Історія двигунів внутрішнього згоряння

Двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ) виробляють понад 60% потужності, що використовується людиною. Потужність в сучасних двигунах змінюється від 1 до 70 000 кВт. Потужність 70 000 кВт має судновий двотактний двигун 12 К-98 МС фірми МАN-BMW (Німеччина, Данія). Діаметр поршня дорівнює 98 см, а хід поршня 266 см. Частота обертання колінчастого вала 90 хв-1, середній ефективний тиск 1,8 МПа (18 бар або ат) при масі 2200 тон. Питома витрата палива становить 170 г / (квт.год). Двигун даної марки встановлюють на кораблях-контейнеровозах.

ДВЗ використовують на транспорті (річковий, морський флот, тепловози, вантажні та легкові автомобілі), в сільськогосподарській техніці (трактори, комбайни, самохідні машини), в енергетиці (стаціонарні і пересувні електростанції) і т.д.

У 1816 р. шотландський священик Роберт Стірлінг запропонував конструкцію двигуна зовнішнього згоряння (паливо згорає поза циліндром).

У 1860 р. француз Ленуар виготовив перший двигун внутрішнього згоряння. Він був двотактним, працював на світильному газі, без стиснення, мав ККД 5%.

У 1862 р. механік Микола Отто з Німеччини побудував перший чотирьохактний двигун потужністю 1,5 кВт із стисненням газоповітряної суміші. У 1886 р. Даймлер створив перший в історії автомобіль з чотирьохактним двигуном потужністю 1,1 кВт при частоті обертання колінчастого валу 900 хв -1.

У 1894 р. Рудольф Дизель продемонстрував в роботі перший двигун із запалюванням від стиску потужністю 2 кВт.

За час розвитку ДВЗ їх економічність зросла більш ніж в 2 рази, проте ефективний коефіцієнт корисної дії (ККД) незважаючи на досягнення останніх років, становить не більше 32 … 35% для двигунів з іскровим запалюванням і 40 … 42% для дизелів.

В даний час в народному господарстві успішно використовують газові турбіни, ідея створення яких зародилася майже одночасно з першими спробами створення поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Побудована газова турбіна була тільки в 1897 р. Газові турбіни широко використовують в стаціонарних силових установках, в авіації, на водному і залізничному транспорті. Створено також економічні газотурбінні двигуни для легкових і вантажних автомобілів.

Для подальшого підвищення ефективності двигунів внутрішнього згоряння в сучасній практиці широко застосовують комбіновані двигуни, в яких поршневий двигун і газова турбіна працюють на одному і тому ж робочому тілі, так як в газовій турбіні триває розширення газів, що вириваються з поршневого двигуна, і енергія від них передається споживачеві.

У 60-ті роки минулого століття наполегливо шукали шляхи використання в якості силового агрегату досить компактного працездатного роторно-поршневого ДВЗ або двигуна з обертовим поршнем. Спроби створення простих за ідеєю двигунів роторного типу використовувались ще в ХIХ столітті, але успіху не мали через труднощі ущільнення зазорів між ротором і статором. Тільки в 1957 р. німецькому інженеру Ванкелю вдалося створити працездатний роторно-поршневий двигун. Проте такий двигун широкого застосування в сільському господарстві не отримав.

Перспективи водневого палива

У кризовій ситуації з моторними паливами посилено освоюють різні варіанти двигунів Стірлінга, які працюють на будь-яких паливах, так як камера згоряння їх розміщена поза циліндром. В якості палива в ДВЗ використовується водень.

Водень – один з найбільш перспективних видів палива, як для сучасних і перспективних силових установок, так і для енергетики майбутнього. Водень може бути отриманий з води методом термодисоціації останньої. Термоядерний реактор при потужності 10 млн. кВт може виробляти до 1 млн.т водню в рік. Щільність цього газу мала, а об’ємні енергетичні характеристики на 15% нижче, ніж у нафтових палив. Великі швидкості згоряння при a=1 зумовлюють високу жорсткість процесу згоряння, а при a=1,5 швидкість згоряння знижується. Найбільш складне завдання – зберігання водню. Скраплення останнього вимагає витрат до 45% від його енергії, а також складною і дорогою є екранно-вакуумна ізоляція при зберіганні. Альтернативною системою зберігання водню є використання енергоносія на основі гідридів деяких металів (Mg, Fe, Ti, K та ін.).

При його пропусканні через порошки металів утворюються гідриди і виділяється теплота, яку слід відводити. При підігріві гідратного порошку водень виділяється і подається в циліндр. Гідридні акумулятори вибухобезпечні. Маса палива на однаковий пробіг при цьому в 4 рази більша ніж у дизельного палива.

Останні дослідження водневого палива направленні на створення паливних елементів, в яких водень не згорає, а за допомогою хімічних каталізаторів окислюється киснем повітря, а на аноді і катоді утворюється напруга, що подається до електродвигуна, що обертає робочі органи машини чи колеса транспортного засобу.

Дизель в сільському господарстві

Основним двигуном, що найбільш широко використовується в сільському господарстві, є потужний (форсований) дизель – поршневий ДВЗ. Дизель споживає, як відомо, рідке паливо – продукт переробки викопних вуглеводнів, нехватка якого відчувається вже зараз. Тому основною метою розвитку дизелів є підвищення їх ресурсу і екологічності, ефективності використання палива, пошуку альтернативних палив.

В даний час слід виділити три основних напрямки розвитку дизеля:

– термодинамічне вдосконалення двигуна в частині підвищення ефективності систем подачі повітря, сумішоутворення, згоряння, вихлопу, раціональної конструкції і довговічності поршнів, кілець, гільз циліндрів, газорозподільного та клапанного механізмів, шатунів і колінчатих валів;

– розробка і впровадження заходів зі зниження викидів шкідливих речовин в навколишнє середовище;

– електризація ДВЗ – від електронного управління двигуном до використання електро-фізико-хімічних технологій.

За першим напрямком можна виділити наступні основні заходи:

– застосування турбокомпресорів з ККД 0,6…0,7;

– для поліпшення сумішоутворення застосування 8-ми і 16-ти клапанних головок циліндрів;

– збільшення тиску вприскування палива до 150…200 МПа з керуванням подачею в залежності від навантаження;

– створення оптимальних форм камери згоряння;

– підтримання оптимального температурного стану двигуна;

– підтримання оптимальної температури повітря, що подається в циліндри;

– реалізація циклу Мюллера і регенеративного циклу, що забезпечує збільшення ККД на 8…10%;

– застосування поршневих кілець з напиленням і підшипників ковзання з ефективними антифрикційними матеріалами, а також розподільних валів з зміцненим кулачками і колінчастих валів із зміцненим шийками.

За другим напрямком основні заходи такі:

– забезпечення по всій зоні експлуатаційних навантажень коефіцієнта надлишку повітря 1,9…2,2, що забезпечує зниження NOX;

– застосування гібридних силових установок з накопичувачами енергії, що забезпечують зниження витрати палива і викид шкідливих речовин на 15…40%;

– застосування нейтралізаторів вихлопних газів, що знижують викиди шкідливих речовин до 8…10%;

– застосування присадок до палива, що забезпечують зниження викидів шкідливих речовин на 5 … 6%.

За третім напрямком основні заходи наступні:

– застосування електронних регуляторів і інформаційно-діагностичних систем моніторингу роботи двигунів, що забезпечує нові можливості по економічності та екології – знижуються витрати палива на 2…5% і викид шкідливих речовин на 10…15%;

– застосування електронного управління подачею палива в залежності від навантаження і співвідношення «паливо-повітря» і акумуляторів тиску («Комен Рейл») з регульованими форсунками з п’єзоелементами ( «Бош»), що забезпечують фазне вприскування, досягається зниження витрати палива до 7% і викидів шкідливих речовин;

– застосування регульованого фазо газообміну спільно з електронним управлінням подачею палива і інформаційно-діагностичною системою забезпечує оптимальні параметри циклу, повітропостачання, сумішоутворення і згоряння в циліндрі – зниження витрати палива до 8% і шкідливих речовин до 15%.

Тенденції розвитку сучасних двигунів

Сучасні двигуни стають більш інтелектуальними (розумнішими). Робочим процесом керує мозковий центр – багатофункціональні контролери. У системах управління застосовується електроніка, реалізується функція самодіагностики. Управління двигуном наділяється штучним інтелектом, здатним на правильне (осмислене) рішення в різних ситуаціях. Управління двигуном можна здійснювати з монітора комп’ютера. Якість двигуна оцінюється його надійністю, довговічністю, мінімальною питомою витратою палива 160-170 г/(кВт.год) і мінімальною токсичністю відпрацьованих газів (ЄВРО-5,6).

Широке застосування в пересувних кранах на автомобільному, гусеничному і залізничному ходу отримує дизель-електричний привід, в якому спеціальний дизельний двигун приводить в дію генератор, який живить електроенергією електродвигуни різних механізмів машини. Застосування дизель-електричного приводу дозволяє поєднувати зазначені вище переваги електроприводу окремих механізмів з незалежністю роботи машини від загальної електромережі. Дизель-електричний привід дозволяє уникнути установки складних фрикційних муфт управління, неминучих в разі застосування двигуна внутрішнього згоряння, і створює велику маневреність управління. Недоліками дизель-електричного приводу є висока вартість установки і деяка її громіздкість.

Незважаючи на технічний прогрес сільськогосподарського машинобудування, що забезпечив розвиток системи землеробських машин, в цілому оснащеність сільського господарства електричною технікою неминуче відстає від промисловості. Електричний привід в сільському господарстві в даний період використовувався не достатньо, в основному для допоміжних цілей. Застосування електродвигунів в сільському господарстві набагато запізнилося в порівнянні з промисловістю і транспортом.

Перспективи вдосконалення двигунів внутрішнього згоряння

Завтрашній день моторобудування все тісніше пов’язується з використанням легких сплавів, композиційних і пластичних матеріалів, кераміки. Так, в минулому році випуск західними фірмами двигунів з блоками циліндрів з алюмінієвих сплавів досяг 50% від загального виробництва, а головок циліндрів з легких сплавів – 75%. Практично всі швидкохідні двигуни малого і середнього робочого об’єму комплектуються поршнями з алюмінієвих сплавів.

Японські автомобільні фірми використовують на серійному виробництві двигунах головки блоку зі сплаву алюмінію з титаном.

У США ведуться роботи по виготовленню блоків методом штампування з низьковуглецевої сталі товщиною всього 2, 3 мм. Це здешевлює виробництво і дає економію у вазі в порівнянні з чавунним блоком (вага штампованого сталевого блоку не перевищує ваги блоку, відлитого з алюмінієвого сплаву). Для деталей двигуна, що працюють в умовах великого перепаду температур, проводяться експерименти з армування алюмінієвих сплавів волокнами бору.

Роботи зі створення деталей двигуна з композиційних матеріалів з волоконним армуванням (головним чином, шатунів і поршневих пальців) розпочато в ФРН. Під час попередніх випробувань шатуни витримали 10 млн. циклів стиснення-розтягування без руйнування. Такі шатуни на 54% легше звичайних сталевих. Зараз вони вже випробовуються в реальних умовах роботи двигуна.

Двома американськими фірмами в рамках спільної програми «Пластмасовий двигун» розроблений 4-циліндровий двигун з робочим об’ємом 2,3 л, який має два розподільних вала і шістнадцяти клапанну головку блоку (по 4 клапани на циліндр). Блок і головка циліндрів, поршні (з термостійким покриттям), шатуни, деталі газорозподілу і піддон виготовлені з волокнистих пластичних мас. Це дозволило зменшити питому вагу двигуна з 2,25 до 0,70 кг/кВт, на 30% знизився рівень шуму. Двигун розвиває ефективну потужність 240 кВт і має масу 76,4 кг. Аналогічний двигун зі сталі і чавуну важить 159 кг. Загальна частка пластмасових деталей становить 63%.

У цьому «пластмасовому» двигуні застосовується стандартна система мастила і традиційна водяна система охолодження. Найбільша деталь – блок циліндрів – була виготовлена з композиційного матеріалу (епоксидна смола з графітовим волокном). У двигуні широко використаний високоякісний термопласт «Торлонія», який за хімічним складом аналогічний поліаміду. Передбачається, що широке застосування цього термопласта може початися через 10 років.

За оцінками провідних зарубіжних фахівців найближчим часом не очікується широкого застосування ДВЗ, принципово нових по конструкції і принципу роботи.

Головними напрямками розвитку найбільш поширених бензинових ДВЗ малого і середнього робочого об’єму на перспективу залишаються подальше підвищення механічного ККД і економічних показників, зниження токсичності відпрацьованих газів. Триватиме пошук нових матеріалів і технологій, розробка систем наддуву і нових робочих процесів. Науково-дослідні роботи по всіх цих напрямках виконуються з усе більш широким застосуванням ЕОМ і програм, що складаються з використанням даних, отриманих в експериментах.

За останні 20 років розвиток бензинових ДВЗ вже забезпечив середнє зниження питомої витрати палива більш ніж на 20% при одночасному задоволенні жорстких норм на токсичність викидів. Знайдено засоби реалізації більш ефективного малотоксичного процесу згоряння при підвищеному ступені стиснення і використанні збідненої паливо-повітряної суміші. Окремі розробки впроваджені в конструкціях серійних ДВЗ звичайної схеми, а також в отримують поширення і краще для цього пристосовані ДВЗ з трьох- і чотирьохклапанними головками циліндрів.

Для розширення області якісного регулювання згоряння і зниження втрат на газообмін розроблені різні схеми відключення одного циліндра (або груп циліндрів) для зменшення робочого об’єму на режимах часткових навантажень. Та ж ідея реалізується в серійному виробництві ДВЗ зі зменшеним робочим об’ємом і компенсацією показників потужності на повному навантаженні шляхом введення наддуву.

На рівні експериментальних досліджень розглядаються можливості регулювання ступеня стиснення і фаз газорозподілу під час роботи ДВЗ.

З метою спрощення технології, зниження маси, зменшення механічних і теплових навантажень, рівня шуму і вібрацій тривають роботи по використанню композиційних матеріалів на основі пластичних мас. Істотне поліпшення фізико-хімічних властивостей керамічних матеріалів також дозволило застосувати їх в реальних конструкціях ДВЗ.

Логуш Іван Володимирович, к.т.н., доцент.

Comments are closed.