Развитие автомобильной и других областей техники на базе двигателей внутреннего сгорания

Развитие двигателей внутреннего сгорания непосредст-венно связано с автомобильной техникой. С одной стороны, по-явление бензинового карбюраторного двигателя было важнейшей предпосылкой для создания и последующего развития автомоби-ля, а с другой стороны, именно автомобиль, выдвигая свои требо-вания к новому двигателю, способствуя его дальнейшему совер-шенствованию, и подготовил двигатель внутреннего сгорания к использованию в авиации.

История автомобильной техники начинается в 1885 г. с создания одноместной моторной повозки немецкого изобретателя Г. Даймлера. В 1886 г. Даймлер построил первый четырехколес-ный двухместный автомобиль, на котором ему удалось развить скорость до 18 км/час. Почти одновременно с Даймлером немец-кий инженер К. Бенц создал в начале 1886 г. трехколесный авто-мобиль, развивавший скорость до 12-15 км/час.

К началу войны 1914-1918 гг. во всех странах было уже 1,9 млн. автомобилей.

Развитие автомобиля связано, прежде всего, с совершен-ствованием применяемых двигателей, и это уже понимали конст-рукторы первых автомобилей. Первые карбюраторы были скон-струированы еще в 70-х гг. Затем появляются более совершенные карбюраторы поплавкового типа. В 1900-х гг. начинает осущест-вляться переход к более совершенной системе электрического зажигания рабочей смеси, появляются механизмы и устройства для легкого пуска в ход автомобильного двигателя и в 1910 г. в США инженер Ч. Кеттеринг разработал конструкцию электриче-ского стартера.

В конце XIX и начале XX в. в результате работ инжене-ров и изобретателей многих стран был создан автомобиль совре-менного типа, причем в нем было использовано все, что было создано техникой в различных ее областях. Кузов, рама и рессо-ры были заимствованы у пролеток, рулевое управление и шины (а также цепная передача) – у велосипеда.

Важную роль в создании автомобиля сыграло изобрете-ние во второй половине 40-х гг. XIX в. резиновых сплошных шин и пневматических шин с проректором и внутренней камерой. Ко-робку скоростей заимствовали у металлорежущих станков. По-требность в автомобилях быстро росла, и в 1890 г. во Франции было создано одно из первых автомобилестроительных предпри-ятий. По мере развития производства, мощность выпускаемых этой компанией автомобилей все время росла. За 10 лет она уве-личилась с 9-12 до 30 и даже 40 л.с. В 1900 г. здесь был создан автомобиль марки «Мерседес».

Одним из основных показателей качества автомобильного двигателя явилось повышение степени сжатия горючей смеси перед ее зажиганием, т.е. отношение объема цилиндра при край-нем нижнем положении поршня к объему цилиндра при крайнем верхнем положении поршня.

 

Современная техника позволила вернуться к газовому двигателю на автомобиле, причем в настоящее время применяет-ся сжатый или сжиженный газ. Газ подается в редуктор для сни-жения давления, а затем поступает в смеситель для питания дви-гателя. Газобаллонный автотранспорт получил большое техниче-ское развитие как в Европе, так и в Америке.

Перспективным является применение на автомобиле газо-вой турбины. Автомобильный бензиновый двигатель в 200 л.с. весит около 600 кг, а газотурбинный двигатель такой же мощно-сти весит в 5 раз меньше. Газотурбинный двигатель имеет в 3-4 раза меньше деталей, чем поршневой двигатель.

В 1959 г. создан первый советский многоместный газо-турбинный автобус. Легкие автомобили с газотурбинным двига-телем были созданы в США. В Америке подчеркивают такие вы-годы газотурбинных двигателей, как хорошая уравновешенность масс (благодаря отсутствию деталей, совершающих сложное воз-вратно-поступательное движение), малый вес, возможность рабо-тать, на самых различных жидких топливах.

В середине 50-х гг. появлялись бескарбюраторные бензи-новые автомобильные двигатели. Топливо с помощью специаль-ного насоса стали под большим давлением вводить прямо в каме-ру сгорания мощностью автомобильных двигателей при этом повышается на 15-25% по сравнению с карбюраторными двига-телями, а экономичность двигателей увеличивается на 5-15%.

В трансмиссии современного автомобиля наряду с меха-ническим фрикционным сцеплением с начала 30-х гг. получает применение гидравлическое сцепление (гидромуфта), при кото-рой передача крутящего момента осуществляется за счет кинети-ческой энергии жидкости.

 

В течение XX в. изменился весь облик автомобиля. Наи-более удачная форма кузова путем аэродинамических исследова-ний, которые производятся с целью уменьшить воздушное сопро-тивление кузова за счет приближения его формы к идеально об-текаемой.

В конце XX в. по дорогам нашей планеты ездило почти 500 млн. легковых автомобилей. А в общей сложности получает-ся около 700 млн. всевозможных автомобилей!

Автомобили делают многие страны, а некоторые собира-ют их из импортных частей. Больше всего легковых автомобилей выпускает Япония (по данным на 1997 г. – 8,5 млн в год). С авто-мобильной промышленностью тесно сотрудничают другие отрас-ли индустрии: шинная, химическая, металлургическая, станко-строительная, электронная.

По компоновке – так называют взаимное расположение в автомобиле важнейших агрегатов и узлов – различают четыре вида легковых моделей. При классической компоновке двига-тель находится впереди, а ведущие колеса – задние, как у «Вол-ги» или «Москвича». В случае заднемоторной компоновки двига-тель объединен в блок с коробкой передач и главной передачей и размещен в хвостовой части автомобиля. При этом ведущие ко-леса – задние.

Важнейшим принципиальным решением в последние го-ды стал почти всеобщий переход на легковые автомобили с пе-редними ведущими колесами. От двигателя к ним идет гораздо более короткая, а значит легкая передача, чем при классической компоновке автомобиля. Кроме того, она делает автомобиль бо-лее безопасным. При задних ведущих колесах сила тяги (тол-кающее усилие) на поворотах направлена по касательной к траек-тории движения машины и стремится сместить заднюю часть ав-томобиля наружу относительно дуги поворота. А сила тяги пе-редних ведущих коле постоянно направлена по ходу машины и «тащит» ее по выбранному пути.

В переднеприводном автомобиле силовой агрегат разме-щается обычно поперек моторного отсека, позволяя максимально использовать внутренний объем кузова. Лишь небольшое число фирм, выпускающих главным образом представительские и спор-тивные модели, сохраняют верность схеме с задними ведущими колесами.

Полноприводная компоновка предусматривает размеще-ние двигателя в носовой части машины. Ведущими служат все четыре колеса («Нива», «Субару»). Эта компоновка применяется не только на внедорожных автомобилях повышенной проходимо-сти, но и на обычных (городских) моделях.

Трамвай, троллейбус

Первая сеть конно-железных дорог была построена в 30-х гг. XIX в. в Нью-Йорке, а в 1837 г. по городу проследовал первый паровой трамвай. В 1880 г. русский изобретатель Федор Аполло-нович Пироцкий испытал способ передачи электроэнергии по трамвайным рельсам. Испытания прошли успешно. В Берлине в 1879 г. был пущен в опытную эксплуатацию небольшой участок путей для электрического трамвая, который получал энергию по третьему, дополнительному рельсу, проложенному между двумя ходовыми. В России этот вид транспорта появился сначала в Киеве (1892 г.), а затем в Москве (1899 г.) и других городах.

Современный трамвай – это цельнометаллический вагон, колеса которого приводятся в движение электродвигателями по-стоянного тока. Энергию двигатель получает от контактной сети, подвесного провода с напряжением 500-700 В, через установлен-ную на крыше вагона контактную дугу из толстой проволоки – пантограф. Вторым проводом служат рельсы. Управляют трамва-ем при помощи контроллера, позволяющего менять силу тока в электрической сети.

В конце XX в. была разработана концепция скоростного трамвая. Новые линии часто отгораживают от остальной проез-жей части, что дает возможность развивать скорость до 80 км/ч.

Троллейбус был создан в Германии в 1882 г. А широкое распространение этот вид безрельсового транспорта получил лишь в 30-х гг. XX в., когда была усовершенствована система токоприемника и появились асфальтированные дороги. В СССР первый троллейбус пустили по Москве в 1934 г.

Мощность двигателя современного троллейбуса достига-ет 120 кВт, скорость – 70 км/ч. В конструкции троллейбуса соче-таются преимущества автобуса и трамвая. От первого он взял мягкие пневматические шины, что позволяет ездить практически бесшумно по обычной дороге, а от второго – электрический дви-гатель, не дающий ни гари, ни копоти, ни вредных выхлопных газов. Питается мотор электроэнергией от контактной сети. Вдоль маршрута натянута два подвесных (троллейных) провода; по ним скользят два токоприемника («рожки»), по которым и по-ступает электроэнергия. У первых троллейбусов токоприемники заканчивались роликами, катившимися сверху проводов; позже ролики заменили на пластины, прижатые к проводам снизу. Принцип торможения у троллейбуса тот же, что и у трамвая.

Железнодорожный транспорт

До середины XIX в. грузовые и пассажирские перевозки осуществлялись в основном по рекам. На крупнейших судоходных артериях возникали города и заводы, развивалась торговля. Наземный транспорт был гужевым – на конной тяге. Но разви-вающаяся промышленность требовала более совершенного - на-дежного и быстрого – средства передвижения. Им стала железная дорога, позволяющая перевозить очень тяжелые грузы с гораздо более высокой скоростью.

Железная дорога – рельсовый путь, по которому движутся локомотивы и вагоны (подвижной состав). Есть на железнодо-рожном пути разъезды, станции и остановочные пункты, дейст-вуют системы сигнализации и связи. Восстанавливают пути и подвижной состав специальные ремонтные предприятия.

Рельсовый путь – это основа железнодорожного транспорта. Стандартная длина рельса – 12,5 и 25 м, но в последние годы укладывают и сварные плети длиной до 800 м – бесстыко-вый путь. Ширина рельсовой колеи на российских дорогах равна 1520 мм.

Прямая и круговые участки железнодорожного пути соединены между собой криволинейными – с таким переменным радиусом, чтобы центробежная сила, возникающая при движении по закруглению, нарастала постепенно. Минимальный радиус криволинейных участков на перегонах составляет 300 м.

На железнодорожном пути имеются горизонтальные участки, называемые площадками, и уклоны, крутизна которых из-меряется в промиле.

Для соединения и пересечения железнодорожных путей служат стрелочные переводы, стрелочные улицы, съезды и т.п. Стрелки переводят либо вручную, либо (на станциях, где много путей) централизованно – с пульта диспетчера. Железные дороги оборудуют различными путевыми и сигнальными указателями - километров, пикетов, начала и конца криволинейных участков, уклонов; знаками и светофорами, входящими в систему автома-тической блокировки.

Самым первым типом тяговой машины для передвижения поездов – локомотива был паровоз. Он имел паросиловую уста-новку – паровой котел и паровую машину. На отечественных же-лезных дорогах паровоз использовался с 1834 г. до середины 50-х гг. XX в.

Самый серьезный недостаток паровоза – низкий коэффициент полезного действия (КПД), который не превышает 7-9%, а часто снижается до 5%. Это означает, что из каждых 100 кг топ-лива, сжигаемого в топке паровозного котла, полезно использует-ся только 5-9 кг.

 

Тепловозы – локомотивы с двигателем внутреннего сгорания, обычно дизелем. Они обладают высоким КПД (до 30%) и работают в любых климатических условиях. Строительство же-лезных дорог с тепловозной тягой обходится дешевле, чем с па-ровозной или электрической. Отечественная промышленность выпускает магистральные тепловозы с электрической передачей. Дизель вращает электрический генератор переменного тока, подключенный к силовому выпрямителю. Постоянный электри-ческий ток поступает на тяговые двигатели, которые через редук-торы вращают колесные пары.

Тепловозы бывают грузовые, пассажирские и маневровые.

Локомотив с электродвигателями, получающими энергию от контактной сети, называется электровозом.

С самого начала нашего века электроэнергия все более широко используется на железных дорогах, являющихся важ-нейшим видом транспорта XX в. Если у паровоза эффективный коэффициент полезного действия практически составляет 4-5% и не превышает 6-8 %, а общий КПД ниже 10%, то КПД электрово-за достигает 16-19%.

В 1920-1921 гг. в нашей стране благодаря исследованиям профессора А.В. Вульфа и других ученых была принята система постоянного тока напряжением в 3000 в. В 1932 г. в СССР был построен первый магистральный 6-осный электровоз мощностью в 2800 л.с.

Впервые в СССР электротяга на переменном токе была применена в середине 50-х гг. на экспериментальном участке Москва – Ожерелье.

В 1930-1950-х гг. в Советском Союзе был создан целый ряд конструкций электровозов, например грузовой электровоз «ВЛ-23» постоянного тока.

На электрифицированных железных дорогах все шире применяются кремниевые выпрямители для питания тяговых двигателей моторных вагонов и локомотивов. С их помощью не-посредственно на электровозах и моторных вагонах преобразо-вывается подводимая электроэнергия переменного тока.

Применение двигателей внутреннего сгорания в авто-транспорте, авиации, новейших ракетах

Сейчас в России эксплуатируются электровозы перемен-ного однофазного тока (питающее напряжение 25 кВ и частота 50 Гц), а также постоянного тока (напряжение 3 кВ). Это мощные грузовые локомотивы отечественного производства серии ВЛ и чехословацкие пассажирские серии ЧС.

Большое достоинство электровоза – экономичность. Во время движения под уклон его электродвигатели работают как генераторы электрического тока, который поступает обратно сеть. Такой режим называется рекуперационным торможением. Коэффициент полезного действия электровоза при этом достига-ет 88-90 процентов.

В средней части кузова электровоза размещено электри-ческое и пневматическое оборудование, в торцах располагаются кабины машиниста. На крыше находятся два токоприемника и другие агрегаты.

Моторные вагоны снабжены собственным двигателем. Из моторных и прицепных вагонов формируют дизель-поезда и электропоезда (электрички).

Первая городская подземная дорога была открыта в 1863 г. в Лондоне. В отличие от наземных электрических железных дорог, где провод располагается над путями, в метро таким про-водником электричества стал третий, изолированный от земли рельс, находящийся под постоянным напряжением в 600-800 В.

В России проект «подземки» в 1902 г. разработал и пред-ставил Московский городской думе инженер Петр Иванович Ба-линский.

Первая линия метро открылась в Москве только в 1935 г. Сегодня оно работает в крупных российских городах Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Самаре и Екате-ринбурге.

Скорость движения поездов регулирует автоматическая система, которая контролирует и действия машиниста.

Метро проветривают через вытяжные шахты. Поезд в туннеле действует как поршень, выталкивая воздух через шахту, находящуюся впереди, и засасывая его из той, которую уже ми-новал.

Суда и корабли

В современном торговом флоте применяют исключитель-но термин «судно», а в военном – «корабль». В парусную эпоху кораблем называли лишь определенный тип судов – с прямыми парусами на всех мачтах. Настоящими кораблями считались только линкоры, фрегаты, корветы и некоторые торговые суда.

Вид парусного судна определяли по типу парусного воо-ружения, которое включало в себя рангоут, такелаж. В зависимо-сти от района плавания суда делят на океанские, каботажные, речные и озерные. По роду движителя – на гребные, парусные, колесные, винтовые, водометные, крыльчатые.

Пароходы оснащены малооборотной паровой машиной, которая вращает гребной винт или бортовые гребные колеса. Не-смотря на простоту и надежность, пароходы отличаются низкой экономичностью, поэтому уже давно не строятся и повсеместно выводятся из эксплуатации. Более выгодны паротурбоходы – су-да с высокооборотной паровой турбиной.

Самый распространенный ныне тип судна – теплоход. Он может быть малооборотным или высокооборотным. Дизель на-дежно действует лишь при постоянных оборотах, и теплоходы, которым необходим широкий диапазон скорости вращения винта, оснащают гидравлической передачей, играющей роль редуктора. На дизель-электроходах и турбоэлектроходах применяют элек-трическую трансмиссию.

Атомоходы – по существу те же турбоходы, но пар для турбин вырабатывают не обычные котлы, а комплексы на базе ядерного реактора.

На газотурбоходах двигателем служит газовая турбина, работающая на жидком топливе. Главное достоинство газовых турбин – высокая удельная мощность.

Крупнейшими судами пассажирского флота первой половины XX в. были лайнеры, которые совершали рейсы между Ев-ропой и Америкой.

Контейнеровозы доставляют товары в стандартных кон-тейнерах, которые располагают в трюмах и на палубе. Мощные двигатели позволяют развивать высокую скорость хода.

В 1912 г. по рекам и озерам Российской империи плавало около 30 тыс. судов. Их общая грузоподъемность составляла 13,5 млн тонн.

В начале XXI в. речной флот России составляют буксиры, пассажирские, сухогрузные и нефтеналивные теплоходы. Это в основном плоскодонные суда с малой осадкой.

Современные буксиры толкают баржи впереди себя. Наи-более распространенный вид сухогрузных судов – теплоходы «Волга-Дон», часто именуемые самоходными баржами. Грузо-подъемность их составляет от 5000 до 5300 т.