Знакомитесь - двигатель


ПН.РЫТВИНСКИИ ЗНАКОМЬТЕСЬ -ДВИГАТЕЛЬ Москва Машиностроение ББК 31.365 Р95 УДК 621.43:62-144 Рецензент д-р техн. наук проф. Г. П. Покровский Официальный dlioHCQp издания — фирма NTC, Германия Поставщик автобусов, оборудования для них, гаражного оборудования и оборудования для автомобильной промышленности в страны СНГ. Представительство в Москве — 123610 Москва, Краснопресненская наб., 12, Международная 2, подъезд 6, этаж 5, комн. 502. Тел. 253-25-02/253-13-57. Telex 413 506, fax 253 94 80 Рытвинский Г. Н. Р9Б Знакомьтесь — двигатель. — М.: Машиностроение, 1993. — с. 176: ил. ISBN 5-217-01108-4 Популярно рассмотрены основные процессы, протекающие в двигателях внутреннего сгорания. На примере элементарных процессов и циклов раскрываются основные закономерности преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Показаны конструктивные решения деталей, узлов, систем и двигателя в целом. Для широкого круга читателей, интересующихся развитием конструкций и устройством двигателей внутреннего сгорания. Она может представлять интерес для учащихся техникумов, профессионально-технических училищ, слушателей подготовительных отделений, студентов, автолюбителей. 2705040000 Т 5?-1 КБ 43-24-90    ВВК 31.365 038(01) -93 © Г. Н. Рытвинский, 1993 ISBN 5-217-01108-4
ВВЕДЕНИЕ По улицам городов и по дорогам движутся тысячи автомобилей и автобусов, на полях и фермах работают комбайны и тракторы, по стальным магистралям идут мощные тепловозы, а в небе проносятся самолеты, воды рек и океанов бороздят теплоходы - и в каждом бьется стальное сердце - двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Без него немыслимы освоение огромных пространств Севера и Дальнего Востока, осуществление грандиозных строек и освоение нефтяных месторождений, осушение болот и обводнение пустынь, смелые экспедиции в самые отдаленные уголки планеты. Миниатюрные двигатели помогают лесорубам и качают воду на садовых участках, деловито тарахтят под седлами мопедов и мотоциклов, поднимают в небо изготовленные руками детей модели самолетов. Возможно ли пере*-числить все функции ДВС. Можно сказать, что двигатель - это хлеб и металл, строительные материалы и топливо, способ активного отдыха и путешествий, спортивный азарт и деловые контакты. Для создания двигателя необходим труд сотен тысяч людей, которые проектируют и производят двигатели: добывают сырье - черные и цветные металлы, изготовляют резину, пластмассы. Миллионы людей работают за штурвалами или пультами управления машин, оснащенных ДВС. Только автомобилей ежегодно производится во всем мире почти 40 млн., а в эксплуатации находится, по меньшей мере, в 10 раз больше. Для автомобилей и тепловозов нужны дороги, самолетам - аэродромы, судам - порты и безопасные фарватеры, которые строят люди, применяя машины, оснащенные ДВС. Этой неисчислимой армии двигателей необходимо топливо - огромное количество - более миллиарда тонн в год. Добывать его с каждым годом становится все труднее и дороже. Нефтью или газом нельзя сразу заполнить топливный бак. Мощная нефтеперерабатывающая промышленность занята производством различных сортов топлива. Но и это еще не все. Двигатели глубже и серьезнее вторгаются в нашу жизнь. Автомобиль и автобус позволяют нам ежедневно ездить на работу за 15. . .20 км и более. Несмотря на бесспорные достоинства нельзя не упомянуть о влиянии двигателя на окружающую среду: для сжигания 1 кг нефтяного топлива требуется 15 кг воздуха или около 3,5 кг кислорода. А за год двигатели потребляют более 1 млрд. т топлива, т. е. 3,5 млрд. т кислорода. Это, не учитывая установки (стационарные или транспортные), которые используют уголь, всевозможные технологические процессы, в которых непременным участником является кислород. Перенаселенная, насыщенная до предела энергетическими установками Европа давно бы „задохнулась”, если бы не огромные лесные массивы Сибири и Амазонии, которые являются основными поставщиками кислорода для нашей планеты. Но, к сожалению, зеленый покров лесов постоянно уменьшается - нужны новые пашни и пастбища, новые площадки под предприятия и карьеры, города и дороги, нужна древесина. Нарушение кислородного баланса - только часть проблемы. Выбрасываемые из цилиндров и камер сгорания ДВС отработавшие газы содержат множество ядовитых веществ, их количество исчисляется сотнями и тысячами тонн. Двигатель является и источником шума. Наверное, никто не завидует людям, чьи окна выходят на шумную улицу или над чьими крышами проносятся взлетающие с аэродромов самолеты. ДВС - незаменимый (по меньшей мере в обозримом будущем) помощник, но помощник своеобразный, который требует к себе очень серьезного отношения. Современный человек, современное общество обойтись без него уже не смогут, даже если в ближайшие годы и будет найдена равноценная замена. Машины, оснащенные им, обладают рядом уникальных преимуществ: способностью автономно, на сотни и тысячи километров перемещаться со сравнительно небольшим (по отношению к перевозимому грузу) запасом топлива; сам двигатель компактен и не очень тяжел по сравнению с развиваемой им мощностью. Потребуются многие годы, даже десятилетия, чтобы те ДВС, которые сейчас эксплуатируются, заменить новыми типами энергетических агрегатов. Поэтому перед нами стоит задача сделать двигатель экономичным, надежным в эксплуатации, удобным для обслуживания и в минимальной мере отрицательно влияющим на окружающую среду. 1. ИДЕАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА „Никто не сомневается, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые машины, ныне столь распространенные, являются этому очевидным доказательством... Развивать эту силу и приспособлять ее для наших нужд - такова цель тепловых машин”. Это написано в 1824 г. выдающимся французским ученым, одним из основоположников термодинамики Никола Леонар Сади Карно (1796. . . 1832 гг.) в единственной изданной им книге. В это время существуют уже паровые машины, разрабатываются первые проекты ДВС. Но их создатели ищут ответ на вопросы, ограничена или бесконечна движущая сила теплоты, существует ли граница для всевозможных улучшений, ...не существует ли агентов, предпочтительных водяному пару, для развития движущей силы огня. Ответ может дать сравнение реальной тепловой машины с идеальной, в которой вся подводимая теплота расходуется только на совершение работы и в которой отсутствуют тепловые, механические потери. Такую идеальную машину (теоретический цикл ее работы) и создает Карно. Проследим путь его рассуждений. Представим, что мы располагаем каким-то бесконечным источником теплоты, температура которого конечна и постоянна, и идеальной поршневой машиной (рис. 1). Полость цилиндра данной машины заполняет любое тело, способное расширяться под действием теплоты. Вся подводимая теплота от источника к рабочему телу расходуется только на совершение работы без ее использования на нагревание рабочего тела. Температура рабочего тела должна отличаться от температуры источника теплоты только на бесконечно малую величину для того, чтобы мог осуществиться процесс теплопередачи, хотя и очень замедленный. Бесконечно медленное увеличение объема и перемещения поршня исключают потери, связанные с неравномерностью распределения давления в объеме цилиндра, столь характерные для быстродействующих машин.
:•---г . . Xvji I-.-: /-’I f-.v - hr.г-'-
По мере подвода теплоты при постоянной температуре Т объем Рис. 1. Цикл Карно V рабочего тела растет, а давление р уменьшается. Данные величины связа-ны зависимостью где # - универсальная газовая постоянная, равная разности молярных теплоемкостей при постоянном давлении и постоянном объеме (Ср-Сг), т. е. работа, которую может совершить 1 моль газа при постоянном давлении при нагреве на 1°С. Следовательно, расширять рабочее тело до бесконечности невыгодно потому, что и сила на штоке поршня будет уменьшаться по мере расширения, и габариты машины будут очень большими. Реальная тепловая машина должна работать циклически: после хода расширения необходимо вернуть поршень в исходное положение, затратив меньшую работу, нежели при расширении. Это возможно только после охлаждения рабочего тела до температуры Т2 холодного источника путем адиабатического расширения (т.е. расширения без теплообмена с внешней средой) и изотермического сжатия до объема V4. Условия изотермического сжатия аналогичны условиям изотермического расширения: температуры рабочего тела и холодного источника отличаются на бесконечно малую величину, а процесс отвода теплоты и перемещения поршня бесконечно медленные. Последний, завершающий этап цикла - адиабатическое сжатие до исходного состояния рабочего тела (Vu Ти Pi). Таким образом, непрерывная длительная работа тепловой машины может быть только циклическая, состоящая из последовательно чередующихся процессов подвода теплоты к рабочему телу и ее отвода к холодному источнику. Полезная работа тепловой машины, отдаваемая внешнему потребителю, представляет разность между работами расширения при подводе теплоты и сжатия при отводе теплоты. Для идеальной машины, работающей по циклу Карно, разность таких работ будет эквивалентна разности температур источника теплоты и холодного источника Г2. Это позволяет определить и коэффициент полезного действия (КПД) идеальной тепловой машины, т. е. отношение полезной работы Л к подведенной теплоте Qx: Л T = A/Q1. Поскольку полезная работа Л представляет собой разность между работой изотермического расширения, на которую израсходовано некое количество теплоты Qi, и изотермического сжатия, при котором от рабочего тела отведено количество теплоты Q2 (адиабатическое расширение и сжатие происходит без теплообмена!), можно записать Лт = (01" Qi )/(?i = 1 “ (?2 / Qi nT-l-T2/Ti. Следовательно, чем выше температура горячего источника и ниже температура холодного, тем больше КПД и полезная работа, которую может совершить тепловая машина. Можно сделать еще один важный вывод. Поскольку в идеальном цикле Карно вся подводимая теплота расходуется только на совершение работы, любые другие циклы тепловых машин и теоретические и, тем более, реальные, связанные или с изменением внутренней энергии рабочего тела (расход теплоты на повышение температуры) или с различными потерями, имеют меньший КПД, нежели в цикле Карно. Карно дает блестящий по логике ответ на вопрос о влиянии рабочего тела на эффективность тепловой машины. Представим две одинаковые идеальные тепловые машины: одна работает по прямому циклу, другая - по обратному. Обе имеют общие нагреватель и холодильник, а рабочее тело в каждой - разное. Машина, работающая по прямому циклу, вследствие разницы подведенной и отведенной теплоты совершает полезную работу, которая используется для переноса того же количества теплоты от холодильника к нагревателю в машине, работающей по обратному циклу. Если бы из-за различных свойств рабочего тела одна из машин могла совершать большую работу или, наоборот, потреблять меньшую, то получился бы вечный двигатель. Вывод однозначный - эффективность тепловой машины не зависит от природы рабочего тела. 2. РЕАЛЬНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Двигатель - это устройство, способное преобразовать какой-либо вид энергии в механическую работу. Виды энергии подразделяют на первичные, созданные природой, и вторичные, в создании которых участвует человек. Человек давно научился использовать энергию движущейся воды и ветра, в эпоху промышленной революции в XVIII. . . XIX вв. - энергию огня и пара, позже, в конце XIX, - энергию продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива, сжигаемого прямо в цилиндре двигателя, в XX в. - ядерную энергию. Одновременно человек научился аккумулировать энергию и использовать ее в нужный момент - энергию заведенной пружины, сжатого воздуха, вращающегося маховика, энергию, накопленную в электрических аккумуляторах. Особое место в ряду всевозможных двигателей занимают двигатели теп-ловые, в которых используется энергия топлива, выделяющаяся при его сгорании. В тепловых двигателях можно использовать и энергию солнца, ядер-ных реакций, глубинных слоев земли. Тепловые двигатели подразделяют на две группы: двигатели внутреннего сгорания, в которых тепловая энергия сжигаемого топлива выделяется непосредственно в камере сгорания, где, по меньшей мере, одна стенка перемещается и совершает работу при расширении; двигатели внешнего сгорания или с внешним подводом теплоты. В таких двигателях внутри замкнутого объема находится рабочее тело (газ или пар), которое расширяется за счет теплоты, передаваемой извне. По принципу действия двигатели как внутреннего, так и внешнего сгорания могут быть поршневыми (рис. 2, а, б), в которых поршень совершает линейное перемещение, или роторно-поршневыми (рис. 2, в, г), в которых поршень совершает круговое движение. В данных двигателях используется статическое давление расширяющегося рабочего тела (продуктов сгорания, нагретого газа или пара). Кроме того, существуют турбины (рис. 2, д, е) у которых подвижной стенкой являются лопатки турбинного колеса. В данном случае используется кинетическая энергия потока расширяющегося рабочего тела. Наконец, реактивные (рис. 2, ж) двигатели, в которых под воздействием потока расширяющихся газов создается реактивная сила. Двигатели внешнего сгорания имеют неоспоримое преимущество в том5 что для их работы можно использовать любой источник тепловой энергии; теплоту горящих дров или угля, нефти или газа, солнечного излучения, ядер-, ной реакции или земных недр. Недостатком таких двигателей является то| что необходимо осуществлять передачу энергии от источника теплоты к стенке камеры, а от стенки камеры к рабочему телу в сравнительно коротки^ промежуток времени. В таких условиях количество теплоты, полученное! рабочим телом, будет всегда меньше, чем выделяется ее источником, т. е! коэффициент теплопередачи будет меньше единицы. В ДВС энергию топлива теоретически возможно использовать более пол* но, чем в двигателях с внешним подводом теплоты. В них теплота выделя» ется непосредственно в камере сгорания и передается рабочему телу. Но цп1 этого необходимо такое топливо, которое в очень короткий промежуток вре* ш
а)


Рис- 2. Схемы тепловых двигателей внутреннего и внешнего сгорания: >wA^\=^=| Ж)
а, б — поршневые; в, г - роторно-поршневые; д, е _ турбины; ж — реактивный мени, отводимый на процесс сгорания, успеет полностью отдать энергию. В современных быстроходных двигателях данный промежуток времени измеряется тысячными долями секунды. Для ДВС мы имеем достаточно широкий (пока еще) выбор топлива - природные или промышленные газы, продукты переработки нефти, спирты и масла, получаемые из растительного сырья, различные синтетические топлива, а также твердые - порох, угольную пыль и подобные.    ^ Каждый из перечисленных тепловых двигателей имеет свою область применения, в которой он наиболее эффективен. Паровые поршневые машины сохранились на паровозах, стоящих на запасных путях (они могут еще быть пригодными, так как в их топках можно сжигать любое топливо - уголь, дрова, торф, мазут), и на пароходах. Паровые турбины оказались совершенно незаменимыми на атомных электростанциях и судах с ядерными энергетическими установками. Паротурбинные установки применяются на тепловых электростанциях и на крупных судах. Газотурбинные двигатели (ГТД) благодаря относительно малым размерам при большой мощности нашли широкое применение в авиации и все более активно проникают на наземный и водный транспорт в качестве силовых агрегатов тягачей скоростных судов, тепловозов и других машин. Но наиболее распространены поршневые ДВС, используемые для различных видов наземного и водного транспорта и во множестве других областей народного хозяйства. ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Цикл реального двигателя. Отметим основные различия реального и идеального двигателей: теплота подводится к рабочему телу внутри цилиндра, стенки которого теплопроводны; температура окружающего воздуха -температура бесконечно емкого холодного источника. Если подводить теплоту медленно в процессе перемещения поршня и расширения рабочего тела, то потери ее через стенки будут возрастать пропорционально увеличению поверхности охлаждения - это не выгодно. Целесообразнее подводить теплоту в тот момент, когда рабочее тело занимает минимальный объем и, следовательно, контактирует с минимальной поверхностью охлаждения, теряя часть подводимой теплоты на увеличение внутренней энергии (температуры) рабочего тела. Лучшим является вариант, когда подвод теплоты осуществляется мгновенно. Дальнейшее расширение рабочего тела будет проходить уже без подвода теплоты (аналогично участку адиабатического расширения цикла Карно), но с потерей ее через стенки цилиндра. В идеальном цикле Карно рабочее тело адиабатически расширяется до температуры холодного источника Т2 и давления р3 (см. рис. 1). В реальном двигателе существуют ограничения не только по температуре окружающей среды, но и по ее давлению. Реальный двигатель будет способен совершать работу до тех пор, пока давление рабочего тела (рр.т) на поршень больше давления окружающей среды (ро), действующего на тыльную сторону поршня (рис. 3). Если учесть, что в реальном двигателе преодолеваются силы трения при движении поршня как в прямом, так и в обратном направлении и работа, затрачиваемая на преодоление указанных сил, пропорциональна перемещению поршня, то расширение рабочего тела (линия zb) целесообразно закончить раньше момента, когда значения давления по обе стороны поршня будут одинаковыми. Далее, согласно цикличности действия теплового двигателя, должен произойти отвод теплоты к холодному источнику Q2 от рабочего тела (линия Ьа) и сжатие его (линия ас) до состояния (рс, Тс), соответствующего началу подвода теплоты в следующем цикле (линия cz). Но помните! Мы описываем ю Рис. 3. Цикл реального ДВС: FT#0-площадь поверхности теплоотдачи; ВМТ и НМТ соответственно верхняя и нижняя мертвые точки Т.О min Р-
реальный ДВС. Исходное рабочее тело - смесь воздуха и топлива -превратилось в продукты сгорания, и его повторное использование невозможно. Удаление из цилиндра горячих продуктов сгорания и замена их более холодным свежим зарядом и представляет собой процесс отвода теплоты Q2. В реальном двигателе существуют ограничения не только по температуре и давлению окружающей среды, но и по максимально допустимому давлению, которое способна выдержать конструкция двигателя. Поэтому процесс подвода теплоты в ряде случаев делится на два этапа: первый протекает при минимальном объеме рабочего тела Q\, а второй - в процессе его расширения, но при постоянном давлении (линии cz и zz), не превышающем допустимый предел, QV Представленная на рис. 3 диаграмма цикла реального ДВС, конечно же, идеализированная. Во-первых, невозможно мгновенно подвести всю теплоту в момент, когда рабочее тело занимает минимальный объем, так как подвод теплоты - это сгорание топливовоздушной смеси, на что требуется время. Во-вторых, мы не учли процесс смены отработавшего рабочего тела на свежий заряд. Механизмы, преобразующие поступательное движение поршня во вращательное движение вала. Большинство рабочих агрегатов и механизмов, в которых используются ДВС, совершают вращательное движение: колесо автомобиля и ведущая звездочка гусеничного трактора, вал гребного винта судна и пропеллер самолета, вал бурового станка и ротор электрического генератора. Такие примеры вы можете продолжить сами. В поршневом двигателе линейное перемещение поршня преобразуется во вращение выходного вала. Для осуществления этого - первое, что напрашивается в качестве решения - зубчатая рейка и шестерня на валу (рис. 4, а). Поршень под действием расширяющихся продуктов сгорания перемещается вниз, раскручивает выходной вал, а чтобы совершить следующий рабочий ход; поршень возвращается в исходное положение, используя инерцию маховика и систему шестерен с муфтами свободного хода. Кривощипно-шатунный механизм - проще и надежнее. Он известен со времен древнейших цивилизаций и широко применяется в различных устройствах на протяжении многих столетий (рис. 4, 6, в, г). В поршневом ДВС такой механизм включает поршень, шатун и кривошипный (или коленчатый) вал. Непременным элементом рассматриваемого механизма является закрепленный на валу маховик, с помощью которого поршень возвращается после очередного рабочего хода в исходное положение и обеспечивает равномерное вращение вала. В крейцкопфных кривошипно-шатунных механизмах ДВС (рис. 4, д) с направляющим ползуном, отделенным от поршня, применяется конструктивное решение, характерное для паровой машины. Такой механизм не только Рис. 4. Механизмы, преобразующие поступательное движение поршня во вращательное движение: а - реечно-шестеренчатый; б, в—первые кривошипные механизмы; г — криво-шипно-шатунный; д - кривошипно-шатунный с крейцкопфом; е — кривошипно-эксцентриковый; ж — с наклонной шайбой; 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шток-рейка; 4 — шестерня с муфтами свободного хода; 5 — маховик; 6 — шатун;
7    — кривошипный (коленчатый) вал; 8    — шток поршня; 9 — крейцоп-пол-зун; 10 — направляющие; 11 — эксцентрик; 12 — наклонная шайба; 13 — сферический шарнир; 14 — шестерни синхронизации; 15 — выходной вал разгружает поршень от воздействия боковых нагрузок, но и дает возможность создать ДВС двойного действия. Однако он громоздок, тяжел и применяется в настоящее время только на некоторых моделях больших тихоходных судовых и стационарных двигателей, для которых габариты и масса не играют существенной роли в отличие от автомобильных двигателей. Кривошипно-эксцентриковый механизм (рис. 4, е) позволяет уменьшить высоту двигателя, но при этом возрастают боковые нагрузки на направляющие. Из-за отсутствия явных преимуществ и высоких требований к точности изготовления кривошипно-эксцентриковый механизм в поршневых двигателях распространения не получил.
Механизм с наклонной шайбой (рис. 4, ж) создает вращение выходного вала при возвратно-поступательном движении поршня. Шайба, на которую воздействуют штоки поршней, как правило, не совершает вращательного движения. Она колеблется относительно шарнира с наклонным кривошипом, находясь постоянно в зацеплении с синхронизирующим зубчатым венцом на корпусе, тем самым проворачивая шарнир и вращая вал. Или с помощью кольца передается усилие на вращающуюся шайбу через подшипник. Такой механизм был использован для авиационного двигателя АМБС-1 в 1916 г., а в настоящее время - для тепловоздушных двигателей фирмы Форд. В конце процесса расширения поршень достигает крайнего положения -нижней мертвой точки (НМТ). Вращающийся вал двигателя может вернуть поршень в исходное положение. Но сначала нужно удалить из цилиндра уже отработавшие продукты сгорания, чтобы освободить место для следующей порции свежего заряда. Механизм газораспределения управляет выпуском отработавших газов и впуском свежего заряда. Самое простое, казалось бы, решение - прорезать в нижней части цилиндра выпускные окна. Часть продуктов сгорания, имеющих еще достаточное высокие давление и температуру, удаляется из цилиндра, но как только давление в нем выравнивается с атмосферным, этот процесс заканчивается. Придется либо ждать пока отработавшие газы остынут и уменьшаться в объеме, освободив место для свежей порции заряда (долго), либо удалить их предварительно сжатым свежим зарядом. Другой путь более рациональный: процесс газообмена должен закончиться, пока поршень перемещается вблизи НМТ. При последующем движении поршня вверх сжатый в цилиндре заряд оказывается подготовленным к воспламенению и совершению нового рабочего хода. В таком двигателе от начала сгорания предыдущей порции заряда до подготовки к сгоранию следующей достаточно одного оборота коленчатого вала или двух ходов поршня (двух тактов). Такие двигатели называют двухтактными,а способ газообмена - кривошипно - камерной продувкой (рис. 5, а). Они просты по конструкции, на каждый оборот вала приходится один рабочий ход. Все хорошо, кроме того, что при продувке неизбежно теряется часть свежего заряда. Клапанно-щелевая продувка позволяет несколько улучшить условия газообмена двигателя. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан (рис. 5, б), расположенный в верхней части цилиндра, а свежий заряд прокачивается нагнетателем через продувочные окна, расположенные в нижней части. Теоретически возможно закрыть выпускной клапан в тот момент, когда цилиндр полностью заполнится свежим зарядом, который вытолкнет отработавшие газы предыдущего цикла. Но всегда будет существовать какой-то слой смешения свежего заряда и отработавших газов, поэтому момент закрытия выпускного клапана - вопрос весьма проблематичный. Можно использовать и другой вариант газообмена: открыть выпускной клапан в конце процесса расширения и не закрывать его до прихода поршня в Рис. 5. Механизм газораспределения поршневого двигателя: а — с кривошипно-камерной продувкой; 6 — с клапанно-щелевой продувкой; в — клапанный механизм; 1 - впускной канал; 2 — кривошипная камера; 3, 4 — соответственно продувочный и выпускной каналы; 5 — шестерни привода распределительного вала; 6 — распределительный (кулачковый) вал; 7 — толкатель и штанга толкателя; 8 — коромысло; 9 — выпускной клапан; 10 — продувочные окна; 11 — нагнетатель (с приводом от коленчатого вала или турбокомпрессор); 12,14— шестерни и зубчатый ремень (цепь) привода распределительного вала; 13 — впускной клапан; 15 — рокер верхнюю мертвую точку (ВМТ). В данном случае возможно очистить цилиндр почти полностью от продуктов сгорания, но тогда поршень должен совершить ход к НМТ для того, чтобы засосать свежий заряд, и ход вверх к ВМТ, чтобы сжать его и создать условия для следующего воспламенения и рабочего хода. Таким образом, на все процессы затрачиваются четыре хода поршня, два оборота коленчатого вала. Эти двигатели называют четырехтактными. Четырехтактные двигатели получили в настоящее время наибольшее распространение, прежде всего, благодаря высокому качеству газообмена и, соответственно, высокой экономичности.
Клапанный механизм газораспределения четырехтактного двигателя показан на рис. 5, в. Система питания. До сих пор, описывая процессы в поршневом двигателе, мы пользовались терминами заряд или рабочее тело, имея в виду топлйво-воздушную смесь. Приготовить ее .мсжно: вне цилиндра в специальном смесительном и дозирующем устройстве (карбюраторе, рис. 6, а) или впрыскивая топливо в поток воздуха, проходящего по впускному трубопроводу (рис. 6, б); внутри цилиндра, впрыскивая топливо в сжимаемый или уже сжатый воздух (рис. 6, в). Способ смесеобразования и воспламенения предопределяется свойствами топлива. Для большинства современных ДВС используют углеводородные топлива, получаемые из нефти, в которые входят углеводородные соединения разной структуры и молекулярного веса. Причем легкие углеводороды, Рис. б. Система питания поршневых двигателей: а — карбюраторный; б — с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод; в — с впрыскиванием топлива в цилиндр; г — с впрыскиванием топлива в вихревую камеру; 1 — топливный бак; 2 — топливный фильтр; 3 — подкачивающий насос; 4 — карбюратор; 5 — воздухоочиститель; 6 — дроссельная заслонка; 7—впускной трубопровод; 8 — стабилизатор давления; 9 — блок управления; 10 —электромагнитнаяфорсунка; 11 —форсунка; 12 — камерасгорания; 13— топливный насос высокого давления; 14— топливный фильтр тонкой очистки; 15 — вихревая камера; 16 — калильная свеча которые входят в состав бензинов, достаточно хорошо испаряются, но стойки к самовоспламенению. Тяжелые углеводороды - вязкие, плохо испарающие-ся, из-за непрочности связи длинных углеводородных цепочек самовоспламеняются при более низкой температуре. В результате для газообразного и легкого жидкого топлива разумнее использовать внешнее смесеобразование, так как от смесительной камеры карбюратора до цилиндра и в самом цилиндре топливо успевает достаточно хорошо перемешаться с воздухом. Дизельное топливо слишком вязкое и при нормальной температуре практически не испаряется, поэтому для лучшего перемешивания с воздухом его впрыскивают под высоким давлением (15... 50 МПа) через отверстие малого диаметра в распылителе форсунки непосредственно в камеру сгорания,* в предварительно сжатый и разогревшийся до высокой (500...600° С) температуры воздух. Данная температура оказывается, как правило, достаточной и для испарения, и для самовоспламенения дизельного топлива. Если по каким-либо причинам надежное самовоспламенение топлива в таком двигателе не обеспечивается, в камеру сгорания устанавливают калильную свечу, на которую и направляется струя впрыскиваемого топлива (рис. 6, г). Для воспламенения топливовоздушной смеси требуется либо высокая температура воздуха (высокая степень сжатия), либо посторонний источник воспламенения, например искровой разряд. При этом момент подачи искры и начало сгорания регулируется так, чтобы наиболее эффективно использовать давление расширяющихся газов. При сжатии уже готовой топливовоздушной смеси возможно ее самовоспламенение в произвольный момент либо слишком рано, либо слишком поздно, что плохо сказывается на показатели двига- 3    4 5 9 8 10 11 4 Рис. 7. Система охлаждения: а - жидкостная; 6 - воздушная; 1 - полость охлаждения; 2 - радиатор и вентилятор отопления салона; 3 — водяной насос; 4 — вентилятор с муфтой отключения; 5 — радиатор; 6 — расширительный бачок; 7 - жалюзи радиатора; 8 -термостат; 9—наружные панели; 10 - панели дефлекторов; 11 - ребра охлаждения; 12 — система температурного контроля и подачи масла к муфте вентилятора; 13 — ребра охлаждения масляного поддона теля. При внешнем смесеобразовании воспламенение должно быть принудительным в строго определенный момент (по углу поворота вала). Система охлаждения. В процессе сгорания топливовоздушной смеси выделяется значительное количество теплоты, которая ^позволяет нагреть рабочее тело до высокой температуры - 1700...23000 С и более. Несмотря на то что поверхности цилиндра охлаждаются вновь поступившим зарядом и в процессе расширения температура газов уменьшается, существующие конструкционные материалы (пока металлы) не способны выдержать таких тепловых нагрузок, да еще при высоком давлении. Поэтрму стенки камер сгорания и цилиндров необходимо охлаждать, несмотря на большие (до 30%) тепловые потери. Система охлаждения современного ДВС должна обеспечивать заданное тепловое состояние вне зависимости от режима его работы (переохлаждение двигателя не менее вредно, нежели перегрев). Поэтому система охлаждения (рис. 7) включает органы управления интенсивностью теплоотвода - жалюзи радиатора, термостаты, автоматические муфты, регулирующие частоту вращения вентилятора. В настоящее время ведутся интенсивные поиски материалов и покрытий, которые бы обладали малой теплопроводностью, высокой жаростойкостью и хорошими антифрикционными качествами для того, чтобы уменьшить потери теплоты через стенки цилиндра. Смазочная система. Любая машина (в том числе и двигатель), в которой существуют взаимное перемещение и трение деталей, должна иметь смазочную систему. Кроме своих прямых функций смазочная система должна обеспечить удаление продуктов изнашивания из зазора между трущимися поверхностями, защищать внутренние полости двигателя и его детали от коррозии и охлаждать те детали двигателя, которые невозможно или затруднительно охладить иным способом. Рис. 8. Смазочная система поршневого ДВС: а — четырехтактного; б—двухтактного с кривошипно-камерной продувкой; 1 — емкость для масла; 2 -масляный насос с редукционным клапаном; 3 — масляный фильтр с перепускным клапаном; 4 - главная масляная магистраль; 5—каналы подачи масла; 6 - распылитель масла; 7 — бачок для масла; 8 — насос-дозатор В поршневом четырехтактном двигателе (рис. 8, а) зеркало цилиндра смазывается разбрызгиванием, причем часть его, расположенная ниже колец, может смазываться достаточно обильно, а выше, со стороны камеры сгорания, должен оставаться только тонкий слой, который обеспечивает смазывание, но предотвращает чрезмерные потери масла вследствие его выгорания со стенок камеры. Это позволяет уменьшить и токсичность отработавших газов. Подшипники коленчатого и распределительного валов смазываются под давлением, а прочие кинематические пары трения в зависимости от условий работы и конструкции - либо под давлением, либо разбрызгиванием. В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой (рис. 8, б) смазывание осуществляется путем подмешивания масла в топливо. Проходя через кривошипную камеру и цилиндр, частицы масла, содержащиеся в топливовоздушной смеси, попадают на зеркало цилиндра и подшипники вала. Иногда масло подается отдельно в поток топливовоздушной смеси в зоне карбюратора специальным насосом-дозатором, который регулирует количество подаваемого масла в зависимости от нагрузки. В любом случае такой способ смазывания связан с потерей масла, выгорающего вместе с топливовоздушной смесью. РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Роторно-поршневой двигатель (рис. 9, а) очень удобен для реализации внешнего подвода теплоты. Пар под давлением поступает в расширяющийся Рис. 9. РПД: a)
а — коловратного (шиберного) типа; б — с треугольным поршнем; 1 — корпус-статор; 2 — поршень-ротор; 3 — вал с эксцентриком; 4 — свеча зажигания; 5 — механизм синхронизации объем рабочей полости и вращает вал. Отработавший пар выбрасывается в окружающую среду или, что более разумно, отводится в конденсатор. Но в роторно-поршневом двигателе (РПД) внутреннего сгорания должны осуществиться все те же процессы, что и в обычном поршневом. В настоящее время наибольшее распространение получила схема с поршнем, вращающемся на эксцентриковом валу в корпусе, контур внутренней полости которого образован сложными кривыми. Схема такого двигателя показана на рис. 9, б. В каждой полости двигателя между корпусом-статором и поршнем-ротором последовательно совершаются все процессы четырехтактного цикла. В то время пока в полости II идет процесс сжатия заряда, в полостях III и I - процессы соответственно рабочего хода и впуска. Когда указанные процессы в полостях III и I завершаются, в полости И воспламеняется заряд, а из полости III начинается выпуск отработавших газов. После окончания процесса впуска в полости I начинается сжатие. Одновременно в полости II начинается рабочий ход, а в полости III продолжается выпуск отработавших газов. Выпускной и впускной каналы открываются и закрываются гранями поршня. Воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется системой, аналогичной системе поршневого двигателя. РПД могут работать и по циклу дизеля с воспламенением от сжатия, но из-за недостаточно надежных уплотнений ротора они распространения не получили. В РПД, как и в двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой, смазывание зеркала рабочей полости приходится осуществлять путем подмешивания небольшого количества масла к топливу или топливовоздушной смеси. Такой способ связан с большим расходом масла, чем у четырехтактных поршневых ДВС, большей токсичностью отработавших газов и поэтому он является одним из препятствий широкого распространения РПД. Но пока не будут внедрены материалы, способные работать в условиях высоких температур и нагрузок без использования жидкого смазочного материала, другого выхода нет. Системы охлаждения РПД и поршневого двигателей полностью аналогичны. ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В отличие от поршневого двигателя или РПД в газотурбинном двигателе поток рабочего тела непрерывен. Расширяющиеся продукты сгорания из камеры сгорания с большой скоростью попадают на лопатки турбины. Возникшая реактивная сила проворачивает колесо турбины (рис. 10, а). Для того чтобы в освободившуюся камеру сгорания подать следующую порцию рабочего тела (воздуха и топлива), используется турбокомпрессор, приводимый во вращение самой турбиной. Давление воздуха, создаваемое компрес- jtir.
6 7
РисЛО.ГТД: а — лопаточный аппарат; б — двигатель; в — система охлаждения; г — схема внутреннего охлаждения лопатки; 1 — направляющие лопатки (сопловой аппарат); 2 — лопатки колеса турбины; 3 — компрессор; 4 — теплообменник; 5 — камера сгорания; 6 и 7 — турбины соответственно компрессора и тяговая; 8 — трансмиссия; 9 — свеЗа зажигания; 10 — топливный насос и распылитель; И — каналы лопаток турбины* 12 — отверстия выхода охлаждающего воздуха; А — полость в лопатке; Б, В — полости охлаждения соответственно колеса турбины и венца соплового аппарата; С — полость охлаждения камеры сгорания сором, должно быть больше, чем в камере сгорания. Сжатый компрессором воздух выполняет функцию крышки цилиндра. Топливо впрыскивается в камеру сгорания через форсунку с помощью топливного насоса и воспламеняется от уже горящей смеси. При пуске двигателя смесь воспламеняется свечой зажигания. Для повышения КПД ГТД нагнетаемый в камеру сгорания воздух предварительно нагревают, используя теплоту отработавших газов. Поэтому ГТД, устанавливаемые на наземных машинах, снабжаются теплообменниками. В ГТД охлаждение стенок камеры и общее снижение температуры продуктов сгорания до безопасного (1000... 1500° С) для лопаток турбикы уровня обеспечивается за счет небольшой части сжатого компрессором воздуха. Стенка камеры сгорания делается перфорированной, и поступающий через перфорации воздух отделяет очаг горения от стенки. В дальнейшем он смешивается с продуктами сгорания и охлаждает их. Относительно низкие допустимые температуры в ГТД объясняются просто: лопатка подвержена постоянному воздействию и высоких температур, и высоких центробежных сил (частота вращения вала достигает 40...60 тыс. мин-1, а силы инерции пропорциональны квадрату частоты вращения вала). Поэтому лопатки из жаростойких сплавов с внутренним охлаждением (рис. 10, г) и керамические могут работать при температуре не более соответственно 1000...1300 и 1200...15000 С. В ГТД один основной узел трения - подшипники вала, на которые действуют его собственная масса и относительно небольшие осевые силы. Наибольший недостаток смазочной системы - попадание масла в проточную часть двигателя под действием центробежных сил. 3. НЕМНОГО ТЕОРИИ Рассмотрим немного подробнее физические основы процессов, протекающих в цилиндре ДВС, на примере наиболее распространенного четырехтактного поршневого двигателя (рис. 11). Все протекающие в цилиндре процессы характеризуются изменением давления и температуры рабочего тела одновременно с изменением его объема, обусловленным движением поршня от ВМТ к НМТ и обратно. Поскольку давление в цилиндре и температура рабочего тела взаимосвязаны, то достаточно отобразить изменение давления от объема. Графически это представлено в виде индикаторной диаграммы, а период протекания процессов от утла поворота коленчатого вала можно проследить по круговой диаграмме. Данную диаграмму называют диаграммой газораспределения, поскольку она отражает периоды открытия впускного и выпускного клапанов. ПРОЦЕССЫ ВПУСКА И СЖАТИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Итак, первый процесс - процесс впуска свежего заряда (воздуха или топливовоздушной смеси). Протекает он при движении поршня от ВМТ к НМТ, когда впускной клапан открыт. Все достаточно просто! Но в действительности процесс впуска, точнее процесс газообмена, т. е. выпуска отработавших газов предыдущего цикла и впуска свежего заряда, является одним из сложнейших процессов. Начнем с того, что от предыдущего цикла в цилиндре всегда остается некоторое количество отработавших газов (их называют остаточными газами), которые занимают объем камеры сгорания Ус при давлении, всегда большем давления окружающей среды (атмосферного давления - если выпуск идет в атмосферу). Это естественно, так как выпускные клапаны оказывают гидравлическое сопротивление потоку выходящих из цилиндра газов, особенно в конце процесса выпуска, когда выпускные клапаны уже закрываются. И не забудьте, что в выпускном трубопроводе установлен еще и глушитель шума, который тоже оказывает сопротивление (и не малое). Поэтому свежий заряд рабочего тела начнет поступать в цилиндр только тогда, когда остаточные газы расширятся и охладятся (также и за счет смешения с более холодным свежим зарядом) настолько, что их давление станет меньше давления окружающей среды, так как для создания потока нужен обязательно перепад давлений (в частности до и после впускного клапана). Во впускном трубопроводе в процессе предыдущего впуска заряд разог-гнался, приобрел какую-то скорость и инерцию, но впускной клапан закрылся. Вследствие инерции потока перед нйм начинает нарастать давление, а когда инерция исчерпана, происходит обратный процесс. Во впускном трубопроводе возникают колебания столба газа, характеризующиеся изменением его давления р и плотности р по его длине I (рис. 12). К моменту следующего открытия впускного клапана перед ним может образоваться либо зона повышенных давления и плотности газа, либо пониженных. В зависимости от конструкции впускного трубопровода и параметров колебательного процесса в цилиндр может попасть либо одинаковое количество зон потока с повышенной и пониженной плотностью, либо только зона повышенной или понижен- 21 Рис. И. Схема четырехтактного двигателя и его диаграммы: а — индикаторная бензинового двигателя; б — фрагмент индикаторной дизеля; в — круговая; г — схема двигателя ной плотности. В последнем случае масса поступившего в цилиндр свежего заряда может оказаться недостаточной, что отразится на мощности. Аналогичные колебательные процессы возникают и в выпускном тракте. В результате за выпускным клапаном возникает зона пониженного давления, когда выпуск отработавших газов облегчается, а очистка цилиндра улучшается, либо наоборот. Поэтому расчет оптимальных параметров впускного и выпускного трактов, их взаимное согласование и экспериментальная проверка являются одним из важнейших этапов проектирования двигателя. Рис. 12. Колебательные процессы во впускном трубопроводе Для двигателей стационарных установок, которые работают в узком диапазоне частот вращения вала, можно рассчитать или подобрать оптимальные параметры впускного и выпускного трубопроводов, чтобы обеспечить наилучшее наполнение. Большинство двигателей многоцилиндровые, в них все колебательные процессы сложнее. А для двигателей транспортных машин, которые работают в широком диапазоне частот вращения вала, приходится мириться с тем, что на одних режимах наполнение будет хорошее, а на других - плохое. Поэтому, как правило, обеспечивают хорошее наполнение на тех режимах, которые для данного транспортного средства являются наиболее важными. Для гоночных автомобилей предпочтительными являются частоты вращения, близкие к максимальным, обеспечивающие максимальные мощность и скорость. Для обычных автомобилей предпочтительна средняя частота вращения вала, обеспечивающая запас крутящего момента для разгона или преодоления дорожных препятствий.
Заманчиво иметь такие впускной и выпускной трубопроводы, чтобы менять их параметры (длину, объем и т.п.) в зависимости от изменения частоты вращения вала, но для серийных автомобилей это дело будущего. Сейчас созданы только экспериментальные образцы с очень сложной конструкцией. Остановимся на работе клапанного механизма. Чем больше высота подъема клапана, тем меньшее сопротивление он оказывает потоку, тем лучшего наполнения можно достичь. Клапан и все детали механизма его привода обладают инерцией, и преодоление ее в процессе открытия клапана вызывает очень большие нагрузки в механизме и напряжения (особенно поверхностные) в области контакта сопряженных деталей, поэтому невозможно мгновенно и полностью открыть клапан. Его открывают „постепенно”, и максимальная высота подъема клапана достигается только где-то к середине хода поршня от ВМТ к НМТ в процессе впуска свежего заряда. Слово постепенно намеренно дано в кавычках, так как в быстроходном двигателе процесс впуска длится сотые и даже тысячные доли секунды. Достигнув максимальной высоты подъема, клапан должен уже закрываться, так как и в процессе закрытия преодолеваются силы инерции и возникают напряжения в деталях механизма. Кроме того, клапан должен опуститься на седло плавно без удара, иначе возможно большое изнашивание и разрушение рабочих поверхностей седла и клапана, которые должны обеспечить надежную герметичность после закрытия. Несмотря на то, что впускной клапан начинает открываться за 10...300 угла поворота коленчатого вала до прихода поршня в ВМТ, на первом этапе впуска возникает вакуум. Чтобы компенсировать плохие условия наполнения на первом этапе, стремятся продлить его второй этап, когда клапан полностью закрывается спустя 40...70° угла поворота коленчатого вала после НМТ и поршень начинает уже движение вверх. Благодаря позднему закрытию клапана удается, используя инерцию потока воздуха или топливовоздушной смеси, дозарядить цилиндр и несколько повысить массу рабочего тела в конце впуска. Процесс наполнения на индикаторной диаграмме представлен кривой га (см. рис. 11), а период протекания его от начала открытия до полного закрытия впускного клапана - соответствующим участком круговой диаграммы. Клапан закрывается с запаздыванием, благодаря инерции потока возможна дозарядка, но это только в том случае, если скорость потока достаточно высока, т. е. высоки частота вращения вала двигателя и скорость перемещения поршня в цилиндре. Если частота вращения вала уменьшается? Инерция потока становится существенно меньше, и при движении поршня вверх при еще открытом клапане часть заряда просто выталкивается обратно во впускной трубопровод. Поэтому и период открытия впускного клапана подбирается так, чтобы обеспечить хорошее наполнение цилиндра на наиболее характерном для данного двигателя режиме работы. Конечно, чем меньше частота вращения вала, тем утлы опережения открытия и запаздывания закрытия впускного клапана меньше. И наоборот. После закрытия впускного клапана начинается следующий процесс -сжатие рабочего тела. Существует заметная разница между геометрической степенью сжатия (отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания) и фактической, так как до 1/3 хода от НМТ поршень быстроходного двигателя перемещается при открытом впускном клапане. Процесс сжатия (кривая а с) происходит в соответствии с законами физики: объем заряда уменьшается, а давление и температура повышаются. А до какой же степени заряд должен быть сжат? На этом вопросе остановимся позже, рассматривая процесс сгорания, который происходит в то время, когда поршень находится вблизи ВМТ (кривая c'z). ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Процесс сгорания топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя -процесс чрезвычайно сложный и наименее изученный. Тем не менее, чтобы яснее понять смысл различных решений, закладываемых в конструкцию ДВС, и влияние режимных факторов на развитие процесса сгорания, давайте попробуем глубже вникнуть в суть рассматриваемого процесса. Для перестройки внутримолекулярных связей молекулы исходных веществ, участвующих в реакции, должны быть активированы, а их внутримолекулярные связи ослаблены. На рис. 13 схематично представлена элементарная реакция типа АВ + С А + ВС. Для активации молекулы АВ, находящейся на энергетическом уровне устойчивого состояния, должна быть подведена энергия, называемая энергией активации £аВ““ первое условие осуществления реакции. Чем выше температура реагирующих веществ, тем большее число молекул обладают энергетическим уровнем, соответствующим уровню активированного комплекса. Второе непременное условие — другой компонент реакции (атом С) должен приблизиться к молекуле АВ на расстояние, при котором возможна перестройка электронных орбит компонентов реакции и возникновения новой энергетической связи молекулы ВС. Чем выше плотность реагирующих веществ, тем выше вероятность сближения молекул и атомов реагирующих веществ. Третьим условием осуществления реакции является определенная ориентация реагирующих молекул: если атом С приблизится к молекуле АВ со стороны атома А, то реакция не произойдет. Для того чтобы вновь образовавшееся вещество перешло в устойчивое состояние, от него нужно отвести энергию, равную энергии активации £во Если Евс >£дв, как на нашей схеме, то реакция имеет положительный тепловой эффект (реакция экзотермическая). Выделяющаяся энергия отводится не только в окружающую среду, но и расходуется на активацию последующих молекул. Температура реагирующей смеси повышается. Если £ вс ^ £дв» то Для осуществления реакции приходится подводить теплоту к реагирующим веществам извне. Итак, чем выше температура реагирующих веществ, тем больше активированных молекул (больше скорость их движения и вероятность взаимного сближения), чем больше плотность реагирующих веществ, тем больше вероятность взаимного сближения и скорость реакции, т.е. число актов возникновения новых молекул в единицу времени. Если в смеси реагирующих веществ находятся посторонние молекулы или уже вновь образовавшиеся стабильные продукты реакции, то уменьшаются вероятность взаимной встречи молекул исходных веществ и скорость реакции (вплоть до нуля) (рис. 14). При активированном состоянии комплекса атомов ABC (см. рис. 13) процесс может пойти в обе стороны: в сторону образования нового соединения ВС или возврат к исходному АВ. Существуют правила, определяющие предпочтительное направление реакций. Реакции идут в сторону образования веществ с меньшим энергетическим уровнем устойчивого состояния (в сторону увеличения энтальпии, отдачи системой избыточной энергии в окружающую среду) и увеличение хаотичности системы (повышения энтропии, числа частиц, образовавшихся в результате реакции). Если оба направления совпадают, то реакция идет в одну сторону, если они противоположны, то при низких температурах реакция идет в сторону образования веществ с меньшим энергетическим потенциалом, а при высоких — в сторону увеличения хаотичности системы. Углеводородное жидкое топливо - бензин, керосин, дизельное топливо -представляет собой смесь углеводородных молекул с различными молекулярным весом, структурой и физикохимическими свойствами. В частности, в зависимости от структуры молекулы, полноты замещения валентных связей атомов углерода атомами водорода существенно меняется и энергия внутримолекулярных связей.
Рис. 14. Протекание химической реакции во времени: ---образование числа молекул конечного продукта л вс в зависимости от времени I; — — зависимость скорости химической реакции от I Сгорание углеводородного топлива в цилиндре двигателя — это процесс, протекающий в конечном и конкретном объеме (причем объеме, изменяющемся по времени в связи с движением поршня вблизи ВМТ), ограниченном стенками с вполне определенными температурой и степенью загрязненности их поверхности. А топливовоздушная смесь, находящаяся в цилиндре перед началом сгорания, негомогенна, пары и капельки топлива распределены по объему достаточно неравномерно. Как вы уже знаете, для того чтобы воспламенить заряд топливовоздушной смеси в цилиндре бензинового двигателя, нужен посторонний источник энергии - электрический искровой разряд (точка к см. рис. 11). Его энергия расходуется для создания первичных активных центров реакции. Если выделившаяся в процессе сгорания начальной порции смеси энергии достаточна для активации большего количества молекул, то процесс сгорания будет развиваться. В противном случае реакция прекращается. Для развития процесса сгорания, особенно на начальной его стадии, очень важно обеспечить надежную активацию соседних слоев топливовоздушной смеси: теплота, выделяющаяся при сгорании начальной дозы смеси, равно как и диффундирующие из зоны горения активные радикалы, не должны рассеиваться в слишком большом объеме. Поэтому около свечи зажигания стараются сделать зоны, в которых интенсивность турбулентного движения заряда ограничена. Иначе пламя сдувается слишком интенсивным потоком. Интенсивность охлаждения свечи и зоны около нее подбираются в зависимости от конкретных условий работы двигателя: слишком интенсивный теплоотвод приводит к затуханию реакции, а недостаточный - к неуправляемому калильному зажиганию. При нормальном развитии процесса сгорания из очага реакции в соседние слои смеси осуществляются теплопередача и диффузия активных радикалов, происходит процесс термической подготовки смеси, в реакцию последовательно вступают все новые слои. На исследовательских установках такой процесс можно наблюдать визуально как распространение фронта пламени. По мере развития процесса сгорания и прогрева еще не вступившей в реакцию смеси может возникнуть ситуация, в которой оставшаяся часть готова вступить в реакцию еще до подхода фронта пламени. Происходит взрывное сгорание - детонация, сопровождающаяся возникновением волны давления с высокой энергией. Внешне детонация проявляется появлением металлического стука, и, если не принять меры к ее подавлению, возможен выход двигателя из строя. Возникновение детонационного сгорания зависит от многих факторов: от начального состояния смеси в цилиндре и в конце сжатия, т. е. от ее температуры и плотности, обусловленных нагрузкой двигателя; от соотношения скоростей распространения фронта пламени и термической подготовки смеси в еще не реагирующих объемах; от частоты вращения вала двигателя, которая определяет как скорость изменения объема камеры сгорания в связи с движением поршня (а следовательно, и изменение плотности заряда и площади стенок, через которые происходит теплоотвод), так и интенсивность турбулентного движения заряда, обусловливающую и условия тепломассо-переноса в объеме камеры и условия теплоотвода в ее стенки; наконец от физико-химических свойств топлива. Детонационное сгорание тем вероятнее, чем выше температура смеси и ее плотность (степень сжатия, нагрузка двигателя) и чем меньше частота вращения вала. В дизеле после начала впрыскивания топлива в цилиндр происходят в принципе те же процессы, что и в бензиновом двигателе. Только здесь молекулы топлива получают энергию активации от сжатого до высокой температуры воздуха. Воспламенение происходит в зоне, в которой сложились наиболее благоприятные условия. В дальнейшем процесс сгорания развивается с использованием теплоты, выделившейся из зоны фронта пламени. Длительность процесса сгорания зависит не только от скорости химических реакций, но и от закономерности подачи топлива, а следовательно, от угла поворота вала в период сгорания. В дизелях принято делить процесс сгорания на два этапа: первый при постоянном объеме - участок диаграммы с z' (см. рис. И, б), и второй при постоянном давлении - участок z'z. Эффективность процесса сгорания тем выше, чем большее количество топлива успевает сгореть на участке cz. Но будут расти и давление в точке z, и нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма, а следовательно, повышаются требования к прочности всех деталей и качеству материала. Поэтому закономерность подачи топлива должна быть такой, чтобы не превысить допустимое давление, которое для современных автомобильных дизелей находится в пределах 9,0... 12,0 МПа и только у высокофсрсированных двигателей достигает 18...20 МПа. Исходя из развития процессов сгорания, характерных для того или иного двигателя эксплуатационных режимов и сорта применяемого топлива, подбирают оптимальные степени сжатия, углы опережения зажигания (для бензиновых двигателей) или момент начала и продолжительности впрыскивания топлива (для дизелей). ПРОЦЕСС РАСШИРЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И ВЫПУСК ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ Фактически процесс расширения или рабочий ход, определяющий величину полезной работы, совершаемой двигателем, начинается непосредственно от ВМТ, когда процесс сгорания еще не закончен. Через 10...200 угла поворота коленчатого вала после ВМТ достигается максимальное значение давления цикла, а еще через 10...15°, к концу процесса сгорания, достигается максимальная температура продуктов сгорания. Принято считать, что активное сгорание заканчивается через 20...400 угла поворота коленчатого вала после ВМТ. Реально же догорание продолжается значительно дольше, вплоть до начала выпуска заряда, а иногда и в процессе его. Догорают частицы топлива, поднятые вихревым движением заряда со стенок камеры сгорания, молекулы, испарившиеся с поверхности крупных капель, и те молекулы, которые по каким-либо причинам не встретились со своими „партнерами” в период активного сгорания. Конечно, скорость реакции и интенсивность тепловыделения невелики, но слишком растянутый процесс сгорания приводит к ухудшению показателей двигателя из-за увеличения тепловых потерь. Двигатель перегревается, обгарают выпускные клапаны, которые омываются в процессе выпуска слишком горячими отработавшими газами. Рабочий ход заканчивается с открытием выпускных клапанов (точка b на индикаторной диаграмме). Для того чтобы к моменту начала движения поршня от НМТ вверх обеспечить достаточное проходное сечение для выпуска отработавших газов, выпускные клапаны начинают открывать задолго до прихода поршня в НМТ (за 30...50 и 50...800 соответственно у тихоходных и быстроходных двигателей). При раннем открытии выпускных клапанов теряется часть энергии отработавших газов. Но потери могут быть больше, если при движении от НМТ поршень будет испытывать повышенное сопротивление отработавших газов из-за не полностью открывшихся клапанов. Фазы открытия и закрытия выпускных клапанов подбираются так, чтобы обеспечить выпуск без излишних гидравлических потерь при номинальной частоте вращения вала. А при меньшей частоте вращения вала угол опережения открытия выпускного клапана (и угол запаздывания закрытия впускного) мог бы быть значительно меньше. Выпуском-отработавших газов (участок b г) заканчивается цикл четырехтактного двигателя. Индикаторная диаграмма замкнулась. ИНДИКАТОРНАЯ РАБОТА И МОЩНОСТЬ По индикаторной диаграмме (зафиксированной на реально работающем двигателе) можно определить работу, совершаемую поршнем под действием давления газов. Работа эквивалентна разности площадей, обозначенных знаками плюс и минус. Индикаторную работу, совершаемую газами внутри цилиндра, можно выразить через индикаторное давление: Af ^ Picp SFn = picpVhj где S и Fn - соответственно ход и площадь поршня; Vh - рабочий объем цилиндра. Индикаторную мощность можно определить из выражения где п - частота вращения коленчатого вала; т - число тактов. Однако вопросы, связанные с мощностью и другими показателями двигателя, рассмотрим ниже. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Основной особенностью двухтактного поршневого двигателя является то, что газообмен в цилиндре проходит вблизи НМТ без совершения дополнительных ходов поршня. Для осуществления такого процесса необходимо создать избыточное давление воздуха (или топливовоздушной смеси), с помощью которого можно освободить цилиндр от продуктов сгорания. Избыточное давление может быть создано поршнем или каким-либо нагнетателем. На рис. 15 представлены схема и индикаторная диаграмма двухтактного двигателя с так называемой кривошипно-камерной продувкой. Такой способ газообмена широко применяется для простых по конструкции и дешевых мотоциклетных двигателей. В нем совершаются те же процессы, что и в четырехтактном, только они происходят в полостях по обе стороны днища поршня: при движении от НМТ к ВМТ в цилиндре происходит сжатие топливовоздушной смеси (в карбюраторном) или воздуха (в дизеле), а в картерную полость в это время происходит впуск. При обратном ходе поршня в цилиндре расширяются продукты сгорания, а в картерной полости происходит предварительное сжатие свежего заряда. При движении поршня к НМТ сначала открывается выпускное окно, давление газов резко уменьшается и к моменту открытия продувочного окна оказывается даже несколько ниже, чем давление предварительно сжатого в картерной полости свежего заряда. После открытия продувочного окна происходит одновременное заполнение цилиндра свежим зарядом и выталкивание продуктов сгорания. Процесс продолжается при ходе поршня вверх вплоть до перекрытия продувочного окна. Но при этом неизбежно теряется часть заряда через еще открытое выпускное окно, что является одним из основных недостатков подобного двухтактного двигателя, особенно карбюраторного. В данном двигателе теряется не просто воздух, а топливовоздушная смесь. Другими, не менее существенными, недостатками, осложняющими наполнение, являются неудовлетворительная очистка цилиндра от продуктов сгорания, потеря части заряда уже в период продувки и большие пульсации во впускном трубо- Рис. 15. Схема двухтактного двигателя и диаграммы: а, б — соответственно индикаторная и круговая диаграммы; в — двигатель; г, д — диаграммы картерной полости соответственно индикаторная и круговая Рис. 16. Схема турбонаддува двигателей и индикаторная диаграмма: 1 — турбина; 2 — компрессор; 3 — охладитель наддувочного воздуха проводе. Конструкция двухтактных двигателей такого типа предельно проста, тем не менее они имеют высокие удельные показатели по мощности. В настоящее время ведется их совершенствование. Более сложные - двигатели с клапанно-щелевой продувкой и продувочными нагнетателями (см. рис. 5, б). В таких двигателях в результате применения клапанного механизма можно обеспечить лучшую очиётку цилиндра от продуктов сгорания и меньшие потери свежего заряда. Дизели с рассматриваемыми механизмами газораспределения широко использовались на многих транспортных средствах. Нагнетатель дает возможность не только продуть цилиндры, но и существенно повысить плотность заряда в цилиндре и тем самым добиться большей мощности (чем больше воздуха, тем больше топлива можно сжечь и выше поднять давление). Наполнение цилиндров при давлении заряда большим, чем атмосферное, называется наддувом. В настоящее время он широко распространен на дизелях и завоевывает все более прочные позиции в двух- и четырехтактных бензиновых двигателях. Благодаря наддуву удается повысить массу воздуха, подаваемого в цилиндр, вдвое и даже втрое по сравнению с наполнением при атмосферном давлении. Для дизелей целесообразно использовать газотурбинный наддув. В конце такта расширения давление газов в цилиндре достигает 0,4...0,5 МПа, а температура 1000...1300° С. Газы, обладающие большим запасом энергии, из цилиндра попадают на лопатки турбины, которая вращает колесо компрессора (рис. 16). Для того чтобы снизить тепловую напряженность деталей двигателя и увеличить массовое наполнение цилиндров свежим зарядом (а следовательно, и для уменьшения работы сжатия при том же массовом наполнении), воздух после компрессора охлаждают в холодильнике воздухом окружающей среды или жидкостью из системы охлаждения. Наддув с относительно небольшой степенью повышения давления (лк = 1,3... 1,5) можно осуществить с помощью нагнетателя, проводимого от коленчатого вала двигателя. ТОКСИЧНЫЕ ВЕЩЕСТВА В ОТРАБОТАВШИХ ГАЗАХ. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ Исходными веществами в реакции горения являются воздух, который содержит 77% азота, около 23% кислорода и небольшое количество других рис* 17. Зоны образования токсичных веществ в камере сгорания газов, а также углеводородное топливо, содержащее 85% углерода, около 15% водорода (по массе) и некоторое количество примесей и присадок. Для полного сжигания 1 кг топлива требуется израсходовать 15 кг воздуха. I
В идеальном случае конечными продуктами реакции являются двуокись углерода С02, вода Н20 и азот N2. В действительности состав отработавших газов гораздо сложнее. Кроме уже упомянутых С02, Н20 и N2, отработавшие газы, хотя и в меньших количествах, содержат несгоревшее топливо и продукты полимеризации углеводородных радикалов, которые возникают при расщеплении молекул в процессе активации. Несгоревшее топливо сохраняется прежде всего в холодном пристенном слое I (рис. 17) камеры сгорания, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода в стенки. Наиболее характерно возникновение такого слоя у бензиновых двигателей, в цилиндры которых поступает заранее приготовленная топливовоздушная смесь. У дизелей не исключено попадание капелек топлива на стенки камеры сгорания в результате вихревого движения воздушного заряда. Толщина пристенного слоя может достигать в зависимости от нагрузки двигателя и условий охлаждения стенок нескольких десятых долей миллиметра. Другой причиной наличия несгоревшего топлива в отработавших газах являются невоспламенение заряда или чрезвычайно вялое его сгорание (прежде всего в бензиновых двигателях) на холостом ходу и малых нагрузках, невоспламенение вследствие „сдувания” пламени у свечи из-за чрезмерно интенсивной турбулизации и другие подобные причины. Наличие несгоревшего топлива как в бензиновых двигателях, так и в дизелях зависит от качества смесеобразования: чем крупнее капли, тем больше времени требуется на их испарение, меньше вероятность того, что испарившиеся с их поверхности молекулы успеют вступить в реакцию. Поэтому количество выбрасываемых с отработавшими газами углеводородов топлива во многом зависит от качества смесеобразования или распыливания топлива форсункой. В бензиновых двигателях качество смесеобразования зависит от нагрузочного и скоростного режима: чем меньше скорость воздуха, протекающего через диффузор карбюратора, тем хуже смесеобразование. Наконец, количество выбрасываемых углеводоров зависит от состава смеси, прежде всего бензиновых двигателей, которые на холостом ходу и малых нагрузках работают на богатых смесях с избыточным количеством топлива по сравнению с теоретически необходимым. Это делается для того, чтобы при плохих условиях смесеобразования обеспечить требуемое для воспламенения и сгорания количество испарившихся молекул. В дизелях с увеличением нагрузки и подачи топлива возрастает выброс углеводородов, но несравненно меньше, чем в бензиновых карбюраторных двигателях, так как дизель всегда работает с избыточным количеством топлива. В промежуточном слое И энергетические условия достаточны для расщепления углеводородных молекул на радикалы, но вследствие непосредствен- ной близости холодной стенки во многих случаях реакция на этом и заканчивается. А образовавшиеся радикалы вновь объединяются, причем в более сложные структуры, нежели молекулы топлива. Образуются в таких условиях и полициклические ароматические углеводороды, обладающие канцерогенными свойствами, являющимися причиной раковых заболеваний. В этом же слое радикалы иногда успевают частично окислиться, в результате образуются высокотоксичные альдегиды, сохраняющиеся в пристенном слое вплоть до завершения сгорания. В слое III камеры сгорания происходит нормальное высокотемпературное горение. Но не все компоненты реакции вступают во взаимодействие, вследствие вероятностного характера столкновений и ориентации молекул и недостаточного энергетического потенциала. Поэтому и в слое III останется какое-то количество несгоревших, полимеризовавшихся и частично окислившихся молекул топлива. Даже при избытке воздуха реакция окисления углерода может оборваться на промежуточной стадии образования СО. Кроме того, при высоких температурах идет процесс разложения (диссоциации) конечного продукта С02 на СО и 02, и часть образовавшихся молекул угарного газа не успевает вновь окислиться до С02. Для дизелей характерным компонентом отработавших газов является сажа - объединившиеся в достаточно крупные частички (размером до нескольких микрон) атомы углерода. Причина образования сажи заключается в том, что энергетические условия в цилиндре дизеля оказываются достаточными, чтобы молекула топлива разрушалась полностью (длинные цепочки молекул дизельного топлива менее стойки, чем молекулы бензина и тем более газы). Более легкие атомы водорода диффундируют в слои, богатые кислородом, вступают с ним в реакцию и как-бы из(*лируют углеродные атомы от контакта с кислородом. Инертный в обычных условиях азот при температурах более 1000° С также вступает в реакцию с кислородом с образованием высокотоксичных N0 и N02. Скорость образования оксидов азота, а следовательно, и их выброс с отработавшими газами зависят от температуры среды. Чем больше нагрузка двигателя, тем выше температура и, соответственно, выброс оксидов азота. Температура в зоне горения во многом зависит от состава смеси. Слишком обедненная или слишком обогащенная смеси при сгорании выделяют меньшее количество теплоты, процесс сгорания замедленный, сопровождаемый большими тепловыми потерями в стенки. В таких условиях выделение оксидов азота невелико. А при работе двигателя на составе смеси, близком к стехиометрическому, оно максимально. Кроме того, азот может вступать и в соединения с водородом с образованием аммиака NH3. И конечно, в отработавших газах двигателей содержатся продукты окисления присадок, добавляемых к топливам для улучшения их эксплуатационных свойств: оксиды свинца, содержащегося в этилированном бензине, или бария, который добавляется в дизельное топливо для снижения дымности; оксид серы, которая имеется в топливах, получаемых из сернистой нефти, и т.п. Все вещества, содержащиеся в отработавших газах, по их экологическому воздействию можно разделить на три группы: экологически нейтральные (азот, кислород и водород); экологически активные, нарушающие физические свойства окружающей среды; ядовитые, отрицательно влияющие на организм человека, животных и растительность. К последним можно отнести монооксид углерода (угарный газ), низшие оксиды азота, оксиды серы, свинца, углеводороды, в том числе канцерогенные, альдегиды и многие другие соединения. Указанные вещества, как правило, имеют сложные молекулы, ухудшают оптические свойства атмосферы, поглощают тепловое излучение солнца, а оксиды азота способствуют разрушению озонного слоя. Ряд веществ, например оксиды свинца и канцерогенные углеводороды, накапливаются в организме человека, попадают в него через животную и растительную пищу. Но многие токсичные вещества рано или поздно трансформируются в нетоксичные. При ограниченных дозе и времени воздействия организм человека способен восстанавливать свои функции. Однако количество автомобилей, тракторов, самолетов и других энергетических агрегатов с ДВС постоянно возрастает, и природные процессы уже с трудом обеспечивают поддержание экологического равновесия. К сожалению, мы должны признать, что ДВС (поршневой или газотурбинный), использующий жидкое или газообразное углеводородное топливо (в том числе спирты и даже водород), не может быть нетоксичным и экологически безвредным. Не верьте победным реляциям о создании нетоксичного ДВС, которые иногда появляются в прессе. Можно говорить только о большем или меньшем влиянии того или иного ДВС на загрязнение окружающей среды. И конечно, усилия ученых направлены на решение благородной и жизненно важной задачи снижения вредного воздействия отработавших газов ДВС. В последующих разделах книги будем рассматривать проблемы, связанные с токсичностью и экологическим воздействием двигателя в зависимости от особенностей его конструкции и режимов эксплуатации. В данном разделе книги остановимся на вопросах возможности нейтрализации отработавших газов после того, как они будут удалены из цилиндра двигателя. Значительную долю токсичных компонентов составляют углеводороды, альдегиды и монооксид углерода, т. е. продукты неполного сгорания. Поэтому возникла идея доокисления этих веществ. Первые нейтрализаторы работали по принципу горелок, установленных в выпускном трубопроводе. Но для горелок нужно было дополнительное топливо, и кроме того процесс сгорания оказался источником токсичных компонентов. Эффективность таких нейтрализаторов крайне низкая. Гораздо эффективнее и надежнее оказались нейтрализаторы с каталитическими элементами. В нормальных условиях для окисления СО требуется •температура около 600° С, а в присутствии катализатора достаточно 200° С. [Каталитический нейтрализатор способен доокислять СО, углеводороды и |альдегиды при очень низких температурах отработавших газов, характерных [для режима холостого хода и малых нагрузок двигателя. В системе выпуска отработавших газов дизелей каталитический нейтрализатор может работать без дополнительных устройств. Во-первых, в отработавших газах дизелей всегда имеется кислород, так как дизель работает на смесях с избытком воздуха, а во-вторых, количество СО и углеводородных [соединений невелико. В отработавших газах бензиновых двигателей содержание таких компонентов значительно больше. На холостом ходу и малых нагрузках, когда [двигатель вынужден работать на обогащенных смесях, содержание СО достигает 5...8%. Нормы на токсичность двигателей допускают содержание СО на холостом |ходу 2%. Добиться такого уровня на существующих двигателях можно только Путем подавления процесса сгорания. Вместо СО в окружающую среду будет добрасываться несгоревшее топливо (углеводороды считаются в 1,5 раза менее токсичными, чем СО), и продукты его частичного окисления альдегиды (в 20..30 раз токсичнее СО), определение которых нормами не предусмотрено. Поэтому приходится „умельцам” регулировать карбюратор на 2%, выливая из выпускного трубопровода топливо. Разумно ли? Но вернемся к нейтрализаторам. Для дожигания 1% СО требуется несколько более 2% воздуха. Если учесть, что в отработавших газах содержится ^ще и некоторое количество свободного водорода, который „отберет” часть кислорода, углеводороды и альдегиды, то реально надо дополнительно подавать в отработавшие газы до 3...3,5% воздуха на 1 % СО. Таким образом, на холостом ходу и малых нагрузках необходим дополнительный воздух в количестве почти 1/4 объема отработавших газов. Однако не будем спешить. Во-первых, большое количество воздуха приведет к существенному снижению температуры и так уже достаточно холодных отработавших газов и реакция может прекратиться даже при наличии катализатора. Во-вторых, при сжигании 1% СО тепловыделение таково, что температура отработавших газов повышается примерно на 100° С. Нейтрализатор может просто сгореть. Аналогичная ситуация возникает и при работе двигателя на полных нагрузках. Содержание СО в таком случае меньше (2...4%), но температура отработавших газов может достигать 600...7000 С. А при температуре выше 800° С наиболее эффективный катализатор на основе платины или палладия теряет свою активность. Поэтому в систему нейтрализации бензинового двигателя обязательно включаются приборы температурного контроля и устройства для ограничения подачи дополнительного воздуха. И приходится мириться с тем, что на холостом ходу и полных нагрузках часть СО и углеводородных соединений останется несожженной. При работе двигателя на средних нагрузках степень очистки от СО и углеводородов достигает 75...95%. Очень хороший результат. Оксиды азота тоже можно нейтрализовать с помощью каталитического нейтрализатора, либо путем восстановления их до азота, либо доокислениец до нетоксичных высших оксидов (например, до N03). В системах нейтрализа4 ции бензиновых двигателей пользуются, как правило, первым способом. В Рис. 18. Нейтрализаторы отработавших газов: а — трехкомпонентный каталитический; б - пульсар-эжектор присутствии катализатора оксиды азота отдают кислород монооксиду углерода или водороду. Снижается содержание и NO, N02 и СО, а остатки СО до-окисляются с помощью дополнительно подаваемого воздуха. При нейтрализации отработавших газов дизелей используют второй способ: имеющийся в избытке кислород служит для доокисления низших оксидов азота. Современный нейтрализатор (рис. 18, а) представляет собой керамический блок (или блоки) 1, спеченный из тонкостенных ровных и гофрированных пластинок кремнезема Si02- На поверхность образовавшихся каналов (диаметром около 1 мм) наносится тонкий слой глинозема А1203, который пропитывается хлористой платиной; PtCl или хлористым палладием. Керамический блок круглого или овального сечения помещается в корпус 3 из коррозийно-стойкой стали. Между блоком и корпусом закладывается металлоасбестовое уплотнение 2, с помощью которого сохраняется герметичность и компенсируется разность тепловых расширений. Если предусмотрена нейтрализация СО, углеводородов и оксидов азота (трехкомпонентный нейтрализатор), то между блоками первой и второй ступени вводится воздухоподающая трубка 4. На выходе из нейтрализатора устанавливается термопара 5 для контроля температурного состояния. Для подачи дополнительного воздуха в нейтрализатор, имеющий только одну ступень доокисления СО и углеводородов, наиболее целесообразно подавать воздух с помощью пульсара-эжектора, схема которого показана на рис. 18, б. В пульсаре 6 используются волновые явления в выпускном трубопроводе, которые наиболее заметны при работе двигателя на малых нагрузках и с малой частотой вращения вала. При падении давления автоматический клапан 7 открывается и пропускает порцию воздуха, а при повышении закрывается. По мере роста частоты вращения вала и нагрузки эффективность пульсара падает, в работу вступает эжектор 8, который использует эффект подсасывания воздуха потоком отработавших газов, движущихся с высокой скоростью. Для трехкомпонентных нейтрализаторов такое простое устройство использовать не удается, так как колебания потока отработавших газов сглажены, скорость его в промежутке между блоками слишком мала. В данном случае приходится использовать небольшой нагнетатель, приводимый от двигателя. Каталитические нейтрализаторы позволяют существенно снизить выброс токсичных веществ. Зарубежными фирмами системы нейтрализации серийно монтируются на легковые автомобили. В нашей стране налажен выпуск нейтрализаторов отработавших газов, но только для автомобилей, автопогрузчиков и тракторов, работающих в местах с ограниченными возможностями воздухообмена - в шахтах, тоннелях, глубоких карьерах, портовых пакгаузах, заводских цехах, теплицах и т.п. Однако широкому их внедрению препятствует ряд факторов. Катализаторы или на основе благородных металлов, или оксидные теряют свою активность из-за оксидов свинца, которые возникают при сгорании анти-детонационной присадки к бензину - тетраэтилсвинца. До сих пор в подавляющем большинстве регионов нашей страны используется этилированный бензин, обусловливающий выброс неизмеримо более токсичных отработавших газов, содержащих оксиды свинца, и не позволяющий с помощью каталитических нейтрализаторов снизить выброс остальных токсичных веществ. Существуют методы производства бензинов с высокими антидетонацион-ными свойствами без применения токсичных присадок, но для этого необходима перестройка технологии производства на нефтехимических заводах. Что ж, будем надеяться... Кроме того, на период разогрева подачу воздуха целесообразно прекращать, чтобы не снижать температуру отработавших газов. Прогрев занимает достаточно долгое время, особенно после длительной остановки, когда блок термореактора остыл. Термореактор нужно располагать поближе к двигателю, чтобы отработавшие газы не успели охладиться в длинном выпускном Трубопроводе, а каталитический нейтрализатор на основе благородных металлов может быть установлен вместо глушителя, т.е. на удалении 1,5...2 м от [двигателя. Да и эффективность термореактора невелика: степень очистки Ьтработавших газов 60...70%. Но это лучше, чем ничего, особенно при широком применении этилированного бензина. Сажа, которая является характерным компонентом отработавших газов изелей с неразделенными камерами (рис. 20, а, б), чисто механически дезак-ивирует катализатор, загрязняя его поверхность. Количество образующейся жи зависит и от качества распиливания топлива форсункой и от нагрузки перегрузки) двигателя. Перед нейтрализатором устанавливают сажевые ильтры. Беда в том, что они достаточно быстро забиваются сажей, иногда в чение одной-двух смен работы автомобиля. Поэтому фильтры необходимо чищать от сажи прожиганием. Рис. 19. Термореактор: 1 — трубка подачи дополнительного воздуха; 2 — корпус; 3 — блок; 4 — теплоизоляционный материал
Пои использовании этилированных бензинов для нейтрализации отрабо-J Гораздо меньшей склонностью к сажеобразованию обладают дизели с тавших газов можно с достаточной эффективностью применять термореак-* ЗИхревой камерой (рис. 20, в). Создаваемая в камере интенсивная турбулиза-тооы (оис 19) Принцип их действия заключается в следующем. При работе ция заряда позволяет хорошо перемешивать топливо с воздухом, благодаря двигателя на больших нагрузках отработавшие газы разогревают массивный' %еМу устраняю!ся зоны переобогащенной смеси, в которых образуется сажа, керамический или чугунный блок термореактора. При достижении темпера^ д0 вихрекамерные дизели имеют на Ю...15% больший удельный расход топ-туоы около 550° С на его поверхности начинают идти реакции доокисления ^ва и применяются в настоящее время главным образом для быстроходных углеводородов СО и альдегидов. Накопленная блоком теплота позволяет двигателей легковых автомобилей. Делать менее экономичные, но и менее продолжать эти процессы и при переходе на малые нагрузки, тем более, что гоксичные вихрекамерные модификации дизелей для карьерного и шахтно-выделяющаяся при догорании теплота поддерживает достаточную температу- г0 автотранспорта, по-видимому, считают нецелесообразным. dv блока. Конечно, для термореактора нужна подача дополнительного воздуха,! Некое промежуточное положение с точки зрения токсичности (и удельно-‘    *    *Ц> расхода) топлива занимают дизели с объемно-пленочным смесеобразова- ием (рис. 20, г), в которых основная струя топлива впрыскивается на стенку остаточно глубокой камеры сгорания, а запальная струя (10... 15% общей озы впрыскиваемого топлива) в объем. Топливо испаряется со стенки каме-ы благодаря достаточно интенсивному вихревому движению воздуха, хоро- Рис. 20. Камеры сгорания дизелей: а и б — неразделенные соответственно плоская и глубокая с вихрем; в — вихревая с интенсивной турбулизацией заряда; г — с объемно-пленочным смесеобразованием
о перемешивается с ним и воспламеняется от фронта пламени запальной уи. Теоретически такие двигатели выбрасывают значительно меньше ксидов азота и сажи. Но наблюдения за городскими автобусами „Икарус”, снащенными такими двигателями, к сожалению, теории не подтверждают, отработавших газах содержится заметно большее количество углеводоро-ов и высокотоксичных альдегидов. Последние являются причиной неприят-ого запаха отработавших газов этих дизелей. ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В отличие от поршневого двигателя, в котором все процессы происходят ; ^ри непрерывно изменяющихся объеме надпоршневого пространства, давле-< яии и температуре газов, ГТД представляет собой тепловую машину с более ; дли менее установившимся непрерывным процессом. Индикаторную диа-j Т>амму такого двигателя целесообразнее представлять как зависимость ] изменения давления р2 и температуры Т2 газов от длины проточной части \ П.Ч.ГТД (рис. 21). Воздух сжимается в компрессоре, приводимым турбиной i компрессора, до давления 0,5...0,7 МПа, которое, как уже отмечалось, является максимальным для всей проточной части ГТД. В авиационных двигателях большой мощности применяются многосту-енчатые осевые компрессоры, которые позволяют достичь еще большего явления сжатия - до 2,0 МПа и выше. Из компрессора сжатый воздух в транс- Рис. 21. Давления и температуры в проточ* ной части ГТД: 1 — компрессор; 2 — турбина компрессора; 3 — силовая турбина; 4 - теплообменник; 5 — камера сгорания; 6 - трансмиссия
портных ГТД поступает в теплообменник регенеративного или рекуперативного типа и дополни* тельно подогревается отработав» шими газами. Естественно, что^ давление воздуха в теплообмен-; нике несколько снижается, а5 температура возрастает. Тепло*'? обменники позволяют повысит^ КПД двигателя и снизить расход топлива, но применяются ohj0 только для двигателей назем! ного транспорта или для судов. Теплообменники регенеративного тип» (рис. 22, а) должны обладать развитой поверхностью теплопередачи, а рекупе| ративного типа (рис. 22, б), кроме того, достаточной теплоемкостью, поэтому они обладают большими размерами и массой, что неприемлемо для авиациоЙ ных двигателей.    |
В камере сгорания ГТД происходят те же физико-химические процессьа что и в поршневом двигателе, только не в замкнутом пространстве цилиндр» а в непрерывно движущемся потоке. В камере сгорания (рис. 23, а) можно выделить несколько зон.
