05.04.02 – тепловые двигатели

Специальность
 Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 23 августа 2007 г. № 138
 

Цели и задачи программы-минимума

Цель программы – установить уровень знаний, умения и навыков аспирантов (соискателей) по специальности 05.04.02 “Тепловые двигатели”, который необходим для их профессиональной готовности к самостоятельной научно-исследовательской и научно-педагогической деятельности.

Задачей программы являются определение минимального уровня знаний, который должен быть усвоен аспирантом (соискателем) и методическая помощь аспиранту (соискателю) при подготовке к экзамену.

В основу программы положены следующие специальные дисциплины: “Теория рабочих процессов ДВС”, “Газовая динамика и агрегаты наддува”, “Динамика ДВС”, “Основы конструирования ДВС”, “Проектирование систем ДВС”, “Проектирование деталей и механизмов двигателей”, “Отраслевая экология”, “Испытания ДВС”, “Автоматическое регулирование и управление ДВС”. Помимо этого предполагается знание общетехнических дисциплин.

1.     Требования к уровню знаний аспиранта (соискателя)

Аспирант (соискатель) на основе общенаучных и общетехнических знаний должен владеть специальными знаниями, умениями и навыками, установленными программой-минимумом, в область проектирования, производства и эксплуатации тепловых двигателей.

Аспирант (соискатель) должен знать и уметь использовать:

  • методы теоретического и экспериментального исследования с использованием современных методов планирования эксперимента и компьютерных технологий;

  • системный подход к исследованию процессов, протекающих в рабочих полостях тепловых двигателей;

  • теорию надежности систем;

  • разработку математических моделей исследуемых систем и явлений, их аналитическое и графическое представление;

  • расчетные методики для проведения исследований;

  • методы планирования эксперимента.

иметь навыки:

  • пользования научно-технической и справочной литературой, в том числе на иностранных языках и электронными ресурсами;

  • использования компьютерной техники;

  • проведения экспериментов и регистрации параметров систем, сбора статистической информации и ее обработки;

  • стендовых испытаний двигателей и его систем;

  • работы с контрольно-измерительными системами, устройствами и приборами основных типов.

Введение

Значение тепловых двигателей для транспортно – энергетической базы республики Беларусь. Состояние и тенденции развития двигателей внутреннего сгорания в мире. Задачи и перспективы развития двигателестроения, вытекающие из приоритетных направлений государственной научно – технической политики и государственных научных программ.

Систематизация тепловых двигателей. Классификация поршневых двигателей. Основные технические требования к ним. Главные нормативные документы – стандарты РБ, правила ЕЭК ООН и др. Роль стандартизации и унификации в создании двигателей. Патентная чистота конструкций.

Качество, методы определения качества машин, аттестация продукции, карты технического уровня.

3. Содержание курса

3.1. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей

Газообмен, наполнение, процесс сгорания, теплообмен в цилиндре, индикаторные показатели, эффективные показатели, форсирование двигателя, токсичность, теплонапряженность, неустановившийся режим, методы испытаний, испытательные стенды.

Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический процесс, в котором теплота превращается в работу.

Степенью сжатия двигателя называют отношение полного объёма к объёму камеры сгорания.

Коэффициент наполнения – отношение количества свежего заряда в цилиндре двигателя (в кг или в кмоль) к количеству заряда, который  размещается в объёме равном рабочему объёму цилиндра, при давлении и температуре во впускном трубопроводе (за компрессором и охладителем), а в двигателях без наддува – при атмосферном давлении и температуре.

Среднее индикаторное давление – условное, постоянное по величине, избыточное давление, которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от в.м.т. к н.м.т., равную индикаторной работе газа за рабочий цикл.

Математическое моделирование – это определение свойств и характеристик рассматриваемого явления или состояния путем решения с помощью ЭВМ системы дифференциальных, интегральных и алгебраических уравнений, составляющих математическую модель.

Термодинамические основы рабочих циклов двигателей внутреннего сгорания. Показатели термодинамических циклов. Методы термодинамического анализа (энергетического и эксергетического). Возможности использования новых термодинамических циклов. Анализ циклов при различных ограничительных параметрах.

Рабочие тела и их свойства. Топлива и окислители. Реакции и продукты сгорания. Стехиометрическое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива. Коэффициент избытка воздуха. Особенности сгорания газообразных топлив. Теплота сгорания горючих смесей. Новые рабочие тела, горючие и окислители.

Процессы газообмена. Условия протекания и показатели качества газообмена. Процессы газообмена в четырех- и двухтактных двигателях. Особенности процессов газообмена при наддуве. Определение параметров газа в период газообмена. Методы анализа и математического описания процессов газообмена. Расчет состояния рабочего тела в период газообмена. Методы расчета органов газораспределения четырех- и двухтактных двигателей. Математическое моделирование процесса газообмена. Физическое моделирование. Критерии подобия и связи между ними.

Процесс сжатия. Физические процессы, протекающие в процессе сжатия. Теплообмен между рабочим телом и стенками цилиндра. Определение параметров рабочего тела в процессе сжатия. Расчет на ЭВМ процесса сжатия. Процессы сжатия в разделенных камерах.

Процессы смесеобразования и сгорания. Физико-химические основы образования горючих смесей, их воспламенения и горения. Методы организации процессов смесеобразования и сгорания в двигателях различных типов (карбюраторы, газосмесители, топливоподающая аппаратура дизелей). Газовая динамика камер сгорания. Изменение состояния рабочего тела в период сгорания. Методы расчета параметров рабочего тела при сгорании. Теплообмен в процессе сгорания.  Характеристики тепловыделения и теплоиспользования. Образование токсичных веществ в процессе сгорания топлива. Современные методы анализа и расчета процессов сгорания. Применение ЭВМ. Методы управления процессами воспламенения и горения.

Процесс расширения. Тепловой баланс и теплообмен в период расширения. Расчет параметров рабочего тела в процессе расширения

Процесс выпуска. Изменение состояния рабочего тела в процессе выпуска.

Индикаторные показатели двигателей. Среднее индикаторное давление и индикаторная мощность. Индикаторный коэффициент полезного действия и удельный индикаторный расход топлива. Влияние различных факторов на индикаторные показатели. Перспективы улучшения показателей работы.

Особенности рабочих процессов компрессорных и расширительных машин комбинированного двигателя. Схемы и принципы работы комбинированных двигателей и перспективы развития. Особенности работы компрессора и газовой турбины (постоянного давления и импульсной) комбинированного двигателя. Характеристики компрессора и турбины и возможности их улучшения. Совместная работа газовой турбины и компрессора в составе свободного турбокомпрессора и его характеристика. Методы анализа и расчета газодинамических явлений в системах наддува. Согласование характеристик турбокомпрессора с характеристикой поршневого двигателя.

Эффективные показатели работы двигателей. Эффективная мощность, эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива. Механический КПД. Показатели напряженности и пределы форсирования двигателя. Анализ и оптимизация схем комбинированных двигателей и перспективы их развития.

Токсичность выпускных газов. Токсичные компоненты и зависимость их выхода от режимных и конструктивных факторов. Пути уменьшения токсичности двигателей различных типов: воздействие на рабочий процесс, нейтрализаторы отработавших газов, противосажевые фильтры. Требования к экологическому уровню двигателей.

Теплонапряженность деталей двигателя. Тепловой баланс. Теплообмен между рабочим телом и деталями двигателя. Влияние режимных и конструктивных факторов. Численные методы расчета тепловых потоков, температурных полей и напряжений в деталях. Метод конечных элементов. Методы снижения теплонапряженности и перспективы их дальнейшего совершенствования.

Режимы работы и характеристики двигателей. Скоростные (внешние), нагрузочные, регуляторные характеристики. Регулировочные и другие характеристики. Работа двигателей в особых условиях эксплуатации (при высоких и низких температурах окружающей среды, в горных условиях, при высоком противодавлении).

Особенности рабочих процессов при неустановившихся режимах. Устойчивость режима работы. Принципы регулирования двигателей. Перспективы развития систем регулирования. Баланс мощности двигателя и потребителя. Особенности и показатели переходных процессов двигателей различных типов. Напряженность деталей. Методы исследований и анализа переходных процессов и пути улучшения их протекания.

Методы расчета рабочего цикла. Математическое моделирование действительного цикла. Методы расчета. Выбор расчетных параметров. Использование ЭВМ при расчетах. Моделирование и оптимизация рабочих процессов.

Рабочие процессы двигателей особых конструкций. Роторно-поршневые двигатели; газотурбинные двигатели; двигатели Стирлинга; двигатели В.М. Кушуля; бесшатунные двигатели С.С. Баландина; двигатели с противоположно движущимися поршнями; свободно-поршневые генераторы газа; свободно-поршневые дизель-компрессоры; свайные дизель-молоты.

Методы экспериментальных исследований рабочих процессов двигателей. Классификация видов испытаний. Испытательные стенды и аппаратура для различных классов испытаний и исследований. Современные методы измерений отдельных параметров, использование высокочастотной киносъемки, тензометрических, пьезоэлектрических и магнитострикционных методов, голографии, лазерной техники, масс-спектрометрии и рентгено-графии. Принципы выбора методов измерения и приборов. Методика планирования экспериментов. Методика обработки экспериментальных данных и оценка точности и представительности результатов экспериментальных исследований.

3.2. Конструирование и расчет поршневых и комбинированных двигателей.

Конструктивная схема, расчет деталей, силы инерции, диаграмма сил, конструкционные материалы, колебания коленчатых валов, газораспределение, подшипники скольжения, каналы газообмена.

Расчет на прочность – обоснование таких параметров и размеров деталей и узлов двигателя, при которых обеспечивается надежная работа двигателя при эксплуатации в течение требуемого ресурса. При этом существенно сокращается время и средства, отводимые на экспериментальные работы, связанные с созданием и доводкой двигателя.

Техническое задание – исходный документ для проектирования двигателя, содержащий данные, необходимые для выполнения проекта.      

Техническое предложение содержит обоснование и оценку возможных вариантов решения поставленной задачи с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей создаваемого двигателя и существующих, сведения о патентной чистоте и конкурентной способности этих вариантов, информацию об объёме и сроках выполнения проекта.

Эскизный проект дает общее представление о назначении, устройстве, принципе работы и основных параметрах двигателя, включая его размеры.

Технический проект содержит все решения, включая конструкции узлов и деталей.

Рабочий проект – завершающая стадия, предусматривающая полную детализацию конструкции двигателя.

Гидродинамический расчет подшипников скольжения – определение минимально допустимого зазора между валом и подшипником, при котором сохраняется надежное жидкое трение.

Основы конструирования двигателей внутреннего сгорания. Общие принципы конструирования и расчетов. Компоновочные схемы двигателей. Основные показатели, характеризующие конструкцию. Выбор исходных данных и этапы проектирования. Автоматизация проектирования.

Принципы расчета деталей двигателей. Принципы расчета деталей двигателей на прочность, жесткость и устойчивость. Современные методы расчетов. Учет влияния переменной нагрузки.

Материалы, применяемые в двигателестроении. Чугуны, стали, алюминиевые и медные сплавы и пластмассы. Перспективы использования новых материалов.

Кинематика и динамика. Кинематика и динамика поршневых двигателей различных схем (нормального и смещенного, с прицепным шатуном, с разным числом и расположением цилиндров). Силы от давления газов и силы инерции. Силы и моменты в кривошипно-шатунном механизме. Векторные диаграммы сил, действующих на шейки и подшипники. Нагрузки при неустановившихся режимах. Внешняя и внутренняя неуравновешенность двигателей различных схем. Методы уравновешивания.

Корпусные детали. Конструкции фундаментных рам картеров, блоков, цилиндров, втулок (гильз) цилиндров, цилиндров двигателей воздушного охлаждения. Головки (крышки) цилиндров. Профилирование впускных каналов в головках. Расчет теплового состояния втулок и крышек цилиндров. Расчет напряженно – деформированного состояния втулок и крышек цилиндров.

Коленчатые валы. Конструктивные формы штампованных и литых валов. Расчет основных размеров - статический и с учетом влияния переменной нагрузки. Способы повышения прочности коленчатых валов. Крутильные и изгибные колебания валов. Анализ причин и методы расчета напряжений и резонансных частот. Методы демпфирования колебаний. Методы расчета критических частот роторов турбомашин

Маховики. Конструкции. Определение размеров и расчет на прочность.

Шатуны. Конструкция стержня и головок шатунов и шатунных болтов. Ползуны и стержни поршня крейцкопфных двигателей. Расчет на прочность шатунов и шатунных болтов. Расчет шатуна на прочность численными методами.

Поршневая группа. Основы конструирования поршней форсированных двигателей. Анализ конструкций поршней, поршневых пальцев и колец. Методы расчета.

Газораспределительный механизм. Компоновка и детали клапанных механизмов. Профилирование кулачков. Силы, действующие в газораспределительном механизме. Расчет пружин и клапанов. Органы распределения двухтактных двигателей. Расчет сечений и конструктивные формы. Механизмы привода распределительных валов.

Подшипники скольжения и качения. Области применения. Конструкция и расчет. Основы гидродинамической теории смазки. Несущая способность. Тепловой расчет. Расчет подшипников качения.

Анализ конструкций двигателей. Двигатели автомобилей, тракторов и сельхозмашин. Двигатели минитехники. Тепловозные и судовые двигатели.

3.3. Системы поршневых и комбинированных двигателей

Очистка воздуха, турбокомпрессор, системы впрыска бензина, моделирование процесса топливоподачи, управление подачей топлива, системы управления.

 Системы впуска и выпуска служат для подвода свежего заряда (воздуха или горючей смеси) к цилиндрам двигателя и отвода из них отработавших газов.

Система питания предназначена для приготовления горючей смеси определенного состава и подачи ее в цилиндры в необходимом количестве в соответствии с режимом работы двигателя.

