Тепловыми двигателями называют машины в которых

Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)

Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%)

Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Устройство двигателя внутреннего сгорания.

Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, так как такой тип теплового двигателя обычно устанавливают на большинстве автомобилей. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом, на котором находится маховик.

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через клапан выпускаются отработавшие газы.

. На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)

Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр? (из паров бензина и воздуха)

Принцип работы ДВС

Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Первый такт – ВПУСК.

При повороте вала двигателя в начале первого такта (впуска) поршень движется вниз. Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается впускной клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 6 закрывается.

Второй такт – СЖАТИЕ.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь. В конце второго такта (сжатия), когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.

Образующиеся при сгорании газы (температура продуктов сгорания достигает 1600—1800°С) давят на поршень и толкают его вниз. Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

В конце третьего такта открывается выпускной клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.

Четвертый такт – ВЫПУСК.

Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта (выпуска), когда поршень движется вверх. В конце четвертого такта выпускной клапан закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход, и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней.

Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Турбина

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигателя называют турбинами.

Модель устройства Турбины

На вал насажен диск, по ободу которого закреплены лопатки. Около лопаток расположены тубы – сопла, в которые поступает пар из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар или отработанный газ (выхлоп ДВС) проходя через лопатки турбины, отдает часть своей энергии (тепловая энергия превращается в механическую или электрическую).

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть тепловой энергии, которая выделяется при сгорании топлива. В бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания для увеличения мощности и экономии совершаемой работы чаще всего используют турбину. То есть повышают КПД (коэффициент полезного действия) двигателя.

Применение тепловых двигателей.

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно.

Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.

Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.

Экологические проблемы.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В атмосфере Земли в настоящее время содержится около 2600 млрд. тонн углекислого газа (около 0,033%). До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого из атмосферы при фотосинтезе растениями и растворяемого в океане, было равно количеству углекислого газа, выделяемого при дыхании и гниении. В последние десятилетия этот баланс все в большей степени стал нарушаться. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти, и газа в атмосферу Земли ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд. тонн углекислого газа. Это приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры ("парниковый эффект").

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах. Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. тонн свинца.

Автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема их усовершенствования представляет одну из наиболее актуальных научно- технических задач. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды — использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, или двигатели, использующие в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода, но и здесь возникает масса технических проблем. Вопросы окружающей среды становятся все более определяющими для дальнейшего развития теплоэнергетики. Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе всего земного шара.

ПРИМЕР 1: Для полного сжигания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха.

ПРИМЕР 2: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

ПРИМЕР 3: При сжигании 1 кг угля: СО₂ – 1 кг, зола – 600 г, сернистый газ – 30 г, оксид азота – 10 г, пыль 10 г.Кажется, цифры невелики, но это на первый взгляд. А если подумать, сколько угля сгорает на ТЭС, то цифры будут колоссальными. Для горения 1 лампочки в 100 Вт по 1 ч в сутки нужно за 1 год потратить 24 кг угля.

Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем? (посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)

3. Закрепление изученного материала.

Ну, а сейчас давайте ещё раз коротко повторим то, с чем мы познакомились на сегодняшнем уроке.

Какие машины называют тепловыми двигателями?

Какие виды тепловых двигателей вы знаете?

Что является нагревателем двигателя внутреннего сгорания?

Что является холодильником двигателя внутреннего сгорания?

Из скольких тактов состоит цикл двигателя внутреннего сгорания?

Какой такт изображен на рисунке 27 учебника?

Качественные задачи:

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет. КПД теплового двигателя не может быть больше 100% или равен 100%)

2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число? (45% энергии идет на совершение полезной работы, а 55% энергии тратится впустую на обогрев атмосферы, самого двигателя и т.д.)

3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен 1,8; 50; 4; 90; 100%? (КПД теплового двигателя всегда меньше 100%)

4. Задача для любителей биологии:

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.

КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.)

Расчетные задачи

1. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (20%)

2. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (30%)

4. Домашнее задание.

Творческое задание: 1) найти информацию об истории создания тепловых двигателей;

2) составить кроссворд по данной теме.

3) составить постер по преодолению экологических проблем.

Шкатулка фактов.

1. Роберт Фултон – изобретатель парохода – в поисках средств для строительства своего детища, обратился к императору Наполеону. Последний выгнал просителя со словами: «Он убеждает меня, что можно двигать суда при помощи кипятка!»

