Інформація про курс

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

 

 Національний  університет «Запорізька політехніка»

       Кафедра        Автомобілі, теплові двигуни та гібрідні енергетичні установки.

 

 

“ЗАТВЕРДЖУЮ”

 

Декан ____________Кузькін О.Ф.

“______”_______________2024 року

 

 

 Конспект лекцій з  НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ

 

 

« Історія створення теплових двигунів та енергетичних установок»

Спеціальність 133 Галузеве машинобудування___________     

(шифр і назва спеціальності)

спеціалізація  Двигуни внутрішнього згорання_

(назва спеціальності)

            спеціальність __133 Галузеве машинобудування         

                                                                          (код і найменування спеціальності)

 

   галузь знань __13 Механічна інженерія

(код і найменування галузі)

   ступінь вищої освіти _ Перший (бакалаврський) рівень

(назва ступеня вищої освіти)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2024 рік

 

   

для студентів спеціальністі 133 «Галузеве машинобудування» (спеціальністю «Двигуни внутрішнього згорання»). – 14 серпня 2024 року. – 101 с.

 

 

Розробники: (вказати авторів, їхні посади, наукові ступені та вчені звання)

Слинько Віра Василівна, старший викладач кафедри «АТД та ГЕУ».

 

 погоджений:

В.О.Завідувач кафедри     « АТД та ГЕУ»                                          О.М.Артюх  

 (і’мя прізвище                                                                на якій виконується освітній компонент _______________               2024__

 

Гарант освітньої програми                                                 доц. Євсєєва Н .О.    ________________     (і’мя  прізвище)    

______________2024__

 

Схвалено науково-методичною комісією ____________________________ факультету «Транспортний»

(найменування  факультету)

Протокол від  «____» ________________20______ року № ___

 

 

Голова науково-методичної комісії                              Кузькін О.Ф.  ________________ (і’мя прізвище)

_______________2024__

 

2024 рік

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конспект лекцій з дисципліни « Історія створення теплових двигунів та гібрідних установок»

                                                                                                         

 

Змістовий модуль 1. Історія створення та розвитку

теплових та електричних двигунів.

 

Тема 1. Вступ. Вступ. Галузі використання двигунів. Основні напрямки розвитку двигунів, як джерел енергії. Основні поняття, пов’язані з роботою теплових двигунів.

 

ДВЗ – це двигун. Усі двигуни перетворюють якусь енергію на роботу. Двигуни бувають різні - електричні, гідравлічні, теплові тощо, залежно від того, який вид енергії вони перетворюють на роботу. ДВЗ, двигун внутрішнього згоряння, це тепловий двигун, у якому в роботу перетворюється теплота палива, що згорає у робочій камері.

І газотурбінний двигун літака, і реактивний двигун ракети, і поршневий двигун автомобіля – це все ДВЗ. Але зазвичай під ДВЗ розуміють саме поршневий двигун. У поршневому ДВЗ сила тиску газів, що виникає під час згоряння палива в робочій камері, впливає на поршень, який здійснює зворотно-поступальний рух у циліндрі двигуна.

Але це дуже спрощений погляд на ДВЗ. Насправді в ДВЗ зосереджені найскладніші фізичні явища, розумінню яких присвятили себе багато видатних учених.

Щоб ДВЗ працював, у його циліндрі, змінюючи один одного, відбуваються такі процеси, як подача повітря, упорскування і розпилення палива, його змішання з повітрям, займання суміші, що утворилася, поширення полум'я, видалення відпрацьованих газів. На кожен процес відводиться кілька тисячних часток секунди. Додайте до цього процеси, які протікають у системах ДВЗ: теплообмін, перебіг газів та рідин, тертя та знос, хімічні процеси нейтралізації відпрацьованих газів, механічні та теплові навантаження. Це далеко не повний список.

І кожен із процесів має бути організований найкращим чином. Адже з якості процесів, що протікають в ДВЗ, складається якість двигуна в цілому - його потужність, економічність, шумність, токсичність, надійність, вартість, вага і розміри.

Жодна сфера діяльності незрівнянна з поршневими ДВЗ за масштабами, кількістю людей, зайнятих у розробці, виробництві та експлуатації.

           У розвинених країнах діяльність чверті цивільного населення прямо чи опосередковано пов'язані з поршневим двигунобудуванням. Двигунобудування, як виключно наукомістка область, визначає та стимулює розвиток науки та освіти.   Загальна потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння становить 80-85% потужності всіх енергоустановок світової енергетики. На автомобільному, залізничному, водному транспорті, сільському господарстві, будівництві, засобах малої механізації, інших областей, поршневий ДВЗ як джерело енергії немає альтернативи. Світове   виробництво тільки автомобільних двигунів безперервно збільшується, перевищивши 90 мільйонів одиниць на рік. Кількість малорозмірних двигунів, що виробляються у світі, також перевищує десятки мільйонів на рік. Навіть в авіації поршневі двигуни домінують за сумарною потужністю, кількістю моделей та модифікацій та кількістю встановлених на літаки двигунів. У світі експлуатується кілька сотень тисяч літаків із поршневими ДВЗ (бізнес-класу, спортивних, безпілотних тощо). У США частку поршневих двигунів припадає близько 70% потужності всіх двигунів, встановлених на цивільних літальних апаратах.

 

ДВЗ невичерпний. Ще не одне покоління вчених та конструкторів досліджуватиме та вдосконалюватиме його. Ще дуже довго ДВЗ даватиме роботу тим, хто його виробляє, експлуатує, обслуговує та продає. Чому? Тому що людям завжди будуть потрібні машини, які здійснюють за них механічну роботу. ДВЗ добре виконує цю функцію.

    Чи довго? Наука та техніка розвиваються стрімко. Але в результаті їхнього розвитку альтернатив ДВЗ не виникло, а тільки зріс ступінь його досконалості.

 ДВЗ «ховали» неодноразово. У різний час на зміну йому пророкували електродвигуни на акумуляторах, паливні елементи на водні та багато іншого. ДВЗ незмінно перемагав у конкурентній боротьбі. І навіть проблема вичерпання запасів нафти та газу – це не проблема ДВЗ.

 Існує необмежене джерело палива для ДВЗ. Це мільярди тонн рослинної маси Землі, і навіть відходи діяльності. З них можна виробляти спирти та гази, при переході на які ДВЗ тільки виграє, стане більш економічним, надійним, дешевим і практично нешкідливим для природи.

Сутність поняття енергії, енергетики її роль у розвитку суспільства

 

Енергія є основою життя на Землі. Рослини поглинають сонячну енергію в процесі фотосинтезу; тварини споживають цю енергію непрямим шляхом, поїдаючи рослини та інших тварин. Людина споживає сонячну енергію різними шляхами, в тому числі і з їжею. Ще в давнину людина навчилася переробляти енергію Сонця шляхом спалювання біологічної матерії (наприклад, деревини або гною). І в даний час мільйони людей використовують ці важливі джерела енергії для приготування їжі або обігріву житла – перших життєвих потреб людини.

Що ж таке «енергія»?  Цей термін походить від грецького ενεργός, що в перекладі означає «діяльний». Отже, енергія  пов’язана з дією, зі здатністю тіла виконувати роботу та/або отримувати теплоту.

Трохи складніше визначення енергії прийняте у світі науки: «це загальна кількісна міра різних форм руху матерії». Але не тільки рух породжує енергію: вона існує в безлічі форм. В ході хімічної реакції вивільняється хімічна енергія, а при розпаді атомів  –  ядерна. Є й інші форми енергії – електрична, гравітаційна, сонячна тощо. Так за законом перетворення та збереження енергії: енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може лише переходити з одної форми в іншу.                        2

Цілі епохи в історії людства називали «на честь» використовуваної форми енергії. Так час парових двигунів (від другої половини 18-го століття до кінця 19-го століття) називали «століттям пари». А 20-те століття називали «століттям електрики», а також «століттям атома».

Енергія – це абстрактне поняття, яке запроваджене фізиками, щоб описувати єдиними термінами явища, пов’язані з теплотою і роботою. Це виявилося дуже зручно, і тепер енергія є фундаментальним поняттям не тільки природних наук, а й усіх сфер життя.

Виробництвом, перетворенням і використанням різних форм енергії займається галузь народного господарства, яку називають енергетикою. Відповідно, галузь енергетики, в якій одержання, перетворення, транспортування і використання теплової енергії відбуваються за рахунок спалювання органічного палива, називають теплоенергетикою. Гідроенергетика займається перетворенням гідроенергії на електричну енергію. Відкриття способів використання енергії атомного ядра створило нову галузь енергетики – атомну або ядерну енергетику. Питаннями використання енергії вітру займається вітроенергетика, а енергетичні технології, що базуються на використанні енергії Сонця, належать до геліоенергетики.

Сьогодні, без сумніву, основною економічною проблемою у світі є енергетична криза. Соціально-економічний розвиток кожної країни, зокрема України, залежить від теперішнього і майбутнього стану її енергетики.

Електроенергетика є найважливішою галуззю економіки будь-якої країни, оскільки її продукція (електрична енергія) відноситься до універсального виду енергії. Її легко можна передавати на значні відстані, ділити на велику кількість споживачів. Без електричної енергії неможливо здійснити багато технологічні процеси, як неможливо уявити наше  повсякденне життя без опалення, освітлення, охолодження, транспорту, телевізора, холодильника, пральної машини, пилососа, праски, використання сучасних засобів зв'язку (телефон, телеграф, телефакс, ЕОМ), які також споживають електроенергію.

Однією зі специфічних особливостей електроенергетики є те, що її продукція на відміну від інших галузей промисловості не може накопичуватися в запас на складі для подальшого споживання. У кожен момент часу її виробництво має відповідати її споживанню.

 

Класифікація енергоресурсів

Різноманіття форм існування енергії та властивість їхнього взаємоперетворення дозволяє використовувати для виробництва і споживання енергії різні енергоресурси.

За останні 200 років відбулися закономірні зміни у системі джерел енергії у розвинених країнах. Доки одні спалювали ліси, другі навчилися видобувати і використовувати викопне вугілля. Треті у боротьбі за ринок енергопослуг освоїли нафту, четверті – спорудили гідроелектростанції. З середини XX ст. розпочалося використання ядерної енергії.

Цікава обставина: Північна півкуля значно багатша на викопне паливо, ніж Південна (там і досі не знайдено жодного великого нафтового родовища). Причиною є те, що в момент накопичення органіки у прадавніх болотах тропіки розташовувалися в Європі, Сибіру, США і Канаді, їм і належить левова частка вугілля, нафти і газу.

Енергетичні ресурси (джерела енергії) – це речовини, в яких зосереджено енергію, придатну для практичного використання.

Енергоресурси поділяють на первинні (ПЕР) і вторинні (ВЕР).

Первинні енергоресурси – це природні ресурси, які не піддавали переробці і перетворенню: сира нафта, природний газ, вугілля, горючі сланці, вітер тощо.

 Вторинні енергоресурси є побічними продуктами діяльності людини: це відхідні гази, конденсат, гаряча вода, доменний та коксівний гази, газметан дегазації вугільних родовищ тощо.

Протягом ХХ століття основним джерелом теплоти було органічне паливо. Д. І. Менделєєв визначив паливо як «горючу речовину, яку навмисно спалюють для одержання теплоти».

 Паливо буває тверде, рідке і газоподібне. Зазвичай паливом називають ті речовини, які дають вагому кількість теплоти: дерево, вугілля (є кілька його різновидів), природний газ та продукти нафтопереробки.

 

 

Головні напрямки розвитку ДВЗ.

 

ДВЗ широко застосовуються у всіх галузях народного господарства і ще довгий час будуть залишатись основним джерелом механічної енергії різноманітних енергетичних установок. Тому подальше вдосконалення конструкцій ДВЗ, спрямоване на покращення їх різноманітних параметрів, є важливою інженерною задачею. ДВЗ є частковим випадком теплових двигунів.

Класична конструкція ДВЗ автотракторного типу — циклічний тепловий двигун, що, як відомо, є одним з його недоліків. Разом з тим, саме циклічний принцип здійснення робочого процесу дозволяє реалізувати в ДВЗ можливість застосування високих температур і тисків робочих газів, що навіть до теперішнього часу не реалізовані в інших типах теплових двигунів.

Використання ж робочого тіла з високими температурою і тиском зумовлює і достатньо високу економічність цих двигунів. Розвиток конструкцій ДВЗ на сучасному етапі відбувається в умовах поступового зменшення світових запасів нафти та впровадження жорсткіших і жорсткіших вимог до екологічних показників двигунів: токсичності, рівню шуму, вібраціям. Це зумовлює виникнення ускладнень при вирішенні задач, спрямованих на покращення технічних характеристик ДВЗ. Не дивлячись на те, що вже багато зроблено для підвищення індикаторного ККД ДВЗ, вони мають ще великі резерви, що криються в організації більш швидкого і повного згоряння, а також, в основному, за рахунок зменшення втрат теплоти. Особливо ефективним є зменшення втрат теплоти підчас згоряння та на початку розширення. У зв’язку з цим отримують розповсюдження теплоізолюючі покриття поверхонь деталей камери згоряння. За звичай, у ДВЗ до 30% теплоти, що вводиться з паливом, відводиться у довкілля. Використання навіть частини цієї теплоти для здійснення роботи може суттєво покращити показники економічності ДВЗ. Тому є цілком актуальним створення адіабатного двигуна, тобто такого, що не мав би теплообміну з навколишнім середовищем через систему охолодження.

Із збільшенням питомої потужності ДВЗ зростає циклова подача палива і розширюється діапазон її зміни при переході з режиму холостого ходу до режиму повної потужності, що ускладнює організацію процесу паливоподачі карбюратором і звичайною форсункою. Тому широко проводяться пошукові роботи по покращенню цього процесу і створенню досконаліших систем паливоподачі.

Найбільш перспективним напрямком підвищення економічності ДВЗ є створення двигуна, що міг би працювати на збіднених сумішах. Однак це, в свою чергу, призводить до зменшення швидкостей перебігу реакцій, а отже, й до зменшення швидкостей тепловиділення, що збільшує втрати теплоти.

Тому для уникнення таких явищ процеси згоряння намагаються інтенсифікувати за рахунок розшарування суміші, або ж створенням інтенсивної дрібномасштабної турбулентної пульсації в заряді. Крім того, широкого розповсюдження набувають  системи впорскування палива з електронним управлінням. Такі системи, залежно від способу впорскування, дають чітке зменшення витрати палива на 5¸10%, у порівнянні із звичайними системами (карбюраторами і механічним регулюванням впорскування дизпалива). В свою чергу, такі системи дають змогу забезпечити прийнятний рівень токсичності відпрацьованих газів, спростити системи подальшої нейтралізації їх шкідливих компонентів.

Для покращення економічності ДВЗ автотракторного типу в умовах експлуатації все ширше набуває розповсюдження метод відключення частини циліндрів. А для зменшення механічних втрат, все більше уваги приділяється вдосконаленню конструкції допоміжних приладів і агрегатів, вимиканню їх з роботи на окремих режимах. Наприклад, на окремих режимах роботи двигуна можна вимикати водяний насос і вентилятор.

Одним із важливих напрямків розвитку конструкцій ДВЗ є розширення асортименту палив для них. Тому інтенсивно ведуться роботи по використанню палив широкого фракційного складу, важких нафтопродуктів. В свою чергу, для збільшення виходу світлих моторних палив, зростає і глибина переробки нафти. Широко проводяться роботи по заміні традиційних палив нафтового походження альтернативними: метиловим і етиловим спиртами; природним і супутнім газами; оліями (льоновою, ріпаковою); біогазом; воднем.

Дослідження роботи ДВЗ на спиртових і сумішевих (до 15%) паливах виявили ряд проблем, пов’язаних із фізико-хімічними властивостями цих палив, а також намітили шляхи їх вирішення. Одним із перспективних напрямків розвитку ДВЗ є застосування синтетичних палив.

Уже існують технології, що дозволяють у промислових масштабах виробляти бензини і дизпаливо з природного газу та спиртів. Крім того, введення до складу молекул цих палив кисню, або модифікаторів на основі оксидів деяких металів, дасть змогу суттєво покращити енергетичні і екологічні показники ДВЗ.

До перспективних видів палива все частіше відносять водень. Застосування водню в якості палива для ДВЗ дозволило б отримати практично необмежене джерело енергії. Організація робочого процесу в ДВЗ при роботі на водні не викликає особливих складнощів. Основні ж — пов’язані лише з отриманням і зберіганням водню. Так, зокрема, для отримання водню в кількості, що еквівалентна одній тепловій одиниці, витрачається приблизно три теплових одиниці. Зберігання водню в стисненому стані вимагає застосування балонів великих об’ємів і маси. Це являється неприйнятним для транспортних ДВЗ. Застосування ж спеціальних резервуарів для утримання водню у зрідженому стані — посудин Дюара — стримується їх високою складністю та вартістю системи в цілому. Проводяться широкі дослідження по застосуванню конверсії палива у спеціальних регенераторах. Застосування конверсійних регенераторів дозволяє покращити економічність та токсичність ДВЗ, розширити асортимент палив, що можуть застосовуватись. Під час конверсії в регенераторі, паливо перетворюється на синтезгаз, склад якого залежить від прийнятої схеми конверсії.

З(три ) горючих компонентів до його складу входять наступні: 50¸60% Н2 (водород) , до 22% СО (углекислій газ), і невелика кількість вуглеводнів, типу СН4(метан ) і С2Н4(етилен ). Синтез-газ подається в камеру згоряння двигунів. Це покращує якість сумішоутворення і ефективність процесу згоряння, що, в свою чергу, призводить до покращення економічності. В карбюраторних двигунах додавання синтез-газу дозволяє працювати їм з коефіцієнтами надлишку повітря до a=2,5¸3. Поряд із вдосконаленням ДВЗ класичної схеми широко проводяться дослідницькі роботи по створенню двигунів інших схем і типів: газотурбінних, роторних, парових, Стірлінга, комбінованих.

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 2. Перші парові установки. Винаходи Герона з Александрії. Історія зародження парових машин. Перші промислові парові машини. Універсальна парова машина Джеймса Уатта. Двигун Стірлінга.

 

Герон Олександрійський (ін.-грец. Ἥρων ὁ Ἀλεξανδρεύς) - грецький математик і механік.

Час життя віднесено до другої половини I століття н. е. на тій підставі, що він наводить як приклад місячне затемнення 13 березня 62 р. н. е. Подробиці його життя невідомі.

Герона відносять до найбільших інженерів за історію людства. Він першим винайшов автоматичні двері, автоматичний театр ляльок, автомат для продажу, скорострільний арбалет, що самозаряджається, парову турбіну, автоматичні декорації, прилад для вимірювання протяжності доріг (давній одометр) та ін. Першим почав створювати програмовані пристрої: вал зі штирьками з намотаною на нього мотузкою .[3]

Займався геометрією, механікою, гідростатикою, оптикою. Основні твори: «Метрика», «Пневматика», «Автоматопоетика», «Механіка» (твір зберігся повністю в арабському перекладі), «Катоптрика» (наука про дзеркала; збереглася тільки в латинському перекладі) та ін. Герона «Про діоптр», у якому викладено правила земельної зйомки, фактично засновані на використанні прямокутних координат. Герон використав досягнення своїх попередників: Евкліда, Архімеда, Стратона з Лампсака.

Багато його книг безповоротно втрачені (свитки містилися в Олександрійській бібліотеці). Одна з копій його книг, зроблена XVI столітті, міститься в Оксфордському Університеті.

У середні віки багато хто з його винаходів був відкинутий, забутий або не представляв практичного інтересу.

Накопичення нових практичних знань у XVI–XVII століттях викликало нечувані злети людської думки. Водяні та вітряні колеса обертають верстати, приводять в рух ковальські міхи, допомагають металургам піднімати руду із шахт; тобто там, де руки людини не можуть впоратися з важкою роботою, на допомогу їм приходить енергія води і вітру. Основні досягнення техніки того часу завдячують не стільки вченим і науці, скільки клопіткій праці майстерних винахідників. Досягнення в техніці гірничої справи, у видобутку різноманітних руд і корисних копалин були особливо великі. Потрібно було підняти видобуту руду або вугілля із шахти, весь час відкачувати ґрунтові води, що заливали розробку, постійно подавати в шахту повітря і ще безліч найрізноманітніших трудомістких робіт було потрібно для того, щоб не зупинявся  видобуток. Таким чином, промисловість, що розвивалася, владно вимагала все більше і більше енергії, а її могли надати у ті часи в основному водяні колеса. Їх вже навчилися будувати достатньо потужними. У зв'язку із зростанням потужності коліс все ширше став застосовуватися метал для валів і деяких інших деталей. У Франції на річці Сені у 1682 р. майстром Р. Салемом під керівництвом А. де Віля була споруджена найбільша для того часу установка, що складалася з 13 коліс діаметром 8 м. Вона служила для приводу більше 200 насосів, які подавали воду на висоту понад 160 м і забезпечували водою фонтани у Версалі та Марлі. На перших бавовняних фабриках застосовувався гідравлічний двигун. Машини прядильні Аркрайта із самого початку приводилися в рух водою. Проте водяні колеса можливо було встановлювати лише на річці, бажано повноводній і швидкій. І якщо текстильну або металообробну фабрику ще можна було побудувати на березі ріки, то поклади руди або вугільні пласти потрібно було розробляти тільки в місцях залягання. А для відкачування підземних вод, що заливають шахту, і піднімання видобутої руди або вугілля на поверхню теж була потрібна енергія. Тому на шахтах, віддалених від річок, доводилося використовувати тільки силу тварин.

Власник однієї англійської шахти у 1702 році для приведення в дію насосів, які відкачували воду із шахти, був вимушений тримати 500 коней, що було дуже невигідно.

Вугільні шахти в Англії з пристроями на паровій тязі (біля 1790 р.)

Промисловості, що розвивалася, були потрібні потужні двигуни нового типу, які дозволяли б створювати виробництво в будь-якому місці. Першим поштовхом до створення нових двигунів, здатних працювати в будь-якому місці незалежно від того, чи є поряд річка чи ні, стала саме потреба в насосах і підйомниках в металургії і гірничій справі.

Здатність пари виконувати механічну роботу давно була відома людині. Перші сліди дійсно розумного застосування пари в механіці згадуються у 1545 р. в Іспанії, коли флотський капітан Бласко де Ґарай сконструював машину, за допомогою якої приводив в рух бічні гребні колеса корабля і яка за наказом Карла V вперше була випробувана в Барселонській гавані при перевезенні 4000 центнерів вантажу кораблем на три морські милі за дві години. Винахідник був винагороджений, але сама машина залишилася без застосування і була забута.

Наприкінці XVII століття в країнах з найбільш розвинутим мануфактурним виробництвом зароджуються елементи нової машинної техніки з використанням властивостей і сили водяної пари.

Ранні спроби створення теплового двигуна були пов'язані з необхідністю відкачування води із шахт, де видобувалося паливо. У 1698 році англієць Томас Севері, колишній рудокоп, а потім капітан торгового флоту, вперше запропонував відкачувати воду за допомогою парового водопідйомника. Патент, отриманий Севері, свідчив: «Цей новий винахід з підйому води і одержання руху для всіх видів виробництва за допомо гою рушійної сили вогню має велике значен ня для осушення рудників, водопостачання міст і виробництва рушійної сили для фабрик всіх видів, які не можуть використовувати водяну силу або постійну роботу вітру». Водопідйомник Севері працював за принципом засмоктування води за рахунок атмосферного тиску в камеру, де створювалося розрідження при конденсації пари холодною водою. Парові машини Севері були надто неекономічними і незручними в експлуатації, їх не можна було пристосувати для приведення в дію верстатів, вони споживали величезну кількість палива, коефіцієнт корисної дії їх не був вищим 0,3%. Однак потреба у відкачуванні води з шахт була настільки велика, що навіть ці громіздкі парові машини типу насосу набули певного поширення.

Томас Ньюкомен (1663–1729) – англійський винахідник, коваль за професією. Спільно із лудильником Дж. Коулі побудував паровий насос, досліди з вдосконалення якого продовжувалися близько 10 років, поки той не почав справно працювати. Парова машина Ньюкомена не була універсальним двигуном. Заслуга Ньюкомена в тому, що він одним із перших реалізував ідею використання пари для отримання механічної роботи. Його ім'я носить Товариство істориків техніки Великобританії. У 1711 році Ньюкомен, Коулі та Севері створили «Компанію власників прав на винахід установки для підйому води за допомогою вогню». Поки ці винахідники були власниками патенту на «використання сили вогню», вся їх робота з виготовлення парових машин здійснювалася в найсуворішому секреті. Швед Трівальд, що займався наладкою машин Ньюкомена, писав: «... винахідники Ньюкомен і Коулі були вельми підозріливі та обережні в тому, щоб зберегти за собою і своїми дітьми таємницю спорудження і застосування свого винаходу. Іспанський посланник при англійському дворі, який приїхав із Лондона з великим почтом іноземців подивитися на новий винахід, не був навіть допущений в приміщення, в якому знаходилися машини». Але у 20-ті роки XVIII століття дія патенту закінчилася і виготовленням водопідіймальних установок зайнялися багато інженерів. З'явилася література, в якій описувалися ці установки.
Процес розповсюдження універсальних парових машин в Англії до початку XIX ст. підтверджує величезне значення нового винаходу. Якщо за десятиліття з 1775 до 1785 рр. було побудовано 66 машин подвійної дії загальною потужністю 1288 к.с., то з 1785 до 1795 рр. було створено вже 144 машини подвійної дії загальною потужністю 2009 к.с., а за наступне п'ятиліття – з 1795 до 1800 рр. – 79 машин загальною потужністю 1296 к.с.

Мал. 4.1. Парова водопідіймальна установка Ньюкомена – Коулі

Фактично застосування в промисловості парової машини почалося із 1710 року, коли англійські робітники Ньюкомен і Коулі вперше побудували парову машину, яка приводила в дію насос, встановлений в шахті для викачування з неї води.

Однак машина Ньюкомена не була паровою машиною в сучасному розумінні цього слова, оскільки рушійною силою в ній, як і раніше, була не водяна пара, а атмосферний тиск повітря. Тому цю машину називали «атмосферною». Хоча в машині водяна пара служила, як і в машині Севері, в основному для створення розрідження в циліндрі, тут вже був запропонований рухомий поршень – головна деталь сучасної парової машини.

На мал. 4.1 показаний паровий водопідйомник Ньюкомена–Коулі. При опусканні насосної штанги 1 і ваги 2 поршень 4 підіймався, і в циліндр 5 через відкритий кран 7 із котла 8 надходила пара, тиск якої трохи перевищував атмосферний. Пара служила для часткового підйому поршня в циліндрі, відкритому зверху, але головна її роль полягала у створенні в ньому розрідження. З цією метою, коли поршень машини досягав свого верхнього положення, кран 7 закривався, і з місткості 3 через кран 6 в циліндр впорскувалася холодна вода. Водяна пара швидко конденсувалася, і атмосферний тиск повертав поршень в низ циліндра, виконуючи підйом насосної штанги. Із циліндра випускався конденсат трубкою 9, поршень знову підіймався завдяки подачі пари, і описаний вище процес повторювався. Машина Ньюкомена – це двигун періодичної дії.

Парова машина Ньюкомена була більш досконалою за машину Севері, більш простою в експлуатації, більш економічною та продуктивною. Однак машини перших випусків працювали дуже неекономічно, для створення потужності в одну кінську силу за годину спалювалося до 25 кг кам'яного вугілля, тобто коефіцієнт корисної дії становив близько 0,5%. Введення автоматичного розподілу потоків пари і води спростило обслуговування машини, час ходу поршня знизився до 12–16 хвилин, що зменшило габарити машини і здешевило конструкцію. Незважаючи на високу витрату палива, такого виду машини швидко набули великого поширення. Вже у двадцяті роки XVIII століття ці машини працювали не тільки в Англії, але і в багатьох країнах Європи – в Австрії, Бельгії, Франції, Угорщині, Швеції, застосовувалися майже століття в кам'яновугільній промисловості та для подачі води в міста. Про поширеність машин Ньюкомена свідчить той факт, що остання в Англії машина такого типу була демонтована тільки у 1934 році.

Машини Ньюкомена, чудово працюючи як водопідіймальні пристрої, ніяк не могли задовольнити виниклу настійну потребу в універсальному двигуні. Вони тільки підготували ґрунт для створення універсальних парових двигунів безперервної дії.

Іван Іванович Ползунов (1728–1766) – талановитий винахідник, який народився в сім'ї солдата. У 1742 р. механіку заводу Микиті Бахареву були потрібні кмітливі учні. Вибір впав на чотирнадцятирічних І. Ползунова і С. Черемісінова, які ще вчилися в Арифметичній школі. Теоретичне навчання у школі поступилося місцем практичному ознайомленню з роботою найсучасніших машин і установок. У 1748 р. Ползунов був переведений для роботи на Коливано-Воскресенських заводах. Після самостійного вивчення книг з металургії і мінералогії в квітні 1763 року Ползуновим був запропонований проект абсолютно оригінальної парової машини, яка відрізнялася від всіх відомих на той час машин тим, що була призначена для приведення в дію повітродувних міхів і була агрегатом безперервної дії. У своїй доповідній записці про «вогнедіючу машину» від 26 квітня 1763 р. Ползунов, за власними його словами, хотів «...сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». І далі він писав: « Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большо го познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести». Надалі винахідник мріяв пристосувати машину і для інших потреб.

На початковому етапі розвитку парових машин необхідно виділити «вогненну машину» гірничого майстра Ползунова. Двигун призначався для приведення в дію механізмів однієї з плавильних печей заводу.

Мал. 4.2. Схема теплового двигуна І.І. Ползунова (за проектом 1763 р.)За проектом Ползунова (мал. 4.2) пара з котла (1) подавалася в один, скажімо, лівий циліндр (2), де піднімала поршень (3) до крайнього верхнього положення. Потім із резервуару в циліндр впорскувався струмінь холодної води (4), що спричиняло конденсацію пари. У результаті тиску атмосфери на поршень він опускався, тоді як в правому циліндрі в результаті тиску пари поршень підіймався. Водопаророзподілення в машині Ползунова здійснювалося спеціальним автоматичним пристроєм (5). Безперервне робоче зусилля від поршнів машини передавалося на шків (6), насаджений на вал, з якого рух передавався водопаророзподільному пристрою, живильному насосу, а також робочому валу, від якого приводилися в рух повітродувні міхи.

Двигун Ползунова відносився до типу «атмосферних», але в ньому винахідник вперше ввів підсумовування роботи двох циліндрів з поршнями на один загальний вал, чим забезпечив більш рівномірний хід двигуна. Коли один з циліндрів знаходився на холостому ходу, в іншого був хід робочий. Двигун мав автоматичне паророзподілення і вперше не був безпосередньо пов'язаний з робочою машиною. І.І. Ползунов створював свою машину в надзвичайно скрутних умовах, своїми руками, не маючи необхідних засобів і спеціальних верстатів. У його розпорядженні не було умілих майстрів: керівництво заводу відрядило до Ползунова чотирьох учнів і виділило двох відставних робітників. Сокира та інші нехитрі інструменти, що застосовувалися при виготовленні звичайних тоді машин, тут були мало придатні. Ползунову довелося самостійно конструювати і споруджувати нове устаткування для свого винаходу. Будівництво великої машини, висотою близько 11 метрів, відразу з листа, не випробуваної навіть на моделі, без фахівців, потребувало величезної напруги сил. Машина була побудована, але 27 травня 1766 року І. І. Ползунов помер від швидкоплинних сухот, не доживши тижня до випробувань «великої машини». Сама ж машина, випробувана учнями Ползунова, яка не тільки окупила себе, але й принесла прибуток, пропрацювала 2 місяці, подальшого удосконалення не отримала і після поломки була покинута і забута. Після двигуна Ползунова пройшло півстоліття, перш ніж  почали застосовувати

парові машини.

 

 

 

Джеймс Уатт (1736–1819)
(з картини художника Карла фон Бреда, 1792)Джеймс Уатт – англійський винахідник, творець універсальної парової машини, член Лондонського королівського товариства – народився у місті Грінок у Шотландії. З 1757 року працював механіком в університеті в Глазго, де познайомився з властивостями водяної пари і провів дослідження залежності температури насиченої пари від тиску. У 1763–1764 рр., налагоджуючи модель парової машини Ньюкомена, запропонував скоротити витрату пари відділенням конденсатора пари від циліндра. З того часу починаються його роботи з удосконалення парових машин, дослідження властивостей пари, спорудження нових машин і т.п., які продовжувалися все його життя. На пам'ятнику Уатту у Вестмінстерському абатстві висічено напис: «... застосувавши до удосконалення парової машини силу творчого генія, розширив продуктивність своєї країни, збільшив владу людини над природою і зайняв видатне місце серед людей науки, які найбільш прославилися, та істинних добродійників людства». У пошуках засобів для спорудження свого двигуна Уатт став мріяти про вигідну роботу за межами Англії. На початку 70-х років він заявив друзям, що «йому набридла вітчизна», і серйозно повів розмови про переїзд до Росії. Російський уряд запропонував англійському інженеру «заняття, згідне з його смаком і пізнаннями» і з щорічною платнею в 1000 фунтів стерлінгів. Від'їзду Уатта до Росії перешкодив контракт, який він уклав у 1772 р. з капіталістом Болтоном, власником машинобудівного підприємства в м. Сохо поблизу Бірмінгема. Болтон давно знав про винахід нової, «вогненної», машини, але коливався субсидувати її спорудження, сумніваючись в практичній цінності машини. Укласти договір з Уаттом він поквапився лише тоді, коли виникла реальна загроза від'їзду винахідника до Росії. Договір, який з'єднав Уатта з Болтоном, виявився вельми дієвим. Болтон показав себе розумною і далекоглядною людиною. Він не поскупився на витрати на спорудження машини. Болтон зрозумів, що геній Уатта, звільнений від дріб'язкової, виснажливої турботи про шматок хліба, розвернеться на повну потужність і збагатить заповзятливого капіталіста. Крім того, сам Болтон був значним інженером-механіком. Технічні ідеї Уатта захопили і його. Завод в Сохо славився першокласним на ті часи устаткуванням, мав кваліфіковані робочі кадри. Тому Уатт із захопленням прийняв пропозицію Болтона налагодити на заводі виробництво парових машин нової конструкції. З початку 70-х років і до кінця свого життя Уатт залишався головним механіком заводу. На заводі в Сохо в кінці 1774 р. була побудована перша машина подвійної дії.

Машина Ньюкомена була сильно вдосконалена за століття свого існування, але залишалася «атмосферною» і не відповідала потребам техніки мануфактурного виробництва, яка швидко розвивалася і вимагала організації обертального руху з великою швидкістю.

Пошуки багатьох винахідників були направлені на досягнення поставленої мети. Тільки в одній Англії за останню чверть ХVIII століття було видано понад десяток патентів на універсальні двигуни самих різних систем. Однак тільки Джеймсу Уатту вдалося запропонувати промисловості універсальну парову машину.

Уатт почав свою роботу над паровою машиною майже одночасно з Ползуновим, але в різних умовах. В Англії в цей час бурхливо розвивалася промисловість. Уатт активно був підтриманий Болтоном, власником декількох заводів в Англії, який став згодом його компаньйоном, парламентом, мав можливість використовувати висококваліфіковані інженерні кадри. У 1769 році Уатт запатентував паровий двигун з окремим конденсатором, а потім – застосування в двигуні надмірного тиску пари, що значно знижувало витрати палива. Уатт став по справедливості творцем парової поршневої машини.

На мал. 4.3, а наведена схема однієї з перших парових машин Уатта, а на мал. 4.3, б – її загальний вигляд. Паровий котел 1 з поршневим циліндром 3 пов'язаний паропроводом 2, яким пара періодично впускається у верхню над поршнем 4 і в нижню під поршнем порожнини циліндра. Ці порожнини з'єднані з конденсатором трубою 5, де відпрацьована пара конденсується холодною водою і створюється розрідження. Машина має балансир 6, який зв'язує за допомогою шатуна 7 поршень з мотилем валу, на кінці якого насаджений маховик 8.

Мал. 4.3, а. Універсальний паровий двигун УаттаУ машині вперше застосований принцип подвійної дії пари, який полягає в тому, що свіжа пара впускається в циліндр машини по черзі в камери з обох боків поршня. Запровадження Уаттом принципу розширення пари полягало в тому, що свіжа пара впускалася в циліндр тільки на частини ходу поршня, потім пара відсікалася, а подальший рух поршня здійснювався за рахунок розширення пари і падіння його тиску.

Таким чином, в машині Уатта вирішальною рушійною силою став не атмосферний тиск, а пружність пари підвищеного тиску, що приводить в рух поршень. Новий принцип роботи пари вимагав повної зміни в будові машини, особливо циліндра і паророзподілення. Для усунення конденсації пари в циліндрі Уатт вперше ввів парову сорочку циліндра, за допомогою якої він став обігрівати його робочі стінки парою, а зовнішню сторону парової сорочки заізолював. Оскільки Уатт для створення рівномірного обертального руху не міг в своїй машині застосувати шатунно-кривошипний механізм (на таку передачу був узятий охоронний патент французьким винахідником Пікаром), то у 1781 р. він узяв патент на п'ять способів перетворення коливального руху в безперервно-обертальний. Спочатку для цієї мети він застосовував планетарне, або сонячне, колесо. Нарешті, Уатт ввів відцентровий регулятор швидкості для зміни кількості подачі пари в циліндр машини при зміні кількості обертів. Таким чином, Уатт в своїй паровій машині заклав основні принципи будови і роботи сучасної парової машини.

Мал. 4.3, б. Парова машина Уатта (загальний вигляд)

 Мал. 4.5. Локомотив Паффі Біллі, побудований у 1814 р. для перевезення вугілля рейками

Парові машини Уатта працювали на насиченій парі низького тиску 0,2–0,3 МПа, при невеликій кількості обертів за хвилину. Парові машини, змінені таким чином, дали чудові результати, знизивши у декілька разів витрату вугілля на к.с./год (кінську силу за годину) в порівнянні з машинами Ньюкомена, і витіснили водяне колесо з гірничорудної промисловості. У середині 80-х років XVIII ст. конструкція парової машини була остаточно розроблена, і парова машина подвійної дії стала універсальним тепловим двигуном, який набув широкого застосування майже у всіх галузях господарства багатьох країн. У XIX столітті поширення набувають шахтні підйомні паросилові установки, паросилові повітродувки, прокатні паросилові установки, парові молоти, парові насоси і т.п.

Подальше збільшення к.к.д. паросилової установки було досягнуте сучасником Уатта Артуром Вольфом в Англії шляхом введення багатократного розширення пари послідовно в 2, 3 і навіть у 4 прийоми, при цьому пара переходила з одного циліндра машини в інший.

Відмова від балансера і використання багатократного розширення пари привели до створення нових конструктивних форм машин. Двигуни двократного розширення почали оформлюватися у вигляді двох циліндрів – циліндра високого тиску (ЦВТ) і циліндра низького тиску (ЦНТ), куди надходила відпрацьована пара після ЦВТ. Циліндри розташовувалися або горизонтально (компаунд-машина, мал. 4.4, а), або послідовно, коли обидва поршні посаджено на загальний шток (тандем-машина, мал. 4.4, б).

Великого значення для підвищення к.к.д. парових машин набуло використання в середині XIX століття перегрітої пари з температурою до 350 °C, що дозволило знизити витрату палива до 4,5 кг на 1 к.с./год. Застосування перегрітої пари було вперше запропоновано французьким вченим Ґ.А. Ґірном.

Мал. 4.4. Схема розташування циліндрів і валу компаунд машини (а) и тандем машини (б)

Високий тиск пари для парових машин вперше застосував Олівер Еванс в Америці. Це привело до зниження витрати палива ще до 3 кг на 1 к.с./год. Пізніше конструктори паровозів почали застосовувати багатоциліндрові парові машини, пару надмірного тиску, пристрій для реверсування.

Джордж Стефенсон (1781–1848) народився в робочій сім'ї, працював на вугільних копальнях Ньюкасла, де працювали також його батько і дід. Він багато займався самоосвітою, вивчав фізику, механіку та інші науки, цікавився винахідницькою діяльністю. Видатні здібності Стефенсона привели його на посаду механіка, а у 1823 р. він був призначений головним інженером компанії з будівництва першої залізниці загального користування Стоктон–Дарлінґтон; це відкрило перед ним великі можливості конструкторської, винахідницької роботи. 

 Мал. 4.6. Зовнішній вигляд паровозів, що використовували для приводу парову машину:
а – паровоз Стефенсона «Ракета»; б – локомотив Стефенсона на рейковій дорозі;

 Перші паровози були побудовані механіками і винахідниками Черепановими – Юхимом Олексійовичем (батьком, 1774–1842) і Мироном Юхимовичем (сином, 1803–1849), що працювали на Нижньотагільських заводах і були кріпосними заводчиків Демідових. Черепанови шляхом самоосвіти стали освіченими людьми, вони відвідували заводи Англії і Швеції. За винахідницьку діяльність Мирону Черепанову і його дружині у 1833 р. була дана вільна. Юхиму Черепанову і його дружині вільна була дана у 1836 р. Черепанови створили близько 20 різних парових машин, що працювали на Нижньотагільських заводах.

 Мал. 4.6. Зовнішній вигляд паровозів, що використовували для приводу парову машину:
в – модель паровоза Черепанових; г – Тагільська залізна дорога з паровозом Черепанових

У XVIII ст. виникло цілком зрозуміле прагнення використовувати парову машину на наземному і водному транспорті. У розвитку парових машин самостійний напрям становили локомотиви – пересувні паросилові установки. Перша установка такого типу була розроблена англійським будівельником Джоном Смітом. Фактично розвиток парового транспорту почався з установки в жаротрубних котлах димогарних труб, що значно підвищило їх паропродуктивність.

Було зроблено чимало спроб розробки парових локомотивів – паровозів, були побудовані діючі моделі (мал. 4.5, 4.6). З них виділяється побудований талановитим англійським винахідником Джорджем Стефенсоном у 1825 р. паровоз «Ракета» (див. мал. 4.6, а, б).

«Ракета» була не першим паровозом, сконструйованим і збудованим Стефенсоном, але цей перевершував інші за багатьма показниками і був визнаний кращим локомотивом на спеціальній виставці в Рейхіллі й рекомендований для нової залізниці Ліверпуль–Манчестер, яка стала у той час зразковою. У 1823 р. Стефенсон організував перший паровозобудівний завод в м. Ньюкаслі. У 1829 році в Англії був організований конкурс на кращий паровоз, переможцем якого була визнана машина Дж. Стефенсона. Його паровоз «Ракета»), розроблений на основі димогарного котла, при масі потягу 17 т розвивав швидкість 21 км/год. Пізніше швидкість «Ракети» була збільшена до 45 км/год.

Залізниці почали відігравати у XVIII ст. величезну роль.

У 1834 році батько і син Черепанови побудували перший паровоз (мал. 4.6, в), що перевозив вантаж масою 3,5 т зі швидкістю 15 км/год. Наступні їх паровози перевозили вантаж масою 17 т.

Перше парове судно «Клермонт» винахідника Фултона на Гудзоні (17.08.1807)

Спроби використати парову машину у водному транспорті робилися з початку XVIII ст. Відомо, наприклад, що французький фізик Д.Папен (1647–1714) побудував човен, що приводився в рух паровою машиною. Правда, успіхів в цій справі Папен не досяг.

Задачу вирішив американський винахідник Роберт Фултон (1765–1815), який народився в м. Літл-Брітон (тепер м. Фултон) в штаті Пенсільванія. Цікаво відзначити, що перші великі успіхи в створенні парових машин для промисловості, залізничного і водного транспорту випадали на долю талановитих людей, які оволоділи знаннями шляхом самоосвіти. У цьому відношенні не був винятком і Фултон, що став згодом інженером-механіком. Фултон, який походив з небагатої сім'ї, спочатку багато займався самоосвітою. Він жив в Англії, де займався будівництвом гідротехнічних споруд і вирішенням ряду інших технічних задач. Знаходячись у Франції (в Парижі), він побудував підводний човен «Наутілус» і парове судно, яке було випробуване на річці Сені. Але все це було тільки початком.

Справжній успіх прийшов до Фултона у 1807 р.: повернувшись до Америки, він побудував колісний пароплав «Клермонт» вантажопідйомністю 15 т, що приводився в рух за допомогою парової машини потужністю 20 к.с., який в серпні 1807 р. виконав перший рейс від Нью-Йорка до Олбані довжиною близько 280 км.

Подальший розвиток пароплавства, як річкового, так і морського, пішов досить швидко. Цьому сприяв перехід від дерев'яних до сталевих конструкцій суден, зростання потужності та швидкохідності парових машин, введення гребного гвинта і низка інших чинників.

З винаходом парової машини людина навчилася перетворювати в рух, в роботу енергію, сконцентровану в паливі. Парова машина – один з дуже небагатьох в історії винаходів, який різко змінив картину світу, революціонізував промисловість, транспорт, дав імпульс новому зльоту наукового знання. Вона була універсальним двигуном промисловості й транспорту протягом всього XIX століття, але її можливості вже не відповідали вимогам до двигунів, які виникли у зв'язку з будівництвом електростанцій і застосуванням механізмів з високими швидкостями наприкінці XIX століття.
Мал. 4.7. Парова турбіна Д. Бранка: 1 – паровий котел; 2 – довга труба (сопло); 3 – колесо машини; 4 – вал колеса; 5 – система зубчатих передач; 6 – товчільний механізм

На технічну арену як новий тепловий двигун замість тихохідної парової машини виходить швидкохідна турбіна з більш високим к.к.д.

Роберт Стірлінг і його двигун

Стирлинг родился в Клог Фарме недалеко від Метвена, Шотландія. Він був  третьою дитиною у семьі, а всего дітей было вісімь. Від батька  він унаслідував інтерес до конструювання техніки, але вивчав богословіе и став священником Шотландской Церкви в містечку Лайф Кирк в 1816 році.

У 1819 році Стірлінг одружився з Джиною Ренкін. У них було семеро дітей, двоє з них: Патрік Стірлінг і Джеймс Стірлінг стали інженерами з паровозобудування.

Стірлінг помер в Галстоні, Шотландія в 1878 році.

Стірлінг був дуже стурбований травматизмом робітників, що працюють в його приході з паровими двигунами. Ці двигуни часто вибухали через низьку якість металу, з якого вони виготовлялися. Більш міцного матеріалу в ті роки не існувало. Стірлінг вирішив удосконалити конструкцію теплового двигуна зробивши його більш безпечним.

Стірлінг придумав пристрій, який він назвав «економ тепла» (зараз такий пристрій називають регенератором або теплообмінником). Цей пристрій служить для підвищення теплової ефективності різних процесів. Стірлінг отримав патент на двигун з «економом тепла» в 1816 році. Двигун Стірлінга не може вибухнути, тому що працює при більш низькому тиску, ніж парова машина, і не може заподіяти опіки паром. У 1818 він побудував  перший практичний варіант свого двигуна і використовував його в насосі для відкачування води з кар'єру.

Теоретичних основ роботи двигуна Стірлінга - цикл Стірлінга - не існувало до тих пір, поки не з'явилися роботи Саді Карно. Карно розробив і опублікував в 1825 році загальну теорію роботи теплових двигунів - Цикл Карно, з якої цикл Стірлінга будується аналогічним чином.

Надалі Стірлінг разом зі своїм братом Джеймсом отримав ще кілька патентів на удосконалення повітряного двигуна. А в 1840 році Джеймс побудував великий повітряний двигун для приводу всіх механізмів у своїй ливарній компанії.

 

 

 

 

 

 

 

Тема 3. Короткі історичні зведення про створення

парових і газових турбін, реактивних двигунів

Парова турбіна Лаваля. Газові турбіни. Реактивні

двигуни. Конструктивні особливості парових і газових

турбін а також реактивних двигунів.

 

З винаходом парової машини людина навчилася перетворювати в рух, в роботу енергію, сконцентровану в паливі. Парова машина – один з дуже небагатьох в історії винаходів, який різко змінив картину світу, революціонізував промисловість, транспорт, дав імпульс новому зльоту наукового знання. Вона була універсальним двигуном промисловості й транспорту протягом всього XIX століття, але її можливості вже не відповідали вимогам до двигунів, які виникли у зв'язку з будівництвом електростанцій і застосуванням механізмів з високими швидкостями наприкінці XIX століття.
На технічну арену як новий тепловий двигун замість тихохідної парової машини виходить швидкохідна турбіна з більш високим к.к.д.

Еволюція парових турбін та їх основні типи

Парова турбіна – основний силовий технологічний вузол електричної станції, в якому внутрішня енергія пари, запасена при його генеруванні, перетворюється в механічну енергію обертання ротора. На відміну від парової машини, яка здійснює безпосереднє перетворення внутрішньої енергії пари в роботу рухомого поршня з використанням сил пружності пари, парова турбіна за допомогою соплових лопаток спочатку перетворює внутрішню енергію пари в кінетичну енергію потоку робочого тіла, а потім вже останню – в механічну енергію ротора,що обертається. Термін «турбіна» походить від французького слова «turbine», яке виникло із латинського «turbo» – вихор, обертання з великою швидкістю, вперше використаного Героном Олександрійським при описі принципу руху «еоліпіла».

Створення парової турбіни вимагало глибокого знання фізичних властивостей пари і законів її витоку. Необхідно було закінчити формулювання законів термодинаміки і знайти нові інженерні рішення для здійснення роботи з використанням теплових властивостей води і водяної пари. Виготовлення турбіни стало можливим при достатньо високому рівні розвитку технологій роботи з металами, оскільки необхідна точність отримання окремих частин і міцність елементів повинні були бути суттєво більш високими, ніж у випадку парової машини.

Словацький інженер і вчений-теплотехнік Аурель Стодола відмітив цілий ряд переваг парової турбіни перед двигунами внутрішнього згорання і паровими машинами. До цих переваг відносяться: мале число рухомих деталей, відсутність будь-яких контактних ущільнень і складностей, пов’язаних із забезпеченням їх надійної роботи (системи змащування, проблеми, пов’язані зі стиранням, і т.д.), малий об’єм виробничих приміщень, необхідних для розміщення обладнання, переваги в регулюванні, відносно малі витрати на ремонт. Сьогодні стала очевидною ще одна безперечна перевага – величезна, сягаюча сьогодні півтора мільйона кіловат, одинична потужність, яка просто недосяжна ні в двигунах внутрішнього згорання, ні в парових машинах.

Патент на перший паротурбінний двигун отримав американський морський інженер, адмірал Бенжамін Франклін Ізервуд (1822–1915) в 1857 році. Після виконаних в 1870 році інженерних розробок декілька таких паротурбінних установок на базі одноступеневої турбіни були розміщені на воєнних фрегатах і дозволили забезпечити їх відносно велику швидкість (до 33 км/год). Але ці ПТУ(паро турбіні установки  ) виявились надто складними в виготовленні й не більш ефективними (к.к.д. 6–8%), ніж парові машини. У 1883–1885 роках вперше примітивні парові турбіни були використані й на лісопильнях в східній частині США для приводу дискових пил.

Аурель Стодола (1859–1942) в 1887 році закінчив Будапештський політехнічний інститут, в 1881 році – Вищу технічну школу в Цюріху. З 1892 по 1929 рр. – професор кафедри машинобудування в цьому навчальному закладі. Його основні роботи присвячені автоматичному регулюванню, конструюванню і розрахункам на міцність деталей парових і газових турбін. Дуже цікаву характеристику дав А. Стодолі Альберт Ейнштейн: «Якби Стодола народився в епоху Ренесанса, він був би великим художником або скульптором, тому що головною властивістю його особистості є сила фантазії й творчості. У ХІХ столітті схожі натури частіше всього звертались до техніки. Тут, у техніці, знайшла своє вираження наукова сила століття, тут пристрасна жага прекрасного знаходила шляхи відтворення, перевершуючи все, що могла б запропонувати людина, не знайома з цією областю. Могутній порив Стодоли не остигав впродовж багатьох років викладацької діяльності й перейшов до учнів – їх очі світяться, коли мова заходить про вчителя. Друга сильна сторона Стодоли – невгамовна цікавість й рідкісна ясність наукового мислення».

Створення сучасних парових турбін пов’язано з іменами видатних інженерів ХІХ століття: шведом Г. Лавалем і англійцем Ч. Парсонсом.

Головна заслуга Лаваля полягає в тому, що він зумів створити основні елементи турбіни, довести їх до ідеальності та з’єднати в працездатну конструкцію, яка в багатьох відношеннях на десятиліття випереджала свій час. Якщо порівняти сучасну одноступеневу активну турбіну з її прабабусею, створеною Лавалем (мал. 3.2), то вразить їх схожість. Виходить, що за більш ніж 100-літній період удосконалення в одній із найдинамічніших областей техніки форми сопел, лопаток, диску турбіни зазнали загалом незначних змін. Це, мабуть, безпрецедентний випадок в історії техніки. Причому схожість не тільки зовнішня. Порівняно мало покращились й характеристики турбіни. Наприклад, Лаваль довів колову швидкість турбіни майже до 400 м/с. Сучасні активні турбіни рідко працюють при більш високих швидкостях, але ж колова швидкість – показник, пов'язаний з міцністю конструкції.
Мал. 3.2. Схема одноступеневої активної турбіни Лаваля: 1 – вал; 2 – диск; 3 – робочі лопатки; 4 – соплова решітка; 5 – корпус; 6–випускний патрубок

Карл Густав Патрік де Лаваль
Цікавою особливістю творчості Лаваля (1845–1913) можна вважати його «голий емпіризм»: він створював цілком дієздатні конструкції, теорію яких пізніше розробляли інші. Так, теорією гнучкого валу згодом глибоко займався словацький вчений А. Стодола. Він же систематизував основні питання розрахунку на міцність турбінних дисків рівного опору. Саме відсутність хорошої теорії парових турбін не дозволила Лавалю досягти великих успіхів, до того ж він був людиною захопливою і легко переключався з однієї теми на іншу. Зневажаючи фінансовою стороною справи, цей талановитий експериментатор, не встигнувши реалізувати черговий винахід, швидко холонув до нього, захопившись новою ідеєю.

Іншого роду людиною був англійський інженер Чарльз Алджернон Парсонс (1854–1931). В його багатоступеневій реактивній турбіні (мал. 3.3) розширення пари відбувалось в декількох ступенях соплових (нерухомих) і робочих (обертових) решіток. Завдяки цьому стала можлива робота машини зі значно меншими, ніж в турбіні Лаваля, швидкостями пари на виході із соплових решіток і з меншими коловими швидкостями робочих лопаток.

Ця турбіна призначалась для роботи разом з електричним генератором. Таким чином, вже з першого кроку Парсонс правильно передбачив одну із найбільш перспективних областей застосування парових турбін і в подальшому йому не довелось вишукувати споживачів для свого винаходу. З метою врівноваження осьового зусилля пара підводилась до середньої частини валу турбіни, а потім протікала до його кінців. Перша парова турбіна Парсонса мала потужність всього 6 к. с. (близько 4,4 кВт) й була піддана різним випробуванням. Основні труднощі становили розробка раціональної конструкції лопаток і способів їх кріплення в роторі, а також забезпечення ущільнень. Вже у конструкції 1887 року Парсонс застосував лабіринтові ущільнення, що дозволило перейти до турбін з однонаправленим потоком пари. До 1889 року число побудованих турбін перевищило 300 одиниць і застосовувались вони переважно для приводу електричних генераторів. У турбіні, виготовленій у 1896 році, потужність досягла вже 400 кВт, а питома витрата пари доходила до 9,2 кг/кВт.

Енергетичне турбобудування розвивалось переважно в напрямку застосування пари високого тиску. Для електростанції у Мангеймі завод «Броун–Бовері» виготовив турбіну потужністю 7000 кВт при тиску пари 15,7 МПа й температурі 430°С. У паровій турбіні, побудованій для електростанції в Лангербрюгге, параметри пари були вибрані ще більш високими: тиск 22 МПа і температура 450°С. Мал. 3.3. Перша багатоступенева реактивна турбіна Ч. ПарсонсаУ США фірма GE («Дженерал електрик») у Скенектеді, обмеживши тиск 84 ат (8,2 МПа), стала енергійно нарощувати потужність одиничної установки. На початку ХХ століття були розроблені й виготовлені турбіни потужністю 500, 1000, 2500 і 10000 кВт. Спочатку ці турбіни виготовлялись у вертикальному виконанні. Але досвід експлуатації змусив фірму відмовитись від вертикальної і перейти до горизонтальної компоновки турбіни. Довгий час фірма випускала турбіни для роботи в конденсаційному режимі потужністю до 14000 кВт, а з протитиском – до 8000 кВт.

Чарльз Алджернон Парсонс
Завдяки роботам Чарльза Парсонса і його співробітників Англія по використанню парових турбін виявилась попереду всієї планети: якщо в інших країнах до парових турбін тільки приглядались, то в Об’єднаному Королівстві загальна потужність всіх побудованих в 1896 році парових турбін перевищила 40000 к. с. (29420 кВт). У 1899 році було вирішено застосувати на споруджуваній Ельберфельдській електростанції (Німеччина) дві турбіни Парсонса по 1000 кВт. Результати досліджень турбін, опубліковані в 1900 році, свідчили про безспірні переваги застосованих установок в порівнянні з традиційними «паровиками». Скоро одна із кращих на той час електротехнічних фірм «Броун–Бовері» в Бадені (Швейцарія) купила ліцензію на виробництво турбін Парсонса. Далі пропозиції про купівлю ліцензій наростали як снігова грудка: окрім німців, цікавість до турбін виявили італійці та американці (а саме компанія «Вестінгауз»). Турбіни почали виготовляти в Швейцарії, Франції, Австро-Угорщині. Якщо у 1903 році найбільша потужність турбіни складала 6500 кВт, то у 1909 році з’явились агрегати потужністю 10000 кВт, у 1915 році – 20000 кВт, а у 1917 році – 30000 кВт. У компанії «батьків-засновників» турбобудування з’явились імена француза О.Рато і американця Ч. Кертіса. Але Парсонс увійшов в історію техніки турбобудування як зірка першої величини: крім суто «турбінних» проблем, він взяв на себе (й успішно вирішив) ще й задачу впровадження нового двигуна на флоті.

  Друга північноамериканська енергомашинобудівна фірма «Вестінгауз» («Westinghoyse») у 20-ті роки ХХ століття також приступила до випуску парових турбін одиничною потужністю 30, 45 і 60 тис. кВт.

На початку тридцятих років ХХ століття в США стали до ладу великі енергетичні паротурбінні установки одиничною потужністю 160 і навіть 208 МВт.(Мега ват  ) Європейці обмежились суттєво меншими значеннями одиничної потужності промислових парових турбін. Однією із найбільших вважалась установка в Вітковицях (Чехія), обладнана двома турбінами потужністю 30 і 18 МВт (Мега ват) Частота обертання цих агрегатів була вибрана рівною 3000 об/хв, що обумовлювалось прийнятою в Європі частотою змінного струму (50 Гц). Слід відмітити, що у США парові турбіни мали частоту обертання 1800 або 3600 об/хв у зв’язку з «американською» частотою змінного струму, рівною 60 Гц.-( герц)

Жирицький Георгій Сергійович (1893–1966) – відомий вчений-турбініст, який не тільки створив фундаментальні основи інженерного навчання по турбомашинах, але й підготував багатьох інженерів, молодих вчених і викладачів. У 1911 році із золотою медаллю закінчив Київську першу гімназію, а у 1915 році – механічний факультет Київського політехнічного інституту. Г.С. Жирицький у 1918 році стає викладачем Київського політехнічного інституту і поєднує роботу інженера з навчальною діяльністю. Вже у 1925 році його затверджують у званні професора по курсу парових двигунів. Виходить з друку монографія Жирицького «Парові машини», що витримала п’ять видань. У 1926 році його призначають деканом механічного факультету й завідуючим кафедрою парових машин Київського політехнічного інституту. У 1929 році завідує кафедрою парових турбін у Вищому технічному училищі імені М. Е. Баумана, видає двохтомний підручник з парових турбін із систематичним викладенням теорії і конструкції парових турбін. Під його керівництвом в 1930–1932 рр. організована кафедра парових турбін і створений теплоенергетичний факультет в енергетичному інституті. У 1947 році Георгій Сергійович створює й беззмінно очолює до 1965 року кафедру лопаткових машин в авіаційному інституті.

В Європі на початку минулого століття паротурбобудівництвом займались фірми Лаваля (Швеція), «Броун–Бовері компанії»  (Швейцарія), AEG (Берлін, Німеччина), «Бергман» (Берлін, Німеччина), «Ешер-Віс» (Цюріх, Швейцарія), «Рато» (Франція), «Шкода» (Чехія), «Парсонс» (Англія), «Метрополітен–Вікерс» (Англія), пізніше фірми СЕМ і «GEC–Альстом» (Франція). У даний час в світі паротурбобудуванням займаються широковідомі японські фірми «Міцубісі», «Тошиба», «Хітачі», китайські фірми в Харбіні й Нанкіні, німецька фірма «Сіменс» й французька фірма «Альстом».

Шубенко-Шубін Леонід Олександрович (1907–1994) – відомий інженер, викладач, вчений-теплоенергетик, академік НАН України, засновник наукової школи з вирішення питань оптимізації процесів і конструкцій турбомашин, ініціатор створення Центрального конструкторсько-дослідницького бюро при Харківському турбінному заводі, керівник створення унікальних вітчизняних турбоагрегатів. Він виконав глибоку теоретичну проробку питань створення потужних парових, газових і спеціальних турбін, автор більше 200 друкованих наукових праць.

У 1934 році в Україні вступив до ладу Харківській турбогенераторний завод (ХТГЗ, а у даний час – ВАТ «Турбоатом») і почав виготовляти перші українські турбіни потужністю 50 і 100 МВт при частоті 1500 об/хв на параметри пари 2,85 МПа і 400°С.

Саме у цей період почався випуск турбін потужністю 50 тис. кВт – тихохідних у Харкові, швидкохідних у Петербурзі. У 1940 році ПМЗ і ХТГЗ приступили до виготовлення парових турбін потужністю 100 тис. кВт. Досвід експлуатації тихохідного агрегату ХТГЗ виявився позитивним. Загальне число годин наробітку на турбіні АК-100-29 перевищило розраховане у декілька разів.

Великим є внесок у створення і розвиток теорії турбомашин, у розробку й реалізацію проектів стаціонарних парових і газових турбоустановок видатних вченихтурбіністів Кириллова І.І., Уварова В.В. (див. підрозділ 3.6), Жирицького Г.С., Дейча М.Є., Арсенєва В.Г., Щегляєва А.В., Шубенко-Шубіна Л.А., Шнеє Я.І., Косяка Ю.Ф. та інших. Добре відомі роботи закордонних вчених Б. Еккерта, К. Баммерта, У. Хауторна, Дж. Хорлокка, В. Траупеля, Ву Чунг-Хуа й інших.

З 1946 року заводи почали випускати турбіни високого тиску на параметри пари 8,8 МПа, 500°С потужністю 25, 50 і 100 МВт при частоті 3000 об/хв. У 1952 році випускали турбіни потужністю 150 МВт на початкові параметри пари 16,6 МПа, 550°С з проміжним перегрівом до 520°С, яка у той час була найбільш потужним в Європі одновальним агрегатом.

У 1958 році випущені головні зразки турбін  типу К-200-130 і ХТГЗ типу К-150130 потужністю 200 і 150 МВт на параметри пари 12,8 МПа, 565°С, а у 1960 році – головні зразки турбін ПМЗ і ХТГЗ типу К-300-240 потужністю 300 МВт з початковими надкритичними параметрами пари 23,5 МПа, 560°С і проміжним перегрівом до 565°С.

У 1965 році на ПМЗ випущена двовальна турбіна потужністю 800 МВт, а на ХТГЗ – одновальна турбіна потужністю 500 МВт на параметри пари 23,5 МПа і 540°С з проміжним перегрівом до 540°С. Починаючи з 1969 року ПМЗ виробляє одновальні турбіни типу К-800-240 потужністю 800 МВт на ті ж параметри пари.

З 1970 року турбомоторний завод випускає теплофікаційні турбіни типу Т-250-240 потужністю 250 МВт на надкритичні параметри пари 23,5 МПа, 540°С з проміжним перегрівом до 540°С, яким немає рівних у світовому турбобудуванні.

У 1978 році ПМЗ виготовив унікальну одновальну турбіну типу К-1200-240 потужністю 1200 МВт при частоті 3000 об/хв на початкові параметри пари 23,5 МПа, 540°С з проміжним перегрівом до 540°С, яка при відключенні підігрівачів високого тиску розрахована на підвищення потужності до 1400 МВт і є найкрупнішою одновальною турбіною у світі.

Розрізняють такі основні типи турбін:

• у залежності від числа ступенів – одноступеневі (одна або декілька ступенів швидкості) й багатоступеневі;

• у залежності від числа корпусів – однокорпусні, двокорпусні (ЦВТ і ЦНТ) і багатокорпусні (ЦСВТ, ЦВТ, ЦСТ, ЦНТ), одновальні та багатовальні;

• у залежності від напрямку потоку пари – осьові, або аксіальні, турбіни, в яких пара рухається вздовж осі турбіни, і радіальні турбіни, де пара рухається перпендикулярно осі турбіни;

• за принципом дії пари – активні турбіни (в яких потенціальна енергія пари перетворюється в кінетичну тільки в нерухомих направляючих решітках, а в робочих решітках кінетична енергія пари перетворюється в механічну роботу) і реактивні турбіни (в яких розширення пари відбувається і в направляючих, і в робочих решітках кожного ступеня приблизно в однаковій степені);

• у залежності від характеру теплового процесу – конденсаційні парові турбіни, в яких вся витрата свіжої пари, за винятком відборів на регенерацію, протікаючи через проточну частину і розширюючись в ній до тиску, меншого атмосферного, надходить в конденсатор, де теплота відпрацьованої пари віддається охолоджуючій воді і корисно не використовується, і турбіни з протитиском, в яких відпрацьована пара направляється до теплових споживачів, що використовують теплоту для опалювальних або виробничих цілей; конденсаційні турбіни з регульованим відбором пари, в яких частина пари відбирається із проміжного ступеня і відводиться до теплового споживача при автоматично підтримуваному постійному тиску, а решта кількості пари продовжує працювати в наступних ступенях і направляється в конденсатор, і, нарешті, турбіни з регульованим відбором пари і протитиском, в яких частина пари відбирається при постійному тиску із проміжного ступеня, а інша частина проходить через наступні ступені й відводиться до теплового споживача при більш низькому тиску;

• за параметрами свіжої пари – турбіни середнього тиску (3,43 МПа, 435°С), турбіни підвищеного тиску (8,8 МПа, 535°С), турбіни високого тиску (12,75 МПа, 565°С) і турбіни надкритичних параметрів (23,55 МПа, 560°С);

• за використанням у промисловості – турбіни стаціонарного типу з постійним числом обертів ротора (для роботи на електричних станціях) і змінним числом обертів ротора (для приводу насосів, компресорів), а також турбіни нестаціонарного типу із змінним числом обертів ротора (судові й транспортні).

У позначенні турбін перша літера характеризує тип турбіни: К – конденсаційна, Т – конденсаційна з теплофікаційним відбором пари, П – з виробничим відбором пари для промислового споживача, ПТ – з виробничим і теплофікаційним регульованими відборами пари, Р – з протитиском, ПР – з виробничим відбором і протитиском.

Друга група (цифри) у позначенні вказує потужність турбіни, МВт (якщо дріб, то в чисельнику номінальна, а в знаменнику – максимальна потужність).

Третя група (цифри) в позначенні вказує початковий тиск пари перед стопорним клапаном турбіни, ата (кгс/см²) або МПа. Під рисою для турбін типів П, ПТ, Р і ПР вказується номінальний тиск виробничого відбору або протитиск, ата (кгс/см²) або МПа. Під номінальною потужністю розуміється найбільша потужність, яку турбіна повинна розвивати тривалий час при номінальних значеннях всіх інших основних параметрів, а максимальна потужність – це найбільша потужність, яку турбіна повинна тривало розвивати при відсутності відборів пари для зовнішніх споживачів теплоти.

Основні характеристики і параметри сучасних турбін перегрітої пари, встановлених на ТЕС в Україні Затверджені ГОСТом.

Машинний зал АЕС з паровими турбінами потужністю 500 МВт

 

 

Тема 4. Перші конструкції ДВЗ, Двигун Ленуара. Поршневі двигуни зовнішнього згоряння. Двигуни Николаса Отто. Конструктивні особливості перших двигунів внутрішнього згоряння.

Історія винайдення двигуна внутрішнього згорання

Ще в 17 столітті голландський фізик Крістіан Хагенс (Christian Huygens) почав експерименти з двигунами внутрішнього згоряння, а в 1680 році був розроблений теоретичний двигун, паливом для якого служив чорний порох. Проте до втілення в життя ідеї автора так і не дійшло.

Першим, кому вдалося створити перший в світі діючий двигун внутрішнього згоряння був  Нісефор Ньєпс (Nisefor Neps). Він народився в старовинній дворянській родині. Так само, як і старший брат Клод, він вчився в коледжі батьків-ораторіанців. Зрозуміло, що природничо-наукової освіти він там не отримав. Але й гуманітарні дисципліни він вчив, мабуть, погано, тому що завалив випускний іспит. У 23 роки він зібрався вивчати юриспруденцію, але через рік, в 1789 році спалахнула Велика французька революція. Брати Ньєпси незабаром стали офіцерами революційної армії. Віддавши справі цивільних свобод три роки, вони вийшли у відставку і оселилися в своєму маєтку. З цього часу вони присвятили себе винахідництву. Французька республіка вкрай потребувала джерел сировини та енергії. Уряд, на підтримку патріотизму, призначив великі нагороди за вирішення важливих для країни питань. Так, наприклад, величезна сума була обіцяна за вирощування рослини марени, з якої добували барвник – індиго. Брати вирощували марену, але премія їм, на жаль, не дісталася. Вони винайшли водопідйомну машину для Версаля, але Наполеон віддав замовлення великим промисловцям. Такими ж, невтішними з фінансів, стали винайдені ними способи одержання волокон і крохмалю з місцевих рослин.

Брати не впадали у відчай. У 1806 році вони представили в Національний інститут (так називалася тоді французька Академія наук) доповідь про нову машину, яка «за силою була б порівнянна з паровою, але споживала б менше палива». Брати назвали її «піреолофор». З грецької це можна перекласти як «ваблена вогненним вітром». Працювала вона на вугільному пилу, а не на бензині чи газі. Зрозуміло, що тоді не було ні газової, ні нафтопереробної промисловості. Зауважимо також, що перший двигун Дизеля теж працював на вугільному пилу, інтерес до якого як до палива відродився знову в другій половині 20 століття.

Отже, про піреолофор. Цей винахід викликав великий інтерес.

 Двом комісарам було доручено розібратися у винаході. Одним з комісарів був       Лазар Карно. Карно дав позитивний відгук, який навіть потрапив у газети. Хоча у двигуна був ряд недоробок, чимало з них не можна було усунути на той час через відсутність необхідних технологій: підпал пилу, наприклад, здійснювався при атмосферному тиску, розподіл палива всередині камери був нерівномірним, та й прилягання поршня до стінок циліндра вимагало вдосконалення . У ті часи поршень парової машини вважався підігнаним до стінок циліндра, якщо між ними насилу проходила монета (!).

Брати побудували двигун і оснастили ним в 1806 році триметровий човен, вагою 450 кг. Човен плавав вгору по річці Сені зі швидкістю вдвічі більшою від швидкості течії. Врахуйте, що свою першу невдалу спробу спуску пароплава Фултон здійснив в 1803 році, а знаменитий «Клермонт» почав плавання на рік пізніше човна Ньєпсів, в 1807 р. Брати-винахідники шукали можливості заручитися чиєюсь фінансовою підтримкою, і прийняли рішення домагатися аудієнції у Наполеона. Вони готували для демонстрації невелике судно з двоциліндровим двигуном. Але на дворі був уже 1811 рік, і Наполеон не приїхав до Ліона, де повинні були бути випробування, оскільки він готувався до походу на Росію. Ну, а після російської кампанії імператору вже було не до двигунів.

Пізніше Нісефор Ньєпс вичитав в працях хіміка Лавуазьє, що нафтові «летючі масла» дають з повітрям вибухонебезпечні суміші, і відразу оцінив цей факт. Але у Франції закінчувалася дія патенту на піреолофор (двигун), і в 1817 році старший брат Клод їде в Англію, в надії продати патент там. Розлучившись з Нісефором, Клод продовжує працювати над піреолофором самостійно, і веде свою винахідницьку думку в якусь іншу сторону. У яку – Нісефору важко зрозуміти: боячись розголошення секретів, брат нічого відкрито не розповідає в своїх листах, а лише просить без кінця грошей і обіцяє, що ось-ось буде результат. І вже пізніше Нісефор з листів дізнається, що Клод б’ється над двигуном, який не споживає пального, тобто над вічним двигуном!

Однак повернемося до Лазара Карно? У нього був син – лейтенант Головного штабу Саді Карно, який в 1824 році видає в 200 примірниках роботу, що згодом увіковічнила його ім'я. Це «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу». У цій книжці він заклав основи термодинаміки – теорії для розробки двигунів внутрішнього згоряння. У книзі згадувалася машина Ньєпсів, яка, можливо, і наштовхнула Саді Карно на роздуми про двигуни майбутнього – всі двигуни внутрішнього згоряння: і газові, і карбюраторні, і дизельні. Він також пропонує подальше вдосконалення двигуна, починаючи від стиснення повітря в циліндрі і т.д.

Нісефор Ньєпс нікому не зумів продати свій двигун для комерційного виробництва, а до втілення фотографічного процесу в остаточному вигляді просто не дожив.

Пройде ще чверть століття, перш ніж англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) і німецький фізик Рудольф Клаузіус відродять ідеї Карно і зроблять термодинаміку наукою. Про Ньєпса взагалі ніхто не згадає. А наступний двигун внутрішнього згоряння з’явиться лише в 1858 році у бельгійського інженера Жан Жосеф Етьєн Ленуара (Jean Joseph ?tienne Lenoir). Двотактовий електричний карбюраторний двигун, двигун з іскровим запалюванням, паливом для якого служив кам’яновугільний газ, стане першим комерційно успішним двигуном такого роду. Перший двигун пропрацював лише кілька секунд через відсутність маслосистеми і системи охолодження, які були успішно застосовані на наступних зразках. У 1863 році Ленуар поліпшив конструкцію свого двигуна, використавши замість газового палива, гас. На ньому триколісний прототип сучасних машин проїхав історичні 50 миль.

Двигун Ленуара не був позбавлений недоліків, його ККД сягав лише 5%, він не дуже ефективно витрачав паливо і мастильні матеріали, занадто сильно нагрівався і т.д. і т.п., але це був перший, після довгих років забуття, комерційно успішний проект створення нового двигуна для потреб промисловості.

У 1862 році французький вчений Альфонс Бру де Рохас (Alphonse Beau de Rochas) запропонував і запатентував перший у світі чотирициліндровий двигун. Але до його створення, а тим більше комерційного виробництва справа так і не дійшла.

1864 рік – австрійський інженер Зігфрід Маркус (Siegfried Marcus) створив перший  у світі одноциліндровий карбюраторний двигун, що працював від згоряння сирої нафти. Кілька років по тому цей же вчений сконструював транспортний засіб, що пересувався зі швидкістю 10 миль на годину.

1873 рік – Джордж Брайтон (George Brayton) запропонував нову конструкцію 2-х циліндрового карбюраторного гасового двигуна, який згодом став бензиновим. Це була перша безпечна модель, правда занадто масивна і повільна для комерційного використання.

1876 ??рік – Ніколас Отто (Nikolaus August Otto), через 14 років після теоретичного обґрунтування роботи 4-х циліндрового двигуна Рохаса, створив робочу модель, відому, як «цикл Отто», цикл із запалюванням від іскрового розряду. Двигун внутрішнього згоряння Отто мав вертикальний циліндр, обертовий вал, з валом була з’єднана спеціальна рейка. Вал піднімав поршень, за рахунок чого утворювалося розрідження, завдяки якому всмоктувалася паливно-повітряна суміш, яка згодом запалювалася. У двигуні не використовувалося електричне запалювання, інженери не володіли достатнім рівнем знань в електротехніці, суміш запалювали відкритим полум’ям через спеціальний отвір. Після вибуху суміші зростав тиск, під дією якого поршень піднімався (спочатку під дією газу, а потім за інерцією) і спеціальний механізм від’єднував рейку від валу, знову створювалося розрідження, паливо засмоктувалася в камеру згоряння, і процес повторювався. ККД цього двигуна перевищував 15%, що було значно вище, ніж ККД будь-якої парової машини того часу. Вдала конструкція, висока економічність, а так само постійна робота над будовою агрегату (саме Отто в 1877 році запатентував новий вид двигуна внутрішнього згоряння з чотиритактним циклом, який лежить в основі більшості сучасних двигунів внутрішнього згоряння) дозволило зайняти значну частку ринку приводів для різних пристроїв і механізмів.

Ніколас Отто народився 14 червня 1832 року в Хользаузені (Holzhausen), Німеччина. Одним з перших його занять була торгівля чаєм, кавою і цукром. Незабаром, піддавшись останніми науковими віянням (роботи Ленуара з газовими двотактними двигунами) він захопився вивченням роботи чотиритактних двигунів, а потім і їх проектуванням. Після зустрічі з Євгеном Лангеном (Eugen Langen), людиною, яка добре розумівся в техніці, а заодно була власником цукрового заводу, Отто вирішує залишити торгівлю і удвох з напарником відкриває першу в світі фабрику з виробництва двигунів «NA Otto & Cie». У 1867 році пара отримує золоту медаль на Паризькій виставці за газовий двигун.

1883 рік – французький інженер Едуард Деламар-Деботвіль (Edouard Delamare-Debouteville) конструює одноциліндровий чотирьохтактовий двигун, паливом в якому служив газ. І хоча до практичного втілення ідей справа так і не дійшла, принаймні на папері Деламар-Деботвіль випередив Готліба Даймлера (Gottlieb Daimler) і Карла Бенца (Karl Benz).

1885 рік – Готліб Даймлер (Gottlieb Daimler) створив те, що сьогодні називають прототипом сучасного газового двигуна – пристрій з вертикально розташованими циліндрами і карбюратором. Для цих цілей Даймлер спільно зі своїм другом Вільгельмом Майбахом (Wilgelm Mabah) придбали майстерню біля міста Штутгарт. Двигун створювався для того, щоб він міг рухати екіпаж, тому вимоги до нього, були досить значними. Двигун внутрішнього згоряння повинен був бути компактним, володіти достатньою потужністю і не вимагати газогенератора. "Reitwagen" – так назвали перший двоколісний транспортний засіб винахідники. Рік по тому на світ з’явився і перший прототип 4-х колісного авто. Майбах розробив ефективний карбюратор, який забезпечував ефективне випаровування палива.

 У той же час угорець Банкі запатентував пристрій карбюратора з жиклером. На відміну від попередників у новому карбюраторі пропонувалося не випаровувати, а розпорошувати паливо, яке випаровувалося безпосередньо в циліндрі двигуна. Так само карбюратор дозував паливо і повітря і рівномірно змішував їх у потрібній пропорції.

Готліб Даймлер народився в 1834 році в Шомфорді (Schomdorf), Німеччина. З самого початку своєї інженерної кар’єри він був переконаний, що паровий двигун застарів і потребує якнайшвидшої заміни. Газові двигуни – ось в чому бачив перспективу розвитку Даймлер. Йому довелося обійти безліч порогів фірм, які не хотіли ризикувати і вкладати гроші в поки ще невідомий їм продукт. Майбах, перша людина, яка зрозуміла його і згодом стала другом і партнером.

У 1872 році Даймлер спільно з Ніколасом Отто збирає всіх найкращих фахівців, з якими йому доводилося працювати на чолі з Майбахом. Завдання було сформульовано таким чином: створити працездатний і ефективний газовий двигун. І вже через два роки ця задача була виконана, а виробництво двигунів поставлено на потік. Два двигуна в день – величезна швидкість за тодішніми мірками. Але тут позиції Даймлера і Отто на подальший розвиток фірми починають розходитися. Перший вважає, що необхідно удосконалити конструкцію і провести ряд досліджень, другий говорить про необхідність збільшити виробництво вже сконструйованих двигунів. На ґрунті цих протиріч Даймлер залишає компанію, слідом за ним йде і Майбах.

У 1889 році вони організовують фірму «Daimler Motoren Gesellschaft», з конвеєра якоїо сходить перший автомобіль. А дванадцять років потому Майбах збирає перший автомобіль Мерседес, названий іменем його дочки, який згодом стане легендою.

29 січня 1886 року Карл Бенц запатентував конструкцію першого в світі триколісного газового автомобіля з електричним запалюванням, диференціалом і водяним охолодженням. Енергія до коліс підводилася за допомогою спеціального шківа і ременя, приєднаного до передавального вала. У 1891 році ним же була побудована чотириколісна машина. Саме Карл Бенц був першим, кому вдалося поєднати воєдино шасі і двигун.

Карл Фрідріх Бенц (Karl Friedrich Benz) народився в 1844 році в містечку Баден Мельбург (Baden Muehlburg), Німеччина, в родині машиніста локомотива. Закінчив середню школу, а пізніше Політехнічний Університет Карлсруе. У 1871 році організував свою першу компанію з партнером Августом Ріттером (August Ritter) - "Iron Foundry and Machine Shop", що постачала будівельні матеріали.

Вивчення двигунів внутрішнього згоряння, як вважав Бенц, повинно було принести йому додаткове джерело доходу. І в 1883 році він організував «Benz & Company», компанію, яка виробляла двигуни промислового призначення в місті Мангейм, Німеччина. Спочатку компанія випускала двигуни за патентом Ніколаса Отто, але вже в 1885 році Бенцом була розроблена власна конструкція двигуна внутрішнього згоряння.

Уже в 1893 році автомобілі Бенца стають першими в світі дешевими транспортними засобами масового виробництва. У 1903 році Фірма «Benz & Company» злилася з фірмою Даймлера, утворивши «Daimler-Benz», а пізніше «Mercedes-Benz», а сам Бенц став членом наглядової ради, поки не помер в 1929 році.

1889 рік – Даймлер удосконалив свій чотирьохтактовий двигун, запропонувавши V-подібне розташування циліндрів і використання клапанів, які набагато збільшили питому потужність двигуна на одиницю маси.

Таким був шлях розвитку двигунів внутрішнього згоряння, що принесли в наше життя комфорт і швидкість переміщення.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 5. Подальший розвиток ДВЗ Подальше удосконалення чотиритактних двигунів.  Конструктивні особливості перших двигунів внутрішнього згоряння

 

Теплові двигуни, в циліндрах яких одночасно проходять процеси згоряння палива, виділення теплоти і перетворення її частини в механічну роботу, називаються двигунами внутрішнього згоряння.

Відмова від котла, найбільш дорогої і громіздкої частини паросилової установки, дозволила створити дешевий і економічний двигун внутрішнього згоряння, який

 згодом став основним двигуном транспортних засобів.

Розвиток цих двигунів почався з 1860 року, коли французький механік Ленуар вперше побудував невеликий двотактний газовий двигун. Двигун працював без стиснення суміші світильного газу з повітрям. Запалювання робочої суміші відбувалося за допомогою електричної іскри. К.к.д. такого двигуна коливався від 3 до 5% і був нижчим к.к.д. поршневих парових машин того часу, що було наслідком нераціонального циклу, запропонованого винахідником. Однак цей винахід зіграв велику роль у справі створення двигунів внутрішнього згоряння.

Подальший розвиток двигунів внутрішнього згоряння пішов шляхом удосконалення запропонованої конструкції без зміни робочого циклу. На мал. 4.10 представлений такий тип двигуна.

І лише німецькому техніку Ніколаусу Авґусту Отто (1832–1891) з Кельна у 1887 році в співдружності з інженером Е. Ланґеном вдалося побудувати чотиритактний горизонтальний одноциліндровий газовий двигун потужністю 4 к.с. зі стисненням робочої суміші. Двигун працював за принципом, запропонованим французьким інженером Боде-Роша. К.к.д. їх двигунів досягав вже 7–18%, тобто був вищим к.к.д. парових машин того часу. Створений двигун можна вважати прототипом сучасних двигунів внутрішнього згоряння, що працюють на газоподібному і рідкому паливі.

На мал. 4.11 представлена індикаторна діаграма роботи чотиритактного двигуна в координатах Р (тиск) – V (повний об'єм циліндра). При першому такті ходу поршня відбувається процес всмоктування в циліндр робочої суміші (лінія 1–2 на індикаторній діаграмі).

 Мал. 4.10. Атмосферний двигун Отто і Ланґен(1865–1866 рр.) (а) та індикаторна діаграма (б)Мал. 4.11. Двигун Отто. Індикаторна діаграма

Один з перших найвдаліших бензинових двигунів для автомобільної промисловості був запатентований Г. Даймлером в Німеччині у 1885 році.

При зворотному ході поршня (другий такт) впускний клапан закривається і в циліндрі протікає процес стиснення робочої суміші (лінія 2–3), при цьому температура і тиск суміші підвищуються. На початку третього ходу поршня відбувається швидке запалювання робочої суміші від іскри, а температура і тиск різко збільшуються (лінія 3–4). Потім відбувається розширення робочих газів (лінія 4–5), тобто виконується корисна робота. При крайньому положенні поршня в третьому такті процес розширення закінчується і відкривається випускний клапан, через який при четвертому ході поршня викидаються відпрацьовані гази (лінія 6–1, яка проходить дещо вище атмосферної лінії).

Спорудження двигуна почалося на заводі Дейті. Надалі на заводі конструкція двигуна була значно вдосконалена. Незабаром двигуни Отто–Дейті завдяки компактності, економічності та надійності в роботі набули загального визнання і почали випускатися іншими заводами.

До того часу треба віднести появу двотактних двигунів, які за принципом дії мало чим відрізняються від чотиритактних двигунів Отто. У двотактному двигуні посеред циліндра розташовані впускні й продувні отвори (клапани), відкриття і закриття яких здійснюється поршнем. Під час першого ходу поршня в циліндрі протікають процеси запалювання і розширення робочої суміші, в кінці ходу поршня відкриваються отвори циліндра і починаються процеси випуску відпрацьованих газів і продування циліндра повітрям або горючою сумішшю. Ці процеси продовжуються при зворотному ході поршня, другому такті, доки поршень не перекриє отвору і не почнеться процес стиснення свіжого повітря або горючої суміші залежно від типу двигуна.

Двотактні двигуни мають більш рівномірний хід, удвічі менший об'єм циліндра, дешевші й набули широкого застосування в автомобільній промисловості, витіснивши чотиритактні.

 Рудольф Дизель (1858–1913) – німецький інженер, творець двигуна внутрішнього згоряння із запалюванням від стиснення. У 1878 році він закінчив Вищу політехнічну школу в Мюнхені. У патентах 1892 і 1893 рр. Дизель висунув ідею створення двигуна внутрішнього згоряння, що працює за циклом, близьким до ідеального, в якому найвища температура досягалася стисненням чистого повітря. У 1913 році для ведення переговорів Дизель, узявши із собою найцінніші документи з виготовлення двигуна, відплив до Англії. Але до Англії він не дістався, а безслідно зник з корабля за невідомих обставин.

Всі розглянуті вище двигуни, що працюють на рідкому паливі, – автомобільні, відносяться до двигунів швидкого згоряння, в яких процеси запалювання і горіння протікають настільки швидко, що поршень не встигає здійснити навіть невелике переміщення.

У таких двигунів к.к.д. дуже залежить від ступеня стиснення, тому вони працюють із граничним тиском стиснення, при якому температура робочої суміші близька до температури її самозаймання. Проте двигуни швидкого згоряння, що працюють на рідкому паливі (нафті, гасі, бензині), не допускають високих ступенів стиснення (3, 5, 6), оскільки температура запалювання цих палив порівняно низька (350–415 °С), що і обумовлює невеликий к.к.д. двигуна.
Мал. 4.12. Індикаторна діаграма дизеля

Підвищення к.к.д. двигунів, що працюють на рідкому паливі, було досягнуте завдяки введенню в техніку робочого процесу з поступовим згорянням палива. Процес поступового згоряння палива був запропонований у 1872 році американцем Брайтоном. Після цього були спроби створити такий двигун Ґарґреавесом, Капітеном та іншими. Проте їх двигуни були ненадійними в роботі. Слава створення двигуна з поступовим згорянням палива належить Р. Дизелю.

Пропозиція Дизеля зводилася до високого стиснення повітря в порожнині двигуна для підвищення його температури вище за температуру запалювання пального. Будучи поданим в порожнину двигуна в кінці ходу стиснення, пальне запалюється від нагрітого повітря і, нагнітаючись поступово, здійснює процес підведення тепла без зміни температури у відповідності до циклу Карно. Випробування дослідного зразка у 1896 році принесло успіх, а у 1897 році Дизель побудував на Ауґсбурзькому машинобудівному заводі перший промисловий чотиритактний одноциліндровий двигун з поступовим згорянням палива, який працював на гасі, потужністю 20 к.с. Двигун такого типу надалі отримав назву дизель. Він відрізнявся високим к.к.д., але працював на дорогому гасі, мав ряд конструктивних дефектів. Після деяких удосконалень, внесених у 1898–1899 рр., двигун став надійно працювати на дешевому паливі – нафті – й набув великого поширення в промисловості та на транспорті.

Робочий процес двигуна поступового згоряння (див. індикаторну діаграму, мал. 4.12) відрізняється від робочого процесу двигуна швидкого згоряння (див. мал. 4.11) такими особливостями:

1. У робочому циліндрі дизеля при другому такті – стисненні – стискується не робоча суміш, а повітря (лінія 2–3) до тиску 3,2– 3,4 МПа. При цьому температура повітря в кінці стиснення досягає 500–600°C, тобто температури запалювання рідкого палива, яке вводиться в циліндр.

2. Внаслідок високої температури стисненого повітря відбувається самозаймання палива, яке вводиться, і не потрібен запалювальний пристрій.

3. У третьому такті паливо вводиться в циліндр не відразу, а поступово, внаслідок чого воно згоряє при постійному тиску на деякій частині ходу поршня (лінія 3–4), а потім відбувається подальше розширення газів, що утворилися (лінія 4–5).

4. Розпилення палива здійснюється форсункою за допомогою стисненого повітря. Для отримання стисненого повітря застосовується компресор з тиском 5–6 МПа двотриступеневого стиснення з проміжним охолоджуванням повітря.

Робочі процеси в першому і четвертому тактах дизеля подібні процесам, що протікають в двигунах швидкого згоряння (лінії 1–2 і 6–1).

Найвідповідальнішою частиною двигуна є компресор, який приводиться в дію від самого дизеля.

Спочатку всі дизелі працювали за розглянутим вище чотиритактним робочим процесом, але потім став застосовуватися двотактний робочий процес як більш економічний. Цьому сприяло введення в техніку принципу безповітряного розпилення палива, тобто безкомпресорних дизелів.

Справжня перевага дизелів полягала не у відмінності їх робочого процесу, а в можливості отримати високі ступені стиснення, нездійснені в двигунах швидкого згоряння через низьку температуру самозаймання рідких сортів палива. Робочий процес в дизелях здійснюється при ступені стиснення 14–16 проти 5–6 в двигунах швидкого згоряння, що підвищило к.к.д. компресорних дизелів до 28–32%, безкомпресорних – до 30–34%.

Перший у світі міський автобус з двигуном внутрішнього згоряння вийшов на лінію 12 квітня 1903 року в Лондоні. Його попередником можна вважати автобус з паровим двигуном, який курсував протягом чотирьох місяців 1831 року між англійськими містами Ґлостером і Челтенхемом.
(Наука и жизнь, 1984, № 5). 

Після демонстрації на Паризькій виставці 1900 року вдосконаленого двигуна Дизеля, де він отримав високу оцінку, почався процес бурхливого дизелебудування.

Великий внесок в удосконалення дизельних двигунів зробили Украінські винахідники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 6. Історія створення ДВЗ з самозапалюванням. Історія створення ДВЗ із самозапалюванням від стиску (дизелів). Вдосконалення дизелів.

 

Бензиновий двигун

Працездатний бензиновий двигун з'явився лише через 10 років. Винахідником його був німецький інженер Готтліб Даймлер. Багато  років він працював у фірмі Отто і був членом її правління. На початку 1880-х років він запропонував шефу проєкт компактного бензинового двигуна, який можна було б використовувати на транспорті. Отто поставився до пропозиції Даймлера холодно. Тоді Г. Даймлер разом з другом Вільгельмом Майбахом прийняв сміливе рішення: 1882 року вони пішли з фірми Отто, придбали невелику майстерню поблизу Штутгарта і почали працювати над своїм проєктом.

Проблема, що стояла перед Даймлером і Майбахом, була не з легких: вони вирішили створити двигун, який не вимагав би газогенератора, був би дуже легким і компактним, але при цьому достатньо потужним, щоб рухати екіпаж. Збільшення потужності Даймлер розраховував отримати за рахунок збільшення частоти обертання валу, але для цього необхідно було забезпечити необхідну частоту запалення суміші. 1883 року створено перший жаровий бензиновий двигун з запалюванням від розпеченої трубочки, що вставляється в циліндр. Перша модель бензинового двигуна призначалася для промислової стаціонарної установки^[3].

Процес випаровування рідкого палива в перших бензинових двигунах залишав бажати кращого. Тому справжню революцію у двигунобудуванні спричинило винайдення карбюратора. Творцем його вважають угорського інженера Доната Банкі. 1883 року він отримав патент на карбюратор з жиклером, який став прообразом усіх сучасних карбюраторів. На відміну від своїх попередників, Банкі запропонував не випаровувати бензин, а дрібно розпорошувати його в повітрі. Це забезпечувало його рівномірний розподіл по циліндру, а саме випаровування відбувалося вже в циліндрі під дією тепла стиснення. Для забезпечення розпилення всмоктування бензину відбувалося потоком повітря через дозувальний жиклер, а сталість складу суміші досягалася завдяки підтримці постійного рівня бензину в карбюраторі. Жиклер виконувався у вигляді одного або декількох отворів у трубці, розташованій перпендикулярно до потоку повітря. Для підтримки напору передбачався маленький бачок з поплавком, який підтримував рівень на заданій висоті, так що кількість всмоктуваного бензину була пропорційна кількості повітря, що поступає.

Перші двигуни внутрішнього згоряння були одноциліндровими, і, для того, щоб збільшити потужність двигуна, зазвичай збільшували об'єм циліндра. Потім з цією метою почали збільшувати число циліндрів. У кінці XIX століття з'явилися двоциліндрові двигуни, а від початку XX століття стали поширюватися чотирициліндрові.

1884 року^[4] Огнеслав Костович^[ru]  побудував перший бензиновий карбюраторний двигун. Двигун Костовича був опозитним, з горизонтальним розміщенням спрямованих зустрічно циліндрів^[5]. У ньому вперше в світі застосовано електричне запалювання^[6]. Він був 4-тактним, 8-циліндровим, з водяним охолодженням. Потужність двигуна становила 80 к. с. за маси двигуна 240 кг^[7], що істотно перевищувало показники двигуна Г. Даймлера, який виник на рік пізніше. Однак, заявку на свій двигун Костович подав лише 14 травня 1888 року^[8], а патент отримав у 1892 році, тобто пізніше, ніж Г. Даймлер і В. Майбах, які розробляли карбюраторний двигун паралельно і незалежно від О. Костовича.

Мотоцикл Даймлера з ДВЗ 1885 року

1885 року Г. Даймлер і В. Майбах розробили легкий бензиновий карбюраторний двигун. Даймлер і Майбах використовували його того ж року для створення першого мотоцикла, а 1886 року — на першому автомобілі.

Двигун Дизеля і Трінклера

Німецький інженер Рудольф Дизель, спираючись на багаті вугільні ресурси Німеччини (через відсутність в останній родовищ нафти) 1897 року запропонував двигун із займанням від стиснення, який працював на вугільному пилі. Однак, такий двигун зважаючи на швидке абразивне зношування поршневої групи, низьку швидкість і повноту згоряння вугілля не набув поширення. Однак, ім'я Дизеля стало загальним для всіх моторів із запалюванням від стиснення.

На заводі «Людвіг Нобель» Еммануїла Нобеля^[ru] в Петербурзі в 1898—1899 Густав Трінклер^[ru] удосконалив цей двигун, використавши безкомпресорне розпилення палива, що дозволило застосувати як паливо нафту. Як наслідок, безкомпресорний двигун внутрішнього згоряння високого стиску із самозайманням став найекономічнішим стаціонарним тепловим двигуном. 1899 року на заводі «Людвіг Нобель» побудували перший дизель і розгорнули масове виробництво дизелів. Цей перший дизель мав потужність 20 к. с., один циліндр діаметром 260 мм, хід поршня 410 мм і частоту обертання 180 об/хв . В Європі дизельний двигун, удосконалений Г. Трінклером, отримав назву,  «Трінклер-мотор». На всесвітній виставці в Парижі 1900 року двигун Дизеля одержав головний приз. 1902 року Коломенський завод купив у Е. Нобеля ліцензію на виробництво дизелів і незабаром налагодив масове виробництво.

1908 року головний інженер Коломенського заводу Корейво^[ru] будує і патентує у Франції двотактний дизель з протилежно-рухомими поршнями і двома колінвалами. Дизелі Корейво стали використовуватися на теплоходах Коломенського заводу. Випускали їх і на заводах Нобелів.

1896 року Чарлз В. Гарт^[en] і Чарлз Парр^[en] розробили двоциліндровий бензиновий двигун. 1903 року їхня фірма побудувала 15 тракторів. Їхній шеститонний  є найстарішим трактором з двигуном внутрішнього згоряння в Сполучених Штатах і зберігається в Смітсонівському Національному музеї американської історії у Вашингтоні, округ Колумбія. Бензиновий двоциліндровий двигун мав дуже ненадійну систему запалювання і потужність 30 к. с. на холостому ходу і 18 к. с. під навантаженням^[9].

Ден Елбон з його прототипом сільськогосподарського трактора Ivel

Першим практично придатним трактором із двигуном внутрішнього згоряння був американський триколісний трактор lvel Дена Елбона 1902 року. Було побудовано близько 500 таких легких і потужних машин.

Двигун, використаний братами Райт 1910 року

1903 році відбувся політ першого літака братів Орвіла і Вілбура Райтів. Двигун літака виготовив механік Чарлі Тейлор^[en]. Основні частини двигуна зробили з алюмінію. Двигун Райт-Тейлора був примітивним варіантом бензинового інжекторного двигуна.

На першому в світі теплоході — нафтоналивній баржі «Вандал», побудованій 1903 році, для «Товариства братів Нобель»,і було встановлено три чотиритактних двигуни Дизеля потужністю по 120 к. с. кожен. 1904 році побудовано теплохід «Сармат».

1924 році за проєктом Якова Гаккеля^[ru]   створено тепловоз Ю^Э2 (Щ^ЭЛ1) .

Практично одночасно в Німеччині  в 1924 році на заводі Есслінґен^[de] (колишній Кесслер) поблизу Штутгарта побудовано тепловоз Ээл2 (спочатку Юэ001).

 

ДИЗЕЛЕБУДУВАННЯ В УКРАЇНІ

 Спосіб роботи чотиритактного двигуна із запаленням палива від стиску Рудольф Дизель обґрунтував і практично реалізував у 1892–1896 р.р. . У наступні роки на ім'я винахідника двигун із запаленням від стиску отримав найменування – дизель.

 Р. Дизель спочатку передбачав здійснювати процес згоряння палива при постійній температурі, а як паливо використовувати вугільний пил. При перших спробах практичного створення двигуна винахідник змушений був відмовитися від цих ідей, як нереальних, і в якості моторного палива запропонував використовувати рідке паливо (гас), а його подачу в камеру згоряння і розпилювання здійснювати стисненим повітрям. Багато фахівців висловлювали сумніви щодо можливості практичної реалізації ідеї Р. Дизеля. Але, завдяки його організаторським здібностям, цілеспрямованості та завзятості, підтримці робітників та майстрів, у 1897 р. на Аугсбурзькому машинобудівному заводі було збудовано перший двигун із запаленням палива. До 1899 на Аугсбурзькому машинобудівному заводі було випущено вже 14 двигунів загальною потужністю 500 к.с., а в 1900 на Всесвітній виставці в Парижі було представлено кілька дизелів потужністю від 10 до 60 к.с. Ефективність використання теплоти згоряння палива в цих двигунах була приблизно в півтора рази вище в порівнянні з кращими газовими двигунами, що випускаються в той час. Більш високий коефіцієнт корисної дії двигунів із запаленням палива від стиснення, можливість використання як моторного палива нафти та продуктів її переробки визначили величезний до них інтерес промислових кіл, високий попит підприємств багатьох країн Європи, Америки на право їх виробництва. Тільки протягом першого року передачі підприємствам права використання його патентів Р. Дизель заробив близько 3 млн. марок золотом . Особливий інтерес представляли двигуни Р. Дизеля для відносно невеликих промислових підприємств , що має значні ресурси нафти. Новим двигуном, що працює на гасі, зацікавився підприємець Еммануїл Людвігович Нобель, який займався  видобутком нафти, виробництвом та збутом гасу в  Європі. Він побачив реальну можливість розширення ринку збуту гасу. У 1897 р. розпочалися переговори щодо продажу ліцензії. Р. Дизель цілком обґрунтовано висловив сумнів щодо можливостей підприємств  виготовити деталі двигуна підвищеної точності. Багатомісячні переговори про передачу права виробництва двигуна із запаленням палива від стиснення механічному заводу Людвіга Нобеля  завершилися підписанням у лютому 1898 договору. Договором передбачалося також заснування в Нюрнберзі товариства двигунів Дизеля для підтримки зв'язку з підприємствами Німеччини, що випускають дизелі, якому були передані креслення дизеля потужністю 20 к.с. Вартість ліцензії становила близько півмільйона золотих рублів. Перед інженерами заводу Еге. Нобель поставив завдання: відмовитися від простого копіювання двигуна, розробленого Р. Дизелем, а, зберігаючи основну ідею нового типу двигуна (займання палива від стискування), розробити досконаліший двигун, у якому як паливо використовувалася б сиру нафту. У двигуні конструктори відмовилися від крейцкопфа, що значно зменшило висоту двигуна. У грудні 1899 р. під керівництвом інженера Г.Ф. Деппа успішно було проведено випробування першого дизеля потужністю 2,5 л.  Випробування повністю підтвердили можливість використання у двигунах Р. Дизеля як паливо сирої нафти. Питома ефективна витрата нафти за повної потужності не перевищувала 0,24кг/е.л.с.ч.

(На 1 годину виконаноі роботи) Перші дизелі були поставлені на гарматний завод, потім на насосну станцію в Баку для перекачування гасу (1900-1901 рр.). У стислий термін були розроблені дизелі потужністю 50 і 75 к.с. Дещо пізніше було освоєно виробництво дизелів на Коломенському заводі (1907 р.), Харківському паровозобудівному. заводі (ХПЗ), на якому за ліцензією заводу в Саарбрюкен ще в 1909 р. було розпочато підготовку виробництва газових і нафтових двигунів, а з 1911 р. і дизелів. У 1913 р. за ліцензією було випущено перші 9 дизелів сумарною потужністю 690 к.с., а 1915 р. освоєно випуск стаціонарних і суднових дизелів потужністю 800–1000 к.с. Безпосередню участь у розробці та організації виробництва на ХПЗ двигунів внутрішнього згоряння брав Василь Трохимович Цвєтков, який закінчив у 1911 році Харківський технологічний інститут (ХТІ) за спеціальністю «інженер-механік з теплових двигунів». З завершенням будівництва цеху для виробництва двигунів було призначено помічником. начальника цеха. С 1920 г. В.Т. Цветков виконував  обовязки помічника технічного директора та начальника машинобудівного відділу заводу, а у 1927–1931 роки – технічного директора заводу. Успішну діяльність керівника однієї з найбільших машинобудівних заводів В.Т. Цвєтков поєднував з не менш успішною науковою та педагогічною діяльністю. У 1921 р. В.Т. Цвєтков був призначений завідувачем кафедри теплових двигунів ХТІ за сумісництвом. З 1930 р. по 1953 р. – незмінний керівник кафедри «Двигуни внутрішнього згоряння» у Харківському політехнічному інституті. При цьому, професор В.Т.Цвєтков у 1930 р. організував та очолив за сумісництвом кафедру авіаційних двигунів

. Під його керівництвом було освоєно виробництво стаціонарних дизелів, газових двигунів 3500 к.с. для металургійних підприємств, двотактних стаціонарних та суднових дизелів, завершено розроблення (1933 р.) першого стаціонарного та суднового безкомпресорного  дизеля Д-40 потужністю 470 к.с. з питомою ефективною витратою палива 0,175 кг/е.л.с.ч(На 1 годину виконаноі роботи). Підсумки своєї діяльності як інженер-конструктор, організатор виробництва дизелів на ХПЗ В.Т. Цвєтков узагальнив у монографіях, підручниках та навчальних посібниках: «Теорія двотактних двигунів» (1922); «Двигуни внутрішнього згоряння. Дизелі» (1926 р.); «Завдання та розрахунки з двигунів внутрішнього згоряння» (1932 р.); «Теорія та конструкція авіаційних двигунів» (1940 р.); «Двигуни внутрішнього згоряння» (1953). Випускники кафедри, яку очолював В.Т. Цвєтковим багато в чому визначили успіхи вітчизняного дизелебудування в наступні роки. 1931 року був призначений начальником дизельного відділу заводу випускник кафедри Костянтин Федорович Челпан, начальником дизельного конструкторського бюро – його однокурсник Яків Юхимович Віхман. Перед колективом інженерів-двигуністів було поставлено надзавдання – у стислий термін на базі досвіду створення авіаційних двигунів створити танковий швидкохідний дизель. З цим завданням колектив успішно впорався і 28 квітня 1933 перший досвідчений зразок танкового дизеля БД-2 (В-2) був запущений. У листопаді 1933 дизель В-2 був встановлений на досвідченому танку. Активну участь у доведенні дизеля В-2 брав І.Я. Трашутін, який повернувся 1934 р. на завод після стажування в США. Успішне вирішення такої складної на той час технічного завдання зумовлено кількома чинниками.

 По-перше, високою кваліфікацією колективу інженерів, що склався.

 По-друге, директивними урядовими рішеннями (1930-1931 рр.) про необхідність використання дизелів на танках, різних транспортних засобах та тракторах.

 По-третє, завдяки накопиченому досвіду створення на ХПЗ двигунів різних типів, творчому узагальненню досвіду створення безкомпресорних дизелів Д-40 та БД-14, авіаційних дизелів у центральному інституті авіаційних моторів (керівник розробок А.Д. Чаромський) та українському науково-дослідному авіадизелі керівник розробок Я.М. Майер.

 По-четверте, чітким формулюванням вимог, що висуваються до двигуна перспективного середнього танка.

 Досвід широкомасштабного практичного використання дизелів В-2 на середньому танку Т-34, найкращому за тактико-технічними даними танку у Другій світовій війні, повністю підтвердив правильність прийнятих технічних рішень щодо дизеля.

На заводі транспортного машинобудування (колишньому ХПЗ) розробки танкових дизелів відновилися лише у п'ятдесятих роках.

           Під керівництвом професора О.Д. Чаромського почалися розробки двотактного танкового дизеля з поршнями, що протилежно рухаються (5ДТ, а потім 5ДТФ, 6ТД) літровою потужністю понад 50 к.с./л. Високий рівень форсування дизеля за потужністю дозволив у 1,5–2 рази зменшити обсяг моторно-трансмісійного відділення, а невелика висота дизеля (581 мм) – суттєво зменшити висоту танка. У повоєнні роки на заводі транспортного машинобудування було освоєно виробництво чотиритактних дизелів і двотактних тепловозних, суднових і стаціонарних дизелів з поршнями типу Д100, що протилежно рухаються, потужністю 1200-3000 к.с. Особливо слід відзначити спільні успішні розробки колективів конструкторів відділу 60Д заводу та кафедри двигунів внутрішнього згоряння Харківського політехнічного інституту чотиритактних дизелів Д-70 із високим газотурбінним наддувом та з силовою газовою турбіною. Науковим керівником розробок був видатний вчений у галузі теплових двигунів професор Микола Матвійович Глаголєв. У післяреволюційні роки розпочалося виробництво дизелів та на інших заводах України. З 1933 р. розпочав виробництво безкомпресорних двотактних дизелів потужністю 6 та 15 к.с. завод «Червоний прогрес» (м. Токмак, з 1935 р. завод ім. С.М. Кірова), розроблених у Всесоюзному  науково-дослідному дизельному інституті, і з 1944г. - Дизеля 4Ч13/18. У 1953 р. завод припиняє випуск дизелів 2Ч13/18 та 4Ч13/18 і ставить на виробництво дизель 6Ч12/14 (К-180), на базі якого випускає дизель-генератори постійного та змінного струму, головні суднові дизелі. З 1965 року завод освоює виробництво дизелів із камерою згоряння у поршні 4Ч10,5/13.

         У 1949 р. Харківський тракторний завод освоїв виробництво тракторних передкамерних дизелів 4Ч12,5/12,5 (Д-54) потужністю 54 к.с., що відрізнялися високою надійністю та моторесурсом.

         На Першотравневому машинобудівному заводі («Первомайськдизельмаш») виробництво дизелів почалося 1956 р. із постановкою на виробництво головних суднових дизелів 6ЧРП25/34 потужністю 300 к.с. До 1963 за рахунок використання газотурбінного наддуву потужність дизеля була збільшена до 450 к.с.

           Масове виробництво дизелів було освоєно у Харкові на моторобудівному заводі «Серп і Молот» (з 1958 р.) та заводі тракторних дизелів (з 1973 р.). До 1974 р. моторобудівний завод "Серп і Молот" щорічно випускав понад 190 тис. дизелів більш ніж 100 модифікацій різного призначення. Однак чинних  потужностей моторобудівного заводу «Серп і Молот» задоволення попиту на тракторні і комбайнові дизелі було недостатньо і на початку сімдесятих років будується завод тракторних і комбайнових дизелів 6ЧН13/11,5 з виробничими потужностями близько 130 тис. дизелів на рік.

            Високий виробничий та науковий потенціал дизелебудівної галузі України був підтверджений нещодавнім успішним міжнародним контрактом з продажу танків Пакистану, при цьому наявність у танку силової дизельної установки стала вирішальним фактором при виборі замовником танка саме українського виробництва. На жаль, внаслідок недалекоглядної економічної політики наприкінці 80-х – на початку 90-х років, переорієнтацією на розширення імпорту зарубіжної техніки, у тому числі й тракторних дизелів, унікальні за масштабами виробництва дизелебудівні заводи, як і сотні інших машинобудівних заводів України, були приречені. . В умовах ринкової економіки закордонні виробники товарів об'єктивно зацікавлені у розширенні ринку збуту та усуненні потенційних підприємств-конкурентів. Щодо ситуації, що склалася в Україні відродження машинобудівного виробництва, у тому числі виробництва різних транспортних засобів, тракторобудування та моторобудування залежатиме, насамперед, від організації ефективного використання технічного інтелекту.

країни. При цьому, безумовно, слід керуватися загальноприйнятим для промислово розвинених країн принципом про те, що моторобудування взагалі та дизелебудування, зокрема, є ключовим елементом енергетичної безпеки країни.

С.А. Альохін, канд. техн. наук, А.В. Грицюк, д-р техн. наук Випередили час. Життєвий цикл виробу він складається з низки стадій, на яких ідея трансформується в нову техніку, здатну задовольнити вимоги її споживачів.

           Першою стадією життєвого циклу науково-технічного виробу є НДР (науково-дослідна робота), яка проводиться після отримання технічного завдання;

 другою стадією - ДКР (дослідно-конструкторська робота), коли розробляється конструкторська документація;

 третьої – підготовка та початок виробництва;

четвертої – виробництво розробленого виробу відповідно до сформованих замовлень;

наступна та основна стадія життєвого циклу полягає в експлуатації виробу. Тривалість життєвого циклу у період науково-технічного прогресу визначається фізичним і моральним термінами старіння техніки незалежно від часу, витраченого виконання і організацію робіт на стадіях життєвого циклу. Не винятком є ​​двигуни внутрішнього згоряння. Життєвий цикл сучасного двигуна становить близько 25 років, протягом яких конструкція двигуна може бути модернізована відповідно до нових вимог до її техніко-економічних і, перш за все, екологічних показників [1]. Тоді виникає питання: як могли випередити час, переступити рубіж тисячоліть та забезпечити такий тривалий основний життєвий цикл танкові двигуни В-2 та 5ТД? Чому і сьогодні, як і раніше, продовжує слугувати "дідусь" В-2, а сучасне "серце" української бронетанкової техніки є глибокою модернізацією дизеля 5ТД? Генеральний конструктор із створення двигунів для бронетанкової техніки проф. Рязанцев Н.К. якось відзначив   "... створення танкового двигуна - дуже складний, трудомісткий і дорогий процес" [2]. Безперечно, проблематика, трудомісткість та вартість такого виробу має бути підкріплена збільшеною тривалістю експлуатації. Але є й інша причина, і не зайве ще раз перегортати сторінки історії, пожвавивши деякі з ще не розкритих моментів створення вітчизняних танкових дизелів. Обидва дизелі (В-2 і 5ТД) є досягненням конструкторської думки фахівців СКБ з танкових дизелів дизельного відділу ХПЗ, згодом послідовно перетвореного на відділ "400" ХПЗ; Державний дизелебудівний завод 18-го ГУ Наркомавіапрому (НКАП); Державний Союзний завод №75 НКАП; відділ "1600" заводу №75; відділ 60Б Харківського заводу транспортного машинобудування; відділ "63" та цех "370" заводу ім. В.А. Малишева; ХКБД ПЗ "Завод імені Малишева"; Казенне підприємство "Харківське конструкторське бюро з двигунобудування" (КП ХКБД). Оскільки спеціалізований конструкторський відділ із тепловозних дизелів також створено на основі дизельного (раніше теплових двигунів) відділу ХПЗ, обґрунтованим виглядає рішення вважати датою народження КП ХКБД травень 1931 року,

коли, у очолюваному К.Ф. Чолпаном дизельному відділі ХПЗ було сформовано новий колектив – конструкторську групу під керівництвом випускника кафедри ДВС Харківського політехнічного інституту Якова Юхимовича Віхмана. Групі було поставлено завдання  у лютому 1931 року, розробити швидкохідний транспортний дизель. До групи входили А.К. Башкін, І.С. Бер, С.Ф. Горбатюк, Г.Д. Паріївський, С.М. Соколов та інші співробітники. У липні 1931 року ХПЗ ім. Комінтерну отримало урядове завдання Управління механізації та моторизації РСЧА (з 1934 року – Автобронетанкове управління) на проектування 12-циліндрового V-подібного 4-х тактного швидкохідного дизеля потужністю 295 кВт (400 к.с.). Головним ідеологом цього двигуна був професор А.Д. Чаромський - засновник відділу нафтових двигунів, створеного в 1930 році в Центральному інституті авіаційного моторобудування (ЦІАМ) та розробник конструкції перших авіаційних дизелів АН-1 та АД-1. Основні конструктивні рішення дизеля, що отримав назву БД-2 (швидкохідний дизель другий), були закладені конструкторською групою Я.Є. Вихмана, куди згодом влилися фахівці Чупахин Т.П., Поддубный М.П. та інші

          Перші зразки дизеля БД-2 були вже зібрані у 1934 році (рис. 1). Мал. 1. Дизель БД-2, первісток танкового дизелебудування [4] На думку Олексія Дмитровича Чаромського саме поєднання досвіду створення дизелів ЦИАМ групою, очолюваної Т.П. Чупахіним, і ХПЗ групою, очолюваної Я.Є. Вихманом стало вирішальною умовою успішного доведення наступної модифікації БД-2, що став "легендарним" дизеля В-2. Саме Чупахіну Т.П. у критичний період становлення дизеля В-2 і судилося очолити Управління головного конструктора. А вже після Великої Вітчизняної війни на заводі імені Малишева з'явився професор Чаромський А.Д. Основні особливості конструкції дизеля В-2, як і АН-1, полягали в наступному: Vподібне розташування циліндрів, з силовими несучими шпильками, розрахованими на високі тиски згоряння в циліндрах, лита алюмінієва 4-х клапанна головка, безпосереднє впорскування палива, центральне розташування паливної форсунки, 12-плунжерний паливний насос в одному агрегаті, камера згоряння поршні. Мал. 2. Дизель В-2 [4] Вже передвоєнний період з урахуванням В-2 розроблялися досвідчені модифікації з наддувом. Ці конструктивні рішення не втратили актуальності до нашого часу, знайшовши втілення у конструкції сучасного дизеля В-92С2 танка Т-90 , Дизель В-92С2 Переконливою цьому плані є таблиця, у якій порівнюються технічні характеристики дизелів БД-2 і В-92С2.

            Технічні характеристики першого та сучасного дизелів серії В-2 Марка дизеля Параметри БД-2 В-92С2 Розмірність D/S, мм 150/180 150/180 Число циліндрів 12 12        Робочий об'єм, л 38,17 38,17 Номінальна потужність, кВт л.с.) 295 (400) 735 (1000) Номінальна частота обертання, мін-1 1700 2000 Питома витрата палива, г/кВтч г/(е.л.с.ч) 245 (180) 212 (156) Габарити, мм: довжина ширина висота 1625 836 1018 1466 896 902

          Тісна співдружність та повне порозуміння керівників конструкторських колективів дизелістів та танкістів А.Д. Чаромського та А.А. Морозова стало головною рушійною силою прогресу танкового двигунобудування в 1950 - 1960 роках. В результаті, вперше у світовому танкобудуванні було здійснено надзвичайно щільне компонування моторно-трансмісійного відділення танка з поперечним розташуванням дизеля та двостороннім відбором потужності від випускного колінчастого валу на бортові коробки передач. У червні 1955 року було затверджено технічний проект двигуна 5ТД та організовано спеціалізоване КБ з танкового двигунобудування - відділ 60Б, головним конструктором якого і був призначений доктор технічних наук, професор А.Д. Чаромський.

         Випередити час  танковому дизелю 5ТД другого покоління допомогли такі конструкторські рішення:

• двотактний цикл з найбільш ефективною системою газообміну - прямоточно-щілинною продуванням із поршнями, що зустрічно рухаються;

 • горизонтальне розташування циліндрів;

 • двосторонній відбір потужності від випускного колінчастого валу;

 • силова схема з несучими сталевими анкерними зв'язками і розвантаженим від зусиль, що розтягують, блоком, відлитим з алюмінієвого сплаву;

• мінімальна тепловіддача у воду та масло, обумовлена ​​мінімальним охолоджуваним об'ємом камери згоряння та жаростійкими сталевими накладками складових поршнів з нерозрізним жаровим кільцем;

 • система наддуву з комбінованим зв'язком компресора, газової турбіни та колінчастого валу, що забезпечила хорошу ємність і пускові властивості.

            Макет дизеля 5ТД першого представника другого покоління танкових дизелів «Народивши дитину», необхідно її ще й виховати. Тому становлення сімейства танкових дизелів серії ТД є наслідком творчого єднання двох визнаних творців вітчизняних двигунів для бронетанкової техніки – А.Д. Чаромського та Н.К. Рязанцева. Саме Н.К. Рязанцев позначив межу форсування двотактних дизелів другого покоління і під керівництвом почалася розробка танкового дизеля третього покоління.

       Під керівництвом Генерального конструктора Н.К. Рязанцева, головного архітектора І.А. Краюшкіна та керівника теми А.В. Борисенко взяли активну творчу участь та зробили величезний практичний внесок у створення танкового двигуна третього покоління конструктори В.В. Рогів, Ю.П. Долгополов, В.Л. Цукор, В.І. Фальков, Б.С. Сотніков, А.М. Шульга, С.М. Валюшко, А.П. Гріненко та інші фахівці КП ХКБД.

          Після першого пуску черговий і, на жаль, останньої дослідної конструкції нового танкового дизеля, розробленого під керівництвом Н.К. Рязанцева. Саме цього двигуна Генеральний конструктор визначав долю танкового дизеля третього покоління. Усього було виготовлено два дослідні зразки цього двигуна. Подальші роботи були припинені через відсутність державного замовлення. Разом з тим, створений доробок є підтвердженням того, що навіть у умовах конструкторське бюро зберігає традиції та науковий потенціал, здатне до подальшого ривку у створенні дизелів, що випереджають час.

 

 Список литературы: 1. Конструювання двигунів внутрішнього згоряння: Підручник для вузів/Н.Д. Чайнов, Н.А. Іващенко, О.М. Краснокутський, Л.Л. М'яків; під. ред. Н.Д. Чайнова. - М.: Машинобудування, 2008. - 496 с. 2. Рязанцев Н.К. Мотори та долі. Про час і себе: Спогади Генерального конструктора зі створення двигунів для бронетанкової техніки / Н.К. Рязанців. – Харків: ХНАДУ, 2009. – 272 с. 3. Чаромський А.Д. У витоків радянського швидкохідного дизелебудування: Технічні записки/А.Д. Чаромський. – На правах рукопису, 1977. – 89 с. 4. Зубов Є.А. Двигуни танків/Е.А. Зубів; за ред. А.І. Пугачова. - М.: НТЦ "Інформтехніка", 1991. - 112 с.

 

 

 

 

 

 

Змістовий модуль 2. Принцип дії та особливості конструкції сучасних енергетичних установок.

 

Тема 7 . Типи та принципи роботи поршневих  двигунів.   

Поршневий двигун внутрішнього згоряння сьогодні є найпоширенішим тепловим двигуном. Він використовується для приводу засобів наземного, повітряного і водного транспорту, військової, сільськогосподарської та будівельної техніки, електрогенераторів, компресорів, водяних насосів, помп, моторизованого інструменту (бензорізок, газонокосарок, бензопилок) та інших машин, як мобільних, так і стаціонарних, і виробляється у світі щорічно в кількості декількох десятків мільйонів одиниць.

Потужність поршневих двигунів внутрішнього згоряння може бути від декількох ват (двигуни авіа-, мото- та судномоделей) до 75 000 кВт у дизельних суднових двигунів. Спільними ознаками для двигунів внутрішнього згорання є:

- конструкція кривошипно-шатунового механізму - тронькова (бічне            зусилля від шатуна сприймається поршнем);

- рід вживаного палива - рідке (бензин, дизельне);

- напрямок обертання колінчастого валу - правий (положення спостерігача з боку, протилежною валу основного відбору потужності).

    Двигуни внутрішнього згорання будівельних дорожніх машин забезпечують діапазон потужності 1,5…400 кВт. Застосовують карбюраторні двигуни, в основному особливо малої потужності  на базових автомобілях, і дизельні двигуни потужністю від 20 кВт і вище. Найбільшого поширення набули дизельні двигуни. Стандартом на промислові дизелі,  введено умовне позначення дизелів, що складається з букв і цифр:  Ч - чотирьохтактний, Д - двохтактний, Н - з надувом, цифри перед буквами - число циліндрів, цифри після букв над рискою - діаметр циліндра в сантиметрах, цифри під рискою - хід поршня в сантиметрах.

    Необхідна потужність двигуна повинна забезпечувати переміщення машини із заданими швидкостями, виконання роботи робочим устаткуванням і функціонування систем і механізмів. На будівельних і дорожніх машинах застосовуються в основному двигуни тракторне, автомобільне і промислове призначення, потужності яких визначаються стандартами.

   Всі поршневі двигуни внутрішнього згорання класифікують по наступних основних ознаках:

За способом здійснення газообміну:

- двотактні;

- чотирьохтактні.

  У двотактних двигунах робочий цикл здійснюється за два такти, що відповідає двом ходам поршня від одного крайнього положення до іншого, або одному оберту колінчастого валу;

 У чотирьохтактних двигунах робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня, що відповідає двом обертам колінчастого валу.

За способом наповнення робочого циліндра:

 -  з природним наповненням (наповнення забезпечується перемещением поршня);

 -  з надувом (наповнення відбувається при підвищеному тиск від надувочного агрегату).

За способом сумішеутворення:

 - із зовнішнім;

 - з внутрішнім.

 У двигунах із зовнішнім сумішеутворенням основна частка процесу утворення горючої суміші відбувається в додатковому пристрої, який має назву карбюратор, шляхом випару рідкого палива (бензину) в струмені повітря;

  У двигунах з внутрішнім сумішеутворенням горюча суміш утворюється усередині робочого циліндра шляхом роздільної подачі палива (дизельного) і повітря. Розрізняють двигуни з безпосереднім  уприскуванням і вихрокамерним  сумішоутворенням.     

За способом займання горючої суміші:

          - з примусовим запаленням (від електричної іскри);

          - із займанням від стискування (дизелі). 

За числом і розташуванням циліндрів:

    - одноциліндрові;

    - багатоциліндрові;

    - рядні (прямовисні, нахильні);

    - V - подібні (дворядні з розташуванням циліндрів в ряд під кутом 60, 75 або 90°);

     - опозитні;

     - W  - подібні;

     - типу «боксер».

    За відношенням ходу поршня S до діаметру D циліндра:

      -  коротко хідні (S/D<1);

      -  квадратні (S/D=1);

      -  довгохідні (S/D>1).

    За ступенем швидкохідності:

      - тихохідні (середня швидкість поршня 6,5….10 м/с);

      - швидкохідні (середня швидкість поршня 10….15 м/с).

    За типорозміром:

      - з конкретними типорозмірами діаметру циліндра і ходу поршня D×S.

     За способом охолоджування:

      - з рідинним;

      - з повітряним.

     За способом пуску:

       - з електростартером;

       - з електростартером і пусковим двигуном;

       - з пусковим двигуном.

Поршневі ДВЗ складаються з механізмів і систем, що виконують задані їм функції і що взаємодіють поміж собою. Основними частинами такого двигуна є кривошипно-шатунний та газорозподільний механізми, а також системи живлення, охолодження, запалення та система змащування.

Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотньо-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого валу.

Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне впускання горючої суміші в циліндр і видалення з нього продуктів згорання.

Система живлення призначена для приготування і подачі горючої суміші в циліндр, а також для відведення продуктів згорання.

Система змащення служить для подачі оливи до тих деталей, що взаємодіють поміж собою  з метою зменшення сили тертя і часткового їх охолодження поряд з цим циркуляція оливи призводить до змивання нагару і видалення продуктів зношування.

Система охолоджування підтримує нормальний температурний режим роботи двигуна, забезпечуючи відведення теплоти від деталей, що сильно нагріваються, при згоранні робочої суміші циліндрів поршневої групи і клапанного механізму.

Система запалення призначена для займання робочої суміші в циліндрі двигуна.

Отже, чотирьохтактний поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ті, що ущільнюють) кільцями, що має форму склянки з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун пов'язаний з колінчастим валом, який обертається в корінних підшипниках розташованих в картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік і шатуної шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал складають так званий кривошипно-шатунний механізм. Зверху циліндр накритий голівкою з клапанами і, відкриття і закриття яких суворо узгоджене з обертанням колінчастого валу, а отже, і з переміщенням поршня. Переміщення поршня обмежується двома крайніми положеннями, за яких його швидкість дорівнює нулю. Крайнє верхнє положення поршня називається верхньою мертвою точкою (ВМТ), крайнє нижнє його положення - нижньою мертвою точкою (НМТ).

Безупинний рух поршня через мертві точки забезпечується маховиком, що має форму диска з масивним ободом. Відстань, яку проходить поршнь від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, який дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S=2R. Простір над днищем поршня при знаходженні його у ВМТ називається камерою згорання; її об'єм позначається через V_с; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається V_h. Сума об'єму камери згорання Vс і робочого об'єму V_h складає повний об'єм циліндра V_а: V_а=V_с+V_h. Робочий об'єм циліндра  V_р (рис.17). Суму всіх робочих об'ємів циліндрів багатоциліндрового двигуна називають робочим об'ємом двигуна. Відношення повного об'єму циліндра Va до об'єму камери згорання Vc називається ступенем стиску: E=(Vc+Vh) Vc=Va/Vc=Vh/Vc+1. Ступінь стиску є важливим параметром двигунів внутрішнього згорання, оскільки сильно впливає на його економічність і потужність.

 

 

Рис. 17 Хід поршня, об’єми камери згоряння та циліндра

Принцип роботи. Дія поршневого двигуна внутрішнього згорання заснована на використанні роботи теплового розширення нагрітих газів під час руху поршня від ВМТ до НМТ. Нагрівання газів в положенні ВМТ досягається в результаті згорання в циліндрі палива, перемішаного з повітрям. При цьому підвищується температура газів і тиску. Оскільки тиск під поршнем дорівнює атмосферному, а в циліндрі воно набагато більше, то під дією різниці тисків поршень буде переміщатися вниз, при цьому гази - розширюватися, здійснюючи корисну роботу. Ось тут-то і дає про себе знати теплове розширення газів, тут і полягає його технологічна функція: тиск на поршень. Щоб двигун постійно виробляв механічну енергію, циліндр необхідно періодично заповнювати новими порціями повітря через впускний клапан і паливо через форсунку або подавати через впускний клапан суміш повітря з паливом. Продукти згорання палива після їх розширення видаляються з циліндра через впускний клапан. Ці завдання виконують механізм газорозподілу, який керує відкриттям і закриттям клапанів, і система подачі палива.

Принцип дії чотирьохтактного карбюраторного двигуна. Робочим циклом двигуна називається низка послідовних процесів, що періодично повторються, що протікають в кожному циліндрі двигуна і що обумовлюють перетворення теплової енергії на механічну роботу. Якщо робочий цикл здійснюється за два ходи поршня, тобто за один оберт колінчастого валу, то такий двигун називається двохтактним. Автомобільні двигуни працюють, як правило, по чотирьохтактному циклу, який здійснюється за два оберти колінчастого валу або чотири хода поршня і складається з тактів впускання, стискування, розширення (робочого ходу) і випуску. У карбюраторному чотирьохтактному одноциліндровому двигуні робочий цикл відбувається наступним чином:

1. Такт впускання. По мірі того, як колінчастий вал двигуна робить перший півоберт, поршень переміщається від ВМТ до НМТ, впускний клапан відкритий, випускний клапан закритий. У циліндрі створюється розрядка 0,07…0,095 МПа, унаслідок чого свіжий заряд горючої суміші, що складається з пари бензину і повітря, засмоктується через впускний газопровід в циліндр і, змішуючись із залишковими відпрацьованими газами, утворює робочу суміш.

2. Такт стискування. Після заповнення циліндра горючою сумішшю при подальшому обертанні колінчастого валу (другий півоберт) поршень переміщається від НМТ до ВМТ при закритих клапанах. У міру зменшення об'єму температура і тиск робочої суміші підвищуються.

3. Такт розширення або робочий хід. В кінці такту стискування робоча суміш запалала від електричної іскри і швидко згорає унаслідок чого температура і тиск газів, що утворюються, різко зростає, поршень при цьому переміщається від ВМТ до НМТ. В процесі такту розширення шарнірно пов'язаний з поршнем шатун здійснює складний рух і через кривошип приводить в обертання колінчастий вал. При розширенні гази здійснюють корисну роботу, тому хід поршня при третьому півоберті колінчастого валу називають робочим ходом. В кінці робочого ходу поршня, при знаходженні його біля НМТ відкривається випускний клапан, тиск в циліндрі знижується до 0,3…0,75 МПа, а температура до 950…1200 ⁰ С.

4. Такт випуску. При четвертому півоберті колінчастого валу поршень переміщається від НМТ до ВМТ. При цьому випускний клапан відкритий, і продукти згорання виштовхуються з циліндра в атмосферу через випускний газопровід.

Принцип дії чотирьохтактного дизеля (рис.18). У чотирьохтактному двигуні робочі процеси відбуваються наступним образом:

1. Такт впускання. При русі поршня від ВМТ до НМТ унаслідок розрядки, що утворюється, з повітряочисника повітря в порожнину циліндра через відкритий впускний клапан поступає атмосферне повітря. Тиск повітря в циліндрі складає 0,08…0,095 МПа, а температура 40 - 60 ⁰ С.

2. Такт стискування. Поршень рухається від НМТ до ВМТ; впускання і випускний клапани закриті, поршень, що внаслідок цього переміщається вгору, стискує повітря, що вчинило. Для займання палива необхідно, щоб температура стислого повітря була вища за температуру самозаймання палива. При ході поршня до ВМТ циліндру через форсунку упорскується дизельне паливо, що подається паливним насосом.

3. Такт розширення, або робочий хід. Впорснуте в кінці такту стискування паливо, перемішуючись з нагрітим повітрям, запалюється, і починається процес згорання, що характеризується швидким підвищенням температури і тиску. При цьому максимальний тиск газів досягає 6…9 МПа, а температура 1800…2000 ⁰ С. Під дією тиску газів поршень переміщується від ВМТ до НМТ - відбувається робочий хід. Біля НМТ тиск знижується до 0,3…0,5 МПа, а температура до 700…900 ⁰ С.

4. Такт випуску. Поршень переміщається від НМТ у ВМТ і через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра. Тиск газів знижується до 0,11…0,12 МПа, а температура до 500-700 ⁰ С. Після закінчення такту випуску при подальшому обертанні колінчастого валу робочий цикл повторюється в тій же послідовності

Принцип дії двотактного двигуна. Двотактні двигуни відрізняються від чотирьохтактних тим, що у них наповнення циліндрів горючою сумішшю або повітрям здійснюється на початку ходу стискування, а очищення циліндрів від відпрацьованих газів в кінці ходу розширення, тобто процеси випуску і впускання відбуваються без самостійних ходів поршня. Спільний процес для всіх типів двохтактних двигунів - продування, тобто процес видалення відпрацьованих газів з циліндра за допомогою потоку горючої суміші або повітря. Тому двигун даного вигляду має компресор (продувний насос). Розглянемо роботу двотактного карбюраторного двигуна з кривошипно-камерним продуванням. У цього типа двигунів відсутні клапани, їх роль виконує поршень який при своєму переміщенні закриває впускні, випускні і продувні вікна. Через ці вікна циліндр в певні моменти сполучається з впускним і випускним трубопроводами і кривошипною камерою (картер) яка не має безпосереднього сполучання з атмосферою. Циліндр в середній частині має три вікна: впускання, випускання і продувне яке сполучається клапаном з кривошипною камерою двигуна. Робочий цикл у двигуні здійснюється за два такти:

 

 

Рис. 18 Такти чотирьохтактного дизельного двигуна

а – впуск; б – стиск; в – робочий хід; г – випуск.

 

1. Такт стискування. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ, перекриваючи спочатку продувне, а потім випускне вікно. Після закриття поршнем випускного вікна в циліндрі починається стискування горючої суміші, що раніше потрапила в нього. Одночасно в кривошипній камері унаслідок її герметичності створюється розрядка, під дією якої з карбюратора через відкрите впускне вікно поступає горюча суміш в кривошипну камеру.

2. Такт робочого ходу. При положенні поршня біля ВМТ робоча суміш, що стиснута, запалюється електричною іскрою від свічки, в результаті чого температура і тиск газів швидко зростають. Під дією теплового розширення газів поршень переміщається до НМТ при цьому гази, що розширюються, здійснюють корисну роботу. Одночасно поршень, що опускається, закриває впускне вікно і стискує ту, що знаходиться в кривошипній камері горючу суміш. Коли поршень дійде до випускного вікна, воно відкривається і начинається випуск відпрацьованих газів в атмосферу, тиск в циліндрі знижується. При подальшому переміщенні поршень відкриває продувне вікно і стисла в кривошипній камері горюча суміш перетікає по каналу заповнюючи циліндр і здійснюючи продування його від залишків відпрацьованих газів. Робочий цикл двотактного дизельного двигуна відрізняється від робочого циклу двотактного карбюраторного двигуна тим, що біля дизеля в циліндр поступає повітря, а не горюча суміш, і в кінці процесу стискування упорскує дрібнорозпилене паливо. Потужність двотактного двигуна при однакових розмірах циліндра і частоті обертання валу теоретично в два рази більше четырехтактного за рахунок більшого числа робочих циклів. Проте неповне використання ходу поршня для розширення, гірше звільнення циліндра від залишкових газів і витрати частки потужності, що виробляється, на привід продувочного компресора приводять практично до збільшення потужності тільки на 60...70%.

Інновації. Останнім часом все більше використовують поршневі двигуни з примусовим наповненням циліндра повітрям підвищеного тиску, тобто двигуни з надувом. І перспективи двигунобудування

пов'язані, на погляд багатьох вчених [], з двигунами даного типа, оскільки тут є величезний резерв невикористаних конструкторських можливостей, і є над чим подумати, а по-друге, вважається, що великі перспективи в майбутньому саме у цих двигунів. Адже надув дозволяє збільшити заряд

циліндра повітрям і, отже, кількість стискуваного палива, а

тим самим підвищити потужність двигуна. Для приводу нагнітача в сучасних двигунах зазвичай використовують енергію відпрацьованих газів. В цьому випадку відпрацьовані в циліндрі гази, які мають у випускному колекторі підвищений тиск направляють в газову турбіну, що призводить до обертання компресора. Згідно схемі газотурбінного надуву чотирьохтактного двигуна

відпрацьовані гази з циліндрів двигуна поступають в газову турбіну після якої відводяться в атмосферу. Відцентровий компресор, що обертається турбіною, засмоктує повітря з атмосфери і нагнітає його під тиском:

0,130...0,250 МПа в циліндри. Окрім використання енергії вихлопних газів перевагою такої системи надуву перед приводом компресора від колінчастого валу є саморегулювання, що полягає в тому що із збільшенням потужності двигуна відповідно зростають тиск і температура відпрацьованих газів, а отже потужність турбокомпресора. При цьому зростають тиск і кількість того, що подається ним повітря. У двотактних двигунах турбокомпресор повинен мати вищу потужність, чим в чотирьохтактного, оскільки при продуванні частина повітря минаючи випускні вікна, транзитне повітря не використовується для зарядки циліндра і знижує температуру випускних газів. Унаслідок цього на часткових навантаженнях енергії відпрацьованих газів виявляється недостатньо для газотурбінного приводу компресора. Крім того, при газотурбінному надуві неможливий запуск дизеля. Враховуючи це, в двотактних двигунах зазвичай застосовують комбіновану систему надуву з послідовною або паралельною установкою компресора з газотурбінним і компресора з механічним приводом. При найбільш поширеній послідовній схемі комбінованого

надуву компресор з газотурбінним приводом проводить тільки часткове

стискування повітря, після чого віно дотиснюється компресором, що приводиться в обертання від валу двигуна. Завдяки вживанню надуву можливо підвищення потужності в порівнянні з потужністю двигуна без надуву від 40% до 100% і більше. На наш погляд, основним напрямом розвитку сучасних поршневих двигунів із займанням від стискування буде значне форсування їх по потужності за рахунок вживання високого надуву в

поєднанні з охолоджуванням повітря після компресора.

У чотирьохтактних двигунах в результаті використання тиску надуву до 3.1...3.2 МПа у поєднанні з охолоджуванням повітря після компресора

досягається середній ефективний тиск P_e=18,2...20,2 МПа. Привід компресора в цих двигунах газотурбінний. Потужність турбіни досягає 30% від потужності двигуна, тому підвищуються вимоги до ККД турбіни і компресора. Невід'ємним елементом системи надуву цих двигунів має бути охолоджувач повітря, встановлений після компресора. Охолоджування повітря проводиться водою циркулюючою за допомогою індивідуального водяного насоса по контуру:

повітряохолоджувач - радіатор для охолоджування води атмосферним повітрям.

Перспективним напрямом розвитку поршневих двигунів внутрішнього

згорання є повніше використання енергії випускних газів в турбіні, що забезпечує потужність компресора, потрібну для досягнення заданого тиску надуву. Надлишкова потужність в цьому випадку передається на колінчастий вал дизеля. Реалізація такої схеми найбільш можлива для чотирьохтпктних двигунів.

 

 

 

 

 

 

Тема 8. Історія створення електричного двигуна. Типи електричних двигунів та їх застосування. Історія створення електричних двигунів постійного

струму та змінного струму. Конструктивні особливості електричних двигунів. Застосування електродвигунів.

 

 

Створення та історія електродвигунів

 

Додана 17 Лютого 2023

Майкл Фарадей

У 1821 році Майкл Фарадей зробив своє знамените відкриття електромагнітної індукції та моторного ефекту, яке спровокувало революцію в електротехніці та розробці електродвигунів. Фарадей виявив, що коли провідник зі струмом помістити в магнітне поле, у дроті виникає механічна сила. Це відкриття сприяло розробці ряду різних типів електродвигунів від невеликих ручних пристроїв до великих промислових машин.

Прототип двигуна Девенпорта

Концепція Фарадея була доопрацьована американським винахідником Томасом Девенпортом у 1834 році, який побудував перший електродвигун, який працював від батареї. Двигун Давенпорта був відносно невеликим портативним пристроєм, здатним приводити в дію такі машини, як токарні верстати і друкарські верстати. Цей пристрій був першим у своєму роді, і йому приписують революцію в обробній промисловості.

У 1858 році французьким інженером Іполітом Піксії було розроблено перший великий комерційний електродвигун. Двигун Pixii міг приводити в дію динамо-машину, що дозволяло йому вводити в дію механічні машини, такі як друкарські верстати та промислові млини.

Двигун Зеноба Грамма

Перший комерційний електродвигун було створено 1872 року Зенобом Граммом. Він створив машину, яка перетворювала електричну енергію на механічну. У машині використовувався якір, що обертається, який представляв собою котушку з дроту, оточену постійним магнітом. Коли електрика проходила через котушку, вона створювала магнітне поле, яке змушувало якір обертатися.

1875 року Томас Едісон створив перший практичний електродвигун. Цей двигун був першим, у якому використовувався змінний струм (AC), і його можна було використовувати для живлення багатьох машин. Двигун Едісона був першим, який широко використовувався в промисловості, і він зробив революцію в способах живлення машин.

Зразок двигуна Тесли

Наприкінці 1800-х Нікола Тесла розробив асинхронний двигун. Цей двигун був першим, у якому використовувався змінний струм, і він був більш ефективним, ніж попередні двигуни, розроблені Фарадеєм і Едісоном. Двигун Тесли був першим, у якому використовувалася індукційна котушка для створення магнітного поля, що змушує обертатися якір.

Розвиток електродвигунів вплинув на розвиток сучасної техніки. Електродвигун використовувався в різних областях: від живлення побутових приладів, таких як пральні машини і холодильники, до живлення більш досконалих технологічних пристроїв, таких як роботи і автоматизовані виробничі машини. Асинхронний двигун також був рушійною силою розвитку автомобільної промисловості та розвитку сучасних транспортних систем.

Нікола Тесла – винахідник першого асинхронного электродвигуна змінного струму

Протягом двадцятого сторіччя електродвигун зазнав безліч покращень та удосконалень, що дозволило використовувати його новими та інноваційними способами. Сьогодні електричні двигуни використовуються в різних областях: від живлення невеликих побутових приладів до живлення великих промислових машин. Електродвигун є невід'ємною частиною сучасної техніки, і його винахід дуже вплинув на розвиток сучасного світу.

 

 

Двигун постійного струму (ДПС) — електрична машина постійного струму (електродвигун), що перетворює електричну енергію постійного струму на механічну.

Конструкція електродвигуна постійного струму така сама, як і генератора постійного струму. В електродвигуні явище електромагнітної індукції при взаємодії струму обвитки ротора (якоря) з основним магнітним полем зумовлює появу електромагнітного обертального моменту. Розрізняють ДПС з незалежним збудженням і з залежним. Потужність електродвигуна постійного струму — від часток вата до тисяч кіловат, ККД — від 0,02—0,03 до 0,93. Електродвигуни постійного струму дають змогу плавно і в широких межах керувати частотою обертання, вдаючись до зміни струму в колі ротора за допомогою додаткового електричного опору, до зміни живильної напруги, а також до зміни магнітного потоку реостатом.

 

Історія

• 1834 року Герман Якобі побудував електродвигун, заснований на принципі притягування і відштовхування між електромагнітами.

• 1839 року Герман Якобі побудував човен з електродвигуном постійного струму.

Колекторні ДПС були одним з перших комерційно важливих застосувань електроенергії для підняття вантажів, а системи розподілу постійного струму використовувались понад 100 років для живлення таких моторів в комерційних та індустріальних будівлях.

Якщо зовнішня механічна сила прикладена до двигуна постійного струму, він діє як генератор постійного струму, динамо. Ця його здатність, використовується для уповільнення руху та підзарядки акумуляторів на гібридних та електричних автомобілях або для повернення електроенергії назад до електричної мережі, що застосовується на трамваях чи лініях електропоїздів, коли вони сповільнюються. Цей процес називається рекуперативним гальмуванням на гібридних і електричних автомобілях. У дизельних електричних локомотивах, також використовують їхні двигуни постійного струму як генератори для уповільнення, але розсіювання енергії відбувається в пакетах потужних резисторів. Новіші конструкції електровозів мають великі акумуляторні блоки, щоби потім відновити частину цієї енергії.

 

Класифікація

 

Схеми паралельного (a), послідовного (b) та змішаного (c) збудження

ДПС класифікують за видом магнітної системи статора:

•        з постійними магнітами;

•        з електромагнітами:

o       з незалежним увімкненням обвиток (незалежне збудження);

o       з залежним увімкненням обвиток:

      з послідовним з'єднанням обвиток (послідовне збудження);

      з паралельним з'єднанням обвиток (паралельне збудження);

      зі змішаним увімкненням обвиток (змішане збудження):

      з переважанням послідовної обвитки;

      з переважанням паралельної обвитки;

 

Вид з'єднання обвиток статора істотно впливає на електромеханічну та механічну характеристики електродвигуна.

Застосування

ДПС застосовують у промислових і транспортних електроприводах, пристроях автоматики, підіймальних кранах, на прокатних станах тощо.

•        Крани різних важких виробництв.

•        Привід, з вимогами регулювання швидкості в широких межах та високим пусковим моментом.

•        Тяговий електропривод тепловозів, електровозів, теплоходів, кар'єрних самоскидів та інше.

•        Електричні стартери автомобілів, тракторів тощо. Для зменшення номінальної напруги живлення в автомобільних стартерах застосовують двигун постійного струму з чотирма щітками. Завдяки цьому, еквівалентний комплексний опір ротора зменшується майже вчетверо. Статор такого двигуна має чотири полюси (дві пари полюсів). Пусковий струм в автомобільних стартерах, близько 200 ампер. Режим роботи — короткочасний.

 

Переваги та недоліки

 

Переваги:

•        простота будови та керування;

•        майже лінійні механічна і регулювальна характеристики двигуна;

•        легке керування частотою обертання;

•        хороші пускові властивості (великий пусковий момент), (найбільший пусковий момент у ДПС з послідовним збудженням);

•        менші інших двигунів (якщо використовувати потужні постійні магніти в статорі);

•        оскільки ДПС є оберненими машинами, з'являється можливість використання їх як в руховому, так і в генераторному режимах.

Вади:

•        дорожнеча виготовлення;

•        для живлення електродвигуна від мережі змінного струму необхідно використовувати випрямні пристрої;

•        необхідність профілактичного обслуговування колекторно-щіткових вузлів;

•        обмежений термін служби через зношення колектора.

(Останні два недоліки на сучасному етапі розвитку ДПС майже не відчутні).

 

ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН І ЕЛЕКТРОМАШИНОБУДУВАННЯ

 

 Розвиток електричних машин підготований роботами і відкриттями багатьох фізиків у галузі електротехніки. Електричні і магнітні явища були відомі ще у XVIII ст. і значно раніше. Першою роботою з електрики був трактат "Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт – Землю", англійського вченого У. Гільберта (1600 р.). Гільберт назвав електричними тіла, здатні електризуватися і ввів термін „електрика". Історія розвитку електричних машин охоплює вже понад 180-річний період. Вважають, що вона починається зі створення М. Фарадеєм у 1821 р. електричного двигуна, який становив постійний магніт, довкола якого обертався провідник з постійним струмом. Ковзний контакт в ньому забезпечувався ртуттю, налитою в чашу, і верхньою опорою. У 1823 р. П. Барлоу запропонував двигун, який складався із колеса і постійного магніту. Як і в двигуні Фарадея, ковзний контакт створювався за допомогою ртуті, налитої в банку, і проводу, підімкненого до вала. Живився двигун від батареї хімічних елементів. У 1831 р. Фарадей відкрив закон електромагнітної індукції. Син коваля з лондонського передмістя, а згодом – лаборант у хімічній лабораторії, М. Фарадей став визначною фігурою в електромеханіці. Він став членом 68 наукових товариств і академій, великим вченим, автором глибоких наукових праць і популяризатором науки. Продовжувачем справи Фарадея був його співвітчизник Д.К. Максвелл, який надав ідеям Фарадея математичної форми. У 1831 р. американський фізик Д. Генрі запропонував двигун зворотно-поступального руху, в якому рухомий електромагніт по черзі притягувався до постійних магнітів і відштовхувався від них, замикаючи і розмикаючи батареї гальванічних елементів. У 1832 р. брати Піксі на підставі робіт Фарадея сконструювали генератор з обертовими постійними магнітами. У нерухомих котушках під час обертання постійних магнітів наводилася змінна електрорушійна сила. Це один з перших генераторів змінного струму, який у той час не знаходив ще застосування, і для випрямлення струму застосовувалися механічні комутатори. У 1832 р. Е. Ленц сформулював закон про напрям індукованого струму, а також принцип зворотності електричних машин. У 1838 р. Е. Ленц експериментально показав можливість роботи машини постійного струму в режимі генератора і двигуна. У 1834 р. петербурзький академік Б.С. Якобі побудував і описав електродвигун, який працював за рахунок притягування і відштовхування електромагнітів. Двигун Б.С. Якобі мав дві групи електромагнітів: одну – обертову, а другу – нерухому. Для зміни полярності рухомих електромагнітів слугував комутатор, який складався з кілець з чотирма мідними і чотирма ізолюючими вставками (у чотириполюсній машині). По кільцях ковзав контакт, і під час обертання змінювався напрям струму в обмотках рухомих електромагнітів. Напруга підводилась до контактів від гальванічних елементів. У 1838 р. Б.С. Якобі об'єднав 40 електродвигунів, які працювали на два вали, і встановив разом з гальванічною батареєю з 320 елементів на боті, який з 12 пасажирами ходив по Неві. Так було вперше практично використано електричну машину. Початковий період розвитку електричних машин пов'язаний переважно з постійним струмом, бо електричну енергію спочатку використовували в устаткуванні для гальванопластики, відтак – в дугових електричних лампах, а для двигунів джерелом електричного струму були гальванічні елементи. Генератор, який з'явився пізніше ніж двигун, скоро випередив останнього в своєму розвитку. На початковому етапі розвиток електричних двигунів і генераторів проходив незалежно, хоч принцип зворотності електричних машин був уже відомий. Причиною більш інтенсивного розвитку генераторів були великі потреби в електроенергії для освітлення міст, які бурхливо зростали. У 70-ті роки XIX ст. для освітлення використовують більшу частину отримуваної електроенергії. У зв'язку з цим необхідно було знайти потужне джерело живлення. Це викликало прискорений розвиток генераторів постійного струму і призвело до збільшення їх потужності. У 1860 р. італієць А. Пачінотті запатентував якір з кільцевою обмоткою, але не зумів його застосувати. Тільки у 1870 р. німецький вчений 3. Грам отримав патент на генератор із самозбудженням і кільцевим якорем. На кільцевому якорі із сталевого дроту розміщалася кільцева замкнена обмотка, яка є основою майже всіх сучасних машин. Відгалуження від обмотки були виведені на колекторні пластини, по яких ковзали щітки. На станині розміщувалися електромагніти з полюсними наконечниками. Обмотку збудження було сполучено послідовно з обмоткою якоря і навантаженням. У 1873 р. Ф. Гефнер-Альтенек і В. Сіменс створили машину з барабанним якорем, яка мала всі основні елементи сучасної машини постійного струму. У 1880 р. Т. Едісон запропонував зробити якір машини постійного струму шихтованим зі сталевих ізольованих між собою листів. У цьому ж році для покращання охолодження X. Максім запропонував розділяти якір на пакети. У 1884 р. було винайдено компенсаційну обмотку, а у 1885 р. – додаткові полюси, які покращували комутацію машини постійного струму. Під час використання машин постійного струму в окремих галузях промисловості та міському господарстві виявилися характерні недоліки, які ускладнювали їхнє поширення. Насамперед це низька надійність роботи машин постійного струму у зв'язку з іскрінням на колекторі. Тому у 80-ті роки XIX ст. поступово зростає інтерес електротехніків того часу до машин змінного струму, для яких не потрібно було колектора для механічного перетворення електричного струму. Значно вплинули на розвиток однофазних мереж змінного струму роботи російського винахідника П.Н. Яблочкова, який запропонував свічку для освітлення вулиць і приміщень (1878 р.), індукторний генератор (1877 р.) і однофазний трансформатор з розімкненим осердям, двома окремими обмотками, коефіцієнт трансформації якого дорівнював 1. У 1882 р. Л. Голяр і Е. Гібс запропонували однофазний трансформатор з коефіцієнтом трансформації, який не дорівнював 1, і висувне осердя, за допомогою якого плавно регулювалася напруга. Брати Гопкінсони в Англії у 1884 р. створили однофазний трансформатор із замкненим осердям і переміжними обмотками вищої і нижчої напруг. У 1885 р. угорські електротехніки О. Блаті, М. Дері і К. Ціперновський створили кільцевий, броньовий і стрижневий трансформатори, які мали високі техніко-економічні показники. В перших трансформаторах осердя виконували зі сталевого дроту. Обмотка низької напруги намотувалась ближче до осердя, а на неї намотувалась обмотка високої напруги. Масляне охолодження трансформаторів застосував Д. Свінберг у 1880 р. Виходець із Галичини І. Пулюй істотно удосконалив порівняно з Едісоном освітлювальні жарівки, розпочав їх масове виробництво у закладеній ним фабриці та організував масштабне електричне освітлення електротехнічної виставки в австрійському місті Штайрі (1883), яке стало сенсацією. Під керівництвом Пулюя, як державного експерта Австро-Угорщини, запропоновано і побудовано низку електростанцій у Чехії. Він працював консультантом різних електротехнічних фірм. У кінці 80-х років Г. Фераріс і Н. Тесла створили двофазний двигун змінного струму, в якому обертове магнітне поле створювали котушки, зміщено в просторі на 90°, зі струмами, зміщеними за фазою один відносно одного на 90°. У 1889 р. російський електротехнік М.О. Доліво-Добровольський запропонував трифазну систему змінних струмів і у тому ж році розробив перший трифазний асинхронний двигун і трансформатор. Як джерело трифазного струму М.О. Доліво-Добровольський використав машину постійного струму, зробивши три відгалуження від обмотки під кутом 120° і вивівши їх на три кільця. Навесні 1889 р. був побудований перший асинхронний трифазний двигун з короткозамкненим ротором потужністю 180 кВт. Потім почали виготовляти потужніші двигуни з короткозамкненою і фазною обмотками на роторі. Трифазний трансформатор був побудований спочатку з радіальним розташуванням обмоток, а в 1891 р. М.О. Доліво-Добровольський отримав патент на трифазний трансформатор з паралельними стрижнями, розміщеними в одній площині. Така конструкція трансформатора застосовується і тепер. Вже у 1891 р. на міжнародній електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні була здійснена передача трифазним змінним струмом потужності 230 кВт при напрузі 15 кВ на відстань 170 км у Німеччині між Лауфеном і Франкфуртом-на-Майні. Максимальний ККД (коефіцієнт віддачі) передачі був 75,2 %. З початку 90-х років позаминулого століття трифазна система змінного струму ввійшла в енергетику. У 1894 році з'явився перший електричний трамвай у Львові. Отже, на межі ХІХ-ХХ ст. закінчується початковий період розвитку електричних машин. Усі основні типи машин до цього часу були вже створені. XX ст. стало новим етапом у розвитку електричних машин. Цей період характеризується значним ростом промисловості і транспорту на основі електрифікації. До електричних машин висуваються вже суворі вимоги щодо забезпечення необхідних характеристик, а також зменшення ваги і габаритів. Тому необхідно було широко розгорнути науково-дослідну роботу щодо вивчення електромагнітних і теплових процесів в електричних машинах, шукати нові ізоляційні матеріали, а також поліпшувати властивості електротехнічної сталі. Протягом ряду наступних десятиліть принцип побудови трансформаторів, синхронних і асинхронних машин і машин постійного струму залишається незмінним, а змінюються лише конструктивні оформлення, зменшуються вага і габарити, збільшується коефіцієнт віддачі машин. У 1899 р. парову турбіну вперше з'єднали з турбогенератором потужністю 1 МВт. Почалось впровадження електрики в усі галузі промисловості. Будують потужні електричні станції, великі синхронні і асинхронні машини і трансформатори. Пізніше окремі станції об'єднували в енергосистеми, потужності яких досягай сотень мільйонів кіловат. У XX ст. поряд з іншими галузями промисловості бурхливо розвивається електротехнічна промисловість. Характерною особливістю розвитку електричних машин, починаючи з 1900 р., є збільшення потужності окремих одиниць, тобто окремих машин. Якщо у 1890 р. потужність генераторів і трансформаторів не перевищувала 5000 кВА в одній одиниці, то зараз вона сягає 800000 кВА і більше. Потужність сучасних теплових електростанцій досягає 4 млн. кВт, гідроелектростанцій – 6 млн. кВт. Неперервно підвищується питоме використання матеріалів потужних синхронних машин. Потужність поодиноких агрегатів досягає 640 МВт в гідрогенераторобудуванні і 1200 МВт – у турбогенераторобудуванні. Проектуються гідрогенератори потужністю 800-1000 МВт і турбогенератори потужністю 2000 МВт. Одночасно зі збільшенням потужності зростали і напруги. Так, у США в 1900 р. гранична напруга трансформаторів становила 60 кВ, а вже в 1920 р. вона зросла до 220 кВ. У Швеції в 1952 р. почала працювати лінія електропередачі змінного струму з напругою 380 кВ. В Україні найбільша напруга магістральних ліній електропередач становить 750 кВ. Важливе значення мали роботи Г. Ферраріса з теорії трансформаторів і однофазних двигунів (1893 р.). Велике значення мали роботи М.О. Доліво-Добровольського, який створив основи теорії і проектування трансформаторів. Він заклав основи проектування асинхронних машин (1893 р.). Теорією трансформаторів в 90-х роках позаминулого століття плідно займалися Г. Каппа, Бен-Ешенбург та ін. Важливою віхою у розвитку теорії електричних машин була поява в 30-40-х роках робіт Г. Крона з загальної теорії електричних машин. Г. Крон запропонував модель і рівняння узагальненої машини, з яких можна отримати рівняння всіх видів індукційних машин. Узагальнення, зроблені Г. Кроном, значно вдосконалили теорію електричних машин. У дореволюційній Росії, складовою якої була значна частина України, власної електропромисловості не було. Окремі електромашинобудівні заводи були власністю закордонних фірм, і випускали електричні машини також за кордоном. Випускати електричні машини після Жовтневого перевороту почали на трьох заводах, які раніше належали іноземним фірмам: і заводі у Харкові (ХЕМЗ). Сьогодні це заводи-велетні, які випускають різноманітну продукцію і розробляють з кожним роком все досконаліші машини. Крім ХЕМЗа, в Україні випускають продукцію такі електромашинобудівні заводи: електротехнічний завод "ХЕЛЗ", "Електроважмаш" і "Електромашина" в Харкові, "Електромотор" у Полтаві, електромашинобудівний завод у Новій Каховці, Винницький електротехнічний завод, "Електропобутприлад" у Львові, "Електродвигун" в Ужгороді, Запорізький трансформаторний завод і Хмельницький завод трансформаторних підстанцій (виробничо-технічна фірма "Трансформатор"). Розвиток та удосконалення електричних машин продовжуються сьогодні у багатьох виробничих фірмах, наукових і навчальних колективах електромеханіків. Тепер електромашинобудівники України у творчому зв'язку з науково-дослідними і технічними навчальними інститутами (університетами) країни повинні забезпечити випуск необхідних типів електричних машин і трансформаторів та покращувати їх техніко-економічні характеристики.

 

 

Тема 9. Типи електрифікованих транспортних засобів.

Гібридні силові установки. Історія появи гібридних транспортних засобів. Схеми принципу роботи автомобілів з різними типами силових установок. Зарядження електрикою. Акумуляторні батареї. Керування електромобілем та гібридом.

 

 

ГІБРИДНІ Й ЕЛЕКТРИЧНІ ЕНЕРГЕТИЧНІ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

План лекції. Схеми гібридних силових установок автомобілів: послідовна, паралельна й послідовно-паралельна. Переваги й недоліки автомобілів з гібридними силовими установками. Електромобілі. Механічні накопичувачі енергії. Електропневматичні силові установки.

Гібридним автомобілем називається транспортний засіб, що приводиться в рух за допомогою гібридної силової установки. Відмінною рисою гібридної силової установки є використання двох і більше джерел енергії й відповідних їм двигунів, що перетворюють енергію в механічну роботу. У деяких джерелах інформації використовується термін "гібридний двигун", який з технічної точки зору невірний.

           Незважаючи на різноманіття джерел енергії (теплова енергія бензину або дизельного палива, електроенергія, енергія стисненого повітря, енергія стислого зрідженого газу, сонячна енергія, енергія вітру та ін.) у промисловому масштабі на гібридних автомобілях використовується комбінація двигуна внутрішнього згоряння й електродвигуна.

          Головна перевага гібридного автомобіля полягає в істотному скороченні витрати палива й викидів шкідливих речовин в атмосферу, яке досягається:

- у погодженій роботі ДВЗ і електродвигуна;

- застосуванням акумуляторів великої ємності;

- використанням енергії гальмування, так зване рекуперативне гальмування, що перетворює кінетичну енергію руху в елек-троенергію.

             Разом з тим, у гібридних автомобілях використовується безліч інших інноваційних розробок, що дозволяють заощаджувати паливо й берегти атмосферу, у тому числі:

-система зміни фаз газорозподілу;

-система стопстарт;

- система рециркуляції відпрацьованих газів;

- сис-тема підігріву охолодної рідини відпрацьованими газами;

- поліпшена аеродинаміка;

-електропривод допоміжних пристроїв (водяного насоса, кліматичної установки, підсилювача керма та ін.);

- шини зі зниженимопором коченню.

             Необхідно відзначити, що великий ефект від гібридних автомобілів спостерігається при русі в міському циклі, який характеризується частими зупинками, роботою в режимі холостого ходу. При русі з постійною високою швидкістю (заміський цикл) гібриди не так ефективні. Залежно від характеру взаємодії двигуна внутрішнього згоряння й електродвигуна розрізняють наступні схеми гібридних силових установок:

-послідовна, паралельна, послідовно-паралельна.

              Послідовна схема гібридного автомобіля.

Це сама проста конфігурація. При послідовній схемі автомобіль приводиться в рух від електродвигуна. Двигун внутрішнього згоряння з'єднаний тільки з генератором, який у свою чергу живить електродвигун і заряджає акумуляторну батарею.

           Свою назву послідовна схема гібридного автомобіля одержала тому, що потік потужності надходить на ведучі колеса, проходячи ряд послідовних перетворень. Від механічної енергії, вироблюваної ДВЗ, в електричну вироблювану генератором, і знову в механічну. При цьому частина енергії неминуче губиться.

 

Рисунок 1 - Послідовна схема гібридного автомобіля

У гібридному автомобілі з послідовною схемою силової установки, як правило, передбачається можливість підключення до електри-чної мережі по закінченню поїздки. Такі автомобілі називають Plugin Hybrid (дослівно - гібрид, що підключається). Реалізація даної функції припускає використання акумуляторів збільшеної ємності (літійіонні акумулятори), приводить до скорочення використання ДВЗ і відповідно зниженню шкідливих викидів.

Представниками Plugin Hybrid є автомобілі Chevrolet Volt, Opel Ampera. Їх ще називають електромобілями зі збільшеним радіусом дії (Extended Range Electric Vehicle, EREV). Ці автомобілі мають можливість руху до 60 км на енергії акумуляторів і до 500 км на енергії генератора, що приводиться в дію ДВЗ.

Рисунок 2 – Конструкція Chevrolet Volt

 

Рисунок 3 - Opel Ampera

 

Оскільки ДВЗ використовується тільки для привода генератора, то відпадає необхідність у коробці передач і зчепленні. Для підзарядки акумулятора також використовується рекуперативне гальмування.

             Послідовний гібрид дозволяє використовувати ДВЗ малої потужності, причому він постійно працює в діапазоні максимального ККД, або ж його можна зовсім відключити. При відключенні ДВЗ електродвигун і батарея в змозі забезпечити необхідну потужність для руху. Тому вони, на відміну від ДВЗ, повинні бути більш потужні, а отже вони мають і більшу вартість.

             Найбільш ефективна послідовна схема при русі в режимі частих зупинок, гальмувань і прискорень, русі на низькій швидкості, тобто в місті. Тому використовують її в міських автобусах і інших видах міського транспорту. По такому принципу працюють також великі кар'єрні самоскиди, де необхідно передати великий крутний момент на колеса і не потрібні високі швидкості руху.

              Паралельна схема гібридного автомобіля.

У паралельній схемі електродвигун і двигун внутрішнього згоряння встановлюються таким чином, що можуть працювати як самостійно, так і спільно. Це досягається шляхом з'єднання ДВЗ, електродвигуна й коробки передач за допомогою автоматично керованих муфт.

Гібридні автомобілі, що використовують паралельну схему, звуться Mild Hybrid (дослівно - помірний або м'який гібрид). У них використовується електродвигун малої потужності (порядку 20 кВт), який забезпечує, як правило, додаткову потужність при прискоренні автомобіля. У більшості конструкцій електродвигун, розташований між ДВЗ і коробкою передач, виконує також функцію стартера й генератора.

 

Рисунок4 - Паралельна схема гібридного автомобіля

 

          Відомими гібридними автомобілями з паралельною схемою є Honda Insight, Honda Civic Hybrid, BMW Active Hybrid 7, Volkswagen Touareg Hybrid, Hyundai Elantra Hybrid. Піонером у даній області є Honda та її система Integrated Motor Assist, IMA (дослівно – інтегрований помічник двигуна).

При роботі системи IMA можна виділити наступні характерні режими:

- робота від електродвигуна;

- спільна робота ДВЗ і електродвигуна;

- робота від ДВЗ із одночасною зарядкою акумулятора від електродвигуна в режимі генератора;

- зарядка акумуляторної батареї в режимі рекуперативного га-льмування.

Отже ведучі колеса при паралельній схемі гібридного автомобіля приводяться в рух і ДВЗ, і електродвигуном (який повинен бути оборотним, тобто може працювати в якості генератора). Для їхньої погодженої паралельної роботи використовується комп'ютерне управління. При цьому зберігається необхідність у звичайній трансмісії, а тому двигуну доводиться працювати в неефективних перехідних режимах. Крутний момент, що надходить від двох джерел, розподіляється залежно від умов руху: у перехідних режимах (старт, прискорення) у допомогу ДВЗ підключається електродвигун, а в устояних режимах і при гальмуванні він працює як генератор, заряджаючи акумулятор.

Таким чином, у паралельних гібридах більшу частину часу пра-цює ДВЗ, а електродвигун використовується для допомоги йому. Тому паралельні гібриди можуть використовувати меншу акумуляторну батарею, у порівнянні з послідовними. А раз ДВЗ безпосередньо пов'язаний з колесами, то й втрати потужності значно менші, чим у послі-довному гібриді. Подібна конструкція досить проста, але її недоліком є те, що оборотна машина паралельного гібрида не може одночасно приводити в рух колеса й заряджати батарею.         Паралельні гібриди ефективні на шосе, але малоефективні в місті. Незважаючи на простоту реалізації цієї схеми, вона не дозволяє значно поліпшити як еколо-гічні параметри, так і ефективність використання ДВЗ.

             Прихильником такої схеми гібридів є компанія "Хонда". Їхня гі-бридна система одержала назву Integrated Motor Assist (Інтегрований помічник двигуна). Вона передбачає, насамперед, створення бензино-вого двигуна зі збільшеним ККД. І тільки тоді, коли двигуну стає важ-ко, на допомогу йому повинен приходити електричний мотор.

Рисунок 5 – Розміщення батареї за спинкою сидіння у Honda Civic Hybrid

 

 

Рисунок 6 - Двигун Honda Civic Hybrid із системою

Integrated Motor Assist, IMA (інтегрований помічник двигуна)

У цьому випадку система не вимагає складного й дорогого силового блоку керування, і, отже, собівартість такого автомобіля виявляється нижчою. Система IMA складається з бензинового двигуна (який надає основний ресурс потужності), електромотора, який надає додаткову потужність і додаткової батареї для електромотора.

          Коли автомобіль зі звичайним бензиновим двигуном уповільню-ється, його кінетична енергія гаситься опором мотора (гальмування двигуном) або розсіюється у вигляді тепла при нагріванні гальмових дисків і барабанів. Автомобіль із системою IMA починає гальмувати електромотором. Таким чином, електромотор працює як генератор, виробляючи електрику. Збережена при гальмуванні енергія запасаєть-ся в батареї. І коли автомобіль знову почне прискорюватися, батарея віддасть усю накопичену енергію на розкручування електромотора, який знову перейде на свої тягові функції. А витрата бензину зменшується рівно настільки, скільки енергії було запасено при попередніх гальмуваннях. Загалом, у компанії Honda уважають, що гібридна система повинна бути максимально простою, тому електричний мотор виконує лише одну функцію - допомагає двигуну внутрішнього зго-ряння заощадити якнайбільше пального. Honda випускає дві гібридні моделі: Insight і Civic.

            Послідовно-паралельна схема гібридного автомобіля.

При послідовно-паралельній схемі двигун внутрішнього згорян-ня й електродвигун з'єднані через планетарний редуктор. При цьому потужність кожного із двигунів може передаватися на ведучі колеса одночасно у співвідношенні від 0 до 100 % від номінальної потужності. На відміну від паралельної схеми в послідовно-паралельну схему доданий генератор, що забезпечує енергією роботу електродвигуна.

 

Рисунок 7 - Послідовно-паралельна схема гібридного автомобіля

 

           Гібридні автомобілі, що використовують послідовно-паралельну схему, називають Full Hybrid (дослівно - повний гібрид). Відомими повними гібридами є автомобілі Toyota Prius, Lexus RX 450h, Ford Escape Hybrid. У цьому сегменті ринку гібридних автомобілів панує компанія Toyota та її система Hybrid Synergy Drive, HSD.

           Силова установка системи HSD являє собою двигун внутрішнього згоряння (з'єднаний з водило планетарного редуктора), електро-двигун (з'єднаний з коронною шестірнею планетарного редуктора), генератор (з'єднаний із сонячною шестірнею планетарного редуктора).

 

 

Рисунок 8 - Послідовно-паралельна схема гібрида BMW Active Hybrid X6

Двигун внутрішнього згоряння працює по циклу Аткінсона, при якому реалізуються посередні показники потужності на низьких обер-

тах, відповідно досягається більша паливна економічність і менші шкідливі викиди.

          У роботі системи Hybrid Synergy Drive можна виділити наступні режими:

- режим електромобіля, при якому ДВЗ виключений, а акуму-ляторна батарея живить електродвигун;

- режим руху з постійною (крейсерською) швидкістю, при якому потужність від ДВЗ розподіляється між ведучими ко-лесами й генератором. Генератор у свою чергу живить елект-родвигун, потужність якого поєднується з потужністю ДВЗ. При необхідності проводиться зарядка акумуляторної батареї;

- форсований режим, при якому до ДВЗ приєднується електро-двигун, що живиться від акумуляторної батареї, забезпечуючи імпульс потужності;

- економічний режим, при якому акумуляторна батарея живить генератор.       Генератор перетворює електричну енергію в механічну, сповільнюючи обертання ДВЗ. При цьому крутний момент двигуна не зменшується, а досягається паливна економічність;

- режим гальмування, при якому електродвигун працює як ге-нератор, а електроенергія використовується для обертання сонячної шестірні в протилежну сторону, сповільнюючи швидкість руху автомобіля;

- режим зарядки акумулятора, що здійснюється за допомогою ДВЗ і генератора.

Розглянемо більш детально конструктивні особливості послідовно-паралельної схеми. Так розроблена компанією Тойота система Hybrid Synergy Drive (HSD) поєднує в собі особливості двох попередніх типів. У схему паралельного гібрида додається окремий генератор і дільник потужності (планетарний механізм). У результаті гібрид здо-буває риси послідовного гібрида: автомобіль рушає й рухається на малих швидкостях тільки на електротязі. На високих швидкостях і при русі з постійною швидкістю підключається ДВЗ.

При високих навантаженнях (прискорення, рух у гору й т.п.) електродвигун додатково підживлюється від акумулятора - тобто гібрид працює як паралельний. Завдяки наявності окремого генератора,

що заряджає батарею, електродвигун використовується тільки для привода коліс і при рекуперативному гальмуванні.

 

Рисунок 9 - Силовий агрегат Toyota Prius

 

            Планетарний механізм передає частину потужності ДВЗ на колеса, а іншу частину на генератор, який або живить електродвигун, або заряджає батарею. Комп'ютерна система постійно регулює подачу потужності від обох джерел енергії для оптимальної експлуатації при будьяких умовах руху.

У цьому типі гібрида більшу частину часу працює електродвигун, а ДВЗ використовується тільки в найбільш ефективних режимах. Тому його потужність може бути нижче, чим у паралельному гібриді.

Важливою особливістю ДВЗ також є те, що він працює по циклу Аткінсона, а не по циклу Отто, як звичайні двигуни. Тобто якщо робота двигуна організована по циклу Отто, то на такті впуску поршень, рухаючись униз, створює в циліндрі розрідження, завдяки якому від-бувається усмоктування в нього повітря й палива.

При цьому в режимі малих обертів, коли дросельна заслінка

майже закрита, з'являються так звані "насосні втрати". Щоб краще зрозуміти, що це таке, спробуйте, наприклад, втягти повітря через затиснуті ніздрі.

Крім того, при цьому погіршується наповнення циліндрів сві-жим зарядом і відповідно підвищується витрата палива й викиди шкі-дливих речовин в атмосферу. Коли поршень досягає нижньої мертвої точки (НМТ), впускний клапан закривається. У ході такту випуску, коли відкривається випускний клапан, відпрацьовані гази ще перебу-вають під тиском, а їхня енергія безповоротно губиться - це так звані "втрати випуску".

У двигуні Аткінсона на такті впуску впускний клапан закрива-ється не поблизу НМТ, а значно пізніше. Це дає цілий ряд переваг. По-перше, знижуються насосні втрати, тому що частина суміші, коли поршень пройшов НМТ і початків рух нагору, виштовхується назад у впускний колектор (і використовується потім в іншому циліндрі), що знижує в ньому розрідження. Горюча суміш, що виштовхується із ци-ліндра, також несе із собою частину тепла з його стінок.

Тому що тривалість такту стиску стосовно такту робочого ходу зменшується, то двигун працює по циклу зі збільшеним ступенем ро-зширення, при якому енергія відпрацьованих газів використовується більш тривалий час, тобто зі зменшенням втрат випуску. Таким чи-ном,одержуємо кращі екологічні показники, економічність і більший ККД, але меншу потужність. Але в тому-то й суть, що мотор гібрида Тойоти функціонує в режимах малих навантажень, при яких цей недо-лік циклу Аткінсона не відіграє великої ролі.

До недоліків послідовно-паралельного гібрида слід віднести більш високу вартість, у вигляді того, що він потребує окремого гене-ратора, більшого блоку батарей, і більш продуктивну і складну ком-п'ютерну систему управління.

Система HSD установлюється на хетчбеку Toyota Prius, седані бізнес-класу Camry, позашляховику Lexus RX400h, Toyota Highlander Hybrid, Harrier Hybrid, спортивному седані Lexus GS 450h і автомобілі люкс-класу - Lexus LS 600h.

Ноу-хау компанії Тойота вже куплене компаніями Форд і Ніссан і використане при створенні Ford Escape Hybrid і Nissan Altima Hybrid. Toyota Prius лідирує по продажах серед усіх гібридів. Витрата бензину в місті становить 4 л на 100 км пробігу. Це перший автомобіль, у якого витрата палива при русі в місті менше, чим на шосе.

           Переваги автомобілів з гібридною силовою установкою.

          Ощадлива експлуатація - головна перевага гібридів. Щоб досягти її, необхідно було шукати баланс, тобто зрівноважити всі технічні показники машини, але при цьому зберегти всі корисні параметри звичайного автомобіля: його потужність, швидкість, здатність до швидкого розгону, і безліч інших, досить важливих характеристик, закладених у сучасних автомобілях.

            Мало того, здатність накопичувати енергію, у тому числі й не втрачати понапрасну кінетичну енергію руху під час гальмування, а заряджати акумуляторні батареї, крім основних явних переваг, прив-несло деякі побічні "дрібні радості", наприклад, менше зношування гальмових колодок.

             Як була досягнута економія:

- зниженням обсягу й потужності двигуна;

- за рахунок роботи двигуна в оптимальному й рівномірному режимі, у набагато меншій залежності від умов їзди;

- повною зупинкою роботи двигуна, коли це необхідно;

- можливістю руху тільки на електродвигунах;

- рекуперативним гальмуванням із зарядкою акумулятора.

           Уся ця система настільки складна, що стала можлива повною мірою тільки в сучасних умовах, із застосуванням досить непростих алгоритмів роботи бортового комп'ютера. Навіть правильне й ефективне (з погляду безпеки) гальмування управляється бортовим комп'ю-тером.

Екологічна чистота. Зниження витрати вуглецевого палива, негайно позначилося на екологічній чистоті. Повна зупинка роботи двигунів у місцях скупчення автомобілів на дорогах міст, і насамперед у пробках, має саму першорядну роль. Застосування ж акумуляторних батарей, набагато меншої ємності, чим в електромобілях, знизило проблему утилізації використаних акумуляторів. Розвиток гібридної технології в суспільному транспорті, і для вантажних автомобілів, ще більше поліпшить екологічну обстановку міст.

Гарні ходові характеристики. Тепер немає необхідності вста-новлювати двигун з розрахунку пікових навантажень експлуатації. У момент, коли необхідно різке посилення тягового навантаження, у ро-боту включаються одночасно як електро-, так і звичайний двигун (а в деяких моделях і додатковий електродвигун).

Це дозволяє заощадити на установці менш потужного двигуна

внутрішнього згоряння, що працює основний час у найбільш сприятливому для себе режимі. Такий рівномірний перерозподіл і накопи-чення потужності, з наступним швидким використанням, дозволяє використовувати гібридні установки в автомобілях спортивного класу й позашляховиках.

Незважаючи на те, що електродвигуни мають досить сильний крутний момент у перерахуванні на масу й габарити двигуна, у порів-нянні з іншими двигунами, розроблювачі все-таки в ряді моделей установлюють не занадто потужні електродвигуни, зменшуючи їх габарити. При цьому, з метою підсумовування потужностей, застосову-ються комбіновані схеми передачі крутного моменту, із прямою передачею механічного крутного моменту, безпосередньо від двигуна. Така схема називається "гібридно-спільний привод".

Збільшення дальності пробігу автомобіля. Час - це самий ко-штовний ресурс для людини. Виключення половини заїздів на заправні станції, і навіть більшої кількості таких заїздів, при їзді по місту, вивільняє у автовласника деяку кількість часу для інших більш важливих справ.

           Збереження й повторне використання енергії. Усунутий головний недолік двигуна на вуглецевому паливі - неможливість повернення енергії назад у вуглецеве паливо. Інженери давно намагалися зберегти енергію руху при гальмуванні, щоб її повторно використову-вати. Наприклад, застосовувалися спеціальні конструкції з більшим маховиком. Але тільки електричну енергію вдається зберегти із самими мінімальними втратами й максимально дешево. У якості накопичувача застосовуються як акумулятори, так і спеціальні конденсатори.

Звичайне заправлення паливом. В електромобілів поки є один великий недолік - необхідність зарядки акумулятора. Процес довгий, і вимагає деякого спеціально обладнаного пункту зарядки. У такий спо-сіб він стає непридатним для тривалих і далеких поїздок. Але вже роз-роблені технології, що дозволяють заряджати літій-іонні акумулятори з електродами з наноматеріалів до 80 % ємності за 5-15 хвилин.

            У гібридного автомобіля цей недолік усунутий. Заправлення здійснюється за звичною схемою, звичайним вуглецевим паливом, тоді, коли це необхідно, і подальший рух можна негайно продовжити. У міському циклі експлуатації гібридний автомобіль 80 % часу пра-цює в режимі електромобіля.

            Загальні недоліки гібридів.

Гібридні автомобілі складніші й дорожчі традиційних автомобі-лів із двигунами внутрішнього згоряння. Акумуляторні батареї мають невеликий діапазон робочих температур, не люблять морозів, піддані саморозряду, термін їхньої служби обмежений декількома роками. А "ощадливість" гібрида прямо пов'язана зі станом акумуляторної бата-реї.

Гібриди дорожчі в ремонті,. Досвід автоіндустрії США говорить про те, що автомеханіки беруться за ремонт гібридних автомобілів з великим небажанням, та й за сам ремонт візьметься далеко не кожний. Тому у США намагаються розв'язати проблему дорожнечі володіння гібридним авто податковими пільгами.

Далеко не всі великі автовиробники змогли створити власну гіб-ридну систему. Компанія Porsche взагалі відмовилася від спроб самос-тійного виробництва гібридного автомобіля. Компанія Mitsubishi спо-конвічно не намагалася створити гібридний автомобіль, а сконцентру-вала всі свої зусилля на розробці електромобілів. Найбільш вдала на сьогодні серійна розробка - Hybrid Synergy Drive компанії Toyota.

Гібридні автомобілі, як і електромобілі, хоч і меншою мірою, піддані проблемі утилізації відпрацьованих акумуляторів. Вплив ви-кинутих акумуляторів на навколишнє середовище, очевидно, ніхто не досліджував. Але ж він може бути небезпечним.

          Природна складність і "нетрадиційність" створення деяких моделей спричиняє збільшення ціни на автомобілі, тобто відразу виникає такий істотний недолік як висока вартість деяких гібридних моделей автомобілів.

І на останок, високу екологічність і економічність гібридів бага-то фахівців ставлять під сумнів. Так, ряд тестів, проведених авторите-тними автомобільними виданнями, показав, що гібриди дають помітну економію палива тільки в місті, при русі ж у змішаному циклі незнач-но, а за містом суттєво програють сучасним дизелям.

Із усього сказаного вище, можна зробити висновок, що напевно, нема рації вважати гібридні автомобілі вирішенням усіх проблем. Це скоріше проміжний етап на шляху до майбутньої машини з нульовим викидом шкідливих речовин. Гібридні технології дають можливість відробити її ключові технічні компоненти - ємні компактні акумуля-тори, оптимізовані системи "повторного використання" енергії, техно-логію швидкої зарядки від зовнішніх джерел, нові електродвигуни, полегшені кузови. Тільки масове виробництво цих вузлів зможе на-близити той час, коли замість поїздки на заправлення досить буде підключити автомобіль на 5-10 хвилин до звичайної домашньої електро-мережі, або до електрозаправної станції десь у місті - а потім їздити цілий день без підзарядки.

 

Питання для самоперевірки

 

1. Який транспортний засіб (автомобіль) називається "гібридом"?

2. В чому полягає головна перевага гібридного автомобіля?

3. Які з інноваційних розробок використовуються у гібридних авто-мобілях?

4. Поясніть послідовну схема гібридного автомобіля.

5. Які переваги й недоліки послідовної схеми гібридного автомобіля?

6. Поясніть паралельну схему гібридного автомобіля.

7. Які переваги й недоліки паралельної схеми гібридів?

8. Поясніть послідовно-паралельну схема гібридного автомобіля.

9. В чому полягають переваги й недоліки послідовно-паралельних схем гібридних автомобілів?

10. Які режими роботи можна виділити у роботі системи Hybrid Synergy Drive?

11. Розкажіть про конструктивні особливості послідовно-паралельної схеми гібридів на прикладі Toyota Prius.

12. Назвіть загальні переваги автомобілів з гібридною силовою уста-новкою.

13. Які загальні недоліки притаманні всім гібридним силовим устано-вкам транспортних засобів?

14. Розкажіть про використання механічних накопичувачів енергії на сучасному автомобільному транспорті.

15. Розкажіть принцип дії пневматичного двигуна автомобіля.

16. Які переваги і недоліки властиві електропневматичним силовим установкам транспортних засобів?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 10. Робочий процес  чотиритактного та двотактного двигунів. Схеми продувки двотактних двигунів , порівняння параметрів 4- та 2- тактних двигунів Функціональна схема (модель) теплового двигуна. Систематизація  теплових двигунів. Функціональна модель на мікро- та на макрорівнях. Класифікація двигунів .

 

РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВЗ

 Фелікс Ванкель народився 13 серпня 1902 р. у німецькому містечку Лар, у родині Рудольфа й Марти Ванкель. У віці 15 років Фелікс залишився без батька який загинув під час Першої світової війни.

            В 1921 р. дев’ятнадцятирічний Фелікс закінчив гімназію й змушений був влаштуватися на роботу для продовження навчання – в його родини не було коштів. Його першим місцем роботи стало книжкове видавництво, де він працював дрібним службовцем. Але через кілька років він залишає  це місце. Очевидно, до цього часу Ванкелю вдалося зібрати деякі кошти, яких вистачило на відкриття невеликоі  автомайстерні у Гейдельберзі, яка одночасно була для нього власним невеликим КБ. Саме тут Ванкель і створює перші кресленн роторнопоршневого двигуна (РПД), або, як він назвав спочатку свою конструкцію, «машини з обертовим поршнями». Але заявку на двигун за схемою РПД він подає тільки в 1933 р., а сам патент одержує в 1936 р.

            Тоді його розробки одразу зацікавили фірму BMW, і він одержав фінансування під власну лабораторію. В 1936 р. Ванкеля запросили на роботу на підприємство, що належало державі й працювало на армію. Разом з ним переїжджає і його невелика лабораторія. У цей час йому доводиться відійти від розробки РПД і зосередитися на розробці золотникових механізмів і технологіях ущільнень. Але робота не стояла, і вдалося створити

кілька прототипів машин типу РПД.

           В 1945 р. його лабораторія потрапила під бомбардування й була повністю знищена (деякі джерела стверджують, що лабораторія була викрадена військами союзників, але сам Ванкель говорив про перший варіант), а самому конструкторові довелося провести у в’язниці два роки: з 1945 по 1946 рр.

            Справа в тому, що в 1942 р. хтось помітив перспективність робіт Ванкеля для військової авіації і його перевели в бюро за назвою DVL, де він займався авіаційними моторами й двигунами для швидкохідних катерів. Саме роботи в цій сфері й привели Ф.Ванкеля у в’язницю. Ванкель покинув тюремні стіни тільки в 1947 р. Цілих шість років він присвятив відтворенню своєї лабораторії, що йому й удалося зробити до 1951 р. У цьому ж році він зареєстрував власне конструкторське бюро в г. Ліндау. Тоді ж почалося його

співробітництво з фірмою NSU, зайнятої випуском мотоциклів. Завдяки співробітництву з Ванкелем, цій фірмі вдалося досить голосно заявити про себе, поставивши світовий рекорд в одному із класів – мотоцикл їх виробництва розвив швидкість в 193 км/год. Цікаво, що з його двигуна, обсягом усього в 50 см3 Ванкелю вдалося зняти 14 к.с. Зрозуміло, що двигун був побудований за схемою, запропонованої їм 20 років тому.

              Не можна сказати, що напрямок роботи Ванкеля прийшов до

душі керівництву NSU, але, той факт, що мотоцикл їх виробництва, дякуючи двигуну Ванкеля, поставив світовий рекорд, змусив їх зм’якшитися й виділити кошти на розробку нового мотора. І результати не змусили себе чекати. Однак, Ванкелю довелося кардинально змінити свій підхід до конструкції двигуна. Причиною цього стало те, що колишня конструкція мало підходила для масового виробництва, тому й довелося вносити чималі зміни. Але в результаті двигун став більш пристосований для масового виробництва, простіше в обслуговуванні й ремонті.

             Новий двигун був у перший раз було запущено 1 лютого 1957 р. Завівшись із третьої спроби, працюючи на метанолі, двигун пережив більш 100 годин випробувань, розвіявши всі сумніви про свою працездатність.

Уже в 1958 NSU зробили невелику партію автомобілів, оснащених новим двигуном NSU Spider. Але через 10 років громадськості був представлений автомобіль NSU Ro 80, який приніс Ванкелю світове визнання. Однак для NSU цей проект став останнім. В 1969 р. фірма була змушена перейти під

контроль Volkswagen. Але Фелікс Ванкель продовжив роботу над своїм двигуном.

             Після NSU основними «споживачами» ідей Ванкеля стали Тоуо Kogyo (майбутня Mazda) і ВАЗ. Президент компанії Mazda Цунеджи Мацуда відразу ж оцінив величезні можливості цього винаходу й особисто уклав договір про співробітництво з NSU. В 1963 році був заснований спеціальний підрозділ компанії Mazda, під керівництвом Кенічі Ямамото, яке займається

дослідженням роторних двигунів і донині. 30 травня 1967 року в продаж надійшов Cosmo Sport, оснащений двигуном Type 10A потужністю 110 к.с. – перший автомобіль від Mazda із двороторним двигуном.

               Розробки, які були початі надалі, дозволили японцям знизити

витрати палива більше ніж на 40 % і суттєво зменшити кількість токсичних вихлопів. До 1970 року загальне число автомобілів з роторним двигуном досягло 100 тисяч. До 1975 року було зібрано 500 тисяч таких автомобілів. До 1978 року вже більше мільйона.

                На початку 1970-х, ВАЗ одержав держзамовлення на розробку автомобіля для КДБ. Необхідно було в стандартний зовні кузов виробництва ВАЗ умістити яка можна потужніший двигун. Багатоциліндрові двигуни для цього не підходили. Вихід був знайдений за допомогою придбання ліцензії на виробництво двигунів Ванкеля. Після початку власних розробок, Ванкеля

таємно привозили на ВАЗ. Тоді він критично оцінив і схвалив

власну ВАЗівську компоновку РПД.

Результатом цього стала поява однороторного двигуна ВАЗ311 (потужністю 70 к.с.), яким оснащували автомобіль, що одержав індекс ВАЗ-21108. Усього було випущено 50 таких автомобілів. Але двигун не задовольнив замовників. У першу чергу, йому не вистачало потужності. У результаті, в 1982 р.

з’явився двосекційний РПД: ВАЗ-411 (потужність 110-120 к.с.) і

ВАЗ 413 (140 к.с.) Автомобілі, оснащені цим двигуном носили індекс

 ВАЗ-21109.

             В 1992 році ВАЗ знову вертається до розробки РПД. Цього разу вже для своїх передньоприводних моделей. Цей двигун одержав індекс ВАЗ-414. Трохи пізніше в 1995 р. – був представлений двигун, що дотепер не має аналогів. Його унікальність полягала в тому, що він був разюче універсальний: їм можна було оснастити будь-який ВАЗовський автомобіль : «класику», передньо- і повнопривідні! Більше того, цим двигуном можна обладнати будь-який «Москвич» і навіть «Волгу»! І це не все! Існує модифікація цього ж ВАЗ – 415, призначена для малої авіації! Але, після кризи 1998 року, ВАЗ згорнув усі роботи, пов’язані із РПД. І на даний момент у світі двигунами цієї конструкції займається лише компанія Mazda.

              Треба сказати, що Mazda із завидним терпінням продовжувала вдосконалювати роторні автомобілі і зараз міцно зайняла свою нішу на ринку з автомобілями, оснащеними двигуном Ванкеля: у цілому по світу, ними продано близько 2,5 мільйонів автомобілів, оснащених РПД.

               Так їхня модель RX-8 2004 року, з 280-сильним двигуном, мала розгін до 100 км/год за 8,4 с. Але, щоб одержати від двигуна все, на що він здатний, доводилося тримати оберти не нижче 4000. Цю машину офіційно продавали в СНД.

               Компанія Mazda увійшла в історію ще й завдяки тому, що в

1990-му виграла гонку в Ле-Мані із прототипом Mazda 787В. Її роторний мотор (700 к.с. при 5000 об/хв) витримав 24-годинний марафон.

Причому зробив це завдяки небувалій швидкості, а сам автомобіль був не дуже надійний. Але поки ця перемога залишається єдиною для автомобілів з роторними двигунами.

                Але самому Феліксу Ванкелю не вдалося дожити до тріумфу

в Ле-Мані. 9 жовтня 1988 р. його не стало. До самих останніх

днів він продовжував роботу над удосконалюванням свого

дітища. Справа в тому, що та схема, яка й понині лежить в основі

серійних РПД, не задовольняла самого інженера, і він до останнього вдосконалював ту схему, якою він займався ще до початку роботи в NSU.

              В 2012 році японці припинили серійне виробництво купе

Mazda RX-8. Але продовжили вести дослідницькі роботи в цьому

напрямку. В 2015 році в Токіо був показаний концепт-кар RXVision. А в травні 2017 Mazda офіційно заявила що повертається до серійного виробництва роторно-поршневих двигунів і їх новий роторний двигун буде працювати на різних паливах, у тому числі й на водні.

               Новий РПД буде мотор-генератором, яким оснастять майбутній електромобіль Мазда. Так японці планують збільшити запас ходу свого електрокара. Такий мотор компактний і не займає багато місця, а ще досить економічний при роботі на стабільних обертах. Тобто, він непогано підходить на роль генератора, що виробляє електроенергію.

            Також новий роторно-поршневий мотор-генератор працюючи на водні буде задовольняти усім нормам токсичності Євро 4-6, оскільки в цьому випадку його вихлоп буде містити тільки водяну пару. Крім цивільних автомобілів з РПД, Mazda має багато інших цікавих й успішних розробок в цій області.

               Роторними двигунами займалися багато світових компаній,

навіть американські. Але до серії справа дійшла не в усіх. Крім німців і японців у цім питанні відносного успіху досягли французи. Вони теж відзначилися дрібносерійними роторними автомобілями. Спочатку вони робили 50-сильне купе М35 на базі моделі Ami 8, потім – Citroen GS Birotor з 106-сильним двигуном. Проте сумарний їхній випуск ледь перевалив за тисячу.

 

                   

Класифікація двигунів

 

Двигуни внутрішнього згоряння можуть бути класифіковані по наступних основних ознаках:

- по роду застосовуваного палива – працюючі на рідкому

паливі, газові й газорідинні;

- по способу сумішоутворення – із зовнішнім і

внутрішнім сумішоутворенням;

- по способу здійснення робочого циклу – чотиритактні й

двотактні (можливе здійснення робочого циклу й у

більше число тактів);

- по способу запалення горючої суміші – із запаленням від

стиску (дизелі) і із примусовим запаленням (в основному від електричної іскри);

- по способу регулювання потужності – з кількісним, якісним і змішаним регулюванням, з регулюванням зміною робочого обсягу, ходу поршня, відключенням частини циліндрів та ін.;

- по способу організації постачання повітря – без наддування й з наддуванням.

Крім того, можлива  класифікація двигунів по конструктивних ознаках:

- по конструкції механізму, що перетворює рух поршня в обертовий рух вала двигуна – із кривошипно-шатунним механізмом, роторно-поршневі та ін.

- по конструкції кривошипно-шатунного механізму –тронкові (високо- і средньоборотні) і крейцкопфні(переважно малооборотні);

- по розташуванню й числу робочих циліндрів – рядні, Vобразні, W-образні, Х-образні, зіркоподібні, опозитні, з поршнями що зустрічно рухаються, й складних компонувань;

- по ступеню швидкохідності – тихохідні (із середньою швидкістю поршня 10 м/с) і швидкохідні (із середньою швидкістю поршня вище 10 м/с);

- по напрямку обертання колінчатого вала – правого й лівого обертання, реверсивні й нереверсивні.

За призначенням двигуни ділять на наступні типи:

- стаціонарні промислового призначення – для установок на електростанціях, насосних станціях і т.п.;

- наземно-транспортні – тепловозні, автомобільні, тракторні, двигуни дорожніх і транспортнонавантажувальних машин та ін.;

- суднові – головні двигуни (реверсивні й нереверсивні), допоміжні (для привода допоміжних механізмів суднової силової установки);

- літальних апаратів (авіаційні та ін.);

- засобів малої механізації.

Двигуни можна класифікувати також по інших ознаках.

Багаторічна продуктивна діяльність декількох поколінь винахідників, інженерів і вчених забезпечила найбагатший арсенал технічних рішень по конструкціях двигунів, їх системам, технології їх виробництва, що в підсумку забезпечило найширше їхнє застосування у всіх галузях народного господарства й перспективи подальшого розвитку.

 

Питання для самоперевірки

1. Назвіть розробника першого працездатного РПД.

2. В якому році було одержано перший патент на РПД?

3. Коротко розкажіть устрій РПД.

4. Який середній ресурс сучасного РПД?

5. За рахунок чого досягається спрощення, врівноваження

конструкції та зменшення загальної маси РПД?

6. Які основні задачі вирішують створюючи роторні двигуни?

7. В чому полягає принцип роботи роторно-поршневих

двигунів?

8. Опишіть принцип роботи роторного двигуна Ванкеля.

9. Назвіть переваги двигуна Ванкеля.

10. Назвіть недоліки двигуна Ванкеля.

11. Який ресурс свічок запалення у РПД?

12. Який бажаний інтервал заміни масла у РПД?

13. За рахунок яких конструктивних рішень вдалося істотно

знизити витрати палива у РПД?

14. Які середні значення витрати масла у сучасному РПД?

15. Як можна істотно збільшити потужність РПД?

16. Які існують напрямки удосконалення конструкцій роторних

двигунів?

17. Які переваги застосування водню в якості палива для РПД

 

 Рекомендована література

 

Абрамчук Ф.І., Гутаревич Ю.Ф., Долганов К.Є., Тимченко І.І.

Автомобільні двигуни: Підручник – К.: Арістей, 2004. – 476 с.

 

2 Марченко А.П., Рязанцев М.К., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього

згоряння: Серія підручників у 6 томах. Т. 1. Розробка конструкцій

форсованих двигунів наземних транспортних машин./ За ред. А.П.

Марченка та А.Ф. Шеховцова. – Харків: Прапор, 2004. – 384 с.

 

3 Tom Denton. Electric and Hybrid Vehicles / Routledge, 2020. – 222p. ISBN

0367273233, 9780367273231

 

4 Modern electric, hybrid electric, and fuel cell vehicles / Mehrdad Ehsani,

Yimin Gao, Stefano Longo, Kambiz M. Ebrahimi // CRC Press Taylor &

Francis Group, 2018. – 546p.

 

Допоміжна література

 

5 Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників у 6 томах. Т. 1-6. /

За ред. А.П. Марченка та А.Ф. Шеховцова. – Харків: Прапор, 2004.

 

 

ІНФОРМАЦІЙНІ РЕСУРСИ В ІНТЕРНЕТІ

1. Герон Александрийский и его изобретения

https://www.youtube.com/watch?v=Em6mCdU0ykg

2. Из истории научных открытий Рудольф Дизель и дизельный двигатель

https://www.youtube.com/watch?v=JzU1-lrwDcQ

3. Четырехтактный двигатель. Николаус Август Отто

https://www.youtube.com/watch?v=d0AnQ2BtgvA

4. Роберт Стірлінг і його двигун

https://www.youtube.com/watch?v=4iR0fC3ROuU

5. Электрические и гибридные автомобили в Украине и мире

https://hevcars.com.ua

6. Сайт кафедри

http://web.kpi.kharkov.ua/diesel/vidannya/

7. Репозитарій науково-технічної бібліотеки

http://repository.kpi.kharkov.ua

 

1. http://www.nbuv.gov.ua – офіційний сайт Національної бібліотеки України імені В.І. Вернадського.

2. http://pidruchniki.com   3. http://all-science.info