Тема: «Развитее двигателей и их роль в научно-техническом прогрессе»

Вид материала

Содержание

Актуальность темы
Паровые машины.
Изобретение практически пригодного универсального теплового двигателя. Работы Джемса Уатта.
Первая работа Джеймса Уатта.
Вторая работа Джеймса Уатта.
Вентильный электродвигатель (ВД)
Принцип работы ВД.
Достоинства и недостатки ВД
Двигатели внутреннего сгорания.
Схема работы ДВС.
Развитие реактивных двигателей.

Подобный материал:

Муниципальное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №9.г. Бердска.

Тема: «Развитее двигателей и их роль в научно-техническом прогрессе»

По предмету «Физика»

Выполнил: Табаков Константин Андреевич,

ученик 9 «А» класса.

г. Бердск. 2009г.

Содержание.

Введение

Паровые машины.
1. Первый тепловой двигатель Ползунова.
2. Создание первого практически пригодного парового двигателя Джеймса Уатта.
3. Первая работа Уатта.
4. Вторая работа Уатта.
Электродвигатели.
1. Вентильный двигатель.
2. Статор.
3. Ротор.
4. Принцип работы.
5. Достоинства и недостатки.
Двигатели внутреннего сгорания.
1. История создания.
2. Схема работы.
3. Турбонаддув.
4. Развитие реактивных двигателей

Заключение

Список литературы.

Цели:

Цель данной работы заключается в том, чтобы изучить и раскрыть роль двигателей в научно-техническом прогрессе. Раскрыть агрегатное строение разных видов двигателей. Познакомиться с историей их создания и учеными, благодаря которым мы используем эти устройства в таком виде как сейчас.

Задачи:

Прочтение разных видов литературы.
Выведение из нее нужной информации.
Ознакомиться с историей появления различных двигателей.
Узнать, в каких отраслях в разное время применяли эти устройства.
Показать преимущества двигателей перед другими похожими устройствами.

Актуальность темы

Когда Джеймс Уатт впервые изобрел и построил паровой двигатель практического применения, он, возможно, сам того не зная, поставил науку на новую ступень развития, потому что именно эти потрясающие устройства стали «двигателем мирового прогресса»

Двигатели полностью изменили взгляд на многие вещи. Дали новые возможности в промышленных отраслях, резко продвинув её вперед.

Я считаю, что совершенствование и развитие двигателей даст нам новые возможности во многих сферах деятельности. В наше время это очень актуально, так как экологическая ситуация в мире сильно ухудшилась. И нам очень необходимо создание экологически чистых электродвигателей, которые не будут загрязнять окружающую среду.

Человека в современном обществе вообще нельзя представить без двигателя внутреннего сгорания. И вы все понимаете, о чем я. Это, конечно, наши автомобили, мотоциклы и другие средства передвижения, в которых применяется ДВС. В современных машинах ДВС часто сочетаются с электродвигателями, что дает лучшие экологические показания.

Выбирая эту тему, я первую очередь опирался на то, что она напрямую будет связана с моей будущей профессией. Меня заботит экологичность и универсальность этой техники и я в будущем хочу постараться посодействовать улучшению их технических характеристик и качества. Ведь их популярность и универсальность делает двигатель «двигателем мирового прогресса»

Введение.

XX век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные спутники Земли. Все это действует не без помощи двигателей.

Человек начал свое развитие с присвоения готовых продуктов природы, но уже на первом этапе развития он стал применять искусственные орудия труда.

С развитием производства начинают складываться условия для возникновения и развития машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его труде, затем они стали постепенно заменять его.

Человечество стало искать другие источник энергии. Долго трудились изобретатели, много машин испытали - и вот, наконец, новый двигатель был построен.

Это был паровой двигатель. Он приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства - паровозы.

Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель - небольшой и дешевый. В 1860 г. француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

Все эти двигатели требовали топлива, и ученые в то же время работали над изобретением двигателя, работающего на электричестве - электродвигателя - бесшумного и небольшого. Первый электродвигатель сконструировал русский ученый Б.С. Якоби.

Процессу создания и развития двигателей я и посвящаю свою работу.

Паровые машины.

Первый тепловой двигатель универсального назначения И. И. Ползунова.

