, согласитесь, п « 5 % - это несколько маловато для XIX в.
В 1864 г. компаньон Ленуара, немецкий инженер Николаус Август Отто (рис. 3.113) получает патент на свою модель газового двигателя и находит спонсора в лице состоятельного инженера (Во были времена!) Лангена.
Образованная ими фирма «Отто и Ко» начинает выпуск двигателей Отто.
Цилиндр в двигателе Отто был расположен вертикально, а приводной вал располагался над цилиндром, сбоку.
Посредствам вала поршень поднимался на 1/10 высоты цилиндра, образуя разреженный объём, в который всасывалась горючая смесь из светильного газа и воздуха, затем смесь поджигалась.
Следует отметить, что Отто, так же как и Ленуар, с электричеством были совсем не на - ты, от этого здравая идея электрозапала горючей смеси не была доведена ими до необходимой надёжности. Электричество дело весьма тонкое.
Отто и его компаньон Ланген воспламеняли смесь, вдувая через специальную трубку открытое пламя. После взрывообразного окисления топливной смеси давление увеличивалось до 4 атм. и поршень поднимался вверх, рабочий объём увеличивался, - давление падало. Поршень сначала под действием давления продуктов сгорания, а затем за счёт инерциальной энергии маховика поднимался до тех пор, пока под поршнем не создавалось разряжение.
Главным отличием двигателя Отоо было то, что рабочий ход поршня вниз начинался под действием внешнего давления, когда давление в цилиндре сравнивалось с атмосферным, открывался выпускной вентиль и поршень своим весом вытеснял продукты сгорания в атмосферу.
Это позволило поднять КПД до п « 15%, что превосходило КПД лучших, можно сказать, эксклюзивных образцов паровых машин. В отличие от Ленуара трудолюбивый Отто постоянно работал над усовершенствованием своего двигателя.
Зубчатая рейка, сновавшая вверх и вниз, была заменена кривошипношатунным механизмом, который был более надёжен и не производил такого устрашающего шума.
Но самым революционным шагом в двигателестроении, сделанным в 1887 г. стало изобретение Отто четырёхтактного цикла, который и по настоящее время лежит в основе работы подавляющего большинства двигателей внутреннего сгорания. Отто получил патент на четырёхтактный двигатель и запустил его в производство.
Четырёхтактный двигатель, у которого только один такт был рабочим, было одним из самых больших технических достижений XIX в. Вскоре после начала массового производства двигателя Отто обнаружилось, что его идея о четырёх тактах не была первой.
Французский инженер Бо де Рошь за несколько лет до Отто опубликовал материалы по четырёхтактному двигателю. Французы, не желая приплачивать немцам за патент Отто, затеяли судебные разбирательства и преуспели в них.
Суд наложил серьёзные ограничения на монополию Отто в производстве двигателей такого типа. Несмотря на эти коллизии, двигатель Отто был самым совершенным на то время и спрос на него был велик. К 1897 г. было выпущено более 42 тыс. таких моторов. Однако распространение сдерживалось отсутствием достаточных мощностей для производства светильного газа. Угля везде в Европе и тем более в Азии были производства по извлечению светильного газа. Так, например, в России функционировали всего два заводика в Петербурге и Москве, которые только и справлялись с заправкой фонарных горелок.


Рис. 3.114. Даймлер и Майбах
Дальнейший прогресс в двигателе- строении связан с двумя известными в наше время немецкими фамилиями Юлиуса Даймлера и Вильгельма Майбаха, которые создали вполне работоспособный бензиновый двигатель.
Даймлер некоторое время работал в фирме Отто, которому впервые предложил разрабатывать свои идеи по поиску альтернативных светильному газу топлив, но старший товарищ по двигательному бизнесу отнёсся к предложению более чем прохладно, что заставило Даймлера покинуть процветающую компанию Отто и совместно со своим другом Вильгельмом Майбахом приобрести захудалую механическую мастерскую, чтобы заняться там воплощением своих идей.
Главную цель, которую ставили друзья - избавить проектируемый двигатель от газогенераторной зависимости. Даймлер и Майбах первоначально ориентировали свою конструкцию на автомобиль, поэтому двигатель был нужен компактный и достаточно мощный, ему нужно было конкурировать с паровыми агрегатами, которые к середине XIX в. получили в автомобилестроении распространение.
Всё, что каталось по немногочисленным дорогам, было исключительно паровым. Способов увеличения удельной мощности было не так уж много, одним из которых был очевиден, при стеснённых возможностях увеличивать габариты, было необходимо поднимать рабочие обороты приводного вала. Чтобы этого достичь, необходимо было улучшить систему зажигания топливно-воздушной смеси и заменить, наконец-то светильный газ чем-нибудь более приемлемым.
Начали с керосина. Решили испарять керосин и сжигать его пары, но керосин плохо испарялся и его отставили. Остановились на бензине, пары которого получались быстрее и они легко воспламенялись от раскалённой металлической трубочки открытой в цилиндр.
Даймлер и Майбах в своих двигателях с 1893 г. начали использовать изобретение венгерского инженера Донатана Банки, которое представляло собой карбюратор с жиклёром. Банки предлагал не испарять бензин а подавать его в цилиндр в распыленном жиклёром состоянии. Испарение же протекало в самом цилиндре под действием температуры и давления. Распыливание струи бензина происходило в потоке воздуха, причём количество всасываемого топлива было пропорционально секундному расходу воздуха.


Рис.3.116. Современный карбюратор


Рис. 3.115. Схема карбюратора
Простейшая схема карбюратора (рис. 3.115) состояла из четырёх основных частей: поплавковой камеры 10 с поплавком 3, жиклёра 9 с распылителем 7, диффузора 6 и дроссельной воздушной заслонки 5. Поплавковая камера из бака наполняется бензином. Латунный поплавок, опирающийся на запорную иглу 2, служит регулятором уровня топлива. Когда топливо достигает заданного уровня, поплавок всплывает и игла перекрывает питательную трубку 1, подача топлива в поплавковую камеру прекращается.
По мере истечения топлива из поплавковой камеры, поплавок опускается, игла открывает проход, и уровень бензина восстанавливается.
При движении поршня в период такта впуска, давление в цилиндре понижается и туда через впускную трубку 8 всасывается атмосферный воздух, количество которого регулируется положением дроссельной заслонки 5. Топливо, истекающее из распылителя, дробится струёй воздуха и частично испаряется.
Количество горючей смеси, т.е. мощность двигателя, регулируется дроссельной заслонкой (рис. 3.116), положение которой в современных двигателях регулируется педалью акселератора. Соотношение между объёмами паров топлива и воздуха играет очень важную роль.
Дело в том, что бензин отдаёт наибольшее количество тепла, сгорание более экологично когда 1 кг. бензина, условно говоря, смешивается с 14,5 кг воздуха, в котором, как известно, содержится около 21% кислорода, от и является активным окислителем горючего.
Первые четырёхтактные двигатели были одноцилиндровыми, для увеличения их мощности цилиндр делали большего объёма, что не совсем благоприятно сказывалось на габаритах агрегата. В конце XIX в. появились двухцилиндровые двигатели, а в начале XX в. и четырёхцилиндровые.
На рис. 3.117 показана схема работы четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания:
а) такт впуска, когда поршень из самого верхнего положения начинает двигаться вниз, при этом впускной клапан открыт, что обеспечивает втягивание топливной смеси, цилиндр и поршень работают в насосном режиме;
б) такт сжатия сопровождается подъёмом поршня, т.е. сжатием топливной смеси, оба клапана закрыты;
в) рабочий ход характеризуется тем, что когда поршень достигает самого верхнего положения, происходит принудительное воспламенение смеси, которая взрывообразно воспламеняется, давление многократно возрастает и поршень устремляется вниз;
г)              такт выпуска сопровождается инерциальным движением поршня вверх, клапан выпуска открыт, продукты горения удаляются из цилиндра в атмосферу.
Впускной клапан оікрьгг
ОЕаклапана закрыть ,
Выпускной клапан оікрьп


