История развития двигателей и энергетических агрегатов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Белорусский национальный технический университет

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания»

М. П. Ивандиков А. Г. Бисярин

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

Учебно-методическое пособие для студентов специальности 1-37 01 01

«Двигатели внутреннего сгорания»

Рекомендовано учебно-методическим объединением по образованию в области транспорта и транспортной деятельности

Минск

БНТУ

2019

1

УДК 621.43(09)(075.8) ББК 31.365я7

И18

Рецензенты:

канд. техн. наук В. Е. Тарасенко; нач. отдела двигателей ГНУ «Объединенный институт

машиностроения НАН Беларуси» А. С. Климук

Ивандиков, М. П.

И18 История развития двигателей и энергетических агрегатов : учебнометодическое пособие для студентов специальности 1-37 01 01 «Двигатели внутреннего сгорания» / М. П. Ивандиков, А. Г. Бисярин. – Минск: БНТУ, 2019. – 47 с.

ISBN 978-985-550-645-5.

Учебно-методическое пособие предназначено для формирования у студентов культуры производства на основе знания истории развития двигателей, понимания функционального анализа как инструмента анализа известных конструкций и создания новых технических решений.

Учебно-методическое пособие может быть использовано студентами других технических специальностей.

2

3

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Цель преподавания дисциплины заключается в разъяснении общетехнической и государственной целесообразности подготовки инженеров по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». Студенты знакомятся с историей вуза, лабораторной базой кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» и историей развития тепловых двигателей.

Задачи изучения дисциплины:

–ознакомление с квалификационной характеристикой подготовки инженера-механика по специальности 1-37 01 01 «Двигатели внутреннего сгорания»;

–изучение функциональных схем тепловых двигателей и физико-технических принципов их реализации;

–получение представления о роли и месте ДВС в развитии человечества;

–получение представлений о технологии изготовления двигателей.

Квалификационная характеристика для специальности

1-37 01 01 «Двигатели внутреннего сгорания» содержится в Образовательном стандарте Республики Беларусь [1].

Стандарт специальности устанавливает цели и задачи профессиональной деятельности специалиста, требования к уровню подготовки выпускника вуза, требования к содержанию образовательной программы и ее реализации.

Стандарт в разделе 5.1 определяет сферу профессиональной деятельности:

–производство (управление производством, проектирование ДВС, его систем и механизмов, технологическое и конструкторское сопровождение продукции, сборка и испытания двигателей и автотранспортных средств, их узлов, механизмов

идеталей, диагностика, эксплуатация и ремонт двигателей);

–образование (обеспечение учебного процесса, разработка стендов для учебных лабораторий, постановка новых лабораторных работ);

4

– наука (создание альтернативных схем двигателей, исследование рабочих процессов ДВС, оценка влияния ДВС на экологию, моделирование эксплуатационных ситуаций, снятие характеристик автотракторной техники, узлов и механизмов).

В разделе 5.2 Объекты профессиональной деятельности: объектами профессиональной деятельности специалиста являются двигатели внутреннего сгорания транспортных и тяговых машин, летательных аппаратов, функциональные системы

ДВС, горюче-смазочные материалы и спецжидкости.

В разделе 5.3 Виды профессиональной деятельности: выпускник вуза после адаптации (до 1 года) должен быть

компетентным в следующих видах деятельности:

–проектно-конструкторской;

–научно-исследовательской;

–ремонтно-эксплуатационной;

–производственно-технологической;

–организационно-управленческой;

–инновационной.

2.ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Учебный план 2013 г. для дисциплины предусматривает следующее распределение часов по видам занятий:

Завершается изучение дисциплины сдачей экзамена.

При освоении теоретической части, студенту необходимо работать с рекомендованной литературой, научными источниками информации и наглядными пособиями.

5

Время, отводимое на изучение дисциплины, распределено таким образом, что самостоятельной работе уделено особое внимание. Студент должен самостоятельно изучать предложенные темы по дополнительным источникам информации при подготовке к практическим занятиям.

3.ТЕМЫ ЛЕКЦИЙ

1.Введение. Цель и задачи курса. Роль специалиста в науч- но-техническом прогрессе. Квалификационная характеристика инженера-механика по специальности «Двигатели внутреннего сгорания».

2.Функциональная модель теплового двигателя. Мета- и макроуровни. Основные законы химии, термодинамики и механики. Определения и термины в двигателестроении.

3.История развития двигателейи энергетическихагрегатов.

4.Принцип работы двух- и четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

5.Принцип работы двигателей внешнего сгорания (Стирлинга).

6.Принцип работы реактивных двигателей.

7.Классификация тепловых двигателей.

8.Основные системы и механизмы ДВС.

8.1.Система пуска.

8.2.Система охлаждения.

8.3.Система смазывания.

8.4.Система питания.

9.Двигателестроение – отрасль машиностроительного производства. Роль двигателя в развитии промышленной революции XVII века. Двигателестроение в Беларуси.

10.Поршневые ДВС. Конструкции ДВС. Современные заводы и мегазаводы.

11.Современные технологии изготовления деталей и механизмов ДВС.

12.Применение ДВС, энергетические агрегаты.

6

4.ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1.Изучение лабораторной базы учебного заведения БНТУ.

2.Изучение общего устройства поршневого двигателя.

3.Изучение гаммы дизелей Минского моторного завода.

4.Изучение механизмов и систем автотракторных поршневых двигателей.

5.Изучение принципа работы двигателя Ванкеля.

6.Изучение принципа работы реактивного двигателя.

7.Изучение принципа работы двигателей Стирлинга.

8.Применение ЭВМ при создании новой техники. Основные пакеты для моделирования и проектирования новых объектов.

5. ОБЪЕКТ ИЗУЧЕНИЯ – ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Рассмотрим, что же такое тепловой двигатель. По определению, это машина, преобразующая какой-либо вид энергии, например химическую энергию топлива, в механическую работу.

Это определение можно представить в виде функциональной схемы на метаили макроуровне.

5.1. Функциональная схема теплового двигателя

Функциональная схема (модель) теплового двигателя – это графическое изображение структуры двигателя, каждая часть которой выполняет определенную функцию с указанием путей передачи взаимовоздействия. В функциональной структуре элемент отождествляется с действием, которое он должен совершать, то есть элемент показывает, что надо делать, но не показывает, как.

7

а

б

Рис. 1. Функциональная схема теплового двигателя: а – метауровень; б – макроуровень

На рис. 2, а, изображен метауровень теплового двигателя. Стрелками на входе показано поступление Gт топлива и Gок окислителя (обычно это кислород из воздуха Gв), а на выходе механическая энергия Ne (кВт) в виде Мe (Нм) крутящего момента и ω (с–1) угловой скорости выходного и отвод части теплоты холодному источнику Qхол.

Мощность двигателя определяется выражением

Ne = Me ω, кВт.

Функциональная модель на макроуровне (рис. 2, б) иллюстрирует процесс преобразования энергии в тепловом двигателе. Выделим здесь первичный преобразователь (ПП), в нем происходит высвобождение химической энергии и превращение ее в теплоту, которая передается газообразному рабочему телу и изменяет его термодинамические параметры (давление р, температуру Т, объем V).

8

б

а

Рис. 2. Конечные преобразователи:

а– в виде КШМ; б – в виде газовой турбины (ГТ); в – в виде ротора; г – в виде реактивного сопла

Далее, конечный преобразователь (КП) преобразует тепловую энергию в механическую работу. История развития техники указывает на следующие конструктивные реализации КП:

–кривошипно-шатунный механизм (КШМ), который при-

менил Д. Уатт (1779 г.), Ж.-Э. Ленуар (1860 г.), Н. Отто (1867 г.), Р. Дизель (1897 г.);

–газовая турбина, которую предложил П. Кузминский

(1892 г.);

–вращающийся поршень-ротор, предложенный Ф. Ванке-

лем (1934 г.);

–реактивное сопло, предложенное Н. Кибальчичем (1881 г.). Рассмотрим возможные решения конструктивных схем теп-

лового двигателя. Если объединить КС и РТ (рис. 1.3, а) в самостоятельные функциональные единицы, то получим двигатель внутреннего сгорания. Топливо сгорает внутри рабочего тела и газы совершают механическую работу.

9

Если камера сгорания КС выделяется в отдельный, внешний элемент, то такая схема (рис. 3, б) соответствует двигателю внешнего сгорания, предложенному Р. Стирлингом (1816 г.). По этой схеме работают паровые машины, атомные реакторы.

а

б

Рис. 3. Структурирование функциональной модели теплового двигателя:

а– двигатель внутреннего сгорания; б – двигатель внешнего сгорания

5.2.История развития двигателей

иэнергетических агрегатов

Вфеодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое в свою очередь приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое распространение этих машин часто тормозилось из-за отсутствия рядом потока воды. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земли. Пробовали энергию ветра, но это оказалось малоэффективным.

10