Первый универсальный тепловой двигатель был изобретен в России в 60-х годах XVIII в. выдающимся русским теплотехником Иваном Ивановичем Ползуновым (1729—1766).

Ползунов был знаком с описанием машин Сэвери и Ныокомена, а также с работами М. В. Ломоносова по теплотехнике. В результате своих исследований И. И. Ползунов в 1763 г. разработал проект создания «огнедействующей машины для заводских нужд». Он предполагал построить двухцилиндровую пароатмосферную машину. По проекту Ползунова пар из котла

(1) подавался в один, скажем, левый цилиндр (2), где поднимал поршень (3) до крайнего верхнего положения. Затем из резервуара в цилиндр впрыскивалась струя холодной воды (4), что приводило к конденсации пара. В результате давления атмосферы на поршень он опускался, в то время как в правом цилиндре в результате давления пара поршень поднимался. Водопарораспределение в машине Ползунова осуществлялось специальным автоматическим устройством (5). Непрерывное рабочее усилие от поршней машины передавалось на шкив (6), насаженный на вал, с которого движение передавалось водо-парораспределительному устройству, питательному насосу, а также рабочему валу, от которого приводились в движение воздуходувные меха.

И. И. Ползунов уже в первом проекте паровой машины (1763 г.) четко сформулировал задачу создания именно универсального теплового двигателя.

С большими трудностями, так как средств для сооружения машины было отпущено недостаточно, Ползунов с помощью нескольких учеников приступил в 1764 г. к созданию своей машины, и в 1765 г. она была построенa. Следует отметить, что эта машина существенно отличалась от первого проекта Ползунова. Построенная машина решала лишь частную задачу: был сконструирован привод для нескольких печей и обеспечен малый расход топлива.

Ползунову не удалось дожить до пуска машины. Надорванный непосильной работой, он в мае 1766 г. умер от скоротечной чахотки.

Пуск машины был осуществлен лишь в августе 1766 г. Машина проработала около двух месяцев, показав свою эффективность: за 43 дня работы принесла около 12 тыс. руб. прибыли. Но в ноябре 1766 года котел дал течь, машину остановили, а через несколько лет она была сломана и забыта.

Но первый двигатель, который был практически пригоден для работы, был изобретен Джемсом Уаттом. О нем я сейчас и расскажу.

Изобретение практически пригодного универсального теплового двигателя. Работы Джемса Уатта.

У

ниверсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был изобретен английским теплотехником Джемсом Уаттом (1736—1819). Работу над паровыми машинами Уатт начал с 1764 г., когда ему поручили исправить модель пароатмосферной машины Ньюкомена. Он обратил внимание на большой непроизводительный расход пара, а, следовательно, и топлива в машине. Исследуя причину этого явления, Уатт пришел к выводу, что хорошая работа атмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, для получения сильного разряжения под поршнем надо производить в цилиндре возможно более полную конденсацию пара, а для этого как можно сильнее охлаждать цилиндр; во-вторых, чтобы избежать непроизводительных потерь пара, надо его впускать для последующего хода поршня из котла в неохлажденный, горячий цилиндр. Выполнить эти два условия одновременно вначале представлялось технически невозможным.

Проведя целый ряд глубоких исследований и опытов, Уатт наконец разрешил эту сложную техническую задачу: он предложил производить конденсацию пара в отдельном резервуаре-конденсаторе, сообщающемся с цилиндром.

Изобретение конденсатора - важнейшее открытие Уатта первого периода его творчества. Патент на это изобретение Уатт получил в 1769 г. В заявке на патент он определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а, следовательно, и топлива в огненных машинах».

Первая работа Джеймса Уатта.

Таким образом, была найдена правильная идея усовершенствования паровой машины. Но надо было перейти к практическому осуществлению этой идеи. На это Уатту пришлось потратить много лет упорного труда и тяжелой борьбы с бесконечным множеством препятствий и затруднений. Изготовление крупных машин стоило больших средств, а собственные средства Уатта были совершенно ничтожны. Приходилось прибегать к фабрикантам и промышленникам с унизительными просьбами о финансировании постройки новой машины.

В

поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов. Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 году с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в городе Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой «огненной» машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию.

Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером механиком, технические идеи Уатта увлекли и его.

Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел квалифицированные рабочие кадры, поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 года была построена первая машина двойного действия.

Вторая работа Джеймса Уатта.

Уатт был неудовлетворен своей первой паровой машиной и сразу начал работать над ее усовершенствованием. В 1777 году Уатт для дальнейшего повышения экономичности машины предложил применять отсечку и расширение пара.

Машина Уатта первоначальной конструкции значительно удешевила получение механической энергии преимущественно для нужд горной промышленности. Она очень быстро нашла себе применение в рудниках и шахтах, совершенно вытеснив машину Ньюкомена. Введение новых паровых машин на три четверти сокращало расход угля. Особенно большой интерес к машинам Уатта был проявлен со стороны хозяев медных руников в Корнваллисе. Завод в Сохо к 1780 году изготовил 40 паровых машин, половина из которых предназначалась для копей в Корнваллисе.

Однако, как и ранее изобретенные пароатмосферные машины, паровая машина двойного действия не была пригодна для роли универсального двигателя, она была применима лишь для подъема воды из шахт. Машину можно было использовать на водокачках в городах, а также для приведения в движение воздуходувных машин, так как в этих случаях движение рабочих органов машины было прямолинейно-качательным.

Для ее использования на промышленных предприятиях нужно было иметь вал с насаженным на него колесом, вращающимся непрерывно, от которого можно было бы передать работу машинам-орудиям посредством ременной передачи. Необходимость именно в двигателях универсального применения чувствовалась в английской промышленности все больше и больше. На завод в Сохо приходили письма от предпринимателей самых различных отраслей промышленности с просьбами изготовить паровые машины новой системы, предназначенные не только для откачки воды, но и для приведения в движение станков в мастерских. С 1778 года Уатт начинает работать над изобретением машин с непрерывным вращательным движением. В результате была создана машина двойного действия, которая и явилась универсальным тепловым двигателем. Патент на эту машину он получил в 1784 году.

П

ринцип действия машины заключался в том, что пар из котла поступал через золотник в цилиндр. Золотник позволял подавать пар то с одной стороны поршня, то с другой, создавая тем самым необходимое давление на поршень.

Таким образом, основные элементы универсальной паровой машины складывались постепенно. Важнейшие нововведения, которые внес Уатт в машину двойного действия, сводятся к следующему:

В отличие от первой пароатмосферной машины 1769 г. в машине, запатентованной в 1784 г., был применен принцип двойного действия, т. е. пар попеременно действовал то на одну, то на другую сторону поршня.
Для подачи пара в разные полости цилиндра он использовал специальное приспособление — золотник.
Для выравнивания вращательного движения Уатт применил маховое колесо.
Для преобразования в балансирной машине качательного движения поршня в непрерывное Уатт изобрел специальный механизм, обеспечивающий прямолинейность движения штока поршня, связанного с одним концом балансира (так называемый параллелограмм Уатта), а также несколько способов преобразования прямолинейного движения во вращательное движение.

Поскольку Уатт для получения вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм, такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром.Вначале. Уатт для этой цели применял планетарное, ли солнечное, колесо.

Одним из важных механизмов в паровой машине двойного действия был механический центробежный регулятор, который при помощи специальной дроссельной заслонки в паропроводящей трубе регулировал поступление пара в машину.

В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран.

Электродвигатели.

Э

лектрические машины широко применяют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, в системах автоматического регулирования и управления, в быту.
Электрические машины преобразуют механическую энергию в электрическую, и наоборот. Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую, называются генератором. Преобразование электрической энергии в механическую осуществляется двигателями.

Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуемой ею энергии называется обратимостью машины. Электрическая машина может быть также использована для преобразования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями.

В зависимости от рода тока электроустановки, в которой должна работать электрическая машина, они делятся на машины постоянного и переменного тока.

Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными.
Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные машины, а также катекторные машины переменного тока, которые допускают экономичное регулирование частоты вращения в широких пределах

В настоящее время асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими машинами. Они потребляют около 50%электроэнергии, вырабатываемой электростанциями страны. Такое широкое распространение асинхронные электродвигатели получили из-за своей конструктивной простоты, низкой стоимости, высокой эксплуатационной надежности. Они имеют относительно высокий КПД: при мощностях более 1кВт, кпд=0,7:0,95 и только в микродвигателях он снижается до 0,2-0,65.

О новых вентильных двигателях я сейчас и расскажу.

Вентильный электродвигатель (ВД)

Вентильный электродвигатель — это синхронный двигатель, основанный на принципе частотного регулирования с самосинхронизацией, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Вентильные двигатели (в англоязычной литературе BLDC или PMSM) еще называют бесколлекторными двигателями постоянного тока, потому что контроллер такого мотора обычно питается от постоянного напряжения.

Статор.

Статор имеет традиционную конструкцию и похож на статор асинхронной машины. Он состоит из корпуса, сердечника из электротехнической стали и медной обмотки уложенной в пазы по периметру сердечника. Количество обмоток определяет количество фаз двигателя. Для самозапуска и вращения достаточно двух фаз - синусной и косинусной. Обычно ВД трёхфазные, реже четырёхфазные.

По способу укладки витков в обмотки статора различают двигатели, имеющие обратную электродвижущую силу трапецеидальной (BLDC) и синусоидальной (PMSM) формы. По способу питания фазный электрический ток в соответствующих типах двигателя также изменяется трапецеидально или синусоидально.

Ротор.

Ротор изготавливается с использованием постоянных магнитов и имеет обычно от двух до восьми пар полюсов с чередованием северного и южного полюсов.

Вначале использовались ферритовые магниты для изготовления ротора. Они распространены и дёшевы, но им присущ недостаток в виде низкого уровня магнитной индукции. Сейчас получают популярность магниты из редкоземельных сплавов, так как они позволяют получить высокий уровень магнитной индукции и уменьшить размер ротора.

В двигателях большой мощности вместо постоянного магнита на роторе используется электромагнит. Напряжение питания к нему подаётся через щётки и контактные кольца, установленные на роторе. Так устроен автомобильный генератор.

Принцип работы ВД.

Принцип работы ВД, основан на том, что контроллер ВД так коммутирует обмотки статора чтобы вектор магнитного поля статора всегда был сдвинут на угол близкий к 90° или -90° относительно вектора магнитного поля ротора. C помощью ШИМ модуляции контроллер управляет током, протекающим через обмотки ВД и значит величиной вектора магнитного поля статора и таким образом регулируется момент, действующий на ротор ВД. Знак у угла между векторами определяет направление момента действующего на ротор.

Градусы электрические. Они меньше геометрических градусов в число пар полюсов ротора. Например, в ВД с ротором, имеющим 3 пары полюсов оптимальный угол между векторами будет 90°/3 = 30°

Так как фаз коммутации обмоток всего 6 то вектор статора может перемещаться скачками по 60° - значит, реальный угол между векторами будет не 90,° а будет меняться от 60° до 120° при вращении ротора ВД.

Коммутация производится так, что поток возбуждения ротора — Ф₀ поддерживается постоянным относительно потока якоря. В результате взаимодействия потока якоря и возбуждения создаётся вращающий момент M, который стремится развернуть ротор так, чтобы потоки якоря и возбуждения совпали, но при повороте ротора под действием ДПР происходит переключение обмоток и поток якоря поворачивается на следующий шаг.

В этом случае и результирующий вектор тока будет сдвинут и неподвижен относительно потока ротора, что и создаёт момент на валу двигателя.

В двигательном режиме работы МДС статора опережает МДС ротора на угол 90°, который поддерживается с помощью ДПР. В тормозном режиме МДС статора отстаёт от МДС ротора, угол 90° так же поддерживается с помощью ДПР.

Достоинства и недостатки ВД

В последнее время, этот тип двигателей быстро приобретает популярность, проникая во многие отрасли промышленности. Находит применение в различных сферах использования: от бытовых приборов до рельсового транспорта.

ВД с электронными системами управления часто объединяют в себе лучшие качества бесконтактных двигателей и двигателей постоянного тока.

Достоинства:

Высокое быстродействие и динамика, точность позиционирования
Широкий диапазон изменения частоты вращения
Бесконтактность и отсутствие узлов, требующих техобслуживания — бесколлекторная машина
Возможность использования во взрывоопасной и агрессивной среде
Большая перегрузочная способность по моменту
Высокие энергетические показатели (КПД более 90 % и соsφ более 0,95)
Большой срок службы, высокая надёжность и повышенный ресурс работы за счёт отсутствия скользящих электрических контактов
Низкий перегрев электродвигателя, при работе в режимах с возможными перегрузками

Недостатки:

Относительно сложная система управления двигателем
Высокая стоимость двигателя, обусловленная использованием дорогостоящих постоянных магнитов в конструкции ротора.

Двигатели внутреннего сгорания.

История их создания.

Над совершенствованием двигателя внутреннего сгорания работали и продолжают работать многие учёные, инженеры, испытатели. И хотя мощность, экономичность и другие характеристики двигателей постоянно улучшаются, основной принцип действия остаётся неизменным.

Создали двигатель внутреннего сгорания в середине XIX в., когда на транспорте безраздельно господствовала паровая машина. В то время для освещения городских улиц стали применять светильный газ. Свойства нового топлива натолкнули изобретателей на мысль, что перемещать поршень в цилиндре может не пар, а газовая смесь. На вопрос о том, как воспламенить эту смесь, помогло ответить ещё одно техническое достижение — индукционная катушка для получения электрической искры.

Первые успехи по создании ДВС принадлежат компаниям Бенц и Даймлер. В течение нескольких лет Бенцу и Даймлеру пришлось заниматься усовершенствованием двигателя. В результате при поддержке состоятельных людей Карл Бенц даже построил небольшой завод по производству газовых двигателей.

В поисках более эффективного, чем светильный газ, автомобильного топлива Готлиб Даймлер совершил в 1881 г. поездку на юг России, где ознакомился с процессами переработки нефти. Один из её продуктов, лёгкий бензин, оказался как раз тем источником энергии, который искал изобретатель: бензин хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает, удобен для транспортировки.

В 1883 г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать и на газе, и на бензине; все последующие автомобильные двигатели Даймлера были рассчитаны только на жидкое топливо. Переход от газа к бензину позволил в несколько раз увеличить число оборотов коленчатого вала, доведя его до 900 об/мин; почти вдвое возросла удельная мощность двигателя (т. е. приходящаяся на 1 л суммарного — рабочего — объёма его цилиндров).

Работа первопроходцев всегда требует энтузиазма и смелости. Наградой за их настойчивость становится благодарность потомков. Первая самоходная коляска Бенца с бензиновым мотором была трёхколёсной. Даймлер начинал с двухколёсного «моторного велосипеда».

Изобретения Даймлера и Бенца соотечественники встретили холодно. Благопристойных горожан беспокоил треск бензиновых двигателей; «знатоки» утверждали к тому же, что мотор «безлошадного экипажа» обязательно взорвётся. «Полиция не должна допустить, чтобы бензиновая тележка подвергала весь мир опасности», — писали немецкие газеты. В итоге Даймлеру приходилось испытывать свой автомобиль по ночам на загородных дорогах. А Бенца полиция обязала перед каждой поездкой сообщать маршрут и место остановок, чтобы привести в готовность пожарные команды.

Для того чтобы продемонстрировать безопасность поездок на автомобиле, фрау Берта Бенц тайком от мужа совершила вместе с сыновьями дальний (180 км) автомобильный пробег. В этой поездке смелой автомобилистке приходилось прочищать трубку подачи топлива шляпной булавкой и изолировать электрический провод резиновой чулочной подвязкой.

Несмотря на явные преимущества двигателя внутреннего сгорания, до конца XIX в. паровые и электрические автомобили считались более перспективными, чем газовые и бензиновые. В США, например, из выпущенных к 1899 г. механических экипажей 40 % составляли «паромобили», 38 % — «электромобили» и лишь 22 % — «бензиномобили». К1905 г. положение изменилось: автомобилей с двигателями внутреннего сгорания стало 70 %, а доля электрических и паровых двигателей уменьшилась до 30%. К 1920 г. экипажи на паровой и электрической тяге стали большой редкостью.

Ч

тобы увеличить скорость автомобиля, нужно было повысить мощность двигателя. Сделать это оказалось непросто. При увеличении диаметра поршня или длины его хода значительно возрастала масса двигателя. Конструкторы пошли по другому пути: начали использовать несколько цилиндров вместо одного. В 1891 г. Даймлер построил первый четырёхцилиндровый двигатель.

Схема работы ДВС.

П

ервый двигатель, работавший на светильном газе, изобрёл в I860 г. французский механик Этьен Ленуар (1822—1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы, в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндр с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял 0,04, т. е. лишь 4 % теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96 % уходили с отработанными газами, нагревали корпус и т. п. Ненадёжно работали свечи и выпускной золотник, для охлаждения двигателя его снабдим трубками водяного охлаждения змеевикового типа. Для этого требовалось очень много воды (около 120 м3 в час). В 1901 г. инженеры фирмы «Мерседес» разработали трубчатый, или сотовый, водяной радиатор, ставший привычной деталью передней части автомобиля.

В 1862 г. французский инженер Альфонс Бо де Роша (1815—1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось предварительное сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо де Роша не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832—1891). Над его конструкцией изобретатель напряжённо трудился 15 лет и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых

Вот рабочий цикл четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания:

А. Впуск рабочей смеси. Поршень (4) перемешается вниз; через впускной клапан (1) в цилиндр поступает горючая смесь. Б. Сжатие. Поршень (4) перемешается вверх; впускной (1) и выпускной (3) клапаны закрыты; давление в цилиндре и температура рабочей смеси повышаются. В. Рабочий ход (горение и расширение). В результате искрового разряда свечи зажигания (2) происходит быстрое сгорание смеси в цилиндре; давление газов при сгорании воздействует на поршень (4); движение поршня передаётся через поршневой палеи (5) и шатун (6) на коленчатый вал (7), заставляя вал вращаться. Г. Выпуск газов. Поршень (4) движется вверх; выпускной клапан (3) открыт; отработавшие газы из цилиндра поступают в выпускной трубопровод и дальше в атмосферу.

Чтобы жидкое топливо в двигателе сгорало оно должно быть хорошо распылено и смешано с воздухом так называемая рабочая смесь. Эту задачу решает карбюратор (от фр. carburer — «обогащать углеродом»). Изобретатели не сразу нашли наилучший способ распыления. Так, в одном из первых карбюраторов бензин разбрызгивался щётками, потому его и назвали щёточным. Карбюратор Бенца получил название барботажного (от фр. barbotage — «перемешивание»): через бензин в баке пропускался воздух, разбрызгивающий горючее. Существовали также фитильные карбюраторы, от которых вскоре пришлось отказаться, поскольку фитили иногда затягивало в цилиндр. Но сегодня для образования рабочей смеси топливо чаще распыляют под давлением. Оно впрыскивается либо во впускные каналы (многоточечный впрыск), либо в общую, перед каналами, впускную трубу, или коллектор (одноточечный впрыск), либо прямо в цилиндр (непосредственный впрыск). Согласует работу системы микропроцессор. Для распыления топлива служат форсунка (от англ. force — «нагнетать») или инжектор.

Турбонаддув.

П

роисходят изменения в конструкции отдельных узлов двигателя, позволяющие сделать их работу более экономичной и эффективной. Например, всё чаще используется система турбонаддува, или — в просторечии — турбо. Чем больше кислорода поступает в цилиндры двигателя, полнее сжигается топливо, тем баз высокую мощность можно получи. Воздух в цилиндры нагнетает центробежный насос, на работу котор затрачивается часть мощности двигателя. В системе турбонаддува эти траты исключены. Здесь используется энергия отработавших газов. С вращают миниатюрную газовую турбину, от которой и работает насос.

Развитие реактивных двигателей.

Еще одна разновидность двигателей внутреннего сгорания это реактивные двигателя. Сейчас я о них и расскажу.

Идея реактивного двигателя, как и многие технические идеи, положенные в основу современной техники, восходит к древнейшим временам. Важным этапом в развитии идеи реактивного движения явилось предложение употреблять ракеты в качестве двигателя для летательного аппарата. Эта идея была впервые сформулирована русским революционером-народовольцем Н. И. Кибальчичем, который незадолго до казни, в марте 1881 г., предложил схему летательного аппарата (ракетоплана) с использованием реактивной тяги от взрывных пороховых газов.

В

начале XX в. русский ученый К. Э. Циолковский теоретически обосновал возможность осуществления межпланетных полетов с помощью реактивных двигателей.

Идея использования реактивного движения для полетов была осуществлена после создания реактивных и ракетных двигателей. Реактивные двигатели, в которых тяга создается силой реактивного движения струи газов, вытекающих с огромной скоростью из реактивного сопла, делятся на две группы. Первая группа — это бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, т. е. двигатели, в которых сжатие воздуха в камере сгорания обеспечивается за счет динамического напора воздуха. Наиболее типичными среди них являются так называемые прямоточные двигатели. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели используют в качестве окислителя атмосферный воздух. Идея воздушно-реактивных двигателей не раз выдвигалась в разных странах, в том числе в России. Но наиболее важными, оригинальными работами в этом отношении являются исследования, проведенные в 1908— 1913 гг. французским ученым Р. Лореном, который, в частности, в 1911 г. предложил ряд схем прямоточных воздушно-реактивных двигателей.

В мае 1939 г. в СССР впервые состоялось испытание ракеты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем конструкции И. А. Меркулова. Это была двухступенчатая ракета (первая ступень — пороховая ракета) со взлетным весом 7,07 кг, причем вес топлива для второй ступени прямоточного воздушно-реактивного двигателя составлял лишь 2 кг. При испытании ракета достигла высоты 2 км.

В 1939—1940 гг. впервые в мире в Советском Союзе проводились летные испытания воздушно-реактивных двигателей, установленных в качестве дополнительных двигателей на самолете конструкции Н. Н. Поликарпова. В 1942 г. в Германии испытывались прямоточные воздушно-реактивные двигатели конструкции Э. Зенгера.

Однако применение прямоточных воздушно-реактивных двигателей достаточно эффективно лишь в условиях, когда обеспечена большая скорость полета самолета — сверхзвуковая скорость, при которой воздух будет врываться в камеру сгорания двигателя под сравнительно большим давлением. Поэтому конструкторы ряда стран ведут в настоящее время интенсивную работу в направлении усовершенствования этих двигателей.

В

развитии реактивных двигателей основное значение имеет другая группа воздушно-реактивных двигателей — турбореактивные двигатели.

В турбовинтовых двигателях имеется газовая турбина, которая приводит в движение компрессор, нагнетающий воздух в камеру сгорания (помимо сжатия поступающего воздуха от скоростного напора), а отходящие газы используются для реактивной тяги. Если четыре такта в цилиндре поршневого двигателя чередуются во времени, то процессы, происходящие в турбокомпрессорном реактивном двигателе, чередуются в пространстве. Над изобретением турбореактивного двигателя много работали русские ученые. В 1909 г. проект турбореактивного двигателя был разработан инженером Н. Герасимовым. В 1914 г. лейтенант русского морского флота М. Н. Никольской сконструировал и построил модель турбовинтового авиационного двигателя. Рабочим телом для приведения в действие трехступенчатой турбины служили газообразные продукты сгорания смеси скипидара и азотной кислоты. Турбина работала не только на воздушный винт: отходящие газообразные продукты сгорания, направленные в хвостовое (реактивное) сопло, создавали реактивную тягу дополнительно к силе тяги винта. Большой интерес представляет конструкция авиационного турбо-компрессорного реактивного двигателя В. И. Базарова, разработанная в 1924 г. Эта авиационная газотурбинная установка (со сгоранием топлива при постоянном давлении) состояла из трех элементов: камеры сгорания, газовой турбины, компрессора. Поток сжатого воздуха здесь впервые делился на две ветви: меньшая часть шла в камеру сгорания (к горелке), а большая подмешивалась к рабочим газам для понижения их температуры перед турбиной. Тем самым обеспечивалась сохранность лопаток турбины. Мощность многоступенчатой турбины расходовалась на привод центробежного компрессора самого двигателя и отчасти на вращение воздушного винта. Дополнительно к винту тяга создавалась за счет реакции струи газов, пропускаемых через хвостовое сопло.

Жидкостно-реактивные двигатели имеют особое значение для создания ракет и ракетных снарядов. Ракетное оружие широко использовалось во время второй мировой войны. Особую известность получили советские реактивные минометы «катюши».

настоящее время уделяется огромное внимание совершенствованию авиационных реактивных двигателей. На разных скоростях полета используются разные типы двигателей, причем величина их мощности зависит как от термического, так и от тягового КПД, т. е. от того, как полученная от сгорания топлива механическая энергия преобразуется в энергию движения самолета.

Преимущества современного реактивного двигателя перед поршневым видны из следующих данных. Если взять, например, реактивные самолеты с силой тяги в 4300 кг, то при скорости полета в 1100 км/час это тяговое усилие равноценно мощности поршневого двигателя в 35 тыс. л. с, весящего 14 т, что примерно в 3—4 раза больше веса реактивного двигателя.

Представляет интерес созданный во второй половине 50-х годов английский турбореактивный двигатель «Джирон» для самолетов со скоростями, превышающими скорость распространения звука. Двигатель имеет силу тяги в 6800 кг (15 000 фунтов), причем предполагается увеличить ее до 8000 кг без превышения существующих -пределов уровня температуры на входе в турбину. Большое внимание при этом уделяется эффективности забора воздуха.

Считают, что на сверхзвуковых истребителях очень выгодна установка одновременно двух двигателей разного типа: одного турбореактивного и одного ракетного, поскольку такая комбинация позволяет повысить летные качества самолета на высотах 18 км и более.

Большое разнообразие строящихся и применяемых двигателей является характерной чертой технического прогресса в авиастроении последних лет.

Заключение.

В своей работе я рассмотрел роль двигателей в науке и мировом прогрессе. Двигатели способствовали резкому толчку в развитии промышленности, автостроению, мостостроению, авиастроению, что было абсолютно ново для того времени.

Строение двигателей постоянно усложнялось, свидетельствуя о совершенствовании и ”укреплении” человека в науке. Но принцип работы двигателей даже сейчас в эпоху, машин и компьютеров, остается прежним, говоря об определенном “совершенстве в строении разных изобретений”. Двигателя стали основой жизни человека.

Если сравнивать разные виды двигателей в мировом прогрессе, то их роль открывается в каких-то определенных отраслях науки и техники. Например паровые машины полностью перевернули промышленность того времени. Из-за их сферы применения: в шахтах, рудниках (для откачки воды), и на фабриках (для приведения в работу различных видов станков). Других устройств для этих целей в XIII веке не было. Но Уаттовские машины стали постепенно уходить со сцены науки и техники. Из-за своей громоздкости, низкого КПД, и просто не «удобного» топлива для долгого времени использования. Приходила пора более практичных, экономичных, не требующих какого-то особенного вида топлива устройств, как электродвигателя. Электродвигатели, на мой взгляд, в первую очередь повлияли на жизнь и быт людей. Ведь электродвигатели не только переводят электрическую энергию в механическую, но и наоборот. Служат человечеству как генераторы электроэнергии. А та в свою очередь применяется во всех сферах деятельности человека. Они постепенно стали заменять паровые машины на фабриках и заводах. Медленность смены паровых машин электродвигателями был связан с тем, что не была развита передача электроэнергии на расстояния того времени. Но и такие устройства как паровые машины и электродвигатели не давали полным образом человеку подвижности и коммуникабельности. Для этих целей и был изобретен двигатель внутреннего сгорания, универсальный и работающий именно на жидком топливе. Область применения ДВС не заканчивается только на средствах передвижения, - это разнообразные дизельные электрогенераторы, бензопилы, авиамодели и д.р. Первые ДВС не пользовались большим успехом до конца XIX века. Это было связано с тем что люди в тот промежуток времени были очень верующими, и боялись «шумящих монстров» передвигающимися по улицам городов. По этой цели компании Мерседес и Даймлер проводили испытания своих машин только в ночное время. Но ДВС набрали своего доверия и развиваются и применяются до сегодняшнего дня.

Мир меняется, меняется ритм жизни, но только двигателя без сбоев продолжают движения мира. В каждой машине, станке, устройстве есть гудящее “железное сердце”, подаренное миру великими учеными. Они постоянно совершенствуется, меняется, модернизируется.

Это говорит о простоте, но в тоже время о совершенстве изобретенных двигателей.

Двигатели когда-то были “впереди планеты всей”, а сейчас довольствуется ролью массовки. Но без этой массовки невозможно было изобретения машин и станков, развития всего человечества.

Наука шагает по миру размашисто и неспешно, а в груди её бьётся мотор – в прямом смысле этого слова.

Список литературы.