2. Первый автомобиль весил 33 т и ездил на дровах. Был создан во Франции в 1769 г Никола Коньо. На носу была обычная топка. Слово «шофер» в переводе с французского означает кочегар.

Какие виды тепловых двигателей вам известны кратко

Тепловой двигатель — это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга — это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс — это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) — это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид — это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Простейшим примером превращения энергии пара в механическую энергию может служить простейший паровой двигатель, внутри цилиндра которого подогревается пар, расширение которого приводит в движение поршень.

2. Какие двигатели называют тепловыми?

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

3. Какие виды тепловых двигателей вам известны? Какие переходы и превращения энергии происходят в них?

Тепловые двигатели имеют несколько видов: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель, двигатель Стирлинга.

Развитие человеческой цивилизации немыслимо без применения машин и устройств, приводимых в действие за счёт механической работы. Благодаря наличию в земной коре ресурсов, способных выступать в роли топлива, человечество получило доступ к энергии.

При сжигании полезных ископаемых возник вопрос, как преобразовать тепловую энергию в механическую работу. С этой целью сконструированы и воплощены в жизнь всевозможные виды тепловых двигателей. Влияние агрегатов на нашу повседневную жизнь сложно оценить, ни один день не обходится без их участия. Установки вырабатывают электрическую энергию. Двигатели перемещают наземный, водный, воздушный транспорт, участвуют в повседневных делах, как подручный инструмент.

Наиболее распространённый тепловой двигатель внутреннего сгорания в разрезе:

Понятие теплового двигателя

Дабы разобраться, какое устройство называют тепловым двигателем, рассмотрим, как функционирует агрегат. По принятой классификации, установка способна преобразовать тепло от окисления горючего в действие силы на тело посредством теплового объёмного увеличения. Что касается изменения объёма, этот показатель часто встречающийся, однако, в некоторых двигателях используется изменение формы рабочего вещества.

Принцип работы теплового двигателя заключается в воздействии расширяющихся частиц газа на поршень, или лопасти турбины. В результате этого давления происходит перемещение детали, либо вращение вокруг оси. Работа наблюдается в силовых установках, работающих за счёт пара и в агрегатах, где сгорание горючего происходит внутри. Используя вращение, функционируют реактивные моторы самолётов.

Структурная схема работы теплового двигателя:

Работа теплового двигателя заключается в действии силы на тело. Эффект оценивается величиной, называемой КПД (коэффициент полезного действия), поскольку только часть выделенной энергии расходуется на работу.

Полное расходование энергии невозможно, поскольку природные действия нельзя провести в обратном направлении. Это означает, что выделенное тепло не может самостоятельно вернуться от холодильника к нагревателю, иначе всю энергию можно было бы пустить на работу силовой установки.

Работа двигателя характеризуется формулой:

Удельная теплота сгорания горючего:

Обратимый круговой процесс

Работа агрегата оценивается, с этой целью принято КПД идеального теплового двигателя. Впервые такое понятие ввёл изобретатель, Карно, в двадцать четвёртом году девятнадцатого века. Главный принцип цикла, обратимость. Согласно рассуждениям инженера, повторяемость процесса будет обеспечена, когда расширение рабочего вещества при нагреве будет сменяться сжатием этой субстанции до начального состояния при охлаждении. Обмен теплом с атмосферой цикле не учитывается, его нет.

Никола Леонард Сади Карно (1796 – 1832 года жизни):

Рассмотрим стадии цикла:

Стадии цикла Карно:

• Увеличиваясь в объёме, вещество ни отдало, ни получило тепла (Б – В).

Тело, выполняющее силовое воздействие не соприкасается с устройством нагрева, однако продолжает увеличиваться в объёме, не передавая части теплового носителя атмосфере. Температура вещества выравнивается с температурой установки охлаждения.

• Сдавливание с нарастанием силы и температуры, без теплообмена (Г – А).

Вещество уже не контактирует с холодильником, сжимается без отдачи температуры атмосфере. Температура вещества приравнивается к температуре нагревательного элемента.

Изотермические процессы протекают с постоянной температурой, тогда как адиабатические процессы происходят без теплообмена, следовательно, энтропия в процессах Карно сохраняется.

КПД, соответствующий реальным агрегатам ниже эталонного коэффициента. Идеальный коэффициент используют как эталон, когда определяют, каков резерв разработанной или усовершенствованной силовой установки.

Виды двигателей

Что бы легче различать, какие двигатели называют тепловыми, условно агрегаты классифицировали:

Тепловые двигатели с источником тепла отдельно от рабочего тела.

Мотор Стирлинга

Принцип действия основан на круговороте вещества, совершающего работу в замкнутом объёме. Само совершающее работу вещество, время от времени охлаждается или нагревается. Работа выполняется за счёт изменения объёма. Преимущество двигателя в том, что он способен функционировать от подвода тепла любого происхождения.

Действующая модель двигателя Стирлинга:

Паровой мотор

Преимущество агрегатов, простота и тяга на низких оборотах. Применение установки, работающую от пара не требует использования редуктора, что облегчает конструкцию. Паровая машина хороша для применения, как тяговый двигатель и по этому показателю превосходит двигатель внутреннего сгорания. Недостатки: вес агрегата, низкая скорость и КПД, постоянное применение больших объёмов жидкости.

Применение парового двигателя CVA201 на автомобильном транспорте:

Тепловые двигатели, с источником тепла, выполняющим роль рабочего тела

Двигатель со сгоранием внутри механизма

Силовая установка, работа которой сопряжена с частичным переходом энергии от окислившегося горючего в действие силы.

Классификация моторов проходит по нескольким признакам:

• потребление топлива (бензин, солярка, пропан, бутан, метан);
• цикл работы (моторы на 2 или 4 такта);
• способ приготовления смеси (карбюратор, инжектор, дизель);
• преобразование энергии (поршень, турбина, комбинация).

Поршневые двигатели внутреннего сгорания сегодня занимают лидирующие позиции. По сравнению с другими агрегатами, установок сделано и продано большинство. Ни одна сфера деятельности человека не обходится без этих моторов.

Роторные моторы внутреннего сгорания

Особенность, простота и возможность исполнения любых габаритов установки. Ротор выступает в качестве поршня, вращение происходит по траектории эпитрохоиды в замкнутом пространстве. Пространство снабжено технологическими отверстиями впуска и выпуска, а так же свечой воспламенения. Для выполнения рабочего хода требуется четыре такта, выполнение которых происходит без механизма распределения газов. Роторный мотор не требователен к горючему, дешевле в производстве, и надёжней в сравнении с поршневыми моторами. Недостаток установки, не соответствие экологическим нормам.

Двигатели с силой тяги от реактивной струи рабочего тела

Силовые установки функционируют за счёт силы тяги, полученной от отработанных газов при сгорании рабочего вещества. Преимущество в возможности работы в пространстве без воздуха.

Турбовинтовые агрегаты

Сила тяги сгоревшего рабочего тела используется для привода воздушного винта.

Экологические аспекты

За время использования установок, выявлены экологические проблемы тепловых двигателей. Если раньше человечество не ощущало выбросов в атмосферу, то по мере роста производства и увеличения количества установок, влияние чувствуется в значительной степени. Содержание углекислого газа за счёт рассеивания тепла в окружающую атмосферу ведёт к усилению парникового эффекта, что сказывается на всём живом и увеличивает среднегодовые показатели температур на Земле. Глобальное потепление катастрофически повлияет на мировой океан и последствия для цивилизации будут непредсказуемы.

Очистка, глобальный контроль, применение новых экологических стандартов, вот что спасёт нашу планету. Применение новых, безвредных видов топлива, к которым относится водород, переход на возобновляемые виды энергии. Только объединённые усилия всех стран повлияют на ситуацию, действуя в общих интересах, убережём наш дом от полного вымирания.

Одними из первых изобретённых человеком машин считаются ветряные и водяные мельницы. С развитием техники появились более сложные и практичные тепловые двигатели. В них часть поступающей энергии передаётся окружающей среде, что снижает КПД агрегатов. Рассмотрим, что такое тепловые двигатели в физике, их разновидности, примеры применения в промышленности.

Примеры и виды тепловых машин

Агрегаты, проделывающие механическую работу вследствие теплообмена с окружающими телами, называют тепловыми двигателями. Нагревание достигается преимущественно за счёт сжигания топлива неорганического происхождения, которое генерирует высокую температуру. Работа совершается посредством эксплуатации внутренних резервов топлива и содержащегося в воздухе кислорода.

Разработаны машины, функционирующие благодаря нагреву воды солнцем, за счёт разности температур морской воды на разной глубине. На практике они почти не используются из-за невысокой эффективности.

Первый тепловой двигатель, по учебникам физики, сконструировал и запустил Джеймс Ватт (Уатт) в 1774 г., а рабочий прототип продемонстрировал лишь в 1778 г. В его честь и названа единица измерения мощности. Хотя ещё в 1765 году российский изобретатель Иван Ползунов продемонстрировал вполне рабочий паровой двигатель.

Опыты же с прообразами паровых турбин проводились за два тысячелетия до этого, например, Героном. Учёный создал агрегат, названный им эолипилом. Это вращающийся на оси бронзовый шар, к которому подводился пар. В нём была пара трубок, изогнутых так, чтобы выходящий пар заставлял сферу вращаться.

Современные тепловые машины разделяются на двигатели внутреннего сгорания (ДВЗ) и внешнего сгорания.

Двигатели внешнего сгорания

Неприхотливы к виду сжигаемого топлива, не нуждаются в системах запуска, охлаждения в отличие от ДВЗ. Дали толчок развитию промышленности, применяются в современных ТЭС, АЭС. Наиболее распространены среди них:

Паровая машина – трансформирует энергию горячего пара в возвратно-поступательные перемещения поршневого механизма. Применялась в стационарных установках и первых автомобилях. Из-за низкого КПД почти не используется.

Мотор Стерлинга обладает наибольшим среди двигателей внешнего сгорания КПД. Это агрегат, где рабочее вещество (пар, жидкость) циркулирует в замкнутом пространстве. Работа базируется на периодическом подогреве и снижении температуры рабочего тела. Функционирует не только благодаря сжиганию топлива, но и от внешних источников теплового излучения. Применяется в насосах, подводных лодках, холодильных установках.

Двигатели внутреннего сгорания

Поршневой ДВЗ – самый используемый в транспортных средствах двигатель. Работает на принципе преобразования энергии расширяющихся вследствие сжигания топлива газов в механическую. Различают двигатели с искровым зажиганием и зажиганием от сжатия.

Газотурбинный мотор – высокооборотистый массивный агрегат, часто требующий применения редуктора. Используется в качестве привода генераторов, в турбореактивных моторах, газотурбинных электростанциях. Разделяются на турбореактивные, турбовентиляторные, турбовинтовые, турбовальные.

Реактивный двигатель – генерирует силу тяги, преобразовывая внутреннюю энергию сжигаемого топлива в кинетическую, которая передаётся струе газа. Объединяет в себе мотор с движителем – генерирует тягу без контакта с опорой. Делятся на воздушно-реактивные и ракетные, применяются в авиации.

Начиная с 17-го века широко используется свойство газа совершать работу при расширении. Устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию газа в механическую работу, называются тепловыми машинами. Труд таких известных инженеров и ученых, как Ползунов, Ньюкомен, Джеймс Уатт, Шарль, Мариотт, Авогадро, Бойль, Дальтон, Карно, Клапейрон и, другие, позволил изобрести различные виды тепловых машин. Благодаря экскаваторам, подъемным кранам, станкам и другим механическим устройствам, снабженным тепловыми машинами, за короткое время мы можем выполнить большие объемы работы.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Четыре вида тепловых двигателей

На сегодня известны такие типы тепловых двигателей (рис. 2):

1. двигатель внутреннего сгорания,
2. паровая турбина и газовая турбина,
3. паровая машина,
4. реактивный двигатель.

Превращение энергии в тепловом двигателе

В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):

• тепловая энергия топлива преобразуется во внутреннюю энергию газа;
• нагретый газ расширяется, и совершает работу, охлаждаясь при этом;
• часть внутренней энергии газа переходит в механическую энергию.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Чтобы представить простой тепловой двигатель, кастрюльку заменим цилиндром, а крышку – металлическим поршнем. Поршень должен плотно прилегать к стенкам отполированного цилиндра, так, чтобы двигаться по нему с минимальным трением. Если в пространство под поршнем поместить газ, то нагреваясь и расширяясь, он сможет сдвинуть поршень. Полученное устройство называется тепловым двигателем.

Поступательное движение поршня с помощью дополнительных механических частей можно преобразовать во вращательное движение рабочего вала.

На сегодняшний день ДВС – это самый распространенный вид тепловых двигателей. В таких двигателях используется жидкое или газообразное топливо – бензин, керосин, спирт, нефть, горючий газ. Топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра, поэтому его назвали двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Примечание: Паровая машина и, к примеру, двигатель Стирлинга, относятся к двигателям внешнего сгорания. Топливо в таких машинах сгорает за пределами рабочего цилиндра.

Существуют одноцилиндровые и многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

По количеству тактов работы двигателя, умещающихся в рабочий цикл, выделяют

• двухтактные и
• четырехтактные двигатели.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Что такое мертвая точка и ход поршня

Вначале познакомимся с понятиями мертвых точек и рабочего хода. Это поможет разобраться, из каких частей состоит рабочий цикл двигателя.

Две мертвые точки — это крайние положения поршня. В этих положениях поршень меняет направление движения на противоположное. Выделяют две мертвые точки – верхнюю и нижнюю (рис. 5). Расстояние между ними называют ходом поршня.

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

Этапы работы четырехтактного ДВС

Теперь перейдем к рассмотрению рабочего цикла двигателя. Весь рабочий цикл состоит из четырех тактов — движений поршня. Двух движений вверх и двух — вниз. Поэтому двигатель называют четырехтактным. Каждому движению поршня вверх, или вниз соответствует половина оборота коленчатого вала (рис. 6).

Первый такт – впрыск топлива

Сначала поршень движется вниз (рис. 6а). При этом между поршнем и клапанами создается область пониженного давления. Поэтому, когда открывается впускной клапан, пары топлива и воздух засасываются внутрь цилиндра. Сдвигаясь, поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал, снабженный утяжеляющим его маховиком. Первый такт заканчивается в момент достижения поршнем нижней мертвой точки.

Второй такт – сжатие топливовоздушной смеси

Коленчатый вал продолжает вращение по инерции и увлекает поршень с помощью шатуна. Теперь поршень движется вверх (рис. 6б). Он сжимает смесь топлива и воздуха, находящуюся в объеме над ним. Давление над поршнем повышается и газ разогревается. Процесс сжатия заканчивается в верхней мертвой точке.

Третий такт – рабочий ход

В момент, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз (рис. 6в), на свечу зажигания подается высокое электрическое напряжение. Между рабочими электродами свечи проскакивает искра. Эта искра поджигает смесь паров топлива и воздуха. Температура газов поднимается почти до двух тысяч градусов. Давление раскаленного газа на стенки цилиндра и поршень возрастает в тысячи раз. Сила давления толкает поршень, он движется к нижней мертвой точке. Раскаленные газы расширяются и охлаждаются. При этом, они двигают поршень вниз, то есть, совершают механическую работу. Отсюда и название такта – рабочий ход.

Четвертый такт – выброс отработавших газов в окружающую среду

В момент, когда поршень минует нижнюю мертвую точку и, вращение коленчатого вала с помощью шатуна увлекает его вверх (рис. 6г), открывается выпускной клапан. Отработанные газы покидают цилиндр. Это продолжается до момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. В этот момент полный цикл работы завершается. Двигатель готов к началу нового четырехтактного процесса.

Во время второго и третьего тактов впускной и выпускной клапаны закрыты. Впускной клапан открыт во время первого такта, выпускной – во время четвертого.

Двухтактные ДВС и их особенности

Двигатель называют двухтактным, когда полный цикл его работы совершается за два хода поршня – такта. Пока поршень совершает два хода, коленчатый вал совершает один оборот.

Сжатие и рабочий ход происходят аналогично четырехтактному двигателю. Отличие заключается в процессах впрыска и выпуска отработанных газов. Эти процессы происходят совместно и в течение короткого времени, покуда поршень проходит нижнюю мертвую точку.

Впрыск топливовоздушной смеси и выпуск отработанных газов называется продувкой цилиндра.

Изобрел двухтактный двигатель инженер из Шотландии Д. Клерк в 1881 году. Джозеф Дей и Ф. Кок спустя десять лет в Англии усовершенствовали конструкцию. Двумя годами ранее — в 1879 году, свой двухтактный двигатель независимо от них построил Карл Бенц.

Количество нерабочих ходов поршня в два раза меньше, по сравнению с четырехтактным двигателем. Поэтому потери на трение сократились в два раза.

Но главное преимущество двухтактного двигателя в том, что он обладает в полтора раза большей мощностью при одинаковых с четырехтактным двигателем объемом цилиндра и оборотах двигателя.

Благодаря этому двухтактные двигатели используются на средних и тяжелых морских судах и в авиации. Вал двигателя с валом гребного винта, или воздушным винтом, соединяется без редуктора. В судостроении используют тяжелые малооборотные двигатели. А в конструкциях самолетов, в основном двухтактные роторные двигатели.

Некоторые модели мотоциклов, малолитражных автомобилей, грузовиков и автобусов, так же, оснащаются двухтактными двигателями внутреннего сгорания.

Основной недостаток таких двигателей заключается в том, что их детали работают при более высоких температурах. Это вызывает сокращение срока службы. А в мощных двигателях требует дополнительного охлаждения поршней.

Еще один недостаток заключается в одновременном впрыске топлива и выпуска отработанных газов. При этом пары топлива смешиваются с отработанными газами, полностью исключить такое смешивание не получается. Из-за этого снижается эффективность сжигания топлива в цилиндрах таких двигателей.

Преимущества многоцилиндровых двигателей и их устройство

В многоцилиндровых двигателях топливо воспламеняется в различные моменты времени последовательно в нескольких цилиндрах. При этом рабочий вал двигателя вращается более равномерно, ему передается больше энергии. Это позволяет повысить мощность двигателя.

В мопедах и скутерах чаще всего используют одноцилиндровые двигатели (рис. 7).

В мотоциклах – двухцилиндровые. В легковых автомобилях — четырехцилиндровые двигатели. А грузовые автомобили, большие тракторы и спецтехника могут оснащаться восьмицилиндровыми двигателями. Более мощная и грузоподъемная техника, а, так же, речные и морские суда, оснащаются двигателями, имеющими, двенадцать, шестнадцать и, более цилиндров.

Рабочий вал многоцилиндрового двигателя вращается более равномерно и получает энергию от нескольких поршней. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность.

В сложных двигателях цилиндры располагают, поворачивая один относительно другого на различные углы (рис. 8).

Рис. 8. Несколько цилиндров в двигателе располагают, поворачивая их на различные углы один относительно другого

Имеются такие конструкции двигателей:

• V-образные, в которых цилиндры располагаются в виде латинской буквы V;
• рядные, когда несколько цилиндров располагают в ряд один за другим;
• оппозитные, в которых одни цилиндры развернуты на 180 градусов по отношению к другим цилиндрам и поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку, двигаясь в противоположные стороны;
• роторные, несколько цилиндров в них располагаются в виде многолучевой звезды, такие двигатели применяются в авиации.

1. Существуют V-образные двигатели, в которых цилиндры развернуты на 180 градусов. При этом, когда один поршень проходит свою верхнюю мертвую точку, соседний поршень проходит свою нижнюю точку.
2. В оппозитных двигателях оба поршня двигаются в противоположные стороны — либо расходятся максимально далеко, либо максимально сближаются. Двигаясь, поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку. Поэтому двигатель называется оппозитным.

Паровая турбина

Турбина от двигателя внутреннего сгорания отличается более простым устройством. Основная сложность при изготовлении турбин заключается в создании легких, прочных и эффективных лопаток, приводящих в движение диски и рабочий вал.

Тепловой двигатель, в котором вал двигателя вращается без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала, называется паровой турбиной.

Устройство турбины отличается простой конструкцией (рис. 9).

На вал насажен диск, содержащий на ободе лопатки. На эти лопатки направлены сопла, из них под большим давлением в сторону лопаток подается горячий газ или пар, который вращает лопасти и приводит в движение диск турбины и вал двигателя.

Современные турбины содержат несколько дисков с лопастями, находящихся на общем валу. Пар последовательно проходит лопатки нескольких дисков и каждому передает часть своей энергии. Это повышает эффективность турбины.

В качестве двигателей турбины применяются на больших судах.

Частота вращения турбин может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. На электростанциях вал турбины соединяется с генератором тока, благодаря чему механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию.