А не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания журнал

Двигатели оригинальные и удивительные: cгорание

Оппозитный двухтактный двухцилиндровый модульный ДВС под названием OPOC был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Суперкомпактный дизель Хоффбауэра демонстрирует беспрецедентно высокую удельную мощность порядка 3 л.с. на килограмм массы. Например, стокилограммовая «труба» выдает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента. При этом КПД OPOC вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитника — возможность составлять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным двигателем, силовые установки рядной 4-, 6- и  8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности OPOC работает на довольно скромных степенях сжатия в  пределах 15−16 к одному и не требует специальной подготовки топлива.

В принципе OPOC — это труба с  двумя парами поршней, совершающими одновременные разнонаправленные движения. Пространство между парой — камера сгорания. Шатуны с необычно длинной ножкой соединяют поршни с центральным коленчатым валом. В  центре камеры установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные порты расположены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Порты заменяют сложный клапанный механизм и распредвал. Важный элемент конструкции — электрический турбонагнетатель с предварительным подогревом воздуха, заменяющий, в частности, привычные калильные свечи. В момент запуска турбина подает в камеру сгорания заряд сжатого воздуха, нагретого до 100 °C.

IRIS. Основной «фишкой» конструкции двигателя Iris является высокая полезная площадь «поршней"-лепестков. Неподвижные стенки занимают всего 30% от общей площади камеры сгорания, что позволяет заметно повысить КПД двигателя.

По словам президента компании Дональда Ранкла, бывшего вице-президента General Motors, в настоящее время в собственном техцентре Ecomotors проводятся стендовые испытания шестого поколения двигателя, которые завершатся в начале 2012 года. И это будет уже не очередной рабочий прототип, а агрегат, предназначенный для конвейера. Впрочем, интерес к разработке имеется не только у автомобилистов, но и у военных, производителей авиатехники, строителей и горняков. Запланировано производство сразу четырех типов модулей OPOC с диаметрами поршня 30, 65, 75 и 100 мм.

IRIS

Для многих людей наблюдение за причудливо движущимися, вращающимися и пульсирующими механизмами успешно заменяет таблетки от стресса.

Завораживающее глаз детище ученого, изобретателя и предпринимателя из Денвера Тимбера Дика, трагически погибшего в автокатастрофе в 2008 году, можно отнести к гомеопатическим средствам этой категории. Но двигатель внутреннего сгорания IRIS (Internally Radiating Impulse Structure), несмотря на всю свою оригинальность, вовсе не пустышка. Защищенный со всех сторон патентами, он был отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical. Двухтактный ДВС с изменяемой геометрией и площадью поршня, согласно расчетам, имеет КПД 45%, компактные размеры и малый вес. Кроме того, в случае принятия его на вооружение автопроизводителями покупателю не придется переплачивать — цена агрегата будет не выше, чем у обычных бензиновых моторов.

РЛДВС. Отличием роторно-лопастного двигателя от всех остальных, упомянутых в материале, является то, что он находится в считанных миллиметрах от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным двигателем, а с 2012 года — и серия.

Как считал Дик, в стандартной паре «камера сгорания — рабочая поверхность поршня» самым слабым местом является постоянная площадь контакта. На головку приходится всего 25%  общей площади камеры. В концепции IRIS шесть поршней, представляющих собой стальные, изогнутые волной лепестки, имеют полезную площадь почти в три раза больше - неподвижные стенки камеры занимают лишь 30% площади.

Воздух поступает в камеру сгорания через впускные клапаны, когда лепестки находятся на максимальном удалении от центра. Одновременно через открытые выпускные клапаны удаляется отработанный газ. Затем лепестки, колеблющиеся на валах, смыкаются к середине камеры, сжимая воздух. В момент максимального сближения при полностью закрытых клапанах происходит впрыск топлива и зажигание. Расширяясь, раскаленные газы раздвигают лепестки-поршни, что, в свою очередь, приводит к  повороту валов. В верхней мертвой точке открываются выпускные клапаны. Затем все повторяется снова и снова. Довольно простой редуктор превращает колебание шести валов во вращение главного вала.

www.popmech.ru

А не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания

Разделение труда

В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.

В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по‑братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.

В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.

В камере сгорания двигателя с системой HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одновременно возникает огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют. Если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях вызывает повышенное образование сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неведомы. По словам Херманна Миддендорфа, руководителя проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора.

Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.

В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.

Всеядный двухтактник

Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.

За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.

Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.

Пять тактов, три циллиндра

На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме.

Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.

Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.

Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.

Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.

www.popmech.ru

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

Альтернативный эталонный цикл двигателя внутреннего сгорания

автор: Самойленко А. Ю.

УДК 621.431.74

Россия, Новороссийск, ФГБОУ ВПО "Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова"

[email protected]

 

Введение

Известные методы теоретического и практического анализа и синтеза циклов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) базируются исключительно на термодинамических представлениях о цикле. Этим методам посвящено огромное число  работ теоретического и практического характера, перечислить которые в рамках статьи не представляется возможным. Достаточно указать на ставшую классической в данной области работу отечественных ученых [1]. 

Как известно,  в теории тепловых двигателей в качестве термодинамического эталона рассматривается цикл Карно. Менее известен в этом качестве регенеративный цикл, например, цикл Стирлинга [2]. В тоже время, когда речь идет о цикле ДВС,  и, в частности, о  судовых дизелях, эти эталоны практически не рассматриваются, поскольку они весьма далеки по составу и характеру процессов от реального цикла ДВС. B практических расчетах и  теоретических исследованиях анализ циклов ДВС ограничен, как правило,  вариациями от цикла с изохорным, до цикла с изобарным подводом тепла и их комбинацией, что подробно рассмотрено в той же работе [1] или, например, в работе [3].

Кроме этого, в поршневом двигателе с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) процессы изменения объема цилиндра и давления газов протекают не ступенчато, а плавно в функции угла  φ  поворота коленчатого вала (ПКВ) двигателя. В итоге это существенно изменяет вид реальных циклов, по сравнению с рассматриваемыми в теории.

В данной работе  сделана попытка устранить эти противоречия и  предложить цикл, который мог бы использоваться в качестве эталонного цикла ДВС, как альтернативы известным эталонам. Дальнейшее изложение материала статьи базируется на  данных, полученных автором на  дизелях морских судов. Однако никаких принципиальных ограничений по применению полученных результатов к другим разновидностям  ДВС, с традиционной конструкцией КШМ, автор не усматривает.

 

Метод исследования

Для решения этой задачи, в отличие от традиционных методов, цикл дизеля анализируется автором не в функции объема, а в функции угла ПКВ, с использованием методов гармонического анализа. При рассмотрении цикла двигателя в функции угла  ПКВ, как периодически повторяющегося процесса, его развернутая индикаторная диаграмма р(φ) представлена суммой гармоник  k с амплитудами  Pimax  начальными фазами  φi, отсчитываемыми относительно положения верхней мертвой точки, и некоторой постоянной составляющей ро

,                                  (1)

где i=1, 2, 3… - номер гармоники. Частота первой гармоники равна частоте вращения коленчатого вала двигателя.

В качестве примера на рис. 1 представлена развернутая индикаторная диаграмма судового высокооборотного дизеля  4L20, с частотой вращения 900 1/мин, а также компоненты ее разложения на гармоники в соответствии с выражением (1).

 

 

Рис. 1 Исходная индикаторная диаграмма и ее компоненты разложения: 1- первая гармоника; 1, 2 – сумма первых двух гармоник; 1…6 - сумма первых 6 гармоник

 

Роль гармоник в индикаторной диаграмме

При таком представлении развиваемое в цикле дизеля среднее индикаторное давление рmi, как показано автором в работе  [4], определяется выражением

,                          (2)

где P1max и φ1 – амплитуда и начальная фаза первой гармоники;

       P2max и φ2 – амплитуда и начальная фаза второй гармоники;

       λ- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна двигателя, характеризующее КШМ.

Из выражения (2) следует, что среднее индикаторное давление, то есть полезный эффект от  работы двигателя, создается только первыми двумя гармониками. В работе [5] автором данной статьи доказано, что кроме первой гармоники в рmi теоретически вносят  вклад все четные гармоники. Однако, начиная с 4-й гармоники их суммарный вклад незначителен, не превышает 1 %, и его можно не учитывать.

Из выражения (2) напрашивается естественный вывод - поскольку гармоники, начиная с третьей,  с позиции получения рmi  бесполезны, то цикл дизеля целесообразно организовать так, чтобы он содержал только первые две гармоники.

 Третья и более высокие гармоники не просто бесполезны с точки зрения выработки pmi, но и в определенной степени вредны. Так, одним из основных параметров механической напряженности судового дизеля является максимальное давление его цикла Рmax. По данному параметру конструкции современных судовых дизелей приблизились к пределу прочности применяемых конструкционных материалов. Это является сдерживающим фактором на пути дальнейшего форсирования дизелей, в частности – повышения развиваемого в цилиндре среднего индикаторного давления pmi.   Третья и более высокие гармоники не дающие  вклада в среднее индикаторное давление, тем не менее, вносят существенный вклад в максимальное давление. Это наглядно видно на рис. 1, где максимальное давление суммы первых двух гармоник составляет примерно 92 бара, а для суммы первых шести гармоник оно возрастает уже до 128 бар.

 

Цикл ДВС из двух гармоник

Исходя из вышеизложенного, на рис. 2 приведено сравнение двух индикаторных диаграмм судового малооборотного дизеля (МОД) – исходной, полученной на реальном двигателе, и синтезированной из ее двух первых гармоник. Для упрощения реализации синтезированная диаграмма, по сравнению с диаграммой, показанной на рис. 1 обнулена в своих окончаниях.

 

 

Рис. 2. Индикаторная диаграмма МОД, исходная (а)  и синтезированная из двух гармоник (б), развернутая (1) и нормальная (2)

 

Исходная диаграмма МОД имеет показатели: рmi  = 13.6 бар,   Pmax  = 105 бар. Показатели синтезированной диаграммы:  рmi  = 14.6 бар, а  Pmax = 76 бар.

Таким образом, при примерно одинаковых средних индикаторных давлениях, у синтезированной диаграммы выигрыш по максимальному давлению цикла очевиден. Заметим также, что в  цикле с двумя гармониками работа поршнем при его движении в цилиндре совершается более равномерно. В то же время у исходной диаграммы (рис. 2, нормальная диаграмма) по мере удаления поршня от верхней мертвой точки производимая им работа на единицу пути сильно уменьшается.

 

Цикл ДВС в виде первой гармоники

Обработка многочисленных реальных индикаторных диаграмм  показывает, что произведения P1maxsinφ1 и P2maxsinφ2, входящие в выражение (2), примерно равны по величине, отличаясь не более чем на 10 %. Поэтому, относительный вклад второй гармоники в рmi фактически определяется коэффициентом λ/2 формулы (2). Для λ=0,2…0,47 этот вклад составляет соответственно 0,1…0,235, что существенно меньше  вклада первой гармоники. Большие значения соответствуют длинноходовым МОД, меньшие – средне- и высокооборотным судовым дизелям.

В этой связи возникает вопрос – насколько полезна вторая гармоника, ведь помимо вклада в среднее индикаторное давление она также повышает Pmax. Это наглядно проявляется на рис. 1 – максимальное давление суммы первых двух гармоник существенно выше максимума первой гармоники. Поэтому важно выяснить, что сильнее возрастает  при использовании второй гармоники - среднее индикаторное давление или максимальное давление.

Исследование, проведенное автором в работе [6], показало, что при условии постоянства  рmi  по сравнению с циклом из одной первой гармоники  введение второй гармоники увеличивает Pmax на 0…15 % в диапазоне изменения λ=0,5…0,2. При этом для длинноходовых судовых МОД, у которых λ приближается к теоретическому пределу 0,5, практически нет разницы в значениях Pmax, полученных для циклов, содержащих только одну первую гармонику или  первые две гармоники. Для двигателей же с более низкими значениями λ, а это судовые средне- и высокооборотные дизели, с позиции снижения Pmax теоретически более выгодным является цикл с одной первой гармоникой. В этом случае выражение (2) примет вид

.                                 (3)

Индикаторные диаграммы двухтактного дизеля для этого случая показаны на рис. 3, а развернутая индикаторная диаграмма представляется выражением

.

 

 

Рис. 3. Желаемая индикаторная диаграмма дизеля в виде первой гармоники, при отсутствии (1) и наличии (2) топливоподачи, развернутая (а) и нормальная (б)

 

В отсутствие топливоподачи (рис. 3, кривая а,1) цикл дизеля  представляет собою косинусоиду, симметричную относительно верхней мертвой точки, при этом  ее начальный фазовый сдвиг φ1=0. Вследствие этого и среднее индикаторное давление, в соответствии с выражением (3), равно нулю. При наличии топливоподачи, за счет горения топлива косинусоида смещается в сторону процесса расширения на величину фазового угла  φ1 (рис. 3, кривая а, 2). Это, а также некоторое увеличение Pmax, и обеспечивают  ненулевое значение среднего индикаторного давления. В функции объема цилиндра индикаторная диаграмма при наличии топливоподачи приобретает форму эллипса (рис. 3, б),  вырождающегося в прямую линию при отключении топливоподачи.  Обработка диаграмм,  в том числе представленной на рис. 1, показывает, что  в современных конструкциях судовых дизелей на нагрузках, близких к номинальным, фазовый сдвиг первой гармоники находится в диапазоне φ1=12…14  0ПКВ.

 

Преимущества, новизна предложенных эталонных циклов

Представленные на рис. 2 и рис. 3  диаграммы в виде двух или одной гармоник могут использоваться в качестве  эталонных циклов дизеля, являясь альтернативой традиционным эталонам. Они обеспечивают наименьшее возможное значение максимального давления в цикле при заданном среднем индикаторном давлении, более низкие максимальные температуры цикла и, как следствие, снижение вредных выбросов (оксидов азота и др.),  более благоприятные условия работы подшипников. Если цикл состоит только из  первой гармоники, давление в цилиндре дизеля изменяется плавно, по синусоиде, как  в цикле Стирлинга [2]. Это косвенно указывает на определенную  общность процессов получения рmiв ДВС и в двигателе Стирлинга.

Тенденция  к применению более сглаженной формы индикаторной диаграммы подтверждается практикой современного судового дизелестроения [7]. В качестве примера  на рис. 4 показана индикаторная диаграмма  судового малооборотного дизеля с электронным управлением типа 6SME-C фирмы MANB&W. на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота. Ее спектральный анализ  (рис. 5) показывает существенное снижение доли высших гармоник и на этом фоне усиление первых двух гармоник.

 

 

Рис. 4. Индикаторная диаграмма МОД типа 6SME-C  на режиме с уменьшенным количеством выбросов оксидов азота,  частота вращения 91 об/мин.

 

 

Рис. 5 Спектральный состав диаграммы традиционного вида (кривая 1) и диаграммы, представленной на рис. 4 (кривая 2)

 

Заключение

Практическая  реализация предложенных эталонных циклов в виде одной или двух гармоник, безусловно, будет сопровождаться теми или иными отклонениями от желаемой формы. Важно однако отметить, что в настоящее время их реализация  принципиально возможна, в связи  с появлением нового поколения судовых дизелей - с электронным управлением. В таких двигателях электронными средствами реализуется управление подачей топлива в цилиндры, выпускными клапанами и др.  При этом возможно оперативное и гибкое формирование не только желаемого закона топливоподачи, но и процесса горения топлива, фаз газораспределения, а в конечном итоге – формы индикаторной диаграммы, как это иллюстрирует рис. 4.  Наибольшие возможности для этого имеются в мощных судовых МОД, где процессы протекают сравнительно медленно.

 

Список литературы

 

1. Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей: учеб. для вузов / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983.- 372 с.

2. Ридер Г., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга: пер. с англ.- М.: Мир, 1986.- 464 с.

3.Танатар Д.Б. Судовые дизели. Теория рабочего процесса.- Л.: Морской транспорт, 1962.- 306 с.

4. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления на основе гармонического анализа индикаторной диаграммы дизеля // Двигателестроение.- 2004.-№ 1. - С. 17-19.

5. Самойленко А.Ю. Определение среднего индикаторного давления по параметрам гармоник развернутой индикаторной диаграммы дизеля // Сборник научных трудов НГМА.- Новороссийск: НГМА, 2005.- Вып.10.- С. 179-183.

6. Самойленко А.Ю., Шостак Н.А. Максимальное давление индикаторной диаграммы, представленной суммой гармоник // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки.- 2008.- Спец. выпуск.- С. 64-67.

7. Конкс Г.А., Лашко В.А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта: учеб. пособие.- М.: Машиностроение, 2005.- 512 с.

engineering-science.ru

История | Кафедра ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

История и современность кафедры:

До 1920 г. в Харьковском Технологическом Институте (ХТИ), сегоднешнем НТУ «ХПИ», было только два факультета — механический и химический. За 20 лет до образования кафедры двигателей внутреннего сгорания, в 1910 г. на механическом факультете приступили к чтению курсов по ДВС.

 По данным Государственного архива Харьковской области предмет ДВС и проектирование ДВС на протяжении 1910-1913 г.г. читал граф Дорер.

Специальность «ДВС» в Харьковском технологическом институте была организована в 1918г.У источников этой специальности, а позднее и кафедры ДВС, в Харьковском техническом институте стоял Василий Трофимович Цветков (1887 — 1954 г.).

Василий Трофимович Цветков

Первый выпуск моторобудівників состоялся в 1922г.

Выпуск специалистов ДВС ХТИ 1924г.(Первый ряд, слева на право — Саленков С.В. (позднее директор ХТЗ), Майер Я.М., Цветков В.Т., Просвира Г.Ф. (академик АН УССР), Беликов А.А.)

  В.Т. Цветков с отличием закончил этот институт в 1911г. и до 1932г. работал на Харьковском паровозостроительном заводе. До 1914г. состоял в должности конструктора двигателей внутреннего сгорания в конструкторском бюро тепловых двигателей, где спроектировал первый в России мощный двухтактный двигатель Дизеля мощностью 900 л.с. С 1914 по 1920г. В.Т. Цветков был помощником начальника цеха. Под его руководством закончена разработка мощных газовых двигателей для металлургии по 3500 л.с., а также первых в России быстроходных двухтактных дизелей для подводных лодок. В 1920 — 1928 г. он служил помощником главного инженера и начальником машиностроительного отдела завода, руководя созданием серии нефтяных двигателей. С 1928 по 1932 г. был техническим директором завода. На этом посту полностью раскрылся огромный талант В.Т. Цвєткова, как конструктора-организатора: под его непосредственным руководством были спроектированы и пущены в серийное производство трактор «Коммунар», первые советские танки и др. Одновременно с творческой деятельностью в промышленности В.Т. Цветков принимает самое активное участие в подготовке специалистов по ДВС в стенах ХТИ. С 1921г. он — заведующий кафедрой тепловых двигателей. В 1922г. выходит его книга «Теория двухтактных двигателей», в которой впервые предложена теория продувки. В 1925г. он утвержден в звании профессора.По инициативе В.Т. Цвєткова в ноябре 1929г. в ХТИ была создана лаборатория ДВС, которую до апреля 1931г. возглавлял профессор Я.М. Майер (ученик В.Т. Цвєткова, защитил дипломный проект в 1924г. под его руководством). 19 июля 1930г. в Харьковском Механико Машиностроительном Институте (ХММИ) создается кафедра ДВС во главе с В.Т. Цветковым, который перешел на работу в институт.

Кафедра «Двигатели внутреннего сгорания» была основана согласно приказу по Харьковскому Механико Машиностроительному Институту от 19.07.1930г. Дальше приведены фрагменты копии приказа:

«»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»

Приказ №15 по Харьковскому Механико Машиностроительному Институту от 19.07.1930г. §1

При машиностроительном институте организовать такие кафедры и назначить заведующих кафедрами. … 10) Двигатели внутреннего горения. проф. Цветков … При механико машиностроительном институте организовать такие специальности и назначить зав. специальностями. … г) Двигатели внутреннего горения. проф. Майер.

… «»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»

Первая всеукраинская конференция по тяжелым ДВСХарьков 1931г.

 

Под руководством В.Т. Цвєткова в 1932 — 1934 г. была построена новая лаборатория ДВС, которая стала одной из лучших лабораторий этого профиля в высших учебных заведениях страны. После создания этой лаборатории коллектив кафедры активно включился в индустриализацию г.Харькова и Украины, проводя большую учебную, исследовательскую и исследовательско-конструкторскую работу в тесной связи с Харьковскими заводами ХПЗ и ХТЗ, с Коломенским тепловозостроительным заводом и др.

В 1940г. В.Т. Цветкову присужденна ученая степень доктора технических наук.

Одновременно с 1930 по 1941 г. он работал в ХАИ заведующим кафедрой авиационных двигателей и деканом авиамоторного факультета. В 1940 г. Назначался заместителем директора ХММИ по научной и учебной работе.

Замечательный инженер — практик моторостроения, крупный ученый двигателестроитель, выдающийся педагог и организатор В.Т. Цветков основал богатые традиции, которые всегда были и остаются основой подготовки высококвалифицированных специалистов по двигателям внутреннего сгорания.

В этот период В.Т. Цветков привлек к работе на кафедре многих молодых, талантливых ученых и инженеров. Среди них — Николай Матвеевич Глаголев, который со временем стал выдающимся ученым в теории ДВС; Алексей Александрович Воронкин, который непосредственно руководил исследовательскими и проектными роботами по созданию мощных двухтактных судовых и быстроходных дизелей; Я.Э. Вихман и К.Р. Челпан — творцы дизеля В-2 для легендарного танка Т-34, лучшего на полях Второй мировой войны. На кафедру приходят также В.А. Константинов, Ю.Б. Моргулис и др.

Коллектив кафедры — 1946г.

 

С 1954 по 1970 год кафедрой заведовал профессор, доктор технических наук Николай Матвеевич Глаголев. Видный ученый и специалист в области теории и конструирования двигателей внутреннего сгорания. Ученик проф. Цветкова В.Т.

Николай Матвеевич Глаголев

Разработал и предложил новый тип высокоэкономичного тепловозного дизеля, который получил название Д-70, который и сегодня по своим технико-экономическим показателям находится на уровне мировых образцов. Он приложил значительные силы к развитию научной школы двигателестроения Харькова, и к признанию ее как в стране, так и за рубежом. Н.М. Глаголев продолжил развитие научно-исследовательской лаборатории кафедры ДВС, были созданы уникальные экспериментальные установки. По его инициативе создается учебный моторный класс.

Защитил докторскую диссертацию в 1949 году. Тема диссертации «Новый метод расчета рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания». Эта работа, как и много других научных работ, получила высокую оценку специалистов. В 1950 году Н.М. Глаголеву присвоено звание профессора. Его научную школу прошли многие видные двигателестроители. Большое внимание он уделял совершенствованию методики обучения студентами специальности «Двигатели внутреннего сгорания».

Подготовил 30 диссертантов. Опубликовал 11 книг: «Рабочие процессы ДВС» (1950 г.), «Тепловозные двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины» (1973 г.) и др., всего более 100 научных работ. Многие из них переведены на иностранные языки.

За особые заслуги в деле подготовки высококвалифицированных кадров и научные достижения нагороджен орденом Ленина.

С 1970 по 2001 год кафедрой заведовал Заслуженный деятель науки УССР, лауреат Награды Ярослава Мудрого Академии наук Высшей школы Украины, академик, профессор, доктор технических наук, Анатолий Федорович Шеховцов.

Анатолий Федорович Шеховцов

Известный ученый и специалист в области двигателей внутреннего сгорания, талантливый педагог. Проводил активную работу по расширению творческих связей кафедры с отечественными и заграничными ВУЗами и научными учреждениями. Является основателем новых научных направлений в деятельности кафедры, таких как исследование продолжительной прочности деталей камеры сгорания, и оптимизация теплообмена.

Им была разработана и воплощалась у жизнь концепция по развитию специальности до 2010 года, в основу которой положены современные требования к развитию высшей школы Украины. При его участии в учебном процессе задействованы современные информационные технологии, прогрессивные методы решения инженерных задач с использованием САПР и активных методов обучения.

В 1979 году А.Ф. Щеховцов защитил докторскую диссертацию на тему «Исследование нестационарных тепловых режимов поршней перспективных тракторных дизелей».

За свою многолетнюю творческую работу А.Ф. Щеховцов подготовил 18 кандидатов и 5 докторов технических наук. Издал свыше 300 научных работ, в том числе 3 монографии, свыше 10 учебных пособий, получил 60 свидетельств на изобретения. Благодаря его идеям, авторскому участию и организационным усилиям в 2004 г. вышли в свет 6 учебников для подготовки специалистов со специальности «Двигатели внутреннего сгорания» с грифом МОН Украины и получившим Государственную премию в 2008 году.Заслуженный деятель науки Украины. Награждены Наградой Ярослава Мудрого АН высшей школы Украины, его заслуги отмечены стипендией Президента Украины.

С 2001 года по 2016 год кафедру возглавляет Заслуженный деятель науки и техники Украины, лауреат Награды Ярослава Мудрого Академии наук Высшей школы Украины, профессор, доктор технических наук, проректор университета по научной работе — Андрей Петрович Марченко.

Андрей Петрович Марченко

Научные и практические разработки А.П. Марченко были положены в основу технического проекта тепловозного дизеля Д-80. Его научные и практические работы связаны с фундаментальными и прикладными исследованиями в области теории рабочих процессов, процессов смесеобразования и сгорания перспективных отечественных автотракторных двигателей внутреннего сгорания, в том числе и при конвертации их на альтернативные топлива, исследованиями по образованию корундового слоя на поверхностях поршней.

Профессор А.П. Марченко является инициатором составления ряда важных международных договоров с ведущими университетами и предприятиями моторостроительной области.

В 1994 году защитил докторскую диссертацию на тему «Термодинамические основы повышения топливной экономичности транспортных дизелей за счет утилизации теплоты отработавших газов». Издал 3 монографии, опубликовал более 190 статей, получил 43 свидетельства на изобретения, подготовил массу методических пособий. Благодаря его усилиям, авторскому участию и учебно-методическим мероприятиям в 2004 г. вышли из печати 6 учебников для подготовки специалистов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» с грифом МОН Украины и получившим Государственную премию в 2008 году. Подготовил 8 кандидатов наук.

Проректор НТУ «ХПИ» по научной работе. Заместитель председателя Совета проректоров по научной работе Украины. Заслуженный деятель науки и техники Украины. Награжден Наградой Ярослава Мудрого Академии наук высшей школы Украины.

С 2016 г. кафедру возглавляет ПЫЛЕВ Владимир Александрович — профессор, доктор технических наук. Лауреат государственной премии 2008 года в области науки и техники. 

Владимир Александрович Пылёв

Выпускниками кафедры являются видные ученые, крупные специалисты- практики, талантливые педагоги. Генеральные конструктора в области двигателестроения, руководители передовых конструкторских бюро, крупных предприятий, фирм — практически во всех странах ближнего и дальнего зарубежья работают и держат высокую марку ХПИ випускники-двигателестроители. Среди них:

Генеральные конструктора — выпускники кафедры:

Александр Георгиевич Ивченко — генеральный конструктор авиационных двигателей:

Родился 23 ноября 1903 года в г. Большой Токмак . С 1930 по 1935 г.г. учился в харьковском механико- машиностроительном институте (ныне Национальный технический университет «ХПИ») на специальности «Двигатели внутреннего сгорания». В 1935 г. получает диплом. Это был первый выпуск специалистов по двигателям в Украине. А.Г. Ивченко направлен на моторный завод № 29 им. П.И.Баранова в г. Запорожье (сейчас ОАО «Мотор-сич»). Работает на должностях руководителя конструкторской бригады, заместителя и начальника конструкторского бюро, заместителя главного конструктора по проектированию авиационных двигателей внутреннего сгорания. В 1945 г. А.Г. Ивченко организовывает в г. Запорожье ОКБ-478 (ныне ЗКБМ «Прогресс» им. Ивченко).

А.Г. Ивченко — доктор технических наук, Герой Социалистического труда, Лауреат Ленинской и Государственной премий, член Академии Наук Украинской ССР. За выдающиеся достижения в области авиационного двигателестроения награжден тремя орденами Трудового Красного Знамени, орденом Красной Звезды, медалью «За доблестную работу в Великой Отечественной войне».

11 июня 1998 года состоялась торжественная церемония открытия мемориальной доски выдающемуся конструктору авиадвигателей академику Александру Георгиевичу Ивченко. Доска установлена на здании Лабораторного корпуса ХПИ, в котором он учился в 1930-1935 гг.

Трашутин Иван Яковлевич

Родился в 1906г. В 1930 получает диплом на кафедре ДВС Харьковского политехнического института. После окончания ХПИ работает на заводе им. Малышева и принимает участие в создании танкового двигателя В-2. Затем проходит 3-х годичную стажировку в США, где в Массачусетском технологическом институте им была защищена магистерская научная работа. С 1941 генеральный конструктор Кировского завода в Челябинске по производству ДВС специального назначения.Герой социалистического труда, лауреат Государственной премии.

Бутов Владимир Иванович

Родился 25.10.1934г. в с. Ровеньки Белгородской обл. (25.10.1934-6.11.1999). В 1957 окончил Харьковский политехнический институт по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». На ЧТЗ с 1957. За 40 лет работы на этом предприятии прошел путь от инженера — исследователя до генерального конструктора. В 1981-97 возглавлял ГСКБ «Трансдизель». Последователь И. Я. Трашутина. Конструктор трансп. двигателей, засл. изобретатель РСФСР (1983), засл. конструктор РФ (1995), Герой Социалистического Труда (1985). Был награжден орденом «Знак Почета» и медалями.

Самусь Николай Иванович

Родился в 1935г. В 1953 — 1958 гг студент кафедры ДВС Харьковского политехнического института. С 1958 по 1967 гг работает на инженерных должностях в конструкторском бюро топливной аппаратуры. В 1967 становится заместителем главного конструктора завода топливной аппаратуры (г. Вильнюс). Одновременно в 1973г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование и выбор параметров топливного насоса распределительного типа». С 1975 по 2005 год работал главным конструктором Чугуевский завода топливной аппаратуры.

Николай Осипович Кваша — генеральный конструктор центрального конструкторского бюро «Лазурит»:

Родился 8 декабря 1929г. Учился в Харьковском политехническом институте на кафедре двигателей внутреннего сгорания. Далее завод «Красное Сормово» в г. Горький и должность конструктора. Затем начальник конструкторского бюро автоматизации производства. Создано специализированное конструкторское бюро СКБ-112 (ЦКБ «Лазурит») — ведущий конструктор отдела вооружения. Чуть позже был назначен заместителем главного конструктора.

В 33 летнем возрасте он стал главным инженером конструкторского бюро и проработал на этой должности 22 года. Удостоен звания Героя Российской Федерации.

В 1993 году приказом Правительства Российской Федерации Н.И. Кваша назначен Генеральным конструктором центрального конструкторского бюро «Лазурит».Н.О. Кваша защитил докторскую диссертацию в области транспорта, избран действительным членом Академии Транспорта Российской Федерации.

В 1999 году ему вручили орден «За заслуги перед Отечеством» III степени.

Николай Карпович Рязанцев — генеральный конструктор Харьковского конструкторского бюро по двигателестроению, творец современных танковых дизелей:

Родился 30 апреля 1937 года. В 1954-1959 гг учился на кафедре двигателей внутреннего сгорания Харьковского Политехнического Института. С 1959 г. работает инженером на ГП «Завод имени Малышева». С 1973 года является Главным конструктором Харьковского конструкторского бюро по двигателестроению при заводе им. Малышева. Далее назначается Генеральным конструктором ХКБД.

Соучредитель филиала кафедры двигателей внутреннего сгорания НТУ «ХПИ» в КП «ХКБД».Н.К. Рязанцев подготовил одного доктора и 5 кандидатов технических наук. Издал более 280 научных и педагогических трудов, имеет 70 авторских свидетельств и патентов на изобретения.  Заслуженный деятель науки и техники Украины, лауреат Государственной премии Украины в области науки и техники, доктор технических наук, профессор. В 2004 г. ему присвоено звание почетного доктора НТУ «ХПИ».За высокие достижения награжден орденом «Знак Почета», орденом «Ленина», орденом «За заслуги III степени».

Коржов Михаил Алексеевич

Родился в 1935г. В 1953 — 1958 гг студент кафедры ДВС Харьковского политехнического института. С 1958 по 1967 гг работает на конструкторских должностях в ПО «ГАЗ». В 1968 переходит на работу в АвтоВАЗ руководителем группы. В 1979 защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование и выбор основных параметров двигателя легкового автомобиля». В 1983 становится начальником КБ роторно-поршневых ДВС АвтоВАЗа. С 1986 по 1998гг Главный конструктор по двигателям, заместитель генерального конструктора АвтоВАЗа. Начиная с 1999 занимает должность начальника бюро перспективных разработок АвтоВАЗа.

Волошин Юрий Петрович

Родился в 1941г. В 1958 — 1964 гг студент кафедры ДВС Харьковского политехнического института. С 1964 по 1966 гг работает на конструкторских должностях в ГСКБД. Возвращается на кафедру в 1966, где в 1975г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование эффективности систем газотурбинного наддува быстроходного комбайнового дизеля». Несколько лет занимал должность заместителя заведующего кафедрой ДВС по научной работе. В 1983 году становится главным конструктором Чебоксарского завода промышленных тракторов. 1990 год — Главный конструктор — первый зам. директор, вице-президент — генеральный конструктор АО «Дизельпром». 1998 год — генеральный директор Шумерлинского завода спецавтомобилей. В 2002 году назначен заместителем Председателя Кабинета Министров Чувашской Республики — министром промышленности, транспорта и связи Чувашской Республики.

Пархоменко Николай Давыдович (1935 — 2001 гг)

 С 1953 по 1958 гг студент кафедры ДВС Харьковского политехнического института. С 1958 по 1969 гг работает на конструкторских должностях в ПО «ГАЗ». С 1969 года работает руководителем группы ПО «ГАЗ». В 1973 г. становится начальником конструкторско-экспериментального отдела ПО «ГАЗ». С 1977 года занимал должность Главного конструктора по двигателям, зам. Генерального конструктора ПО «ГАЗ». В 1998 г — защитил кандидатскую диссертацию на тему «Разработка, исследование и доведение дизеля для грузовых автомобилей ГАЗ».

Строков Александр Петрович — главный конструктор ГСКБД.

Родился 28 июля 1946 года. В 1971 году окончил Харьковский политехнический институт по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». Трудовую деятельность начал и более 30 лет работал в Главном специализированном конструкторском бюро по двигателям средней мощности (ГСКБД). Прошел путь от инженера-исследователя до Генерального конструктора. В 1981 году Строков А.П. защитил кандидатскую диссертацию в 1995 г. — докторскую диссертацию, а в 2000 году ему было присвоено ученое звание профессора.Всего за период своей творческой деятельности Строковым А.П. опубликовано более 100 научных и методических работ, среди них 12 свидетельств на изобретения, 7 учебников.Одновременно с научно-производственной деятельностью вел преподавательскую работу в Украинской академии железнодорожного транспорта и Харьковском государственном автодорожном техническом университете будучи профессором кафедры.Строков А.П. является действующим членом Инженерной Академии Украины.

 

За годы существования кафедры защищено 20 докторских и 140 кандидатских диссертации, в том числе, за последние 10 лет — 8 и 22 диссертации, соответственно.

Защитили докторские диссертации:

ГРУНАУЕР Александр Адольфович

Защитил докторскую диссертацию в 1969 году на тему «Исследование системы регулирования тракторного двигателя и его взаимодействие с упругими системами трансмиссии и подвески трактора», профессор с 1972 г. Подготовил 6 кандидатов наук. Автор трех монографий: «Регуляторы тракторных и комбайновых двигателей» (1964 г.) и др., Опубликовано более 50 статей. С 1968 по 1991 годы был заведующим кафедрой теории механизмов и машин Харьковского политехнического института. Опубликовал 3 учебника, имеет 9 свидетельств на изобретения.

ДЬЯЧЕНКО Василий Григорьевич

Защитил докторскую диссертацию в 1974 году на тему «Исследование и выбор основных параметров четырехтактных быстроходных дизелей». Опубликовал более 100 научных работ, имеет более 40 свидетельств на изобретения. Выпустил три учебных пособия с грифом Минвуза СССР. С 1978 года профессор кафедры ДВС Харьковского политехнического института. Руководит научным направлением по созданию новых многотопливных двигателей и систем топливоподачи. Подготовил 11 кандидатов наук.

ШОКОТОВ Николай Константинович

Защитил докторскую диссертацию в 1978 году на тему «Термодинамические основы оптимизации характеристик перспективных тепловозных и судовых дизелей». Опубликовал более 160 научных статей, имеет 15 свидетельств на изобретения. Выпустил два учебных пособия с грифом Минвуза СССР. С 1981 г. по 1998 г. был профессором кафедры ДВС Харьковского политехнического института. Работал заместителем заведующего кафедрой двигателей внутреннего сгорания Харьковского политехнического института по научной работе. Руководил научным направлением по созданию новых комбинированных дизелей с системами вторичного использования теплоты, модернизации дизелей с целью повышения эксплуатационной топливной экономичности. Подготовил 3 доктора наук и 13 кандидатов наук.

РАЗЛЕЙЦЕВ Николай Фокеевич

Защитил докторскую диссертацию в 1981 году на тему «Исследование, моделирование и оптимизация процесса сгорания в форсированных дизелях». Автор монографии «Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях» (1980 г.), двух конспектов лекций по курсу «Теория горения» и более 100 статей. Получил 7 свидетельств на изобретения. Выпустил два учебных пособия с грифом Минвуза СССР. С 1981 года был заместителем заведующего кафедрой ДВС Харьковского политехнического института по учебной работе. С 1984 г. по 1995 г. был профессором кафедры ДВС. Руководил научным направлением по повышению эффективности тепловыделения в дизелях за счет согласования характеристик камер сгорания, воздухо- и топливоподачи. Подготовил 6 кандидатов наук.

ПОЙДА Анатолий Николаевич

Защитил докторскую диссертацию в 1990 году на тему «Методы определения параметров и характеристик внутрицилиндрових процессов дизелей на основе средств автоматизации и микропроцессорных систем». Опубликовал более 50 научных работ, имеет 12 свидетельств на изобретения, поставил 12 лабораторных работ. Разработал методические указания к лабораторным работам и домашних заданий по курсам «Испытания ДВС», «Электронные устройства в системах ДВС». Подготовил 3 кандидата наук. С 1995 года профессор кафедры КГМ Харьковского политехнического института.

АМБРОЗИК Анджей

Защитил докторскую диссертацию в 1991 году на тему «Совершенствование методов оценки и выбор путей улучшения показателей перспективных автомобильных дизелей производства Польши». Автор 4 учебных пособий для студентов, опубликовал более 35 научных работ. С 1970 года сотрудник политехнического института в г. Кельце (Польша). С 1992 года заведующий кафедрой «Автомобили и двигатели внутреннего сгорания».

ТРЕТЬЯК Евгений Иванович

Защитил докторскую диссертацию в 1992 году на тему «Оптимизация процессов теплопередачи в форсированных дизелях на основе сопряженных математических моделей нестационарной теплопроводности». Соавтор монографии «Современные дизели», автор более 60 статей, получил 7 свидетельств на изобретения. С 1977 года работал доцентом кафедры ДВС, с 1993 года стал профессором кафедры. Разработал методические указания по курсам «Теплопередача в ДВС» и «Компьютерная подготовка».

АБРАМЧУК Федор Иванович

Защитил докторскую диссертацию в 1993 году на тему «Основы повышения термоусталостной и длительной прочности поршней быстроходных форсированных дизелей». Соавтор монографий «Современные дизели: повышение топливной экономичности и длительной прочности», «Процессы в перспективных дизелях», а также шестого тома серии учебников «ДВС» для подготовки специалистов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». Опубликовал более 30 статей. Имеет более 20 свидетельств на изобретения. С 1994 года профессор кафедры ДВС ХГПУ. Разработал методические указания к курсовому и дипломному проектированию по динамическому расчету ДВС. Подготовил 6 кандидатов наук. С 2002 года заведующий кафедрой ДВС Харьковского национального автомобильно-дорожного университета.

АБДУЛГАЗИС Умер Абдулаевич

Защитил докторскую диссертацию в 1994 году на тему «Проблемы и пути конструктивного адаптации автотракторных дизелей в природно-агрессивным условиям аридного климата». Соавтор трех монографий по проблемам долговечности и химической коррозии деталей цилиндро-поршневой группы автотракторных дизелей. Опубликовал более 40 статей. Имеет 3 авторских свидетельства на изобретения. Разработал учебно-методические пособия для дипломных и курсовых проектов. С 1989 года доцент Бухарского технологического института (Узбекистан). В настоящее время профессор, заведующий кафедрой эксплуатации и ремонта автомобилей Крымского государственного инженерно-педагогического университета, г. Симферополь.

ПЫЛЁВ Владимир Александрович

Защитил докторскую диссертацию в 2002 году на тему «Научные основы обеспечения длительной прочности поршней быстроходных дизелей при использовании САПР». Подготовил 2 кандидата наук. Руководит научным направлением по оптимизации, информационным технологиям и САПР в ДВС. Разработал методические указания по дисциплинам «Теория ДВС», «Информатика», «САПР ДВС». Автор монографии «Автоматизированное проектирование поршней быстроходных дизелей с заданным уровнем длительной прочности». Опубликовал 93 статьи, получил 12 свидетельств на изобретения. Соавтор четвертого тома серии учебников «ДВС» для подготовки специалистов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания». В 2006 году получил звание профессора. Лауреат Государственной премии Украины.

ПАРСАДАНОВ Игорь Владимирович

Защитил докторскую диссертацию в 2003 году на тему «Научные основы комплексного улучшения показателей топливной экономичности и токсичности отработавших газов дизелей грузовых автомобилей и сельскохозяйственных машин». Руководит на кафедре научным направлением по улучшению топливной экономичности, снижению токсичных выбросов отработавших газов, комплексной эколого-экономической оценке дизелей. Автор монографии «Повышение качества и конкурентоспособности дизелей на основе комплексного топливно-экологического критерия». Опубликовал более 90 статей, разработал методическое пособие, получил 6 свидетельств на изобретения. С 2004 года заместитель заведующего кафедрой ДВС по научной работе. Победитель конкурса 2005 года в номинации «Преподаватель профессионально-ориентированных и специальных дисциплин». В 2006 году получил звание профессора.

ШПАКОВСКИЙ Владимир Васильевич

Защитил докторскую диссертацию 01.07.2010 г. на тему «Научно-технические основы улучшения показателей ДВС применением поршней с корундовым слоем». Уже много лет занимается разработкой и совершенствованием технологии изготовления деталей с поверхностным корундовым слоем. С 1988 по 2010 г.г. выступал с докладами на 19 международных научно-технических конференциях, результаты научных исследований экспонировались на 68 выставках в Украине, России, Белоруссии, Польши, Болгарии, Германии, Вьетнаме, Китае, Индии и США.

ПРОХОРЕНКО Андрей Алексеевич

Защитил диссертацию 04 апреля 2013 на тему «Научные принципы  разработки систем управления дизелей с электрогидравлической топливной аппаратурой».

Сейчас в составе кафедры шесть докторов наук, профессоров, 18 кандидатов наук, 8 доцентов, аспиранты и докторанты. В проблемной научно — исследовательской лаборатории трудятся 16 научных сотрудников, в том числе пять кандидатов наук.

С 1980 года кафедра является базовой среди украинских ВУЗов по моторостроению.

Встреса руководства университета и кафедры с американскойделегацией, 2005 г.

Китайская делегация по приглошению Правительства Украины,2006 г.

Материальная база учебного и научного процессов включает производственные площади 1700 кв. метров, в том числе два моторных зала, центр ЭВМ, аудитории технических средств обучения, аудитории для дипломного и курсового проектирования, лаборатории измерений и топливной аппаратуры, компрессорный узел и др. Используются уникальные приборы и аппараты, экспериментальные стенды, в том числе для исследований длительной прочности деталей камеры сгорания ДВС, систем глубокой вторичной утилизации, рабочих процессов с расслоением заряда и др.

Сотрудники кафедры в учебной моторной лаборатории кафедры,2006 г.

Филиал кафедры при ХКБД завода им. Малышева является одним из лучших в НТУ «ХПИ». Особую ценность имеет банк данных по спецдвигателям, накопленный ХКБД.

