История создания автомобильных двигателей

2.5  Газотурбинные  автомобили.

     В конце XIX в. в книге «Самодвижущиеся  экипажи», изданной в 1898 г. в Петербурге, русский автомобилист Н. Песоцкий приводит конструкцию газовой турбины, считая ее перспективной в качестве автомобильного двигателя. В более поздних трудах по автомобильным двигателям наиболее дальновидные авторы (П. Орловский, Н. Бриллинг и др.) дают сведения по газовым турбинам и указывают их возможные преимущества для применения в качестве автомобильного двигателя. Несмотря на то, что идея газовой турбины высказана еще Леонардо да Винчи в 1500 г., а патент на нее был взят Джоном Барбером в 1791 г., практически первые опытные газовые турбины появились только к концу XIX в. В 1897 г. инженер русского морского флота П. Кузьминский построил первую опытную парогазовую турбину. Затем в 1907 г. французские конструкторы Арменго и Лемаль построили действующую газовую турбину. Опытные газовые турбины начали строить в XX в. К 30-м годам они были усовершенствованы и начали применяться в качестве двигателей в промышленности. Первый проект газотурбинного автомобиля был предложен в 1906 г: в Англии Нельсоном, но, конечно, в то время не могло быть и речи о постройке машины, так как газовая .турбина не получила еще оформления даже в стационарном варианте.

     Только  усовершенствование газовых турбин в турбовинтовой и реактивной авиации позволило приступить к  опытам постановки их на автомобилях, это было сделано после второй мировой войны. Первые опыты постройки  газотурбинных установок для автомобилей провела английская фирма Ровер. Свои работы она опубликовала в 1946 г. Позднее начали сообщать о своих опытах постановки газовых турбин на автомобилях другие фирмы, представившие газотурбинные автомобили в 1950-х годах, но указывавшие, что опыты они начали в то же время, что и фирма Ровер, но не сообщали об этом до тех пор, пока не построили пригодных для испытаний машин. Сейчас работы по созданию газотурбинных автомобилей ведут почти все крупные заводы мира. Однако реактивные автомобили при современных условиях движения не имеют перспектив, так как, хотя и могут обеспечить очень высокие скорости на земных дорогах, невыгодны из-за необычайно высокого расхода топлива. КПД их очень низок: при скоростях движения автомобиля даже в несколько сотен километров в час скорость вытекающих из сопла газов, превосходящая 2000 м/сек, значительно превышает скорость автомобиля. КПД реактивных двигателей самолетов достаточно высок и поэтому они находят самое широкое применение в авиации. Современные же автомобили даже на самых лучших дорогах могут достигнуть скорости движения 200 км/час, но едва ли в скором времени смогут достигнуть скорости 300 км/час. Очевидно, что при таких скоростях движения, более чем в десять раз уступающих скорости газов, выходящих из сопла, КПД настолько мал, что не может быть и речи о практическом использовании реактивного принципа движения на автомобилях. Однако для исследований обтекаемости кузовов и условий движения с высокими скоростями могут быть использованы экспериментальные реактивные автомобили.

     Рассмотрим, какие возможности дает замена поршневых  двигателей газотурбинными при обычных  типах двигателя. Газотурбинная  силовая установка на автомобиле обладает высокой мощностью при  малом весе и малых габаритных размерах. Удельный вес газовых турбин может составлять менее 1 кг/л. с. Деталей в газовой турбине меньше, чем в поршневом двигателе той же мощности, конструкция ее проще и управление ею легче. Весьма важно, что для газовой турбины не имеет большого значения выбор топлива, качество которого не регламентируется ни октановыми, ни цетановыми числами. Можно применять керосин, лигроин, дизельное топливо, бензин, сжатые и сжиженные газы в то время, как требования к топливу для автомобильных поршневых двигателей выше, что особенно заметно в отношении октановых чисел для современных бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия. В отработавших газах поршневых бензиновых автомобилей всегда содержится ядовитая окись углерода, кроме того, этилированный бензин при сгорании отравляет воздух свинцовыми соединениями. Высокий коэффициент избытка воздуха в газотурбинных установках обеспечивает полное сгорание топлива без выделения окиси углерода, отравляющей воздух.

     Газотурбинные автомобили обладают хорошей динамикой, не требуют сложных трансмиссий с коробками передач и превосходят в этом отношении автомобили с поршневыми двигателями. Объясняется это тем, что с уменьшением числа оборотов крутящий момент газовых турбин возрастает. Благоприятное протекание крутящего момента и мощности по оборотам дает возможность обойтись без коробки передач на легковых автомобилях, а на грузовиках и автобусах - ограничиться меньшим числом передач, благодаря чему упрощается управление автомобилем.

     Достоинством  газовых турбин является быстрота пуска  при низкой температуре вследствие значительно меньшей поверхности трущихся деталей. Удельная мощность и к. п. д. газовых турбин существенно возрастают при работе с пониженными температурами воздуха, поэтому применение этих двигателей в областях с холодным климатом особенно желательно. Наряду с указанными достоинствами газотурбинные двигатели имеют ряд существенных недостатков, которые обусловливают отсутствие серийного выпуска газотурбинных автомобилей. Главный недостаток газотурбинной установки с камерами сгорания - низкий к. п. д., что обусловлено существенно меньшим перепадом тепла в рабочем процессе по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Благодаря пульсирующему принципу работы в поршневом двигателе температура достигает 2500° (а иногда и выше), в то время как температура поршня не превышает 600° (в подавляющем большинстве конструкций значительно ниже). Непрерывность процесса в газовой турбине заставляет лопатки турбины работать с температурой, равной температуре газа, а прочность лопаток не позволяет иметь такую высокую температуру газа, которая обеспечивала бы высокие КПД без дополнительных устройств газотурбинный двигатель имеет КПД на валу турбины обычно не выше 20%. Если низкий КПД обусловливает высокие расходы топлива на полной мощности, то на частичных нагрузках экономичность его по сравнению с поршневым двигателем еще более ухудшается, а автомобильный двигатель, как известно, на частичных нагрузках работает более продолжительное время, чем на полной мощности. 

3.6  Электрические  автомобили.

     Изобретение свинцовых аккумуляторов к началу 60-х годов XIX в. открыло возможность использования электроэнергии в качестве источника мощности на автомобиле. Вначале эти аккумуляторы были громоздки, не совершенны и отличались недостаточной емкостью, поэтому первые попытки конструкторов электрических автомобилей не могли дать положительных результатов. В 80-х годах XIX в. появляются электрические автомобили, правда еще малосовершенной конструкции. К моменту первых автомобильных гонок 1894 г. электрические автомобили настолько совершенствуются, что даже принимают участие в гонках (из 102 принимавших участие в соревнованиях 5 было электрических автомобилей).

     На  гонках 1895 г. было два электромобиля, но большая дистанция -1200 км явилась  для них непреодолимым препятствием. Хотя на гонках сразу выявились недостатки электрических автомобилей - низкая мощность двигателей и малый запас хода,- все же некоторое время постройка таких автомобилей продолжалась; В 90-х годах XIX в. выпускались электромобили Жанто, Даррак и др. Продолжалась постройка и выпуск электромобилей и в XX веке; особенно поддерживали их производство крупные электротехнические фирмы. Необходимо упомянуть о талантливом русском конструкторе электрических автомобилей И. В. Романове, создавшем в конце XIX в. несколько типов электромобилей. Особой заслугой Романова является создание легких аккумуляторов. Несмотря на существенные недостатки, электромобили строятся и в настоящее время, но они не могут конкурировать с бензиновыми и дизельными автомобилями. Преимуществами электромобилей являются отсутствие отработавших газов, бесшумность, простота ухода, легкость управления, простота и надежность трансмиссии и др. Главнейшие недостатки - большой вес аккумуляторных батарей (до 40% собственного веса), низкая мощность (максимальная скорость редко бывает выше 30 км/час) и малый запас хода (обычно менее 100 км). Эти недостатки сильно ограничивают область применения электромобилей. Электромобили со свинцовыми аккумуляторами, кроме того, пригодны только для очень хороших дорог, так как пластины не выдерживают тряски и быстро разрушаются (батареи обычно выдерживают не более 200 циклов).

     Современные электромобили характеризуются  примерно такими параметрами. Вес аккумуляторных батарей составляет 45-50 кг на 1 квт-час  запасенной энергии, в то время как в обычном автомобиле на 1 квт-час требуется всего 0,75 кг бензина. Отношение веса полезного груза к весу автомобиля составляет около 30%. Применение щелочных аккумуляторов, вместо свинцовых, не решает проблемы широкого использования электромобилей. Хотя чувствительность к тряске устраняется и число циклов возрастает в три с лишним раза, остается высокий вес и недостаточная емкость аккумуляторных батарей, ограничивающих скорость движения и запас хода автомобиля. Таким образом, область применения электромобилей ограничивается низкой скоростью, малой длиной пробега без зарядки батарей и малой долговечностью аккумуляторов. Но при наличии дешевой электроэнергии мощных электростанций, электромобили вполне рентабельны и удобны для внутризаводского транспорта, в качестве грузовых автомобилей средней грузоподъемности для развозки товаров, коммунальных и почтовых автомобилей.

