Двигатель тринклера – Тайна Рудольфа Дизеля: Чужой среди своих

Тайна Рудольфа Дизеля: Чужой среди своих

Немец ли Рудольф Кристиан Карл Дизель? Странный вопрос! Но лишь на первый взгляд. Хорош немец, в 12 лет не говорящий свободно на родном языке! Во всяком случае, именно для исправления такой несуразности Элиза Дизель (урожденная Штробель), матушка Рудольфа, отослала сына в родной город его отца, баварский Аугсбург. Отослала из Лондона, куда семье пришлось перебраться из Парижа, где в 1858-м и появился на свет будущий изобретатель двигателя с воспламенением от сжатия.

В качестве заказчиков убийства Дизеля назывались и воротилы угольного бизнеса, и спецслужбы

Вот уж чего не ждали родители Рудольфа! Отец нашего героя, Теодор Дизель, в прошлом переплетчик, занявшийся во Франции кожевенным производством, желал видеть второго из трех своих детей коммерсантом. Но через два года учебы в аугсбургском торговом училище Рудольф огорошил предков, сообщив им в письме о твердом намерении стать инженером. И окончив с отличием Королевский баварский политех в Мюнхене, Рудольф Дизель в 1880 году... возвращается в Париж, где через год становится директором завода холодильных машин, которые проектировал вместе со своим бывшим преподавателем, профессором Карлом Линде.

Тринклер-мотор

В ообще-то говоря, поначалу Россия от Германии отстала не намного – ­через считанные годы после изобретения Рудольфа Дизеля на одном из заводов в Санкт-Петербурге построили собственный двигатель – керосин или чистую нефть впрыскивал в камеру сгорания сжатый воздух от особого компрессора. А в 1900 году на Путиловском заводе успешно прошел испытания двигатель, спроектированный 24-летним Густавом Васильевичем Тринклером – бескомпрессорный мотор с самовоспламенением рабочей смеси от сжатия работал на нефти и предназначался для теплоходов и подводных лодок. Увы, первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», или «Тринклер-мотор», как его тогда называли, не подходил для грузовиков – он был громоздким и малоэкономичным. Необходима была принципиально иная топливоподающая аппаратура. А потом «пришел гегемон, и все пошло прахом»…

Возможно, Рудольф Дизель так бы и остался ледяных дел мастером, если бы в начале 90-х годов не перебрался в Германию, где лишился права использовать свои патенты времен работы на Линде. Тогда инженер... просто перевернул термодинамический цикл и занялся усовершенствованием паровых машин. Подобно алхимику, Дизель перебирал различные субстанции для повышения КПД и в итоге остановился на парах аммиака. На этом в судьбе изобретателя могла быть поставлена точка: опытный двигатель взорвался. Однако в небесной канцелярии распорядились поставить запятую после слова «нельзя» во фразе «Казнить нельзя помиловать». Режиссеры просто обожают такие повороты сюжета! Зритель должен не зевать, а затаить дыхание, глядя, как главный герой ленты мужественно борется с последствиями тяжелого ранения и приходит к новой идее (да еще с социальным подтекстом!), которая определит всю его дальнейшую жизнь и, возможно, смерть.

Да, после взрыва Рудольф Дизель взялся за проектирование «рационального теплового двигателя» с гораздо бОльшим КПД, чем у паровика, и куда меньшей ценой, что делало бы новинку доступной и позволило бы мелким предпринимателям выстоять в соперничестве с крупными монополиями. Все же, надышавшись воздухом свободолюбивой Франции, Дизель и в жившем по иным правилам фатерланде не превратился в типичного подданного кайзера! 27 февраля 1892 г. Рудольф Дизель в Берлине подал заявку на получение патента на двигатель с воспламенением от сжатия, но прошел еще год, прежде чем патент за номером 67207 был выдан изобретателю. А летом 1893 г. состоял­ся первый пуск пробного образца.

В 1897 г. появился первый «товарный» образец двигателя Рудольфа Дизеля, но «Аннушка уже пролила масло». Тогда же вышел на линию британский пароход «Dresden», где 29 сентября 1913 г. оборвался след изобретателя

Последующие три года ушли на существенную доработку конструкции, но к тому моменту дизель, который еще так не называли, уже заработал во Франции. Летом 1894 г. усовершенствованную версию мотора испытал Фредерик Дихоф, получивший за несколько месяцев до этого лицензию на производство от Рудольфа Дизеля, с которым познакомился в 1882 г. у своего тогда патрона, Гюстава Эйфеля. Того самого. Кстати, юрисконсультом Дихофа при заключении сделки с Дизелем был Раймон Пуанкаре, будущий президент Французской республики. Все же мир чертовски тесен!

Немецкий патент на двигатель с воспламенением от сжатия, выданный в Берлине 23 февраля 1893 г. Рудольфу Дизелю.

А фортуна переменчива. Сорокалетие Рудольф Дизель встретил миллионером: с 1897 г., когда появилась «товарная» версия его двигателя, от клиентов не было отбоя. 

Подводная лодка UC-22

Скажем, Адольфус Буш, запустивший в 1876 г. в США произ­водство пива Budweiser, недрогнувшей рукой подписал чек на 1 000 000 марок за права на выпуск новых моторов за океаном...

Большие деньги – большие возможности, но и большие риски. Рудольф Дизель сполна использовал первые и не избежал вторых. В итоге изобретатель, обладатель Гран-при Всемирной выставки’1900 в Париже оказался на пороге долговой тюрьмы, двери которой могли за ним захлопнуться после 1 октября 1913 г., срока выплаты огромной задолженности. 

А накануне, 29 сентября 1913 г., Рудольф Дизель якобы взошел на борт парохода «Дрезден», следовавшего из бельгийского Гента в британский Харвич. Якобы потому, что в списках пассажиров Дизель не значился, и на его имя не заказывалась каюта. О том, что изобретатель находился на борту судна, известно лишь со слов двух его компаньонов и стюарда, который обслуживал столик трех джентльменов за ужином. Следующим утром Дизеля в каюте, где осталась несмятая постель, не обнаружили, зато на палубе нашли его пальто и шляпу.

Первый дизельный серийный легковой автомобиль появился в 1936 году – Mercedes-Benz

В следующие полторы недели моряки разных судов якобы дважды обнаруживали в море тело хорошо одетого мужчины, но никто не доставил его на берег. Тем не менее снятые с погибшего перстни и мелкие личные вещи опознал младший сын Рудольфа, Ойген. Вдова же изобретателя, открыв оставленный тем перед отъездом саквояж, обнаружила в нем солидную сумму денег наличными, а в бумагах мужа – то ли дневник, то ли календарь, где дата 29 сентября была перечеркнута красным крестом.

Полудизели

А ведь моторы с воспламенением от сжатия могли называться не дизелями, а стюартами. В 1886 г. англичанин Герберт Акройд-Стюарт испытал прототип «калоризаторного двигателя», а серийный образец появился в 1892 г. Он переваривал и керосин, и сырую нефть, но давление в цилиндре было недостаточно для воспламенения топлива, поэтому его предварительно нагревали в калильной камере с помощью паяльной лампы. Двигатели Акройд-Стюарта отличались исключительной простотой, однако работали в очень узком диапазоне оборотов, требовали длительного (5-30 мин.) предварительного прогрева калильной камеры, их удельная мощность была в разы ниже, чем у моторов Дизеля.

В октябре 1890 г. Акройд-Стюарт существенно увеличил (с 8:1 до 18:1) степень сжатия, а в 1892 г.  появился опытный образец, где калильная камера была заменена не требующей предварительного нагрева головкой цилиндров. Собственно, это был настоящий дизель или «суперстюарт». Однако высокий спрос на обычные «стюарты» и ограниченность производственных мощностей стали преградой на пути запуска новых моторов в серию. К середине ХХ в., несмотря на усовершенствования, калоризаторные двигатели проиграли состязание дизелям и вошли в историю, в том числе под немного обидным названием полудизелей.

Официальное следствие склонилось к версии самоубийства на почве финансовых проблем. Если так, то Рудольф Дизель был человеком железной воли, ведь, по рассказам его попутчиков, в свой последний вечер изобретатель, между прочим, совсем не употреб­лявший алкоголь, находился в отличном расположении духа. Это, как и отсутствие свидетелей происшествия, заставило говорить о возможном убийстве Дизеля. В качестве заказчиков назывались и воротилы угольного бизнеса, разъяренные растущим спросом на новый двигатель, и спецслужбы.

Рудольф Дизель

 с женой Мартой и сыновьями Ойгеном, Эдди и Рудольфом-младшим

Уже в конце Первой мировой войны некий немецкий военнопленный якобы сознался, что сбросил Дизеля за борт по заданию кайзеровской разведки, которая накануне назревавшего конфликта опасалась возможного сотрудничества изобретателя с англичанами. По некоторым данным, приглашение посетить Британию осенью 1913 г. Дизелю отправил лично Уинстон Черчилль... 

Так чем бы завершилась экранизация жизни немца, возможно, оставшегося чужим для своих? Киношники вместо многоточия или вопросительных знаков могли бы дать панораму вечернего Ла-Манша, где произошла трагедия, а добили бы зрителя всплывающие на этом фоне титры: «Пароход «Dresden» 21 января 1918 г. торпедирован в Эгейском море германской подводной лодкой UC-22, на которой стояли два 6-цилиндровых дизельных мотора...»

Опубликован ТОП-10 дизельных брендов на авторынке РФ

Глава Tesla Motors о скандале Volkswagen: "Дизель ичерпал свои возможности"

Экологичный дизель: голубой Ad

automobili.ru

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Идеальные циклы поршневых двигателей



Понятие о цикле двигателя внутреннего сгорания

Последовательность термодинамических процессов в любом современном поршневом двигателе внутреннего сгорания в той или иной степени приближена к одному из трех характерных циклов, называемых идеальными циклами Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера (Сабатье – Тринклера).

При этом принципиальное различие этих циклов проявляется лишь в характере процесса сгорания топлива (подвода теплоты), который в идеальном цикле Отто протекает в условиях постоянного объема камеры сгорания, в цикле Дизеля – при постоянном давлении в цилиндре, а в цикле Сабатэ – последовательно по изохорному, а затем по изобарному процессам.

Исходя из приведенных характеристик, циклы Отто, Дизеля и Сабатэ – Тринклера иногда называют, соответственно, циклами быстрого, постоянного и смешанного сгорания, которые положены в основу работы карбюраторного, компрессорного и бескомпрессорного двигателей.

Приведенные ниже идеальные циклы тепловых двигателей внутреннего сгорания описывают последовательность термодинамических процессов, протекающие по двухтактному сценарию, т. е. поршень в цилиндре совершает за один цикл два хода - вверх и вниз. Реальные тепловые двигатели могут работать и по двухтактному, и по более эффективному четырехтактному циклу.

***

Цикл Отто

Идеальный цикл теплового двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением горючей смеси, который обычно называют циклом Отто, на самом деле был описан и предложен еще в 1862 году французским инженером Альфонсом Бо Де Роша (1815-1891), т. е. задолго до создания Николаусом Августом Отто своего знаменитого двигателя, первый образец которого был изготовлен спустя полтора десятилетия - в 1878 году. Поэтому заслуга Отто заключается лишь в осуществлении указанного цикла на практике.

В своем двигателе Отто первым применил сжатие рабочей смеси для поднятия максимальной температуры цикла, которое осуществлялось по адиабате (т. е. без теплообмена с внешней средой). Последовательность термодинамических процессов в цикле Отто можно проследить по приведенной ниже диаграмме (рис. 1).
После сжатия газо-топливной смеси она воспламенялась от внешнего источника (свечи), после чего начинался процесс подвода теплоты, который протекал практически по изохоре (т. е. при постоянном объеме цилиндра двигателя). Этот процесс на диаграмме представлен в виде вертикального участка, начинающегося с момента воспламенения горючей смеси в цилиндре.

Изохорный характер процесса подвода теплоты объясняется тем, что воспламенившаяся газо-топливная смесь сгорает очень быстро, при этом процесс сопровождается резким повышением (скачком) давления и температуры в цилиндре.

Далее следовало адиабатическое расширение, в процессе которого двигателем осуществлялась полезная работа (рабочий ход поршня). В конце процесса расширения следовал изохорный отвод теплоты (открывание клапанов и продувание цилиндра). На этом цикл завершался, после чего следовало повторение указанной последовательности процессов, составляющих череду аналогичных циклов.

Как указывалось выше, А. Отто первым применил сжатие рабочей смеси перед воспламенением, благодаря чему КПД его двигателя значительно превышал КПД двигателя Э. Ленуара, в котором сжатие не предусматривалось. Современные двигатели, работающие по схеме цикла Отто, имеют степень сжатия (в зависимости от конструктивных особенностей) от 8 до 12,5. По такому циклу работают двигатели с принудительным воспламенением горючей смеси, использующие в качестве топлива бензин или газ.
Более высокая степень сжатия в таких двигателях приводит к детонационному самовоспламенению смеси, т. е. теряется контроль над процессом воспламенения и сгорания топлива, а сам двигатель, по существу, начинает "превращаться" в беспорядочно работающий дизель со всеми вытекающими от детонации последствиями.

Из-за относительно невысокой степени сжатия горючей смеси в цилиндрах, термический КПД таких двигателей ниже, чем в дизельных двигателях, и достигает 30-35 %.

Двигатели, работающие по циклу Отто, в настоящее время широко применяются в автомобилях, лодочных моторах, маломощных летательных аппаратах и т. п.

***



Цикл Дизеля

Другой характерный идеальный цикл для ДВС называют циклом Дизеля, по имени изобретателя дизельного двигателя. Этот цикл характеризуется подводом теплоты (сгоранием топлива) по изобаре, т. е. при постоянном давлении в цилиндре двигателя.

Как и в случае с циклом Отто, называть цикл, в котором сгорание топлива осуществляется по изобаре, циклом Дизеля будет не совсем справедливо.
Изначально Р. Дизель предлагал осуществлять сжигание топлива по изотерме (как в идеальном цикле Карно) и запатентовал именно такой способ подвода тепла к рабочему телу.
Однако, уже первые практические испытания показали, что цикл, предложенный Р. Дизелем, не имеет никакого практического и теоретического значения. Всякое приближение процессов горения к изотерме в цикле Дизеля приводило к увеличению расхода топлива.
И лишь некоторое время спустя анализ диаграммы рабочего цикла дизельного двигателя, построенного в России на заводе "Л.Нобеля" показал, что линия сгорания топлива в нем протекает по изобаре. При этом достигался наиболее высокий КПД.
Тем не менее, название цикл Дизеля установилось и теперь навсегда связано с именем знаменитого изобретателя конструкции тепловых двигателей уникального типа.

Цикл Дизеля протекает по следующему сценарию (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие осуществляется по адиабате, как и в цикле Отто, с той лишь разницей, что степень сжатия и давление в конце такта значительно выше. Это прослеживается на приведенной диаграмме.
В конце такта сжатия происходит впрыск топлива и начинается его горение (подвод теплоты), которое осуществляется по изобаре, т. е. при постоянном давлении.
Именно в этом заключается принципиальное отличие цикла Дизеля от цикла Отто, где теплота подводится изохорно (при постоянном объеме), поскольку топливо сгорает очень быстро, а его воспламенение (от искры) начинается чуть раньше, чем поршень достигал верхнего положения.
Изобарное сжигание топлива в дизельном двигателе связано с относительно медленным (лавинообразным) воспламенением – сначала сгорают легкие фракции, затем более тяжелые. В результате процесс горения растягивается во времени и поршень успевает "убежать" от верхней мертвой точки, при этом давление в цилиндре остается неизменным.
Далее, как и в цикле Отто, следовало адиабатическое расширение, а затем изохорный отвод теплоты (выпуск газов и продувка цилиндра после открывания клапанов).

Принципиальное и конструктивное отличие заключалось в том, что Дизель предложил сжимать в цилиндре не топливовоздушную смесь, как в двигателях Отто, а воздух. В конце такта сжатия температура воздуха поднималась настолько, что впрыскиваемое в цилиндр топливо возгоралось самостоятельно, т. е. происходило самовоспламенение топлива.
Для осуществления самовозгорания приходилось значительно увеличить степень сжатия, которая в дизельных двигателях в 2-3 раза выше, чем в карбюраторных двигателях.
Дизель, проектируя свой двигатель, предполагал применить стократную степень сжатия, но, как показали первые же испытания, тепловая и механическая напряженность деталей двигателя при таких нагрузках превышала допустимые значения. Опытные образцы не выдерживали нагрузки и разрушались даже при значительном утяжелении конструкции с целью повышения прочности.
Тем не менее, современные разработки по усовершенствованию дизельных двигателей направлены, в том числе, на значительное увеличение степени сжатия, поскольку это напрямую связано с повышением КПД и экономичности двигателя.

По легенде считается, что Р. Дизель изобрел свой знаменитый двигатель, накачивая ручным насосом колесо велосипеда. После нескольких энергичных манипуляций насосом, он заметил, что его корпус-цилиндр сильно нагрелся, и даже обжигал руку. Это и натолкнуло изобретателя на идею, которая принесла ему мировую славу и бессмертие в памяти благодарного человечества.

Особенностью системы питания Дизеля, в его первозданном виде, было компрессорное пневматическое распыливание топлива, на смену которому со временем пришло механическое распыливание посредством топливных насосов высокого давления (ТНВД) и форсунок, предложенных в 1898 году французом Сабатэ.

Отказ от пневматического (компрессорного) впрыска был связан с тем, что на привод компрессора приходилось 10-15% полезной работы двигателя, в связи с чем расход топлива у таких дизелей был не совсем приемлемым, т.е. эффективные показатели были ниже, чем у цикла Сабатэ – Тринклера. Кроме того, гидравлический впрыск топлива позволял увеличить динамические показатели работы дизельного двигателя.
Однако индикаторные и экологические показатели компрессорного ("чистого") дизельного двигателя были выше, чем у двигателей, работающих по циклу Сабатэ – Тринклера (о них речь пойдет ниже). Связанно это было с более качественным смесеобразованием – в цилиндр подавалась топливовоздушная смесь, а не топливо в жидкой фазе как у современных дизелей.

Повсеместный переход от пневматического на механическое (бескомпрессорное) распыливание топлива и соответственно с цикла Дизеля на цикл Сабатэ - Тринклера начался в 30-х годах прошлого столетия.
В настоящее время двигатели, работающие по "чистому" циклу Дизеля не производятся, за исключением экспериментальных и опытных образцов.

***

Цикл Сабатэ – Тринклера

Цикл, включающий два последовательных термодинамических процесса сгорания топлива – сначала по изохоре, а затем по изобаре, называют циклом Сабатэ – Тринклера. Пожалуй, это название цикла тоже можно оспорить, поскольку французский инженер Сабатэ (Сабатье) запатентовал в 1898 году не цикл, а механическое устройство (форсунку с распылителем), которое должно было подавать жидкое топливо непосредственно в цилиндры в два этапа. По замыслу Сабатэ это должно привести к более полному и быстрому сгоранию топлива.

В начале прошлого века российский инженер Густав Тринклер изобрел принципиально новый двигатель, опытный образец которого был изготовлен в 1902 году на Путиловском заводе. Снятая с работающего двигателя индикаторная диаграмма показала, что сгорание топлива в нем происходило по смешанному циклу – сначала по изохоре (при постоянном объеме), а затем по изобаре (при постоянном давлении).
Таким образом, первым в мире двигателем с самовоспламенением, работающим по циклу смешанного сгорания, был двигатель конструкции Г. Тринклера, изготовленный в России.

Термодинамические процессы в цикле Сабатэ – Тринклера осуществляется в следующей последовательности (см. диаграмму на рис. 1).
Сжатие воздуха, как и в цикле Дизеля, осуществлялось по адиабате. Теплота подводится смешанно: изохорно (вертикальный участок на p-V диаграмме), а затем изобарно (горизонтальный участок на диаграмме).
Далее следовало адиабатическое расширение, после чего изохорный отвод теплоты (вертикальный отрезок в конце такта расширения на диаграмме).

Смешанный цикл в двигателе Тринклера имел место благодаря применению гидравлического впрыска топлива посредством форсунок, а также предварительному воспламенению топлива не в цилиндре, а в отдельной небольшой камере, соединенной каналом с объемом цилиндра. Именно в эту камеру бескомпрессорным (гидромеханическим) способом впрыскивалось топливо, где и начинался процесс его горения.
Применение отдельной камеры позволяло поддерживать в ней более высокую температуру, чем в цилиндре, поскольку ее стенки не успевали остыть при отводе теплоты из цилиндра. Благодаря этому процесс горения топлива в камере протекал очень быстро (практически, по изохоре, как в цикле Отто), а затем горение распространялось в цилиндр и здесь уже протекало по изобарному сценарию, как в цикле Дизеля.
Двигатели Тринклера чаще называют бескомпрессорными или форкамерными дизелями или просто дизелями.

Как упоминалось выше, все выпускающиеся в настоящее время дизельные двигатели на самом деле работают по циклу Сабатэ - Тринклера, т. е. циклу со смешанным подводом теплоты и с механическим распыливанием топлива.

Степень сжатия у безнаддувных двигателей достигает значения 18-22; у наддувных высокофорсированных двигателей - 13-15.
Замечено, что с увеличением рабочего объема цилиндров дизельного двигателя и с уменьшением его оборотистости возрастает экономичность, т. е. КПД.

Область применения этих двигателей очень широкая. Их устанавливают в генераторных, насосных, энергетических установках и на электростанциях, в легковых и грузовых автомобилях, тракторах, сельскохозяйственной и дорожной технике, на тепловозах, судах, самолетах и т. д.

***

Сравнение эффективности идеальных циклов

Попробуем сравнить эффективность рассмотренных выше идеальных циклов с помощью диаграммы T-s (рис. 2), описывающей зависимость между энтропией и температурой рабочего тела. Анализ будет наиболее наглядным при одинаковых степенях сжатия в рассматриваемых двигателях (представим, что такое возможно).

Из приведенной диаграммы (рис. 2б) видно, что процессы сжатия 1-2 у всех трех типов двигателей (карбюраторного, дизельного и бескомпрессорного) совпадают, а если отводить одинаковое количество теплоты, то будут совпадать и процессы 4-1.

Следует отметить, что на диаграмме T–s изохора всегда проходит круче изобары, следовательно, в карбюраторном двигателе при одинаковом количестве подведенной теплоты будет совершаться больше работы на величину заштрихованной площади. Исходя из этого, можно сделать вывод: изохорное сжигание топлива эффективнее изобарного.

Однако в действительности названные двигатели работают при разных степенях сжатия, и практический интерес представляет сравнение их эффективности при одинаковых максимальных температурах сгорания, поскольку именно они определяют в основном температурную напряженность машины и ее КПД.

Следующая диаграмма T-s (рис. 2в) показывает циклы Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера при одной и той же максимальной температуре. В этом случае на диаграмме T–s должны совпадать точки 3, что соответствует одинаковой максимальной температуре в цикле и одинаковому количеству отводимой за цикл теплоты.

Здесь отрезки 1–2, 1–2' и 1–2" изображают адиабатное сжатие в циклах Отто, Дизеля и Сабатэ-Тринклера соответственно, 2–3 – изохорный подвод теплоты в цикле Отто, 2'–3 – изобарный в цикле Дизеля, 2"–3' и 3'–3 – изохорный и изобарный в цикле Сабатэ-Тринклера. Остальные процессы – адиабатное расширение (рабочий ход) 3–4 и изохорный отвод теплоты 4–1 – при рассматриваемых условиях одинаковы для всех трех циклов.

Как видно из этой диаграммы, максимальная теплота q0 (площадь, заключенная внутри контура цикла), преобразуемая в полезную работу и, следовательно, максимальный термодинамический КПД имеет место в случае цикла Дизеля, минимальный – в случае цикла Отто. Цикл Сабатэ-Тринклера по эффективности преобразования теплоты в полезную работу занимает промежуточное положение.

Конечно, наиболее ценные результаты дает сопоставление циклов при одинаковых максимальных температурах и одинаковых расходах топлива (одинаковых количествах подводимой за цикл теплоты). Но сделать это с помощью диаграммы T–s практически невозможно, поскольку пришлось бы так подбирать количество отводимой теплоты, чтобы площади каждого из сравниваемых циклов были одинаковы.
Такой анализ может быть проведен с помощью моделирования на компьютере.

***

Термодинамика поршневого двигателя

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):



k-a-t.ru

История автомобиля: Тринклер совершенствует дизель

КПД дизелей значительно выше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

Но дизели и намного тяжелее. Обстоятельство, прямо ска­жем, нежелательное для автомобилей.

На водном транспорте дизельные двигатели первыми примени­ли русские. Дизельные суда появились на Волге. И делали их на прославленном Сормовском заводе.

Молодой инженер Густав Васильевич Тринклер, долгие годы живший в Нижнем Новгороде, предложил новый, измененный цикл работы дизелей.

Новый дизель стал более совершенным. Однако всем дизельным двигателям присущи некоторые недостатки: они плохо заводятся в морозные дни, так как трудно нагреть только сжатием воздух до температуры воспламенения топлива, изношенные двигатели сильно дымят.

Конструкторы, инженеры, конечно, думают, как устранить эти несовершенства.

И кое-что уже придумали. Применяют, например, мощные стартеры, пусковые двигатели. А еще — специальные пусковые жидкости или запальные свечи.

«Отрубить хвост»

Конечно, это сказано в переносном смысле. Речь идет о маши­нах, а не о каких-то животных. И здесь надо бы сказать так: пора укоротить (если не удается убрать совсем) дымные шлейфы за дизельными грузовиками.

Но дизельными двигателями снабжены не только грузовики, но и тракторы, бульдозеры и автобусы. Сколько дыма выбрасыва­ют изношенные дизели в авмосферу!

Конечно, дизели совершенствуются. Но проблем еще множест­во. Решают одну, возникает другая. И так продолжается долгие годы.

Водяная рубашка

Нужна ли автомобилю вода? «Машина не конь, ее поить не будешь»,— скажете вы. А так ли? Посмотрите, как иной раз шофер спешит к фонтану с водой, как заливает воду в горячий ра­диатор.

Ведь мотор при работе нагревается. Важно, чтобы он не пере­грелся. Для этого цилиндры двигателя омываются водой. Нагретая вода, циркулируя, проходит через радиатор, где охлаждается потоком воздуха.

Водяное охлаждение применяется на двигателях большинства автомобилей. «Значит, есть и такие машины,— спросите вы,— дви­гатели которых охлаждаются иначе?» Да, есть. Это автомобили с двигателями воздушного охлаждения. За примером далеко ходить не надо. Присмотритесь внимательно к нашему «Запорож­цу»— это как раз автомобиль такого типа.

Воздушное охлаждение используется и на мощных дизельных грузовиках фирм «Дейц» (ФРГ) и «Татра» (Чехословакия).

Феликс Ванкель и... Япония

В поршневом двигателе внутреннего сгорания возвратно-по? ступательные движения поршней превращаются во вращательное движение коленчатого вала.

А нельзя ли создать двигатель, в котором не было бы возврат­но-поступательных движений? Уже лет двести изобретатели ломают над этим головы. Убрать поршни, шатуны, коленчатые валы? Да возможно ли это? Возможно. Это знали еще в XVIII веке, во времена Д. Уатта.

Первый роторный двигатель шестеренчатого типа построил в 1799 году англичанин Д. Мордок, ученик, последователь Уатта. Это он один из первых в Англии создал паровой автомобиль, изобрел газовое освещение.

Конечно, тот двигатель был далек от совершенства. В течение всего XIX и затем в XX веке его совершенствовали, улучшали. Было зарегистрировано более 30 тысяч патентов. А работоспособ­ный роторный двигатель был изобретен лишь в 1957 году.

Имя Феликса Ванкеля, изобретателя, а также чертежи, рисун­ки, фотографии «чуда XX века» долгое время не сходили со страниц автомобильных журналов. Писалось о «ликвидации полувековой несуразицы», о «революции в мире моторов».

В самом деле, на перевод возвратно-поступательных движений во вращательные затрачивалось слишком много энергии. А в ро­торном двигателе нет ни шатунов, ни коленчатого вала, ни маховика.

Ванкель посвятил своему изобретению всю жизнь: первый патент он получил в 1929 году, затем совместно с фирмой БМВ построил первый экспериментальный мотор, далеко не совер­шенный.

А потом (это уже было после второй мировой войны) началось сотрудничество Ванкеля с западногерманской фирмой НСУ. Ротор­ный двигатель, изрядно модернизированный, был построен при участии профессора Штутгартского технического училища Байера.

При равном весе поршневого и роторного двигателей мощность последнего значительно выше.

Рассказывают, что, когда двигатель Ванкеля установили на автомобиле «Принц», шофер открыл капот и, всплеснув руками, крикнул:

— Украли!

А дело было в том, что водитель не разглядел малютку дви­гатель мощностью, кстати, 29 л. с. Вот какие чудеса случались с детищем Ванкеля!

Чудеса ли то были? Настоящие чудеса начались позднее. Вот вкратце судьба изобретения. Сначала были восторги. Фирма НСУ даже приступила к серийному производству автомобилей с новым двигателем. Один из этих автомобилей, между прочим, был признан лучшей моделью 1967 года. Успех фирме тем не менее но­вый двигатель не принес. Она потерпела банкротство и была по­глощена другой, более мощной фирмой «Фольксвагенверк».

Во Франции на заводах «Ситроен» выпустили модель М-35 с роторным двигателем. И это не привело к успеху.

А вот в Японии двигатель Ванкеля по-настоящему было при­шелся ко двору. Там, а не в Европе начался массовый выпуск автомобилей с роторными двигателями. Всего их выпустили больше миллиона.

И тогда в ФРГ спохватились. Фирма «Даймлер-Бенц», одна из старейших в Европе, разработала свой вариант роторного двигателя мощностью 350 л. с. Его установили на опытном образце легкового автомобиля.

Все бы хорошо. И скорость у этой машины приличная (290 км/ч), и довольно быстрый разгон с места. Однако автомобиль не был пущен в серийное производство. И даже руководители одной из ведущих автомобильных корпораций мира «Дженерал моторе», затратив на создание и испытание роторного двигателя миллионы долларов, заявили, что прекращают в этой области все дальнейшие работы. Причина? Их несколько. Главные же — две. Малютка двигатель оказался очень «прожорливым», т. е.

неэкономичным, к тому же его выхлопные газы были токсичнее, чем ожидали.

А японцы не успокоились. Они изготовиЛи надежный и бес­шумный роторный двигатель, поставили его на «Мазду». 80 тысяч километров пробега гарантировали они новой модели машины. Было выпущено более миллиона таких автомобилей..

) Казалось бы, Ванкель может вздохнуть облегченно: его много­страдальное детище наконец-то обрело долгую жизнь.

Надежды, надежды... Как часто они не сбываются: двигатель оказался недостаточно экономичным.

www.avhi.ru

Газовый, газодизельный двигатель от Volvo

Идею использовать газ вместе с жидким топливом — газодизель — патентовал еще Рудольф Дизель, однако широкого распространения газодизельный процесс не получил. В современном дизелестроении газодизельный процесс широко использует компания MAN, вернее, ее подразделение, строящее судовые дизеля.

В школьном курсе по физике упоминались (по крайней мере, до прихода попов в школы) идеальные циклы сгорания двигателей внутреннего сгорания: цикл с подводом теплоты при постоянном объеме — цикл Отто; и цикл с подводом теплоты при постоянном давлении — цикл Дизеля. Это теплотехника. Если от теории переходить к технике, то по циклу, близкому к циклу Отто, работают двигатели, в цилиндрах которых сжимается топливно-воздушная смесь, воспламеняемая в конце такта сжатия. В настоящее время общепринято поджигать смесь электрической искрой. На заре автомобилизации бензиновые двигатели работали от калильного зажигания.

Цикл Дизеля

Про дизель, вроде бы, знают все, по крайней мере, кто связан с автомобилями. На самом деле, цикл Дизеля — это когда дополнительным компрессором раздельно сжимают воздух и смесь воздуха с топливом, а подача топлива осуществляется так, чтобы давление в процессе сгорания оставалось постоянным. По этому циклу работают компрессорные дизели. Из-за того, что компрессоры были большими и тяжелыми, Р. Дизель (Рудольф Кристиан Карл Дизель — если быть точным) так и не смог установить свой двигатель на грузовик. Позднее, правда, компрессорный дизель все-таки был установлен на автомобиль.


Существует цикл со смешанным подводом теплоты — цикл Тринклера. Именно цикл Тринклера осуществляется в бескомпрессорных дизелях, в цилиндрах которых сжимается чистый воздух и происходит самовоспламенение впрыскиваемого через форсунку топлива. Цикл был изобретен петербургским студентом Тринклером. Собственно говоря, цикл Отто является частным случаем цикла Тринклера, когда степень изобарного расширения равна единице.


В 1898 г. Густав Васильевич Тринклер (1876-1957 гг.), будучи студентом Петербургского технологического института (с 1894 г.), подал заявку на патент на спроектированный им двигатель, в котором жидкое топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр через форсунку. В 1900-1901 гг. Г. В. Тринклер построил опытный образец своего стационарного дизеля на Путиловском заводе. Он расположил в головке цилиндра форсунку со специальным поршеньком для пневматического распыливания топлива. Изобретатель получил патент только в 1904 г. после пятилетней проволочки. Не получив возможности изготовить двигатель в России, Г. В. Тринклер уехал в Германию, где в 1905 г. его мотор был выпущен фирмой братьев Кертинг в Ганновере под названием «двигатель системы Тринклер». Вскоре такие моторы распространились по всему миру как самые экономичные.


Если цикл Тринклера не идеальный и больше соответствует циклу, реализованному в реальных двигателях, то почему же двигатели Тринклера получили известность как самые экономичные? Все дело в смесеобразовании. Если отойти от классификации по теплофизическим процессам, то двигатели внутреннего сгорания можно различать по внутреннему и внешнему смесеобразованию. Карбюраторные моторы являются наиболее характерными представителями двигателей с внешним смесеобразованием, а дизели — с внутренним (бензиновые моторы с непосредственным впрыском также имеют внутреннее смесеобразование). При внешнем смесеобразовании в цилиндры должна поступать топливная смесь, близкая по составу к стехиометрической с высокой степенью гомогенности с тем, чтобы ее можно было воспламенить. Слишком бедная или богатая смесь, или не гомогенная — просто не воспламенится от искры.


При впрыске топлива непосредственно в цилиндр, как это происходит у дизелей, горение топлива происходит на границе смешивания частиц топлива с нагретым воздухом. Топливный заряд считается стратифицированным (термин «стратификация» происходит от латинских слов stratum — слой и facio — делаю) — таким образом создаются локальные условия создания очагов горения. В зоне расположения форсунки, даже при небольшом количестве подаваемого топлива, будет образовываться смесь, способная к самовоспламенению. Возможность качественного регулирования рабочего процесса позволяет экономить топливо при частичных нагрузках. Но это имеет обратную сторону.


Из-за того, что организовать внутреннее смесеобразование сложнее, дизели долгое время оставались «грязными» в отношении состава отработавших газов. Современный дизель снабжается сложным комплексом устройств, которые улавливают частицы топлива, превратившиеся из-за недостатка воздуха в сажу. Все то, что не сгорело, дожигают (окисляют) с помощью катализаторов. В свою очередь гомогенная смесь, близкая по составу к стехиометрической, сгорает наиболее полным образом и с наименьшими выбросами. Наиболее «чистыми» получаются газовые двигатели, работающие на стехиометрической смеси. Высокая цена систем очистки отработавших газов дизельных моторов — это то, за что стали платить относительно недавно. За дорогостоящую топливную аппаратуру дизеля платить приходилось всегда. При переводе дизеля на газодизельный цикл стоимость мотора и его обслуживания только увеличивается. На сколько — Volvo Trucks скромно умалчивает.


Компания сообщает, что новые грузовые автомобили Volvo FH LNG и Volvo FM LNG могут работать на биогазе, который позволяет снизить уровень выбросов CO2 практически на 100%, или же на природном газе, который уменьшает уровень выбросов CO2 на 20% по сравнению с дизельным топливом. К этому можно добавить, что использование биодизеля дает точно такой же результат.


Все перечисленное выше объясняет бесперспективность газодизельных двигателей. Тем не менее, появление Volvo FH LNG и Volvo FM LNG нужно только приветствовать. В современной линейке автомобильных двигателей пока отсутствуют газовые моторы большой мощности. Volvo Trucks предлагает двигатели Volvo G13C мощностью 460 л.с. с крутящим моментом 2300 Н•м, а для версии мощностью 420 л.с. крутящий момент составляет 2100 Н•м. Газовый двигатель Cummins Westport ISX12 G может предложить только 400 л.с. (298 кВт) с крутящим моментом 1966 Н•м. Подача газа в двигателях Volvo G13C осуществляется через двухтопливные форсунки с отдельными соплами для газа и дизельного топлива. Отработавшие газы очищаются системой SCR и сажевым фильтром. Volvo Trucks предлагает баки для сжиженного газа на 115 кг (275 л), 155 кг (375 л) или 205 кг (495 л). Последнего будет достаточно для пробега на 1000 км.


Несмотря на то, что газодизельные моторы по совокупности потребительских свойств сегодня проигрывают газовым и дизельным двигателям, появление таких агрегатов на рынке позволяет расширить топливное разнообразие и диверсифицировать агрегатную базу тяжелой коммерческой техники.

www.autotruck-press.ru

Цикл Тринклера - это... Что такое Цикл Тринклера?

Цикл Тринклера (англ. Seiliger cycle, англ. Sabathe cycle) — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс дизельного двигателя со смешанным сгоранием. Объединяет в себе цикл Отто и цикл Дизеля. Носит имя своего изобретателя Густава Тринклера.

Идеальный цикл Тринклера состоит из процессов:

p-V диаграмма цикла Тринклера
  • 1—2 В рабочем цилиндре воздух адиабатически сжимается за счет инерции маховика, сидящего на валу двигателя, нагреваясь при этом до температуры, обеспечивающей воспламенение топливно-воздушной смеси.
  • 2—3 Сгорание части топлива в небольшом объеме форкамеры (V=const).
  • 3—4 Догорание оставшегося топлива в рабочем цилиндре (P=const).
  • 4—5 Адиабатическое расширение продуктов сгорания.
  • 5—1 Удаление выхлопных газов (V=const).

Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра. Вместе с тем цикл со смешанным сгоранием частично сохраняет преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто — часть процесса сгорания осуществляется при постоянном давлении.

Термический КПД цикла Тринклера ,

где  — степень сжатия,

 — степень предварительного расширения,
 — степень повышения давления при изохорном процессе сгорания,
 — показатель адиабаты.

Частными случаями цикла Тринклера являются цикл Отто (при ) и цикл Дизеля (при ).

См. также

Ссылки

dic.academic.ru

cycle Trinklera - grease monkey

cycle Trinklera (or cycle Sabate) It is a hybrid Otto cycle and Diesel. As it is carried out mixed combustion (Mixed heat supply). For motors operating in this cycle has a pre-chamber, joined to the slave cylinder.

The air is compressed adiabatically in the working cylinder (process 1-2), rice. 8.4, compressed in the prechamber, in which the fuel is fed. Fuel is mixed with compressed air, ignited, and part of it is burned quickly in a small volume of the prechamber (process 2-3). The combustion portion of the fuel increases the pressure, and therefore, the mixture of unburned fuel, and combustion air is forced into the slave cylinder. Here there is a residual fuel afterburning at approximately constant pressure, as this process moves the piston (process 3-4).

rice. 3.4. cycle Trinklera: а) in the working diagram; б) thermal

After the end of the combustion occurs piston stroke - adiabatic expansion (process 4-5) combustion. Then, in the process 5-1 ejecting combustion is performed — isochoric heat removal process q2. Mixed with a cycle has two heat supply of the combustion process: first the heat is supplied from the rapid isochoric combustion portion of the fuel in the prechamber, then carried out a process of slow isobaric after-burning residual fuel in the working cylinder.

Unlike a diesel engine Trinklera engine does not need a high-pressure compressor for spraying liquid fuel, which sprayed a jet of compressed air. И thus in this cycle is stored advantage Diesel cycle, since part of the combustion process - the process of isobaric.

To determine the thermal efficiency of the cycle use Trinklera earlier notation:

- compression ratio

- The degree of pre-expansion

- The degree of subsequent expansion

because v1 = v5; v2 = v3

- Pressure ratio

Using the technique, used in deriving the thermal efficiency of the Otto cycle and Diesel, получим:

And as:

substituting the values ​​obtained temperatures in the expression (8.9) получим:

Expression (8.10) in the absence of isobaric process (r = 1) transformed into equation Otto cycle thermal efficiency, in the absence of isochoric process (l = 1) is transformed into the equation the thermal efficiency of the Diesel cycle.

tehnar.net.ua

История создания тепловых двигателей.

История создания тепловых двигателей



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате "Пневматика" шаром "Эола" или эолипилом (Эол - древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).
Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.
Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.
Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых "игрушек", а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать "огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять".
Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.
В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.
Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.
Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.
Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.
Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.
Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.
Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
К сожалению, первое же испытание "двигателя" Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее "вспыльчивое" топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.
При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.
Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно - двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу - туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.
Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.
Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто (нем. Andreas Otto) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя - специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания".

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин - четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами - выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Альфонсом Эженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).
Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто - еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.
Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой "Отто и Компания". Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта - заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.
Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.
Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.
Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.
Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.
Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю.
Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.
Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя - применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда - Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.
В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) - советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя.
Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.
По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе.
Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.
В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции "Тринклер-мотора" состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства - прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом ("чистом") дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера - бескомпрессорными.
Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.
Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.
Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в "чистом" виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.
У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.
Двигатель, работающий по циклу Сабатэ - Тринклера занимает промежуточное место на этом "пьедестале почета" между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):



k-a-t.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о