Рис. 3.117. Схема работы четырёхтактного двигателя
Несмотря на то, что топливная смесь воспламеняется взрывообразно, процесс окисления заданной массы паров бензина длится конечное время, поэтому электрическая искра должна появится за некоторое время до пребывания поршня в верхнюю мёртвую точку (ВМТ).
Угол, на который коленвал не дошёл до ВМТ называют углом опережения зажигания. Этот угол корректируется в зависимости от качества топлива и частоты вращения коленчатого вала.
Ранее зажигание вызывает детонационные эффекты. Когда в камере сгорания происходит воспламенение в режиме движения поршня вверх, то он испытывает ударные нагрузки. Двигатель теряет мощность, появляются характерные хлопки.
Позднее зажигание тоже нежелательно. Затягивание процесса горения чревато повышением температуры отходящих газов, от чего могут прогореть клапаны и увеличением вредных выбросов в атмосферу.
История двигателей внутреннего сгорания, как и многое в этом мире развивается по совету философов по спирали. Начавшись с двухтактного варианта, на определённом этапе своего развития гегемонию, по справедливости, получили четырёхтактные устройства.


Рис. 3.118. Скутер с двухтактным двигателем
Однако, при проектировании силовых агрегатов для мотоциклов и мотороллеров (теперь их зовут скутерами) вернулись к двухтактным двигателям (рис. 3.118).
Это было связано с их компактностью и простотой конструкции. В двухтактных двигателях отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, он своим телом открывает и закрывает впускное и выпускное отверстие, продувочные окна.
При одинаковых рабочих объёмах цилиндра у двухтактных двигателей можно теоретически снять в два раза большую мощность по сравнению с четырёхтактной конструкцией. На практике же сравнительные преимущества двухтактника укладываются в 60 - 70 %. Условия сгорания топлива у четырёхтактных двигателей лучше, что естественно сказывается на их КПД
В картере двигателя расположены подшипники, в которых вращается коленчатый вал, кинематически связанный через кривошипно-шатунный механизм с поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение.
На поршне располагаются в специальных пазах подпружиненные стальные кольца герметизирующие объём и удаляющие с поверхности цилиндра остатки продуктов горения и смазки.
Смазка всех кинематических пар, имеющих относительное перемещение, в двухтактных двигателях до недавнего времени осуществлялась топливной смесью. Это было одним из эксплуатационных неудобств двухтактных двигателей.
Перед заправкой необходимо было в заданной пропорции смешивать топливо и масло, что естественно не способствовало улучшению параметров горения. Масло в бензин для двухтактных двигателей годилось не всякое, а только с высокой температурой вспенивания. В последних конструкциях двухтактных моторов этот недостаток устранён, разработаны системы электронного впрыска масла в цилиндр из самостоятельного объёма.


Рис. 3.120. Схема работы двухтактного двигателя


На рис. 3.120 приведена схема работы двухтактного двигателя.
Во время такта сжатия (фрагмент 1) поршень перемещается из нижней мёртвой точки в верхнюю мёртвую точку, перекрывая вначале продувочное окно 2, а затем и выпускное отверстие 3. После перекрытия выпускного окна в цилиндре происходит сжатие поступившей до этого топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 (фрагмент 2) образуется разрежение и туда втягивается из карбюратора новая порция топливной смеси.
Такт рабочего хода характеризуется тем, что при положении поршня в районе ВМТ (фрагмент 3) сжатая топливная смесь воспламеняется электрической искрой.
Температура и давления в камере сгорания скачком увеличиваются, поршень с ускорением перемещается в НМТ, создавая по ходу высокое давление в кривошипной камере, т.е. сжимая присутствующую там топливную смесь.
Под действием повышающегося давления клапан закрывается, препятствуя попаданию горючей смеси в выпускной коллектор и в карбюратор. При достижении поршнем выпускного окна (фрагмент 4) оно открывается и начинается процесс эвакуации отработанных продуктов сгорания в атмосферу.
Затем поршень открывает продувочное окно (фрагмент 5). Давление в цилиндре понижается, что приводит к заполнению камеры сгорания новой порцией топливной смеси. Одновременно смесь вытесняет остатки предшествующей порции сгоревшей смеси. Далее цикл повторяется.
Таким образом, за один оборот коленчатого вала происходит полный цикл работы двигателя. Система опережения зажигания в двухтактных двигателях стала применяться сравнительно недавно, раньше угол опережения выставляли на оптимальные обороты.
В современных конструкциях двухтактных двигателей, так же как и в четырёхтактных машинах, устанавливаются электронные регуляторы, которые стали доступными благодаря невысокой стоимости элементной базы.
Двухколёсные самодвижущиеся экипажи, мотоциклы появились даже несколько раньше автомобилей потому, что подавляющее большинство конструкторов автомобилей начинали свою карьеру с двухколёсных машин.
Так, например, с Готлиб Даймлер в 1885 г. перед тем как построить первый автомобиль испытывал свои моторы на мотоциклах. Первый мотоцикл Даймлера был в основном деревянным (левый верхний фрагмент рис. 3.121), для устойчивости он имел два дополнительных колеса. Дело в том, что Даймлер не умел кататься на обычном велосипеде, поэтому ему было сложно удерживать равновесие.


Рис.3.121. Эволюция мотоциклов
Двигатель располагался под сиденьем водителя и обладал мощностью 0,5 л.с., что позволяло развивать скорость до 12 км/час. В качестве топлива использовался бензин или керосин. Чтобы запустить мотор, нужно было предварительно паяльной лампой разогреть специальную калильную трубку, поместить её в камеру сгорания и ручкой раскрутить двигатель.
При благоприятном стечении обстоятельств, эта процедура укладывалась в минуту, не считая разогрева паяльной лампы.
Правый левый фрагмент посвящён одному из первых образцов мотоциклов знаменитой американской фирмы Harley-Davidson. Мощность, подаваемая на заднее ведущее колесо как и остановка машины, регулировалась натяжением приводного ремня.
На нижнем левом фрагменте показан современный мотоцикл этой фирмы.
Правый фрагмент нижнего ряда изображает образец японского мотоцикла планируемого к выпуску в ближайшие годы.


Распространение мотоциклов началось примерно в 1894 г., когда два инженера из германии Гильдебранд и Вольф- мюллери французы, братья Вернеры начали выпускать лёгкие относительно недорогие машины, напоминающие по современным понятиям велосипеды с моторчиками (рис. 3.122).
В 1898 г. на рынок начали поступать              Рис.              3.122.              Лёгкий              мотоцикл
мотоциклы конструкции чехов Лаурина и              Гильдебранда              и              Вольфмюллера
Клемента. Их машины уже снабжались электрическим воспламенением топливной смеси, мотоциклы были оборудованы магнето, представляющим собой механический генератор высоковольтных электрических импульсов.


Движение на заднее колесо по прежнему передавалось посредствам ремённой передачи. На производство мотоциклов, как и на все остальные образцы техники, наложила отпечаток Первая мировая война.
Она ещё не полностью стала войной моторов, но лёгкие средства передвижения требовались уже в изобилии. Разработка и строительство мотоциклов приобрели размах практически во всех странах Европы, участвовавших в войне. На трёхколёсных машинах размещали даже станковые пулемёты с расчетом в три бойца (рис. 3.123). Такие установки были маневренными и могли передвигаться достаточно скрытно.
Мотоциклы завоёвывали рынок транспортных средств благодаря своей относительной дешевизне и простоты эксплуатации. Массовое производство мотоциклов началось в XX в. во многих странах, включая и Россию, но наиболее преуспели воинственные немцы.
В 1922 г., используя огромный военный опыт эксплуатации двух и трёхколёсной мототехники в Германии фирмой «Расмуссен АГ» начал выпускаться мотоцикл ДКВ 140, который весил всего 46 кг и расходовал на 100 км не более трёх литров бензина (рис. 3.124).
Перед началом продаж ДКВ 140 совершил пробег по дорогам Германии, побывав, практически, во всех городах и городках. Реклама удалась. На дорогах с твёрдым покрытием (у тевтонов они были уже тогда) при стечении народа, пилоты ДКВ 140 демонстрировали его скоростные качества, разгоняя машину на твёрдых покрытиях до 65 км/час.


