Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель. Принцип действия тепловых двигателей.

Тепловой двигатель. Принцип действия тепловых двигателей. - изображение 1 - изображение 1

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

 

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема - фото 2 - изображение 2

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Особенности теплового двигателя - изображение 3 - изображение 3

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Алгоритм действия - фото 4 - изображение 4

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Каков принцип действия теплового двигателя? 10 класс рассматривает данный вопрос на уроках физики. Тепловыми машинами ребята называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Изменения температур - изображение 5 - изображение 5

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Некоторые факты - фото 6 - изображение 6

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

КПД тепловых машин - изображение 7 - изображение 7

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Изобретение тепловой машины - фотография 8 - изображение 8

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Двигатель внутреннего сгорания - изображение 9 - изображение 9

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

Заключение

В настоящее время используют различные виды автомобильных двигателей: дизельный, карбюраторный. Несмотря на отличия в применяемом топливе, они имеют сходный принцип действия. За счет тепловой энергии, вырабатываемой в процессе сгорания бензина, происходит превращение тепловой энергии в другой вид.

Заключение - фото 10 - изображение 10

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

2.2.9 Принципы действия тепловых машин

2.2.9 Принципы действия тепловых машин - фото 11 - изображение 11

Видеоурок: Принцип действия тепловых двигателей. КПДЛекция: Принципы действия тепловых машинТепловая машинаТепловая машина - это система, которая может превратить тепло в работу или же наоборот, совершает работу для получения тепла. Существует два основных вида тепловых машин:1. Системы, способные превращать тепло в работу. Такие системы называются тепловыми двигателями. Данные тепловые машины лежат в основе двигателей на автомобилях. Чтобы машина ехала, двигатель должен совершать работу. Для совершения данной работы происходит сгорание топлива.2. Системы, способные охлаждать тела, за счет совершения работы внешних сил. Такие системы называются холодильными машинами. В основе нашего домашнего холодильника лежит принцип холодильной машины. Любое тепло, которое подводится к ней, выводиться за пределы машины за счет совершения работы внешними силами.Любая тепловая машина состоит из тела, которое совершает работу, холодильника и нагревателя.Тепловые двигателиВ основе данной машины лежит принцип извлечения работы из беспрерывного движения структурных единиц вещества. Данное изобретение открыло двери в эру нового технического прогресса.Рабочим телом для данной машины является газ. Во время его нагревания поршень двигателя передвигается и тем самым совершает работу. Чтобы газ расширился, к нему подводят нагреватель.  Расширение будет происходить только в том случае, когда температура газа будет больше, чем температура окружающей среды.Во время сгорания топлива выделяется достаточная энергия, большая часть которой идет на совершение работы, поэтому Q1 = A1Теперь давайте разберемся, какую роль играет холодильник в тепловой машине. Для того, чтобы машина постоянно работала, необходимо, чтобы газ расширялся и сужался - в таком случае поршень будет периодически возвращаться в исходное положение. Поэтому холодильник охлаждает газ, передавая ему теплоту: Q2 = A2В данном случае полезная работа будет равна: A = A1 − A2 Чтобы работа охлаждения была меньше, её следует совершать при меньшем давлении, как показано на графике.Где Q1 - Q2 = А, А - полезная работа.Стоит отметить, что КПД всегда меньше единицы. Более того, зачастую нами используются тепловые двигатели, КПД которых меньше 50%.Холодильные машиныКак было сказано в предыдущих разделах, нельзя заставить некоторую систему самопроизвольно передавать тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Однако ключевое слово здесь - самопроизвольно.  С помощью внешнего источника работы это все-таки возможно. Холодильная машина производит именно такие процессы.Холодильная машина также состоит из трех основных элементов. В виде рабочего тела выступает хладагент.  Холодильник позволяет забирать тепло Q2 и отдавать его хладагенту, который, в свою очередь, расширяется.С помощью хладагента данное тепло передается нагревателю в размере Q1. Это возможно только в тех случаях, когда газ сжимают при температуре выше, чем его расширяли. Это можно сделать только с помощью той работы А1, которую совершает внешний двигатель: Q1 = Q2 + A1Предыдущий урокСледующий урок

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя.

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя. - фото 12 - изображение 12

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Тепловые двигатели: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбина, реактивный двигатель. ДВС распространенный вид теплового двигателя. Название произошло от того, что топливо в нем сгорает прямо в цилиндре. Один рабочий цикл происходит за четыре такта (впуск, сжатие, рабочий такт, выпуск), поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Конструктивные особенности разных двигателей различны, так в паровой турбине на вал насажен диск с лопатками, около лопаток расположены трубы – сопла, в которые поступает пар из котла, то есть в турбине нет цилиндра, поршня, впускного и выпускного клапанов, коленчатого вала, шатуна, маховика – части ДВС.

Нагреватель
Холодильник
Рабочее тело

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела, холодильника, тела, механическая энергия которого меняется. Газ или пар, который является рабочим телом, получает некоторое количество теплоты, расширяется и совершает работу за счет своей внутренней энергии. С отработанным паром или выхлопными газами часть энергии передается атмосфере – холодильнику.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют КПД.

КПД=

реферат Принципы действия тепловых двигателей - изображение 13 - изображение 13

=

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема - изображение 14 - изображение 14

Ап = Q1-Q2

КПД ДВС 20%-40%, паровых турбин выше 30%.

В результате непрерывного развития энергетики, автомобильного транспорта увеличивается отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду. Поэтому необходимо решить проблемы усовершенствования автомобильных двигателей, использование в качестве топлива водорода.

В результате непрерывного развития энергетики, автомобильного транспорта увеличивается отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду. Поэтому необходимо решить проблемы усовершенствования автомобильных двигателей, использование в качестве топлива водорода.

реферат Принципы действия тепловых двигателей

Особенности теплового двигателя - фотография 15 - изображение 15

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Алгоритм действия - фото 16 - изображение 16

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Изменения температур - изображение 17 - изображение 17

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Каков принцип действия теплового двигателя? 10 класс рассматривает данный вопрос на уроках физики. Тепловыми машинами ребята называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Некоторые факты - изображение 18 - изображение 18

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

КПД тепловых машин - изображение 19 - изображение 19

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Изобретение тепловой машины - изображение 20 - изображение 20

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания - фото 21 - изображение 21

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Заключение - фотография 22 - изображение 22

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

Заключение

В настоящее время используют различные виды автомобильных двигателей: дизельный, карбюраторный. Несмотря на отличия в применяемом топливе, они имеют сходный принцип действия. За счет тепловой энергии, вырабатываемой в процессе сгорания бензина, происходит превращение тепловой энергии в другой вид.

Как работают тепловые двигатели - фото 23 - изображение 23

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Как работают тепловые двигатели

Инструкция - фото 24 - изображение 24

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

  1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
  2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
  3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
  4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
  5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
  6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Видео по теме - фотография 25 - изображение 25

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Как устроены и как работают тепловые двигатели - изображение 26 - изображение 26

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Понятие и виды тепловых двигателей - изображение 27 - изображение 27

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Структурная схема работы теплового двигателя - фотография 28 - изображение 28

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 — 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

О паровых двигателях - изображение 29 - изображение 29

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

О двигателях внутреннего сгорания - изображение 30 - изображение 30

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

  • По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели — бензиновые. Дизельные — потребляют исключительно солярку.
  • Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника — бензинового двигателя.
  • В числе минусов дизеля — в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
  • Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Коэффициент полезного действия (КПД) - фото 31 - изображение 31

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе - фото 32 - изображение 32

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. - фотография 33 - изображение 33

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Какие бывают тепловые двигатели? - фотография 34 - изображение 34

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Паросиловые станции - изображение 35 - изображение 35

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.

Автор: Драчёва Светлана Семёновна

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

Паровые котлы - изображение 36 - изображение 36

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T1

T2

Q1

Q2

холодильнику;

A'

Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Паровые турбины - фото 37 - изображение 37

идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно. КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре

Двигатели внутреннего сгорания - фото 38 - изображение 38

и холодильником при температуре

Карбюратор - изображение 39 - изображение 39

:

Такты работы двигателя - фото 40 - изображение 40

. Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

второго начала термодинамики: невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

M
m0 кг
m кг
M
ν моль
N
p Па
n
V
Дж
t °C
T К
σ
ρ
φ %
U Дж
А Дж
Q Дж

-27

m0c-26

NA=6,02∙1023моль-1

k=1,38∙10-23

R=8,31

2016-11-184331

Какие бывают тепловые двигатели?

Дизельные двигатели - изображение 41 - изображение 41

Тепловые двигатели – это машины, которые производят механическую работу благодаря обмену тепла с другими внешними телами. Нагревание происходит обычно благодаря тому, что сгорает топливо, в результате чего получается достаточная температура на нагревательном элементе. В данном случае работа осуществляется благодаря использованию энергии смеси кислорода и топлива. Есть различные виды тепловых двигателей, работа которых основана на нагреве с помощью Солнца, разницы в температурах воды. Однако такие машины не получили достаточного распространения и значения. В эксплуатации сейчас часто можно обнаружить двигатели, использующие выделяющуюся тепловую энергию расщепления атомных ядер в реакторе.

Реактивный двигатель - изображение 42 - изображение 42

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Основы теплотехники - изображение 43 - изображение 43

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним – одни топочные газы, иногда – наоборот, то есть вода – внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Принцип работы теплового двигателя - фотография 44 - изображение 44

Паровые турбины

Турбины состоят из стальных цилиндров, внутри них расположен вал, а на нем закреплены рабочие колеса, между которыми помещены направляющие лопаты или сопла. Пар, который вырывается между этими лопатками, попадает на лопатки у рабочего колеса, которое вращается и выполняет работу. Причина вращения самого колеса – реакция струи пара. В турбине потоки пара расширяются и охлаждаются, так как входят в нее по очень узким пароходам, а выходят – в широких трубах.

Принцип работы теплового двигателя - фото 45 - изображение 45

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа – это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение – не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.

Принцип работы теплового двигателя - изображение 46 - изображение 46

Карбюратор

Важная часть тепловых двигателей, которые работают на принципе внутреннего сгорания, – это карбюратор. Если впускной клапан в цилиндре открыт, то поршень двигается к валу, и воздух входит через отверстие. Воздушные массы проходят мимо трубки, соединенной с камерой, в которой находится бензин. Воздух с большой скоростью проходит возле конца трубки, всасывает бензин, а затем его распыляет. То есть образовывается горючая смесь, которая состоит из паров бензина и воздуха. Приток этой смеси в цилиндр ограничен дроссельными заслонками.

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

  1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
  2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
  3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
  4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий – рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

Принцип работы теплового двигателя - фото 47 - изображение 47

Дизельные двигатели

В дизельной машине сжимается не смесь, а просто воздух, причем сжатие происходит многократное, а воздух нагревается до сотен градусов Цельсия. После завершения процесса сжатия в цилиндр вбрызгивают уже и жидкое топливо с помощью форсунки, которая работает от нагнетаемого компрессорами сжатого воздуха. Разбрызганная нефть зажигается благодаря высоким температурам. В это время происходит полезная работа, а затем – выброс отработанного газа. Дизели применяют в тепловозах, грузовиках, тракторах.

Реактивный двигатель

Такие тепловые машины по существу являются двигателями внутреннего сгорания, однако в них применяют так называемую реактивную струю. Сам двигатель находится в цилиндрическом корпусе. В переднее его отверстие входит воздух. Затем в компрессоре воздушный поток проходит вдоль оси самого двигателя. После компрессии поток попадает в камеру с горючим, где и образовывается горючая смесь, которая загорается. Таким образом, получаются высокотемпературные газы, которые движутся затем к выходным соплам, приводя в движение газовую турбину. Данные газы имеют невероятную скорость.

Основы теплотехники

Принцип работы теплового двигателя - фото 48 - изображение 48



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате "Пневматика" шаром "Эола" или эолипилом (Эол - древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).

Принцип работы теплового двигателя - изображение 49 - изображение 49

Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых "игрушек", а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать "огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять".

Принцип работы теплового двигателя - фотография 50 - изображение 50

Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.

Принцип работы теплового двигателя - изображение 51 - изображение 51

Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).К сожалению, первое же испытание "двигателя" Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее "вспыльчивое" топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно - двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу - туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.

Принцип работы теплового двигателя - фото 52 - изображение 52

Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто (нем. Andreas Otto) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Принцип работы теплового двигателя - изображение 53 - изображение 53

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя - специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания".

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин - четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами - выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Альфонсом Эженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто - еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.

Принцип работы теплового двигателя - изображение 54 - изображение 54

Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой "Отто и Компания". Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта - заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара. Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин. Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю. Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя - применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Принцип работы теплового двигателя - изображение 55 - изображение 55

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда - Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Принцип работы теплового двигателя - фото 56 - изображение 56

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) - советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя. Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе. Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции "Тринклер-мотора" состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства - прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом ("чистом") дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера - бескомпрессорными.Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в "чистом" виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.Двигатель, работающий по циклу Сабатэ - Тринклера занимает промежуточное место на этом "пьедестале почета" между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программупо учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

  • для специальности СПО "Механизация сельского хозяйства"
  • для специальности СПО "Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта"

Скачать календарно-тематический планпо учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

  • для специальности СПО "Механизация сельского хозяйства"
  • для специальности СПО "Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта"



Главная страница
  • Страничка абитуриента
Специальности
  • Ветеринария
  • Механизация сельского хозяйства
  • Коммерция
  • Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта
Учебные дисциплины
  • Инженерная графика
  • МДК.01.01. «Устройство автомобилей»
  •    Карта раздела
  •       Общее устройство автомобиля
  •       Автомобильный двигатель
  •       Трансмиссия автомобиля
  •       Рулевое управление
  •       Тормозная система
  •       Подвеска
  •       Колеса
  •       Кузов
  •       Электрооборудование автомобиля
  •       Основы теории автомобиля
  •       Основы технической диагностики
  • Основы гидравлики и теплотехники
  • Метрология и стандартизация
  • Сельскохозяйственные машины
  • Основы агрономии
  • Перевозка опасных грузов
  • Материаловедение
  • Менеджмент
  • Техническая механика
  • Советы дипломнику
Олимпиады и тесты
  • «Инженерная графика»
  • «Техническая механика»
  • «Двигатель и его системы»
  • «Шасси автомобиля»
  • «Электрооборудование автомобиля»

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 197)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты