История создания автомобильных двигателей

     КПД теплового двигателя - это отношение  той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива. Первый дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, современный стационарный дизель имеет КПД 34-44%.

     РАЗДЕЛ  2. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР

2.1 Паровые  автомобили.

       Изобретение паровой машины породило у изобретателей самоходных повозок большие надежды, так как появился механический двигатель, мощность которого мог ла значительно превосходить мощность человека и лошади. Но надежда на паровой двигатель, как на источник большой мощности, не оправдалась, так как громоздкий, тяжелый и опасный в отношении взрыва малосовершенный паровой котел того времени не годился для автомобилей. Даже после усовершенствования котла, когда при переходе на водотрубные системы вес его сократился, паровые автомобили не могли конкурировать с бензиновыми автомобилями и быстро уступили последним место. Первым по времени паровым автомобилем можно считать повозку французского военного инженера Жозе-фа Кюньо, построенную в 1769 г. Этот трехколесный паровой самоход предназначался для нужд артиллерии и имел грузоподъемность 2,5 т. Примитивный паровой котел был настолько несовершенным, что требовал обязательной остановки повозки после 15 мин. движения для подъема пара, на что требовалось не менее 15 мин. При испытаниях выявилось также несовершенство рулевого управления машины. После первых испытаний Кюньо было предложено построить более совершенную машину, что он и сделал через год, однако этот новый экземпляр так и не был испытан и впоследствии был сдан на хранение в арсенал. Сейчас паровая повозка Кюньо хранится в Музее искусств и ремесел в Париже. К началу XIX в. несколько английских конструкторов построили паровые самоходные повозки, из которых следует упомянуть паровую карету Р. Тревитика. Несмотря на удачные пробы, Тревитик не смог использовать свое изобретение из-за отсутствия средств и карета была разобрана. Сохранившиеся чертежи кареты Тревитика, построенной в 1802 г., показывают, что она представляла большой конструктивный интерес и для своего времени была оригинальной. Не останавливаясь на других конструкциях, отметим, что в 30-х годах XIX в. несколькими конструкторами были построены и использовались для междугородных сообщений паровые автобусы. Так, например, паровые автобусы Гурнея и Ганкока прошли несколько тысяч километров и перевезли несколько тысяч пассажиров. Однако энтузиастам паровых автобусов в Англии вскоре пришлось ликвидировать свои предприятия, так как ограничительные законы и высокие налоги, введенные под влиянием владельцев конных дилижанских линий, служили непреодолимым препятствием их деятельности. Особенно действенной явилась конкуренция железных дорог, где эксплуатация громоздких и тяжелых локомотивов не вызвала затруднений, в то время как очень плохое состояние шоссейных дорог не позволяло развивать автобусное сообщение. В 30-х годах XIX в. в России также были многочисленные попытки использовать паровые самоходы для нужд пассажирского и грузового транспорта по безрельсовым дорогам.

     Особого внимания заслуживает всесторонне  разработанный проект В. П. Гурьева, который предложил организовать сообщение при помощи «сухопутных  пароходов» по специально построенным  торцовым дорогам. Однако предложение  Гурьева не было использовано, и после длительных рассмотрений и проволочек ему было отказано в организации компании для налаживания таких междугородных сообщений. Также были отклонены изобретения конструкторов паровых самоходов Янкевича, Доманиевского, Писарева, Гучкова, Солодовникова и ряда других. Конец XIX в. вновь ознаменовался развитием паровых автомобилей. Несколько весьма талантливых французских конструкторов построили очень удачные образцы паровых автомобилей. Легкие и компактные паровые котлы высокой паропроизводительности позволили развить высокие скорости на автомобилях Болле, Серполле и др. Но в это время уже появились бензиновые автомобили, и, оценив их явные преимущества, большинство конструкторов отказалось от паровых автомобилей, переключалось на постройку бензиновых. Так, Болле, Де-Дион и Бутон и другие, перейдя на выпуск бензиновых автомобилей, оказались в первых рядах конструкторов бензиновых автомобилей. Ко второй группе паровых автомобилей относятся легковые автомобили, работающие на жидких топливах (керосине, газойле и др.). Легкие парогенераторы высокого давления с полностью автоматизированной работой, отсутствие коробки передач и сцепления, легкость и простота управления, хорошая динамика и плавность разгона являются преимуществами этих паровых автомобилей перед бензиновыми. Недостатками таких автомобилей являются сложность автоматики управления (подачи воды и топлива, регулирования работы котла), а главное - низкий к. п. д. парового двигателя, следствием чего является значительно больший расход жидкого топлива, чем в автомобилях с двигателями внутреннего сгорания (в 2-3 раза). Из-за этих недостатков легковые автомобили не могут конкурировать с бензиновыми. 

2.2  Бензиновые  автомобили.

     Изобретение двигателей внутреннего сгорания сразу  направило мысль конструкторов на применение их в качестве источника мощности для самоходных повозок. Изобретатель газового двигателя внутреннего сгорания Ленуар пытался в 1862 г. применить свой двигатель для движения экипажа, но в то время, когда его мало совершенный двигатель делал еще свои первые неуверенные шаги в качестве стационарного двигателя, не могло быть и речи о его пригодности для транспорта, тем более, что в то время невозможно было обеспечить на повозке потребный запас газа, которого двигатель расходовал очень много. Использование в качестве топлива бензина дало возможность построить автомобиль таким, каким он является сейчас, так как был найден легкий, всегда готовый к действию двигатель, обеспеченный запасом топлива на пробег в сотни километров. Важным стимулом к использованию бензина являлось и то, что нефтяная промышленность была занята главным образом производством осветительного керосина и побочный продукт производства-бензин получался в таких количествах, которые значительно перекрывали весьма скромный спрос на него в качестве растворителя в химической промышленности и для химической чистки. Изобретателей бензиновых автомобилей было очень много в разных странах. Некоторые из них работали над изобретениями, но не претендовали ни на первенство, ни на славу. Другие, наоборот, делали заявки и брали патенты, но ничего не строили и усиленно доказывали свое первенство. Ряд конструкторов делал и то и другое. Из числа изобретателей можно упомянуть инженера Георга Сельдена, который в 1879 г. сделал заявку на патент бензинового автомобиля, но не представил подробной конструкции и не построил машину. Только в 1895 т. Сельден построил машину и получил патент, пользуясь достаточно известными подробностями конструкции автомобилей, выпускавшихся уже в то время несколькими заводами США и Европы. Позднее компания автопромышленников хотела использовать патент Сельдена, чтобы запретить производство без платы за лицензии на право изготовления автомобилей всем, не входившим в эту компанию, в том числе Форду. Судебное разбирательство длилось долго и только в 1911 г. претензии по патенту Сельдена были отклонены аппеляционным судом. Из всех претендентов на звание изобретателей автомобиля официально были признаны только два немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем, и Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный бензиновый автомобиль. В России в 1882-1884 гг. также пытались строить автомобили с двигателем внутреннего сгорания. Группа конструкторов во главе с инженером Путиловым построила «моторную пролетку», но дальше пробных поездок они не пошли и не смогли даже официально зарегистрировать свои работы.

     Большая заслуга в создании современного бензинового автомобиля принадлежит  французскому инженеру Эмилю Левассору. По его совету фирма Панар приобрела лицензии на право постройки автомобилей по патенту Даймлера и приступила к их постройке в 1889 г. После изготовления первой машины конструкции Даймлера Левассор в 1890 г. разработал свою оригинальную конструкцию автомобиля с расположенным впереди двигателем и приводом к задним ведущим колесам. С 1891 г. завод Панар - Левассор начал регулярный выпуск таких автомобилей, в то время как большинство автомобильных заводов до начала XX в. строило автомобили с задним расположением двигателя, далеко уступавшие по совершенству конструкции автомобилям Левассора. До сих пор схема расположения механизмов и основная компоновка автомобилей сохраняется в большинстве конструкций такой, какую разработал Левассор свыше семидесяти лет назад. 

2.3  Дизельные  автомобили.

     Применить дизельный двигатель в качестве силовой установки автомобиля пытался  еще Рудольф Дизель. В 1908 г. он производил опыты постановки облегченного двигателя  своей конструкции на грузовой автомобиль, но испытания окончились неудачей, так как не удалось устранить громоздкий компрессор. Позднее в своем дневнике Дизель писал, что впрыск одного топлива без помощи сжатого воздуха невозможен.  Русский инженер Г. В. Тринклер осуществил распыливание топлива в двигателе с воспламенением от сжатия без помощи компрессорного воздуха еще в 1901 г. Однако практические способы бескомпрессорного распыливания топлива в дизельных двигателях были освоены только к 1908 г., когда была закончена работа Я. В. Мамина, завершившаяся постройкой первого бескомпрессорного дизеля.

     После первой мировой войны большинство  автомобильных заводов Германии, Англии и других Стран начали работу по созданию автомобильных дизельных  двигателей. Интересно отметить, что  завод Майбах, построив первый дизельный трактор с компрессорным Двигателем и убедившись в полной непригодности компрессорного двигателя даже для трактора, переключился исключительно на бескомпрессорные двигатели. К концу двадцатых годов XX в. было освоено достаточное число моделей дизельных грузовых автомобилей, главным образом в Германии и Англии. В 1934 г. в СССР состоялся Международный дизельный конкурс, на котором были представлены автомобильные дизельные двигатели 15 фирм, а также отечественный дизельный двигатель Коджу конструкции проф. Н. Р. Брилинга. Всего было представлено 40 автомобильных дизельных двигателей восьми стран. Во время конкурса были проведены всесторонние лабораторно-дорожные, пробеговые (по маршруту Москва- Тбилиси - Москва протяженностью 4698 км) и скоростные испытания дизельных автомобилей, стендовые испытания двигателей и микрометрирование их деталей. Испытания показали высокую экономичность автомобильных дизельных двигателей, их хорошие пусковые качества, вполне удовлетворительную динамику автомобилей, достаточную прочность и надежность дизельных двигателей. Ряд автомобильных дизелей показал качества, превосходящие бензиновые двигатели. Особенно разительны были результаты испытаний в отношении экономичности и времени пуска. Наиболее экономичные дизельные автомобили показали расход дизельного топлива в два с лишним раза меньший по сравнению с однотипными бензиновыми автомобилями. Советские дизельные двигатели Коджу показали рекордное время пуска - 6 сек, что в 3-4 раза меньше обычного времени пуска бензиновых двигателей.

     Высокие показатели, достигнутые на конкурсе, и большие надежды, возлагавшиеся  на дизельные двигатели, все же не повлекли за собой немедленного перехода на дизельную тягу значительной части  автомобильного парка. Для уяснения причин этого факта напомним кратко преимущества и недостатки дизельных двигателей по сравнению с карбюраторными бензиновыми двигателями. Эффективный к.п.д. дизельных двигателей выше и поэтому они расходуют топлива меньше на 30-40% по весу и приблизительно на 50% по объему. Этим повышается запас хода дизельного автомобиля. Дизельное топливо дешевле, менее огнеопасно и выход его из сырья можно повысить. Использование двухтактного цикла в дизельных двигателях не влечет за собой снижения экономичности, как это неизбежно происходит в бензиновых карбюраторных двигателях. В то же время по ряду показателей дизельные двигатели уступают бензиновым, поэтому в настоящее время они не могут с последними конкурировать в большинстве областей применения на автомобилях. Трудность распыливания топлива и смесеобразования в короткие промежутки времени не позволяет повышать число оборотов коленчатого вала дизельных двигателей до значений чисел оборотов, свойственных карбюраторным двигателям, что существенно снижает удельную мощность двигателя. Снижению удельной мощности способствует также работа дизельных двигателей с относительно большими, чем у карбюраторных двигателей, коэффициентами избытка воздуха, что также обусловлено качеством процесса смесеобразования. Указанное уменьшение удельной мощности вызывает увеличение веса, который растет также вследствие существенно больших давлений в камерах сгорания дизельных двигателей по сравнению с давлением в карбюраторных двигателях.

     К недостаткам дизельных двигателей следует отнести также сложность  и высокую стоимость топливоподающей аппаратуры, дымность выпуска и худшую транспортную характеристику с точки зрения приспособляемости к изменению нагрузок в широком диапазоне. Совокупность преимуществ и недостатков дизельных двигателей с учетом особенностей эксплуатации оценивается всегда в зависимости от конкретных условий их применения, при этом немаловажную роль играет конъюнктура топлива. В странах, которые не имеют собственных запасов нефти, где бензин дорог и дефицитен (например, в Англии) дизельные двигатели находят применение на грузовых автомобилях малой грузоподъемности и даже частично на легковых автомобилях, очень широко на грузовых автомобилях средней грузоподъемности и исключительно широко применяются на тяжелых грузовых автомобилях и многоместных автобусах. Тяжелые грузовые автомобили и многоместные загородные автобусы в настоящее время во всех странах оборудуются дизельными двигателями, так как их топливная экономичность весьма эффективнее при больших мощностях, а высокая стоимость топливной аппаратуры и повышенные эксплуатационные и ремонтные расходы мало заметны. Резюмируя сказанное о дизельных двигателях, можно отметить, что тяжелые грузовые автомобили и многоместные загородные автобусы, автомобили-самосвалы и тягачи оборудуются дизельными двигателями; грузовые автомобили средней грузоподъемности в европейских странах в зависимости от топливной конъюнктуры и особенностей эксплуатации также в определенной части делаются дизельными. Грузовые автомобили малой грузоподъемности и легковые автомобили оборудуются дизельными двигателями редко. 

2.4  Газобалонные  автомобили.

     Газогенераторные  автомобили появились после создания бензиновых автомобилей. Их появление  стимулировалось стремлением заменить ставший дефицитным бензин твердым  недефицитным местным топливом. Начало постройки пригодных для эксплуатации стационарных газогенераторных установок с двигателями внутреннего сгорания относится к концу восьмидесятых годов XIX в. Заводы Отто - Дейц и Крослей начали выпуск таких установок, построенных на принципе Дауссона. В 1905 г. английский автомобильный завод Торник-рофт пробовал применить газогенераторную установку Для своего грузового автомобиля, но опыт не дал положительных результатов, хотя на моторных лодках газогенераторные установки конструкции Торникрофт успешно работали. В начале первой мировой войны во Франции начались работы по созданию газогенераторных автомобилей и в 1914 г. состоялся первый в истории пробег газогенераторного автомобиля по маршруту Париж - Руан. Хотя этот пробег не дал положительных результатов, работы продолжались, и к 1916 г. по тому же маршруту был пущен газогенераторный автобус. Во время войны во Франции, испытывавшей острый недостаток в бензине, продолжались опыты постройки газогенераторных автомобилей, завершавшиеся созданием пригодных для эксплуатации машин. С 1922 г. начинаются регулярные ежегодные конкурсные испытания газогенераторных автомобилей. Эти испытания показали пригодность их для эксплуатации. Особенно широко внедрить газогенераторные автомобили стремилась французская армия, в связи с чем были установлены многие льготы для приобретающих и эксплуатирующих газогенераторные автомобили. Наибольшая заслуга в создании газогенераторных автомобилей принадлежит французским заводам Панар - Левассор, Берлие и Рено. Наряду со снижением мощности двигателя, вес газогенераторных автомобилей по сравнению с бензиновыми увеличивается, а грузоподъемность из-за громоздкой и тяжелой газогенераторной установки и запаса топлива уменьшается. Вследствие этого ухудшается динамика. Первоначальная стоимость газогенераторного автомобиля выше, эксплуатация его дороже, уход за ним сложнее, квалификация обслуживающего персонала должна быть выше, дороже и сложнее ремонт, короче пробеги до ремонта и технического обслуживания. В связи с этим к газогенераторным автомобилям прибегают как к крайнему средству замены бензиновых автомобилей, когда нет жидкого топлива или нерентабельна его доставка.

       Эксплуатация универсальных автомобилей,  которые могут работать как  на бензине, так и на баллонных  газах, обеспечивает бесперебойную работу автомобиля повсеместно, независимо от наличия газа. Однако такие автомобили не могут считаться совершенными, так как их мощность даже при работе на бензине ниже, чем у обычных бензиновых из-за меньшего коэффициента наполнения в связи с добавочным сопротивлением в комбинированном смесителе-карбюраторе; кроме того, лишний вес баллонов и оборудования ухудшает динамику автомобиля и снижает его грузоподъемность. При работе на газе мощность универсальных двигателей из-за падения коэффициента наполнения, меньшей теплотворности смеси и меньшего механического КПД несколько ниже, чем при работе на бензине. Мощность двигателя может снижаться для сжатых газов в пределах до 20% и для сжиженных до 10%. Высокие октановые числа сжатых и сжиженных газов (более 100) позволяют повышать степень сжатия до 8- 12, кроме того, применяя раздельные впускные и выпускные трубопроводы и специальные смесители, можно при конвертировании на газ предельно увеличить мощность двигателей для сжатых среднекалорийных газов на 20% и для сжиженных на 40%.