Рис. 3.125. Мотоцикл BMW R42


Рис. 3.124. Мотоцикл ДКВ 140
Небезызвестная немецкая компания BMW, занимавшаяся во время Первой мировой войны производством авиационных моторов в 1923 г. разработала и стала продавать мотоцикл R 42 (рис. 3.125), оснащённый двухцилиндровым нижнеклапанным двигателем мощностью 12 л.с., который развивал скорость до 95 км/час.


Рис. 3.126. Первый советский мотоцикл
В Советском Союзе первые мотоциклы начали собирать в Москве на заводе «ОСАВИАХИМ» (рис. 3.126), конструкция которых была во многом заимствована у лучших иностранных образцов.
Значительной переделке, как правило, подвергалась ходовая часть, потому что условия отечественных дорог и их протяжённость налагали свои неумолимые условия. Машины по сравнению с иноземными аналогами получались тяжелее, но более приспособленными к бездорожью.
В двадцатых годах прошлого столетия в стране Советов мотоциклетное производство было организовано в Ижевске. На рис. 3.127 (левый фрагмент) показан первый тяжёлый ижевский одноцилиндровый мотоцикл с объёмом двигателя 503 см3, который при массе 127 кг мог двигаться со скоростью до 70 км/час.
Перед началом Второй мировой войны в Таганроге на инструментальном заводе для военных был налажен выпуск мотоциклов ТИЗ-АМ 600 (правый фрагмент рис. 3.127) мощностью 16 л.с. с четырёхступенчатой коробкой передач.
' I              '              I


Рис. 3.127. Первые ижевские и таганрогские мотоциклы
В послевоенное время мотоциклы стали основным средством передвижения населения СССР. Массово выпускались мотоциклы ИЖ 49 (рис. 3.128), многие, из которых дожили до наших дней. На «Ижиках» устанавливались двухтактные двигатели мощностью 14 - 18 л.с.


Рис. 3.128. Массовые отечественные мотоциклы
В г. Коврове в период с 1941 по 1951 гг. выпускались одноместные мотоциклы К 125 с одноцилиндровыми двухтактными двигателями объёмом 123,7 см3 с трёхступенчатой коробкой передач, что позволяло развивать максимальную мощность 4,25 л.с. при скорости с водителем 70 км/час.
Завод в г. Минске выпускал одноцилиндровые мотоциклы М 105, прозванные в народе «козликами».
История мотоциклов «Урал», ставших наследниками знаменитого тяжёлого мотоцикла М 72 началась в военный 1941 г., когда из фронтовой Москвы в г. Ир- бит был эвакуировано оборудование, на котором выпускались мотоциклы для военных. Во многом М 72 был похож на немецкую машину BMW R71.
В послевоенный период конструкция была существенно модернизирована. «Уралы» стали оснащать двухцилиндровыми двигателями объёмом 750 см3 мощностью 45 л.с. Будучи изначально проектированным как военная машина, ирбит- ские мотоциклы отличались высокой проходимостью и непревзойдённой надёжностью. «Урал» единственный отечественный мотоцикл успешно конкурирующий с лучшими иностранными аналогами. Мотоциклы этой марки экспортируются в страны Северной и Южной Америки, в Азию и на ближний восток.
Автомобили стали массовым видом транспорта после того, как на них стали устанавливать двигатели внутреннего сгорания. Первым, кто это сделал в 1885 г.
был немецкий конструктор Карл Бенц. В конце января 1886 г. Бенц получил патент на свой автомобиль и продемонстрировал его возможности на Рингштрассе в г. Мангейме. Бенц снабдил свой первенец испытанным на мотоцикле двигателем, но более мощным, с объёмом единственного цилиндра 945 см3. При максимальных 400 об/мин двигатель развивал мощность около 1 л.с. Весил двигатель не многим менее 100 кг (рис. 3.129).


Рис. 3.129. Автомобиль Карла Бенца


В 1872 г. в компании Deutz начали свою автомобильную карьеру Готтлиб Даймлер, в качестве главного инженера и Вильгельм Майбах, в должности главного конструктора. Эти знаковые в автомобилестроении фигуры, осознали, что в массовое производство автомобилей станет возможным только при запуске в производство недорогого и надёжного двигателя.
Практически десять лет Даймлер и Майбах занимались усовершенствованием и выпуском двигателей внутреннего сгорания с электрическим воспламенением горючей смеси.По Европе разошлось более двух тысяч их моторов.


Известно, что в 1875 г. Зигфрид Маркус построил автомобиль (рис. 3.130) с двигателем Отто, но кроме опытного образца дела дальше не пошли. Всё было дело в двигателе, вернее в светильном газе, который по-прежнему имел ограниченное распространение.
В 1862 г. француз Альфонсо Беа де Роша получил патент на четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, который Рис. 3.130. Автомобиль Маркуса              за              шесть последующих лет буквально вы
теснил с рынка двигатели Отто.
Даймлер и Майбах в 1882 г. покинули фирму Deutz и основали в Штутгарте свою собственную компанию. В 1883 г. уже от имени своей компании они представили на рынок относительно компактный двигатель весом всего около 80 кг (в те времена вес ДВС достигал 300 кг) мощностью 0,5 л.с.
Конечно, этот мотор мог использоваться только для очень лёгких повозок и мотоциклов. Тем не менее, усовершенствованный двигатель был размещён в корпусе и позиционировался, как автомобильный.
В это же время, в 1886 г. Бенц из Мангейма на базе своей компании «Бенц и К0» наладил выпуск своих трёхколёсных экипажей. В 1890 г. было продано более 1900 лицензий на производство двигателей конструкции Даймлера. Знаменитый в музыкальном мире Вильям Стенвей, выпускавший одни из лучших роялей, и тот по лицензии удовлетворял американские потребности в двигателях.
В 1883 г. компания «Бенс и К0» начала выпускать автомобили «Виктория» с одноцилиндровым двигателем мощностью 3 л.с., в последствии мощность этого двигателя была за счёт улучшения системы охлаждения увеличена до 5 л.с.


Рис. 3.131. Автомобиль Даймлера
«Виктория» стал первым автомобилем, выпускаемым в Германии серийно. С 1886 г. в Германии начали выпускать четырёхколёсный автомобиль Даймлера (рис. 3.131).
В общей сложности к 1895 г. во Франции находилось в эксплуатации 350 авто, в Германии - 255 автомобилей. Так начиналась автомобильная экспансия. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания начали стремительно вытеснять как реальные лошадиные силы, так и паровики.
Помимо личного транспорта в Европе конца XIX в. стало модным идти в ногу с прогрессом, т.е. летать на самолётах и дирижаблях и с ветерком (буквально до 20 км/час) проносится на четырехколесных транспортных средствах, снабжённых не натурализованными лошадиными силами, а двигателями внутреннего сгорания.
Зажиточные жители европейских столиц, а затем и городов Северной Америки могли позволить себе прокатиться на таксомоторе, который в сочетании с распространившимся уже телефоном существенно повысил мобильность населения.


Рис. 3.132. Первый таксомотор
Следом за таксомотором (рис. 3.132), который мог перевозить всего не более двух пассажиров, появились более вместительные экипажи (рис. 3.133).
Это произошло после запуска в производство, прежде всего, в Германии и Франции, четырёхтактных бензиновых двигателей мощностью более 5 л.с.
Первые автобусы (омнибусы) были удивительно похожими на каретные экипажи.


Место откуда торчало дышло, у автобусов было занято фарой, а всё остальное, включая место возничего - шофёра, было мало отличимым.
Но это на первых порах, пока выпуск автомобильных комплектующих, прежде всего, двигателей не приняли промышленных масштабов. С начала XX в. началась эволюция, которая продолжается до настоящего времени. Конца ей пока не видать.
Динамику эволюционного автомобильного процесса рассмотрим на примере известной всем фирмы Мерседес, выпускающей в настоящее время одни из престижнейших авто.
Каждый уважающий себя президент, не говоря уже об олигархах и банкирах, почитают зачесть перемещать свои тела на машинах именно этой марки. И это не просто так, не дань моде. Это предпочтение более чем столетнему опыту и немецкой аккуратности, отягощённой самыми современными разработками во всех смежных с автомобилестроением областях человеческих знаний.
История этой автомобильной марки, как уже нами кратко обсуждалось, началась в середине позапрошлого века, когда Готлиб Даймлер разошёлся в стратегии развития двигателей с хозяином фирмы «Deutz» и сосредоточился на совершенствовании ДВС, питаемых не светильным газом, а жидкими сортами углеводородного топлива.
Даймлер сделал ставку на бензиновые двигатели внутреннего сгорания и в конечном счёте выиграл, по крупному. Правда технология производства бензина в последней трети XIX в. была несовершенной и затратной, но Г отлиб был оптимистом и сеть забрасывал широко.
Желание создать совершенный бензиновый двигатель привело на целый год Даймлера в Россию, где он досконально изучал возможности добычи нефти и её переработки в подходящее для ДВС жидкое топливо.
Следует напомнить, что первое жидкое топливо получалось из угля, однако процесс был сложным и ещё более дорогим, чем получение при пиролизе светильного газа. Именно после возвращения из России Даймлер пригласил в фирму «Deutz» Вильгельма Майбаха, а затем эти два талантливейших и способных работать до самозабвения после организации собственного дела приступили к производству авто.
Первые экземпляры автомобилей были как и у всех в то время похожи на ло- шадные экипажи, но с двигателями внутреннего сгорания. Майбах внёс в работу компании свежую струю. Он в свободное от автомобильных забот время установил на лодку бензиновый двигатель. Лодка при испытаниях оказалась, по чистой случайности, на старте майнской регаты. Блюстители порядка на шлюпке решили разобраться с нарушителем спортивного порядка, однако их ждало разочарование. Майбах на своей моторной лодке легко избежал встречи с блюстителями порядка. Это была не запланированная, но весьма эффектная реклама сконструированного Майбахом и Даймлером мотора.


Рис. 3.134. «Блитцен Бенц», 1909 г.
К 1909 г. фирмами «Даймлер-Моторен- Гезелльшафт» и «Бенц», которые развивались параллельно, не мешая друг другу, по крупному на рынке продаж автомобилей, было выпущено много оригинальных конструкций автомобилей. Обе компании вполне благополучно развивались самостоятельно, из всех выпущенных моделей, самым известным стал спортивный болид «Блитцен Бенц», рекордсмен по мощности используемого двигателя внутреннего сгорания (рис. 3.134).
При фантастическом в те времена объёме 21594 см3 двигатель развивал мощность 200 л.с. С момента начала в 1886 г. производства автомобилей фирма «Даймлер-Моторен-Гезелльшафт» до объединения в 1926 г с фирмой «Бенц» выпустила 47555 автомобилей, включая автобусы, таксомоторы и грузовики.
Начиная с 1901 г. поссовету главы представительства фирмы «Даймлер» во Франции автомобили начали называться именем дочери консула «Мерседес».
Первый «Мерседес - 35 PS» (рис.3.135) имел четырехцилиндровый двигатель объёмом 5913 см3. Эта модель с модной в те времена внешностью претерпела несколько модернизаций, в частности «Мерседев Симплекс» (рис. 3.136), объём двигателя которого увеличился до 6785 см3. Затем было освоено производство модели «Мерседес - 65 PS» с двигателем объёмом цилиндров 9235 см, он мог двигаться по шоссе со скоростью 90 км/чвс


Рис. 3.136. «Мерседес-Симплекс», 1904 г.


Рис. 3.135. Мерседес 35 HP, 1902 г.
В 1923 г. на должность главного женера фирмы пришёл Фердинанд Порше. К этому времени конструкторской работой занялся сын Юлиуса Даймлера,


Рис. 3.137. «Мерседес-24/100/140», 1924 г.
Пауль Даймлер. Порше и младший Даймлер начали успешные эксперименты с компрессорами для наддува воздуха, что позволило в полтора раза увеличить мощности двигателей. В 1924 г. в продажу поступили новаторские автомобили «Мерседес-24/100/140PS» (рис. 3.137) с шестицилиндровыми двигателями объёмом 6240 см3, которые развивали мощность до 140 л.с. К 1926 г. фирма «Дайм- лер-Моторен-Гезелльшафт» произвела в странах Европы 147961 автомобиль.
Максимальное количество авто 24690 штук было выпущено в 1918 г.


Рис. 3.138. «Мерседес-Бенц 630», 1928 г.
После слияния компаний Фердинанд Порше усовершенствовал модели «Мер- седес-24/100/140PS», которые стали продаваться под маркой «Мерседес-Бенц 630» (рис. 3.138). Мало того, что на таком Мерседесе рассекал Адольф Гитлер и другие высокопоставленные чиновники III Рейха, так эта модель ещё и открыла серию автомобилей класса S, потомки которой, кстати, продолжают выпускаться до настоящего времени.
В рамках серии S в 1928 г. была выпущена самая внушительная модель фирмы на то время, «Мерседес-Бенц 770»
(рис. 3.139) с объёмом восьмицилиндрового двигателя 7655 см3, который развивал мощность в 200 л.с. Такие шикарные Мерседесы заказывали главы государств, в частности на рис. 3.30 показан автомобиль японского императора Хирохито. Этот шедевр немецкого автопрома появился на базе более скромных моделей серии «Штутгарт 200», «Маннхайм 350» и «Нюрбург 460».
Фирма с 1933 г. начала параллельно с серийными моделями выполнять заказы на эксклюзивные образцы. На базе «Мерседес-Бенц 380» стали выпускать под заказ двухместные красавцы спортивного стиля «Мерседес-Бенц 540 К» (рис. 3.140)с восьмицилиндровыми двигателями различных внушительных объёмов.


Рис. 3.140. «Мерседес-Бенц 540 К», 1934 г.


Рис. 3.139. «Мерседес-Бенц 770», 1928 г.
С 1934 г. по 1939 г было построено всего 342 автомобиля. Это была ручная сборка, лужёный кузов 2 мм толщины, кожаный салон, одним словом - сплошной эксклюзив и роскошь.
Современное состояние Мерседеса общеизвестно. Эта один из самых передовых авто концернов. Но сейчас признанной знаменитости вовсю наступают на пятки азиатские тигры, особенно японские, которые берут автолюбителя если не шиком, то разумной экономичностью, привлекательными ценами и надёжностью, не уступающей немецкой.

4 % і

-» 1 • і Г

х,,

ІГ

[ГГТ!^ с ii

V •••
* мм
С ¦


Рис. 3.141. Знаменитая «Эмка», Газ -ММ
Отечественное автостроение во все времена большими успехами не отмечалось. Тому было несколько причин. Основная, из которых заключается в том, что сразу после революции и гражданской войны для индустриализации страны и вооружения армии требовалось скорейшее развитие тяжёлого машиностроения.


Не успела страна залечить раны революции и гражданской войны, как накатила Великая отечественная война со всеми своими требованиями к промышленности. Требовалось много простых и надёжных автомобилей.
И они были разработаны и выпускались в больших количествах. До войны на отечественных дорогах появился легковой автомобиль Газ - ММ (рис. 141), который вполне мог конкурировать с иностранными аналогами.
После войны выпускался вполне достойный автомобиль представительского Рис. 3.142. Зис -110              класса              Зис              -              110.
  1. Двигатель Рудольфа Дизеля


Рис. 3.143. Рудольф Дизель
Не многие учёные и инженеры добиваются своей деятельностью того, чтобы их фамилия писалась с маленькой буквы.
Это происходит тогда, когда плоды их творчества, связанные с именем автора получают такое распространение, что люди постепенно забывают, что название предмета связано с конкретной фамилией.
Многие современные люди, произнося распространённое слово «дизель» никак не связывают этот тип двигателя внутреннего сгорания с конкретным человеком. Действительно, дизель - это двигатель внутреннего сгорания, а его автор Рудольф Дизель (1858 - 1913 гг.) - знаменитый немецкий конструктор, увековечивший свою фамилию изобретенным им совершенно оригинальной конструкцией силового агрегата, получившего распространение не меньшее, чем обычные, карбюраторные двигатели внутреннего сгорания.
Рудольф Дизель получил добротное техническое образование, в начале в реальном училище, где был самым лучшим, а затем высшей политехнической школе г. Мюнхена. Талант Рудольфа и его феноменальная работоспособность были замечены профессором от термодинамики Карлом фон Линде, который занимался теорией тепловых двигателей и изобрёл на основании своих разработок «холодильник Линде». Профессор пригласил Дизеля на работу в должности директора парижского филиала своей фирмы, которая занималась, помимо прочего, усовершенствованием только что появившихся двигателей Николауса Авгута Отто.
Дизелю было поручено заниматься абсорбционными двигателями, работающие на аммиаке. В свободное от основных занятий время, Дизель изобретал микро моторчики для швейных машин и гигантские силовые агрегаты, использующие солнечную энергию. Но мечтой юного Дизеля было создать такой двигатель, который бы переплюнул по КПД и удельной мощности лучшие образцы паровиков.


Рис. 3.144. Рудольф Дизель за работой
Рудольф Дизель к своей цели пошёл не совсем типичным для того времени путём (рис. 3.144). Большинство конструкторов поступало старым проверенным способом.
Строили опытный образец и методом многочисленных модернизаций доводили его до относительного совершенства. Рудольф же за советами обратился к трактату «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» незабвенного Сади Карно.
По учению Карно двигатель с максимально возможным КПД можно получить, увеличивая температуру рабочего тела быстрым сжатием. Когда же топливо вспыхнет, то желательно температуру продуктов сгорания некоторое время оставлять неизменной. Такое возможно только при одновременном сгорании топлива и расширении нагреваемых продуктов горения.


Рис. 3.145. Патент на двигатель
В 1890 г. Дизель переехал в Берлин, где его осенило, как можно исполнить в современных двигателях завещание великого Карно: «Нужно вместо аммиака взять сжатый горячий воздух, впрыснуть в него распыленное топливо одновременно со сгоранием расширить его так, чтобы возможно больше тепла использовать для полезной работы».
Вот как полезно читать классиков, имея за плечами приличное инженерное образование. Оформив свои мысли в виде соответствующих слов, в 1892 г. Дизель получает патент на новый тип двигателя внутреннего сгорания и публикует его описание (рис. 3.145).
Рудольф понимал будущую значимость своего изобретения: «Моя идея, настолько опережает все, что создано в данной области до сих пор, что можно смело сказать - я первый в этом новом и наиважнейшем разделе техники на нашем маленьком земном шарике! Я иду впереди лучших умов человечества по обе стороны океана!».
Конструкция двигателя Рудольфа Дизеля, подкреплённая им же разработанной теорией вызвала у специалистов живой интерес. Как водится, все, ознакомившиеся с опусами Дизеля, разделились на два непримиримых лагеря.
Одни в идею верили, а другие, не менее авторитетные, считали её теоретически красивой, но, несбыточной мечтой. Для примирения нужен был работающий образец двигателя.
В течение 1893 г в г. Аугсбург под патронажем самого Дизеля были построены четыре варианта двигателей, из которых только последние два оказались работоспособными. Первый двигатель должен был использовать в качестве топлива мелкодисперсные частицы каменного угля, второй - светильный газ, а третий и четвёртый - жидкое топливо.
В феврале 1895 г. наконец появляется вполне работоспособный образец двигателя, в конструкции которого было водяное охлаждение и жидкое топливо впрыскивалось сжатым воздухом.
Интересно, что водяное охлаждение, вынужденно использованное в конструкции, было Дизелем очень изящно теоретически оправдано в докладе на съезде Союза германских инженеров: «Обращаю внимание на то, что эта машина работала без водяной рубашки и что, таким образом, была доказана возможность работать без водяного охлаждения, предусмотренная теоретически.
По практическим соображениям при дальнейших выполнениях машины была применена водяная охлаждающая рубашка, которая главным образом дает возможность получать при тех же размерах цилиндра большую работу.
На основании большого опыта, приобретенного на испытаниях, для меня стало совершенно ясно, что точка зрения, будто водяная рубашка при двигателях внутреннего сгорания является главным препятствием для достижения более высокой отдачи, - неправильна».
Официальные испытания аппарата (рис.


3.146) прошли в 1897 г. под руководством профессора М. Шретера. Двигатель конструкции инженера Р. Дизеля при расходе керосина 0,24 кг/л.с. достиг эффективного КПД п ~
0,26. В те времена такого КПД не имел ни один из эксплуатирующихся двигателей. Работа мотора Р. Дизеля проходила тоже за традиционные четыре такта.
  1. Такт впуска. При движении поршня в цилиндре образуется разряжение и через воздушный фильтр в его полость поступает атмосферный воздух. При этом впускной клапан открыт.
  2. Такт сжатия. Поршень движется, сжимая поступивший воздух. Для надежного воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Впускной и выпускной клапаны при этом закрыты.
  3. Такт расширения (или рабочий ход). Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, начинается процесс сгорания с быстрым повышением температуры и давления. В этот момент оба клапана закрыты. Под действием давления газов поршень перемещается, тем самым совершая полезную работу.
  4. Такт выпуска. Поршень перемещается вверх, выталкивая в выпускной коллектор отработанные газы, температура которых снижается.

После завершения последнего такта рабочий цикл повторяется заново, в той же самой последовательности.
Следует отметить, что работа реального дизеля не соответствовала схеме, заявленной в патенте. Дизель заявлял постоянство температуры, так хотелось, а протекал процесс при постоянном давлении.
Тем не менее, первый практический дизель был создан в Аугсбурге в 1897 г. Одноцилиндровый агрегат с диаметром поршня 250 мм делал 172 об/мин и развивал мощность около 20 л.с., расходуя 0,258 кг сырой нефти на 1 л.с в час. КПД двигателя составил п ~ 0,26, что было практически в два раза больше, чем у лучших образцов паровых машин.
В 1989 г. Рудольф Дизель продемонстрировал возможности своего детища на технической выставке в Мюнхене, после чего за лицензиями на производство двигателей новой конструкции предприимчивые промышленники стали в очередь.
А далее случился скандал, потому, что построенные на разных заводах дизели не работали. В Германии репутация Дизеля стремительно сходила на нет. А дело оказалось в том, что все кто брался за изготовление дизельных двигателей, не располагали соответствующим станочным парком.
Детали новых моторов необходимо было изготавливать с большей точностью, чем аналогичные комплектующие паровиков. Кроме того особые требования предъявлялись к материалам, они должны были быть термостойкими.
Вместе с тем, за пределами Германии, были люди, готовые преодолеть технические и технологические трудности производства. Так, например, небезызвестный Нобель, ознакомившись с проектом Дизеля, переориентировал свой петербургский машиностроительный завод на производство двигателей нового типа.
При непосредственном участии Альфреда Нобеля двигатель, принятый к производству был модернизирован системой внутреннего смесеобразования и в 1900 г. начал выпускаться. За год было построено 7 дизелей мощностью 30 и 40 л. с. Двигатели работали исправно.
Нобель наращивал производство. К 1912 г. на заводе работало более 1000 рабочих, которые вместе с инженерно-техническим персоналом выпускали 300 силовых агрегатов в год. Двигатели «Русского дизеля» исправно крутили динамомашины нескольких петербургских электростанций, приводили в движение насосы водозаборных станций и освещали Невский проспект.
В 1912 г. в американском Сент-Луисе случилась научно-практическая конференция, куда был приглашён и Рудольф Дизель с докладом. В частности Дизель развил такую мысль: «Изобретение. никогда не было лишь продуктом творческого воображения: оно представляет собой результат борьбы между отвлеченной мыслью и материальным миром... Изобретателем история техники считает не того, кто с той или иной степенью определенности высказывал раньше подобные же мысли и идеи, а того, кто осуществил свою идею, мелькнувшую, может быть, в уме множества других людей...».
А сказал Дизель это совсем не для красного словца. Если бы вариант двигателя с питанием каменноугольной пылью пошёл бы в серию, то этой сентенции бы не потребовалось. Шла полномасштабная энергетическая война, вернее её очередной всплеск. Воевали угольщики и нефтяники, воевали жестоко и неистово.
Вот между этими жерновами и попал Дизель со своим изобретением. В Германии, несмотря на очевидные преимущества нового типа двигателя, его и конструктора организованно травили. Профессор Людерс, нанятый угольщиками, разразился целым фолиантом на 236 стр. в котором «тепловой двигатель высокого сжатия» был представлен, как образец несовершенства, а сам Дизель был обвинён в научной, инженерной и технической безграмотности.
Промышленный шпионаж был развит и вначале XX в. Заказчики снабдили Людерса данными о всех неудачах, произошедших во время испытаний нового двигателя. Естественно, что мелкие конструкторские недоработки были возведены в книге в ранг принципиальных ошибок. Книга была написана в лучших традициях хулительно - разгромного чтива. Выход пасквиля Людерса ожидался в октябре 1913 г., а в ночь с 29 по 30 сентября Рудольф Дизель трагически погибает.
Некоторые биографы Дизеля считают, что это было самоубийство. Рудольф Дизель, по их мнению, предвидя новые войны за своё изобретение и пошатнувшиеся экономические дела, решил свести счёты с жизнью, прыгнув с высокого борта парома «Дрезден», который вёз пассажиров через пролив Ламанш из Антверпена в Харвич. Хотя этой версии гибели Дизеля придерживаются далеко не все исследователи биографии великого изобретателя.
Вполне обоснованной является версия о расправе над конструктором немецкой разведкой, которой стало известно, что Дизель собрался передать документы на новые образцы двигателей Англичанам. А Европа, как известно, стояла на пороге Первой мировой войны.
Через два дня устье Шельды флиссингенские рыбаки нашли труп хорошо одетого человека. Они подобрали плавающее в воде тело и направились к берегу. Внезапно поднялись ветровые волны. Рыбаки были недалёкими и суеверными людьми, хоть и жили не в Полинезии, в просвещенной Европе. Не раздумывая, они вернули тело волнам, и никто и никогда уже тело Рудольфа дизеля не видел.
Двигатели Рудольфа дизеля получали всё большее распространение по мере совершенствования станочного парка и внедрения новых термостойких материалов. С позиций КПД дизели, по сравнению с карбюраторными, имеют ряд преимуществ. Низкооборотные двигатели большого объёма могут иметь КПД до п « 0,5. Высокооборотные малогабаритные дизели нашли применение в автомобилях. Лидером в выпуске дизельных автомобилей стал концерн «Мерседес-Бенц», который освоил в 30 годах XX в. выпуск автомобилей всех классов (рис. 3.147).


Рис. 3.147. Дизельные автомобили марки «Мерседес -Бенц»
Весьма эффективными оказались дизели и на флоте, особенно на военном и ещё более особенно, на подводном флоте. Попыток создания подводных лодок, как эффективного наступательного и патрульного средства за историю флота было предпринято довольно много, однако лодки стали в первом приближении такими, как хотели моряки и военно-морские стратеги только с появлением на субмаринах дизельных двигателей.
Подводный ход лодок обеспечивался электрическими моторами, питаемыми от аккумуляторов. Такая схема движения могла работать ограниченное время, систематически требовалась подзарядка аккумуляторов. Нужна была силовая установка, которая бы крутила электрогенераторы. Как нельзя лучше для этих целей подошли дизели (рис.3.148).


Рис. 3.148. Лучшая в своём классе отечественная дизельная подводная лодка и её моторный отсек
Лодки прибавили в автономности, особенно при использовании, изобретенного пред последней мировой войной шноркеля (дыхательной трубы для подачи к дизелю воздуха из атмосферы). Подводные лодки могли, как правило ночами, под- свплывать на шноркельную глубину, запускать дизели, подзаряжать на ходу аккумуляторы, а с рассветом снова нырять в пучину и перемещаться глубоко под водой эклектическим ходом.
Современные дизельные подлодки создают гораздо меньше шума, чем атомные. Отечественная подводная лодка класса «Лада» оснащена воздушно - независимым двигателем. Специальные топливные элементы вырабатывают кислород для питания дизелей. Автономность таких лодок возрасла до 45 суток. В подводном положении, без всплытия лодка может проходить расстояние до 500 морских миль.
Вообще с определённого момента времени дизельные двигатели, как самые надёжные и достаточно эффективные стали неотъемлемым атрибутом армий и флотов всего мира. В сухопутных войсках у дизельных двигателей, особые заслуги, если можно так сказать о железе, в бронетанковых войсках.
Первыми в мировой практике дизельный двигатель БД-2 мощностью 400 л.с. был поставлен на Советский серийный средний танк Т-34, который по итогам XX в. специалистами разных стран был признан лучшим за историю Второй мировой войны. Появление дизеля на танке, кстати, многими специалистами было встречено без особого восторга.
Дизель не обеспечивал танку по шоссе скорости в 90 км/час, но со скоростью 40 км/час стальная машина могла двигаться, практически по любой пересечённой местности. и это стало её несомненным достоинством.
Кроме того, перед войной при запуске бензиновых танков должен был обязательно присутствовать пожарный наряд. Вспыхивали они часто, питались-то авиационными сортами бензина, да и двигатели стояли на танках почти авиационные.
А дизельный танк стал более неуязвим, непосредственное вспыхивание топлива свелось к минимуму. Танк Т-34 (рис. 3.149) стал самым знаменитым военным механизмом, практически во всех городах и посёлках эти танки ставили в качестве памятников.


Рис.3.149. Танки с дизельными двигателями, легендарный Т-34 и современный танк Т-90
В ноябре 2009 г. на военном параде участвовала целая колонна танков Т-34, некоторые из которых ещё участвовали в боях Великой Отечественной войны. Вот такую уникальную технику умели делать наши отцы и деды.
Когда у Уинстона Черчилля после войны спросили, какие виды оружия он считает самыми совершенными, он ответил: «Три. Английская пушка. Немецкий самолет «Мессершмитт». Русский танк Т-34. Однако, если в первых двух случаях мне понятно, как это было сделано, то я совершенно не понимаю, как появился такой танк...». Это признание многого стоит.

Рассказ об этом удивительном во всех отношениях силовом агрегате уместно начать с описания промежуточного финала. В семидесятых годах прошлого столетия на автомобильные ранки Европы начала поступать малогабаритная модель легкового автомобиля Мазда RX-2, оборудованная не совсем обычным двигателем внутреннего сгорания.
Немецкие журналисты, тестировавшие новое японское детище были поражены до крайности, и это, заметьте в до нельзя амомобилизированной германии с вековыми традициями.
Неказистая, по понятиям любителей мерседесов и майбахов, машинка продемонстрировала темперамент гоночного болида. При оборотах приводного вала 5500 об/мин машинка легко разогналась по автобану до скорости 195 км/час. Подобная прыть у обычной малолитражки сама по себе удивительна даже для не специалистов.


