первый. КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

КИНЕМАТИКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

Цель обучения — научить обходиться без учителя.

Элберт Хаббард1 В учении нет более удобного способа, чем личные встречи с учителем.

Сюнь-цзы[1] [2]

Общие сведения

Краткая история создания и развития поршневых двигателей.

Машины, с помощью которых любой вид энергии преобразовывается в механическую работу, называются двигателями. Двигатели, в которых тепло преобразуется в механическую работу, называются тепловыми. Если преобразование тепла в механическую работу получается в результате сгорания топлива в самом двигателе, то они называются двигателями внутреннего сгорания.

При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания в его цилиндрах протекают сложные физико-химические процессы, связанные с преобразованием химической энергии топлива в механическую работу и определяющие мощностные, а также экономические показатели. Описание этих процессов и закономерностей их протекания представляет теорию двигателей внутреннего сгорания.

История развития автомобильных и тракторных двигателей началась в IX в. с создания первых стационарных газовых двигателей внутреннего сгорания. В 1860 г. в Париже был построен первый двигатель внутреннего сгорания, который работал на светильном газе (газовый двигатель Ленуара). В 1870—1892 гг. появились четырехтактные газовые двигатели Э. Лангена и Н. Отто, которые по компактности и экономичности превосходили существующие в то время паросиловые установки. Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX в. после получения керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные двигатели с малой удельной массой, которые можно было использовать для привода транспортных машин. В 1881—1885 гг. И.С. Косто- вич сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт с удельной массой 2,2 кг/кВт. Это двигатель имел карбюратор, а воспламенение смеси осуществлялось от электрической искры. С 1885 г. стали появляться двигатели, работающие на керосине и других тяжелых сортах жидкого топлива (двигатели Яковлева, Бромлея).

В 1885 г. немецкий инженер Готлиб Даймлер построил двигатель мощностью 0,8 кВт с частотой вращения коленчатого вала 800 мин-1, который предназначался для легких самодвижущихся экипажей (позднее названных автомобилями). Первые такие экипажи были созданы в 1882 г. в России инженером Н.И. Путиловым и в 1887 г. в Германии Даймлером и Бенцем.

В 1897 г. инженером Р. Дизелем (Германия) был спроектирован и построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом в цилиндр при помощи сжатого воздуха. Он развивал мощность около 15 кВт при частоте вращения коленчатого вала 172 мин-1. Расход топлива составлял 336 гДкВтч). В 1899 г. в Санкт-Петербурге на машиностроительном заводе Нобеля был построен двигатель с воспламенением от сжатия мощностью 19 кВт с удельным расходом топлива 300 г/(кВт ч). Экспериментальные исследования на этом двигателе поводил Г.Ф. Депп. О своих работах он доложил на Всемирной выставке 1900 г. в Париже, на которой Р. Дизелю была вручена золотая медаль. Этот двигатель мог работать на керосине, сырой нефти и соляровом масле. Хотя компрессорные дизели имели хорошую экономичность, широкое распространение их на транспорте ограничивалось из-за больших габаритов и массы вследствие необходимости иметь компрессор для получения сжатого воздуха.

Задачу создания бескомпрессорного дизеля успешно решил в 1904 г. русский инженер Г.В. Тринклер. Впрыск и распыливание топлива в цилиндре этого двигателя осуществлялось с помощью специального устройства, без применения компрессора. В 1908 г. Тринкле- ру был выдан русский патент на бескомпрессорный двигатель, работающий от сжатия по смешанному циклу подвода теплоты [1]. Этот патент окончательно закрепил за Россией приоритет в создании современного дизельного двигателя. Двигатель конструкции Тринклера принципиально отличался от двигателя Дизеля тем, что хотя топливо здесь тоже самовоспламенялось в результате высокого сжатия заряда воздуха в цилиндре, но оно распыливалось и вводилось в камеру сгорания не с помощью воздуха, сжимаемого в компрессоре, а с помощью воздуха, выходящего из особого устройства — поршенька, размещавшегося в головке (крышке) цилиндра и приводившегося в действие от кулачной шайбы, установленной на распределительном валу. Сжатый в цилиндре воздух попадал в рабочую полость этого поршенька, где дожимался, и обеспечивал распыливание, а также подачу в камеру сгорания топлива через воздушную форсунку, в которую топливо поступало самотеком. Важной особенностью двигателя Тринклера при этом явилось то, что надежно предотвращалось преждевременное воспламенение топлива в цилиндре благодаря тому, что подавалось оно в камеру сгорания в конце такта сжатия воздуха. В двигателе Дизеля это происходило на большей части хода сжатия [1]. На конференции Парижской академии наук в 1947 г. постановили, что существующий двигатель с воспламенением от сжатия работает по процессу «Тринклер-мотора». Но, принимая во внимание большие заслуги создателя «Дизель-мотора» Рудольфа Дизеля во внедрению и распространению двигателя с воспламенением от сжатия, тогда же было принято решение назвать созданный двигатель именем Дизеля, а приоритет создания его рабочего процесса оставить за Россией и его создателем Тринклером. Аналогичный двигатель в 1910 г. создал и установил на трактор известный русский изобретатель Я.В. Мамин. В дальнейшем бензиновые двигатели и дизели были значительно усовершенствованы и получили широкое распространение как транспортные силовые установки.

