Техническое открытие парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания

Введение

Актуальность темы реферативной работы. В настоящее время в качестве источника механической энергии в различных отраслях народного хозяйства и в технике используются двигатели самых разных типов и схем. Среди всего многообразия двигателей незаменимых не существует. Но наибольшее и, можно сказать, господствующее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Конструкторы, инженеры-исследователи и учёные неустанно работают над созданием более совершенных и экономичных поршневых двигателей. В ходе работ рождаются предложения, которые не всегда могут быть тотчас же реализованы и проведены в жизнь. Порой обеспечение внедрения какого-либо предложения требует серьёзного предварительного изучения целого ряда технических проблем, а в отдельных случаях – разработки методов и средств решения этих проблем. Это оказывается возможным и эффективным тогда, когда исследователь владеет соответствующим теоретическим инструментарием анализа процессов, протекающих в двигателях.

Основной целью реферативной работы является исследование научных направлений, которые повлияли на развитие науки о поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

В соответствии с данной целью в исследовании были поставлены следующие задачи:

1. рассмотреть техническое открытие ДВС и его предпосылки;

2. изучить систему научных трудов, сделавших вклад в развитие ДВС;

3. раскрыть сущность циклов для поршневых двигателей внутреннего сгорания и провести анализ.

Структура работы. Работа состоит из введения, основной части, заключения и списка используемой литературы.

Техническое открытие парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания

Паровая машина была изобретена в XVIII веке, когда основной недостаток гидросиловых установок, мало сказывавшийся при вращении жерновов зерновых мельниц, стал сильно препятствовать развитию металлургических предприятий, главным образом из-за невозможности применить водяные колёса для откачивания воды из рудников, удалённых от источников водной энергии. Возможность перевозки топлива сделала тепловой двигатель независимым от месторасположения источника энергии и позволила решать задачу рудничного водоотлива, в результате чего на рудниках появились теплосиловые установки.

Решая задачу водоподъёма, изобретатели (Д. Папен во Франции, Т. Ньюкомен и Т. Севери в Англии и др.)[1] постепенно нашли конструктивные формы для осуществления непрерывного рабочего процесса паровой машины: отдельный паровой котёл, цилиндр, топочное устройство, краны и др. Однако это всё ещё были насосные установки, которые могли направлять работу цикла только на подъём воды и были не в состоянии удовлетворить потребности в двигателях для заводских машин (воздуходувных мехов, рудодробильных пестов, кузнечных молотов, лесопильных рам и др.). Так возник переходный период (1700—1780) в энергетике, когда водяное колесо стало ограничивать развитие техники вследствие зависимости от местонахождения источника водной энергии; паровой двигатель, хотя и был свободен от местных условий, был освоен только для подъёма воды.

Потребности заводов привели к созданию комбинированных установок, в которых паровой насос поднимал воду на водяное колесо, приводившее в движение заводские машины. Такие установки не решали задачи о заводском двигателе, так как теряли в своей гидравлической части свыше 2/3 работы, получаемой от парового цикла. Задача могла быть решена только путём замены гидравлической передачи работы механической, изысканием передаточного механизма, способного периодически отдаваемую паровым циклом работу передавать потребителю непрерывно, в любой необходимой форме движения. Простейший передаточный механизм в форме балансира просуществовал целое столетие, так как позволил при низком давлении пара поднимать воду на большую высоту за счёт разности площадей сечения парового и водяных цилиндров, но не решал главной задачи заводского двигателя — способности отдавать работу непрерывно.

Применение двух цилиндров с последовательной отдачей работы их полостей на общий вал было впервые предложено И. И. Ползуновым в 1763, однако из-за смерти изобретателя проект не был завершён, и машина была разобрана после нескольких пробных пусков.

В 80-х гг. XVIII века потребность в универсальном двигателе стала исключительно острой в связи с развитием первого этапа промышленного переворота — внедрением в производство прядильных и ткацких машин. Эти новые машины, дававшие возможность одновременного действия многих орудий, определили в последней четверти 18 в. период завершения первого этапа в развитии паровых машин.[2] Задача приняла конкретную форму: необходимо было превратить паровую насосную установку в двигатель с вращательным движением вала. Решение этой задачи нашло своё отражение в патентах разных стран на паровые машины в 80-х гг. XVIII в.

В своём развитии паровая машина способствовала появлению новых областей знания. Созданная на основе производственного опыта, паровая машина поставила перед учёными ряд вопросов, разрешение которых создало новую науку — техническую термодинамику.

Рассматривая техническое открытие парового двигателя, мы можем допустить, что научная база, фундамент изобретения парового двигателя, к этому времени была уже построена. Начался процесс цели, повлекший появление самого парового двигателя, тех основных частей в конструкции и функционировании, которые сохранились до текущего момента.
Как научное открытие мы можем смотреть на паровой двигатель как продукт длительной эволюции технической мысли всего человечества.
Отдельные современники, анализируя старые изображения людей, пытаются увидеть на них очертание парового двигателя. Трудно достоверно предположить, что это такое всего лишь выдумки некоторых людей, или же это действительно первые фантазии о создания такой техники.
Множество людей билось над изобретением первого парового двигателя. Это было не озарением единственного ученого, это тяжелый труд многих людей. Паровой двигатель не сразу был создан таким, каким мы привыкли к нему. В течении долгого срока ученые заимствовали друг у друга те или иные черты парового двигателя.

К середине XIX в. паровые машины, как очень не экономичные (КПД самых совершенных тепловых машин не более 15-20%),[3] начинают вытесняться другими двигателями – паровыми и газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

На основе опыта, приобретённого в производстве паровых машин, был создан новый поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором сгорание происходит непосредственно в цилиндре двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено одно промежуточное звено (пар, как промежуточное рабочее тело, и парокотёльный агрегат, как генератор пара). Благодаря малому удельному весу (то есть отношению веса к мощности) двигатель внутреннего сгорания получил широкое распространение на транспорте. Развитие паровых машин привело и к созданию другого парового двигателя — паровой турбины, в которой видоизменён характер использования пара, вырабатываемого котёльным агрегатом, и вместо пульсирующего движения поршня и кривошипно-шатунного механизма используется непрерывное течение пара через проточную часть двигателя, то есть по сравнению с собственно паровой машиной устранено звено поршень—кривошипно-шатунный механизм, что позволило сконцентрировать большие мощности в одном агрегате. Паровая турбина оказалась наиболее целесообразной формой привода для мощных электрогенераторов, требующих равномерного вращения.