Первый поршневой двигатель
Макет самоходной тележки и схема ДВС Исаака Де Риваза
К концу 18-го века в мире уже существовали паромобили. Экипажи с паровым двигателем конструировали в Англии и Франции. Однако эти машины были громоздкими и медлительными. Кроме того, создатель самых совершенных на тот момент паровых двигателей Джейм Уатт считал, что для создания быстрых паромобилей потребуется паровой двигатель с высоким давлением в котле, что попросту не безопасно.
Понимал это и французский инженер и по совместительству действующий артиллерийский офицер — Франсуа Исаак де Риваз. Хорошо знакомый с принципом работы пороховой пушки, он задумался, а почему бы для приведения в движение поршня, использовать энергию пороховых газов, а не пара. В 1804 году он построил первый экспериментальный стационарный двигатель. Он работал по следующему принципу: в цилиндр подавалась смесь водорода с воздухом и воспламенялась при помощи электрического разряда. Фактически Риваз создал первый поршневой двигатель внутреннего сгорания.
В 1807 году изобретатель собрал первый экипаж с мотором собственной конструкции. На четырехколесной базе находился однопоршневой ДВС, без механизма газораспределения, а подача топливной смеси контролировалась вручную. Такой вот примитивный автомобиль смог преодолеть лишь 100 метров. Через шесть лет Риваз собрал новый экипаж куда больших размеров. Он имел длину 6 м, диаметр колес 2 м и весил около тонны. На этот раз мотор работал на смеси из светильного газа и воздуха. Груженая камнями машина смогла преодолеть 26 метров со скоростью 3 км/ч. За один рабочий ход поршня, автомобиль передвигался на 4-6 метров. Конечно с такими характеристиками коммерческая эксплуатация такого ДВС была невозможна, но это было только начало.
Типы движителей
Со временем были разработаны многочисленные типы движителей. Это включает:
Весла
Одна из древнейших форм морского движения, весла, были найдены еще в 5000–4500 годах до нашей эры. Весла используются в гребных видах спорта, таких как гребля, каякинг, гребля на каноэ.
Пропеллер
Морские винты также известны как «винты». Существует множество вариантов судовых винтовых систем, включая сдвоенные винты, винты встречного вращения, регулируемые винты и винты соплового типа. В то время как меньшие суда, как правило, имеют единственный винт, даже очень большие суда, такие как танкеры, контейнеровозы и балкеры, могут иметь одиночные винты из соображений экономии топлива. Другие сосуды могут иметь двойные, тройные или четверные винты. Мощность передается от двигателя к винту через карданный вал, который может быть соединен с коробкой передач.
Лопастное колесо
Слева: оригинальное лопаточное колесо от парохода. Справа: деталь парохода.
Лопастное колесо — это большое колесо, обычно построенное из стального каркаса , на внешнем крае которого установлены многочисленные лопасти (называемые поплавками или ковшами ). Примерно нижняя четверть колеса перемещается под водой. Вращение лопастного колеса создает тягу вперед или назад по мере необходимости. В более продвинутых конструкциях гребных колес используются методы оперения , при которых каждое лопасть весла ориентировано ближе к вертикали, когда оно находится в воде; это увеличивает эффективность. Верхняя часть лопастного колеса обычно помещается в лопаточный ящик, чтобы минимизировать разбрызгивание.
Лопаточные колеса были заменены винтами, которые являются гораздо более эффективной формой движения. Тем не менее, гребные колеса имеют два преимущества перед винтами, что делает их пригодными для судов, плавающих на мелководных реках и в стесненных водоемах: во-первых, они с меньшей вероятностью забиваются препятствиями и мусором; и, во-вторых, при вращении в противоположных направлениях они позволяют судну вращаться вокруг собственной вертикальной оси. Некоторые суда имели один винт в дополнение к двум гребным колесам, чтобы получить преимущества обоих типов движителей.
Насосная струя
Насос-струя , гидроджет , струей воды или струи привода использует в кольцевом обтекателе воздушный винт ( осевой насос ), центробежный насос , насос или смешанного потока , чтобы создать струю воды для приведения в движение.
Они включают в себя заборник для исходной воды и сопло для направления ее потока, генерирования импульса и, в большинстве случаев, с использованием вектора тяги для управления кораблем.
Насосные реактивные двигатели используются на гидроциклах , мелкосидящих речных судах и торпедах.
Плыть
Назначение парусов — использовать энергию ветра для приведения в движение судна , саней , доски , транспортного средства или винта . В зависимости от угла наклона вашего паруса будет разница в направлении, куда направляется ваша лодка, и где дует ветер. Дакрон часто использовался в качестве материала для парусов из-за его прочности, долговечности и простоты ухода. Однако, когда он вплетался в него, он имел слабые места. В настоящее время ламинированные паруса используются для борьбы с ослаблением парусов при вплетении.
Циклоротор Voith-Schneider
Voith Schneider Пропеллер
Судовой крыльчатый движитель (ВСП) является практическим cyclorotor , что обеспечивает мгновенные тяги в любом направлении. Нет необходимости поворачивать движитель. Большинство судов с ВСП не нуждаются в руле направления и не имеют его. ВСП часто используются на буксирах, буровых судах и других плавсредствах, требующих необычайно хорошей маневренности. Приводы Voith-Schneider, впервые представленные в 1930-х годах, отличаются надежностью и доступны в больших размерах.
Гусеница
Двигательная установка водной гусеничной лодки ( Popular Science Monthly, декабрь 1918 г.)
Одним из первых необычных средств движения лодок была водяная гусеница. Это перемещало серию лопастей на цепях вдоль дна лодки, чтобы продвигать ее по воде, и предшествовало разработке гусеничных машин . Первая водяная гусеница была разработана Жозефом-Филибертом Дебланом в 1782 году и приводилась в движение паровым двигателем. В США первая водяная гусеница была запатентована в 1839 году Уильямом Ливенвортом из Нью-Йорка.
Колеблющиеся хлопушки
В 1997 году Грегори С. Кеттерман запатентовал метод движения качающихся хлопушек, приводимых в движение педалями. Хоби компания реализует метод двигательную как «MirageDrive педаль двигательной системы» в своих каяках.
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.
Дальнейшее развитие
1) Двигатель Ленуара 1860 год 2) Двигатель Отто 1867 год
Несмотря на то, что в начале 19-го века паровые двигатели считались более перспективными, разработка поршневых ДВС не останавливалась. В 1860 году бельгийский инженер Этьен Ленуар создал первый двухтактный поршневой двигатель пригодный к серийному производству. Его новаторский мотор фактически повторял принцип работы паровой машины Уатта и некоторые его элементы конструкции, но работал на светильном газе. В зависимости от объема единственного цилиндра, двигатель Ленуара имел различную мощность от 2 до 20 л.с. Термический КПД восьмисильного мотора составлял всего 4,68%. Для сравнения современный ДВС имеет КПД 20-45%. Тем не менее мотор Ленуара был выгоден в коммерческой эксплуатации и работал на промышленных предприятиях, типографиях и судоходстве.
Столь малая эффективность двигателя была следствием несовершенства его конструкции. Однопоршневой мотор имел гигантский объем, поршень двойного действия, малоэффективный золотниковый механизм впуска/выпуска и при этом не имел цикла сжатия. Изучив двигатель Ленуара, в 1861 году немецкий инженер Николаус Отто построил его копию.
В 1863 году немец построил двухтактный поршневой двигатель собственной конструкции, КПД которого достиг 15%. Он имел единственный цилиндр, расположенный вертикально и работал на светильном газе. Первый собственный мотор Отто получил широкое признание публики и коммерческий успех.
По камерам сгорания
Образец агрегата, где камера сгорания находится в поршне, – дизель 6XCG 18/22. Здесь для создания смеси и горения сделана одна камера. Она находится в головке на поршне. Камера соединяет напдпоршневое пространство, обеспечивая движение воздуха. В данной конструкции вихреобразование обеспечивается радиально-направленными воздушными потоками.
Если цилиндр размещен в головке на поршне, в крышке цилиндра или же между дном поршней, то такой агрегат называют ДВС с открытой камерой сгорания и непосредственной системой впрыска.
В некоторых моторах применяется предкамерный способ образования смеси. Здесь заложен принцип перепада давлений за счет частичного сгорания топливной смеси. В воздушно-камерных машинах применяется воздушна струя, которая создается в дополнительной воздушной камере во время такта сжатия.
Принцип работы многоцилиндровых двигателей
На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).
Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.
Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.
- инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
- дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается от температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
- Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. В моторах данного типа тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
- Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. В данных моторах преображение тепловой энергии в механическую работу осуществляется с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.
Наиболее надёжными, неприхотливыми, экономичными в плане расходования топлива и необходимости в регулярном техобслуживании, являются поршневые двигатели.
Морские двигатели и диверсификация производства
На данный момент ОДК создана двухтопливная модификация двигателя М90ФР, которая может быть востребована в газодобывающей отрасли, например в составе буровых платформ.
На основе М70ФРУ также разработан морской двигатель гражданского назначения — Е70/8РД. «На базе Е70/8РД создан газотурбоэлектрогенератор СГТГ-8», — сообщил Шмотин. Как Е70/8РД, так и СГТГ-8 прошли весь необходимый комплекс испытаний и готовы к серийному производству.
ОДК готова к поставкам всех вышеупомянутых гражданских двигателей, добавили в корпорации.
Ростех последовательно реализует программы разработки современных двигателей всех типов. Создание морских газотурбинных силовых установок и агрегатов — наукоемкий высокотехнологичный процесс. Подобными компетенциями обладают всего несколько производителей в мире. Мы готовы обеспечить потребность российских судостроителей в новых силовых установках
Владимир Артяков, первый заместитель генерального директора госкорпорации «Ростех»
Устройство ДВС
Устройство двигателя внутреннего сгорания логично рассматривать с поршня, так как он является основным элементом работы. Он представляет собой своеобразный «стакан» с пустой полостью внутри.
Поршень имеет прорези, в которых фиксируются кольца. Отвечают эти самые кольца за то, чтобы горючая смесь не выходила под поршень (компрессионное), а так же за то, чтобы масло не попадало в пространство над самим поршнем (маслосъемное).
Порядок работы
- При попадании внутрь цилиндра топливной смеси, поршень проходит четыре вышеописанных такта, и возвратно-поступательное движение поршня приводит в движение вал.
- Дальнейший порядок работы двигателя следующий: верхняя часть шатуна закреплена на пальце, который находится внутри юбки поршня. Кривошип коленвала фиксирует шатун. Поршень, при движении, вращает коленвал и последний, в свое время, передает крутящий момент системе трансмиссии, оттуда на систему шестерен и далее к ведущим колесам. В устройстве двигателей автомобилей с задним приводом посредником до колес выступает еще и карданный вал.
Конструкция ДВС
Газораспределительный механизм (ГРМ) в устройстве двигателя внутреннего сгорания отвечает за впрыск топлива, а так же за выпуск газов.
Механизм ГРМ состоит из верхнеклапанного и нижнеклапанного, может быть двух видов – ременной или цепной.
Шатун чаще всего изготавливается из стали путем штамповки или ковки. Есть виды шатунов, изготовленные из титана. Шатун передает усилия поршня коленвалу.
Коленвал из чугуна или из стали представляет собой набор коренных и шатунных шеек. Внутри этих шеек есть отверстия, отвечающие за подачу масла под давлением.
Головка блока цилиндров (ГБЦ), большинства двигателей внутреннего сгорания, как и блок цилиндров, чаще всего изготавливается из чугуна и реже из различных сплавов алюминия. В ГБЦ находятся камеры сгорания, каналы впуска – выпуска, отверстия свечей. Между блоком цилиндров и ГБЦ находится прокладка, обеспечивающая полную герметичность их соединения.
В систему смазки, которую включает в себя двигатель внутреннего сгорания, входит поддон картера, маслозаборник, маслонасос, масляный фильтр и масляный радиатор. Все это соединено каналами и сложными магистралями. Система смазки отвечает не только за уменьшения трения между деталями мотора, но и за их охлаждение, а также за уменьшение коррозии и износа, увеличивает ресурс ДВС.
Устройство двигателя, в зависимости от его вида, типа, страны изготовителя, может быть чем-либо дополнено или, напротив, могут отсутствовать какие-то элементы ввиду устаревания отдельных моделей, но общее устройство двигателя остается неизменным так же, как и стандартный принцип работы двигателя внутреннего сгорания.
Дополнительные агрегаты
Само собой, двигатель внутреннего сгорания не может существовать как отдельный орган без дополнительных агрегатов, обеспечивающих его работу. Система запуска раскручивает мотор, приводит его в рабочее состояние. Существуют разные принципы работы запуска в зависимости от типа мотора: стартерный, пневматический и мускульный.
Трансмиссия позволяет развить мощность при узком диапазоне оборотов. Система питания обеспечивает ДВС двигатель малым электричеством. В нее входит аккумуляторная батарея и генератор, обеспечивающий постоянный поток электричества и заряд АКБ.
Выхлопная система обеспечивает выпуск газов. В любое устройство двигателя автомобиля входят: выпускной коллектор, который собирает газы в единую трубу, каталитический конвертер, который снижает токсичность газов путем восстановления оксида азота и использует образовавшийся кислород, чтобы дожечь вредные вещества.
Глушитель в этой системе служит для того, чтобы уменьшить выходящий из мотора шум. Двигатели внутреннего сгорания современных автомобилей должны соответствовать установленным законом нормам.
Deutz AG
В 1864 году Николаус Отто и Ойген Ланге основали собственную фирму — N. A. Otto & Cie. Все началось маленького производственного цеха, где компаньоны собственноручно собирали первые двигатели. Позднее в компанию пришли такие небезызвестные для автомобильной индустрии люди как Вильгельм Майбах, Этторе Бугатти и Готлиб Даймлер. Последний с 1872 года занимал должность технического директора. В том же году компания меняет название на Gasmotoren-Fabrik Deutz AG.
В 1875 году случилось знаковое событие, которое навсегда перевернуло индустрию. Николаус Отто создал первый успешно работающий четырехтактный ДВС. В отличие от мотора Ленуара, новый двигатель работал намного эффективнее. Уже на первых порах его термический КПД превысил 15%. Кроме того он получился мощнее и экономичнее. Фактически новый мотор Отто послужил началом конца паровых машин.
Интересно посмотреть на характеристики этого двигателя. Одноцилиндровый мотор объемом в 6,1-литра развивал 3 л.с. при 180 об/мин. К примеру 18-литровый агрегат Ленуара развивал всего 2 л.с. Кроме того двигатель Отто был почти в 5 раз экономичнее. В результате новый, более эффективный мотор быстро вытеснил двигатель Ленуара с рынка.
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.
По типу образования смеси
В газовых ДВС, а также в предназначенных для работы на жидком светлом топливе, применяются внешние системы образования смеси. Так, в камеры сгорания поступает уже готовая к употреблению смесь. Приготавливается она в карбюраторах.
В моделях, где смесь образуется внутри, воздух и горючее подаются в камеру сгорания по отдельности. Топливо готовится непосредственно внутри цилиндра двигателя. Процесс организации качественного смешивания жидкого топлива и воздуха с внутренним типом смесеобразования достаточно сложный. А производство судовых двигателей с внешним образованием смеси для топлива невозможно. В случае с легким светлым топливом оно испаряется, а темное остается в виде жидкости.