Массовое производство и применение двигателей внутреннего сгорания в свою очередь потребовало тщательного изучения процессов, протекающих в них, с целью улучшения мощностных, экологических и экономических показателей, получения более простых и технологичных конструкций. Для этого необходимо было разработать теорию рабочих процессов в поршневых двигателях. В 1906 г. В.И. Гриневецкий разработал метод расчета цикла ДВС, который впоследствии был развит и дополнен Н.Р. Брилингом, Е.К. Мазин- гом, Б.С. Стечкиным [2, 3].

Однако сложность протекающих в поршневых двигателях процессов требует их дальнейшего изучения, а теория двигателей — уточнения. В России был создан ряд новых высокоэкономичных, экономичных, облегченных и долговечных конструкций автомобильных двигателей. Тем не менее, по многим показателям они значительно уступают зарубежным двигателям.

Основные потребители ДВС — автомобили и тракторы — работают, как правило, в сложных, непрерывно изменяющихся эксплуатационных условиях, которые обусловливают требования, предъявляемые к поршневым двигателям (снижение выброса вредных веществ с отработавшими газами, удельный расход топлива, быстроходность, приспособляемость, запас крутящего момента и т. п.). Кроме того, увеличение частоты вращения коленчатого вала ДВС привело к необходимости разработать динамическую теорию кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Начало этих исследований заложены в работах Ж. Понселе (1829 г.), И. Радингера (1870 г.), Г. Гюльднера (1907 г.), Г. Дуббеля (1829 г.) и др. В нашей стране наибольшее развитие эти вопросы нашли в трудах Ф.А. Брикса (1931 г.), Л.К. Мартенса (1932 г.), А.В. Страхова (1935 г.), Е.Д. Львова (1936 г.), Л.В. Клименко и С.И. Струковского (1937 г.), Л.И. Кириченко (1938 г.), И.Ш. Неймана (1940 г.) и др. Теорию обобщенного КШМ разработал Ф.Ф. Симаков (1954 г.) [4—6]. В 1962 г. П.А. Истомин защитил докторскую диссертацию на тему «Обобщенный метод анализа кривошипно-шатунных механизмов двигателей». Им проведены важные исследования по динамике кривошипно-шатунных механизмов поршневых двигателей, крутильным колебаниям судовых валопроводов с ДВС, виброактивности судовых ДВС.

Формирование отечественной научной школы «Двигатели внутреннего сгорания» следует отнести к 1906—1907 гг. в ИМТУ (сейчас МГТУ им. Н.Э. Баумана), где под руководством В.И. Гриневецкого были созданы первые экспериментальные установки с двигателями внутреннего сгорания и начато исследование рабочих процессов этих машин. К работе были привлечены Е.М. Мазинг, Н.Р. Брилинг и др.

Брилинг развернул научную и проектную работу в области легкого транспортного двигателестроения (в том числе и авиационного). Среди учеников Брилинга могут быть названы академики В.Я. Климов, А.А. Микулин, Б.С. Стечкин, Е.А. Чудаков, генеральные конструкторы авиационных двигателей А.Д. Швецов, В.А. Добрынин [4]. Силами преподавателей и научных сотрудников кафедры «Поршневые двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана изданы уникальные многотомные учебники по ДВС, выдержавшие несколько изданий. На кафедре подготовлено свыше 3000 высококвалифицированных специалистов, многие из которых стали главными конструкторами и руководителями двигателестроительных предприятий, руководителями кафедр «Двигатели внутреннего сгорания».

  • [1] Душенко К. Новая книга афоризмов. М.: ЭКСМО, 2010.
  • [2] Золотая энциклопедия мудрости / под ред. Е. Атрощенко и др. М: РООСА,2010.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >