Конспекты лекций

по дисциплине: « Энергетические

установки транспортной техники»

Лекция. 1

Тема – Введение. Место и роль ЭУ в транспортной системе

Содержание. Энергетические основы работы транспортных средств.

Типы ЭУ. История развития. Современное состояние различных ЭУ.

Энергетические основы работы автономных транспортных средств

Энергетические установки автономных транспортных средств, предназначены для преобразования внутрен­ней химической энергии топлива в механическую работу.

Энергетические установки обеспечивают движение транспортных средств (автомоби­ль, трактор, тепловоз, самолет, теплоход и т.д.) создавая силу тяги F (Н), и перемещая благо­даря этой силе транспортное средство на расстояние S (км), совершая при этом полезную механическую работу А_пол равную:

А_пол = F·S (кДж). (1)

Для совершения этой полезной работы, необходимо затратить какое-то количество энергии А_зат. Для любых автономных транспор­тных средств, не имеющих подвода энергии извне, источни­ком энергии может быть внутренняя химическая энергия различ­ных видов топлива сжигаемого в двигателе. Запас топлива может быть размещен на самом транспортном средстве. При сжигании топлива продукты его сгорания (газы) приобретают высокую темпе­ратуру и являются носителем тепловой энергии. При сгорании определенного количества топлива, массой В (кг), с теплотой сгорания Q (кДж/кг), потенци­ально может быть получена тепловая энергия-А равная:

А = В·Q (кДж).

Энергия -А, полученная при сжигании топлива, может быть затрачена на выполнение полезной работы,

А = А_зат

Энергетическая цепь (последовательность этапов преобразования энергии от А_зат=В·Q до А_пол=F·S ) для транспортного средства состоит из не­обходимых последовательных звеньев:

— теплового генератора ТГ — устройства, которое преобра­зует внутреннюю химическую энергию топлива в тепловую энергию;

— теплового двигателя ТД — машины, преобразующей теп­ловую энергию в механическую работу (рисунок 1.).

Эти два звена и составляют собственно энергетическую уста­новку любого автономного транспортного средства. Коэффициенты полез­ного действия транспортного средства, есть его коэффициент полезного действия (к.п.д.) η_тр.ср, равен отношению полезной работы к за­траченной на получение энергии.

(2)

В энергетической цепи транспортного средства обычно присутствуют еще два элемента, это:

- передаточный механизм-ПМ («передача») меж­ду выходным устройством теплового двигателя и ведущими ко­лесами (или винтом)-Ктранспортного средства;

- промежуточный отбор - ВО части преобразуемой энергии на собственные нужды транспортного средства (привод вспомогательного оборудования, отопление, освещение и т.п.).

Рисунок 1.1. Структурная схема энергетической цепи автономной

транспортной установки.

ТГ - тепловой генератор; ТД - тепловой двигатель; ПМ - передаточный механизм (передача); ВО — отбор мощности на собственные нужды локомотива; К — ведущие колеса; F — сила тяги; S — прой­денный путь.

Потоки энергии и вещества: T - топливо (внутренняя химическая энергия);

В -воздух из атмосферы; 1 - тепловая энергия теплоносителя - рабочего тела; 2 — механическая работа вращения или возвратно-посту­пательного движения рабочего органа теплового двигателя;

3 -механи­ческая работа вращения ведущих колес транспортного средства.

Типы энергетических установок

Энергетические установки могут быть разделены на две основные группы:

— двигатели внешнего сгорания;

— двигатели внутреннего сгорания.

Принципиальная схема энергетических установок приведена на рисунке 1.2.

Рисунок1.2- Принципиальная схема тепловых двигателей

И стория развитая тепловых двигателей

Первая работоспособная паросиловая установка была предложена Томасом Ньюкоменом (кузнец, изобретатель) — в 1712 г.

Русс. изобр.И.И. Ползунов в 1763 г., разработал проект пароатмосферной машины для привода кузнечных мехов.

Изобр. и создате­лем паровой машины (поршневого парового двигателя) счита­ют шотландца Джеймса Уатта (1736-1819). Патент на машину простого действия был получен Д. Уаттом в 1769. г.

Заслуги Джеймса Уатта в технике и энергетике настолько велики, что во всем мире единица измерения мощности была названа в его честь Watt [W] («Ватт» [Вт] ).

Паровая турбина.

Первая активная паровая турбина изобретена шведским инженером

Густавом де Лавалем (1845-1913).

Двигатели внутреннего сгорания

Теоретической основой ДВС служит идеальный термодинамический цикл преобра­зования теплоты в механическую работу, предложен­ный французским инженером Сади Карно в 1824 г.

Первыми работоспособными д.в.с. считают­ся двигатели, работавшие на светильном газе, которые создал Жан-Этьен Ленуар во Франции. Он получил патент в 1860 г

Маленькие двигатели Ленуара (с мощностью по­рядка 0,5-1 кВт) сразу завоевали большую популярность в Ев­ропе, к.п..д. двигателя оценивался на уровне 3%.

Двигателем Ленуара заинтересовался немецкий изобретатель-самоучка, Николаус Аугуст Отто (1832-1891). В 1866 г. ему удалось получить пер­вый патент на усовершенствованный газовый двигатель. В 1867 г. маленький мотор Отто был показан на Всемирной Парижской выставке и получил золотую медаль, несмотря на то, что в экспо­зиции выставки было представлено еще не менее полутора десят­ков газовых двигателей разных изобретателей — моторчик Отто работал экономичнее всех других. Отто со своими партнерами организовал производство двигателей. Успеху фирмы способ­ствовало приглашение двух талантливых немецких инженеров. Их имена известны и сегодня — это были Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах. До сих пор в Германии существуют фирмы и автомобильные заводы, ими организованные.

. В 1883 г. Г. Даймлер. построил четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, в котором вместо светильного газа использовалось более компак­тное жидкое топливо — бензин. Горючая смесь в виде паров бензина и воздуха образовывалась в специально разработан­ном им устройстве — карбюраторе.

Вскоре, поставив карбюраторный бензиновый двигатель на повозку, Даймлер построил первый - настоящий автомобиль. В 1891 г. завод Г.Даймлера построил первый в Европе неболь­шой промышленный локомотив автомобильного типа с зубча­той передачей между двигателем и колесами мощностью всего 4 л с. С 1893 г. автомобильный завод Даймлера строил и самоходные рельсовые вагоны — автомотрисы (рель­совые автобусы) для немецких железных дорог.

Дизельные двигатели внутреннего сгорания. В 1897 г немецкий инженер Рудольф Дизель, создал Д.В.С, с самовоспламенением топлива в цилиндре от высокой температуры сжатого воздуха (дизель). Принцип подачи топлива, был глав­ным элементом в изобретении Дизеля. Д.В.С высокого сжатия. Тринклер, сделав заявку в 1899 г., получил патент только в 1904 г. По этому «смешанному» циклу (циклу Тринклера) и работают все современные бескомпрессор­ные дизельные двигатели.

Газотурбинные установки. Одним из первых создателей ГТУ был русский инженер П.Д.Кузьминский. В период с 1894 по 1900 г.г. им была спроектирована и построена ГТУ со сгора­нием топлива при постоянном давлении.

В 1900-1904 гг. была изготовлена ГТУ немецким инженером Штольцем, но в процессе испытаний установка не развивала мощности, необходимой даже для вращения компрессора. В 1906 г. французскими инженерами Арманго и Лемалем был построен ГТУ мощностью 300 кВт, но ее КПД был очень низок.

В 1908 г, русский инженер В.В.Караводин постро­ил ГТУ со сгоранием топлива при постоянном объеме. КПД этой установки не превышал 2,4%.

Литература:

1. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания А.Э. Симсон и др., М., Транспорт – 1987 .

2. Локомотивные энергетические установки. Под редакцией А.И. Володина. Москва, Желдориздат.2002 г.718с.

3. Орлин А.С., Круглов М.Г. Двигатели внутреннего сгорания, Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. М., Машиностроение – 1980 г.

4. Тепловой расчет поршневых двигателей/ Учебное пособие по дисциплине «ЛЭУ» М.О.Мусабеков. Алматы, 2006г.

Контрольные вопросы:

1.

1. Кем и когда была изобретена паровая машина простого действия?

2. Какая единица измерения названа в честь Джеймса Уатта?

3. Кем и когда была изобретена первая работоспособная паровая турбина.

4. Кем и когда был создан первый двухтактный работоспособный ДВС на газе?

5. Кто изобрёл первый четырехтактный двигатель на газе?

6. Кто изобрёл первый карбюратор?

7. Кем и когда был создан первый четырехтактный ДВС

на жидком топливе (бензине).

8. Кем и когда предложен метод теплового расчета рабочего цикла ДВС?

9. На каком транспортном сред­стве был впервые использован дизель?

10. Когда появились ГТУ, и кто был одним из первых его создателей?

11. Чем определяется энергетическая эффективность транспортного средства?

12. На какие основные группы разделены тепловые энергетические установки.

Приведите схемы тепловых двигателей.