Дизельные агрегаты, где смесь образуется внутри, распыление может быть объемным. В этом случае большая порция впрыскиваемой смеси направлена на стенки цилиндра, образуя пленку. Лишь небольшая часть смешивается с воздухом. Также существуют объемно-пленочные модели. Здесь одна часть порции горючего находится в объеме цилиндра, вторая же направлена на стенки цилиндра для создания пленки.
Чтобы снять огромный двигатель, в ледоколе пришлось вырезать большую дыру.
Никогда не задумывались, как на кораблях производят замену судовых двигателей? Ведь там стоят огромные моторы, размер которых бывает сопоставим с частным домиком или бытовкой, а в некоторых случаях это гораздо более крупные сооружения… Даже не думали о таком? Вот и нам стало интересно, как извлекают для капремонта то, что весит не один десяток тонн (а на крупных судах так вообще сотни тонн), из кораблей.
Нет, мы, конечно, понимаем, что на грузовых судах нередко моторные отделения имеют трюмные двери, штатные вырезы или специальную разборную конструкцию крыши из навесных элементов, после снятия которой при помощи крана открученный от постамента и отсоединенный от систем жизнеобеспечения двигатель поднимается для отправки в судоремонтную верфь или на завод-изготовитель. Но вот что делать в тех случаях, когда конструктив судна не подразумевает наличие таких вариантов?
Например, на пассажирских или исследовательских судах, где верхние палубы будут на несколько ярусов вверх заполнены оборудованием или каютами и другими элементами? Как извлекают моторы в таком случае? Как оказалось, делают это они по-разному. В частности, один из вариантов процесса замены мы покажем на примере корабля береговой охраны США.
Симптомы и причины неисправностей
- Плохой запуск дизельного двигателя на холодную, и после длительного простоя – означает плохо работающие свечи накала, воздух в системе, обратный клапан стравливает давление топлива, плохая компрессия, разряженный аккумулятор;
- повышенная шумность, увеличенный расход и чёрный дым из выхлопной трубы – означает засорение или износ распылителей и форсунок, неправильные углы опережения впрыска, грязный фильтр очистки воздуха;
- пропала мощность дизельного двигателя – означает отсутствие компрессии, выход из строя турбины, засорение топливного и воздушного фильтров, некорректные углы опережения впрыска, загрязненный клапан ЕГР;
- серый или белый дым из выхлопной, повышенный расход масла – означает трещину ГБЦ или пробитую прокладку ГБЦ (уходит охлаждающая жидкость, а в масле появляется эмульсия), неисправность турбонагнетателя.
Когда ремонт на судне невозможен, приходится вынимать двигатель из корабля
Итак, корабль одного из пяти подразделений ВМФ США (судно USCGC «Healy» (WAGB-20) является исследовательским ледоколом береговой охраны США) потребовал серьезного ремонта — в нем вышел из строя один из двух маршевых двигателей вместе с приводным валом, по правому борту. Мотор требует замены , для чего ледокол направляют в порт штата Вашингтон.
Конструкция этого непростого судна (а все исследовательские ледоколы конструктивно очень сложны) не позволила сделать доступ к двигателю легким (открыть створки и вынуть мотор обычным способом невозможно). Поэтому для извлечения одного (из четырех) вышедшего из строя судового агрегата корабль был загнан в сухой ремонтный док.
После извлечения поврежденного мотора на его место встанет новый агрегат.
Интересный факт! Для ледокола был произведен один запасной мотор, и он хранился с момента постройки судна в специальном ангаре все 23 года хождения корабля:
Вид изнутри:
И еще один вид, с внешней стороны
А вообще, вырезание дыры в корпусе корабля — довольно стандартная процедура для замены трансмиссии на большом судне. На видео ниже показана аналогичная операция, происходящая на круизном лайнере:
YouTube / National Geographic
Потом, после установки новой трансмиссии, корпус заварят, и корабль будет готов вновь бороздить моря и океаны!