     При создании аккумуляторных батарей большой  емкости при малом весе электромобили  смогут найти широкое применение в качестве такси и автобусов и решить важную проблему устранения отработавших газов из атмосферы больших городов. Попутно будет снижен городской шум. Кроме того, возможно будет достигнута экономия жидкого топлива в случае использования для городского безрельсового и беспроводного транспорта энергии мощных электростанций. Для перевозок на небольшие расстояния электромобили применяются как в СССР, так и за рубежом, особенно электромобили небольших размеров для внутризаводского транспорта. Другим примером использования электромобилей является выпущенная в 1951 г. Львовским заводом партия электромобилей для Ленинградского почтамта. Если в настоящее время применение электромобилей весьма ограничено, то перспективы на будущее для таких автомобилей, по-видимому, отрадны. Во многих странах ведутся работы по преобразованию тепловой энергии топлива в электрическую в термоэлементах без машин. В случае успешного решения этого вопроса роль электромобилей неизмеримо возрастет. 

РАЗДЕЛ 3. ОБЗОР И ОЦЕНКА

     Чтобы иметь представление о современных автомобильных двигателях, рассмотрим кратко те их параметры и показатели работы, которыми отличаются наиболее прогрессивные модели последних выпусков. Обратимся к данным каталогов с техническими характеристиками двигателей американских легковых автомобилей 1961 г. Величины мощностей колеблются от 80 до 375 л. с. (наибольшую мощность имеют двигатели Крайслер 413 и Форд 390). Каталожную мощность свыше 300 л. с. имеют около 30% моделей автомобилей, мощность свыше 200 л. с.- около 65%. Увеличение мощности по сравнению с предыдущими годами достигнуто за счет большого числа оборотов и увеличения степени сжатия. Скорость вращения коленчатого вала в отдельных моделях достигла 6000 об/мин (Форд 390) и даже 6200 об/мин (Шевроле 283). Число оборотов свыше 5000 об/мин имели в 1961 г. около 13% моделей, а свыше 4000 об /мин более 95% моделей. Степень сжатия в отдельных моделях (около 5%) достигла 11. Так, двигатель Шевроле 348 имеет степень сжатия 11,2. Степень сжатия свыше 10 имели в 1961 г. около 40% моделей, а свыше 9 около 60%. В результате форсирования литровая мощность составляет для большинства моделей от 40 до 60 л. с/л, а в отдельных моделях превышает 60 л. с/л (Шевроле 283-67,9 л. с/л). Продолжается постепенное уменьшение отношения S/D. Рекордное для 1961 г. отношение 5/D = 0,7 имел двигатель Форд 144. Модели двигателей с отношением S/D, менее 0,8, составляют около 30% общего числа моделей 1961 г., а модели с отношением S/D, мене 0,9- свыше 50%. Число моделей с отношением S/D>1 невелико (около 13%).

     Уменьшение  хода поршня предпринималось главным  образом как мера против роста  средней скорости поршня, однако средняя  скорость поршня все же повышается и достигает в отдельных моделях 1961 г. 19,2 м/сек (Форд 390). У большинства  моделей средняя скорость поршня изменяется от 10 до 16 м/сек. Большинство двигателей американских легковых автомобилей 1961 г.- V-образные (свыше 70% моделей), однако по сравнению с предыдущими годами несколько возросло число рядных шестицилиндровых, особенно с цилиндрами, наклоненными под углом 30 и 45° к вертикали. Появились модели горизонтально-оппозитных шестицилиндровых двигателей, а также четырехцилиндровые рядные (около 8,5% моделей). Число моделей с боковыми клапанами ничтожно (менее 3%). Большинство моделей имеет двух- и четырехкамерные карбюраторы (свыше 70% моделей), отдельные модели имеют впрыск бензина в цилиндр (Шевроле 283).

     Продолжается  постепенное понижение удельного  веса и литрового веса. При обзоре европейских автомобильных двигателей прежде всего можно заметить меньший литраж двигателей (в основном ниже 2,5 л) и больше распространение автомобилей малого литража 0,75- 1,23 л и микролитражных 0,5 л и меньше. Степени сжатия в Европе находятся в пределах 7-8, редко выходя за верхний предел в особо форсированных моделях при использовании топлива повышенного качества. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

     1. http://dvigateli.ru/history of motor

     2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Автомобильные двигатели

              3. http://brestauto.com/sissazhigarticle.htm