2553

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учре-

ждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)»

П.Л. Шевченко

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Конспект лекций

Омск

СибАДИ

2014г.

1

УДК 621.43

ББК 39.35 Ш 37

Рецензенты: к.т.н., доцент, зав. кафедрой «Автомобили и тракторы» Князев И.М.;

проф. ОмГУПС Ведрученко В.Р.; проф., зав. кафедрой «Теплоэнергетика» Ненишев А.С.

Работа одобрена редакционно-издательским отделом, советом академии в качестве курса лекций для студентов направления 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования», 141100 «Двигатели внутреннего сгорания», для лиц, поступающих в аспирантуру, для аспирантов, сдающих государственный экзамен.

Шевченко П.Л.

Автомобильные двигатели: конспект лекций/П.Л. Шевченко. – Омск:

СибАДИ, 2014. –212с.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по направлениям подготовки 141100 «Двигатели внутреннего сгорания», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования», 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство».

Табл.5. Ил. 87. Библиогр.: 11 назв.

© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2014

2

3

Предисловие

1.Из истории возникновения двигателя внутреннего сгорания

Всовременных условиях автомобиль является законченной моделью, а двигатель – его агрегатом. Как правило, не автомобиль проектируют для двигателя, а двигатель для автомобиля, хотя конструкция двигателя оказывает значительное влияние на конструкцию автомобиля. Если рассматривать историю развития автомобилей, то увидим, что вначале появились двигатели внутреннего сгорания, а потом благодаря их появлению – автомобили.

Вконце XVIII – начале XIX века основной энергетической установкой была паровая машина, что для того времени являлось большим достижением науки и техники. Но паровая машина была очень громоздкой и дорогой. Для ее работы нужен котел-топка, вода, сама машина. Топливо сжигалось вне машины, а поэтому КПД паровой машины был очень низким.

Идея сжигания топлива внутри цилиндра возникла еще в конце XVIII столетия, и особенно в первой половине XIX многие изобретатели без особого успеха пытались создать ДВС.

К началу XIX столетия относится изобретение «двигателя внешнего сгорания» шотландским священником Робертом Стирлингом, которому английское патентное ведомство выдало три патента (в 1816, 1827 и 1840 гг.). Одна из машин Р. Стирлинга мощностью 45 л.с. была установлена в шахте, где проработала три года.

Позже, с 1822 по 1862 гг., над подобным двигателем работал шведский ученый Джон Эриксон. Оба ученых работали независимо друг от друга. Эриксон вначале работал в Англии, а затем в США. Широкую известность двигатель Стирлинга получил, когда в 1852 году на одной из верфей Нью-Йорка строилось судно «Эриксон», на котором вместо паровой машины должен был быть установлен двигатель внешнего сгорания, или как тогда его называли «калорический двигатель».

Вто время паровая машина являлась единственной энергетической установкой, и намерения напористого шведа показались чрезмерно смелыми. Большинство сходилось на том, что судно не сдвинется с места. Эриксона это мнение не волновало. Еще в 1833г., когда великий физик Фарадей брался доказать теоретически, что двигатель Эриксона не будет работать, его создатель демонстрировал ему дей-

4

ствующую модель, развивающую мощность 5 л.с. Несколько моделей двигателей Эриксона демонстрировались на всемирной выставке в Лондоне в 1851 г., где одна из них имела огромный успех.

Результаты испытаний судна «Эриксон» оказались обескураживающими не только для скептиков, но и для самого изобретателя. Вопреки пророчествам многих, судно не только сдвинулось с места, но и пересекло Атлантический океан. Несмотря на ожидания изобретателя четыре гигантских двигателя (Dц=4,2 м, Sn=1,8 м) вместо 1000 л.с. развили всего 300 л.с. Кроме того, к концу рейса днища рабочих поршней прогорели и в Англии пришлось двигатели снять и тайком заменить на паровую машину.

После этого Эриксон отказался от двигателей большой мощности и наладил массовое производство небольших двигателей. К 1887 году в США работали уже 6 тысяч двигателей в типографиях, доках, на мелких судах и пр.

Однако в 1860г. появился первый ДВС (газовый двигатель Ленуара), построенный в Париже. Двигатель работал на светильном газе, без предварительного сжатия, с засасыванием смеси на половине хода поршня. Ясно, что такой двигатель имел КПД меньше, чем у паровой машины, но начало было уже положено.

В1870г. появились газовые двигатели Лангена и Отто, работавшие по четырехтактному циклу. К этому же времени относится постройка первых двухтактных двигателей. С появлением ДВС широко известные двигатели внешнего сгорания оказались бесперспективными.

В1902г. об этих двигателях говорилось, что достоинством их является безопасность эксплуатации, легкость запуска и отсутствие требований к котлу, но даже в то время называть их бесперспективными было мало.

Речь шла о двигателе с КПД = 5 % с большими габаритами и массой. Благодаря этому двигатели исчезли с горизонта техники почти на 50 лет. Появление ДВС и их дальнейшее распространение определилось потребностью в компактной энергетической установке.

В1879г. русский инженер И. С. Костович построил первый двигатель, работавший на бензине. При Nе = 80 л.с. удельный вес двигателя составлял 3 кг/л.с. Почти одновременно Осокин построил керосиновый двигатель.

5

В1882г. группа русских инженеров во главе с Путиловым построили первый автомобиль с ДВС, в 1885 – Даймлер, а в 1887 – Бенц.

Начиная с 1885г., получают распространение двигатели, работающие на керосине и более тяжелых сортах топлива. В России первый керосиновый двигатель был построен в 1890г. на московском заводе «Бромеля», а в 1892г. было начато производство керосиновых двигателей в Петербурге на заводе «Нобеля». Через год на всемирной выставке в Чикаго за свои двигатели завод «Нобеля» получил высшую награду. Особое распространение ДВС получили, когда появились двигатели высокого сжатия (дизельные), в котором воспламенение топлива осуществлялось от теплоты сжатого в цилиндревоздуха.

В1885г. Э. Капитен предложил конструкцию двигателя, в котором сжатие воздуха происходило до температуры воспламенения топлива и последующее его сгорание осуществлялось при постоянном давлении. Однако ему не удалось построить двигатель из-за отсутствия средств.

В1893г. появилась брошюра Рудольфа Дизеля под названием «Теория, конструкция и расчет рационального теплового двигателя для замены паровой машины и известных в настоящее время тепловых двигателей».

Дизель предлагал повышать температуру сжатого воздуха до воспламенения тяжелого топлива и вводить мелкораспыленное топливо, которое должно сгорать без повышения температуры. Изотермическое сгорание должно было дать возможность работать двигателю без охлаждения стенок цилиндров и приблизить тепловой процесс

кциклу «Карно», но эти предположения оказались неосуществимы и первая конструкция двигателя – неработоспособной. Позже этот двигатель был переконструирован и его промышленный вариант был установлен на спичечной фабрике в 1897г.

Первый четырехтактный двигатель с воспламенением от сжатия, созданный в России, работал на сырой нефти, соляровом масле и на керосине. Он был построен на заводе «Нобеля» в 1897г. Мощность двигателя 20–26 л.с. при 193 об/мин. В 1902г. этим же заводом был создан двигатель мощностью 50 л.с. с топливным насосом с регулировкой подачи топлива. Для распыливания топлива использовался компрессор Компаунд.

В1903г. было налажено производство дизельных двигателей на Коломенском заводе «Фельзер», ныне «Двигатель революции». Через

6

год завод наладил производство двигателей мощностью 180 л.с. при 240 об/мин. Позже этот завод внес значительный вклад в развитие данных двигателей.

Вначале прошлого столетия русскими учеными были изобретены оригинальные конструкции ДВС с воспламенением от сжатия.

В1901г. Тринклер создал конструкцию двигателя с воспламенением от сжатия, в котором процесс распыливания топлива осуществлялось механическим путем (бескомпрессорный двигатель).

Русский изобретатель Мамин построил ряд двигателей с впрыском топлива в цилиндр без применения сжатого воздуха. Его двигатели демонстрировались на первой Западно-Сибирской выставке в

1910г., в Омске.

В1906г. профессор МВТУ В.М.Гриневский предложил двигатель

сдвойным сжатием и расширением, который был выполнен в металле в 1911г. Это был прототип комбинированного двигателя, сочетавшего поршневой двигатель, компрессор и турбину, отличающийся высоким КПД.

В1912г. студент МВТУ А.Н.Шелест предложил систему комбинированного двигателя, в котором поршневой двигатель совместно с компрессором являлся генератором газа. В настоящее время этим двигателям уделяется большое внимание.

Русские ученые достигли больших успехов в развитии теории двигателей. В 1906г. В.И. Гриневецкий предложил метод теплового расчета ДВС, позволивший установить связь между параметрами индикаторного процесса. Этот метод был положен в основу теории ДВС.

Вдальнейшем тепловой расчет был развит русскими учеными МВТУ Н.В. Брилингом, Е.К.Мазингом, В.А.Петровым и Б.С.Стечкиным, связавшим вопросы мощности и экономичности с тепловым балансом.

По разделу «Физико-химические явления при сгорании в карбюраторных двигателях» работали ученые А.С.Соколик, СорокоНовицкий; «Физико-химическим процессам при сгорании в дизелях» −М.В. Иноземцев, В.К.Кошкин, В.П.Калабин; по вопросам карбюрации двигателей, рабочего процесса и характеристик – И.М.Ленин; по

расчету выпуска и продувки двухтактных двигателей проф. А.С. Орлин; по гидродинамике топливной аппаратуры − Г.Г. Калиш; по развитию тракторных двигателей – проф. В.Н. Горячкин.

7

Большой вклад в развитие теории ДВС внесли зарубежные ученые, такие как Кернер, Гюльднер, Дубель, Засс, Тимман, Манн, Бюсиен, Меурер и другие немецкие ученые; английские ученые – Рикардо, Картер, Додж; Пай, Морисон, Хейльд – американские ученые, а также ученые ряда других стран.

После ВОСР двигателестроения в СССР стало быстро развиваться по всем направлениям и отличалось созданием ряда оригинальных конструкций двигателей. В 30-е годы были созданы мощные авиационные двигатели, такие как АМ – конструкции Микулина, АК – конструкции Климова, АШ – конструкции Швецова. В 1935г. на Харьковском паровозостроительном заводе была начата работа по созданию быстроходного дизельного двигателя повышенной мощности, создание которого закончилось в 1939г. двигателем V – 2 мощностью

300–600 л.с.

Что касается автомобильных двигателей, только в 1924г. в Москве удалось наладить производство 1,5 тонных автомобилей и двигателей к ним (АМО – ф - 15), которые выпускались до 1931г.

В1925г. было организовано производство автомобилей на Ярославском заводе, таких как ЯГ – 3, ЯГ – 5, ЯГ – 10. В 1927г. на 15 съезде ВКП(б) была поставлена задача о создании заново автомобилестроения. Бывший завод АМО (ЗиС) начал выпускать автомобили АМО – 3, а вновь построенный завод в Горьком наладил выпуск автомобилей ГАЗ-А и ГАЗ-АА и двигателей к ним. С 1935г. завод ЗиС начал выпуск автомобилей ЗиС -5 и двигателеймощностью73л.с.

Втяжелые годы ВОВ конструкторские бюро работали над созданием новых автомобильных двигателей, таких как МЗМА – 400, М –

20, ГАЗ – 12, ЗиЛ – 110, ГАЗ – 51, ЗиЛ – 120, МАЗ – 204, МАЗ – 206.

Построен автозавод на Урале, который начал производство автомобилей сразу после окончания ВОВ.

Вдальнейшем в автомобильном транспорте была поставлена задача снижения себестоимости перевозок, а это было возможно путем повышения грузоподъемности автомобилей, улучшения их конструкции, повышения средней эксплуатационной скорости и увеличения срока службы. Все это требовало создания новых более мощных и высокоэкономичных двигателей. Поэтому с 1958 по 1964гг. произвели полное обновление экипажа автомобильных двигателей. Созданы специализированные заводы по выпуску ДВС в Мелитополе, Ярославле. Было намечено дальнейшее увеличение количества выпускаемых автомобилей, и к 1970г. это число составило около 1 млн авто-

8

мобилей в год. После было начато строительство автомобильного завода в г.Тольятти (660 тыс./год), в г. Ижевске, в Уфе.

По выпуску большегрузных автомобилей – в г.Набережные Челны 150 тыс./год автомобилей и 320 тыс./год двигателей. В конечном итоге к 1980г. выпуск автомобилей достиг 1,9 млн/год.

Основными критериями в развитии ДВС вплоть до 1970г. являлись повышение литровой мощности, снижение габаритов и массы двигателей, т.е. получение компактного двигателя. После нефтяного кризиса 1970 – 1980 гг. основными требованиями были получение максимальной экономичности, снижение токсичности отработавших газов и повышение литровой мощности двигателей. Особенно эти требования оказались необходимыми в последущие 15–20 лет для легковых автомобилей, что объясняется резким увеличением количества автомобилей в городах.

Карбюраторные двигатели не удовлетворяют таким требованиям. Поэтому наряду с жесткими условиями конкуренции изменился состав двигателей, особенно на легковых автомобилях, которые эксплуатируются в городских условиях.

Внастоящее время на легковые автомобили устанавливают систему впрыска легкого топлива, которая позволяет снизить расход топлива, повысить литровую мощность двигателя, уменьшить токсичность отработавших газов. На легковых автомобилях, имеющих двигатели повышенной мощности, устанавливают быстроходные дизельные двигатели.

Впоследние годы разработаны и изготовлены новые опытные образцы двигателей с регулируемым рабочим объемом, а также с регулируемой степенью сжатия.

На Заволжском и Нижне-Новгородском моторных заводах внедрена микропроцессорная система управления топливоподачей и системой зажигания, обеспечивающая выполнение экологических норм ЕВРО-1. Кроме того, такая система способна управлять топливоподачей и нейтрализацией отработавших газов. Созданы серии дизельных

ибензиновых экологически чистых двигателей.

Успешное проведение научно-исследовательских работ во второй половине XX столетия выполнено А.С. Орлиным, М.С. Ховахом, А.А. Липгартом, И.М. Лениным, В.М. Луканиным. Эту работу в настоящее время продолжают Ф.В. Кутенев, М.А. Иващенко, М.Г. Шатров, И.Я. Райков,Г.П.Покровскийидр.

9