Во-первых, зона смешения топлива с воздухом/, длина которой зависит от скорости потока и качества распыливания топлива. Во-вторых, зона II предпламенных реакций, в которой происходят испарение капелек топлива и расщепление его молекул на радикалы под действием теплоты, передаваемой от фронта пламени. Молекула топлива успевает преодолеть некоторое расстояние, прежде чем произойдет элементарная реакция с выделением энергии. Наиболее подготовленные к реакции молекулы окисляются у передней границы фронта пламени.
Окисление углеводородов топлива - это длинная цепочка превращений от первичных радикалов СН- до конечных продук- Рис. 22. Теплообменники: а — регенеративный; б — рекуперативный Рис. 23. Камеры сгорания ГТД (продолжение): а — прямоточная; б — кольцевая; в — трубчато-кольцевая; 1 — корпус компрессора; 2 — свеча; 3 — распылитель; 4 — жаровая труба; 5 — кожух камеры; 6 - газосборник; 7 — сопловой аппарат; 8 — внутренняя стенка; 9 — наружная стенка; i 0—завихрите ль; И — камера сгорания; 12 — смесительные сопла; 13 — штифт; 14 — форсунка; 15 — жаровая труба; 16 — пламеперебрасывающий патрубок; 17 — выходной патрубок Рис. 24. ГТД (продолжение); а — турбореактивный; 6 — турбовинтовой; в — транспортный; 1 — компрессор; 2 — турбина компрессора; 3 — силовая турбина; 4 — теплообменник гов. Но поскольку процесс сгорания является вероятностным, размер капелек топлива неодинаков, предпламенные и элементарные реакции образования конечных продуктов растягиваются по длине камеры на ширину зоны П1 горения. Размер зоны III и ее положение относительно распылителя определяются скоростью потока, качеством распыливания топлива, его физикохимическими свойствами, температурой в зоне горения и другими факторами. Для того чтобы обеспечить нормальный процесс сгорания топливовоздушной смеси, ее состав должен быть близкий к стехиометрическому, причем I. | температура газов повышается до 1700° С и выше. Для защиты стенок камеры от воздействия высокой температуры и создается воздушная полость. Как правило, камеры сгорания делаются достаточно большого диаметра, > чтобы уменьшить скорость потока и сократить зону III горения. Для достижения максимальной гомогенизации смеси на возможно более коротком участке топливо подается через распылители широким конусом, который в ряде случаев разворачивают против потока воздуха. С этой же целью применяют i предварительный нагрев топлива вплоть до испарения еще до смешивания ■    его с воздухом. Для того чтобы создать необходимый перепад давлений, j обусловливающий качество распыливания, делают двухканальные распыли- ■    !гели. На малых нагрузках работает один канал меньшего сечения, а на боль-5 ших - топливо подается и через второй канал. Для ГТД малой мощности (до 100 кВт) делают одну камеру сгорания, из i которой газы по улитке распределяются по периметру колеса турбины, а для двигателей большой мощности делают более сложные камеры сгорания : [рис. 23, б, в), в том числе и кольцевого типа с большим числом распылителей. Цля турбореактивного двигателя (рис. 24, а) авиационного типа проточная ] часть заканчивается реактивным соплом. В турбовинтовых ГТД и ГТД транс-портных машин (рис. 24, б, в) существует вторая ступень расширения - сило- I вая турбина, связанная редуктором с винтом самолета (судна) или трансмиссией с колесами наземного экипажа. Как правило, турбина компрессора и «иловая турбина кинематически не связаны. Частота вращения турбины 1 Рис. 25. Примеры конструктивного решения:

Рис. 26. Регулируемый сопловой аппарат: а — схема; б — с зубчатым приводом поворотных лопаток; 1 — сопловой аппарат турбины компрессора; 2 — колесо компрессора; 3 — поворотные лопатки; 4 — венец управления поворотом лопаток; 5—лопатки силовой турбины; б—ведущий рычаг; 7 — зубчатый сектор; 8 — шестерня
компрессора не должна зависеть от частоты вращения тяговой турбины, обусловленной, например, скоростью движения наземной машины. Примеры конструктивного решения многоступенчатого осевого компрессора и одноступенчатой осевой турбины показаны на рис. 25. Одной из актуальных задач при создании ГТД, особенно для наземных транспортных машин, для которых характерен широкий диапазон нагрузочных и скоростных режимов, является оптимальное регулирование мощности. Мощность ГТД зависит от массы и температуры протекающего через лопаточный аппарат рабочего тела. В свою очередь масса рабочего тела (воздуха), подаваемого в камеру сгорания компрессором, зависит от работы расширения продуктов сгорания в турбине компрессора. Один из возможных способов регулирования мощности, в том числе мощности, отбираемой турбиной компрессора, - изменение температуры продуктов сгорания в результате изменения состава смеси (расхода топлива). Естественно, что при уменьшении подачи топлива снизится температура продуктов сгорания, уменьшится их работа расширения в проточной части турбины компрессора и, соответственно, масса воздуха, подаваемого компрессором. Конструктивно такой способ регулирования решается наиболее просто. Но при падении температуры рабочего тела на частичных нагрузках уменьшается термический КПД цикла, увеличивается удельный расход топлива, что невыгодно. Другой способ - изменение массы рабочего тела при сохранении его температуры. Для этого необходимо регулировать степень расширения газов в турбине компрессора, изменяя сопротивление на выходе из нее, например, с помощью регулируемого соплового аппарата с поворотными лопатками (рис. 26). а - многоступенчатого осевого компрессора; б - одноступенчатой осевой турбины; 1 - корпус пев Поскольку в данном случае сохраняется высокая температура продуктов реднего подшипника; 2 — входное сопло; 3 — обтекатель; 4, 12 — рабочие лопатки; 5 - направляю^ Сгорания, то ДЛЯ совершения работы силовой турбиной требуется меньше 7”к^пусгмосборника,*5“ бандаж соплового аппарата! рабочего тела и, следовательно, меньшая мощность на привод компрессора, зосборника    * кожух тур ины; -вал турбины; 13 - диск турбины; 14 - патрубок га£ Но уменьшение подачи компрессора связано с уменьшением его КПД. Выиг-
рыш в экономии топлива по сравнению с первым способом регулирования
может быть ощутимым только при использовании эффективного теплообмен* ника, в котором более горячие продукты сгорания отдают теплоту сжатом}-воздуху. Кроме того, регулируемый сопловой аппарат силовой турбины ело. жен, его поворотные лопатки работают в потоке горячих отработавших газов. В настоящее время ГТД оснащают регулируемым направляющим аппаратом на входе в компрессор. Это позволяет снизить подачу компрессора, прак-тически не снижая частоты его вращения в широком диапазоне регулирования, и сохранить достаточно высокую температуру отработавших газов. Тако^ способ регулирования мощности менее эффективен с точки зрения экономии! топлива, чем регулируемый сопловой аппарат силовой турбины, но направо ляющий аппарат на входе в компрессор работает в потоке холодного воздуха! и эксплуатационно более надежен. Применение новых жаропрочных материалов на основе керамики или» металлокерамики и автоматического регулирования температурного режима! двигателя (перепад температур неблагоприятно действует на большинству керамических материалов) в сочетании с бортовыми ЭВМ и микропроцессор рами позволяет значительно повысить допустимые рабочие температуры (до* 1300...1500° С), термический и эффективный КПД ГТД и снизить удельные? расходы топлива. Несомненно, что благодаря многим достоинствам ГТД в| ближайшем будущем получат широкое распространение не только в авиацш! или на специальных судах и машинах, но и в качестве самостоятельны^ силовых агрегатов и в составе комбинированных силовых агрегатов обычны^ транспортных средств, где требуется большая мощность при малых габаритных размерах и массе. 4. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ Выше на основании анализа индикаторной диаграммы было получено значение индикаторной мощности N, и среднего индикаторного давления р{. Однако эти величины могут заинтересовать сравнительно узкий круг исследователей и конструкторов. Потребителя (и владельца автомобиля, и конструкторов тех или иных машин, в которых используется ДВС) интересует прежде всего мощность, которая передается на трансмиссию автомобиля, винт корабля или на рабочие органы машины - эффективная мощность двигателя Ne. Эффективная мощность представляет собой разность между индикаторной мощностью и мощностью, затрачиваемой на преодоление механических потерь NMex в двигателе, т.е. на преодоление трения в кривошипно-шатунном механизме, на привод механизма газораспределения и всех других механизмов и систем, обеспечивающих нормальное функционирование двигателя (масляного, топливного, водяного насосов, электрического генератора системы зажигания и т. д.). Таким образом: АТ хг хг    - хг    ^Ре ^h п е ~ ~ ^мех ~ Л м ~ ^ ^    > где т|м * механический КПД; ре - среднее эффективное давление, условная величина давления газов, равная р,- л м;к - коэффициент перевода в применяемые единицы мощности. Абсолютное значение мощностей ДВС находится в широких пределах: от десятых и даже сотых долей киловатта у двигателей авиамоделей до нескольких десятков тысяч (40...60 тыс. кВт) судовых поршневых и ГТД. Для авиационных турбореактивных двигателей используют оценочный параметр тяги, которая достигает значения 100...200 кН. Однако сравнивать двигатели по абсолютной мощности не имеет смысла, так как каждый предназначен для конкретного объекта - автомобиля, тепловоза или судна. Сравнение по удельным показателям позволяет судить о совершенстве конструкции двигателя. Одним из таких параметров является литровая мощность - мощность, получаемая с 1 л рабочего объема поршневого ДВС. По литровой мощности целесообразно сравнивать только однотипные двигатели. Мощность высокофорсированных двигателей специальных гоночных автомобилей достигает фантастических значений 450...500 кВт/л, а тихоходных судовых ДВС всего 3...5 кВт/л (характерные значения этого параметра приведены на рис. 27). Дело в том, что в формулу мощности входят еще две величины: частота вращения вала w среднее эффективное давление, которые изменяются в достаточно широких пределах. Например, микродвигатели авиамоделей развивают частоту вращения вала 20...25 тыс. мин-1, а огромные, с рабочим объемом одного цилиндра более кубометра, судовые двигатели -всего 200...300 мин-1. Частота вращения вала двигателя ограничивается силами инерции, возникающими в кривошипно-шатунном механизме. Силы 200 Рис. 27. Литровая мощность двигателей транспортных средств Рис. 28. Частота вращения вала двигателей транспортных средств инерции прямо пропорциональны массе движущихся деталей (поршня и шатуна) и квадрату частоты вращения вала. Кроме того, с ростом частоты вращения вала повышаются механические потери, изнашивание трущихся пар, снижается долговечность двигателя. Если для двигателя специального гоночного автомобиля достаточна долговечность в несколько часов (на продолжительность гонки или рекордного заезда), то судовой двигатель должен прослужить 20...30 лет. Характерные для тех или иных транспортных средств частоты вращения вала ДВС показаны на рис. 28. Валы ГТД и турбореактивных двигателей вращаются с частотой вращения до 40...60 тыс. мин-1. По таким показателям, как литровая мощность и частота вращения вала, судовые поршневые двигатели находятся на последних позициях. Для сравнения существует еще показатель - среднее эффективное давление, которое характеризует напряженность всего цикла и, соответственно, максимальные значения давлений, возникающих при сгорании. Массивные детали криво-шипно-шатунного механизма тихоходных дизелей обладают прочностью достаточной, чтобы выдержать высокие газовые нагрузки (при высоких степенях наддува и сжатия). Среднее эффективное давление у них может достигать 1,8...2,0 МПа. Приблизительно такие значения рв имеют высскофор-сированные дизели боевых машин и двигатели специальных гоночных машин. У обычных двигателей (бензиновых и дизелей) ре находится в пределах Рис. 29. Среднее эффективное давление двигателей транспортных средств Рис. 30. Схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме двигателя, и развернутая по углу поворота коленчатого вала диаграмма сил 0,6...0,9 МПа (рис. 29). Высокие средние и, особенно, максимальные давления существенно влияют на надежность ДВС, поэтому даже для судовых тихоходных дизелей значения ре ^ ограничены 1,0... 1,2 МПа.
Рассмотрим нагрузки в деталях кривошипно-шатунного механизма несколько подробнее. Схема действия сил в нем показана на рис. 30, а. На рис. 30,6 представлены развернутые по углу поворота коленчатого вала диаграммы сил давления газов Рг и сил инерции Р} возвратно-поступательно движущихся деталей. В результате сложения этих сил получим суммарную силу, действующую в сочленении поршня с шатуном Р£. Наибольшие силы инерции возникают в ВМТ, в которой складываются круговое движение кривошипа s' (рис. 30, в) и движение выпрямления шатуна s" (эти движения определяют скорости, ускорениям силы инерции соответственно первого и второго порядка). В НМТ движения первого s’ и второго s" порядков вычитаются, и силы инерции получаются меньшими, чем в ВМТ. Обратите внимание еще на одну особенность взаимодействия газовых и инерционных сил: в ВМТ, в период сгорания, газовые и инерционные силы действуют в противоположные стороны. Это, в частности, и позволяет за счет сил инерции снизить в кривошипно-шатунном механизме нагрузки от газовых сил в высокофорсированных, быстроходных двигателях гоночных автомобилей. Таким образом, в сочленении поршня и шатуна (см. рис. 30, б) действует по направлению оси цилиндра суммарная сила имеющая две составляющие: направленную вдоль шатуна Рш и нормальную силу N, которая прижимает поршень к стенке цилиндра. Трение, обусловленное силой N составляет только часть (меньшую) суммарных сил трения пары цилиндр - поршень. Основную долю составляют силы трения поршневых колец о стенки цилиндра. Сила N, помноженная на расстояние от оси коленчатого вала до точки ее приложения, дает значение опрокидывающего момента Мопр и определяет величину воздействия двигателя на опоры. В сочленении нижней головки шатуна с кривошипом вала сила Рш раскладывается на две составляющие: силу Рк, действующую по радиусу кривоши- па, и тангенциальную силу Г, перпендикулярную к Рк. Произведение силы Т на радиус кривошипа г дает значение крутящего момента М. А сила Рк в сочетании с центробежной силой инерции Ps нижней головки шатуна определяет величину нагрузки на коренные опоры коленчатого вала. Поскольку существует прямая зависимость между силой давления газов и тангенциальной составляющей силы, действующей вдоль шатуна, мощность двигателя можно выразить через крутящий момент: рис. 32. Внешняя скоростная характе- N, М, (]р ристика поршневого двигателя

2Ре Vb П т к •Ме л
N. =
где А - коэффициент приведения к единицам мощности. Среднее эффективное давление ресо является удельным показателем, характеризующим параметры рабочего цикла и напряженность деталей криво-шипно-шатунного механизма, а крутящий момент является важным оценочным параметром для каждой конкретной модели ДВС. С помощью величины М определяют передаточное отношение в трансмиссии между валом двигателя и, например, осью колеса или валом винта. На рис. 31 представлена схема силового взаимодействия в трансмиссии автомобиля. Во время движения автомобиль испытывает аэродинамическое сопротивление воздуха и сопротивление качению колес Рс, при разгоне он должен преодолеть силы собственной инерции, а при движении на подъем -противодействующую составляющую массы автомобиля. Преодоление всех этих сопротивлений реализуется силой Р^, возникающей в точке контакта ведущего колеса с дорогой. К колесу должен быть приложен момент МКЛ — Ркл гкл, где гjy, - радиус колеса. Для того чтобы обеспечить движение автомобиля с заданными параметрами, должен существовать баланс мощности двигателя и мощности, реализуемой на ведущих колесах (с учетом КПД трансмиссии т|тр), или Мп т|Тр /А Л^кл    Ми^ пкп/А, где - частота вращения колеса; и^ - передаточное отношение трансмиссии, равное произведению передаточных отношений коробки передач и главной передачи соответственно ик#п и иГяП. Любое транспортное средство или любая машина, оснащенная ДВС, работает с переменными нагрузками и частотами вращения вала. Поэтому 50 важно знать не только максимальные значения мощности или крутящего момента, которые может достичь двигатель, но и изменение указанных величин в зависимости от изменения частоты вращения вала. Такую зависимость описывает внешняя скоростная характеристика двигателя (рис. 32). Внешняя скоростная характеристика - изменение мощности Ne и крутящего момента М при полностью открытой дроссельной заслонке у бензинового (газового) двигателя или при полной подаче топлива у дизеля, при составе смеси и углах опережения зажигания или впрыскивания, обеспечивающих максимальную мощность при данном режиме. На рис. 32 дана зависимость удельного расхода топлива ge, т.е. массы топлива, израсходованного за 1 ч работы двигателя и отнесенного к единице мощности. Удельный расход топлива является одним из важнейших показателей совершенства конструкции двигателя. В технических характеристиках, как правило, дается значение минимального удельного расхода топлива при работе двигателя по внешней скоростной характеристике. Характерные значения данного параметра для тех или иных типов двигателей показаны на рис. 33. Обратите внимание на характер протекания кривой крутящего момента (см. рис. 32). Он достигает максимального значения в зоне средних частот вращения вала. При малых частотах вращения ухудшается процесс смесеобразования, уменьшается наполнение цилиндров свежим зарядом из-за обратного выброса через открытые еще в начале такта сжатия клапаны. При больших частотах вращения ухудшается наполнение цилиндров из-за увеличения аэродинамического сопротивления впускного и выпускного трактов эффективность использования топлива из-за недогорания его части (мало время для сгорания) и увеличения тепловых потерь вследствие интенсивной турбулизации заряда и увеличения продолжительности процесса сгорания по углу поворота вала. Самое главное: с ростом частоты вращения вала резко (в кубической зависимости) возрастают затраты мощности на преодоление механических потерь. По таким же причинам в зоне малых и больших частот вращения вала увеличивается удельный расход топлива, а график изменения мощности имеет характерный изгиб. Ниже кривой Ne находится область всех возможных сочетаний мощности и частот вращения вала, которые могут быть реализованы двигателем. Наиболее полное представление о возможностях двигателя дает сравнение кривых его мощности Ne и мощности, требуемой на преодоление сопротивления движению Nc. Величина Nc складывается из мощностей на преодоление аэродинамического сопротивления (зависит от скорости движения) и сопротивления качению (зависит от фактической нагрузки автомобиля и качества дороги). Точка пересечения кривых Ne и Nc определяет величину максимально достижимой скорости экипажа. При меньших скоростях движения избыточная мощность двигателя может быть израсходована либо на преодоление подъемов либо на преодоление сил инерции при разгоне автомобиля. Чем больше избыточная мощность, тем динамичнее автомобиль. Однако не будем спешить с выводами. Приведенная на рис. 32 кривая изменения удельного расхода топлива относится к режиму работы на полной нагрузке. Полная нагрузка двигателя реализуется только при движении автомобиля с максимальной скоростью, в крайнем случае при резком разгоне или подъеме на достаточно крутую гору. В условиях нормальной эксплуатации двигатель работает на частичных нагрузочных и скоростных режимах, поэтому важнее знать, какой будет расход топлива в указанных условиях. На рис. 34, а показана зависимость удельного расхода топлива от нагрузки двигателя при постоянной частоте вращения вала, а на рис. 34, б - универсальная характеристика, которая показывает удельные расходы топлива во всей области возможных сочетаний нагрузочных и скоростных режимов работы двигателя. На рассматриваемой кривой наносится точка абсолютного минимального удельного расхода ge min топлива и серия кривых, соединяющих точки, соответствующие скоростным и нагрузочным режимам с одина- Рис. 34. Влияние режима работы двигателя на удельный расход топлива; а — зависимость ge от нагрузки Р; б — универсальная характеристика; 1 и 2 — тяговые характеристики соответственно грузового и легкового автомобилей
ковым удельным расходом. Как правило, такие кривые строятся с шагом 10 г/(кВт • ч) от точки ge min. ход    нагрузка а)
Характер кривой удельного расхода топлива от нагрузки объясняется следующим образом. На холостом ходу вся энергия топлива расходуется только на преодоление внутренних механических сопротивлений. Полезная (эффективная) мощность равна нулю. Поэтому удельный эффективный расход бесконечен. По мере роста нагрузки увеличивается доля использования энергии топлива для совершения полезной работы, и значение ge снижается до минимального. Для достижения максимальной нагрузки (мощности при данной частоте вращения вала) увеличивается подача топлива (в дизеле) или обогащается смесь (в бензиновом двигателе), возрастает доля неиспользованной тепловой энергии топлива (из-за неполного сгорания и роста тепловых и механических потерь). Повышается и удельный расход топлива. Если на универсальную характеристику наложить кривую мощности на преодоление сопротивления движения, можно определить удельные расходы, характерные для тех или иных скоростных режимов движения, которые существенно отличаются от минимального значения. Мощность на преодоление сопротивления качению практически линейно зависит от скорости. Для быстроходного легкового автомобиля определяющей является мощность на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха, которая увеличивается в кубической зависимости. Двигатель грузового автомобиля имеет меньший запас мощности для разгона, но на эксплуатационных режимах работает с относительно большей нагрузкой и меньшими удельными расходами. А двигатель быстроходного легкового автомобиля обеспечивает большой запас мощности и хорошую динамику, но в условиях обычной эксплуатации работает с очень малыми нагрузками и высокими удельными расходами топлива. К характеристикам поршневого двигателя относятся их геометрические параметры: рабочий объем Vh, ход поршня S, диаметр цилиндра D, число цилиндров L Для РПД - рабочий объем камеры и число роторов. Диапазон изменения этих показателей очень велик: объем двигателя для авиамоделей - 2...3 см3, а объем судового дизеля-тихохода - 3...4 м3, число цилиндров может быть от одного (двигатели мотоциклов, мопедов, бензопил и т.п.) до нескольких десятков (быстроходные судовые дизели с компоновкой в виде звезды или дельта); диаметры цилиндров - от нескольких миллиметров до 1 м и более. Частота вращения коленчатого вала двигателя, геометрические размеры цилиндра и число цилиндров тесно взаимосвязаны друг с другом и прочими показателями. Для примера сравним двигатель одного и того же литража с малым и большим числом цилиндров. Чем меньше размер цилиндра, тем меньше масса деталей кривошипношатунного механизма и механизма газораспределения, меньше силы инерции. Значит возможно увеличить частоту вращения коленчатого вала двигателя и, следовательно, при том же рабочем объеме - мощность. Увеличение частоты вращения коленчатого вала обеспечивается не только из-за уменьшения массы, но и из-за уменьшения геометрических размеров камеры сгорания, так как чем короче путь фронта пламени, тем быстрее завершится процесс сгорания. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют несомненные преимущества. Но опять „но”... Если увеличивается число цилиндров, то увеличиваются суммарная поверхность охлаждения камер сгорания, поверхность трения в кривошипношатунном и других механизмах (механические потери), число деталей и обрабатываемых поверхностей, а также энергетические затраты на их обработку. В результате стоимость двигателя в производстве и эксплуатации повышается. Механические потери непосредственно влияют на экономичность двигателя, чего нельзя сказать о тепловых потерях и потерях из-за неполноты сгорания в холодном пристенном слое. Действительно, у двигателя с малым числом цилиндров поверхность охлаждения камер сгорания, отнесенная к их объему, меньше, чем у многоцилиндровых, но зато меньше и частота вращения вала, а следовательно, больше время, затрачиваемое на процесс сгорания и процесс теплоотвода за период каждого цикла. У высокооборотных многоцилиндровых двигателей интенсивнее турбулизация заряда, интенсивнее массообмен в пристенном слое, в то же время большая часть топлива из холодных пристенных слоев вовлекается в процессе сгорания при более интенсивном теплоотводе. Все данные факторы необходимо учитывать при создании каждой конкретной модели двигателя. Одним из характерных показателей двигателя является и степень сжатия - отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сжатия Vc (см. рис. 29, а). У дизелей мы должны сжать заряд воздуха так, чтобы температура его была достаточна для самовоспламенения впрыскиваемого топлива. Данному условию соответствуют степени сжатия е в пределах 14...25. Чем выше степень сжатия, тем выше и степень расширения продуктов сгорания, и, следовательно, тем выше эффективность использования энергии топлива. Но для двигателей с внешним смесеобразованием степень сжатия ограничивается возникновением детонационного сгорания: для бензиновых е равна 7... 10, а для газовых - 12...14, так как газовое топливо обладает большей, чем бензины, детонационной стойкостью. Примеры компоновки современных поршневых двигателей для различных транспортных средств приведены на рис. 35. Для двигателей с числом цилиндров от 1 до 6 наиболее типична рядная компоновка. Рядные двигатели с большим числом цилиндров уже не используются. Объясняется это тем, что коленчатый вал становится слишком длинным, он теряет жесткость (как и картер двигателя), появляется склонность к крутильным колебаниям коленчатого вала, увеличивается изнашивание коренных подшипников из-за нарушения геометрии масляного клина при деформациях. Для увеличения жесткости двигателя приходится увеличивать толщину стенок корпуса и диаметр шеек коленчатого вала, что ведет к увеличению массы. Поэтому двигатели с числом цилиндров от 8 до 12 делают с V-образной компоновкой (встречаются двигатели с компоновкой V-2 и V-4). Положение цилиндров рядного двигателя в моторном отсеке может быть произвольным - от вертикального до горизонтального. Угол между цилиндрами V-образного двигателя меняется от минимального (12... 15°) до 180° (оппозитная компоновка). Наиболее Рис. 35. Компоновки поршневых ДВС:



а — одноцилиндровый; б - рядная компоновка; в - V-образная компоновка; г - компоновка „звезда”; д — компоновка,дельта” с тремя коленчатыми валами; е — многоовальная компоновка „квадрат” Рис. 36. Габаритные размеры различных типов двигателей: а — мотоцикла; б — легкового автомобиля; в — грузового автомобиля средней грузоподъемности; г — тепловоза; д — тихоходного судового дизеля; е — авиационного ТРД используемые углы развала цилиндров 90 или 60°. Это связано с равномерностью чередования рабочих ходов в цилиндрах, равномерностью крутящего момента и уравновешиванием сил инерции, которые определяют воздействие двигателя на опоры, а следовательно, и комфорт в салоне автомобиля или каютах теплохода. Для двигателей с еще большим числом цилиндров, которые в настоящее время характерны для быстроходных судов, а раньше широко применялись в авиации, используют компоновку „звезда” или „дельта” с несколькими рядами цилиндров. Общее число цилиндров в двигателе с компоновкой в виде семилучевой звезды может достигать 56. Компоновка „дельта” получается как бы из трех V-образных двигателей или трех двигателей „боксер”. Она широко применяется для двухтактных дизелей. Габаритные размеры различных типов двигателей показаны на рис. 36. Показатели РПД и характеристики мощности и крутящего момента принципиально не отличаются от традиционных поршневых. Рабочий объем определяется как разница между максимальным и минимальным объемами, между гранью ротора и стенкой статора. Если сравнивать литровые мощности РПД с трехгранным ротором (двигатель Ванкеля) и четырехтактного поршневого двигателя, то объем камеры РПД следует удваивать, так как на один оборот вала приходится один рабочий ход. Поскольку частота вращения РПД ограничивается 6000...8000 мин-1, то и литровые мощности получаются примерно одинаковые как у поршневых двигателей подобного класса. Габаритные размеры РПД (без агрегатов системы охлаждения и т.п.) существенно меньше, сам двигатель компактнее, легче, но с учетом всех навесных агрегатов и систем указанные преимущества оказываются не так ощутимы: все обслуживающие агрегаты одинаковы и для поршневого двигателя и для РПД. Удельные расходы топлива РПД в настоящее время одинаковы с поршневыми, а на некоторых экспериментальных РПД достигнуты и лучшие показатели, чем у серийных поршневых, прежде всего за счет меньших механических потерь. ГТД имеет принципиально отличный рабочий процесс и иные оценочные показатели. Но по физической сути они совпадают с поршневыми. Рабочий объем поршневого двигателя, умноженный на частоту вращения коленчатого вала, - ни что иное, как характеристика расхода рабочего тела за единицу времени. А в ГТД секундный расход рабочего тела является одной из основных характеристик сравнения. Для реально применяемых транспортных ГТД он колеблется в пределах от 1,5...2 до 100... 150 кг/с и более. Удельная мощность, отнесенная к 1 кг/с расхода рабочего тела, достигает 130...170 кВт. Для транспортных ГТД с теплообменниками удельная масса сравнима с бензиновыми двигателями и составляет около 1,7...2 кг/кВт, а удельные минимальные часовые расходы топлива приближаются к значению 200...220 г/(кВт-ч). Частота вращения вала компрессора современных ГТД находится в пределах 40...60 тыс. мин-1. При этом частота вращения тяговой турбины может изменяться в широких пределах. Степень повышения давления воздуха в компрессоре транспортных ГТД в пределах 5...6, редко до 10...11. Для авиационных ГТД характерны более высокие степени повышения давления - до 25...30, с учетом внутреннего охлаждения лопаток турбины компрессора температура газов на входе в турбину достигает 1300...13500 С. В авиационных ГТД характерным параметром сравнения является тяга, которая в настоящее время достигает 100...200 кН на агрегат. Удельная масса ГТД авиационного типа без теплообменников и тяговой турбины составляет 0,4...0,6 кг/кВт. 5. КАК И КОГДА ВОЗНИК ДВИГАТЕЛЬ Мы вспомнили принцип действия и устройство ДВС, его основные параметры. Прежде чем двигатель обрел современный облик, человечеству пришлось пройти огромный путь познания природы, ее тайн и закономерностей, измеряемый тысячелетиями. Обращение к истории позволяет не только проследить этапы возникновения и становления тех или иных научных идей или механизмов, но и заглянуть в будущее. История хранит множество решений, которые только в наши дни возможно воплотить или которые еще ждут своего часа. В создании и развитии идей не существует национальных или государственных границ: двигатель является творением коллективного разума человечества, и каждый народ внес в его создание свою лепту, соответствующую конкретным социально-историческим условиям его развития на том или ином отрезке истории. ДВС является только одним из видов тепловых двигателей, он развивался одновременно с паровыми и тепловоздушными двигателями. Основа ДВС — цилиндр и поршень, связанный кривошипным механизмом с коленчатым валом, или лопаточное колесо турбины. С этими элементами двигателя человечество знакомо с древнейших времен. Водяное лопаточное колесо для подъема воды или привода жерновов известно со времен цивилизации междуречья Тигра и Евфрата и долины Нила. Здесь же возникли искусство обработки металлов и токарное ремесло, появились первые прообразы кривошипно-шатунных механизмов. Поршневой насос для подъема воды, оснащенный автоматическими клапанами, был известен в эллинистических государствах еще до наступления новой эры. Гончарный круг и простейший токарный станок, а еще ранее — полый ствол бамбука предопределили и конструктивную основу поршневых машин. В эллинистических государствах достигла расцвета механика, прежде всего, благодаря заслугам Архимеда. Древние римляне были знатоками строительства и практической теплотехники. Примером достигнутого ими уровня могут быть системы отопления жилых зданий и грандиозные термы эпохи императоров. Правитель Александрии Герон создал устройства, способные открывать двери храма или поднимать помосты в результате давления нагреваемого воздуха; машину, которая вращалась под действием выходящей из нее струи пара. В то время все это воспринималось как чудеса, нежели устройства для практического применения. Средневековые схоласты-алхимики, искавшие философский камень и эликсир вечной молодости, сделали многие полезные открытия в области химии и металлургии, а практичные народные умельцы освоили и водяное колесо, и ветряную мельницу, и многие другие механизмы, оставленные им в наследие античностью. В XV в.Бертольду Шварцу удалось разгадать секрет изготовления пороха, задолго до этого изобретенного в Китае. В Европе появилось огнестрельное оружие, а ведь орудийный ствол и ядро очень близки к цилиндру и поршню. В XVI в., по свидетельству летописей, в России появились огненные стрелы — прообразы реактивных снарядов. Эпоха Возрождения — эпоха развития торговли и мореплавания, искусства и науки, ремесел и мануфактурного производства раскрепостила человека от догмы, создала человека-творца. Недаром она породила целую плеяду замечательных ученых-естествоиспытателей. В этой эпохе возродилась идея создания машины, способной заменить человеческий труд, машины, не зависящей от непостоянства природы. ПРЕДЫСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ В начале XVII в. в 1606 г., итальянец Джованни Порта предлагает осуществлять подъем воды посредством расширяющегося нагретого пара Рис, 37. Эффект давления пара (рис. 37). Спустя несколько лет, в 1629 г., Джованни Бранка разработал идею использования паровой турбины для привода камнедробилки (рис. 38).
В середине XVII в. итальянец Эванджелиста Торричелли и француз Блез Паскаль, изучая свойства воздуха, открыли эффект атмосферного давления.
Исаак Ньютон провел опыты с паром и создал проект повозки с реактивным паровым двигателем, а в 1654 г. немецкий ученый Отто фон Геррике продемонстрировал знаменитый опыт с полушариями, из полостей которых был откачан воздух. Данный опыт надолго поразил воображение современников и послужил мощным импульсом к созданию двигателя атмосферного двигателя. Если воздух с такой силой сжимает полушария, что их не могут разъединить шестнадцать статных коней, то не будет ли он двигать поршень, если под ним создать вакуум (рис. 39). В 1673 г. Христиан Гюйгенс создал прообраз первого атмосферного двигателя, известного под названием „трубки Гюйгенса” (рис. 40, а). Пороховой заряд, располагавшийся на дне цилиндра, поджигался запальным шнуром; продукты сгорания выталкивали поршень вверх вплоть до открытия выпускных патрубков 1 с надетыми на них кожаными рукавами 2. Раскаленные пороховые газы вырывались через них в окружающую среду, а далее по мере остывания газов в цилиндре, под действием давления кожаные рукава сжимались, и поршень возвращался в исходное положение. Опускаясь под действием атмосферного давления, поршень мог через блок поднимать груз, совершая полезную работу. Отметим многие признаки ДВС. Это заряд топлива (в данном случае порох, который и в наше время иногда используется для пуска ДВС), принудительное воспламенение заряда внутри цилиндра, выпуск отработавших газов через продувоч- Рис. 38. Паровая турбина Бранка
Рис* 39. Опыт Отто Геррике ные каналы в конце хода поршня, автоматические клапаны в виде кожаных рукавов. В 1688 г. ученик Гюйгенса и участник его опытов с трубкой французский физик Дени Папен оснастил пороховую машину (рис. 40, б) автоматическими выпускными и предохранительным клапанами на поршне и клапаном-стаканом для порохового заряда. Но ДВС пришлось на много десятилетий уступить первенство развития паровой машине. В том же 1688 г. Папен сконструировал атмосферную паровую машину (рис. 40, в), которая работала следующим образом. Под поршень наливалось некоторое количество воды, которая испарялась при нагревании днища цилиндра, и под воздействием пара поршень поднимался вверх. Затем жаровня убиралась, пар охлаждался и конденсировался, а поршень опускался вниз, совершая подъем груза. Однако процесс охлаждения пара был слишком длительный. Англичане Томас Севери и Томас Ньюкомен строят паровую машину, в которой ускорение конденсации паров осуществлялось впрыскиванием в цилиндр небольшого количества охлаждающей воды. Паровая машина быстро находит признание как силовой агрегат для различных установок. В 1765 г. горный мастер Иван Иванович Ползунов создал впервые двухцилиндровую паровую атмосферную машину, внеся в нее ряд усовершенствований, в частности применил автоматический поплавковый клапан для поддержания уровня воды, который позже нашел широкое применение, например в карбюраторах. В стационарной паровой машине Джеймс Уатт (1769 г.) для совершения полезной работы использовал давление пара. В машине Уатта отработавший пар уже не конденсировался в цилиндре, а выбрасывался в атмосферу, что позволило существенно повысить число ее рабочих ходов. От парораспределения посредством крана перешли к парораспределению посредством золотника. В конструкцию машины ввели центробежный регулятор частоты ходов или частоты вращения вала, предохранительные клапаны на котлах и другие усовершенствования. J
J1—1

4
V:
a)
в
I___l
w
^■ЗГАУгР
J
V / j
J
Рис. 40. Атмосферные машины Гюйгенса и Папена: а — «трубка Гюйгенса”; 6, в — машины Папена соответственно паровая и пороховая Конец XVIII в. стал началом века пара; паровые машины быстро распространились в качестве стационарных силовых агрегатов на шахтах и фабриках, в качестве двигателей на судах и на наземном рельсовом и безрельсовом транспорте. Этому способствовали сравнительная простота конструкции, доступность топлива (в топке можно сжигать и дрова, и уголь, и нефть), удовлетворительная надежность и простота обслуживания (однако квалификация машиниста считалась очень высокой и престижной). Тем не менее родившаяся идея ДВС продолжала жить. И на то была веская причина - чрезвычайно низкий КПД паровой машины. Даже в лучших машинах того времени он не превышал 2..3%. В работе Карно была теоретически обоснована невозможность получения лучших результатов. Да и котлы нередко взрывались. В 1791 г. англичанин Джон Барбер предложил проект газотурбинного двигателя, в котором для получения рабочего тела предусматривалось смешение жидкого топлива с воздухом и некоторым количеством воды. Конечно, Барбер был далек от современных представлений о процессе сгорания и роли воды в нем, но идея добавки воды для снижения температуры процесса сгорания, для управления им с целью повышения детонационной стойкости, снижения высокотоксичных оксидов азота в продуктах сгорания и повышения экономичности двигателей актуальна и в наши дни, и даже более или менее успешно реализуется на ряде моделей двигателей. Спустя три года Роберт Стрит предложил проект поршневого двигателя, использовавшего жидкое топливо (скипидарное масло), которое впрыскивалось на раскаленное днище поршня, испарялось, смешивалось с воздухом, засасываемым в цилиндр в первой половине хода поршня. А воспламенение топливовоздушной смеси осуществлялось с помощью постоянно горящего пламени запальной горелки. Такой способ воспламенения был в дальнейшем использован в ряде реально построенных и действующих двигателей. Идея испарения топлива с днища поршня - это не что иное, как принцип объемно-пленоч-ного смесеобразования, реализованный инженерами фирмы МАН спустя более полутора веков. В 1801 г. француз Филипп ле Бонне, владелец фабрики по производству светильного газа, предложил проект газового двигателя, в котором воздух и газ сжимались самостоятельными насосами, подавались в смесительную камеру и оттуда в цилиндр, где смесь воспламенялась от электрической искры. Данная дата считается датой рождения идеи электрического воспламенения топливовоздушной смеси. И возникла она, конечно же, благодаря блестящим исследованиям ряда физиков, занимающихся изучением электричества, в частности итальянца Александро Вольта.
В 1805 г. Исаак де Ривац под влиянием опытов Вольты с газовым пистолетом создал действовавшую модель газового двигателя с воспламенением смеси от электрической искры. Двигатель Риваца приводил в движение колеса маленькой повозки, которая с успехом демонстрировалась публике (рис. 41). В большинстве проектов ДВС того времени применялся принцип действия паровой машины: в начале хода поршня воздух (или заранее приготовленная топливовоздушная смесь, даже предварительно сжатая, как в проекте Бонне) всасывался, затем он смешивался с топливом, и смесь поджигалась где-то на середине хода поршня от внешнего источника. Авторы проектов стремились заменить процесс расширения пара после впуска в цилиндр расширением продуктов сгорания топливовоздушной смеси. Несколько отвлечемся от основной темы и обратимся к механизму, передающему движение от поршня к валу. Первые паровые двигатели использовались в качестве шахтных насосов, в которых движение обоих поршней (машины и насоса) - возвратно-поступательное, а сами поршни связаны штангами и коромыслами. Для шахтных насосов не было нужды преобразовывать поступательное движение поршня во вращение вала. Несмотря на то что кривошипный механизм давно известен, привод от поршня на ось колеса осуществлялся в экипаже Никола Жозефа Кюньо с помощью достаточно сложного рычажно-храпово-го механизма, воздействовавшего на шестерню, расположенную на оси колеса, а в двигателе Риваца поршень вытягивал трос, намотанный на ось, хотя задача могла быть решена проще. Кривошипный механизм в сочетании с паровой машиной появился на экипаже Уильяма Мюрдока в 1786 г., и тем не менее реечно-шестеренчатый привод еще неоднократно использовался в конструкции ДВС. В 1833 г. Вельман Райт создал газовый двигатель (рис. 42) двойного действия с предварительным сжатием газа и воздуха насосами. Газовоздушная смесь воспламенялась в крайних положениях поршня от наружной горелки. Состав смеси регулировался с помощью центробежного регулятора 1 и золотника, ограничивающего подачу газа. В двигателе Вильяма Барнета (1838 г.) кроме предварительного сжатия газа и воздуха насосами, применялись окончательное сжатие смеси в цилиндре и воспламенение ее в ВМТ от газовой горелки через канал во вращающемся золотнике (рис. 43). Такой принцип нашел применение и в более поздних конструкциях двигателей.
В 1842 г. Дрейк построил двигатель со всасыванием смеси в первой половине хода поршня и воспламенением ее от калильной трубки, которая открывалась поршнем на середине .хода. Дозирование подачи газа осуществлялось с помощью центробежного регулятора. Рис. 42. Газовый двигатель двойного действия Райта: 1 — дозатор газового топлива с центробежным регулятором; 2 — цилиндр с рубашкой охлаждения; 3 — поршень; А - рабочие полости цилиндра Рис. 43 Итак, к середине XIX в. основные принципы современного ДВС уже сформировались - сжигание топливовоздушной смеси непосредственно в цилиндре, регулирование мощности двигателя путем изменения подачи топлива посредством центробежного регулятора, реагирующего на изменение частоты вращения вала с падением или ростом нагрузки, сжатие смеси в цилиндре, воспламенение смеси от электрической искры (или иным источником принудительного воспламенения), использование давления газов для совершения полезной работы. До появления реально применяемого в практических целях и серийно выпускаемого двигателя оставалось менее двух десятилетий. Рис. 43 Газовый двигатель двойного действия Барнетта и его запальное устройство (продолжение): а — двигатель; б— устройство воспламенения; 1 — выпускной канал; 2 - впускной клапан; 3 — ресивер-смеситель воздуха и газа; 4 — газовый и воздушный насосы; 5 — золотник; 6 — запальная горелка; 7- постоянно действующая горелка для воспламенения запальной
ПЕРВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ АГРЕГАТОВ И ТРАНСПОРТА Выше мы рассмотрели предысторию ДВС, познакомились с некоторыми идеями и проектами, которые по тем или иным причинам остались на бумаге или в единичных экземплярах, так как не могли конкурировать с достаточно усовершенствованными к тому времени паровыми машинами, доминировавшими в промышленности и на транспорте. В 1859 г. талантливый изобретатель-самоучка Жан Жозеф Этьен Лену ар запатентовал, а в 1860 г. построил газовый двигатель. Одна из моделей двигателя Ленуара, построенная в 1861 г., показана на рис. 44. В ней не было новых конструктивных идей. Принцип двойного действия, плоский золотник газораспределения, равно как и кривошипно-шатунный механизм, давно применялись на паровых машинах, идея использования газового топлива была высказана Бонне, воспламенение смеси от электрической искры - Ривацом. Ленуар применил принцип всасывания воздуха и газа без предварительного сжатия насосом и смешения в отдельной камере, а также разработал простейший испарительный карбюратор в случае применения жидкого топлива. Двигатель Ленуара стал широко использоваться потому, что был создан в нужный момент - конструкция во многом повторяла уже привычную паровую машину, газовое топливо производилось в достаточном количестве для освещения (недаром название - светильный газ), обслуживание двигателя было несравненно проще. В первой половине хода поршня в цилиндр всасывались газ и воздух, причем смешение их происходило уже в канале золотника, управляющего впуском. Воздух забирался непосредственно из окружающей среды, а подача газа регулировалась дроссельным краном. На половине хода поршня смесь воспламенялась от электрической искры, и начинался рабочий ход. Из пространства под поршнем выталкивались продукты сгорания предыдущего цикла. При переходе через НМТ все повторялось, но уже с другой стороны поршня. Охлаждение цилиндра осуществлялось проточной водой или применялось испарительное охлаждение. Позже Ленуар пришел к выводу, что для рабочего хода достаточно всасывания газовоздушной смеси в течение 1/З..Л/4 хода поршня. Поэтому появились две свечи зажигания, каждая из которых поджигала смесь со своей стороны поршня. Для дозирования подачи газа был приспособлен центробежный регулятор. Воздух Рис. 44. Двигатель Ленуара*. 1 - золотник; 2 - полос» охлаждения цилиндра; 3—свеча зажигания; 4 - поршень; 5 - тток поршня; 6 — шатун; 7 — контактные пластины зажигания;; # — тяга з©лодаж»; f—кривошипный вал с маховиками; U — ЗЕСЦСМТр MIC тяги ШШОШШ& Весьма бедная смесь без предварительного сжатия и ненадежное (по тем временам) электрическое зажигание, перегрев выпускного золотника (его температура достигала 800° С) доставляли много хлопот владельцам таких двигателей. Кроме того, для двигателя Ленуара необходимо было большое количество топлива - расход дорогого светильного газа достигал 4...7 м3/(кВт*ч) при весьма низком КПД (4...4,5%), близком к КПД паровой машины. Частота вращения вала не превышала 100 мин-1, а литровая мощность 0,05 кВт/л. Почти одновременно с Ленуаром аналогичный двигатель был создан Гюгоном. Кроме того, утверждают, что первый прототип своего двигателя Гюгон построил на год раньше патентной заявки Ленуара - в 1858 г. Двигатель Гюгона имел более надежное факельное воспламенение смеси, а для снижения температуры продуктов сгорания и защиты золотника от перегрева в цилиндр впрыскивалась вода. Впуск смеси и выпуск отработавших газов осуществлялись через один золотник, что, с одной стороны, позволяло снизить его температуру, а с другой - повысить температуру всасываемой смеси. Но несмотря на это, параметры двигателей Гюгона незначительно отличались от параметров двигателя Ленуара1. Не только появление данных двигателей, но прежде всего присущие им недостатки, дали мощный импульс многим изобретателям к поиску путей их усовершенствования. Одним из них был механик из Кельна Николаус Август Отто. Он построил небольшой экспериментальный двигатель и проводил на нем опыты по определению оптимальных соотношений объемов газа и воздуха, момента воспламенения смеси, настройки механизма газораспределения. Отто пытался достичь осуществления процесса расширения в течение практически всего хода поршня. Идея правильная, но в цилиндр нужно еще засосать газовоздушную смесь, на что в двигателе Ленуара как раз и используется часть хода поршня. При движении поршня от ВМТ до НМТ осуществлялся впуск смеси, при обратном ходе поршня смесь сжималась. А в то время, когда поршень приближался к ВМТ, Отто воспламенял смесь. В цилиндре происходил мощный взрыв заряда, который с большой скоростью гнал поршень к противоположной крышке цилиндра. Отто вплотную подошел к реализации четырехтактного цикла, характерного для большинства современных двигателей. Но изобретателя пугал слишком быстрый рост давления при сгорании предварительно сжатой смеси. Отто создал экспериментальный образец четырехтактного двигателя со свободно движущимися амортизационными поршнями (рис. 45). Его устройство и принцип действия таковы: четырехцилиндровый оппозитный двигатель имеет коленчатый вал 1 с двумя кривошипами, шейки которых попарно соединены шатунами 2 с рабочими поршнями 3 противолежащих цилиндров. Сквозь рабочие поршни свободно (но, конечно, с уплотнением, обеспечивающим достаточную герметичность) проходят штоки 4 амортизационных поршней 5. Между рабочим и амортизационным поршнями и заключен объем воздуха, смягчающий воздействие интенсивно нарастающего давления в камере сгорания. Интересная по замыслу конструкция оказалась неработоспособной не только из-за несовершенства уплотнения амортизационного объема, но прежде всего из-за сил инерции, действующих на свободнодвижу-щиеся амортизационные поршни. В конце такта выпуска, когда практически ничто не мешало их движению, поршни ударялись о крышку цилиндра. Данное обстоятельство Отто не учел в своей конструкции. Автором четырехтактного цикла повсеместно считают Отто, и, в целом, справедливо. Но объективности ради нужно отметить, что еще в 1861 г. Аль-фснс Бо де Роша подробно описал четырехтактный цикл. В 1864 г. возникла фирма Отто и Ланген (позднее получившая название „Фабрика газовых двигателей Дейтц”), которая с 1866 г. приступает к выпуску... атмосферных двигателей без кривошипного механизма, с приводом на вал через зубчатую рейку и шестерню. Какой шаг назад! Но даже первые атмосферные двигатели Отто и Лангена оказались в 2...3 раза экономичнее двигателей Ленуара. Удельный расход газа составляет 1...1,5 м3 (кВт-ч) при эффективном КПД 12...15% и удельной литровой мощности 0,2...0,5 кВт/л - почти в 10 раз больше. Спустя 10 лет Отто вновь возвратился к идее четырехтактного двигателя. Но его постоянно беспокоила жесткость процесса. Поиск решения привел Отто к идеи расслоения заряда. При ходе поршня от ВМТ на такте впуска выпускной канал золотника еще был открыт, и в цилиндр всасывалось некоторое количество продуктов сгорания, затем обедненная газовоздушная смесь и в конце такта впуска - обогащенная, хорошо воспламеняющаяся смесь, которая осталась при сжатии в верхней части цилиндра у запального канала. Наконец четырехтактный двигатель Отто заработал. На рис. 46 приведена схема более позднего усовершенствованного двигателя образца 1884 г. Четырехтактные двигатели Отто имели удельный расход топлива и эффективный КПД почти такие же, как и атмосферные двигатели фирмы Дейти; но в 1,5...2 раза более высокую литровую мощность. Максимальное давление сгорания достигало 2 МПа при среднем значении эффективного давления 0,23...0,25 МПа. На первом этапе применения ДВС газовое топливо оказалось наиболее удобным: подача его легко дозировалась дроссельным краном или заслонкой, газ хорошо смешивался с воздухом и создавал достаточно гомогенную смесь, газовое топливо, потребность в котором ограничивалась малым числом действующих двигателей, было сравнительно небольшим, а подача его на стационарные установки с ДВС не составляла большого труда. Впрочем возможность использования жидкого углеводородного топлива не была забыта. Одновременно с двигателями Отто в Европе американец Брайтон создал двигатели так называемого медленного сгорания. Эти двигатели работали по принципу Ленуара, но с предварительным сжатием воздуха поршневым компрессором. В процессе впуска, который длился примерно 1/3 хода поршня, воздух насыщался парами бензина (бензин еще не имел привычного нам названия, его называли в Европе и России газолином, а в Америке и до сих пор называют газойлем, а почему - узнаете чуть позже) и посту- пал в цилиндр. После закрытия впускного клапана смесь воспламенялась, и начинался рабочий ход. Автор четырехтактного цикла Отто считал его шагом назад по сравнению с циклом Ленуара, так как поршень совершал два лишних, по его мнению, хода одним из которых был впуск смеси. Какой же второй ход лишний? Сжатие? Впрочем сжатая смесь горит гораздо лучше и эффективнее, полнее используется энергия, выделившаяся при сгорании топлива в процессе расширения. Выпуск? Уже есть и идеи, и двигатели, в которых смесь предварительно сжимается компрессором и подается в цилиндр в начале хода впуска. А если поменять процессы местами? В конце рабочего хода осуществлять выпуск и в это же время подавать в цилиндр предварительно сжатую смесь. Отто эту задачу не решил. В 1878 г. появился двигатель Дагельда Клерка, который работал по описанному выше принципу. В двигателе Клерка отработавшие газы выпускались через окна в нижней части цилиндра в конце рабочего хода, а через клапаны в головке подавался сначала продувочный воздух, а затем уже газовоздушная смесь. Разумное решение, если учесть, что основным недостатком двухтактных двигателей является потеря части топливовоздуш-ной смеси при продувке цилиндра. Обратите внимание на следующее: первые двигатели Ленуара, Гюгона и даже Отто имели золотниковое газораспределение, как и паровые машины.И при эксплуатации таких двигателей именно из-за золотников возникали большие неприятности - воздействие высокотемпературных отработавших газов, содержащих агрессивные соединения, что вело к пригоранию, коррозии, повышенному изнашиванию, поэтому уплотнение цилиндра было ненадежным. В двигателях Христиана Рейтмана и Клерка появились более надежные клапаны, которые на последующих моделях двигателей постепенно завоевали доминирующее положение. Рис. 47 поможет пояснить это. Движение золотника (рис. 47,а) было возможно, если между ним и корпусом двигателя имелся зазор, а через него были неизбежны утечки газов из цилиндра, пригорание и повышенное изнашивание. Клапан (рис. 47, б) в процессе рабочего хода, когда давление газа рг в цилиндре становилось наиболее высоким, плотно и неподвижно находился в седле.
В 1884 г. немецкий изобретатель и впоследствии один из основателей известной фирмы Даймлер-Бенц, Карл Фридрих Бенц создал двухтактный газовый двигатель (рис. 48), в котором продувочный воздух сжимался в полости под поршнем, а газовое топливо - отдельным маленьким поршневым компрессором. Незадолго до конца рабочего хода открывался выпускной клапан
1, а после выравнивания давлений -продувочный клапан 2. Впускной Вешцц l - выпускной клапан; .2 —продувочный клапан; 3 — козырек; 4 — клапан подачи газа; 5 — золотник; 6 — компрессор
канал снабжался козырьком 3, который направлял воздух к днищу поршня, помогая более полной очистке цилиндра. Продувка продолжалась примерно до половины обратного хода поршня, затем выпускной 2 и продувочный клапаны 3 закрывались, и в цилиндр через клапан 4 подавался сжатый газ. Около ВМТ с помощью запального устройства газовоздушная смесь воспламенялась. При рабочем ходе в подпоршневом пространстве сжимался воздух и через золотник подавался в раму-ресивер, откуда в необходимый момент поступал для продувки. При движении поршня к ВМ'Г в подпоршневую полость через тот же золотник засасывался воздух. Годом позже Бенц построил двигатель, работавший на жидком топливе, который он установил на трехколесный экипаж (рис. 49). Топливо для экипажа - „бенцины” (от Бенц) и получило впоследствии привычное название бензин. Принцип кривошипно-камерной продувки двухтактного двигателя, работавшего на жидком топливе, позже был использован в двигателе Зенлейна, причем сжатый в кривошипной камере воздух подавался для распыливания топливовоздушной эмульсии через канал а в днище поршня (рис. 50). Принцип впрыскивания топлива в продувочный канал используется в некоторых мотоциклетных двигателях и в наши дни. Оригинальность предложенного Зенлейном способа смесеобразования заключалась в распиливании топлива сжатым воздухом. Позже данная идея нашла самое широкое применение в системе топливоподачи дизелей. Спустя 3 года после создания двигателя Отто в России появился четырехтактный восьмицилиндровый двигатель с показателями, невиданными дотоле в двигателестроении. Его автор - офицер Российского флота Огне-слав Костович. Схема двигателя показана на рис. 51. Он предназначался в качестве силового агрегата для дирижабля. Работы по созданию двигателя велись с необходимой долей секретности, но в отличие от многих других гениальных творений российских инженеров и умельцев основные детали двигателя сохранились, и его можно видеть в музее авиации и космонавтики. Первое его отличие от современного двигателя заключалось в оригинальности компоновки: каждая пара из восьми цилиндров 1 верхней частью соединена с общей камерой сгорания, так что при ходе сжатия или выпуска поршни двигались навстречу друг другу. Позже такая схема приобрела название „Боксер”. Усилия от поршней на общий коленчатый вал 3, располагавшийся на опорах над цилиндрами, передавались с помощью штанг 4 и коромысел 5. В двигателе использовали легкое нефтяное топливо, он имел клапанное газораспределение и оригинальное электрическое зажигание: искра возникала дважды (при замыкании и размыкании цепи) в момент прохождения вращав-шегося контакта 2 относительно неподвижного. Поскольку двигатель был спроектирован для дирижабля, предназначав шегося для армии* о результатах его испытаний (1884 г.) имеются довольнс скудные сведения. Но достоверно известно, что он имел мощность око~о 5: кВт, литровую мощность ПОрЯГ''£ 2 кВт/л при удельной массе ок- л о 4 кг/кВт, что вполне приемлемо *ля некоторых типов транспортных ши-гателей и в наши дни. й
В 1882 г, оторвался от взле ной рампы первый в мире самолет., который спроектировал и поггг^м;: Ал е к еандр Федорови ч Можайский, Этому знаменательному в техник и моменту гтелитеегвона:-а ¥ж» 50* Двигатель Зеняейна Рис. 51. Двигатель Костовича и дирижабль, для которого он предназначен огромная работа по изучению полета птиц, поведению парусов под действием ветра, испытанию моделей, наконец по выбору силового агрегата для самолета. Первоначально Можайский предполагал использовать двигатель Брайтона с поршневым компрессором (рис. 52, а). Но высокая масса и малая мощ- Рис. 52 Двигатель Брайтона и паровая машина двойного расширения (продолжение): 1 — рабочий цилиндр; 2 — цилиндр компрессора; 3 - коленчатый вал; 4 - парораспределительный золотник; 5, 6 - цилиндры соответственно первой и второй ступеней расширения
ность (около 7 кВт) оказались непригодными для летательного аппарата. На этом этапе показатели ДВС оказались хуже показателей паровой машины. В 1880 г. Можайский заказал к изготовлению две легкие паровые машины (рис. 52, б) общей массой 135 кг и мощностью около 22 кВт при п = 400 мин-1. Самолет продержался в воздухе всего несколько секунд. Кто знает, как бы развивались события, не опереди Можайский время, так как два года спустя Готлиб Даймлер создал небольшой и достаточно легкий четырехтактный двигатель, работавший на жидком топливе. Одноцилиндровый двигатель с рабочим объемом 462 см3 развивал мощность 0,8 кВт при частоте вращения вала 600 мин“1. Этот двигатель Даймлер установил на мотоцикл. В 1886 г. появился первый автомобиль с ДВС (рис 53). В 1895 г. конструктор создал двухцилиндровый V-образный двигатель. В его конструкции много интересных решений, связанных прежде всего с процессами газообмена и организацией сгорания. При ходе поршней к ВМТ, когда в одном цилиндре происходило сжатие смеси, а во втором - выпуск продуктов сгорания, в кривошипную камеру через автоматический клапан 1 засасывался воздух, который сжимался при ходе поршней к НМТ. Причем в одном из цилиндров происходил рабочий ход, а во втором - впуск богатой топливовоздушной смеси. При приближении к НМТ специальные упоры 2 открывали клапаны в днище поршней, и... в тот цилиндр, в котором закончился рабочий ход и уже открылся выпускной клапан 3, поступала порция воздуха для продувки, а в цилиндр, в котором заканчивался впуск, - порция воздуха для доза-рядки. При этом образовывался слоистый заряд с обогащенной смесью в верхней зоне цилиндра и обедненной у днища поршня. Как показывает опыт, идея расслоения заряда продолжает жить. Чрезвычайно интересен механизм газораспределения: клапаны управлялись с помощью штанг 4 и ползунов 5, скользящих в профильной канавке 6, образованной на торцовой поверхности маховика - щеке 7. Канавка была спрофилирована так, что за один оборот вала ползун двигался по ее внутренней петле - клапаны были закрыты. В месте пересечения канавок он автоматически переходил в канавку большего радиуса - клапаны были открыты в течение второго оборота; а далее опять переход на меньший радиус и закрытие клапанов. Такое оригинальное решение Даймлер применил, несмотря на то что уже давно известен механизм газораспределения с кулачковые валиком. Уис. 33. 1Ьу:щипшщр*тый двигатель Даймлера и Рис* 54* Карбюратор и устройство ка-лияьното жжишамш двигателя Дайм-лера: а — карбюратор; б — устройство калильного зажигания; 1 — смесительная камера; 2 — распылитель; 3 — поплавок; 4 — запорный клапан; 5 — патрубок для подачи топлива; 6 — сливная пробка; 7 — впускной клапан; 8 — калильная трубка; 9-горелка; ifl — выпускной клапан
Двигатели Даймлера имели достаточно совершенные карбюраторы и калильное зажигание (рис, 54) конструкций Вильгельма Майбаха. В том же 1894 г. изобретатель Шпиль создает четырехтактный двигатель с впрыскиванием топлива специальным насосиком на тарелку впускного клана* на, откуда оно срывалось потоком воздуха и смешивалось с ним. От данной даты можно вести историю развития систем впрыскивания бензина, которые в настоящее время занимают прочные позиции» А на рис. 55 показан# система механического впрыскивания образца 1903 г. с приводом поршневого насоса 1 от кулачка 2 и регулированием подачи за счет изменения плеч коромысла в передаточном механизме 3*
Все упомянутые выше двигател и и мел и одну общую черту: смесь воспламенял ась от п о сторон н е го источника - электрической искры, калильной трубки или струи пламени, т.е. их можно классифицировать как двигатели с принудительным воспламенением смеси» В 1893 г, немецкий инженер Рудольф Дизель опубликовал книгу, в которой излагал основы рабочего цикла двигателя с самовоспламенением топлива от воздуха, сжатого до высокого давления. Однако первые двигатели с воспламенением топлива от раскаленного воздуха были созданы еще за несколько лет до выхода книги Дизеля. Прежде всего следует упомянуть двигатели Х'эргривса, построенные в 1887^.1890 гт. Их нельзя в полной мере отнести к двигателям с воспламенением от сжатия, поскольку для нагрева воздуха до высокой температуры испол ьзо в а лея Рис. 56. Двигатель Хэргривса: 1 — форсунка для впрыскивания керосина; 2 — футеровка цилиндра, камеры сгорания и канала; 3 - теплообменник; 4 и 5 - соответственно впускной и выпускной клапаны; 6 — компрессор регенератор (рис. 56), нагреваемый теплом отходящих отработавших газов при весьма невысоком (около 0,5 МПа) предварительном сжатии воздуха в поршневом компрессоре (двигатель, представленный на рисунке, работал по двухтактному циклу). В своих двигателях Хэргривс использовал очень интересные идеи. Прежде всего идея регенеративного теплообменника для подогрева воздуха. Для того чтобы максимально снизить потери теплоты, стенки цилиндра и газовоздушный канал покрывались слоем керамического материала (прообраз адиабатных двигателей, к созданию которых приступили только в последние годы). Поршень очень длинный и уплотняющие кольца располагают в нижней его части, вне зоны керамической изоляции. Они контактируют с охлаждаемой металлической стенкой цилиндра. Топливо впрыскивается через форсунку вблизи ВМТ и самовоспламеняется от горячего воздуха. Дизель первоначально предполагал сжать воздух в цилиндре до очень высокого давления около 20 МПа. Но оказалось, что для практического осуществления цикла достаточно давление около 4 МПа, что обеспечивало Рис. 57. Двигатель Дизеля: 1 - цилиндр; 2 - форсунка; 3 - компрессор температуру в конце сжатия 550...6000 С, необходимую для самовоспламенения керосина. Топливо подавалось в цилиндр в виде эмульсии при давлении распыляющего воздуха около 5 МПа, форсунка закрывалась на 12% хода поршня от ВМТ. Один из дизелей, построенных в конце прошлого века, показан на рис. 57. Уже на первых образцах Дизель достиг великолепного результата: расход топлива не превышал 320 г/(кВт*ч). В 1899 г. в Петербурге на заводе Людвига Нобеля был впервые построен и испытан дизель, в котором в качестве топлива использовалась дешевая сырая нефть. Дизель предполагал сгорание топливовоздушной смеси при постоянном давлении, величина которого не превышает значения, достигнутого в конце сжатия. Однако, как показали исследования реальных двигателей, давление в процессе сгорания повышалось и иногда значительно, поэтому подача топлива через форсунку распыливающим воздухом оказалась малопригодной. В 1908 г. русским инженером Густавом Васильевичем Тринклером были созданы форсунки для непосредственного впрыскивания топлива в цилиндр двигателя, близкие по конструкции и принципу действия современным. Экономичный и надежный двигатель Дизеля оказался идеальным силовым агрегатом для транспортных средств. Уже на рубеже столетий двигатели Дизеля устанавливаются на тепловозах и судах. Первое судно - нефтеналивной теплоход „Вандал” был построен на Сормовском судостроительном заводе в 1903 г. РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ Мы кратко познакомились с историей возникновения поршневых ДВС. Конструкторы прекрасно видели существенные недостатки поршневых ДВС: громоздкий кривошипно-шатунный механизм, большая масса, возвратнопоступательное движение поршня и возникающие при этом значительные силы инерции. И несмотря на то, что первый работоспособный роторно-поршневой двигатель был создан Феликсом Ванкелем в 1957 г., данному событию предшествовал очень долгий путь развития. Еще в античном Риме были созданы простейщие зубчатые передачи, представлявшие диски с вставленными в них штырями, которые в течение столетий последующего развития трансформировались в хорошо известные зубчатые шестерни. Прародителем роторно-поршневого двигателя с полным правом можно считать зубчатый водяной насос Папенгейма (рис. 58, а), который он построил в 1636 г. для подачи воды в фонтаны императорского сада. И хотя в те времена насос Папенгейма оказался неудачным из-за больших перетечек воды в зазоры между шестернями и корпусом, зубчатые насосы, практически ничем не отличающиеся от прародителя, с успехом используются для подачи жидкости в самых различных системах современных механизмов и машин. Поскольку поршневой двигатель тоже начинался с поршневых насосов, то до создания роторно-поршневого двигателя после изобретения роторного насоса оставался один шаг, правда, продолжавшийся более ста лет. В 1799 г. Мюрдок изобрел паровую машину с шестеренчатыми роторами (рис. 58, 6) в вершины зубьев которых были вставлены деревянные пластины-уплотнения. В 1782 г. Уатт разработал проект роторной паровой машины, схема которой показана на рис. 58, в. Интенсивное развитие идеи роторно-поршневых машин приходится на вторую половину XIX в. - период появления таких научных дисциплин, как теория механизмов и машин, теоретическая механика, аналитическая геометрия. Исследования зубчатых зацеплений позволили найти методы расчета и проектирования внешних и внутренних зацеплений шестерен с малым числом зубьев. В 1864 г. Эд. Галловей создал паровую машину с роторным поршнем, в 1859 г. Джонс построил насос (рис. 58, г) с двухзубыми роторами - прообраз знаменитых нагнетателей Рута, в 1900 г. появился коловратный насос Алотама и Фран-шо (рис. 58, а), в 1901 г. -паровая машина Кули и в 1908 г. - аналогичный по схеме первый ДВС Амплеби (рис. 58, е) с вращавшимся поршнем и пластинчатыми уплотнителями отдельных объемов, располагавшимися в корпусе. Рис. 58. РПД: а — зубчатый насос Пален* гейма; б - паровая машина Мюрдока; в — роторная паровая машина Уатта; г — роторный насос Джонса; д -коловратный насос; е — роторный ДВС Амплеби
a)



На ранних этапах развития ДВС его изобретатели пытались найти наиболее рациональный принцип работы. История развития роторно-поршневых двигателей более напоминает творческий поиск форм поршня и статора при известном общем принципе работы. Поэтому в первой половине нашего столетия появилось множество конструкций, не имевших ничего принципиально нового, но зато с своеобразной геометрией. Основной оставалась проблема уплотнения стыка между ротором и статором - уплотнения, способного выдержать высокие перепады давлений и температур, характерные для цикла ДВС. Данную задачу и решил более или менее успешно Феликс Ванкель в середине 50-х гг. ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ГТД имеют не менее давнюю предысторию, чем поршневые и РПД, а может быть еще более давнюю, так как водяное колесо появилось задолго до поршневого насоса. Мы уже упоминали о Бранка и его идее использования Рис. 59. Газовая турбина Кузьминского паровой турбины для привода камнедробилки, реактивной паровой турбине Уатта, наконец о проекте ГТД Барбера.
Тем не менее, прошли многие десятиления исследований и поисков конструктивных решений, прежде чем были созданы работоспособные ГТД, в воплощении которых был опыт создания гидравлических и паровых турбин. В середине XVIII в. Янош Сегнер во время опыта обнаружил, что при вытекании жидкости возникает реактивная сила. Принцип сегнерова колеса в дальнейшем нашел широкое применение во многих устройствах, в частности в фильтрах центробежной очистки масла. В середине XIX в. первые использовавшиеся на практике гидравлические турбины создал Бено Фоурнейрон. Несколько позже Джеймс Френсис построил гидравлические турбины с поворотными направляющими лопатками, положив начало применению регулируемого соплового аппарата. В 1894 г. английский инженер Чарльз Алджернон Парсонс сконструировал многоступенчатую осевую паровую турбину. В дальнейшем турбины Парсонса широко применялись и в качестве стационарных, и в качестве судовых силовых агрегатов. Турбина Парсонса относилась к типу реактивных: давление рабочего тела (пара) в них уменьшалось по длине проточной части, поэтому ротор турбины испытывал осевые нагрузки. Позже в активной турбине шведского инженера Карла Густава Патрика де Лаваля давление пара по длине проточной части не менялось. Первый проект многоступенчатой радиальной газовой турбины Павла Демьяновича Кузьминского (рис. 59) был разработан в 1892 г., за два года до появления турбины Парсонса. В начале нашего века Вальтер Нернст создал газовую турбину (рис. 60) по типу Сегнерова реактивного колеса без предварительного сжатия смеси. Смесь подсасывалась автоматически в результате охлаждения продуктов сгорания после вспышки воспламенения (вспомним конденсацию паров под поршнем машины Папена). Лопаточный ГТД русского инженера В. В. Караводина (1908 г.) работал без предварительного сжатия смеси. Камера сгорания его двигателя (рис. 61) оснащалась автоматическим клапаном i, смесь воспламенялась от искры. По данным испытаний, частота вспышек воспламенения достигала 6...7 в 1 с (достаточно много). Такая частая смена заряда объясняется не только охлаждением продуктов сгорания, но и отсасывающим эффектом вращающегося турбинного колеса. Однако удельный эффективный расход топлива превышал, пожалуй, все рекорды поршневых двигателей -более 4000 г/(кВт • ч).
Рис. 60. Газовая турбина Нернста Рис. 61. ГТД Караводина: 1 — автоматический клапан; 2 — камера сгорания; 3 — свеча; 4 — сопло; 5 — часть колеса турбины
В те же годы Ганс Хольцварт построил газовую турбину. Турбина (рис. 62) имеет горизонтально расположенное лопаточное колесо 6 и несколько камер сгорания i, расположенных в корпусе под ним. Камеры сгорания окружены наружным кожухом-сборником 2, куда компрессором подаются сжатые воздух и газ. Давление сжатия невысокое -0,12...0,13 МПа. При использовании жидкого топлива в камеру сгорания вводилась форсунка с распыливаю-щим топливо воздухом. Давление воздуха не превышало 0,6...0,8 МПа. Турбина имела достаточно сложный механизм    газораспределения: клапан 5, перекрывающий выход из камеры сгорания на лопатки колеса, и впускные клапаны 3, последовательно открывающие вход в камеры сгорания для продувочного воздуха и газа. Клапаны управлялись гидравлическим механизмом. Частота вспышек воспламенения обеспечивалась электрическими искровыми свечами и достигала 30 в 1 с. При падении давления гидравлический механизм начинал медленно закрывать выпускной клапан так, что в это время уже открывался клапан продувки воздухом. Своеобразное перекрытие клапанов позволяло полностью очистить камеру от продуктов сгорания предыдущего цикла. Только после этого вдувался газ или впрыскивалось топливо. При частоте вращения ротора в 2...3 тыс. мин-1 турбина развивала мощность около 740 кВт (без учета затрат мощности на привод компрессоров). Импульсные турбины типа турбин Караводина или Хольцварта назывались турбинами быстрого сгорания. Однако уже в- те годы специалисты подчеркивали, что перспективными могут быть только турбины с непрерывным током рабочего тела или, как тогда называли, турбины медленного сгорания. Одна из таких турбин была создана в 1909...1910 гг. инженером Марселем Арменго, схема ее показана на рис. 63. Рабочее колесо турбины соединялось с двумя компрессорами - для сжатия воздуха и откачивания продуктов сгорания из теплообменника. Давление, создаваемое компрессором, достигало
Рис. 62. Газовая турбина Хольцварта: 1 — камера сгорания; 2 — сборник продувочного воздуха; 3 — впускные клапаны; 4 — сборник рабочей смеси; 5 — клапан выпуска продуктов сгорания на колесо турбины; 6 — колесо турбины Рис. 63. Газовая турбина Армен го: 1 — форсунка; 2 — свеча зажигания; 3 — камера сгорания; 4 — рабочее колесо 0,5 МПа, сжатый воздух служил и для распыливания керосинового топлива, которое испарялось, попадая на раскаленную карборундовую футеровку. Для снижения температуры продуктов сгорания в камеру впрыскивалась вода. Частота вращения вала 4...4,5 тыс. мин-1. По данным испытаний Ауреля Стодолы, эффективная мощность турбины составляла всего 22 кВт при затратах мощности на привод компрессоров около 300 кВт. Удельный эффективный расход топлива оказался в два раза больше, чем у импульсной турбины Караводина - более 8000 г/(кВт*ч). Одновременно с опытами по созданию ГТД в качестве самостоятельных силовых агрегатов в первые десятилетия XX в. появились и первые образцы комбинированных ДВС и поршневых двигателей с наддувом. В 1902 г. С. А. Мосс (США) исследовал работу газовой турбины на отработавших газах поршневого двигателя. Француз А. Рамо в 1917 г. впервые применил турбонагнетатель для наддува авиационного бензинового двигателя. Несмотря на первые неудачи продолжали поиски решений и энтузиасты газовых турбин. В 30...40 гг. начали исследовать ГТД Владимир Васильевич Уваров, Владимир Матвеевич Маковский, Френк Уитл. Появился ряд интереснейших конструктивных решений. В ГТД В. В. Уварова был применен радиальный компрессор, на выходе из колеса которого находился подвижный диффузор-турбина, позволявший вернуть часть затраченной энергии на вал компрессора. В ГТД В. М. Маковского эффективной мощностью 400 кВт вал, диск и лопатки турбины охлаждались водой. В 1937 г. известный советский конструктор авиационных двигателей Архип Михайлович Люлька предложил схему двухконтурного ГТД, которая в дальнейшем получила широчайшее распространение. Но бурное развитие ГТД началось только в конце 40-х гг., когда авиационные конструкторы поняли, что поршневой двигатель в авиации исчерпал свои возможности. ТЕПЛОВОЗДУШНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Посвятим несколько строк и тепловоздушным двигателям - двигателям с внешним подводом теплоты. Тепловоздушный двигатель может стать не столько конкурентом, но, скорее, помощником ДВС в достижении основной цели - наиболее полного использования энергии топлива. Принцип действия тепловоздушного двигателя - расширение в поршневой машине нагретого внешним источником теплоты воздуха или газа. За долгий путь развития таких двигателей возникло множество решений: с замкнутым и разомкнутым циклами (т. е. с постоянным или сменяемым рабочим телом, одностороннего или двойного действия, с различными схемами Рис. 64. Тепловоздушный двигатель Стирлинга: а — одноцилиндровый с соосными рабочим и вытеснительным поршнями; б — с двумя рабочими и самостоятельным вытеснительным поршнями; в — двигатель; I и 2 — соответственно рабочий и вытеснительный поршень компоновок поршней и цилиндров). Одним из основных достоинств тепловоздушного двигателя является то, что нагрев рабочего тела в нем может осуществляться практически за счет любого источника теплоты. Принцип современного тепловоздушного двигателя с замкнутым циклом и регенеративным теплообменником был разработан в 1816 г. талантливым и разносторонне образованным шотландским священником и ученым, путешественником и государственным деятелем Робертом Стирлингом. Схема его одноцилиндрового двигателя с рабочим и вытеснительным поршнями, построенного в 1818 г., показана на рис. 64. Позже, в 1827 г., он построил двигатель с рабочим и вытеснительным поршнями в разных цилиндрах. Работа над тепловоздушными двигателями продолжалась во многих странах во второй половине XIX, начале XX вв., но в это время уже полностью укрепили позиции паровые машины и, главное, появились первые ДВС'. 6. „ПЕРВЫЕ ШАГИ” ДВИГАТЕЛЯ Итак, в 60...80-е гг., XIX в. ДВС был создан. Создан творческим гением многих ученых, инженеров и талантливых самоучек, трудом умельцев - механиков и рабочих. ДВС вступил в жизнь человечества в буквальном смысле этого слова. Первые двигатели Барнета, Ленуара, Отто и Дизеля были спроектированы и построены для стационарных установок, для привода оборудования на фабриках и в мастерских. Рассматривая ДВС как силовой агрегат для различных транспортных средств, еще раз вспомним создателей паровых машин, паровозов и пароходов, паровых безрельсовых экипажей. На этих машинах в течение более чем столетия до появления двигателей Бенца, Даймлера и Дизеля отрабатывались конструкции движителей, ходовой части и трансмиссии. Проследим основные этапы развития двигателей: 1688 г. — Папен построил первую атмосферную паровую машину; 1769 г. - Уатт создал первую паровую машину (рис. 65), в которой для совершения рабочих ходов используется давление пара. В 1770 г. Кюньо строит первый экипаж (рис. 66, а) с паровым двигателем. В 1776 г. Клод де Абан устанавливает паровую машину на пароход „Пироскаф”. На первом пароходе в качестве движителей использовали весла в виде перепончатых гусиных лап. В 1783 г. Абан применяет на новом пароходе гребные колеса. Такой движитель на речных судах сохранился и до наших дней, а в конце XVIII — начале XIX вв. использовался и на морских судах, так как первый винтовой пароход „Архимед” был построен англичанином Смитом спустя полвека — в 1836 г.
В 1803 г. Ричард Тревитчик построил первый паровоз (рис. 66, б), а в 1828 г. началось регулярное железнодорожное сообщение на линии Ливерпуль — Манчестер. Вторая половина XIX в. ознаменована строительством железных дорог, практически на всех континентах земного шара. Однако вернемся немного назад. Осенью 1783 г. в небе Парижа почти одновременно состоялись полеты воздушных шаров, наполненных горячим воздухом и водородом. В 1812 г. в России Франц Леппих пытается построить аэростат с маховыми крыльями для управляемого полета, к сожалению, неудачно. Первый управляемый полет аэростата с паровой машиной в Рис. 65. Шахтный насос с паровой машиной Уатта Рис. 66. Экипаж Кхжьо и паровоз Тревитчика гондоле и винтовым движителем совершил в 1852 г. француз Жиффар. а)
В конце XIX в. на транспорте появился принципиально отличный от паровой поршневой машины агрегат - паровая турбина. В 1897 г. Чарльз Парсонс устанавливает паровую турбину собственной конструкции на небольшой катер „Турбиния”, который легко опередил лучших скороходов британского военного флота. Уже в первые годы XX в. паровые турбины применяли на океанских лайнерах. И в наши дни они продолжают служить на б)
О
флоте в качестве силовых агрегатов ядерных энергетических установок на подводных лодках, ледоколах и надводных судах военного и торгового флота. За многие десятки лет развития и паровая машина, и транспортные средства, на которые она устанавливалась, постоянно совершенствовались и достигли немалых успехов. И все-таки с появлением компактных двигателей Бенца и Даймлера паровая машина стала уступать позиции на транспорте. Дело в том, что паровая машина тех времен обладала несравненно меньшим КПД (в 3...5 раз), нежели ДВС. Для транспортного средства с паровой машиной требовалось в 3...5 раз больше топлива. Для подъема паров судовой паровой машины затрачивалось несколько часов, а для подготовки к пуску дизеля - считанные минуты. Быстрому и повсеместному внедрению ДВС на транспортных средствах способствовало много факторов: его компактность и высокая экономичность, уже отработанная конструкция ходовой части и трансмиссии машин с паровыми двигателями. На первых порах по техническим данным автомобили с ДВС даже уступали паровым. Во время велосипедной гонки на трассе ПарижаБрест—Париж (1200 км) сопровождавший автомобиль Пежо достиг средней скорости 15 км/ч. В автомобильной гонке Париж-Руан в 1894 г. победил паровой экипаж Дион-Боутон, вторым был автомобиль Пежо. Однако уже на следующий год в гонке Париж-Бордо автомобили с ДВС завоевали несомненное первенство. Конструкция и двигателей и автомобилей быстро совершенствовалась, росла их надежность. К концу XIX в. автомобили с ДВС уже развивают скорость 70...80 км/ч. В 1907 г. на преодоление трассы Пекин— Париж, проходившей большей частью по бездорожью Китая, Сибири, победителю итальянцу Боргезе, потребовалось ровно два месяца. Но важны не рекорды и удивительные приключения во время автопробегов. Важно то, что автомобиль стал незаменимым и надежным помощником человека во многих областях его деятельности. В первое десятилетие XX в. производство автомобилей налаживается во многих странах Европы, США, Канаде и в Австралии. Годовой выпуск автомобилей ведущими фирмами исчисляется уже тысячами и даже десятками тысяч. А в 1912 г. на заводах Форда было произведено более 180 тыс. автомобилей. Рис. 67. Первые автомобили (продолжение) По числу выпускаемых единиц преобладали (как и в настоящее время) легковые автомобили, но наряду с ними изготовляли грузовые и пожарные автомобили., автобусы и тракторы (рис. б"7.;. В периоды великих преобразований всегда остается местечко для „великих комбинаторов”, потомкам Остапа Бендера. Так вот персонаж книги „Золотой теленок” - командор езди;: на автомобиле» носящем гордое имя „Антилопа-гну”. А по утверждению его водителя Адама Казимировича Козлевича, это был Лорен-Дитрих (экзотическое название для современного читателя), А после завершения операции по изъятию лишнего миллиона у не менее великого жулика Алек- m
Рис. 68. Легковые автомобили 20.,.30-х гг. (продолжение): а - Лорен-Дитрих; б — Студебекер; е — Линкольн; г — Роллс-Ройс; д — Ис-, пано»Сюиэа; е — Изота«Фраскини сандра Ивановича Корейко, Остап широким жесты предложил Козлевичу: ,ДЗыбмраЙте Адам Казимирович, Студебекер, Линкольн, Роллс-Ройс, Ислано-Сюизу?” „Изота-Фраскини”, - ответил Козлевич, зарумянившись”. Предлагаю читателям тшмм определить правильность выбора Адама Казимировича, но, как утверждают авторы романа, подарок не состоялся (рис. 6В). Орвилъ Райт Вильбур Райт
Рис. 69. Первые шаги двигателя в авиации (продолжение): а — самолет Орвиля и Вильбура Райтов; б, в, г— самолеты Блерио» Фармана, Гаккеля соответственно
г)
Рис. 70. Самолет Сикорского русский витязь” 17 декабря 1903 г. пролетел первые 53 м самолет братьев Орвиля и Вильбура Райтов (рис. 69). Самолет был оснащен двигателем мощностью 12 кВт и приводил в движение цепной передачей два винта, обеспечивая скорость полета около 40 км/ч. Вскоре об успехе Райтов стало известно в Европе. Многие конструкторы создают самолеты, осваивают технику пилотирования. В 1910 г. состоялся Всероссийский праздник воздухоплавания, в котором приняли участие одиннадцать русских пилотов. Летали преимущественно на самолетах Анри Фармана и Луи Блерио, хотя уже в 1908...1909 гг. Яков Модестович Гаккель строит самолеты с двигателями Антуаннет и Анзани (см. рис. 69). Однако наиболее яркие страницы в отечественное авиастроение (до 1917 г.) вписал выдающийся конструктор самолетов и вертолетов Игорь Иванович Сикорский. В период 1910...1912 гг. Сикорский создает более десятка моделей с различными двигателями мощностью от 19 до 75 кВт. На конкурсе 51ков Модестович Гакквпъ Игорь Иванович Сикорский Рис, 71. Самолет со звездообразными двигателями: а, б-самолетыГанушке и Дыбовского военнных самолетов двум машинам Сикорского был присужден первый приз. Но промышленность России строит самолеты Ньюпора и Фармана. Один из самолетов Сикорского был принят на вооружение Русской армии — это был самолет „Русский витязь”, построенный в 1913 г. Уникальны по тем временам характеристики этого самолета (рис. 70): четыре двигателя Аргус по 75 кВт каждый; размах верхнего крыла биплана 27 м; длина фюзеляжа 20 м; собственная масса 3,5 т; грузоподъемность 1440 кг; скорость 90 км/ч. Однако „Русскому витязю” не повезло: из пролетавшего над аэродромом самолета выпал двигатель, который угодил на левую часть биплана, значительно разрушив ее. Случай уникальный, равно как уникален по конструкции и „свалившийся с небес” двигатель Рон-гном — семилучевая звезда воздушного охлаждения с неподвижным коленчатым валом, жестко прикрепленным к фюзеляжу, и вращающимися вместе с винтом цилиндрами. Несмотря на необычность конструктивного реше- Рис. 73. Первые проекты геликоптеров (продолжение) Рис. 74. Дирижаблг. Ценпеллииа. L-2 НИИ, дгш: ! ;с;;и фирмы Рои !:о:л.:<оца;;;:,;ь . а-; .улчрнисты-> у Visii^'iт■".:лу*<'' ■ ’ ря 6оль:п.;;Ч мс::;ч->ст:! и малой у "елы u>i' м ^ ■ -.piv. "I). Пос”!- анарлп „Русского битя:;:’* i';;iv о.ч;;:;1 с:.илял \\\^;-р;-:-;:iczr- -v.ci;.: г-*:: • : ■ чгннымм ралмахпм верхнею крыла,    фч г.:нг\;\, vo;-;m ч п.--    т-1 "--Г:    :-‘Пт фк-зеляжа. ! г ."и    н'-чг- гла л:' 15^ i "Ч ро:л .v Ь'и* Самолет пыл способен подниматься па >:■ у ;;р 3 км с пятна;;: ;а"!.:'' 4.vi:a.\;j: жтшач.л isa 1ч:;-Этот самолет получит. ;:и>т .J 1л-я Мурчм-.*:;”. Ппплонпч Гри:прпри- горны-;* н :i;■ о р'\:*ра
<>'Задала такими высокими летными ка/ :пускалась до 1921 г* iк -; >•* о летостроенин наступил гораздо позже К;*.‘ги:к.";- ; ::;>питехнического института. Вер В 1'>:«У...1912 гг. над созданием вертож p.-ifio-raoi !>-. гис Николаевич Юрьев (рис* ' ■ ]>;. • ;• •>; >рТ0
*шв продолжались во многих странах и Дмитоий Павлович Григорович    20...30-е гг. XX в. Вплоть до 30-х гг. равноправным членом воздухоплавательных аппаратов оставался и управляемый аэростат — дирижабль. Мощные и легкие ДВС обеспечивали ему достаточные маневренность, скорость и дальность полета. Но несмотря на положительные качества, дирижабль обладает и множеством недостатков: слишком большая чувствительность к скорости и направлению ветра из-за большого объема; непрочность тонкой оболочки, взрывоопасность. На рис. 74 — дирижабль Фердинанда Цеппелина 1-2. ДВС, сыгравшие большую роль в развитии автомобилестроения и авиации, сразу появились в качестве силовых агрегатов и на других транспортных средствах. В Рис. 75. Подводная лодка начала XX в: I - дизель-электрический агрегат; 2 — аккумуляторы; 3 — рубка; 4 — торпедный аппарат
1890... 1900 гг. бензиновые двигатели и дизели появились на железнодорожных локомотивах. В 1887 г. двигатель Даймлера был установлен на катер и вызвал интерес представителей военного ведомства. Как мы уже упоминали, двигатель Дизеля в 1903 г. был установлен на волжском теплоходе „Вандал”, а год спустя появился на датском морском судне. ДВС, особенно дизель, сразу нашел достойное место в подводном флоте. Дизель-электрические агрегаты оказались просто незаменимыми на подводных лодках (рис. 75). Они прослужили на флоте более полувека, вплоть до появления подводных лодок с атомными энергетическими агрегатами. 7. ЛОГИКА РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИИ ДВС Итак, в конце прошлого века ДВС был создан. Проследим дальнейшие пути его совершенствования. КОМПОНОВКА И КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ Первые двигатели Ленуара, Отто и Дизеля возникли как энергические установки для промышленных целей. Они сразу завоевали признание потребителей, их мощность постоянно росла: уже в начале XX в. мощность некоторых стационарных ДВС достигла 1,5...2 тыс. кВт.
Это во многом определило их компоновочные схемы и конструктивные решения. Как для газовых двигателей, так и для дизелей широко использовался опыт, накопленный при создании паровых машин. Это были двигатели двойного действия, в которых процесс сгорания происходит последовательно с обеих сторон поршня (рис. 76). Такой принцип работы возможен только при использовании кри-вошипно-шатунного механизма с направляющим ползуном - крейцкопфом. На тихоходных стационарных двигателях большой мощности одинарного действия крейцкопфный механизм сохранялся еще долгое время. Рис. 76. Дизель двойного действия: 1 - крейцкопф; 2 - поршень; 3 -механизм газораспределения; А, Б — рабочие полости соответственно над поршнем и под ним Стремление повысить мощность привело к созданию многоцилиндровых дизелей (рис. 77) с числом цилиндров от 2 до 6. Сначала это были как бы отдельные двигатели, приводящие в движение общий вал, уложенный в единой фундаментной плите, к которой болтами крепились цилиндры с их Рис. 78. Дизель картерного типа с крейцкопфом: 1 — цилиндр; 2 — картер; 3 — фундаментная плита стойками. Позже появились двигатели картерного типа, в которых отдельные цилиндры 1 (рис. 78) крепились к картеру 2 (общему корпусу) в виде коробчатой отливки, и картер устанавливался на фундаментную плиту 3. Подобная конструкция корпусных деталей в основном сохранилась и для современных судовых двигателей. Повышение агрегатной мощности достигалось не только вследствие увеличения числа цилиндров. Для промышленных газовых двигателей весьма распространенной была тандемная компоновка поршней на одном штоке (рис. 79). Двигатели с диаметром поршней и ходом более 1 м представляли огромные сооружения общей длиной более 20 м и массой (с маховиком) около 400 т. Такие гиганты располагались горизонтально для удобства обслуживания, чтобы не сооружать очень высоких корпусов машинных станций. Газовые двигатели для промышленных установок довольно быстро отошли на второстепенные позиции, уступив первенство дизелям, способным работать на сырой нефти. Но и мощные дизели тех времен представляли собой внушительные инженерные конструкции высотой более 6 м. Поскольку аналогичные промышленным двигатели устанавливались и на судах, то наиболее удобной оказалась вертикальная компоновка цилиндров, так как на судне сложно разместить двигатель, расположенный горизонтально, работавший на продольный гребной вал. Удельная масса промышленных и судовых двигателей на первых порах была чрезвычайно высока - до 200 кг/кВт, и только к 20-му г. нашего столетия постепенно снизилась до 30...50 кг/кВт. Конечно, наряду с большими мощными газовыми двигателями и дизеля-ми как для мелких предприятий или мастерских, так и для локомобилей, малых судов и тепловозов выпускались двигатели мощностью в несколько киловатт или несколько десятков киловатт. При общей компоновке стационарного или судового двигателя следует помнить о его размерах и технологических возможностях изготовления корпусных деталей. Для двигателей средней мощности компоновка с единым картером вполне приемлема, а супердвигатели удобнее сооружать в виде отдельных станин под цилиндрами. Для автомобилей, тракторов и подобных машин вплоть до 30-х гг. отдавали предпочтение двигателям, работавшим на легких топливах - бензине или керосине. Первые двигатели имели привод на колеса через ременную передачу, поэтому могли располагаться вертикально (см. рис. 53) или горизонтально с валом параллельно оси колес под полом экипажа (см. рис. 49). Но в 1878 г. А. Болле были созданы колесный дифференциал и главная передача с коническими шестернями, с помощью которой стало возможно расположить выходной вал двигателя перпендикулярно полуосям. В 1891 г. на автомобиле Панар и Левассор (рис. 80) с-двухцилиндровым двигателем Даймлера пояци- Рис. 80. Автомобиль с двухцилиндровым двигателем Даймлера: 1 — цепная передача на колесо; 2 — конические шестерни главной передачи; 3 — коробка передач; 4 — двигатель лась классическая компоновка трансмиссии - двигатель впереди, вал двигателя параллельно оси автомобиля, сцепление, коробка передач и главная передача с дифференциалом. Такая компоновка сохранилась на подавляющем большинстве автомобилей до наших дней и предопределила на начальном этапе развития двигателей для автомобилей рядное вертикальное расположение цилиндров. Как и на судовых двигателях, основной несущей деталью был картер, состоявший из двух половин, плоскость разъема которых проходила по оси коленчатого вала. В ряде конструкций (например, двигатель фирмы Даймлер, рис. 81) нижняя половина картера несла постели I подшипников, в других двигателях литая нижняя половина картера обеспечивала жесткость замкнутой конструкции, но выполняла функцию поддона. Крышки коренных подшипников крепились к верхней половине картера. К картеру присоединялись индивидуальные цилиндры с самостоятельными рубашками охлаждения, а чаще слитые вместе пары цилиндров. Хотя единый блок четырех цилиндров был создан еще в 1899 г., попарное блокирование цилиндров не только на автомобильных, но даже на авиационных шести-, восьмицилиндровых двигателях сохранялось вплоть до 30-х гг. Подобные двигатели имели довольно много недостатков; большая длина и малая жесткость, большое число стыков различных трубопроводов (охлаждения, впускного, выпускного и т.п.) и, следовательно, их низкая надежность. Поэтому все большую популярность стали приобретать двигатели с цилиндрами, выполненными в едином блоке. Рис. 81. Двигатель фирмы Даймлер: 1 — привод гильзы-золотника; 2 — постель подшипника; 3 — гильза-золотник Рис. 82. Двигатель Бутатти Дальнейшее развитие конструкции привело к объединению верхней половины картера с блоком цилиндров в единую деталь - блок-картер, который на автомобильных двигателях стал широко применяться со второй половины 30-х гг. Причем цилиндры малолитражных двигателей отливались как одно целое с блок-картером, а для больших - делались вставные гильзы цилиндров по образцу дизелей МАН, которые появились на грузовых автомобилях в 1928 г. Эт. Бугатти предложил интересную компоновку автомобильных двигателей, которые имели блок цилиндров 2 (рис. 82), отлитый как одно целое с головкой 1 и коренными опорами 3 коленчатого вала. Нетрадиционна компоновка двигателя Феррари (рис. 83), в котором картер имел вставные гильзы цилиндров, а к нему крепились головка с наружными стенками 4 блока цилиндров.
В авиационных двигателях, в которых большую роль играет его удельная масса, применялась звездообразная компоное-ка пяти-девяти цилиндров в одной плоскости. Хотя уже были созданы двигатели (см. рис. 71) с цилиндрами и картером, вращавшимся вместе с винтом относительно неподвижного кривошипного вала, но в 1909 г. русский инженер Анатолий Георгиевич Уфимцев построил двигатель (рис. 84) биротативного типа, в котором вал и цилиндры с картером вращались в противоположные стороны. Тем не менее наиболее разумной схемой все-таки следует признать звезду (рис. 85) с неподвижными цилиндрами, так как отпадают многие проблемы с подачей топлива, смазочного масла, тока высокого напряжения на свечи зажигания и т. п. Постоянно растущие требования к единичной мощности двигателей привели к созданию многорядной звездообразной компоновки, а на базе рядных четырех-, шестицилиндровых двигателей возникли компоновки с V и W-образным расположением цилиндров (рис. 86). Рис. 83. Двигатель Феррари: 1 — головка цилиндра; 2 — цилиндр; 3 — корпус опоры; 4 — наружные стенки блока цилиндров Концепция современного двигателя автомобильного типа как относительно компоновки кривошипно-шатунного механизма, конструкции корпусных деталей, так и относительно остальных механизмов сформировалась уже к началу четвертого десятилетия XX в. и сохранилась до наших дней. Тем не менее отдельные узлы и механизмы в рамках общей сложившейся концепции проделали достаточно интересный путь развития. КОРЕННЫЕ ОПОРЫ Одним из наглядных примеров эволюции является конструкция опор коренных подшипников. Первые крупногабаритные двигатели имели фундаментную раму с опорами подшипников, которые закрывались отдельными крышками или картером с образованными в нем верхними половинами опор. Позже для малых бензиновых двигателей, а затем и для автомобильных дизелей от такой конструкции отказались и повсеместно стали применять крышки коренных подшипников, крепящиеся снизу к картеру или Рис. 84. Авиационные двигатели: а - биротативного типа Уфимцева (1909 г.); б - Нестерова (1914 г.) Рис. 85. Звездообразный двигатель М-11 Швецова Рис. 86. W-образный двигатель фирмы Нэпир блок-картеру. С ростом газовых и инерционных нагрузок в кривошипно-ша-тунном механизме возникла необходимость усиления блока, увеличения его жесткости. Появились конструкции с поперечными стяжками (рис. 87, а, б) или несколькими вертикальными шпильками, проходящими через крышку коренной опоры (рис. 87, в). Появились и так называемые тоннельные картеры, например двигатели Татра-111 или Штейер (рис. 88). Но тоннельные картеры 1 требовали особой конструкции коленчатого вала с коренными шейками 2 большого диаметра и роликовых коренных подшипников 3 или особых опор-вкладышей (как у двигателя МеМЗ-968). В любом случае сборка кривошипно-шатунного механизма такого двигателя являлась достаточно сложной операцией. Для того чтобы обеспечить требуемую жесткость конструкции, ничего не оставалось, как вернуться к первоначальной фундаментной раме в виде интегральной опоры коренных подшипников (рис. 89). На автомобильных двигателях нового поколения Вольво V-6 В 27Е и Форд-Косворс она появилась в 70-е гг. Конечно, их конструкция тоже имеет недостатки. Например, нельзя заменить вкладыш одного из коренных подшипников, не сняв всю коренную опору; сложно заменять вкладыши шатунных подшипников. Для подобных двигателей такую замену следует рассматривать как аварийную ситуацию, которая может возникнуть только в исключительных случаях. Возродившись почти два десятилетия назад, конструкция монолитной опоры коренных подшипников получила признание только в недавние годы на форсированных дизелях Штейер для грузовых автомобилей. Рис. 87. Примеры коренных опор коленчатого вала двигателей с усилением крепления крышки коренного подшипника: а — вертикальными и горизонтальными болтами (двигатель Мерседес-Бенц); б - горизонтальной сквозной стяжкой (двигатель Татра-613); в - двумя парами вертикальных шпилек (двигатель Мазера-ти); 1, 2 — соответственно вертикальные и горизонтальные болты; 3 - продольная стяжка; 4 - вертикальная шпилька 1    2    з Рис. 89. Интегральная опора коренных подшипников коленчатого вала двигателя Форд-Косворс КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ
Крупные двигатели для стационарных или судовых силовых агрегатов имели (и на первых порах, и в процессе своего развития) валы с коренными опорами по концам и между каждой парой смежных цилиндров. Кроме того, уже в конце XIX в. коленчатые валы имели солидные противовесы для уравновешивания сил инерции части щек, шатунной шейки и нижней головки шатуна, кованные как одно целое с валом или крепящиеся к щекам болтами. А для автомобильных двигателей был очень велик соблазн отказаться от излишней массы и усложнения конструкции. Появились двигатели с коленчатыми валами без противовесов и с уменьшенным числом коренных опор. Рост газовых и инерционных нагрузок по мере форсирования двигателя заставил конструкторов вернуться сначала к противовесам (но не на каждой щеке), затем к полному числу опор и, наконец, к противовесам на каждой щеке, так как только в данном случае вал разгружается от изгибающих моментов, вызванных центробежными силами инерции. Стремление к повышению жесткости коленчатого вала заставило конструкторов идти по пути увеличения диаметра шеек. Идеальным считался вал с перекрытием (рис. 90) шеек. С целью уменьшения массы вала стали высверливать шатунные шейки или делать валы с пустотелыми шейками, появились полезные полости для центробежной очистки масла от твердых частиц. Пришлось сделать шатуны с косым разъемом, чтобы нижняя головка могла „пройти” через цилиндр (рис. 91, а) и заменить вставные шатунные болты ввертными. Косой разъем (см. рис. 91, 6) оказался очень удобным для V-образ-ных двигателей, а ввертные болты более технологичными при сборке. Казалось бы, все проблемы решены. Но с увеличением диаметра* шейки возрастают линейная скорость взаимного перемещения шейки и вкладыша подшипника и потери мощности на трение в масляном Рис. 90. Перекрытие коренной и шатунной шеек коленчатого вала
Рис. 91. Разъемы нижней головки шатуна: а — прямой; б — косой слое, поэтому необходимо было сократить механические потери, с этой целью стали уменьшать диаметры шеек. Подшипники качения были выгоднее, чем подшипники скольжения, пока не появились материалы с очень низким коэффициентом трения. Поэтому вполне естественно было желание создать конструкции кривошипно-шатунного механизма с подшипниками качения; и они появились на рубеже 20...30-Х гг. (см. рис. 86, 87, 88). Для этой цели пришлось сделать разборный коленчатый вал - коренные и шатунные шейки запрессовывались в отверстия щек. Если с такой конструкцией можно было согласиться для единичного или мелкосерийного производства авиационных двигателей или двигателей дорогих и спортивных автомобилей, то для массового производства подобный коленчатый* вал многоцилиндрового двигателя уже не годился. А на двухтактных мотоциклетных двигателях кривошипный механизм с подшипниками качения и сборным коленчатым валом оказался единственно разумным, поскольку при кривошипно-камерной продувке только такие подшипники могут работать в условиях ограниченного смазывания топливовоздушной смесью, в которую подмешивается небольшое количество масла. ПОДШИПНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ Первые двигатели снабжались массивными вкладышами из бронзы. Позже, в 30-е гг., был разработан антифрикционный сплав баббит на основе свинца и олова, который заливался тонким слоем прямо по телу коренных опор или в нижнюю головку шатуна. Но с точки зрения технологии производства и ремонта такое решение оказалось не очень выгодным. Вскоре появились тонкостенные стальные вкладыши с нанесенным на их рабочую поверхность антифрикционным слоем толщиной около 0,1 мм. Это оказалось выгодно и в производстве и для эксплуатации большинства автомобильных двигателей. Но на форсированных двигателях, в которых в кривошипно-шатунном механизме действуют большие газовые и инерционные нагрузки и возникают высокие температуры при трении, такие вкладыши оказались ненадежными. Под действием нагрузок вкладыши деформируются, изменяется геометрия подшипника, ухудшаются гидродинамические условия, создающие подъемную силу масляного клина, а также нарушается контакт между вкладышем и постелью, что существенно осложняет теплоотвод от зоны трения. И в настоящее время конструкторы двигателей возвращаются к идее заливки антифрикционного слоя непосредственно по телу опоры. УПЛОТНЕНИЕ ГАЗОВОГО СТЫКА Для одноцилиндрового двигателя, работавшего с относительно малыми давлениями газа, уплотнение стыка между цилиндром и головкой не являлось большой проблемой. Ситуация усложнилась с появлением многоцилиндровых двигателей. Отдельные или попарно сблокированные цилиндры и соответствовавшие им отдельные на каждый цилиндр или пару цилиндров головки - стремление обеспечить надежный газовый стык. Поскольку нарушение этого стыка опасно не столько из-за утечки рабочего тела, .сколько из-за попадания охлаждающей жидкости в цилиндр и картер со всеми вытекающими последствиями. Точно обработать две достаточно большие взаимосоединяющиеся плоскости (блоки и головки) можно, но при прогреве двигателя до рабочей температуры неизбежно возникало коробление указанных поверхностей вследствие тепловых деформаций. При увеличении силы затяжки шпилек или болтов, крепивших головку, тоже возникли деформации. Для увеличения числа шпилек или болтов необходимо было место для их размещения. Существенное улучшение ситуации возникло с появлением достаточно надежных асбестометаллических прокладок и особенно с началом широкого применения в двигателестроении (по меньшей мере для небольших двигателей автомобильного типа) алюминиевых сплавов. Легко деформировавшиеся асбестометаллические прокладки при затяжке болтов компенсировали неточность обработки и тепловые деформации головки и блока. Надежному уплотнению стыка способствовали и менее жесткие головки из алюминиевых сплавов. И тем не менее на многих современных двигателях большого литража со сблокированными цилиндрами и вставными гильзами сохранились индивидуальные на каждый цилиндр головки. Не говоря уже о двигателях воздушного охлаждения, в которых самой распространенной конструкцией является индивидуальное крепление цилиндров и головок к картеру. Однако дальнейшее форсирование двигателей, повышение максимального давления газа заставили конструкторов вспомнить о двигателях Бугатти с единой отливкой блока цилиндров и головки. ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРОВ С появлением блок-картера у автомобильных двигателей или блок-рамы на судовых двигателях стали использовать съемные гильзы цилиндров, что делало их более ремонтопригодными и повышало Срок службы двигателя. Кроме того, представилась возможность экономить дорогостоящие легированные материалы. Для того чтобы обеспечить износостойкость поверхности (зеркала) цилиндра, необходимо было применять качественный материал на всю отливку двигателя или запрессовать износостойкие гильзы, которые можно было растачивать на ремонтный размер, но трудно заменять на новые. Но технология изготовления и материалы в принципе оставались прежними - литье черных металлов в земляные формы (малогабаритные гильзы автомобильных и тракторных двигателей отливались на центробежных литейных машинах). Уже в 50-е гг. появились блок-картеры, отлитые из алюминиевых сплавов. Они позволяли существенно уменьшить массу двигателя. В 60-х гг. освоена новая технология - литье легких сплавов под давлением. Основным достоинством такой технологии является высокая степень автоматизации. Широкому внедрению ее способствовало и то обстоятельство, что автомобильные двигатели стали выпускаться огромными сериями - по 200...400 тыс. шт. в год и более, и применение сложных и дорогостоящих литейных автоматов оказалось вполне рентабельным. Несколько изменилась и конструкция блока: цилиндр стали фиксировать по нижнему пояску (см. рис. 92, а). Американскими инженерами в 70-е гг. были разработаны литейные сплавы и режимы литья, позволяющие создать достаточно износостойкую поверхность цилиндра, отлитого из алюминия как одно целое с блок-картером на автоматической машине (рис. 92, б). Но такие блоки потеряли основное достоинство -жесткость. Кроме того, повысилось изнашивание из-за разности в тепловых раширениях цилиндра и стенки блока и увеличились возникавшие при этом деформации поверхности цилиндра. Конечно, можно применить для таких блоков конструкцию с дополнительной верхней плитой, в гнезда которой устанавливали цилиндры (рис. 92, в). Этим достаточно широко пользовались автоспортсмены при доводке двигателей с алюминиевыми блоками. Сохранились все преимущества автоматизированного литья, цилиндр разгружался от тепловых деформаций в осевом направлении. Но двигатели со вставными гильзами с фиксацией по верхнему или по нижнему пояску неизбежно увеличивались по длине по сравнению с теми, у которых цилиндры были отлиты как одно целое с блок-картером. В результате снижалась жесткость двигателя и увеличивалось изнашивание подшипников коленчатого вала. Расход металла на увеличение длины двигателя и компенсацию потери жескости возрастал. Рис. 92. Гильзы цилиндра в алюминиевом блок-кар-тере: а — установка по нижнему пояску; 6 — цельнолитой блок-картер; в — установка по верхнему поясу на дополнительно отлитой плите; 1, 4 — соответственно нижний и верхний установочные пояски; 2 — цилиндр; 3 — дополнительная плита
В настоящее время наметилась тенденция возврата к конструкции с цельнолитыми блок-картером и цилиндрами. МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ Первые ДВС по аналогии с паровыми имели золотниковое газораспределение. Золотники, изготовлявшиеся из бронзы, были вполне пригодны для паровых машин, но при работе на ДВС сразу проявились все их недостатки. Рис. 93. „Карликовый” двигатель Отто: 1 — автоматический впускной воздушный клапан; 2 — управляемый выпускной клапан; 3 — толкатель; 4 — кулачок; 5 — впускной газовый клапан; 6 - рычаг-маятник Поэтому в первых образцах двигателей были предусмотрены конструктивные решения, позволившие снизить температуру отработавших газов на выходе из цилиндра. Единственно разумным решением явилось применение клапанных механизмов. Первый газовый двигатель Отто, построенный в 1877 г., имел золотниковое газораспределение, однако вскоре им был построен так называемый „карликовый” двигатель мощностью около 0,35 кВт уже с клапанным механизмом газораспределения (рис. 93). Впускной клапан для воздуха открывался автоматически под действием вакуума при ходе поршня к НМТ, а впускной клапан для газа и выпускной клапан открывались принудительно с помощью механизма, который содержал все необходимые элементы современных механизмов - кулачок, роликовый толкатель, клапанную пружину и клапан, направляющая которого вместе с седлом вворачивалась в корпус. Толкатель, подпружиненный системой рычаг в с грузом, был связан с впускным клапаном газа. И такой механизм одновременно выполнял функцию инерционного регулятора частоты вращения вала. При увеличении ее рычаг-маятник выводил крюк из зацепления с тягой клапана и прекращал подачу газа. В 1888 г. появился двигатель Симплекс фирмы Деламар - Дебуттевиль с клапанно-золотниковым газораспределением, в котором для управления выпускным клапаном авторы конструкции применили очень сложный механизм. Принцип такого механизма, однако, на два десятилетия сохранился в механизмах газораспределения стационарных газовых двигателей (рис. 94). Рис. 94. Механизм газораспределения двигателя Симплекс От кулачка 1 движение на клапан 2 передавалось системой рычагов 3, последний из которых, проходивший через серьгу 6 толкателя тяги клапана, одним концом был связан с приводной тягой и плоской возвратной пружиной 4, а другим профилированным концом опирался на кронштейн 5.
Примером дальнейшего развития данного принципа может служить механизм газораспределения газового двигателя фирмы Ганиел и Люэг (рис. 95), в котором перемещение регулятором опоры 1 рокера служило для изменения хода клапана 2 и, следовательно, для дозирования газовоздушной смеси. Обратите внимание на двигатель фирмы Ганиель и Люэг. В дальнейшем принцип изменения положения опоры рокера будет использован для изменения фаз газораспределения. На бензиновых двигателях Панар& и Левассора был применен механизм с принудительно открывавшимися впускным и выпускным клапанами. Отсюда был уже один шаг до классической схемы с боковыми клапанами (рис. 96), которая сохранялась на ряде бензиновых двигателей вплоть до 60...70-Х гг., прежде всего благодаря простоте конструкции и минимуму движущихся деталей. Поскольку в начале XX в. степень сжатия газовых или бензиновых двигателей была невысокой, камера сгорания могла быть очень сложной формы, а в ряде случаев функцию камеры сгорания выполнял и достаточно длинный впускной канал. В дизелях требовалось обеспечение высокой степени сжатия, и подобные „излишества” в формировании камеры сгорания были просто неприемлемы. Поэтому уже на первых двигателях Дизеля клапаны открывались непосредственно в камеру сгорания над поршнем. Однако вертикальное расположение клапанов дизелей было отнюдь не обязательным. На рис. 97, а, показан дизель SLM с горизонтальными противолежащими клапанами и вытеснителем на поршне, который создавал интенсивное вихревое движение воздуха в камере сгорания в конце такта сжатия. Аналогичная схема применялась и на некоторых дизелях фирмы Дейтц (рис. 97, 6, в). В двигателе Газельвандера (рис. 98) вытеснитель перекрывает вблизи ВМТ часть объема, оставляя узкую щель, через которую с большой скоростью в камеру сгорания перетекает сжимаемый заряд. Этот прием используется и в настоящее время для интенсификации турбулизации заряда как в бензиновых двигателях, так и в дизелях. Сложные формы камер сгорания первых бензиновых и газовых двигателей, обладающие большими поверхностями теплоотвода, являлись причиной больших тепловых потерь, замедленного развития процесса сгорания, плохой экономичности и повышенной склонности к детонации даже при сравнительно небольших степенях сжатия. Поэтому в начале XX в. появились бензиновые двигатели с подвесными клапанами, с нижним (рис. 99, а) или верхним (рис. 99, б) расположением кулачкового вала. V-образное расположение клапанов 3 позволяло создать камеру сгорания, близкую по форме к полусфере, а наклонное расположение клапанов обеспечивало большое проходное сечение, хорошее наполнение цилиндра. В сочетании с компактной камерой сгорания и относительно небольшими (при верхнем расположении вала) массами поступательно движущихся частей - это открыло путь для увеличения частоты вращения вала двигателя. В дальнейшем предпочтение отдали классической схеме с нижним расположением кулачкового вала и вертикальными подвесными клапанами вдоль оси коленчатого вала (рис. 100). Такая компоновка механизма газораспределения сохранилась вплоть до наших дней на многих двигателях легковых автомобилей и подавляющем большинстве двигателей (как бензиновых, так и дизелей) для грузовых автомобилей или тракторов. Для двигателей с частотой вращения вала 4000...4500 мин-1 среднего и большого литража механизм оказался вполне пригодным. Для малолитражных двигателей с частотой вращения вала 5500...6000 мин-1 легковых или спортивных автомобилей предпочтительнее схемы с подвесными клапанами и верхним расположением кулачкового вала (см. рис. Рис. 96. Двигатель фирмы Воксхол с механизмом газораспределения и боковыми клапанами 81, 83), которые в настоящее время выполняются в разнообразных вариантах как с V-образным, так и рядным расположением клапанов. Форма камеры сгорания и соответствующая ей компоновка механизма газораспределения самым непосредственным образом влияют на организацию процесса сгорания, мощностные и экономические показатели двигателя и его токсичность. Для того чтобы бензиновый двигатель работал с более высокими степенями сжатия без опасения детонационного сгорания, необходима интенсивная турбулизация заряда топливовоздушной смеси, в том числе в период сжатия за счет вытеснения ее из периферийных зон в компактный объем камеры сгорания. В начале 80-х гг. появилась конструкция камеры „Огненный шар” (рис. 101, а), в которой клапаны расположили на

Рис. 97. Дизель с горизонтальными противолежащими клапанами и схема действия вытеснителя: 1 — выпускной клапан; 2 — впускной клапан; 3 — форсунка; 4 — вытеснитель разном уровне. Для вытеснения использовалась примерно половина площади поршня. Но чем больше площадь вытеснения, тем интенсивнее поток смеси, создаваемый вытеснителем. На рис. 96 показана камера с боковыми клапанами уже давно известная, но с небольшой модернизацией: зазор между головкой и поршнем в зоне вытеснения сделан минимальный. Такая камера не очень удобна для создания высоких степеней сжатия (рис. 101, б). Камера над двумя клапанами, расположенными сбоку, не очень компактна. А что если расположить клапан так, как показано на рис. 101, в? Логично, но не напоминает ли Вам эта конструкция двигатель Даймлера? В последнее время конструкторы тщательно исследовали подобные камеры. Поверхность такой камеры слишком велика, следовательно, велики потери теплоты, выбросы токсичных соединений углеводородов и альдегидов из холодного пристенного слоя и т.п. Интенсифицировать движение заряда можно уже известным способом заширмленно-го вытеснителя, разработанным еще в конце прошлого века. В конце 70-х гг. на двигателях появились трех- и четырехклапанные головки, а японские фирмы сделали даже шестиклапанные головки для малых мотоциклетных двигателей. Четырехклапанные головки стали модой, Рис. 98. Двигатель Газельвандера с вытеснителем: 1 — вытеснитель; 2 — впускной клапан;
3 — центробежный регулятор; 4 — фор-сунка-доэатор но несколько запоздалой, так как первые двигатели с многоклапанными головками появились в начале века, а на двигателях спортивных автомобилей фирм Мерседес или Воксхолл серийно уже в середине 20-х...30-х гг. Если пары клапанов расположены параллельно, то механизм не очень усложняется: оба клапана можно открывать с помощью одного кулачка и вильчатого рычага, но камера сгорания получается далеко не оптимальной фермы - формы шатра. Для создания полусферической поверхности камеры сгорания (рис. 102) очень сложно разместить клапаны механизма газораспределения в головке многоцилиндрового двигателя. Многоклапанные головки более выгодны для двигателей спортивных автомобилей, которые большую часть времени работают на полной мощности. А двигатель обычного легкового автомобиля быть может ни разу и не выйдет на полную мощность. Хорошее наполнение и большая мощность в данном случае скорее годны для рекламных проспектов. Идея многоклапанной головки несколько трансформировалась. Остались три клапана, чтобы обеспечить хорошее смесеобразование и равномерное распределение топливовоздушной смеси прежде всего на частичных нагрузках, два впускных и один выпускной. На малых нагрузках смесь создается в первичной камере карбюратора малого сечения, в которой благодаря этому поддерживаются достаточно высокие скорости распыливающего воздуха. Если раньше она попадала во впускной трубопровод большого сечения, рассчитанного на максимальное наполнение, в котором скорость потока резко уменьшалась, а качество смеси ухудшалось, то теперь она транспортируется, сохраняя высокую скорость, по самостоятельному каналу 1 тоже малого сечения (рис. 103) и попадает в цилиндр через клапан 3 малого диаметра. На средних нагрузках могут работать камера и канал 2 большого сечения, а на полных - оба. В этой конструкции очень целесообразно было бы отключать неработающие клапаны. И еще. Наличие двух самостоятельных смесительных камер и каналов позволяет создавать заряд расслоенной смеси и тем самым управлять процессом сгорания и количеством возникающих при этом токсичных веществ. Следует упомянуть еще об одной идее в конструкции механизмов газораспределения. В головке с четырьмя клапанами эффект увеличенного Рис. 100. Классическая компоновка механизма газораспределения с подвесными клапанами (двигатель Вандерер): 1 — кулачковый вал; 2 — толкатель; 3 — штанга толкателя; 4 — коромысло; 5 — клапан Рис. 101. Камеры сгорания и расположение клапанов: а — „Огненный шар**; б — с боковыми клапанами; в — F-образное расположение клапанов проходного сечения во многом уменьшается за счет торможения потока у стенки цилиндра и в перемычке между клапанами (рис. 104). В 60-е гг. была предложена конструкция с соосными клапанами (рис. 105). С помощью такой конструкции можно обеспечить большое проходное сечение и равномерное распределение потока по периметру клапанной щели, но большая масса клапана и сложности с уплотнением между впускным и выпускным каналами не позволили применить ее в массовом производстве. Данная конструкция оказалась отнюдь не новой. Уж очень она напоминает механизмы газовых двигателей начала века, в которых через подобные соосные клапаны отдельно подавались в цилиндр воздух и газовое топливо. Рис. 102. Четырехклапанный механизм газораспределения и полусферическая камера сгорания: 1 — кулачковый вал; 2 — рокер; 3 — клапан
В классической схеме клапан открывается под действием кулачка, а закрывается возвратной пружиной, которая обладает силой упругости, чтобы обеспечить плотную посадку клапана в седло. Кулачок при открывании клапана должен преодо- Рис. 103. Механизм газораспределения с впускными клапанами разного диаметра и отдельными впускными патрубками леть не только инерцию его массы, но и усилие пружины. А если процессами открытия и закрытия клапана управлять кулачками? В середине 50-х гг. возникли так называемые десмодром-ные механизмы (рис. 106). Проблема одна - точность изготовления, плотность посадки клапана в седло и износы. Решить ее в условиях массового производства не так просто.
На рис. 107 показана конструкция, в которой клапан совершает качание вокруг оси. Клапанный механизм легкий, обладает малыми силами инерции. Основным его недостатком является трудность обеспечения плотной посадки клапана в седло. По сравнению с золотниковым клапанный механизм имеет много преимуществ. Но и у золотникового есть свои Преимущества: возможность обеспечить большие проходные сечения и, что немаловажно, создать идеальную форму камер сгорания. В 1905 г. запатентована конструкция золотникового распределения Чарльза Найта, в которой цилиндрический золотник (см. рис. 79), охватывавший рабочий цилиндр, совершает возвратные поступательное и вращательное движения относительно оси цилиндра, последовательно открывая и закрывая впускные и выпускные окна. Кинематика приводного механизма сложная, масса золотника и силы инерции велики, уплотнение ненадежное - недостатков множество, но очень велико желание найти оптимальную форму камеры сгорания. Поэтому к механизму Найта в дальнейшем конструкторы возвращались неоднократно, совершенствуя его (рис. 108). Газораспределение с помощью вращающегося золотника (рис. 109) широко применяется на быстроходных (более 8.. .10 тыс. мин-1) двигателях спортивных мотоциклов.
Высокое давление в конце сгорания приводит к деформации и задирам золотника и повышенному абразивному износу сажевыми частицами. Но для спортивных двигателей важнее мощность, чем долговечность. Впускной клапан закрывается с запаздыванием относительно НМТ для того, чтобы использовать энергию потока газов для улучшения напол- Рис. 104. Зоны торможения потока смеси в головке с четырьмя клапанами Рис. 105. Соосные клапаны и их ра сположение в головке цилиндра нения. Но эта энергия эффективна только на больших скоростях потока. При малой частоте вращения вала часть заряда выбрасывается обратно во впускной трубопровод. Не совсем разумно. Выпускной клапан открывается задолго до прихода поршня в НМТ для того, чтобы снизить сопротивление газов при последующем выпуске, и чем выше часто

та вращения вала, тем раньше необходимо открывать клапан. Для двигателя, длительное время работающего на установившемся режиме, такое решение применимо, а для автомобильного двигателя, который большую часть време- Рис. 107. Качающийся клапан: 1 — расположенный в головке; б — с торсионной пружиной
Рис. 106. Примеры десмодромных механизмов управления клапанами: J, 2 - кулачки соответственно открытия и закрытия клапана; 3 — толкатель; 4 - рычаг ни работает на частичных скоростных и нагрузочных режимах? По-видимому, в данном случае целесообразно открывать клапан позже и полнее использовать энергию заряда (именно на частичных нагрузках). С 60.,.70-х гг. стали появляться предложения, позволяющие создать механизм с переменными фазами газораспределения за счет изменения профилей кулачка или донышка Рис. 108. Золотниковые механизмы газораспределения Найта: а — цилиндрический (авиационный двигатель Бристоль); б — полуцилиндри-ческий; 1 — рычаг привода золотника; 2 — золотник; 3 — цилиндр; 4 — головка; 5—полуцилиндрический золотник; 6 — механизм привода; 7—эксцентриковый вал привода Рис. 109. Механизмы газораспределения с вращающимися золотниками: а -цилиндрическим; б - коническим; 1 -золотник; 2 - механизм привода золотника
a)
толкателя, т. е. изменяя период их взаимного контакта. Такие механизмы распространения пока не получили - слишком сложны, а экономия топлива не столь уж велика. Но они весьма целесообразны для двигателей, работающих совместно с бесступенчатой трансмиссией. А завершить наши рассуждения о механизме газораспределения целесообразно вопросами, связанными с отключением клапанов. Вопрос об отключении клапанов стали рассматривать в 60-е гг. в связи со стремлением улучшить экономичность автомобиля на частичных нагрузках в результате выключения из работы части цилиндров. Современные механизмы отключения клапанов показаны на рис. 110. СИСТЕМА ПИТАНИЯ Система питания является определяющей для мощностных и экономических параметров двигателя, степени его экологической чистоты. Несмотря на то что двигатели с воспламенением от сжатия появились позже двигателей с воспламенением от постороннего источника, давайте Рис. 110. Механизмы отключения клапанов: а — с изменением положения опоры коромысла; б — с опусканием гидравлической опоры рокера; I — колпачок с прорезями; 2 — стакан с усиками; 3 — коромысло; 4 — клапан; 5 — рокер; 6 — кулачок; 7 — гидравлическая опора; 8 — клапан; 9 — золотник Рис. 111. Форсунка дизеля с пневматическим распиливанием топлива: а — форсунка; б, в - распиливающие конусы с канавками и лысками соответственно; 1 — распыливающие шайбы; 2 — распиливающий конус проследим сначала логику развития дизелей. Для того чтобы впрыснутое в цилиндр топливо самовоспламенилось, в двигателе Хэргривса использовался подогрев воздуха от раскаленных керамических стенок газообменного канала и цилиндра при весьма малой степени сжатия. Конструкция и, наверняка, технология изготовления такого двигателя оказалась слишком сложной для того времени. Дизель решил задачу самовоспламенения более простым путем - за счет нагрева воздуха при сжатии до высокого давления. Но даже в этих условиях для нормального развития процесса сгорания топливо должно быть тщательно распылено, чтобы обеспечить его интенсивное испарение и перемешивание с воздухом. Мы уже отмечали, что в первых двигателях Дизеля в цилиндры через форсунку подавалась топливовоздушная смесь при давлении, лишь немного превышающем давление конца сжатия. Перемешивание топлива с воздухом в форсунке (рис. 111, а) осуществлялось с помощью распыливающих шайб и каналов, а формирование струи топливовоздушной смеси в цилиндре с помощью распыливающих конуссв (рис. 111, б, в), в ряде случаев снабженных винтовыми канавками на поверхности. Клапан форсунки открывался не под действием давления топлива, а принудительно. Топливо заполняло полость в зоне распыливающих шайб в промежутке между рабочими ходами, а в процессе впрыскивания „выдувалось” сжатым воздухом. Для подачи топлива использовались плунжерные насосы (рис. 112), дозирование топлива в которых регулировалось периодом открытия впускного клапана с помощью эксцентриково-рычажного механизма, а для подачи воздуха - двухступенчатые поршневые компрессоры, приводимые от коленчатого вала двигателя (см. рис. 57). Пока частота вращения вала была невысокой и начальная фаза процесса сгорания проходила с небольшим превышением по сравнению с давлением сжатия, такой способ смесеобразования был вполне приемлемым. Однако использование в качестве топлива для дизелей более вязкой сырой нефти и форсирование по частоте вращения вала вынудило вскоре о Ч;»к I.WH Рис. 112. Топливный насос судового дизеля AEG: I — плунжер; 2 — нагнетательные клапаны; 3 — впускной клапан; 4 —эксцентриково-рычажный механизм открытия клапана перейти от воздушного распыливания к прямому впрыскиванию топлива через форсунку под давлением, в несколько раз превышающем давление сжатого в цилиндре воздуха. Кроме того, существенно упростилась топливная аппаратура двигателя и уменьшились энергетические затраты на ее привод (эффективный КПД двигателя благодаря этому увеличился на 3...4%). Конструкция топливного насоса оставалась достаточно сложной (рис. 113, а). Дозирование топлива осуществлялось, как правило, с помощью регулируемого эксцентриком перепускного клапана. А вот принцип действия форсунки с начала 30-х гг. не изменился и до наших дней (рис. 113,6). Конечно, было разработано множество вариантов распыливающих наконечников, которые создавали струю впрыскиваемого топлива, соответствующую форме камеры сгорания, форсунки стали миниатюрнее. Следующим значительным шагом в развитии топливной аппаратуры дизелей было создание топливного насоса, в котором дозирование осуществлялось с помощью винтовой поверхности плунжера (рис. 114). В зависимости от формы поверхности можно регулировать не только цикловую подачу Рис. 113. ТНВД с перепускным клапаном и форсунка для распыливания тяжелого <7> дкого топлива: a)
а — насос; б — форсунка; 1 — кулачок; 2 — толкатель; 3 — плунжерная пара; 4 — нагнетательный клапан; 5 — перепускной клапан; 6 — эксцентриково-рычажный механизм открытия перепускного клапана топлива, но и момент начала и окончания подачи. Подача топлива начинается в момент, когда верхняя грань винтовой поверхности 1 перекрывает перепускной канал 2 и заканчивается, когда нижняя грань винтовой поверхности открывает его. При повороте ггпунжера вокруг оси грани поверхности меняют положение относительно перепускного канала, благодаря чему увеличивается цикловая подача. Дозирование с помощью канавки на плунжере позволило упростить конструкцию ТНВД и объединить в один агрегат секцию топливного насоса и форсунку, т.е. получилась насос-форсунка. Насос-форсунки (рис. 115) имеют достоинства и недостатки, в 50-е гг. они широко применялись как на судовых, так и на автомобильных дизелях. Плунжеры насос-форсунок перемещались рычажными механизмами с г кулачков, расположенных на общем с кулачками механизма газораспреде: е-ния валу. И при росте частоты вращения вала двигателей начинались ко ie-бания, увеличивались динамические нагрузки в системе привода. Нас эс-форсунки были заменены на компактные плунжерные ТНВД с достаточно прочными и жесткими элементами передаточного механизма коленчатого вала. Форсунки стали конструктивно проще и дешевле по сравнению с насос-форсунками, так как узел можно заменить в эксплуатации. Плунжерную пару ТНВД необходимо тщательно обрабатывать, поскольку она должна обеспечить требуемую точность дозирования топлива, исключить перетечки в зазоре между плунжером и гильзой при очень высоких давлениях. И, естественно, возникла идея - нельзя ли обойтись одной прецизионной парой плунжер - гильза, последовательно распределяя дозы топлива по отдельным форсункам? Можно! Рис. 114. Плунжер ТНВД с винтовой канавкой и регулирование цикловой подачи: о
о
о
а)
в)
б)
а — по концу впрыскивания; б — по началу впрыскивания; в — по началу и концу впрыскивания; I, II — положения плунжера соответственно в начале и в конце подачи В 60-е гг. появились ТНВД распределительного типа (рис. 116). При каждом ходе плунжера он поворачивается отверстием к соответствующему каналу в гильзе. Число ходов плунжера увеличилось пропорционально числу цилиндров, а следовательно, увеличились и скорости его перемещения, и динамические нагрузки. Более того, при высокой частоте вращения вала конструкторов начали беспокоить колебания столба топлива в трубопроводах высокого давления, которые существенно нарушали равномерность цикловой подачи. В настоящее время встал вопрос: что же лучше более дорогой ТНВД с отдельными плунжерными парами для каждой из форсунок или насос распределительного типа? Конструкторы пока не пришли к единому мнению. И еще один не менее важный вопрос: ТНВД и форсунка или насос-форсун-ка? Дело в том, что давление начала подачи топлива, т.е. давление, при котором игла форсунки отрывается от седла, тоже менялось по мере совершенствования камер сгорания и топливной аппаратуры. В неразделенных плоских камерах сгорания, аналогичных показанной на рис. 19, а форсунка должна обеспечить подачу струи топлива на достаточно большое расстояние и тонкое распыливание его. Для этого требовалось давление впрыскивания около 50 МПа и более. Затем появились более компактные камеры сгорания (рис. 19, б), где периферийная плоскость днища поршня играет роль вытеснителя и обеспечивает достаточно интенсивное вихревое движение заряда в камере сгорания и перемешивание впрыскиваемого топлива с воздухом. Такая конструкция камеры позволила снизить Рис. 115. Насос-форсунка: 1 — толкатель; 2 — плунжер; 3 — канавка регулирования цикловой подачи;
4 — отсечной клапан; 5 — распылитель давление начала подачи до 12...15 МПа. Энергетические затраты на привод ТНВД существенно уменьшились.
<<< Предыдущая страница  1     Следующая страница >>>


1 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 
А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я