Помоги проекту - поделись книгой:
В начале XVII в. в Нидерландской войне и в Тридцатилетней войне 1618–1648 годов происходили массовые перемещения войск на местности. Для их обеспечения требовалось детальное изучение ландшафта для составления карт. Особое внимание уделялось условиям проходимости местности для больших подразделений пехоты, кавалерии и артиллерии. В связи с этим в обязанность военных инженеров вменялось также делать съемки и рекогносцировку местности в топографических масштабах.
Поскольку было необходимо, чтобы военные карты имели хорошие измерительные свойства, уже в 1540–1570-х годах на картах, созданных военными инженерами, указывался масштаб. Первой картой, где строго соблюдался масштаб, считается план города Имола, составленный Леонардо до Винчи во время его службы у Чезаре Борджа в 1502–1504 годах.
Николо Тарталья в своей книге, изданной в 1546 г., отмечал важность угловых измерений для составления военных карт. Он описал компас с визирами, приспособленный для угловых измерений.
Исследованием отдельных картографических проекций в XVIII в. занимались математики Лагранж и Эйлер. Развитие военной картографии и увеличение объема топографических работ требовали создания математической основы крупномасштабных карт и введения системы прямоугольных координат. Для этого потребовалась новая картографическая проекция. Это привело К. Гаусса к созданию геодезической проекции.
Современные географические карты – плод тысячелетних трудов людей разных профессий: купцов, моряков, математиков, астрономов, инженеров, географов.
Гидравлический пресс
Появление крупных паровых молотов выявило ряд недостатков, затруднявших их технологическое использование и эксплуатацию. Прежде всего, это проявилось в сильных ударах, сотрясающих почву, что стало опасным для целостности окружающих кузнечные цеха строительных сооружений, производственных построек и самих паровых молотов.
Перед инженерами и конструкторами встала задача создать принципиально новое кузнечное оборудование, свободное от указанных недостатков. Научно-техническая мысль пошла по пути конструирования кузнечных машин для обработки металлов давлением статического (неударного) действия. В результате были созданы гидравлические прессы, буквально перевернувшее кузнечное производство.
Появление гидравлических прессов относится к концу XVIII в. Их работа основана на законе Паскаля, гласящем, что внешнее воздействие на жидкость распространяется равномерно во все стороны. В 1795 г. английский механик Дж. Брама, владелец крупного машиностроительного предприятия в предместье Лондона Пимлико, взял патент на гидравлический пресс, предназначенный для выполнения различных тяжелых работ. Пресс состоял из большого и прочного цилиндра с поршнем внутри. Цилиндр сообщался с нагнетательным насосом. Вода перегонялась в цилиндр, постепенно приподнимая поршень. В процессе работы над прессом изобретатель разрешил ряд сложных технических проблем. Одна из них состояла в обеспечении герметичности между поршнем и стенками цилиндра. При действии поршня вода в больших количествах просачивалась через зазор в другую часть цилиндра, не обеспечивая нужного давления. Эту задачу помог разрешить Браме его сотрудник, будущий известный изобретатель и машиностроитель Г. Модели. Он предложил уплотнение поршня в виде самоуплотняющегося манжета, без которого гидравлический пресс фактически не мог действовать. Для этого Модели поставил кольцеобразный вкладыш из крепкой кожи, выпуклый сверху и вогнутый снизу. При заполнении цилиндра водой под высоким давлением края кожаного манжета раздвигались, плотно прижимаясь к поверхности цилиндра, и закрывали собой зазор.
Построенный Дж. Брамой пресс вначале использовался для перемещения и подъема тяжелых металлических конструкций. Так, Дж. Стефенсон применил его для поднятия гигантских конструкций строящегося через реку Темзу Британского моста. Каждый пресс воспринимал на себя нагрузку в 1114 тонн. С помощью гидравлического пресса Брамы был спущен на воду крупный пароход «Great Easten». Пресс применяли для разрезания железных полос, вытаскивания плотинных свай, корчевания деревьев и выполнения других работ, требующих сверхмощных механизмов.
В конце XVIII – начале XIX в. гидравлический пресс применялся в сельском хозяйстве для пакетирования сена, получения виноградного сока, отжима масла.
В 1797 году Дж. Брама выдвинул идею применения гидравлического пресса для изготовления свинцовых труб путем продавливания металла через кольцевидное отверстие матрицы.
Однако практическая реализация этого проекта была осуществлена другим инженером, Т. Бурром, построившим в 1820 г. гидравлический пресс для прессования свинцовых труб. На конце плунжера располагался пресс-штемпель, диаметр которого был немного меньше внутреннего диаметра контейнера. Это было необходимо для того, чтобы пресс-штемпель мог свободно перемещаться в контейнере. На торце пресс-штемпеля укреплялась стержневидная оправка или игла, диаметр которой соответствовал внутреннему диаметру прессуемой трубы. Внешний диаметр свинцовой трубы определялся диаметром матрицы. Перед прессованием пресс-штемпель опускался в крайнее нижнее положение, затем в контейнер заливался жидкий свинец. После застывания металла в верхней части контейнера устанавливалась матрица, ввинчивающаяся в специальное гнездо с нарезкой. Процесс прессования начинался с подъема плунжера и связанного с ним пресс-штемпеля, в результате чего в контейнере создавалось гидростатическое давление, значительно повышающее пластичность металла. В результате из контейнера выпрессовывалась бесшовная свинцовая труба с заданными значениями внешнего и внутреннего диаметров. Этот метод получил впоследствии название метода прямого прессования.
Т. Бурр впервые доказал возможность и перспективность гидравлического пресса для обработки металлов и сплавов. Теперь к гидравлическому прессу приковано внимание металлургов – технологов, стремившихся использовать возможности нового технического средства в различных производствах. К середине XIX в. определились два основных направления применения гидравлического пресса: первое – для продавливания (экструдирования) металла из контейнера пресса через матрицу и второе – для изменения формы металлической заготовки путем воздействия на нее бойков и штампов пресса.
В основу процесса экструдирования положено свойство металла повышать пластичность при высоком гидростатическом давлении. До 90-х годов XIX в. метод экструзии применяли исключительно для обработки высокопластичных металлов – свинца, олова и их сплавов. Полуфабрикатами для экструдирования служили трубки и прутки. С 70-х годов XIX в. возникает новая область использования экструзионных прессов – электрокабельное производство. В 1879 г. французский инженер Барелл сконструировал гидравлический пресс для наложения свинцовой оболочки на электрический кабель, что позволило соединить страны и континенты телефонными и телеграфными кабелями. Разработанный Барелл ом способ наложения защитной оболочки на электрические кабели сохранился до сих пор.
Развитие процесса экструдирования побудило инженеров-металлургов перенести полученный опыт на прессование труднодеформируемых металлов. Особенно большой спрос был на трубы из меди и ее сплавов. Впервые проблему прессования медных труб и прутков осуществила в 1893 г. фирма «Троус Коппер Компани», построившая специальный пресс высокого давления. Для прессования применяли нагретую до температуры 850 °C медную заготовку. Ее помещали в вертикальный контейнер гидравлического пресса. Затем сверху в контейнер опускался плунжер, соединенный с гидросистемой пресса, который прошивал заготовку в центре. При этом металл выпрессовывался вверх, образуя короткий полый цилиндр. Так появился обратный метод прессования металла.
Прессование стало важной областью обработки металлов давлением. С 40–50-х годов XIX в. предпринимались попытки использовать гидравлический пресс для ковочно-штамповочных работ. В 1851 г. гидравлический ковочный пресс экспонировался на Международной промышленной выставке в Лондоне. Этот пресс, снабженный четырьмя гидравлическими цилиндрами, обеспечивал давление в 1500 тонн и предназначался для штамповки небольших предметов малой толщины.
Начало промышленному применению гидравлических прессов положил английский инженер, директор мастерских государственных железных дорог в Вене Дж. Газвелл. Предприятие было расположено в черте города, вблизи жилых построек, и установка на нем парового молота оказалась невозможной. Газвелл спроектировал пресс, который в 1859–1861 гг. был изготовлен и установлен в железнодорожных мастерских. Этот пресс обслуживался мощной паровой машиной двойного действия с горизонтальными цилиндрами диаметром 1200 миллиметров. Благодаря значительной разнице между диаметрами парового и гидравлического цилиндров, удалось создать высокое давление – 400 атмосфер. Вода насосами накачивалась в рабочий цилиндр пресса, плунжер которого приводил в действие подвижную траверсу с укрепленным на ней верхним бойком или штампом. Движение подвижной траверсы направлялось четырьмя массивными колоннами. Подъем траверсы осуществлялся штангой, связанной с поршнем небольшого гидравлического цилиндра, расположенного над прессом.
Стол пресса Газвелла был снабжен наковальней, которую при необходимости можно было менять. Управление прессом производилось вручную при помощи рычагов. Пресс мог осуществлять периодическое и непрерывное давление с различной скоростью. Он предназначался для штамповки паровозных деталей.
Первые построенные Газвеллом гидравлические прессы были мощностью 700, 1000, 1200 тонн. Позже были изготовлены более крупные прессы. Они успешно демонстрировались на Всемирных промышленных выставках в Лондоне (1862 г.) и в Вене (1873 г.).
Для того чтобы увековечить выдающееся изобретение Газвелла, чертежи его первых прессов были переданы на хранение в консерваторию искусств в Вене.
Пресс Газвелла предназначался для штамповки деталей. Поэтому во второй половине XIX в. велась работа над созданием специального гидравлического пресса для ковки слитков. Основоположником этого направления стал английский инженер и предприниматель Дж. Витворт. В 1865 г., ознакомившись с работами Газвелла, он применил гидравлический пресс для прессования жидкой стали с целью получения однородного беспузырчатого слитка. Продолжая исследования в области прессования, Витворт стремился использовать гидравлические прессы для получения необходимых полуфабрикатов и готовых изделий непосредственно из слитков.
В 1875 г. Витворт запатентовал во Франции гидравлический пресс. Он состоял из 4 колонн, укрепленных в фундаментной плите. На верхней части колонн располагалась неподвижная траверса с двумя гидравлическими подъемными цилиндрами. Они перемещали вверх и вниз подвижную траверсу, в нижней части которой был установлен штамп.
Оригинальность этого изобретения состояла в том, что были соединены подвижная траверса, несущая гидроцилиндр, и приспособление для быстрого подъема, спуска и установки траверсы в нужном положении. Такая компоновка при коротком ходе поршня позволяла обрабатывать изделия различной высоты. В прессе был предусмотрен механизм для поворачивания заготовки, что помогало более равномерно обрабатывать заготовки по всему объему.
Пресс Витворта впервые был применен для ковки слитков в 1884 г. Тогда ковка орудийных стволов велась при помощи паровых молотов. С появлением пресса Витворта они стали отходить на задний план. Преимущества гидравлических прессов перед паровыми молотами были бесспорны. Так, для ковки орудийного ствола из слитка массой 36,5 тонн на 50-тонном паровом молоте требовала 3 недели работы и 33 промежуточных нагрева слитка. Использование гидравлического пресса для ковки слитка массой 37,5 тонн сократило срок ковки до 4 дней при 15 промежуточных нагревах.
Прессы Витворта широко применялись не только для ковки слитков, но и в производстве броневых плит, изготовлении стволов артиллерийских орудий, крупных валов. Они выпускались мощностью 2000, 5000 и 10 000 тонн. Крупнейшим был пресс мощностью 14 000 тонн, установленный в 1893 г. на Вифлеемском заводе в США. Для привода этого пресса применялись паровые двигатели мощностью 16 000 л. с. Колонны пресса, поддерживающие верхнюю траверсу, располагались на расстоянии 4,4 м друг от друга. Пресс имел два гидравлических цилиндра диаметром 1270 мм. Ход поршня составлял 1430 мм.
В конце XIX в. происходила замена тяжелых паровых молотов гидравлическими ковочными прессами. В 1893 г. был демонтирован 125-тонный молот на Вифлеемском заводе в США. Завод Круппа в Эссене заменил 75-тонный паровой молот 2000-тонным прессом. Отказался от 108-тонного молота завод в Терни (Италия), установив вместо него 4500-тонный пресс.
К концу 20-х – началу 30-х годов XX в. в Германии создаются новые конструкции тяжелых гидравлических прессов. В 1930 г. был построен самый крупный на то время гидравлический штамповочный пресс мощностью 6300 тонна-сил (61,8 МПа) для изготовления авиационных деталей из легких сплавов. В 1931 г. в Германии же были построены два штамповочных пресса мощностью 15 000 тонна-сил (147 МПа). В 1939 г. французские машиностроители строят пресс мощностью 20 000 тонна-сил (196 МПа).
Среди наиболее важных усовершенствований, повысивших эффективность работы прессов, следует отметить введение в схему привода мультипликатора (от латинского «умножающий», «увеличивающий»). Мультипликатором служил паровой цилиндр. Он устанавливался в верхней части пресса. Его поршень при помощи штока соединялся с гидравлическим цилиндром. Для того чтобы произвести нажатие на поковку, в верхнюю часть мультипликатора впускался пар под давлением 6–10 атм. За счет введения мультипликатора можно было довести рабочее давление до 600 атм.
Прессы, оснащенные мультипликатором, получили название парогидравлических. Их стоимость по сравнению с чисто гидравлическими, оснащенными насосами и аккумуляторами высокого давления, была значительно ниже. Но эксплуатация парогидравлических прессов сопряжена с большим расходом пара.
У гидравлического пресса с насосным приводом в отличие от парогидравлического есть возможность осуществлять непрерывный рабочий ход. У гидравлического пресса с аккумулятором сеть, подводящая воду, постоянно находится под высоким давлением (250–300 атм). Установка с мультипликатором имеет более короткую сеть, находящуюся под давлением лишь во время рабочего хода. Это позволило увеличить давление воды до 400–600 атм. Такое высокое давление позволило значительно уменьшить диаметр рабочих цилиндров парогидравлических прессов, сделав их более компактными и дешевыми.
Интенсивное развития серийного и массового производства автомобилей в 40–50-е годы XX в. вызвало рост удельного веса процессов объемной и листовой штамповки. А применение прессовых кузнечных машин подняло эти процессы на более высокий уровень. На автомобильных и тракторных заводах стала использоваться высокопроизводительная горячая штамповка в многоручьевых штампах. В автомобильной, тракторной, вагоностроительной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности широкое применение нашла листовая холодная штамповка.
Распространение штамповки повысило эффективность производства по сравнению с ковкой за счет увеличения производительности и за счет значительной экономии металла.
В 50-е годы XX в. в СССР были разработаны мощные гидравлические штамповочные прессы. На Уральском заводе изготовили 2 гидравлических пресса усилием 294 МН. Новокраматорский машиностроительный завод (НКМЗ) в 1960 г. выпустил уникальные штамповочные прессы 735 МН. Для их изготовления была применена принципиально новая технология соединения основных элементов пресса: станина и поперечины были собраны из катаных и кованых плит, соединенных электрошлаковой сваркой.
В 1976 г. НКМЗ изготовил для Франции пресс усилием 637 МН. В его конструкцию были внесены некоторые усовершенствования по сравнению с прессами 735 МН. Они обеспечили большую жесткость конструкции.
Кроме ковки, гидравлические прессы широко применяются для прессования металлов экструдированием. После создания в 1894 г. А. Диком экструзионного гидравлического пресса высокого давления процесс прессования получил распространение на предприятиях цветной металлургии. Прессование применялось для обработки пластичных металлов и сплавов – меди, латуни, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, медно-никелевых сплавов и других материалов.
В XX в. прессование является составной частью процессов обработки титана, бериллия, новых легких и специальных сплавов. Процесс прессования через матрицу оказался наиболее экономичным для получения профилей, прутков, проволоки и труб из цветных металлов. Он обеспечивает высокую точность параметров изделий.
В процессе развития прессового производства создавались новые виды прессов. Стали применяться вертикальные прессы. Хотя они более сложны в эксплуатации и уступают горизонтальным в мощности, у них есть свои преимущества: низкая стоимость, меньшая площадь, возможность изготовления труб с минимальной разностенностью и малого диаметра. Вертикальные прессы имеют большую производительность и меньшие отходы.
В последние десятилетия процесс прессования применяется для обработки труднодеформируемых материалов – сталей, титановых сплавов, вольфрама и молибдена.
Гидроэлектростанция
Люди очень давно научились использовать энергию воды для того, чтобы вращать рабочие колеса мельниц, станков, пилорам. Но постепенно доля гидроэнергии в общем количестве энергии, используемой человеком, уменьшилась. Это связано с ограниченной возможностью передачи энергии воды на большие расстояния.
С появлением электрической турбины, приводимой в движение водой, у гидроэнергетики появились новые перспективы.
Первой электростанцией трехфазного тока была Лаутенская гидроэлектростанция. На ней были установлены два одинаковых трехфазных синхронных генератора. Фазное напряжение при помощи трансформаторов повышалось с 50 до 5000 вольт. Ее электроэнергия использовалась для питания осветительной сети города Хейльбронна, а также ряда небольших заводов и мастерских. Понизительные трансформаторы устанавливались непосредственно у потребителей. Эта первая в мире промышленная установка трехфазного тока была запущена в эксплуатацию в начале 1892 г. Использование энергии вод в этой установке показало возможность использования гидроресурсов, отдаленных от промышленных центров. С тех пор число гидроэлектрических установок все время возрастает. Например, в 1892 г. H. Н. Бенардос предложил организовать электроснабжение Петербурга путем утилизации энергии Невы на специально построенных электрических станциях (мощностью до 20 000 л. с.). В 1893 г. Н. С. Лелявский разработал схему использования гидроэнергии Днепровских порогов. В. Н. Чиколев, пропагандировавший еще в начале 80-х годов XIX в. использование водяных турбин в качестве первичных двигателей электростанций, в 1896 г. совместно с Р. Э. Классоном построил в Петербурге на р. Охта гидроэлектростанцию и линию электропередач трехфазного тока.
В течение 90-х годов XIX в. гидроэнергия играет все более заметную роль в электроснабжении С каждым годом возрастало число крупных гидроэлектростанций.
В конце XIX в. были сооружены: Рейнфельдская гидроэлектростанция (Германия, 1898 г.) мощностью 16 800 кВт при напоре воды 3,2 м, Ниагарская (США) мощностью 50 тыс. л. с. при напоре 41,2 м, Жонажская (Франция, 1901 г.) мощностью 11 200 л. с. В начале второго десятилетия XX в. были пущены в ход гидроэлектростанции Аугст-Виллен (Германия, 1911 г.) мощностью 44 тыс. л. с., Кеокук (США, 1912 г.) мощностью 180 тыс. л. с. Качество турбинного оборудования было еще недостаточно высоким, КПД колебался в пределах 0,8–0,84. Несовершенными были формы и конструкции гидросооружений, что объясняется недостаточной изученностью вопросов инженерной гидравлики и гидротехники. Поэтому некоторые ГЭС, построенные в эти годы, в последующем подверглись более или менее серьезной реконструкции.
В дореволюционной России гидроэлектростанций было мало. Первой была установка на Охтинском заводе в Петербурге мощностью 350 л. с. (1896 г.). Кроме того, действовали ГЭС «Белый уголь» на р. Подкумок (1903 г.) мощностью 990 л. с., напряжением 8000 В, Гиндукушская ГЭС (1909 г.) на р. Мургаб, мощностью 1 590 л. с. Кроме того, действовали несколько более мелких по мощности (Сашнинская, Аллавердинская, Тургусунская, Сестрорецкая и др.). Общая мощность гидростанций дореволюционной России составляла 8000 кВт.
Рассмотрим основные виды ГЭС.
На некоторые ГЭС в турбинных блоках сделали отверстия для холостых сбросов паводковых вод и подведения воды к турбинам. Эти ГЭС называются совмещенными. В гидроэлектростанциях встроенного типа агрегаты размещаются в теле бетонной плотины, так что необходимость сооружения особого машинного здания отпадает.
На современных средних и крупных гидроэлектростанциях, а также на многих мелких ГЭС широко применяются методы автоматики и телемеханики, причем на некоторых ГЭС полностью автоматизированы пуск, регулирование, управление и остановка агрегатов, а также управление затворами гидросооружений и напорных водотоков. Эти операции могут производиться телемеханически, т. е. диспетчерским персоналом пунктов управления. Многие ГЭС работают без персонала, управляются на расстоянии (например, с другой станции каскада либо с диспетчерского пункта). На отдельных автоматизированных ГЭС управление и поддержание нужного режима работы осуществляются при помощи автооператоров, выполняющих свои функции по заранее намеченным для них планам и графикам. На полностью автоматизированных ГЭС, управляемых дистанционно или посредством автооператоров, надзор за оборудованием осуществляется путем периодических инспекторских осмотров ГЭС. При какой-либо аварии подается сигнал дежурному для восстановления нормального режима работы ГЭС.
Достоинства и преимущества гидроэлектростанций по сравнению с тепловыми электростанциями весьма значительны и состоят прежде всего в том, что ГЭС экономят топливо, рационализируют топливный баланс, содействуют экономическому развитию районов, не обеспеченных достаточными топливными ресурсами. Конструкция агрегатов гидроэлектрических станций проще, чем агрегатов тепловых электрических станций, а процесс производства электрической энергии на гидростанциях значительно менее сложен, чем на тепловых станциях.
Работа гидроэлектростанции не связана с таким количеством отходов, как работа ТЭС. Строительство гидроэлектростанций приводит к рациональному решению не только энергетической проблемы, но и ряда иных проблем, имеющих большое значение. Среди них– проблемы судоходства, ирригации и мелиорации земель, водоснабжения, рыбного хозяйства и очень важная проблема преобразования природы.
Опыт эксплуатации первых гидроэлектростанций показал, что они имеют большую маневренность, хорошую надежность работы и малые эксплуатационные расходы, не требуют многочисленного обслуживающего персонала и допускают полную автоматизацию процесса производства электроэнергии с весьма широкими возможностями телеуправления. Современные гидравлические турбины обладают КПД, доходящим до 0,93. Энергия, производимая гидроэлектростанциями, дешевле, чем электроэнергия, доставляемая тепловыми электростанциями.
В техническом и эксплуатационном отношениях очень важно, что гидроэлектрические установки обладают большой маневренностью. Эта особенность гидроагрегатов имеет существенное значение для крупных энергетических систем, так как резкий прирост нагрузки, в том числе при аварийных сбоях в системе, можно быстро компенсировать включением резервных гидроагрегатов. Таким образом, гидроагрегаты оказались очень удобными для покрытия пиков нагрузки в системах, в которых работают как тепловые, так и гидравлические станции.
Недостатком гидравлических станций является их «локальность», т. е. возможность эффективного строительства гидростанций только в относительно немногих районах. Эта локальность преодолевается передачей энергии на расстояние электрическим током, однако в некоторых случаях транспорт энергии путем перевозки топлива экономически эффективнее, особенно при применении нефтепроводов и газопроводов. Первоначальные затраты на сооружение ГЭС выше, чем на тепловые электростанции.
Большим недостатком равнинных ГЭС является отчуждение земель, затопляемых водохранилищем. Постепенно происходит размывание берегов искусственных водоемов, их заиливание, нарушение экологического равновесия в зоне водохранилищ.
Двигатель внутреннего сгорания
Создатели первых двигателей внутреннего сгорания отталкивались от конструкции паровой машины. Еще в 1860 году французский механик Этьен Ленуар построил газовый двигатель, напоминавший паровую машину. Он работал на смеси светильного газа и воздуха. Для зажигания служили две электрические свечи, ввернутые в крышки цилиндра. Двигатель Ленуара – двусторонний (или, как принято говорить, двойного действия; рабочий процесс происходит с двух сторон поршня) и двухтактный, т. е. полный цикл работы поршня осуществляется за два хода. При первом ходе происходят впуск, воспламенение и расширение смеси в цилиндре (рабочий ход), при втором ходе – выпуск отработавших газов. Впуском и выпуском управляет задвижка-золотник, а золотником – эксцентрик, смонтированный на валу двигателя.
В отличие от паровых двигателей, газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было сложно. Но масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только половина теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание становилось ненадежным, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 м3 воды в час. Температура газа доходила до 800 °C. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.
Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см2, а к концу рабочего хода снижалось втрое. Одноцилиндровый двигатель объемом 2 л при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 мог развивать мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель был в тысячу раз менее производителен, чем двигатель нынешнего автомобиля.
Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году служащему коммерческой фирмы Николаю-Августу Отто из Кёльна совместно с Евгением Лангеном.
Полученный Отто патент был в 1889 году аннулирован, так как четырехтактный цикл якобы обосновал ранее француз Л. Бо-де-Роша. Лишь посмертно заслуги Отто признала мировая техническая общественность, цикл назвали его именем.
Наблюдая работу газового двигателя, Отто пришел к выводу, что сможет добиться более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда бы давление газа при сгорании смеси действовало на поршень в течение всего хода. Для наполнения цилиндра смесью до начала хода Отто поступил следующим образом: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание лишь в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси задало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.
Отто понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, равным 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и соответственно двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому принципу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей.
Итак, при первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» – головки цилиндра, создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. Третий такт – рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через шатун преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное закрыто.
Инерции маховика хватает на то, чтобы поршень совершил еще три хода, повторяя четвертый, первый и второй такты. После них вал и маховик снова получают импульс. При пуске двигателя первые два такта происходят под действием внешней силы. Во времена Отто и еще в течение полувека маховик проворачивали вручную, а теперь его вращает электродвигатель – стартер. После первых рабочих ходов стартер автоматически отключается и двигатель работает самостоятельно.
Впускное и выпускное отверстия открывает и закрывает распределительный механизм. Своевременное воспламенение смеси обеспечивает система зажигания. Цилиндр может быть расположен горизонтально, вертикально или наклонно, процесс работы двигателя от этого не меняется.
К недостаткам двигателя Отто относят его тихоходность и большую массу. Увеличение числа оборотов вала до 180 в минуту приводило к перебоям в работе и быстрому износу золотника. Давление в цилиндре требовало мощного кривошипного механизма и стенок цилиндра, поэтому масса двигателя достигала 500 кг на 1 кВт/ч. Для размещения всего запаса газа нужен был огромный резервуар. Все это предопределило неудачу: газовый двигатель Отто, так же как и первый его вариант, был непригоден для установки на автомобиль, однако получил широкое распространение в стационарных условиях.
Двигатель внутреннего сгорания стал пригодным для применения на транспорте, после того как изобрели жидкое топливо, он приобрел быстроходность, компактность и легкость.
Наибольший вклад в его создание внесли технический директор завода Отто в Дойце Г. Даймлер и его ближайший сотрудник В. Майбах, позднее основавшие собственную фирму.
Поначалу Даймлера увлекало конструирование машины. Потом возникла мысль о постройке второго, третьего вариантов машины, исходя из опыта работы над предыдущей, и о ее продаже.
Но прежде чем конструировать и строить самодвижущуюся повозку, нужно было создать для нее двигатель.
Первый двигатель Даймлера годился и для транспортного, и для стационарного применения. Работал на газе и на бензине. Все позднейшие конструкции Даймлера рассчитаны исключительно на жидкое топливо. Скорость вращения вала двигателя, обеспечиваемую, в частности, интенсивным воспламенением смеси, Даймлер справедливо считал главным показателем работы двигателя на транспортной машине. Скорость вращения вала двигателя Даймлера была в 4–5 раз выпе, чем у газовых двигателей, и достигала 450–900 об/мин, а мощность на 1 л рабочего объема – вдвое больше. Соответственно могла быть уменьшена масса. Появился закрытый картер (кожух) двигателя, заполненный смазочным маслом и защищавший подвижные части от пыли и грязи. Охлаждению воды в окружающей двигатель «рубашке» способствовал пластинчатый радиатор. Для пуска двигателя служила заводная рукоятка. Теперь имелось все необходимые составляющие для создания легкого самодвижущегося экипажа – автомобиля.
Первые двигатели Бенца имели скорость вращения вала, не превышающую 400 об/мин. Кривошипный механизм был открытым, как у стационарных двигателей. Электрическое зажигание в двигателе было сходным с зажиганием современных двигателей.
Было сложно наращивать мощность двигателя: увеличение диаметра цилиндра влекло за собой возрастание сил, действующих на его стенки и на детали кривошипного механизма. А при увеличении длины хода поршня росли размеры кривошипа, и цилиндр было трудно разместить на автомобиле. Все это влекло за собой увеличение массы двигателя.
И у конструктора возникла мысль увеличить количество цилиндров. Даймлер сконструировал двухцилиндровые (V-образными) двигатели. В 1891 г. он построил первый 4-цилиндровый двигатель.
Количество цилиндров обеспечивало не только компактность двигателя при увеличении его мощности, но и обеспечивало плавность хода. Вместе с тем возрастала сложность конструкции двигателя.
К концу XIX в. 1-, 2-, 4-цилиндровые двигатели выпускались многими фирмами. Каждая фирма стремилась сделать свои цилиндры взаимозаменяемыми. Это позволило бы наладить массовое производство и упростить замену в случае повреждения. Головку цилиндра пытались сделать съемной, но трудно было обеспечить герметичность зазора. Тогда цилиндры стали отливать заодно с головкой, а для доступа к клапанам делали лючки с пробками. Рубашка водяного охлаждения была съемной.
Важную роль в двигателе играла система распределения, наполняющая цилиндры горючей смесью и очищающая их от газов. У первых двигателей впуск смеси в цилиндр осуществлялся автоматическим клапаном на стержне. Он открывался благодаря разрежению в цилиндре при впуске смеси, а все остальное время удерживался в закрытом положении пружиной и давлением в цилиндре. Выпускной клапан управлялся при помощи эксцентрика. Увеличение числа цилиндров привело к созданию кулачкового вала с приводом от коленчатого вала. В нужный момент кулачки приподнимали стержни клапанов, а при дальнейшем движении кулачка пружина удерживала клапан закрытым.
Хотя автомобильный двигатель можно охлаждать и потоком встречного воздуха, более эффективным оказалось водяное охлаждение. Долгое время были популярны змеевиковые радиаторы, часто опоясывавшие капот двигателя. В 1901 г. на «мерседесе» впервые был установлен сотовый радиатор с большой поверхностью охлаждения. В конце XIX в. появились водяные насосы, вращавшиеся от коленвала. Для продувки воздуха через радиатор применили радиатор.
Смазка двигателя осуществлялась при помощи разбрызгивания. Черпачки на нижних головках шатунов взбалтывали масло в картере и смазывали им цилиндры и подшипники.
Для распыления бензина применялись хитроумные приспособления, такие как карбюратор Маркуса. Его работа напоминала процесс стряхивания краски со щетки. А во взбалтывающем карбюраторе Бенца воздух проходил через бензин в баке. По мере расходования бензина смесь становилась беднее.
В конце концов остановились на карбюраторе, работавшем по принципу пульверизатора. Пульверизационный карбюратор Бенца и Майбаха состоял из поплавковой и смесительной камер. В поплавковой камере автоматически поддерживался постоянный уровнень топлива. Благодаря разрежению бензин выходил из жиклера смесительной камеры распыленной струей. Схожая конструкция применяется и до сих пор.
Большие сложности были с зажиганием. На первом автомобиле Бенца были установлено ленуаровское зажигание, и он работал на ровной дороге в сухую погоду с запасом сухих элементов. Динамо-машина при малых оборотах не работала, поэтому для запуска двигателя было необходимо сильно раскрутить вал или разогнать автомобиль. Кислотный аккумулятор был тяжелым, заряд был малым.
До конца XIX в. на «Даймлерах» устанавливались платиновые калильные трубки, несмотря на их дороговизну и пожароопасность. Позже Даймлер применил на своих автомобилях магнитоэлектрическую машину инженера Боша. Она вырабатывала ток благодаря движению якоря в электрическом поле между полюсами магнита. В момент наибольшей силы тока электрическую цепь разрывала тяга, соединенная с якорем. Разрыв происходил в камере сгорания, вызывая искру, воспламенявшую смесь. Машину Боша назвали «магнето высокого напряжения».
Пуск двигателя имел не меньшее значение, чем зажигание. Вращая рукоятку, нужно было преодолевать давление в цилиндрах двигателя. Обратные удары рукоятки травмировали руки водителей. Конструкторы принимали меры к тому, чтобы заменить рукоятку более удобным устройством. Простым и надежным оказался электромотор с шестеренкой, сцепляемой в нужный момент с зубчатым венцом на маховике двигателя. Маховик начинал вращаться и запускал двигатель. Стартер изобрел американский конструктор Ч. Кеттеринг.
Особую роль в развитии двигателей внутреннего сгорания сыграл немецкий инженер Рудольф Дизель. В 1892 г. он получил патент на двигатель нового типа, общие принципы работы которого изложил в брошюре «Теория и конструкция рационального теплового двигателя», вышедшей в 1893 году.
Предложение Дизеля сводилось к осуществлению в полости двигателя высокого сжатия воздуха с целью повышения его температуры выше температуры воспламенения горючего. Поданное в полость двигателя в конце хода сжатия горючее воспламенялось от нагретого воздуха и нагнетаемое постепенно, осуществляло процесс подвода тепла без изменения температуры в соответствии с циклом Карно. Произведя тепловой расчет своего двигателя мощностью 100 л. с., Дизель получил в конце сжатия температуру 1 073 °C, давление 250 атм и КПД, равный 0,73.
Предлагая свой рациональный двигатель, Дизель считал, что широкое распространение его «будет противодействовать развитию централей», что мелкая промышленность будет размещаться вне больших городов, не будет «…централизованной в городах без света, без воздуха и без достаточного пространства…». Работа Дизеля получила широкий отклик среди ученых-теплотехников. Многие отрицательно высказывались об идее Дизеля. Но наряду с отрицательными отзывами имелось и восторженные, принадлежавших весьма авторитетным ученым, среди которых были К. Линде, Г. А. Цейнер и М. Шредер.
Положительные отзывы о работе Дизеля помогли ему заинтересовать два крупных предприятия: фирму Круппа и Общество аугсбургских машиностроительных заводов. В 1893 г. были подписаны договоры, по которым фирма Круппа брала на себя финансирование разработки нового двигателя; Аугсбургский завод предоставлял помещение и оборудование в одном из своих цехов.
Первый двигатель, отличавшийся рядом необычных свойств, был готов летом 1893 г. Он должен был работать на угольной пыли, вводимой в полость двигателя насосом в конце хода сжатия, когда давление в полости достигало 90 атм, а температура – 800 °C. Охлаждение двигателя отсутствовало, так как предполагалось, что горение не вызовет большого повышения температуры, а эффективность цикла будет настолько велика, что лишнее тепло будет успешно эвакуироваться из полости двигателя с выхлопными газами. Двигатель был запущен от трансмиссии и взорвался, чуть не покалечив изобретателя. В этом же месяце был готов второй двигатель. Дизель, учтя неудачу с первым опытным образцом, отказался от угольной пыли и применил водяное охлаждение. В этом двигателе удавалось получить лишь одну вспышки при впрыскивании бензина. В августе испытанию подвергся третий опытный двигатель, который уже делал несколько оборотов на холостом ходу. Испытания показали несовпадение результатов с предварительными расчетами Дизеля.
Дизель с исключительным остроумием вышел из казалось бы безвыходного положения. В ноябре 1893 г. он получил новый патент (являющийся дополнением к основному патенту), который предусматривал метод регулирования мощности двигателя «…путем видоизменения характера кривой процесса сгорания…». При этом, несмотря на снижение давления в конце сжатия с 90 до 35–40 атм, в связи с чем температура в конце сжатия достигала величины 600 °C вместо 900 °C, в конце сгорания температура повышалась до 1500 °C. Это потребовало интенсивного охлаждения стенок цилиндра.
Упорные работы над усовершенствованием нового двигателя продолжались. Двигатель 1894 г. работал только на холостом ходу. Двигатель 1895 г. с распыливанием керосина от компрессора и хорошим водяным охлаждением был первым опытным двигателем, способным работать с небольшой нагрузкой. Только в 1896 г. испытание нового опытного образца принесло успех. Но в этом образце двигателя был сделан ряд отступлений от принципов, изложенных в брошюре Дизеля в 1893 г.: вместо угольной пыли – керосин, вместо насоса – компрессор, сжатие вместо 35 атм – 90 атм, вместо полного отсутствия охлаждения – интенсивное водяное охлаждение. Испытание опытного образца 1896 г. было проведено в начале 1897 г. М. Шредером и показало, что КПД двигателя не достиг расчетной величины: индикаторный КПД оказался равным 33,4 %, что при сравнительно низком механическом КПД (75,0 %) давало экономический КПД 25,0 %.
В то время КПД лучших газовых двигателей достигали 24,0 %, но они были связаны с источником газа (газогенератор, домна) и не могли работать на транспортных установках. КПД калоризаторных двигателей низкого сжатия не превышал 16,0 %.
После демонстрации на Парижской выставке 1900 г. двигателя Дизеля, усовершенствованного Аугсбургским заводом и получившего впоследствии название «дизель», ряд заводов приступили к «дизелестроению». Вначале дизели получили распространение в силовых установках небольших заводов и фабрик, но тенденция капиталистической концентрации стала предъявлять требования к повышению их мощности. Завод Зульцера, сконструировав двухтактный двигатель в первом десятилетии XX в., довел его мощность до 2400 л. с. Кроме Германии, дизели стали строить в Англии, Дании, Австро-Венгрии.
Сам Дизель вынужден был до конца своей жизни (1913 г.) защищать свои патентные права в ряде стран, так как горение при постоянном давлении (правда, без высокого сжатия), к которому он постепенно пришел, было запатентовано рядом авторов в разных странах.
У дизеля есть существенные преимущества по сравнению с карбюраторным двигателем: он не нуждается в электрическом зажигании, может работать на более тяжелом и дешевом топливе. Расход топлива в дизеле в 1,5 раза меньше, чем у карбюраторного двигателя. Экономия достигается за счет более высокой степени сжатия.
Недостатками дизеля является применение дорогого насоса и форсунок. Высокое давление топлива требовало повышения прочности, а следовательно, и массы конструкции. Тяжелые детали ограничивали частоту вращения вала дизеля. В холодную погоду завести дизель было сложно. Дизели оказались более шумными, чем карбюраторные двигатели.
Все это ограничивало применение дизельных двигателей на легковых автомобилях. Но в конце 20-х – начале 30-х годов они устанавливались на автобусах и большегрузных автомобилях. Позже, во второй половине 30-х годов, в СССР был разработан быстроходный двигатель В-2, для средних танков Т-34 и тяжелых КВ и ИС.
Поделиться книгой: