1. Историческая справка о развитии двигателей внутреннего сгорания

По мере развития мануфактурного производства все более и более ощущалось недостаточность мышечной силы человека для приведения в действие различных механизмов и устройств. Это привело к появлению различных машин, в которых использовались такие источники энергии как пар, вода [3, 4].

В 1785 г. – была построена первая паровая машина русским механиком И.И. Ползуновым. В 1786 –1790 гг. английскому механику Д.Уатту удалось построить и приспособить паровую машину для привидения в действие других агрегатов. Попытки создать поршневой двигатель предпринималась в конце ХVIII в. В 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работающий на смеси воздуха и газа. По показателям мощности и экономичности предложенный двигатель уступал паровым машинам и практического применения не получил.

В 1860 г. первый работоспособный двигатель, работающий на смеси воздуха и светильного газа, был разработан французом Жаном Ленуаром. Интересна судьба Ленуара. Юноша рано остался без отца. В поисках лучшей доли покинул Бельгию, где проживала его мать. Сырым холодным осенним вечером он добрался до Парижа. В Париже в богатом особняке проживал его дядя ─ инженер по образованию. Именно в расчете на помощь родного дяди и были построены планы получения образования и организацию всей жизни в Париже юного Ленуара. На стук в парадную дверь открыл слуга и Ленуар попросил доложить хозяину, что пришел племянник. Слуга удалился и, появившись вновь через некоторое время, передал монету достоинством в один луидор и сказал, что хозяин просил больше не справляться о его здоровье. Так лопнули в один миг расчеты Жана Ленуара на дядюшкины средства и расположение.

В дальнейшем Ж. Ленуару пришлось самостоятельно организовывать свою трудовую жизнь, и он всегда творчески подходил к решению самых сложных задач, с которыми ему приходилось сталкиваться в буднях жизни. Наряду с разнообразной тематикой его практической работы, он много времени уделял захватившей его идеи ─ возможности превращения энергии топлива в работу в цилиндре двигателя. Благодаря своему таланту, им были разработаны конструкции, а впоследствии и налажен выпуск двигателей внутреннего сгорания, которые в то время оказались востребованными благодаря своей мобильности. Из–за отсутствия предварительного сжатия свежего заряда перед сгоранием такие двигатели имели низкий КПД, примерно на уровне паровых машин. Однако мобильность силовых установок, не привязанность к воде обеспечивало их востребованность и широкое распространение в качестве силовых агрегатов. Сам Ленуар не был удовлетворен показателями своего детища, но отсутствие глубоких знаний не позволяло ему найти пути улучшения показателей выпускаемых двигателей. Ученый теплотехник Бо де Роша первый понял причины низкого КПД двигателей Ленуара. Чтобы получить более высокое значение КПД нужно было ввести в рабочий процесс двигателя предварительное сжатие заряда. Для организации встречи с Ленуаром Бо де Роша решил привлечь дядю Ленуара. Когда же Ж. Ленуару доложили о такой просьбе, то он, помня предыдущий прием, устроенным ему дядей, отказал в такой встрече и, тем самым подписал приговор своему двигателю из-за низкой его экономичности.

Широкое практическое применение ДВС получили лишь после того, как кельнский механик Николай Отто совместно с Евгением Лангеном в 1877 г. предложили конструкцию двигателя, работающего по четырехтактному циклу. КПД такого двигателя вдвое превышал КПД двигателя Ленуара. С этого началась эпоха широкого применения ДВС с воспламенением от искры во вех отраслях хозяйственной жизни разных стран.

Заказы на двигатели Н. Отто шли непрерывным потоком. Е. Ланген первым усмотрел несовершенство конструкции двигателя. Евгений Ланген не только сам работал вместе с Н. Отто над совершенствованием узлов и деталей двигателя, но и поставил вопрос о привлечении к этой работе лучших инженеров. Евгений Ланген пригласил на должность технического директора немецкого инженера Готлиба Даймлера, который несмотря на свои 40 лет успел создать себе в техническом мире Германии солидную репутацию передового и квалифицированного инженера. В качестве помощника Г. Даймлер пригласил Вильгельма Майбаха, технической карьерой которого он руководил в течение нескольких лет. Благодаря техническому дару Г. Даймлера и В.Майбаха, была пересмотрена вся технологическая цепочка изготовления двигателей, уменьшены размеры деталей, значительно повышена надежность выпускаемых двигателей. Двигатели к этому времени пользовались большим спросом.

В 1892 г. Рудольф Дизель издает брошюру, в которой обосновывает возможность работы двигателя с воспламенением заряда от температуры конца сжатия. Он предполагал, что вся выделяемая при сгорании топлива теплота пойдет на совершение работы, а потому такой двигатель не нуждался в охлаждении стенок цилиндра. Построенный по его проекту двигатель оказался неработоспособным, но сама идея воспламенения топлива в цилиндре от температуры заряда конца сжатия получала реальное воплощение. Поэтому такие двигатели получили название дизелей. Двигатель с самовоспламенением смеси за счет тепла сжатия, работающий на нефти, впервые был построен в 1899 г. на заводе Э. Нобеля в Петербурге. Он развивал мощность 25л.с. и показал хорошую работоспособность.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на легких фракциях топлива, был спроектирован русским моряком И.С. Костовичем в 1879 г. и предназначался для установки на дирижабль.

В 1885 г. Готлиб Даймлер построил двигатель с небывалой по тому времени частотой вращения коленчатого вала – 800 мин ^-1 и мощностью менее 1л.с. Этот двигатель предназначался для легких самодвижущихся экипажей. Первые такие экипажи были созданы в 1882 г. в России инженером Путиловым, а в 1887г. в Германии Даймлером и Бенцем. Так было положено начало строительству самодвижущихся экипажей с двигателями внутреннего сгорания, названных позднее автомобилями.

Совершенствование двигателей и создание новых конструкций тесно связано с развитием теории рабочих процессов, динамики двигателей и ряда смежных наук ─ металлургии, технологии, химии, гидродинамики, электроники.

Основоположником теории рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания считается выдающийся русский ученый профессор МВТУ В.И.Гриневецкий. В 1907г. им была опубликована работа “Тепловой расчет рабочего процесса“, в которой приведены расчетные формулы и примеры расчетов параметров рабочих процессов, происходящих в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, приведен глубокий анализ физических процессов превращения теплоты, выделяемой при сгорании топлива, в механическую работу. В.И. Гриневецкий наметил целые области дальнейшего исследования и создал научную школу по теории двигателей в МВТУ.

Одним из недостатков поршневых двигателей внутреннего сгорания следует признать наличие возвратно-поступательно движущихся деталей. Это обстоятельство накладывает ограничение на величину частоты вращения коленчатого вала. Поиски возможности повышения частоты вращения без значительного роста инерционных сил привели к созданию роторно-поршневого двигателя.

Попытки создания простых по идее двигателей роторного типа предпринималась еще в начале ХХI века, но только в 1957 г. после тридцатилетней работы немецкому инженеру Феликсу Ванкелю совместно с известной фирмой NSU удалось создать работоспособный роторно-поршневой двигатель. Несмотря на достигнутые успехи в совершенствовании роторных двигателей, из-за присущих таким двигателям недостатков (повышенная токсичность отработавших газов, больший, чем у поршневых двигателей расход топлива) они нашли ограниченное применение главным образом в установках небольшой мощности.

Тепловые двигатели и в особенности поршневые двигатели внутреннего сгорания нашли самое широкое применение во всех отраслях хозяйства, стали неотъемлемой частью в жизни людей. Трудно назвать такую отрасль хозяйства, сторону жизни человека, где бы не применялись силовые установки с двигателями внутреннего сгорания. Это и океанские лайнеры, и моторы для моторных лодок и скутеров, мощные тягачи и самосвалы, современные комфортабельные легковые автомобили и легкие самолеты и др.

Однако быстрый рост городов и насыщение их автотранспортом создают большие трудности. Отработавшие газы автомобильных двигателей внутреннего сгорания отравляют атмосферу городов токсичными веществами ,приводят к созданию парникового эффекта и к изменению климата на Земле. Поэтому в настоящее время изыскиваются способы эффективного снижения токсичности отработавших газов, ведутся работы по возможности использования в двигателях новых возобновляемых и экологически чистых видов топлив ─ спиртов, водорода. И в этом направлении ведущие автомобильные фирмы достигли обнадеживающих позитивных результатов.

Все большее распространение получают автомобили с гибридными силовыми установками-двигателем внутреннего сгорания и электрическим двигателем.