Краткая история создания поршневых двигателей внутреннего сгорания

Непосредственным предшественником поршневого ДВС является паровая машина Ползунова и Уатта. От неё заимствованы кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы. Впервые паровая машина на самоходной технике была применена в середине XIX века на гусеничном тракторе, изготовленном крепостным крестьянином Воронежской губернии Шамшуренковым.Этот трактор имел общий котёл с двумя паровыми машинами, каждая из которых двигала гусеницу своего борта: одна - левую, другая - правую. Однако ввиду громоздкости и крайней неэкономичности паровые машины не получили распространения на безрельсовом транспорте.

Первый поршневой ДВС построен французским изобретателем Ленуаром в 1860 году. Это был двухтактный двигатель с золотниковым ГРМ, работавший на светильном газе с воспламенением от электрической искры. Впуск свежего заряда осуществлялся в течение примерно 1/3 хода поршня от ВМТ. Затем на этом же такте происходило сгорание топлива и шёл процесс расширения. При движении поршня от НМТ осуществлялось очищение цилиндра от отработавших газов. Главный недостаток такого двигателя - отсутствие процесса сжатия. В результате этого, наполнение цилиндра было крайне малым, а сгорание происходило в большом объёме цилиндра, то есть с большими потерями теплоты. Поэтому и максимальное давление p_z, и температура T_z были низкие. У лучших моделей этих двигателей p_z не превышал 0,4 МПа (для современных ДВС p_z приближается к 20 МПа). Несмотря на малые мощности, большие расходы топлива и низкую надёжность, двигатели Ленуара были более приемлемыми, чем паровые машины, и имели довольно широкое применение, правда как стационарные установки. Для самоходных машин они были чрезмерно тяжелы.

В 1861 году французский учёный Бо-Де-Роша предложил четырёхтактный цикл для поршневого двигателя. Этот цикл предполагал следующие такты:

- впуск (поршень движется от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт);

- сжатие (поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты, в конце такта осуществляется воспламенение топлива);

- расширение (поршень движется от ВМТ к НМТ, оба клапана закрыты);

- выпуск (поршень движется от НМТ к ВМТ, открыт выпускной клапан).

Первый газовый двигатель с принудительным воспламенением, работающий по четырёхтактному циклу, был построен в 1862 году немецким изобретателем из города Кёльна Николосом Отто (1832-1891). Он организовал фирму по серийному производству этих моторов. Первые двигатели имели максимальную мощность около 2 л. с. при частоте вращения коленчатого вала 150 об/мин. Масса одного мотора составляла около 2 т. Тем не менее топливная экономичность двигателя Отто была существенно лучше двигателя Ленуара и тем более паровой машины.

В процессе отработки конструкции и технологии изготовления к середине 80-х годов XIX века удалось во много раз уменьшить массу ДВС и увеличить их мощность. Это позволило использовать такие двигатели на самоходной технике. В 1885 году независимо друг от друга немецкие инженеры Карл Бенц и Готлиб Даймлер впервые изготовили самоходные машины (автомобили) с двигателями Отто.

В Германии при поддержке правительства в 90-х годах XIX века под руководством инженера Рудольфа Дизеля проводились работы с целью создания двигателя с самовоспламенением. Первоначально предполагалось, что мотор должен работать на угольном порошке, в чём крайне было заинтересовано немецкое правительство, так как запасы угля в Германии значительны, а нефти нет. Однако использование порошкообразного угля приводило к быстрому закоксовыванию форсунок. Поэтому заключительным вариантом двигателя Дизеля в 1897 году был керосиновый двухтактный мотор с самовоспламенением от сжатого, а значит, сильно разогретого воздуха.

Параллельно с немецкими и французскими инженерами в царской России также велись интенсивные работы над созданием ДВС. В 1885 году капитан Балтийского флота Костович И.С. изготовил двигатель конструкции Отто мощностью 80 л. с. при массе 240 кг. В 1899 году на Петербургском заводе Нобеля инженером Тринклером Г.В. и механиком Маминым Я.В. впервые создан четырёхтактный двигатель с самовоспламенением, работавший на сырой нефти, который был одним из самых экономичных моторов того времени.

В начале XX века с применением лёгких малогабаритных ДВС окончательно сформировалась основная компоновочная схема самоходной машины, получившая название “классической”. Тогда же определились основные технические решения механизмов и систем поршневого двигателя внутреннего сгорания. Это способствовало массовому производству автомобилей, тракторов и другой самоходной техники, суммарный ежегодный выпуск которой в конце XX века превысил 60 млн. штук. Общий тираж только четырёхтактных ДВС составил более 1 млрд. Суммарная мощность двигателей самоходных машин намного превосходит мощность всех электростанций Земли.

Ввиду высокого совершенства и двухтактный, и четырёхтактный циклы за прошедшие годы не изменились. Однако конструкции моторов, технологические процессы их производства, мощностные, экономические и экологические показатели значительно улучшились и продолжают совершенствоваться. Это результат напряжённого труда учёных, инженеров, руководителей и рабочих различных предприятий, ВУЗов и научно-исследовательских организаций многих стран мира.

Развитие отечественного моторостроения сопровождалось не только совершенствованием конструкции и технологии изготовления, но и решением проблем теории рабочего процесса, динамического анализа ДВС и других. В 1906 году профессор Гриневецкий В.И. (1871-1919) предложил метод теплового расчёта рабочего цикла двигателя, который положен в основу современной теории ДВС, развитой в дальнейшем российскими и советскими учёными Шелестом А.И., Брилингом Н.Р. и другими. В Советском Союзе была создана широкая гамма автотракторных, мотоциклетных и других двигателей, и организовано их массовое производство на множестве предприятий. Широкую известность получили моторы, созданные под руководством Климова В.Я., Константинова В.А. и других видных деятелей.

Классификация ДВС

ДВС - это двигатель, в котором химическая энергия топлива преобразуется в тепловую энергию горючих газов непосредственно внутри мотора, например в цилиндре. Давление этих газов заставляет перемещаться подвижные элементы двигателя: поршень, шатун, коленчатый вал, маховик и другие.

Поршневой ДВС состоит из:

- кривошипно-шатунного механизма (КШМ);

- газораспределительного механизма (ГРМ);

- системы питания;

- системы охлаждения;

- системы смазки;

- системы запуска;

- системы зажигания, если ДВС с принудительным воспламенением.

Общую классификацию двигателей можно представить в виде схемы:

Существующие двигатели внутреннего сгорания работают по одному из трех циклов, имеющих свои характерные особенности:

Цикл бензиновых и газовых двигателей со сжатием горючей смеси, ее воспламенением от постороннего источника и быстрым сгоранием при нахождении поршня около в. м. т., т. е. со сгоранием при почти постоянном объеме.

Цикл компрессорных дизелей со сжатием воздуха, компрессорным распыливанием топлива, его воспламенением от тепла сжатого воздуха и медленным сгоранием при перемещающемся поршне, т. е. при почти постоянном давлении.

3. Цикл бескомпрессорных дизелей со сжатием воздуха, бескомпрессорным распыливанием топлива, его воспламенением и сгоранием при нахождении поршня около в. м. т. В этом цикле часть топлива сгорает при почти постоянном объеме, а оставшаяся часть — при почти постоянном давлении, вследствие чего этот цикл часто называют смешанным.