Смазочная система предназначена для обеспечения: надежного подвода масла на всех режимах работы двигателя ко всем трущимся деталям, охлаждаемым маслом поверхностям и устройствам, в которых масло используется в качестве рабочего тела; работы двигателя и его агрегатов в различных условиях окружающей среды; заданной длительности работы двигателя без остановок для заправки маслом, регулировки и устранения недостатков в смазочной системе; длительной работы масла и малый его расход.

Системы впуска и выпуска. Впускные и выпускные трубопроводы двигателей с наддувом и без наддува. Воздушные фильтры. Охладители наддувочного воздуха. Настройка систем. Методы расчета и анализ конструкций.

Агрегаты наддува. Конструктивные типы и ряды турбокомпрессоров. Обменники давления и преобразователи импульса. Агрегаты двухступенчатого наддува и силовые турбины.

Топливные системы двигателей с искровым зажиганием. Общие сведения. Системы для приготовления смеси требуемого качества. Карбюраторы, их характеристики и системы. Топливные баки, топливоподкачивающие насосы, фильтры и топливопроводы. Системы с впрыском топлива. Перспективы развития.

Топливные системы дизелей. Конструкции насосов высокого давления, насос  - форсунок, форсунок, фильтров и подкачивающих насосов. Процесс впрыска. Характеристики форсунок. Влияние вязкости, сжимаемости топлива, инерционных и волновых явлений на процесс топливоподачи. Характеристики топливных систем. Определение основных размеров топливных насосов и форсунок. Методы расчета процессов топливоподачи. Перспективы развития систем и конструкций агрегатов топливоподачи дизелей. Интенсификация процесса топливоподачи. Электронное управление процессом топливоподачи. Система Common Rail.

Топливные системы газовых двигателей. Системы и устройства для смесеобразования и ввода смеси в цилиндры (баллоны, испарители, редукторы, регуляторы давления, газосмесители, клапаны). Системы топливоподачи газожидкостных двигателей.

Автоматическое регулирование двигателей. Двигатель как регулируемый объект. Уравнения статического равновесия. Факторы устойчивости режимов работы. Уравнения двигателя как регулируемого объекта. Переходные процессы и частотные характеристики. Классификация регуляторов скорости; их статические характеристики; степень неравномерности и нечувствительности. Серводвигатели и их характеристики. Структурные схемы автоматического регулирования. Устойчивость системы. Критерии устойчивости. Качество работы системы регулирования. Перспективы развития систем регулирования. Понятие о синтезе систем автоматического регулирования тепловых двигателей.

Системы смазывания и охлаждения. Основные характеристики смазочных масел и охлаждающих жидкостей. Схемы и агрегаты систем (насосы, фильтры, трубопроводы, охладители и теплообменники). Методы расчета систем и агрегатов. Анализ и перспективы развития систем смазывания и охлаждения.

Системы пуска и реверсирования. Принципы пуска. Минимальная пусковая частота вращения. Динамика пуска. Стартеры. Пневматический пуск. Устройства для облегчения пуска. Реверсирование двигателей. Системы управления. Перспективы развития.

Автоматизация двигателей. Схемы и элементы систем автоматизации операций обслуживания. Дистанционное управление; автоматизация пуска, контроля и защиты двигателя. Перспективы развития автоматизированных установок.

Шум и вибрация. Источники шума и вибраций двигателей. Допустимые уровни. Способы уменьшения шума и вибраций (амортизаторы, демпфирующие покрытия и звукоизолирующие кожухи).

ЛИТЕРАТУРА

  1. Грехов Л.В., Иващенко Н.А., Марков В.А. Топливная аппаратура и системы управления дизелей: Учебник для вузов.- М.: Легион-Автодата, 2004.- 344 с.

  2. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд.,перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1984. – 384 с.

  3. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 3-е изд.,перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985. – 456 с.

  4. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 4-е изд.,перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.

  5. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа двигателей. Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1980. – 288 с.

  6. Крутов В.И. Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего  сгорания. М., "Машиностроение", 1989. – 390 с.

  7. Кульчицкий А.Р. Токсичность автомобильных и тракторных двигателей. Владим. гос. ун-т. Владимир, 2000. -  256 с.

  8. Кухаренок Г.М. Рабочий процесс высокооборотных дизелей. Методы и средства  совершенствования. – Минск: БГПА, 1999. – 180 с.

  9. Марков В.А., Баширов Р.М., Габитов И.И. Токсичность отработавших газов дизелей. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. – 376 с.

  10. Основы научных исследований. Под. ред. В.И. Крутова, В.В. Попова, М.: Высшая школа. 1989.- 400 с.

  11. BOSCH. Системы управления дизельными двигателями. Пер.с нем.-М.:ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004.-480 с.