Рис. 3.150. Феликс Ванкель и его роторное чудо фирмы «Мазда»
А ещё странным было наблюдать такие гоночные качества и серийного экземпляра взятого наугад из фирменного автосалона. Всё дело оказалось в том, что под капотом у этого японского чуда был спрятан роторный двигатель, о котором так много спорили специалисты ведущих производителей автомобильных и иных двигателнй, склоняясь к невозможности реализации силового агрегата такой необычной кострукции(рис. 3.150).
Феликс Ванкель в 1929 г. получил патент на двигатель внутреннего сгорания без кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала. Как это часто бывает, патент не вызвал особого ажиотажа, хотя лицензию на производство роторных двигателей купили многие фирмы, более 20.
Одни для проверки работоспособности идеи в масштабах массового производства, другие, про запас, так сказать, на чёрные дни. До 1959 г. страстей по «ванке- лю» практически не было, а если и были то на уровне коммерческих тайн. Специалисты фирмы НСУ заинтересовались роторным двигателем, но с практически обоснованной осторожностью. Требовалось установить его себестоимость, технологичность при массовом производстве, эксплуатационные характеристики.
Самым первым автомобилем с роторным двигателем стал германский NSU Wankel Spider, который в ограниченных масштабах выпускали с 1964 по 1967 год.
Интенсивные работы начали такие известные концерны как, Citroen, Daimler- Benz и Alfa-Romeo и конечно японские автогиганты.
Однако в серию моторы не пошли. Машины с роторными двигателями летали, как самолёты, но и топлива «кушали» тоже, как самолёты. Это обстоятельство не остановило только специалистов «Мазды», которые посчитали, что впечатлительный КПД и способность быстро разгонять машины перевешивают недостатки.

В 1963 г. на мотошоу в Токио роторный двигатель L8A, объёмом 798 см3 дебютировал на автомобиле «Mazda Cosmo» (рис. 3.151), двигатель развивал максимальную мощность 110 л.с.


Рис. 3.151. Рроторная «Мазда Cosmo»
Чтобы доказать, что новые двигатели не уступают традиционным ДВС, в 1968 г. «Mazda» изготовила автомобиль «Cosmo» для 84 часовой непрерывной гонки Marathon de la Route, в которой участвовали все ведущие авто- моюильные фирмы Европы и Северной Америки.
Выдержать всю гонку, уже было достижение, а «Маzda» не только не сошла с дистанции, но и умудрилась долететь до финиша четвёртой. На гоночном варианте «Cosmo» стоял двигатель Ванкеля объёмом 982 см3, N = 130 л.с.
В 1991 г. автомобиль фирмы «Mazda» в 24 часовых гонках Ле-Мана занял первое место с двигателем мощностью 700 л.с. и объёмом 2,6 литра.


К настоящему времени «Mazda» сменила восемь поколений «роторов». На известной современной модели RX-8 (рис. 3.151) стоит 1,3 литровый роторный двигатель Renesis мощностью 250 л.с.
В 2004 и 2005 гг. этот мотор был признан лучшим автомобильным двигателем. На сегодняшний день Mazda является единственной корпорацией, массово выпускаю- Рис. 3.151. «Mazda РХ-8» с роторным двигателем ЩЄЙ автомобили С роторными двигателями, в год продаётся более 200 тыс. таких машин. Успех японских специалистов вызван те только их удивительным динамично развивающимся научно-техническим уровнем, но и самим принципом действия роторных двигателей внутреннего сгорания.
В этом двигателе более чем на 40% меньше деталей, чем в обычном ДВС, и эти моторы на 20 % легче. Кроме того, двигатель великолепно уравновешен, в выхлопных газах содержится меньше окислов азота, а окись углерода и остатки продуктов сгорания легко нейтрализуются несложными устройствами. Современные японские роторные двигатели потребляют до 15 литров бензина на 100 км. Японские производители дают полную гарантию на пробег 100 тыс. км.
Главной особенностью роторного двигателя является использование поршня (ротора) особой формы (рис. 3.152), имеющего в профиль вид, так называемого, треугольника Рело, вписанного в построенные особым образом отрезки окружностей. Классика, друзья, классика - сплошная евклиловщина!
Поверхность цилиндра имеет тоже сложную эпитрохоидальную форму. Вот именно поэтому с 1929 г. идея Ванкеля так и не была реализована по серийной схеме, только в лаборатории.
Как известно, в обычном четырёхтактном поршневом ДВС один и тот же цилиндр используется для различных процессов: для впуска смеси, её сжатия, сгорания и выпуска.


Роторный двигатель позволяет осуществлять все эти процессы в разных частях статора (понятие цилиндра здесь во многом условное), т.е. в отдельной ограниченной ротором камере одного и того же статора.
Надо сказать, что идея непосредственного преобразования избыточного давления газа или пара во вращательное движение приводного вала занимала учёных, инженеров и техников давно, со времён появления первых паровиков.
Все понимали, что кривошипно-шатунный механизм усложняет конструкцию, ворует КПД и создаёт эксплуатационные сложности.
Понимали, но мирились. Под рукой ничего лучшего не было, это было до Феликса Генриха Ванкеля (1902 - 1988 гг.), который совместил треугольник Рело с эпитрохоидой. Ещё раз подчеркнём гораздую полезность классического чтива для придумывания современных конструкций.
Совмещение треугольника Рело с эпитрохоидой позволило Ванкелю избежать возвратно-поступательного движения поршней. Давление, возникающее в различных частях статора и выпуклого треугольного ротора, приводит к появлению осевого вращательного момента. Таким образом, сгорание топливновоздушной смеси приводит к вращению ротора, обеспечивая относительно беспрецедентную эффективность преобразования внутренней энергии углеводородного топлива.
Однако Сади Карно и в этом случае остаётся неумолимым. Как видно из нижнего фрагмента рис. 3.152 внутри ротора находится малая шестерёнка с внешними зубьями, которая жёстко соединена со статором. Шестерёнка с внутренними зубьями сопряжена с малой шестерёнкой, что задаёт траекторию вращения ротора. Ротор и приводной вал имеют некоторый эксцентриситет (оси вращения не совпадают), в течение одного оборота ротора приводной вал делает три оборота. Каждая из вершин трёхгранного ротора, двигаясь по эпитрохоидальной поверхности статора, отсекает переменные объёмы трёх камер, снабжённых клапанами.
Цикл двигателя Ванкеля (рис. 3.153) состоит тоже из четырёх тактов: такта впуска 1 (голубой сектор); такта сжатия 2 (зелёный сектор); такта рабочего хода 3 (красный сектор); такта выпуска продуктов сгорания (жёлтый цвет).
Приведенная схема позволяет, в принципе, реализовать любой четырёхтактный цикл, как Отто, так и Дизеля без использования специальных механизмов газораспределения.


Рис. 3.153. Схема работы роторного двигателя


Роторный двигатель позволяет на низких передачах без излишней нагрузки на двигатель разгоняться до 100 км/час при оборотах приводного вала до 8000 об/мин. Роторные двигатели обладают высокими значениями удельной мощности вследствие малой массы основных частей двигателя.
Нет коленвала и шатунов, да и поршень - один. Однороторный двигатель превращает тепло в механическую работу в течение трёх четвертей каждого оборота приводного вала. Одноцилиндровый поршневой двигатель генерирует мощность только одну четверть периода.
Вместе с тем роторный двигатель не лишён принципиальных недостатков, это, прежде всего относится к температурному режиму камеры сгорания, которая имеет линзовидную конфигурацию, характеризующуюся при малом объёме относительно большой площадью поверхности.
При сгорании топлива основные потери обусловлены излучением, интенсивность которого пропорциональна по закону Стефана температуре в четвёртой степени. Сферические поверхности излучением нагреваются более других, что для двигателя чревато перегревами.
Но самая основная сложность при серийном производстве роторных двигателей заключается в обеспечении высокой точности и технологичности. Многие фирмы хотели бы выпускать роторные двигатели, но станочные и технологические трудности отпугивают их от реализации своих намерений, причём не по-детски.
С двигателем Ванкеля приключились те же протуберанцы, что и с двигателем Дизеля, который поначалу тоже мало кто мог изготавливать ввиду необходимости обеспечения высокой степени точности изготовления топливной аппаратуры.
Потом научились. Кроме легендарного ВАЗа все фирмы делают вполне приличные дизельные агрегаты. Так что, судя по урокам истории, у роторного двигателя всё ещё впереди. Идея-то уж больно хороша!

Прежде чем приступить к рассмотрению этого типа двигателей, уместно напомнить, что их появление обнаруживается в Древнем Китае, естественно без какого либо теоретического обоснования.


Рис. 3.154. Стартует «Протон»
Любили в Древнем Китае фейерверки, вот и придумали наполнять бамбуковые, закрытые с одного конца, трубочки селитрой, древесным углем и веществами, дающими цвет.
Как минимум, до начала современного летоисчисления, по мнению официальной истории, китайцы любовались красочными полётами ракет.
Современные ракетные двигатели (рис.


Рис. 3.155. Вернер фон Браун
3.154) представляют собой квинтэссенцию вех научных, технологических и технических достижений человечества, потому как, основным их назначением изначально было исключительно военное (рис. 3.155), правда, калужский мечтатель Константин Эдуардович Циолковский, впервые предложивший схемы космических полётов, похоже, о военных приложениях не задумывался. Из романтиков от науки он был.
А вот Вернер фон Браун и Сергей Петрович Королёв (рис. 3.56) были вынуждены создавать средства доставки боевых зарядов на территорию противника.


Рис. 3.156. С.П. Королёв
Непременно надо отметить, что современная стабильность в мире и автономность нашей Родины, несмотря на её полнейшую экономическую никчемность, возможны только потому, что стоят у нас в шахтах, на подводных лодках и несут боевое мобильное дежурство, пока самые надёжные, баллистические ракеты.
Космические объекты различного назначения, гражданского в том числе, выводятся на околоземные орбиты посредствам ракет-носителей. Теоретически задача о движении ракеты может быть представлена
физической моделью материальной точки с переменной массы.

Такую задачу впервые решил в 1897 г. отечественный учёный Иван Всеволодович Мещерский (1859-1935 гг.). Им была впервые решена задача движения точки переменной массы в поле тяжести Земли.


Рис. 3.157. Схема жидкостного ракетного двигателя (ЖРД)
Жидкостные ракетные двигатели
(ЖРД) в качестве горючего используют керосин, спирт, гидразин, жидкий водород и т.п. горючие вещества более сложного химического состава.
Окислителем, как правило, служит жидкий кислород, азотная кислота, перекись водорода.
Горючее и окислитель помещаются в различных ёмкостях (рис. 3.157). Смесь горючего и окислителя называется ракетным топливом.
Всё кажется просто, создаётся впечатление, что ракетный двигатель проще всех ранее рассмотренных. Так то оно так, схема действительно проста аки амёба: два бака с жидкостями, два насоса, два клапана, да сопло похожее на лава- левское. Простота.


Рис. 3.158. Самый мощный в мире ракетный двигатель РД -170
Это очень обманчивое представление. Из всех типов тепловых двигателей, ракетные были реализованы самыми последними, хотя их идея была известна, ох как давно. Дело в том, что элементы этой простой схемы и технология их взаимодействия в экстремальных условиях являются вершиной всех научно-технических достижений человечества.
Горючее и окислитель раздельными насосами через клапаны распыливаются в головной части камеры сгорания форсунками, в хвостовой части камеры имеется особой формы раструб заканчивающийся соплом.
В реальных современных конструкциях ракетные двигатели используются в виде пакетов, состоящих из нескольких камер сгорания и сопел. Советские ракетные двигатели, например, РД - 170 имеют в пакете по четыре камеры сгорания (рис. 3.158).
В камерах сгорания двигателей температура поднимается до 5000 0К, это накладывает особые требования к материалам.
Камеры сгорания во время работы охлаждаются холодным топливом, температуру стенок удаётся понизить до
10000К.
Наиболее предпочтительными горючими являются химические элементы занимающие первые десять клеток в периодической таблице Д.И. Менделеева, кроме инертных газов, разумеется.
Эти химические элементы имеют минимальную молярную массу. Оптимальные сочетания горючего и окислителя могут образовывать ракетное топливо, позволяющее при его сгорании получить скорости истечения до vr * 5 км/с.
В первых (нижних) ступенях ракет-носителей используются углеводородное горючее, как правило, производные керосинов, а в качестве окислителя - жидкий кислород.
Такие относительно доступные компоненты позволяют получить скорость истечения vr * 3 км/с. Согласно теории, самые эффективное горючее с малой молярной массой и при создании в камере сгорания давления порядка сотен атмосфер могут обеспечивать скорость истечения более 4,5 км/с.
Рекорд принадлежит Советскому ракетному двигателю РД - 119, работавшему на несимметричном диметилгидразине и жидком кислороде. В этом двигателе была достигнута скорость истечения vr * 3,45 км/с.
Ракетные двигатели на жидком водороде и фторе позволили отечественным разработчикам создавать устройства со скоростями истечения до 4,7 км/с. Однако жидкий фтор является чрезвычайно агрессивной жидкостью, для которой нужно создавать особые условия хранения и транспортировки. Использование в качестве горючего жидкого водорода требует низких температур, порядка - 253 0С.


Рис. 3.159. Двигатель РД -219
В настоящее время в отечественной практике успешно применяются высококипящие топлива. На ракетном двигателе второй ступени ракет серии «Космос» РД - 219 (рис. 3.159) азотнокислотно- диметилгидразиновом топливе удалось получить очень высокие тяговые показатели.
<< |
Источник: Исаков Александр Яковлевич. Основы              современного естествознания. Часть 2. Классический пе риод естествознания. Лекции для студентов экономических направлений: Петро- павловск-Камчатский: КамчатГТУ,2012. - 274 с.. 2012

Еще по теме Двигатели внутреннего сгорания:

  1. 1.2 Современные представления о распространении пламени и сгорании в двигателях с искровым зажиганием
  2. 1.3 Сгорание в бензиновых двигателях
  3. 1.7.1 Возможности применения датчика ионизации для контроля и регулирования процесса сгорания ТВС в цилиндре двигателя.
  4. Смоленский Виктор Владимирович. Особенности процесса сгорания в бензиновых двигателях при добавке водорода в топливно-воздушную смесь: дис. ... канд. техн. наук: 05.04.02. - М.: РГБ, 2007, 2007
  5. Исследования процесса сгорания в поршневых двигателях с искровым зажиганием принадлежит российским ученым: А.С. Соколику [120, 121], А.Н. Воинову [49], Н.В. Иноземцеву [83], К.И. Генкину [53] и др.
  6. 4.1 Обобщение выявленных особенностей процесса сгорания при добавке водорода в ТВС и оценка влияния режимных параметров работы на процесс сгорания ТВС
  7. § 5.5. РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
  8. §6.1. ДВИГАТЕЛИ
  9. 1.3. Органы внутренних дел как средство обеспечения внутренней безопасности страны
  10. § 5.11. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
  11. § 5. Во-вторых: «внутреннее» сознание как внутреннее восприятие
  12. 1.3.1 Турбулентность потока в КС двигателя
  13. Дизельные и газовые двигатели (поршневые)