Уфимский государственный авиационный технический университет

Развитие поршневого двигателестроения в УАИ-УГАТУ

Образовательная и научная деятельность в области поршневого двигателестроения в УАИ-УГАТУ ведет свое начало с основания института, на который была возложена подготовка инженеров по конструированию авиационных моторов. В дальнейшем, при переходе авиации на газотурбинные двигатели, подготовка специалистов и исследования в области поршневых ДВС в институте были прекращены. Направление возникло вновь в 1967 году, когда на Уфимском моторном заводе (УМЗ) начался выпуск двигателей для автомобилей «Москвич-412». Годом позже, в 1968 году, на кафедре конструкции авиационных двигателей был образован сектор ДВС и начата подготовка инженеров по соответствующей специальности. В 1972 году сектор выделился в самостоятельную кафедру "Двигатели внутреннего сгорания". Первый выпуск инженеров по специальности ДВС состоялся в 1973 году, было выпущено 39 инженеров. В 1974 году состоялся первый выпуск вечернего отделения. Авиамоторные корни кафедры, так же как и авиамоторная сущность базового предприятия (УМЗ), выгодно выделили ее среди профильных как в Уфе, так и за пределами Башкирии. Первым заведующим стал кандидат наук Каримов Р. Х. Преподавательский корпус кафедры составили сотрудники факультета авиационных двигателей, задававшие исследовательский и проектный вектор ее развития, и приглашенные в УАИ сотрудники сельхозинститута, более тяготевшие к эксплуатационному направлению. Взаимодействие этих тенденций определяло жизнь кафедры в эти годы.

Именно в этот период была заложена материальная база, создавались лаборатории испытаний двигателей, приобреталось оборудование, формировался кадровый состав. В этом большая заслуга первого заведующего. Велись объемные научные исследования, в основном в интересах базового предприятия, такие как разработка методики ускоренных испытаний поршневых двигателей, выявление деталей, ограничивающих моторесурс двигателей УМЗ, исследования переходных режимов работы двигателя и другие. Многие из первых преподавателей и сотрудников кафедры выросли в крупных ученых, докторов наук, профессоров, руководителей структурных подразделений УАИ-УГАТУ и других вузов. Это Бакиров Ф.Г., доктор наук, профессор, заведующий кафедрой авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ; Березин С.Р., доктор наук, ведущий научный сотрудник ЦИАМ, заведующий кафедрой общей физики и математики УГАТУ; Гришин Ю.А., доктор наук, профессор кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Баумана; Заха-ров Л.А., доктор наук, профессор кафедры энергетических установок и тепловых двигате-лей НГТУ; Трушин В.А., доктор наук, профессор кафедры авиационной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ; Цирельман Н.М., доктор наук, профессор кафедры авиа-ционной теплотехники и теплоэнергетики УГАТУ; Якупов Р.Г., доктор наук, профессор кафедры сопротивления материалов УГАТУ. Выпускники этого периода составили основу управленческого и конструкторского состава Уфимского завода автомобильных моторов, Управления главного конструктора по гражданской продукции УМПО, других машиностроительных предприятий Уфы, Башкирии, Советского Союза.

Новый период в развитии кафедры начался в 1982 г., когда ее возглавил Рудой Б.П. - выпускник УАИ, один из первых преподавателей кафедры, только что защитивший в МВТУ докторскую диссертацию и уже имевший признание как ведущий ученый в области нестационарной газовой динамики. Уже первые шаги нового заведующего определили приоритеты дальнейшего развития: ведение научных исследований по всему спектру проблем поршневого двигателестроения, мировой уровень научных результатов, проектирование и доводка малоразмерных двигателей с противоположно движущимися поршнями, всемерное привлечение к научным исследованиям студентов. Была открыта аспирантура. Серьезно обновился кадровый состав, к преподаванию были привлечены выпускники аспирантуры. Кардинально расширилась тематика научных исследований. Возник первый опыт ведения ОКР, включая работы оборонной тематики.

Основное внимание уделялось наиболее сложному разделу теории двигателей – теории газообмена. Еще в период работы Рудого Б.П. научным сотрудником и доцентом УАИ им была организована лаборатория нестационарной газовой динамики, основой ко-торой явился генератор волн конечной амплитуды – экспериментальная установка, позво-лившая исследовать нестационарные газодинамические процессы в системах впуска и выпуска ДВС, органах газообмена и рабочей камере. Исследования, проведенные в этот период, позволили сформулировать теорию газообмена поршневого ДВС. В многочисленных печатных работах этого периода развита методология описания нестационарных (волновых) процессов в газовоздушных трактах ДВС математическими моделями, прямо следующими из законов сохранения. Экспериментально исследованы закономерности и теоретически разработаны, на основе обобщения задачи о распаде разрыва, модели взаимодействия нестационарного потока с различными элементами трубопроводных систем, что и позволило создать высоко достоверные методы моделирования на ЭВМ нестационарных гидрогазодинамических процессов. Понимание сущности волновых явлений легло в основу взглядов кафедры на способы правильной организации процессов газообмена, их влияние на рабочий процесс, газодинамический шум впуска и выпуска и конструкцию ДВС в целом. Созданный подход к моделированию и оптимизации процессов газообмена в ДВС позволил сформулировать теоретические положения, на основе которых нестационарные газодинамические эффекты должны использоваться для повышения показателей двигателей. Приложение газодинамического подхода к проблеме шума нестационарных струй позволило разработать технические решения снижения шума систем впуска и выпуска двигателей, а также иных устройств, таких как огнестрельное оружие, физическая природа шума которых аналогична ДВС.

Уровень разработок, их признание научным сообществом, количество защитив-шихся аспирантов позволили вскоре говорить о возникновении в Уфе, в УАИ-УГАТУ, новой научной школы в области поршневого двигателестроения. Фундаментальность и универсальность разработанных Б.П. Рудым и его школой теоретических положений и математических моделей позволили создать множество уникальных и эффективных кон-струкций не только двигателей и энергоустановок, но и пневмогидравлических систем в смежных областях.

Результаты исследований этого периода реализованы в широко известной системе имитационного моделирования «Альбея», с использованием которой проектировались и доводились многие отечественные двигатели, в том числе оборонного назначения. Систе-ма моделирует все основные процессы, происходящие в ДВС: процессы газообмена, про-цессы при закрытых органах газораспределения (воспламенение и горение), силы и их распределение по элементам двигателя, трение и износ в трущихся парах, процессы теп-лообмена, гидродинамические процессы в смежных системах, шум двигателя. Система имитационного моделирования «Альбея» обеспечивает расчетное определение интегральных показателей двигателя на стадии проектирования с погрешностью в единицы процентов, что уникально для мирового двигателестроения.

Другим примером могут служить «сапоги-скороходы», прошедшие путь от фанта-стической студенческой идеи до всемирно известного бренда, ставшие визитной карточ-кой не только кафедры, но и университета. Идея «моторизации» человеческого бега, про-стая в своей основе, потребовала серьезных исследований и кропотливого конструктор-ского труда для своей реализации, и привела к созданию нового раздела теории ДВС – теории свободнопоршневого двигателя и основ эргономического проектирования челове-ко-машинных систем с ДВС. На этой основе создана целая гамма различных инструмен-тов ударного действия. Все это позволило кафедре впоследствии заняться совершенство-ванием сваебойных молотов, в основе которых – свободнопоршневой двигатель.

Глубокое понимание физики процессов в поршневых ДВС, системный взгляд на двигатель и его место в техносфере, позволили сформулировать концепцию перспектив-ного поршневого ДВС и развернуть работы в обоснование концепции. Концепция основана на убеждении, что предпочтение должно отдаваться таким искусственным объектам, которые вписываются в естественный кругооборот веществ в природе. В то же время жизненный цикл самого объекта должен представлять замкнутый технологический цикл, не нарушающий природного равновесия биосферы. Концепция перспективного поршневого ДВС содержит такие позиции как двухтактный рабочий процесс, возможность сжигания топлив растительного происхождения, оптимальная степень сжатия, использование воды как компонента рабочего тела и смазочного материала, подавление образования токсичных продуктов в рабочей камере, а также изготовление двигателя преимущественно из одного материала для его простейшей утилизации.

В обоснование концепции кафедрой были разработаны научные основы создания типоразмерного ряда двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршня-ми в диапазоне мощностей до 1000 кВт, изготовлены две модели двигателей этого ряда, проведены исследования по разработке единых технологических баз создания нового по-коления двигателей, включающие технологию подачи малой цикловой дозы топлива и ее воспламенение, технологию модифицирования поверхностей деталей из алюминиевых сплавов для повышения износостойкости, технологии использования воды в качестве смазывающего материала, агента внутреннего охлаждения и компонента рабочего тела, технологию определения циклового заполнения рабочей камеры воздухом для целей управления двигателем за счет подачи топлива в том же цикле. В этот период теоретически обоснована и экспериментально подтверждена принципиальная возможность осуществления эффективного рабочего процесса на водных растворах этанола и возможность осуществления пуска двигателя на этом топливе при низких температурах, что является результатом мирового значения. Показано, что при работе на спиртоводовоздушной смеси и использовании смазки деталей двигателя водой возможно получение ДВС с практически нулевой токсичностью отработавших газов, т.е. не уступающего по экологическим показателям топливным элементам, работающим на водороде. При этом по другим показателям, таким как пусковые качества, стоимость, динамические характеристики, удельные показатели по весу и габаритам ДВС на водных растворах этанола заметно их превосходят. Результаты исследований находятся в полном соответствии с тенденциями развития мировой энергетики и обеспечивают постепенную переориентацию экономики на альтернативные источники энергии, снижение энергопотребления, выбросов углекислого газа и токсичных компонентов, модификацию всей системы добычи, переработки и поставок ископаемых топлив.

Понимание недостатков традиционного учебного процесса, основным содержани-ем которого является передача знаний, подтолкнуло кафедру к кардинальному его обнов-лению. Основным результатом должно было стать умение выпускников решать нестан-дартные задачи. Наиболее плодотворной идеей в этом плане было обеспечение единства образовательного, научного и инновационного процессов. Эта идея легла в основу разра-ботанной под руководством Рудого Б.П. новой системы подготовки специалистов. В ре-зультате анализа инженерной деятельности были сформулированы функции специалиста с высшим образованием на предприятии и на их базе выработана концепция подготовки специалистов. Она была одобрена на совещании заведующих кафедрами ДВС в 1983 году в МВТУ им. Баумана, а позже и на коллегии Минвуза РСФСР. На основании сформулированной концепции была выработана методика подготовки специалистов, отвечающих требованиям времени, названная функционально-целевой технологией подготовки специалистов (ФЦТПС). В это же время Минвуз РФ принял решение об эксперименте по целевой интенсивной подготовке специалистов, взяв на себя инициативу по поиску и внедрению новых методов обучения. Участие УАИ-УГАТУ в этом эксперименте позволило кафедре получить достаточную свободу для изменения содержания и организации обучения студентов с целью внедрения ФЦТПС. С 1984 года кафедра ведет образовательный процесс по этой технологии, адаптировав ее впоследствии к условиям принятой в РФ многоуровневой системы образования.

Суть технологии – научить студентов решать нестандартные задачи, которые воз-никают в процессе практической научно-технической деятельности. Это достигается по-становкой на первом курсе студенту творческой поисковой задачи, которую он в рамках первых четырех курсов решает как исследовательскую, а затем на ее базе выполняет про-ект, если продолжает учебу по инженерной линии, или магистерскую диссертацию, если по научной. Соответствующим образом выстраивается организационная структура ка-федры, содержание учебного плана и система контроля качества подготовки специали-стов. Нестандартная задача обязательно должна быть связана с перспективой развития науки и техники в соответствующем направлении. При этом у выпускающей кафедры появляется возможность широко практиковать задание студентам уже на первом курсе рискованных поисковых задач, которые в условиях производства реализовать маловероятно. Кафедра же, целенаправленно и планово работающая по формированию банка поисковых, научных и опытно-конструкторских заданий и соответствующим образом организовавшая работу преподавателей и научных сотрудников, может сделать значительный задел перспективных научно-технических решений. ФЦТПС позволила кафедре легко перейти на многоуровневую систему высшего образования. Пятнадцать выпусков специалистов, сделанные кафедрой по этой технологии, убедительно по-казывают эффективность ФЦТПС: все выпускники к окончанию вуза получают предложения работать по специальности, хорошо адаптируются на рабочих местах. Идеи, заложенные в ФЦТПС, могут быть практически реализованы на всех направлениях подготовки технических специалистов. Успешный опыт использования ФЦТПС в учебном процессе показывает, что есть практическая база для уточнения идеологии образовательных стандартов. Необходимо сместить в них акценты с освоения в учебном процессе методов решения стандартных задач на методы решения нестандартных (научных, опытно-конструкторских, технических, организационных). Внешний контроль должен в первую очередь оценивать именно эту сторону в подготовке специалистов в высшей школе.

Научно-исследовательская, образовательная и инновационная деятельность кафед-ры с неизбежностью выявили проблемы невостребованности разработок, финансирования ранних стадий инновационного процесса, студенческих исследований, невозможности полноценного завершения разработок, доведения их до стадии хотя бы макетного образца, неразвитости инновационных структур, узости организационных форм дальнейшего развития. Это были универсальные проблемы общества, переходящего к инновационному периоду своего развития. Однако кафедра не хотела и не могла ждать универсальных решений. Выход виделся в создании самостоятельной структуры, тесно взаимодействующей с кафедрой и обеспечивающей продвижение ее разработок до коммерческого применения. С этой целью в конце 90-х годов был организован научно-технический центр «ЭкоМотор», а затем и научно-производственный центр. В трудный послеперестроечный период они серьезно финансово и материально-технически поддержали кафедру, сохранив возможность ведения научной, в том числе и студенческой, деятельности.

Сегодня кафедра находится на новом этапе своего развития. Это работоспособный, молодой, сильный, разносторонний коллектив, воспринявший традиции УАИ-УГАТУ, развивающий научные, педагогические и инновационные идеи Б.П. Рудого, стремящийся сказать свое слово в науке, образовании, инноватике.

Кафедра ведет подготовку инженеров по специальности «Двигатели внутреннего сгорания», бакалавров и магистров техники и технологии по направлению «Энергомаши-ностроение»». Всего кафедрой подготовлено около 1000 инженеров, бакалавров и магистров. Коллектив преподавателей кафедры составляет 12 человек, кандидатов технических наук, из которых 9 доцентов и 3 старших преподавателя. Большинство из них готовят к защите докторские диссертации. На кафедре работают аспирантура и докторантура, с участием студентов всех курсов ведутся фундаментальные, поисковые и прикладные исследования. Основное направление исследований связано с обоснованием концепции перспективного поршневого ДВС и синтеза автономных энергоустановок. В 2006 г. объем финансирования научно-исследовательских работ кафедры составил более 3 млн. руб. Кафедра располагает современным исследовательским оборудованием и программным обеспечением, лабораториями, в которых ведется учебная и научная работа, работают 7 студенческих научно-исследовательских лабораторий и 4 студенческих конструкторских бюро.

Выпускники кафедры хорошо зарекомендовали себя и успешно работают в вузах, научно-исследовательских организациях, предприятиях малого, среднего и крупного биз-неса, на заводах отрасли, на предприятиях автосервиса, в организациях, связанных с экс-плуатацией ДВС как у нас в стране, так и за рубежом. Среди выпускников кафедры: вице-премьер и министры, успешные предприниматели, главные конструкторы, директора производств, руководители отделов, лабораторий и бюро таких предприятий как УМПО, КамАЗ, ГАЗ, УАЗ, УМЗ, ЗМЗ, ВАЗ, НефАЗ и других.