Эволюция автомобильных двигателей проект

ЭВОЛЮЦИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

За более чем столетнюю историю своего существования ДВС прошли значительную эволю­ цию, они стали более мощными, экономичными, легкими и экологически чистыми, чем их предшественники. И хотя за это время предлагалось много альтернативных вариантов авто­ мобильных двигателей, на сегодняшний день реальной экономически целесообразной за­ мены существующим двигателям нет. Это, главным образом, обусловлено тем, что топливо, которое используют эти двигатели, можно хранить в компактном виде и его запаса хватает на достаточно большой пробег автомобиля.

Первые автомобили приводились в движение паровыми двигателями, которые появи­ лись в XVIII веке и являлись двигателями внешнего сгорания. В этих двигателях топливо сжи­ галось вне цилиндра двигателя и использовалось для получения водяного пара, а точнее, газа, который поступал под давлением в цилиндр двигателя и приводил в движение пор­ шень. Изобретателем первого работоспособного парового двигателя является англичанин Джеймс Уатт, который получил патент на свое изобретение в 1784 г. Паровые двигатели то­ го времени были тяжелыми и громоздкими, а главное — они имели очень низкий коэффици­ ент полезного действия (КПД).

Попытки создания более эффективного двигателя (внутреннего сгорания), в котором топ­ ливо сжигается внутри цилиндра, а расширяющиеся газы приводят в движение поршень, увенчались успехом только в 1860 г., когда французский механик Жан-Этьен Ленуар создал и запатентовал первый работоспособный ДВС. В этом двигателе движущийся поршень заса­ сывал внутрь цилиндра смесь горючего газа с воздухом, и в середине хода поршня смесь воспламенялась электрической искрой.

Возможность практического использования ДВС возникла только после того, как было использовано сжатие газа в цилиндре. В 1866 г. немецкий изобретатель Никола- ус Август Отто получил патент на четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в ко-

тором использовался принцип сжатия горючей смеси перед зажиганием. Рабочий процесс, происходящий в таких двигателях, получил название «цикл Отто». ДВС, рабо­ тающие на этом принципе, имели значительно более высокий КПД, чем паровые дви­ гатели, и, естественно, вытеснив последние, остаются самыми распространенными до сегодняшнего дня.

Позднее, англичанин Дуглас Кларк изобрел двигатель, работающий по двухтактному циклу, но такие двигатели не нашли широкого применения на автомобилях.

В 1892 г. Рудольф Дизель получил патент на двигатель, в котором использовался четы­ рехтактный цикл Отто. Отличие заключалось в том, что в цилиндр подавалась не смесь топ­ лива с воздухом, а чистый воздух, который сильно сжимался, нагреваясь при этом до высо­ кой температуры, достаточной для воспламенения топлива, подаваемого затем в цилиндр, без необходимости применения для этого электрической искры. Сегодня такие двигатели, называемые по имени создателя дизелями, широко применяются в качестве силовых агре­ гатов автомобилей.

По конструкции все автомобильные двигатели внутреннего сгорания можно разделить на поршневые и роторные. В поршневых двигателях расширяющиеся при сгорании топлива газы приводят в движение поршень, возвратно-поступательное движение которого преоб­ разуется во вращение коленчатого вала. В зависимости от способа воспламенения такие двигатели можно разделить на две группы: с воспламенением от искры (бензиновые) и с воспламенением от сжатия (дизели). В роторных двигателях расширяющиеся газы воз­ действуют на вращающуюся деталь — ротор. Роторные двигатели подразделяются на га­ зотурбинные и роторно-поршневые. Наибольшее применение на автомобилях получили поршневые ДВС.

Источник статьи: http://poznayka.org/s56644t1.html

0,5 литра — максимум!

Краткая история эволюции автомобильных двигателей

400−500 кубических сантиметров — именно такой рабочий объём одного цилиндра двигателя считается оптимальным. И с точки зрения материалоёмкости мотора, и с точки зрения оптимальности термодинамических процессов. Но к такому решению конструкторы пришли относительно недавно.

Период проб и ошибок

Принято считать, что первый в мире автомобиль с бензиновым двигателем построил немец Карл Бенц в 1885 году. И хотя до него австриец Зигфрид Маркус уже строил самобеглые повозки, оснащённые бензиновым ДВС, но первый аппарат Маркуса был предельно несовершенным, а второй появился позже автомобиля Бенца. Так вот, официально признанный первым автомобиль имел четырёхтактный одноцилиндровый двигатель рабочим объёмом чуть менее одного литра. Реальная мощность этого двигателя составляла 0,9 л.с. при 400 об/мин. И при массе 265 кг эта коляска с мотором разгонялась до 16 км/ч.

Как только автомобили стали походить на что-то приемлемое для осуществления транспортной функции, то сразу выяснилось, что имеющиеся моторы очень слабы для этой самой функции. А увеличивать объём цилиндра можно только до определённого предела, за которым конструкция оказывалась предельно циклопической, совсем разбалансированной с точки зрения термодинамики и малопригодной для практического применения. Тем не менее, до 5 литров таки дошли. А когда освоили технологию литья и производства многоцилиндровых моторов, то появились монстры с рабочим объёмом за 20 литров. Отличались они запредельным расходом топлива, огромной массой и малыми оборотами. Двигатель самого знаменитого гоночного автомобиля нулевых годов XX века, немецкого Blitzen Benz, хоть и развивал 200 л.с., но не раскручивался свыше 1600 об/мин. И предназначался он только для участия в гонках, а именно — для установления рекорда скорости. И он его установил, развив 23 апреля 1911 года скорость 228,1 км/ч.

Ни для каких иных целей, кроме гоночных, использовать этот аппарат и этот двигатель было решительно невозможно. Хотя бы потому, что вибрации, вызываемые огромными массами циклопических поршней и шатунов, превышали все возможные пределы.

Что мы делаем не так, управляя автомобилем?

И вот тут началось самое интересное. Нужно было радикально уменьшать размеры мотора, но при этом не терять в мощности и иметь более-менее приемлемый расход топлива. Выход из этой ситуации был известен ещё со времён Исаака Ньютона: мощность — есть произведение крутящего момента на обороты. Вывод — нужно увеличивать обороты. Но массивные поршни и шатуны своей инерционностью этому всячески препятствовали, а далеко не самые скоротечные и крайне неоптимальные термодинамические процессы в 5-литровом цилиндре только подливали масло в этот безвыходный огонь. Следующий вывод — нужно уменьшать рабочий объём цилиндра и увеличивать их количество.

Технологи очень быстро научились делать заготовки для многоцилиндровых блоков цилиндров и длинные коленчатые валы, которые не совсем сразу разваливались от высокого уровня крутильных колебаний. И уже в 1930-е годы всё более-менее устаканилось. Объём одного цилиндра — не больше литра (а лучше — чуть меньше) при отдаче 10−15 л.с. при 3000−4000 об/мин, и степени сжатия около 6. Можно, конечно увеличивать эту самую степень сжатия, но здесь сдерживающим фактором являлась возможность промышленности по выпуску высокооктановых бензинов. Хочется помощнее мотор — увеличивай количество цилиндров. И это количество дошло аж до 16-ти.

Гоночные моторы, правда, выдавали «на гора» значительно больше мощности при бОльших оборотах. Достигалось это уменьшением инерционности движущихся деталей двигателя: применялись многоклапанные головки блоков цилиндров с расположенными в них распредвалами, вместо тяжёлых чугунных поршней внедрялись алюминиевые и так далее. То есть — довоенные гоночные моторы очень походили на то, что появится на массовых автомобилях только в 1970-х. Но сорока годами раньше все эти нововведения были или очень дороги, или имели крайне малый ресурс. Что для гонок, впрочем, было не особо значимым недостатком.

Обретение стабильности

Но ещё до войны инженеры поняли, что наполнение цилиндров путём засасывания поршнем воздуха и подачи такого количества бензина, которое полностью может сгореть в этом воздухе — путь тупиковый с точки зрения повышения отдачи мотора. И начали применять сначала компрессорный наддув, а потом и турбонаддув. Но опять только для гонок. Ибо получалось как обычно — очень дорого и недолговечно.

На послевоенное время пришёлся очередной виток эволюции двигателей. Можно сказать, что те самые спортивные наработки 20−30-х годов начали проникать в массовое производство на волне внедрения новых технологий конструкционных материалов. Но принципиально мало что изменилось — сдерживающий фактор в виде невозможности повышать отдачу одного цилиндра никуда не делся. Массовые моторы постепенно стали обретать тот облик, который стал привычным к концу XX века. А именно: 20−30 л.с. с одного цилиндра при 5500−6000 об/мин и степени сжатия в районе 10. А сам объём одного цилиндра стремительно «убегал» в рамки 300−500 куб. см и только изредка выходил за них.

Вы спросите — почему именно такие рамки? Ответ частично уже дан немного выше, а именно — в таком объёме достигается наилучшее и самое оптимальное соотношение массы и размеров деталей мотора и тяговой эффективности вкупе с минимальным расходом топлива. И снова: хочешь больше мощности — увеличивай количество цилиндров. Что и было реализовано, например, в Америке. Где уже в 1960-х никого не интересовал рабочий объём мотора и мощность, а ограничивались лишь «мерянием» количеством цилиндров.

И вот к началу 1990-х годов конструкторская мысль окончательно остановилась, так как дальше развиваться уже было некуда. Оптимальный и продающийся на рынке за приемлемую для всех цену 4-цилиндровый мотор имел объём от полутора до двух литров и отдачу от 90 до 150 л.с. при 6000 об/мин. С редкими исключениями в виде моторов 2.7 л типа ЗМЗ-409 или Toyota 3RZ-FE.

Но если так называемый прогресс не развивается сам, то его нужно подстегнуть, иначе — крах самой идеи капиталистического общества, где постоянный прогресс — главная социальная добродетель после прибыли. Сначала пытались давить на экологию, а потом пошли дальше — типа, нужно радикально снижать выбросы «парникового» углекислого газа, для чего необходим ещё меньший расход топлива.

Современная технологическая и конструкторская мысль тяжело вздохнула и достала с дальней полки забытый было турбонаддув. Ведь сам принцип использования «дармовой» энергии выхлопных газов для подачи в цилиндры большего количества воздуха был известен давно. Ну и до кучи начали ещё тщательнее «оптимизировать» все остальные элементы двигателя. Вот так появились «облегчённые» Т-образные поршни, которые были уже не в состоянии «держать» масляную плёнку на стенках цилиндров, прецизионные и нежные форсунки, распыляющие топливо практически на отдельные атомы, малоинерционные турбины с регулируемыми крыльчатками, управляемые термостаты, задирающие рабочую температуру двигателя, безгильзовые «одноразовые» блоки и так далее. Радикально уменьшился рабочий объём и количество цилиндров, вплоть до 2-х у ФИАТа и 3-х у БМВ. И радикально же повысились нагрузки на все элементы этих новомодных моторов.

До старта производства осталось четыре недели

Всё это хозяйство, как изначально хотели, ещё больше снизило расход топлива, но относительно нормально оно работает только при равномерном и размеренном движении по трассе. Как только появляется рваный «пробочный» режим — всё, туши свет и мирись с запредельным расходом масла, закоксовыванием колец и быстрым умиранием мотора на радость маркетологам и их хозяевам из трансконтинентальных корпораций.

Но самое главное, что дальше «развиваться» уже некуда. Современный ДВС, сжигающий углеводороды, достиг предела совершенства. И как бы ни старались разного рода «зелёные» или другие структуры подтолкнуть «прогресс» дальше, ничего у них не получится. Но это уже совсем другая история, которая может начаться уже очень скоро.

Читайте новости «Свободной Прессы» в Google.News и Яндекс.Новостях, а так же подписывайтесь на наши каналы в Яндекс.Дзен, Telegram и MediaMetrics.

Налоговики уничтожают социально-ответственный бизнес

Вещи, которые делают жизнь автомобилиста более комфортной

Вещи, которые делают жизнь автомобилиста более комфортной

Источник статьи: http://svpressa.ru/auto/article/136974/

Эволюция двигателя внутреннего сгорания

Как развивался ДВС: основные даты

Люди производят автомобили уже более века, и почти под каждым капотом стоит двигатель внутреннего сгорания. В течение последних 100 лет принцип его работы оставался неизменным: кислород и топливо поступают в цилиндры мотора, где происходит взрыв (воспламенение), в результате чего внутри силового агрегата образовывается сила, которая и двигает автомобиль вперед. Но с момента первого появления двигателя внутреннего сгорания (ДВС) каждый год инженеры оттачивают его, чтобы сделать быстрее, надежнее, экономичнее, эффективнее.

Благодаря этому сегодня все современные автомобили стали мощнее и экономичнее. Некоторые обычные автомобили сегодня имеют такую мощность, которая еще недавно была только в мощных дорогих суперкарах. Но без огромных прорывов в конструкции ДВС мы бы сегодня до сих пор владели маломощными прожорливыми автомобилями, на которых не уедешь далеко от заправки. К счастью, время от времени подобные прорывные технологии уже не раз открывали новый этап в развитии двигателей внутреннего сгорания. Мы решили вспомнить самые важные даты в эволюции развития ДВС. Вот они.

1955 год: впрыск топлива

До появления системы впрыска процесс попадания топлива в камеру сгорания двигателя был неточным и плохо регулируемым, поскольку топливно-воздушная смесь подавалась с помощью карбюратора, который постоянно нуждался в очистке и периодической сложной механической регулировке. К сожалению, на эффективность работы карбюраторов влияли погодные условия, температура, давление воздуха в атмосфере и даже на какой высоте над уровнем моря находится автомобиль. С появлением же электронного впрыска топлива (инжектора) процесс подачи топлива стал более контролируемым. Также с появлением инжектора владельцы автомобилей избавились от необходимости вручную контролировать процесс прогрева двигателя, регулируя дроссельную заслонку с помощью «подсоса». Для тех, кто не знает, что такое подсос:

Подсос – это ручка управления пусковым устройством карбюратора, с помощью которой на карбюраторных машинах было необходимо регулировать обогащение топлива кислородом. Так, если вы запускаете холодный двигатель, то на карбюраторных машинах необходимо открыть «подсос», обогатив топливо кислородом больше, чем необходимо на прогретом моторе. По мере прогревания двигателя нужно постепенно закрывать ручку регулировки пускового устройства карбюратора, возвращая обогащение топлива кислородом к нормальным значениям.

Сегодня подобная технология, естественно, выглядит допотопно. Но еще совсем недавно большинство автомобилей в мире оснащались карбюраторными системами подачи топлива. И это несмотря на то, что технология впрыска топлива с помощью инжектора пришла в мир в 1955 году, когда инжектор впервые был применен на автомобиле (ранее эта система подачи топлива использовалась в самолетах).

В этом году было проведено испытание инжектора на спорткаре Mercedes-Benz 300SLR, который смог проехать, не сломавшись, почти 1600 км. Это расстояние автомобиль преодолел за 10 часов 7 минут и 48 секунд. Испытание проходило в рамках очередной автогонки «Тысяча миль». Эта машина установила мировой рекорд.

Кстати, Mercedes-Benz 300SLR стал не только самым первым серийным автомобилем с инжекторным впрыском топлива, разработанным компанией Bosch, но и самым быстрым автомобилем в мире в те годы.

Два года спустя компания Chevrolet представила спорткар Corvette с впрыском топлива (система Rochester Ramjet). В итоге этот автомобиль стал быстрее первооткрывателя Mercedes-Benz 300SLR.

Но, несмотря на успех Chevrolet Corvette с уникальной системой впрыска топлива Rochester Ramjet, именно электронные инжекторные системы Bosch (с электронным управлением) начали свое наступление по миру. В результате за короткое время впрыск топлива, разработанный компанией Bosch, начал появляться на многих европейских автомобилях. В 1980-е годы электронные системы впрыска топлива (инжектор) охватили весь мир.

1962 год: турбонаддув

Турбокомпрессор является одним из самых драгоценных камней в двигателях внутреннего сгорания. Дело в том, что турбина, которая подает больше воздуха в цилиндры двигателя, когда-то позволяла

12-цилиндровым истребителям во время Второй мировой войны взлетать выше, лететь быстрее, дальше и меньше расходовать дорогое топливо.

В итоге, как и многие технологии, система турбин из авиатехники пришла в автопромышленность. Так, в 1962 году в мире были представлены первые серийные автомобили с турбокомпрессором. Ими стали BMW 2002, или Saab 99.

После чего компания General Motors попыталась развить дальше эту технологию турбирования двигателей внутреннего сгорания на легковых автомобилях. Так, на автомобиле Oldsmobile Jetfire появилась технология «Turbo Rocket Fluid», которая помимо турбины использовала резервуар с газом и дистиллированную воду для увеличения мощности двигателя. Это была настоящая фантастика. Но затем компания GM отказалась от этой сложной и дорогой, а также опасной технологии. Все дело в том, что уже к концу 1970-х годов такие компании, как MW, Saab и Porsche, заняв первые места во многих мировых автогонках, доказали ценность турбин в автоспорте. Сегодня же турбины пришли на обычные автомобили и в ближайшем будущем отправят обычные атмосферные моторы на пенсию.

1964 год: роторный двигатель

Единственным двигателем, который по-настоящему смог сломать форму обычного двигателя внутреннего сгорания, стал роторный чудо-мотор инженера Феликса Ванкеля. Форма его ДВС ничего общего не имела с привычным нам двигателем. Роторный мотор представляет собой треугольник внутри овала, вращающийся с дьявольской силой. По своей конструкции роторный двигатель легче, менее сложный и более крутой, чем обычный двигатель внутреннего сгорания с поршнями и клапанами.

Первыми роторные двигатели на серийных авто начали использовать компания Mazda и ныне уже не существующий немецкий автопроизводитель NSU.

Самым же первым серийным автомобилем с роторным двигателем Ванкеля стал NSU Spider, который начал выпускаться в 1964 году.

Затем компания Mazda наладила производство своих автомобилей, оснащенных роторным мотором. Но в 2012 году она отказалась от использования роторных двигателей. Последней с роторным мотором стала модель RX-8.

Но недавно, в 2015 году, Mazda на Токийском автосалоне представила концепт-кар RX-Vision-2016, который использует роторный мотор. В итоге в мире начали появляться слухи, что японцы планируют в ближайшие годы возродить роторные автомобили. Предполагается, что в настоящий момент специализированная группа инженеров Mazda где-то в Хиросиме сидит за закрытыми дверями и создает новое поколение роторных моторов, которые должны стать основными двигателями во всех будущих новых моделях Mazda, открыв новую эру возрождения компании.

1981 год: технология дезактивации цилиндров двигателя

Идея проста. Чем меньше цилиндров работает в двигателе, тем меньше расход топлива. Естественно, что двигатель V8 намного прожорливее, чем четырехцилиндровый. Также известно, что при эксплуатации автомобиля большую часть времени люди используют машину в городе. Логично, что если автомобиль оснащен 8- или 6-цилиндровыми моторами, то при поездках в городе все цилиндры в двигателе в принципе не нужны. Но как можно просто превратить 8-цилиндровый мотор в четырехцилиндровый, когда вам не требуется задействовать для мощности все цилиндры? На этот вопрос в 1981 году решила ответить компания Cadillac, которая представила двигатель с системой дезактивации цилиндров 8-6-4. Этот мотор использовал электромагнитные управляемые соленоиды для закрытия клапанов на двух или четырех цилиндрах двигателя.

Эта технология должна была повысить эффективность двигателя, например, при движении по шоссе. Но последующая ненадежность и неуклюжесть этого мотора с системой дезактивации цилиндров напугала всех автопроизводителей, которые в течение 20 лет боялись использовать эту систему в своих моторах.

Но теперь эта система снова начинает завоевывать автомир. Сегодня уже несколько автопроизводителей используют эту систему на своих серийных автомобилях. Причем технология зарекомендовала себя очень и очень хорошо. Самое интересное, что эта система продолжает развиваться. Например, уже скоро эта технология может появиться на четырехцилиндровых и даже на трехцилиндровых моторах. Это фантастика!

2012 год: двигатель с высокой степенью сжатия – воспламенение бензина от сжатия

Наука не стоит на месте. Если бы наука не развивалась, то сегодня мы бы до сих пор жили в Средневековье и верили в колдунов, гадалок и что земля плоская (хотя сегодня все равно есть немало людей, которые верят в подобную чушь).

Не стоит на месте наука и в автопромышленности. Так, в 2012 году в мире появилась очередная прорывная технология, которая, возможно, совсем скоро перевернет весь автомир.

Речь идет о двигателях с высокой степенью сжатия.

Мы знаем, что чем меньше сжимать воздух и топливо внутри двигателя внутреннего сгорания, тем меньше мы получим энергии в тот момент, когда топливная смесь воспламеняется (взрывается). Поэтому автопроизводители всегда старались делать двигатели с немаленькой степенью сжатия.

Но есть проблема: чем выше степень сжатия, тем больше риска самовоспламенения топливной смеси.

Поэтому, как правило, ДВС имеют определенные рамки в степени сжатия, которая на протяжении всей истории автопромышленности была неизменяемой. Да, каждый двигатель имеет свою степень сжатия. Но она не меняется.

В 1970-х годах в мире был распространен неэтилированный бензин, который при сгорании дает огромное количество смога. Чтобы как-то справиться с ужасной экологичностью, автопроизводители начали использовать V8 моторы с низким коэффициентом сжатия. Это позволило снизить риск самовоспламенения топлива низкого качества в двигателях, а также повысить их надежность. Дело в том, что при самовоспламенении топлива двигатель может получить непоправимый урон.

Но затем при массовом появлении электронного впрыска автопроизводители с помощью компьютера стали применять различные настройки, автоматически регулирующие качество топливной смеси, что позволило существенно улучшить экономичность двигателей и снизить уровень вредных веществ в выхлопе. Но главное, что удалось сделать с помощью компьютерных настроек и регулировки топливной смеси, – это снизить до минимума риск самовоспламенения топлива. В итоге со временем стало невыгодно использовать большие мощные моторы с низкой степенью сжатия. Так автопромышленность ввела новую моду – уменьшение количества цилиндров. Чтобы сохранить мощность в моторах, автопроизводители стали использовать турбины. Но главное – благодаря электронике, которая управляет качеством топливной смеси, автопроизводители снова могут создавать моторы с большой степенью сжатия, не опасаясь самовоспламенения топлива.

Но в 2012 году компания Mazda удивила весь мир, представив фантастический мотор SKYACTIV-G, который имеет невероятно высокий коэффициент сжатия для серийного двигателя. Степень сжатия этого мотора составляет 14:1. Это позволяет мотору извлекать энергию почти из каждой капли бензина без образования смога.

Следующим шагом для Mazda стал новый мотор SKYACTIV-X, который использует контролируемое зажигание (система SPCCI). Благодаря этой системе появилась возможность воспламенять бензин практически за счет одного только сжатия. То есть как в дизельных моторах. Также в двигателях SKYACTIV-X есть возможность воспламенять топливо обычным образом. Причем электроника автоматически выбирает, как выгоднее воспламенять бензин в камере сгорания. Все зависит от потребностей водителя и условий движения.

Например, если вам нужна сила (крутящий момент), то двигатель SKYACTIV-X будет воспламенять топливо от силы сжатия (почти как дизель). Если вам нужна мощность, то мотор с высокой степенью сжатия будет воспламенять топливо обычным образом. Причем реально для придания мощности будет использована последняя капля бензина.

Даже спустя столетие и даже с появлением альтернативных видов топлива, а также с появлением электрокаров двигатели внутреннего сгорания остаются главными силовыми агрегатами в автопромышленности. И несмотря на то что многие эксперты считают, что ДВС изжил себя и в скором времени должен исчезнуть из автомира, нам кажется, что двигатель внутреннего сгорания еще не развился до конца. Также мы считаем, что мир в ближайшие 100 лет все равно не будет готов полностью отказаться от ДВС, работающих на бензине.

И кто его знает, что нам подготовят автомобильные компании в ближайшем будущем. Ведь их инженеры не зря получают бутерброды с черной икрой. Вполне возможно, что уже скоро очередной автопроизводитель удивит нас какой-нибудь новой технологией в ДВС.

Так что рано сбрасывать со счетов традиционные моторы. Может быть, электрокары – это временное явление? Скорее всего, это более вероятно.

Источник статьи: http://1gai.ru/publ/520719-evolyuciya-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya.html