Объем учебных дисциплин кафедры составляет 11 тысяч часов в год. Кафедра обеспечивает преподавание более 40 специальных дисциплин, в том числе таких которые читаются только в НТУ «ХПИ»: «Компьютерные системы управления ДВС», «Надежность ДВС», «Кинетика сгорания в ДВС», «Оптимизация ДВС» и другие .

web.kpi.kharkov.ua

Анализ конструктивных решений по созданию транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания



В настоящей статье проведен анализ существующих конструктивных решений, используемых при создании транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Определена оптимальная кинематическая схема энергоустановки, наиболее эффективная конструкция теплового двигателя и нагружающего устройства, а также предъявлены требования к вспомогательным системам и агрегатам.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, свободнопоршневой двигатель, энергоустановка, линейный генератор

Введение

Основным источником энергии как на автомобильном транспорте, так и в малой энергетики в настоящее время остаются тепловые двигатели, основным конструктивным узлом в которых является кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Устойчивую позицию этим двигателям обеспечивают распространенность используемого топлива, преимущественно нефтяного происхождения, высокая технологичность конструкции и, как следствие, доступная стоимость изготовления, относительно не высокие эксплуатационные расходы, ресурсные параметры, а также относительно неплохие показатели энергоэффективности и экологичности. Однако, для достижения высоких удельных мощностных показателей, хорошей топливной экономичности и низкого уровня выбросов вредных веществ с отработавшими газами все современные тепловые двигатели, основанные на кинематике КШМ, вынуждены использовать в своем составе большое количество сложных и дорогостоящих систем, в основе которых лежат как механические узлы и агрегаты, так и мехатронные и микропроцессорные системы, действия которых направлены на повышение эффективности термодинамического цикла двигателя [1, 2, 3, 4]. Стоит отметить, что чем более совершенными и отточенными являются рабочие процессы в конкретном двигателе, т. е. чем выше показатели его топливной экономичности и ниже концентрация вредных веществ в отработавших газах, тем выше его себестоимость и, следовательно, дороже его обслуживание и ремонт, причем это вызвано не только более высокой стоимостью запасных частей и расходных материалов, но и необходимостью привлечения высококвалифицированного персонала для проведения регламентных работ.

Современные тепловые двигатели вплотную приближаются к границе своего технического совершенства, а применяемые конструктивные и прочие мероприятия, становясь все более изощреннее, в конструктивном смысле, и дороже, приносят все менее ощутимый эффект. Вполне обоснованно можно предположить, что в ближайшие десятилетия дальнейшее совершенствование традиционных тепловых двигателей будет уже экономически нецелесообразно, т. к. будет пройден тот рубеж, при переходе через который стоимость изготовления, а также дальнейшей эксплуатации и обслуживания превысят экономическую выгоду от снижения расхода топлива, которую смогут обеспечить внедряемые технические решения, а единственным стимулом, оправдывающим усложнение конструкции двигателей и энергоустановок в целом, будет снижение эмиссии вредных веществ.

Все это предопределяет необходимость поиска свежих идей в области создания альтернативных конструкторских решений и новых типов двигателей, которые позволят поднять показатели тепловых двигателей на новую ступень, при этом сохранив рациональность их использования в автотранспортных средствах и малой энергетике.

Одним из таких решений, набирающим популярность в последнее десятилетие, является использование свободнопоршневых кинематических схем в тепловых двигателях, позволяющих получать механическую энергию, произведенную в результате сжигания топлива, непосредственно с рабочего поршня. Причины возобновления интереса научной общественности к данному направлению кроются в ряде преимуществ, которыми обладают свободнопоршневые (СП) тепловые двигатели в сравнении с традиционными двигателями, у которых тепловая энергия передается от поршня через кривошипно-шатунный механизм на вращающийся коленчатый вал двигателя. В частности, можно отметить, что свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) превосходят кривошипно-шатунные аналоги по материалоемкости, технологичности и стоимости изготовления, массогабаритным параметрам, ресурсу, показателям удельного эффективного расхода топлива при низких требованиях, предъявляемых к используемому топливу, а также по уровню эмиссии вредных веществ [5]. Все эти преимущества в основном объясняются более высоким эффективным КПД таких двигателей, в частности, вследствие меньших механических потерь, а также простотой конструкции, потенциально лучшей уравновешенностью двигателя и возможностью обеспечения изменяемой степени сжатия.

В ходе проведения исследований одной из поставленных задач являлось формирование технического облика автотранспортной энергоустановки на базе СП ДВС.

Обзор ианализ существующих конструктивных решений

Очевидно, что на транспорте СП ДВС целесообразнее использовать в составе гибридной энергоустановки [6], а также в роли основной составляющей «увеличителя пробега» (в переводе с англ. «range extender») электромобилей [7] совместно с линейным генератором для выработки электроэнергии, которая в последствии должна использоваться для привода автомобиля и питания бортовых систем, а не в качестве движителя транспортного средства. В ходе сравнения существующих видов и концепций энергоустановок на базе СП ДВС, основанного на анализе современных научно-технических источников, были сделаны следующие выводы:

1) Наиболее предпочтительным по энергетическим показателям для СП ДВС является двухтактный рабочий процесс. Применение четырехтактного рабочего процесса для СП ДВС нецелесообразно в виду значительного снижения эффективности за счет большего числа преобразований энергии для реализации четырех рабочих тактов, а так же в связи с проблемами, связанными с неравномерностью работы установки, усложнения конструкции двигателя и потенциального увеличения его стоимости.

2) Важным вопросом при создании СП ДВС является выбор кинематической схемы с точки зрения количества, вида связи и взаимного направления перемещения рабочих поршней.

Применение компоновок с отдельной камерой сгорания для каждого рабочего поршня, в т. ч. одноцилиндровых или двух цилиндровых конструкций, но с жестко связанными поршнями, осложняется за счет неуравновешенности сил инерции, вследствие чего при работе двигателя будут возникать повышенные вибрации. Использование данных кинематических схем возможно при модульном подходе в создании энергоустановок, предусматривающим наличие четного числа СП ДВС, работающих в противофазе, и тем самым обеспечивающих взаимное уравновешивание, однако в данном случае могут возникнуть сложности с обеспечением их синхронизации.

Наиболее оптимальной кинематической схемой для СП ДВС, представленной на рисунке 1, является конструкция с двумя противоположно движущимися поршнями, объединенными общим цилиндром.

Рис. 1. Кинематическая схема СП ДВС с противоположно движущимися поршнями

Применение такого технического решения позволяет избавиться от вибраций за счет компенсации инерционных нагрузок при сохранении приемлемых массогабаритных показателей.

3) В качестве нагружающего устройства для СП ДВС в транспортной энергоустановке наиболее подходят асинхронные линейные машины на постоянных магнитах из редкоземельных металлов [8] за счет простоты конструкции, высокой эффективности, низкого уровня тепловых потерь, хороших динамических показателей и высокой точности позиционирования. Учитывая вышеописанную схему СП ДВС, основанную на двух противоположно движущихся поршнях, очевидно, что конструкция энергоустановки должна включать в себя две линейные электромашины, подвижные части которых жестко связаны с рабочими поршнями.

4) Результаты динамического анализа [9] показали, что для оптимизации энергоэффективных и массогабаритных показателей в состав энергоустановки на базе СП ДВС целесообразно ввести пневматические пружины, поршни которых жестко связаны с рабочими поршнями СП ДВС и подвижными частями электромашин (см. рисунок 2), выполняющие роль, во-первых, накопителей кинетической энергии, необходимой для возврата поршней в верхнюю мертвую точку для сжатия свежего заряда на каждом последующем такте, а во-вторых, дополнительного источника механической энергии для обеспечения работы линейных электрических машин в режиме генератора на всех тактах работы СП ДВС. Такой подход позволяет существенно минимизировать размеры подвижных частей линейных электромашин при значительном снижении инерционных нагрузок в системе.

Рис. 2. Схема энергоустановки на базе СП ДВС

Стоит отметить, что при выборе геометрических параметров пневмопружин необходимо искать компромисс между диаметром поршней и рабочим давлением. Увеличение диаметра, безусловно, позволяет понизить величину рабочего давления внутри пневмопружин, тем самым снижая требования к конструкционным параметрам их деталям, однако негативно сказывается на габаритных показателях энергоустановки в целом. Применение дополнительного жидкостного охлаждения позволяет нивелировать негативное влияние повышенного давления за счет понижения рабочей температуры в пневмопружинах.

5) Особое внимание при создании энергоустановок с СП ДВС необходимо уделить вопросу организации газообмена в двигателе. Процесс газообмена в свободнопоршневом двигателе целесообразнее осуществлять по двухтактной схеме через впускные и выпускные окна, поэтому рассмотрим подробнее различные методы организации продувки для данного типа двигателей и определим оптимальный из них.

Для свободнопоршневого двигателя аналогом кривошипно-камерной продувки является запоршневое пространство. Применение продувки посредством запоршневого пространства осложняется тем, что в нём должна осуществляться смазка цилиндропоршневой группы, при этом часть масла неизбежно будет попадать в рабочий цилиндр двигателя вместе с продувочным воздухом и сгорать вместе с топливовоздушной смесью, что негативно повлияет на экологические показатели СП ДВС. Другим вариантом газообмена является установка дополнительной продувочной камеры, которая будет обеспечивать продувку, но ее наличие будет увеличивать габаритные размеры двигателя. Оба указанные варианты имеют недостаток, свойственный всем классическим двухтактным двигателям, который заключается в том, что при газообмене кривошипно-камерной продувкой возникают проблемы с высоким процентом остаточных газов, кроме того, такая продувка не позволяет эффективно применять наддув.

Улучшение процесса газообмена может быть обеспечено за счет применения выпускных клапанов в системе газообмена двигателя по аналогу прямоточно-клапанной продувки цилиндра. Применение такой схемы позволяет управлять моментом закрытия выпускного клапана, что позволяет избежать выброса топливовоздушной смеси в выпускной коллектор, тем самым снизить расход топлива, а также позволяет эффективно использовать системы наддува и повысить мощность. Однако, применение клапанов в системе газообмена свободнопоршневого двигателя затруднено отсутствием вращающихся узлов, необходимых для привода кулачкового механизма, и невозможно без использования отдельных приводных агрегатов. Современный уровень развития электротехники и систем управления позволяет применить индивидуальный электромагнитный привод клапанов, но стоит учитывать, что его интеграция в двигатель принесет и ряд недостатков, к которым, например, можно отнести большие энергозатраты на электропривод и проблему обеспечения безударной посадки клапана в седло.

Учитывая тот факт, что концепция свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания не предусматривает наличие вращающихся элементов, которые могли бы обеспечить привод механизма газораспределения аналогично традиционным двигателям с КШМ, наиболее технологичным способом организации газообмена остается использование прямоточно-щелевой продувкой, схема которой представлена на рисунке 3. В данной схеме один поршень перекрывает выпускные окна, а второй продувочные.

Рис. 3. Прямоточно-щелевая схема газообмена в СП ДВС с противоположно движущимися поршнями

Применение прямоточно-щелевой продувки, предусматривающей наличие системы наддува, компрессора или продувочного насоса, позволяет производить качественную продувку цилиндра, за счет чего снижается коэффициент остаточных газов и повышается эффективность двигателя. Естественно, такая схема не лишена недостатков. Одним из них является снижение действительной степени сжатия за счет расположения окон возле НМТ, что обязательно должно учитываться при моделировании процессов в СП ДВС. Также стоит отметить, что данная концепция газообмена существенно ограничит возможность регулирования процесса наполнения свежим зарядом и отвода отработавших газов в ходе работы двигателя, однако, учитывая специфику применения СП ДВС для работы в составе автомобильной энергоустановки, которой характерны квазистационарные режимы, это техническое решение позволит достичь требуемых энергоэффективных показателей двигателя при значительном упрощении его конструкции и повышении надежности. Для повышения эффективных показателей СП ДВС целесообразно организовать продувку посредством турбокомпрессора, приводимого кинетической энергией отработавших газов.

6) Рассматривая проблему организации смазки в СП ДВС, можно отметить, что применение в свободнопоршневых двигателях смазки путем разбавления топлива маслом, характерной для двухтактных двигателей, неэффективно, так как это возможно только при использовании продувки запоршневым пространством, кроме того такая организация смазки приводит к росту концентрации вредных веществ, выбрасываемых двигателем в атмосферу. Стоит также отметить снижение потребительских и эксплуатационных показателей ДВС с описанной организацией системы смазки вследствие необходимости подготовки бензо-масляной смеси в процессе каждой заправки топливом.

Применение классической комбинированной системы смазки, характерной для четырехтактных двигателей, в свободнопоршневом двигателе осложнено наличием в зоне хода компрессионных и маслосъемных (в некоторых случаях) колец органов газообмена, поэтому разработка системы смазки требует особого внимания. Одним из перспективных на сегодняшний день технических решений, позволяющих повысить экономические, экологические и ресурсные показатели ДВС, является совместное использование комбинированной системы смазки пониженной производительности и твердых смазочных покрытий, наносимых на детали трения [10, 11].

7) При создании энергоустановок на базе СП ДВС, учитывая характер тепловыделения в таких двигателях, которым свойственны большая скорость и величина тепловыделения в сравнении с кривошипно-шатунными ДВС (см. рисунок 4), вопрос правильной организации охлаждения деталей двигателя играет важное место. Ситуацию усугубляет также необходимость минимизации массы всех подвижных частей двигателя, в т. ч. рабочих поршней, в угоду снижения инерционных нагрузок, что предъявляет повышенные требования к отводу тепла от нагревающихся деталей, учитывая повышенную теплонапряженность двухтактного двигателя.

Для свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания в составе энергоустановки предпочтительно использование жидкостной системы охлаждения с регулируемой производительностью и независимым электроприводом, которая позволит точно регулировать температурный режим двигателя вне зависимости от параметров окружающей среды, а также даст возможность в перспективе повысить энергоэффективность энергоустановки в целом путем реализации различных мероприятий по утилизации тепловой энергии, в том числе отводимой в систему охлаждения [13, 14, 15] и с отработавшими газами [16, 17, 18], в том числе, используемыми в системе рециркуляции отработавших газов.

Рис. 4. График скорости тепловыделения [12]: 1 — свободнопоршневой двигатель; 2 — обычный дизельный двигатель

8) Учитывая целесообразность реализации двухтактного рабочего цикла в СП ДВС, для обеспечения в нем лучшей топливной экономичности и высоких экологических показателей необходимо использовать систему непосредственного впрыска топлива, которая позволит обеспечить точное дозирование цикловой подачи топлива и исключить выброс топлива в выпускной коллектор в процессе продувки цилиндра.

Выводы

В настоящей статье проведен сравнительный анализ конструктивных параметров основных элементов и сформирован технический облик транспортной энергоустановки на базе свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Объединение предложенных технических решений позволит обеспечить оптимальное сочетание экологических, энергоэффективных и многих эксплуатационных показателей при интеграции свободнопоршневого двигателя в состав транспортного средства.

Статья подготовлена в рамках проведения НИР по теме «Разработка научных основ и практических способов совершенствования показателей свободнопоршневых тепловых двигателей для транспортных и стационарных энергоустановок» в рамках стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, регистрационный номер СП-264.2015.1 при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Литература:

1. Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П., Тингаев Н. В. Анализ конструкций, обеспечивающих максимальную термодинамическую эффективность поршневых двигателей//Известия МГТУ «МАМИ». Научный рецензируемый журнал. -М.: МГТУ «МАМИ», 2012. — № 2 (14). -Т. 1 -С. 360–367.

2. Петриченко Д. А., Хрипач Н. А., Лежнев Л. Ю., Папкин Б. А., Шустров Ф. А., Татарников А. П. Использование многопараметрической нейросетевой модели управления энергоустановками на базе двигателя внутреннего сгорания. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2012. Т. 1. № 1. — 81 с.

3. Лежнев Л. Ю. Улучшение топливно-экономических и экологических показателей ДВС в составе комбинированных энергетических установок автотранспортных средств. Дисс. на соиск. Ученой степени канд. техн. наук — М: НАМИ, (2005) — 134с.

4. Лежнев Л. Ю., Иванов Д. А. Способы повышения энергоэффективных показателей двигателей с внешним подводом теплоты, работающих в составе установок автономного энергоснабжения//Современные проблемы науки и образования. 2013. № 5; URL: www.science-education.ru/111–10139.

5. Шустров Ф. А. и др. Оценка эффективности использования свободнопоршневых тепловых двигателей в составе транспортных и стационарных энергоустановок. / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10–3. С. 449–453.

6. Лежнев Л. Ю., Минкин И. М. АТС с комбинированной энергетической установкой//Автомобильная промышленность. 2003. — № 11 — С. 15–17.

7. Эйдинов А. А., Каменев В. Ф., Лежнев Л. Ю. Электромобили и автомобили с КЭУ//Автомобильная промышленность. 2002, № 11.

8. Goncharov V. I., Ezhov E. V., Chirkin V. G., Shirinsky S. V., Petrichenko D. A. Linear Alternator with Reciprocating Mover: Review of Designs and Machine Types. Biosciences Biotechnology Research Asia, 2015, Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 409–418.

9. Petrichenko D., Tatarnikov A., Papkin I. Approach to Electromagnetic Control of the Extreme Positions of a Piston in a Free Piston Generator. Modern Applied Science. Vol. 9, No. 1, 2015, pp. 119–128.

10. Nikolay Khripach, Leonid Lesnevskiy, Maxim Lyahovetskiy, Alexander Troshin. Potential of Microarc Oxidation for Implementation of Dry Friction and Boundary Lubrication Modes in Free-piston Internal Combustion Engines. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 10, Number 20 (2015), pp 40956–40964.

11. L. N. Lesnevskiy, L. Yu. Lezhnev, M. A. Lyakhovetskiy,A. E. Troshin, P. V. Gavrilov, and A. M. Ushakov. Inorganic Solid Lubricating Coatings for Heat Engines and Power Plants. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2015, Vol. 44, No. 5, pp. 455–463.

12. R. Mikalsen, A. P. Roskilly «A Review of Free-Piston Engine History and Applications», Applied Thermal Engineering, Vol. 27, № 14–15, 2007.

13. Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeyevich Korotkov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric cooling system for internal combustion engine. Part 1: development of the technical aspects. International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973–4562, Volume 11, Number 15 (2016), pp 8547–8552.

14. Nikolay Anatolyevich Khripach, Denis Alekseevich Ivanov and Igor Arkadyevich Papkin. Thermoelectric Cooling System for Internal Combustion Engine Part 2: Experimental Studies. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8540–8546.

15. Boris Arkadyevich Papkin, Nikolay Anatolyevich Khripach, Viktor Sergeevich Korotkov and Denis Alekseevich Ivanov. Thermoelectric generator for a vehicle engine cooling system research and development. International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973–4562 Volume 11, Number 15 (2016), pp 8557–8564.

16. Khripach N., Papkin B., Korotkov V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Sci J 2014;11(12):503–507.

17. Nikolay Anatolyevich Khripach, Boris Arkadyevich Papkin, Viktor Sergeevich Korotkov and Dmitriy Vladimirovich Zaletov. Study of the Influence of Heat Exchanger Body Design Parameters on the Performance of a Thermoelectric Generator for Automotive Internal Combustion Engine. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 677–689.

18. NikolayAnatolyevichKhripach, BorisArkadyevichPapkin, ViktorSergeevichKorotkov, AlexanderSergeevichNekrasovandDmitriyVladimirovichZaletov. Effect of a Thermoelectric Generator on the Fuel Economy of a Vehicle Operating in a Real-world Environment. BIOSCIENCES BIOTECHNOLOGY RESEARCH ASIA, September 2015. Vol. 12(Spl. Edn. 2), pp. 375–386.

Основные термины (генерируются автоматически): свободнопоршневой двигатель, двигатель, внутреннее сгорание, баз СП, показатель, кривошипно-шатунный механизм, транспортная энергоустановка, создание энергоустановок, поршень, Российская Федерация.

moluch.ru

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) » Детская энциклопедия (первое издание)

Один из самых распространенных двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания — бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, где горючим будет водород.

Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

Внутри цилиндра движется поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу (см. рис.).

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча — приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры.

Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-й такт — впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт — сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт — рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов — раскаленных продуктов горения — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Из 4 тактов двигателя только один, третий, — рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал (см. Валы и оси машин) вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации.

Дизель — другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива.

Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени.

Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан — форсунка. Назначение ее — в определенные фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя.

Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка. При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым.

В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2—2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелкораспыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным.

Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, открывается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется.

Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30 000 кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Двигатели модельные Дефектоскопия

.

de-ussr.ru

Двигатель внутреннего сгорания - история создания / Техника / stD

Это вступительная часть цикла статей посвящённых Двигателю Внутреннего Сгорания, являющаяся кратким экскурсом в историю, повествующая об эволюции ДВС. Так же, в статье будут затронуты первые автомобили.

В следующих частях будут подробно описаны различные ДВС:

• Шатунно-поршневые • Роторные • Турбореактивные • Реактивные

Паровая машина, послужившая прародителем ДВС, по своей сути являлась двигателем внешнего сгорания, так как горение топлива происходило в отдельно стоявшем котле, а рабочее тело (пар) подавалось в цилиндр по трубам. Такая конструкция приводила к большим потерям тепла (энергии) и черезмерному расходу топлива.

Для преодоления этих недостатков необходимо было сделать так, чтоб топливо сгорало непосредственно в самом цилиндре. Реализацией этой идеи и стал Двигатель Внутреннего Сгорания.

ДВС различного действияДвухтактный ДВС — на первом такте происходит впуск и сжатие горючей смеси, а на втором такте расширение и выпуск отработанных газов.

Четырёхтактный ДВС — на первом такте происходит впуск, на втором сжатие, на третьем расширение, на четвёртом выпуск.

Звёздообразный, или радиальный ДВС — имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров.

Ротативный ДВС — двигатель вращается вокруг неподвижного коленчатого вала.

Роторный ДВС — за один оборот двигатель выполняет один рабочий цикл.

Слово «Детонация» здесь неуместно, правильно будет — расширение. Детонация же, это разрушительное следствие неправильной работы двигателя.

Турбореактивный ДВС — в основном используются на самолётах.

Реактивный ДВС — используется в ракетах.

К первым попыткам создать ДВС (если не брать в расчёт артиллерийские орудия) можно отнести проект порохового двигателя в виде цилиндра с поршнем, предложенный Христианом Гюйгенсом и Дени Папеном, в 17 веке.

Идея заключалась в том, что насыпанный внутрь цилиндра и подожжённый порох, выталкивал поршень вверх. Конечно, назвать эту конструкцию двигателем можно лишь с большой натяжкой, однако нужно помнить что на дворе был 1690 год.

           

Чуть позже, Папен, вместо пороха залил в цилиндр воду, которая доводилась до кипения костром, разожженным под цилиндром, а образующийся пар толкал поршень. Тогда эта идея, отчасти, поспособствовала созданию паровой машины, а сейчас поршень и цилиндр используется в современных шатунно-поршневых ДВС.

Существовали и другие изобретатели 17-18 веков пытавшиеся создавать ДВС, но им не удалось добиться сколько-нибудь значимых результатов, да и информации о них крайне мало.

    В 1801 году, Филипп Лебон — французский инженер и изобретатель газового освещения, зарегистрировал патент на двигатель внутреннего сгорания работающий на смеси газа и воздуха.

В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешивания. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый «светильный газ» из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала в рабочий цилиндр, где и воспламенялась.

В связи со смертью Лебона, в 1804 году, двигатель так и остался проектом на бумаге.

К сожалению, не нашёл никаких картинок.

В 1806 году, французский изобретатель Джозеф Ньепс вместе со своим братом Клодом, сконструировали прототип двигателя внутреннего сгорания и назвали его «Pyreolophore».

Двигатель был установлен на лодку, которая смогла подняться вверх по течению реки Сона. Спустя год, после испытаний, братья получили патент на своё изобретение, подписаный Наполеоном Бонопартом, сроком на 10 лет.

Правильнее всего, было бы назвать этот двигатель реактивным, так как его работа заключалась в выталкивании воды из трубы находящейся под днищем лодки…

Двигатель состоял из камеры поджигания и камеры сгорания, сильфона для нагнетания воздуха, топливо-раздаточного устройства и устройства зажигания. Топливом для двигателя служила угольная пыль.

Сильфон впрыскивал струю воздуха смешанную с угольной пылью в камеру поджигания где тлеющий фитиль зажигал смесь. После этого, частично подожжённая смесь (угольная пыль горит относительно медленно) попадала в камеру сгорания где полностью прогорала и происходило расширение. Далее давление газов выталкивало воду из выхлопной трубы, что заставляло лодку двигаться, после этого цикл повторялся. Двигатель работал в импульсном режиме с частотой ~12 и/минуту.

Спустя некоторое время, братья усовершенствовали топливо добавив в него смолу, а позже заменили его нефтью и сконструировали простую систему впрыска. В течении следующих десяти лет проект не получил никакого развития. Клод уехал в Англию с целью продвижения идеи двигателя, но растратил все деньги и ничего не добился, а Джозеф занялся фотографией и стал автором первой в мире фотографии «Вид из окна».

Принято считать, что братья Ньепс были авторами первой в мире системы впрыска.

Во Франции, в доме-музее Ньепсов, выставлена реплика «Pyreolophore».

Справа стоит самокат (дрезина — лат. быстроя нога), который Джозеф Ньепс построил в 1817 году.

В том же 1807 году, швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Рива сконструировал двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием. Топливом для двигателя служил водород, а идею электрического поджига, де Рива позаимствовал у Алессандро Вольта.

Чуть позже, де Рива водрузил свой двигатель на четырёхколёсную повозку, которая, по мнению историков, стала первым автомобилем с ДВС.

Про Алессандро ВольтаВольта впервые поместил пластины из цинка и меди в кислоту, чтобы получить непрерывный электрический ток, создав первый в мире химический источник тока («Вольтов столб»).

В 1776 г. Вольта изобрел газовый пистолет — «пистолет Вольты», в котором газ взрывался от электрической искры.

В 1800 году построил химическую батарею, что позволило получать электричество с помощью химических реакций.

Именем Вольты названа единица измерения электрического напряжения — Вольт.

A — цилиндр, B — «свеча» зажигания, C — поршень, D — «воздушный» шар с водородом, E — храповик, F — клапан сброса отработанных газов, G — рукоятка для управления клапаном.

Водород хранился в «воздушном» шаре соединённым трубой с цилиндром. Подача топлива и воздуха, а так же поджиг смеси и выброс отработанных газов осуществлялись вручную, с помощью рычагов.

Принцип работы:

• Через клапан сброса отработанных газов в камеру сгорания поступал воздух. • Клапан закрывался. • Открывался кран подачи водорода из шара. • Кран закрывался. • Нажатием на кнопку подавался электрический разряд на «свечу». • Смесь вспыхивала и поднимала поршень вверх. • Открывался клапан сброса отработанных газов. • Поршень падал под собственным весом (он был тяжёлый) и тянул верёвку, которая через блок поворачивала колёса.

После этого цикл повторялся.

В 1813 году де Рива построил ещё один автомобиль. Это была повозка длиной около шести метров, с колесами двухметрового диаметра и весившея почти тонну. Машина смогла проехать 26 метров с грузом камней (около 700 фунтов) и четырьмя мужчинами, со скоростью 3 км/ч. С каждым циклом, машина перемещалась на 4-6 метров.

Мало кто из его современников серьезно относился к этому изобретению, а Французская Академия Наук утверждала, что двигатель внутреннего сгорания никогда не будет конкурировать по производительности с паровой машиной.

В Парижском «Музее искусств и ремёсел» экспонируется модель автомобиля Франсуа де Рива.

В 1825 году, английский инженер и изобретатель Сэмюэль Браун, создал двигатель работающий на газе (водород).

Принцип работы двигателя основывался на сжигании воздуха в цилиндре, что приводило к созданию вакуума и втягивании поршня, а для более эффективного охлаждения, цилиндр окружала водяная рубашка.

Двигатель использовался для перекачки воды и для приведения в движение речных судов. Браун создал компанию по производству двигателей для лодок и барж, некоторые из которых достигали скорости 14 км/ч. Тем не менее, предприятие оказалось неудачным из-за перебоев с поставками топлива и высокой стоимости.

В 1826 году, Сэмюэль Мори, пионер американского «паростроения», запатентовал двигатель внутреннего сгорания работающий на скипидаре и спирте.

Двигатель имел много общего с современными, он состоял из двух цилиндров с водяной рубашкой, карбюратора и выпускных клапанов.

Информации очень мало, поэтому пишу что есть:

Мори продемонстрировал свой ​​двигатель в Нью-Йорке и Филадельфии, о чём есть свидетельства очевидцев. Двигатели были установлены на лодку и на телегу. Во время демонстрации «автомобиля», Мори не справился с управлением и съехал в канаву. Это была первая в США поездка на автомобиле. Несмотря на успех, Мори не смог найти покупателя.

Популяризатором идеи Мори был Чарльз Дьюри, изобретатель, сконструировавший первый бензиновый двигатель в Америке. Он профинансировал создание двух рабочих реплик двигателя Мори, одна из которых находится в распоряжении Смитсоновского института, а другая принадлежит Дин Камен.

В 1833 году, американский изобретатель Лемюэль Веллман Райт, зарегистрировал патент на двухтактный газовый двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением.

Дугалд Клерк (см. ниже) в своей книге «Gas and Oil Engines» написал о двигателе Райта следующее:

«Чертеж двигателя весьма функционален, а детали тщательно проработаны. Взрыв смеси действует непосредственно на поршень, который через шатун вращает кривошипный вал. По внешнему виду двигатель напоминает паровую машину высокого давления, в которой газ и воздух подаются с помощью насосов из отдельных резервуаров. Смесь, находящаяся в сферических ёмкостях поджигалась во время подъёма поршня в ВМТ (верхняя мёртвая точка) и толкала его вниз/вверх. В конце такта открывался клапан и выбрасывал выхлопные газы в атмосферу.»

Неизвестно, был ли когда-либо этот двигатель построен, однако есть его чертёж:

В 1838 году, английский инженер Уильям Барнетт получил патент на три двигателя внутреннего сгорания.

Первый двигатель — двухтактный одностороннего действия (топливо горело только с одной стороны поршня) с отдельными насосами для газа и воздуха. Поджиг смеси происходил в отдельном цилиндре, а потом горящая смесь перетекала в рабочий цилиндр. Впуск и выпуск осуществлялся через механические клапана.

Второй двигатель повторял первый, но был двойного действия, то есть горение происходило попеременно с обоих сторон поршня.

Третий двигатель, так же был двойного действия, но имел впускные и выпускные окна в стенках цилиндра открывающееся в момент достижения поршнем крайней точки (как в современных двухтактниках). Это позволяло автоматически выпускать выхлопные газы и впускать новый заряд смеси.

Отличительной особенностью двигателя Барнетта было то, что свежая смесь сжималась поршнем перед воспламенением.

Чертёж одного из двигателей Барнетта:

В 1853-57 годах, итальянские изобретатели Еугенио Барзанти и Феличе Маттеуччи разработали и запатентовали двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания мощность 5 л/с. Патент был выдан Лондонским бюро так как итальянское законодательство не могло гарантировать достаточную защиту.

Строительство прототипа было поручено компании «Bauer & Co. of Milan» (Helvetica), и завершено в начале 1863 года. Успех двигателя, который был гораздо более эффективным чем паровая машина, оказался настолько велик, что компания стала получать заказы со всего света.

Ранний, одноцилиндровый двигатель Барзанти-Маттеуччи:

Модель двухцилиндрового двигателя Барзанти-Маттеуччи:

Маттеуччи и Барзанти заключили соглашение на производство двигателя с одной из бельгийских компаний. Барзанти отбыл в Бельгию для наблюдения за работой лично и внезапно умер от тифа. Со смертью Барзанти все работы по двигателю были прекращены, а Маттеуччи вернулся к своей прежней работе в качестве инженера-гидравлика.

В 1877 году, Маттеуччи утверждал, что он с Барзанти были главными создателями двигателя внутреннего сгорания, а двигатель построенный Августом Отто очень походил на двигатель Барзанти-Маттеуччи.

Документы касающиеся патентов Барзанти и Маттеуччи хранятся в архиве библиотеки Museo Galileo во Флоренции.

Национальный музей науки и техники Леонардо да Винчи в Милане.

В 1860 году, бельгийский инженер Жан Жозеф Этьен Ленуар построил двигатель внутреннего сгорания с водяным охлаждением, представлявший собой переделанную одноцилиндровую горизонтальную паровую машину двойного действия, работавший на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием. Мощность двигателя составляла 12 л/с.

Двигатели Ленуара использовались как стационарные, судовые, на локомотивах и на дорожных экипажах.

Современная модель:

Принцип работы прост: смесь, с помощью одного золотникового устройства, попеременно подавалась в полости цилиндра и поджигалась от «свечи», а через другой золотник выбрасывались отработанные газы.

Золотник

В зависимости от положения золотника, окна (4) и (5) сообщаются с замкнутым пространством (6) окружающим золотник и заполненным паром, или с полостью 7, соединённой с атмосферой или конденсатором.

Это был первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания. К 1865 году более 400 единиц использовались во Франции и около 1000 в Великобритании.

Двигатель Ленуара. «Музей искусств и ремёсел». Париж.

В 1862 году Ленуар построил первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, адаптировав свой ​​двигатель для работы на жидком топливе.

Даже капот есть

После появления четырёхтактного двигателя конструкции Николауса Отто, двигатель Ленуара быстро потерял свои позиции на рынке.

В 1861 году, французский инженер Альфонс Эжен Бо де Роша получил патент на четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Проект был реализован только на бумаге.

Картинок я не нашёл.

В 1863 году, Николаус Август Отто и Карл Ойген Ланген сконструировали атмосферный двигатель внутреннего сгорания и основали завод по его производству «N. A. Otto & Cie».

В 1867 году на «Парижской Всемирной Выставке» их двигатель был удостоен золотой медали.

После банкротства в 1872 году, Ланген и Отто основали новую компанию, которая сегодня известна как «Deutz AG». На должность топ-менеджера был принят Готлиб Даймлер, который в свою очередь, взял на должность главного конструктора своего друга Вильгельма Майбаха.

Самым главным изобретением Николауса Отто был двигатель с четырёхтактным циклом — циклом Отто. Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей.

Четырёхтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто, но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Роша (см. выше). Группа французских промышленников оспорила патент Отто в суде, суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.

Не смотря на то, что конкуренты наладили выпуск четырёхтактных двигателей, отработанная многолетним опытом модель Отто всё равно была лучшей, и спрос на неё не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область их применения. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два — в Москве и Петербурге.

В 1865 году, французкий изобретатель Пьер Хьюго получил патент на машину представлявшую собой вертикальный одноцилиндровый двигатель двойного действия, в котором для подачи смеси использовались два резиновых насоса, приводимых в действие от коленчатого вала.

Позже Хьюго сконструировал горизонтальный двигатель схожий с двигателем Ленуара.

Science Museum, London.

В 1870 году, австро-венгерский изобретатель Сэмюэль Маркус Зигфрид сконструировал двигатель внутреннего сгорания работающий на жидком топливе и установил его на четырёхколёсную тележку.

Сегодня этот автомобиль хорошо известен как «The first Marcus Car».

В 1887 году, в сотрудничестве с компанией «Bromovsky & Schulz», Маркус построил второй автомобиль — «Second Marcus Car».

Technisches Museum Wien

В 1872 году, американский изобретатель Джордж Брайтон запатентовал двухцилиндровый двигатель внутреннего сгорания постоянного давления, работающий на керосине. Брайтон назвал свой двигатель «Ready Motor».

Первый цилиндр выполнял функцию компрессора, нагнетавшего воздух в камеру сгорания, в которую непрерывно поступал и керосин. В камере сгорания смесь поджигалась и через золотниковый механизм поступало во второй — рабочий цилиндр. Существенным отличием от других двигателей, было то, что топливовоздушная смесь сгорала постепенно и при постоянном давлении.

Интересующиеся термодинамическими аспектами двигателя, могут почитать про «Цикл Брайтона».

В 1878 году, шотландский инженер Сэр (в 1917 году посвящён в рыцари)Дугалд Клерк разработал первый двухтактный двигатель с воспламенением сжатой смеси. Он запатентовал его в Англии в 1881 году.

Двигатель работал любопытным образом: в правый цилиндр подавался воздух и топливо, там оно смешивалось и эта смесь выталкивалась в левый цилиндр, где и происходило поджигание смеси от свечи. Происходило расширение, оба поршня опускались, из левого цилиндра (через левый патрубок) выбрасывались выхлопные газы, а в правый цилиндр всасывалась новая порция воздуха и топлива. Следуя по инерции поршни поднимались и цикл повторялся.

В 1879 году, Карл Бенц, построил вполне надежный бензиновый двухтактный двигатель и получил на него патент.

Однако настоящий гений Бенца проявился в том, что в последующих проектах он сумел совместить различные устройства (дроссель, зажигание с помощью искры с батареи, свеча зажигания, карбюратор, сцепление, КПП и радиатор) на своих изделиях, что в свою очередь стало стандартом для всего машиностроения.

В 1883 году, Бенц основал компанию «Benz & Cie» по производству газовых двигателей и в 1886 году запатентовал четырехтактный двигатель, который он использован на своих автомобилях.

Благодаря успеху компании «Benz & Cie», Бенц смог заняться проектированием безлошадных экипажей. Совместив опыт изготовления двигателей и давнишнее хобби — конструирование велосипедов, к 1886-му году он построил свой первый автомобиль и назвал его "Benz Patent Motorwagen".

Конструкция сильно напоминает трехколёсный велосипед.

Одноцилиндровый четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания рабочим объёмом 954 см3., установленный на "Benz Patent Motorwagen".

Двигатель был оснащён большим маховиком (использовался не только для равномерного вращения, но и для запуска), бензобаком на 4,5 л., карбюратором испарительного типа и золотниковым клапаном, через который топливо поступало в камеру сгорания. Воспламенение производилось свечой зажигания собственной конструкции Бенца, напряжение на которую подавалось от катушки Румкорфа.

Охлаждение было водяным, но не замкнутого цикла, а испарительным. Пар уходил в атмосферу, так что заправлять автомобиль приходилось не только бензином, но и водой.

Двигатель развивал мощность 0,9 л.с. при 400 об/мин и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

Карл Бенц за «рулём» своего авто.

Чуть позже, в 1896 году, Карл Бенц изобрел оппозитный двигатель (или плоский двигатель), в котором поршни достигают верхней мертвой точки в одно и то же время, тем самым уравновешивая друг друга.

Музей «Mercedes-Benz» в Штутгарте.

В 1882 году, английский инженер Джеймс Аткинсон придумал цикл Аткинсона и двигатель Аткинсона.

Двигатель Аткинсона — это по существу двигатель, работающий по четырёхтактному циклу Отто, но с измененным кривошипно-шатунным механизмом. Отличие заключалось в том, что в двигателе Аткинсона все четыре такта происходили за один оборот коленчатого вала.

Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в этом двигателе не требовалось редуктора для привода газораспределительного механизма, так как открытие клапанов приводил в движение коленчатый вал.

Не смотря на ряд преимуществ (включая обход патентов Отто) двигатель не получил широкого распространения из-за сложности изготовления и некоторых других недостатков. Цикл Аткинсона позволяет получить лучшие экологические показатели и экономичность, но требует высоких оборотов. На малых оборотах выдаёт сравнительно малый момент и может заглохнуть.

Сейчас двигатель Аткинсона применяется на гибридных автомобилях «Toyota Prius» и «Lexus HS 250h».

В 1884 году, британский инженер Эдвард Батлер, на лондонской выставке велосипедов "Stanley Cycle Show" продемонстрировал чертежи трёхколёсного автомобиля с бензиновым двигателем внутреннего сгорания, а в 1885 году построил его и показал на той же выставке, назвав «Velocycle». Так же, Батлер был первым кто использовал слово бензин.

Патент на «Velocycle» был выдан в 1887 году.

На «Velocycle» был установлен одноцилиндровый, четырёхтактный бензиновый ДВС оснащенный катушкой зажигания, карбюратором, дросселем и жидкостным охлаждением. Двигатель развивал мощность около 5 л.с. при объёме 600 см3, и разгонял автомобиль до 16 км/ч.

На протяжении многих лет Батлер улучшал характеристики своего транспортного средства, но был лишен возможности его тестировать из-за "Закона Красного Флага" (издан в 1865 году), согласно которому транспортные средства не должны были превышать скорость свыше 3 км/ч. Кроме того, в автомобиле должны были присутствовать три человека, один из которых должен был идти перед автомобилем с красным флагом (такие вот меры безопасности).

В журнале «Английский Механик» от 1890 года, Батлер написал — «Власти запрещают использование автомобиля на дорогах, в следствии чего я отказываюсь от дальнейшего развития.»

Из-за отсутствия общественного интереса к автомобилю, Батлер разобрал его на металлолом, и продал патентные права Гарри Дж. Лоусону (производителю велосипедов), который продолжил производство двигателя для использования на катерах.

Сам же Батлер перешёл к созданию стационарных и судовых двигателей.

В 1900 году, в журнале "Autocar", Батлер опубликовал статью следующего содержания:

«Теперь, когда внимание общественности приковано к немецким изобретателям — Бенцу и Даймлеру, я надеюсь, что вы найдёте место в вашем журнале для иллюстрации небольшого бензинового автомобиля, который я считаю, был сделан абсолютно первым в этой стране. Я не могу утверждать, что сделал очень много, однако я проводил свои эксперименты в то время, когда прогресс тормозился из-за предрассудков людей и отсутствия интереса. Тем не менее, часть моих идей до сих пор используется во многих типах двигателей.»

В 1889 году, на Всемирной выставке в Париже, французский инженер Феликс Милле представил и запатентовал 5-цилиндровый ротационный (не роторный) двигатель, встроенный в колесо велосипеда.

Мотоцикл Феликса Милле, 1897 год.

Ротационный двигатель основан на стандартном цикле Отто, но вместо вращения коленчатого вала вращается весь двигатель выступая в роли маховика, а коленчатый вал стоит на месте.

Подобные двигатели широко использовались в авиации во времена Первой мировой войны.

Достоинства и недостатки этих двигателей будут описаны в отдельной статье, однако интересующиеся могут почитать википедию.

В 1891 году, Герберт Эйкройд Стюарт в сотрудничестве с компанией "Richard Hornsby and Sons" построил двигатель «Hornsby-Akroyd», в котором топливо (керосин) под давлением впрыскивалось в дополнительную камеру (из-за формы её называли «горячий шарик»), установленную на головке блока цилиндров и соединённую с камерой сгорания узким проходом. Топливо воспламенялось от горячих стенок дополнительной камеры и устремлялось в камеру сгорания.

1. Дополнительная камера (горячий шарик). 2. Цилиндр. 3. Поршень. 4. Картер.

Для запуска двигателя использовалась паяльная лампа, которой нагревали дополнительную камеру (после запуска она подогревалась выхлопными газами). Из-за этого двигатель «Hornsby-Akroyd», который был предшественником дизельного двигателя сконструированного Рудольфом Дизелем, часто называли «полу-дизелем». Однако спустя год Эйкройд усовершенствовал свой двигатель добавив к нему «водяную рубашку» (патент от 1892 г.), что позволило повысить температуру в камере сгорания за счёт увеличения степени сжатия, и теперь уже не было необходимости в дополнительном источнике нагрева.

В 1893 году, Рудольф Дизель получил патенты на тепловой двигатель и модифицированный "цикл Карно" под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу».

В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» (с 1904 года MAN), при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер, был создан первый функционирующий дизель Рудольфа Дизеля Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало живейший интерес промышленности в разных странах.

Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. Поэтому Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух и концу сжатия впрыскивать топливо в цилиндр под сильным давлением. Так как температура сжатого воздуха достигала 600—650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя, избавиться от системы зажигания, а вместо карбюратора использовать топливный насос высокого давления (ТНВД).

Позднее, в 1900 году, на "Всемирной выставке", Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).

В 1903 году, норвежский изобретатель Эгидий Эллинг построил первую газовую турбину, развивавшую мощность в 11 лошадиных сил. Патент на это изобретение он получил ещё в 1884 году.

К 1904-му году мощность турбины была увеличена до 44 лошадиных сил, а к 1932-му году турбина уже развивала мощность около 75 лошадиных сил.

В 1933 году Эллинг пророчески писал: «Когда я начал работать над газовой турбиной в 1882 году, я был твёрдо уверен в том, что моё изобретение будет востребовано в авиастроении.»

К сожалению, Эллинг умер в 1949 году, так и не дожив до наступления эры турбореактивной авиации.

Единственное фото, которое удалось найти.

Возможно кто-то найдёт что-либо об этом человеке в "Норвежском музее техники".

В 1903 году, Константин Эдуардович Циолковский, в журнале «Научное обозрение» опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полёт, является ракета. В статье был предложен и первый проект ракеты дальнего действия. Корпус её представлял собой продолговатую металлическую камеру, снабжённую жидкостным реактивным двигателем (который тоже является двигателем внутреннего сгорания). В качестве горючего и окислителя он предлагал использовать соответственно жидкие водород и кислород.

Наверное на этой ракетно-космической ноте и стоит закончить историческую часть, так как наступил 20-ый век и Двигатели Внутреннего Сгорания стали производиться повсеместно.

Философское послесловие…

К.Э. Циолковский полагал, что в обозримом будущем люди научатся жить если не вечно, то по крайней мере очень долго. В связи с этим на Земле будет мало места (ресурсов) и потребуются корабли для переселения на другие планеты. К сожалению, что-то в этом мире пошло не так, и с помощью первых ракет люди решили просто уничтожать себе подобных...

Спасибо всем кто прочитал.

Все права защищены © 2016 istarik.ruЛюбое использование материалов допускается только с указанием активной ссылки на источник.

istarik.ru

---

Смотрите также

• 
  Windows 7 журнал безопасности
• 
  Журнал банковское дело 2017
• 
  Островский сотрудничество с журналами
• 
  Старые журналы как использовать
• 
  Требования scopus к журналам
• 
  Проект детский журнал мурзилка
• 
  Редакция журнала вопросы истории
• Гаилэ хэм мэктэп журналы
• 
  Scopus требования к журналам
• 
  Где взять журнал миньоны
• 
  Бракеражный журнал срок хранения