Як влаштовані і як працюють теплові двигуни

Наша сьогоднішня зустріч присвячена теплових двигунів. Саме вони надають руху більшість видів транспорту, дозволяють отримувати електроенергію, яка несе нам тепло, світло і комфорт. Як влаштовані і який принцип дії теплових машин?

Поняття і види теплових двигунів

Теплові двигуни – пристрої, що забезпечують перетворення хімічної енергії палива в механічну роботу.

Здійснюється це таким чином: розширюється газ тисне або на поршень, викликаючи його переміщення, або на лопаті турбіни, повідомляючи їй обертання.

Взаємодія газу (пара) з поршнем має місце в парових машинах, карбюраторних і дизельних двигунах (ДВС).

Прикладом дії газу, що створює обертання є робота авіаційних турбореактивний двигунів.

Структурна схема роботи теплового двигуна

Принципова схема работи.Несмотря на відмінності в їх конструкції, всі теплові машини мають нагрівач, робоча речовина (газ або пар) і холодильник.

У нагрівачі відбувається згорання палива, в результаті чого виділяється кількість теплоти Q1, а сам нагрівач при цьому нагрівається до температури T1. Робоча речовина, розширюючись, здійснює роботу A.

Але теплота Q1 не може повністю перетвориться в роботу. Певна її частина Q2 через теплопередачу від нагрівшись корпусу, виділяється в навколишнє середовище, умовно звану холодильником з температурою T2.

Про парових двигунах

російський винахідник Іван Ползунов.Хронологія цього винаходу веде свій відлік від епохи Архімеда, який придумав гармату, що стріляла за допомогою пари. Потім йде низка славних імен, які пропонували свої проекти. Найбільш ефективний варіант пристрою належить російському винахіднику Івану Ползунову. На відміну від своїх попередників він запропонував безперервний хід робочого вала за рахунок використання попеременной роботи 2-х циліндрів.

Згоряння палива і утворення пари у парових машин відбувається поза робочої камери. Тому їх називають двигунами зовнішнього згоряння.

За таким же принципом утворюється робоче тіло в парових і газових турбінах. Їх далеким прообразом з’явився кулю, що обертається паром. Автором цього механізму був учений Герон, який творив свої машини і прилади, в древньої Олександрії.

Про двигуни внутрішнього згоряння

В кінці XIX століття німецьким конструктором Августом Отто була запропонована конструкція ДВС з карбюратором, де готується топливовоздушная суміш.

Зупинимося детальніше на його роботі. Кожен цикл роботи складається з 4-х тактів: впускання, стиснення, робочого ходу і випуску.

Схем арботи 4-тактного двигуна внутрішнього згоряння.

Під час першого такту горюча суміш впорскується в циліндр і стискається поршнем. Коли компресія досягає максимуму, спрацьовує система електроподжіга (іскра від свічки). В результаті цього мікровибухи температура в камері згоряння досягає 16 000 – 18 000 градусів. Утворені гази тиснуть на поршень, штовхають його, провертаючи з’єднаний з поршнем колінчастий вал. Це і є робочий хід, який призводить автомобіль в рух.

Згоряння палива у внутрішній камері. Робочий хід.

А охолодити гази через випускний клапан викидаються в атмосферу. Намагаючись поліпшити ефективність роботи пристрою, розробники збільшували ступінь стиснення горючої суміші, але тоді вона самозаймається «достроково».

Німецький інженер Дизель знайшов цікавий вихід з цієї скрути …

Інженер Рудольф Дизель.

У циліндрах дизеля за рахунок руху поршня стискається чисте повітря. Це дозволило в кілька разів збільшити ступінь стиснення. Температура в камері згоряння досягає 900 град. В кінці такту стиснення туди впорскується солярка. Її дрібні краплі, змішавшись з настільки розігрітим повітрям, самовоспламеняются. Утворені гази, розширюючись, тиснуть на поршень, здійснюючи робочий хід.

Отже, дизельні двигуни відрізняються від карбюраторних:

За родом використовуваного палива. Карбюраторні двигуни – бензинові. Дизельні – споживають виключно солярку.
Дизель на 15-20% економічніше карбюраторних двигунів за рахунок більшому ступені стиснення, але його обслуговування дорожче, ніж у його суперника – бензинового двигуна.
У числі мінусів дизеля – в холодні російські зими солярка загусає, потрібен її підігрів.
Останні дослідження американських вчених показали, що викиди від дизельних двигунів за складом менш шкідливі, ніж від їх бензинові аналоги.
Сучасний дизельний агрегат.

Багаторічна конкуренція між двома видами ДВС завершилася розподілом сфери їх використання. Дизельні двигуни як більш потужні встановлюються на морському транспорті, на тракторах і автомобілях великої вантажопідйомності, а карбюраторні – на автомобілі малої і середньої вантажопідйомності, на моторні човни, мотоцикли і т. Д.

Коефіцієнт корисної дії (ККД)

 

Ефективність експлуатації будь-якого механізму визначається його ККД. Паровий двигун, який випускає відпрацьований пар в атмосферу, має вельми низький ККД від 1 до 8%, бензинові двигуни до 30%, звичайний дизельний двигун до 40%. Безумовно, в усі часи інженерна думка не зупинялася і шукала шляхи підвищення ККД.

 

Талановитий французький інженер Саді Карно розробив теорію роботи ідеального теплового двигуна.

 

Французький математик і фізик Марі Франсуа Саді Карно.

 

Його міркування були наступними: щоб забезпечити повторюваність циклів, необхідно, щоб розширення робочої речовини при нагріванні змінювалося його стисненням до початкового стану. Цей процес може відбуватися тільки за рахунок роботи зовнішніх сил. Причому робота цих сил повинна бути менше корисної роботи самого робочого тіла. Для цього слід знизити його тиск шляхом охолодження в холодильнику. Тоді графік всього циклу буде мати вигляд замкнутого контуру, він то і став називатися циклом Карно. Максимальний ККД ідеального двигуна обчислюється за формулою:

 

Формула ККД.

 

Де η сам коефіцієнт корисної дії, T1 і T2 абсолютні температури нагрівача і холодильника. Вони визначаються за формулою T = t + 273, де t температура за Цельсієм. З формули видно, що для збільшення ККД необхідно збільшити температуру нагрівача, що обмежена жароміцністю матеріалу, або знизити температуру холодильника. Максимальний ККД буде при Т = 0К, що також технічно нездійсненно.

 

Реальний коефіцієнт завжди менше ККД ідеального теплового двигуна. Порівнюючи реальний коефіцієнт з ідеальним, можна визначити резерви для вдосконалення наявного двигуна.

 

Працюючи в цьому напрямку, конструктори забезпечили бензинові двигуни останнього покоління інжекторними системами подачі палива (вприскувача). Це дозволяє за допомогою електроніки домогтися його повного згоряння і відповідно збільшити ККД.

 

Вишукуються шляхи зменшення тертя дотичних деталей двигуна, а також поліпшення якості використовуваного палива.

 

Перш природа загрожувала людині, а тепер людина загрожує природі

 

З наслідками нерозумної діяльності людини доводиться стикатися вже нинішньому поколінню. І значний внесок в порушення тендітної рівноваги природи вносить величезний обсяг теплових двигунів, використовуваних на транспорті, в сільському господарстві, а також парових турбін електростанцій.

 

Це шкідливий вплив проявляється в колосальних викидів із джерел і підвищенні вмісту вуглекислого газу в атмосфері. Процес згоряння палива супроводжується споживанням атмосферного кисню в таких масштабах, що це перевищує його вироблення всієї земної рослинністю.

 

Зліт ракети. Запуск турбіни.

 

Значна частина тепла від двигунів розсіюється в навколишньому середовищі. Цей процес, що посилюється парниковим ефектом, призводить до підвищення середньорічної температури на Землі. А глобальне потепління загрожує катастрофічними наслідками для всієї цивілізації.

 

Щоб ситуація не погіршувалася, необхідна ефективна очистка, відпрацьованих газів, перехід на нові екологічні стандарти, що пред’являють більш жорсткі вимоги до вмісту шкідливих речовин у вихлопних газах.

 

Вихлопні гази загрожують екології.

 

Дуже важливо використовувати тільки якісне паливо. Хороші перспективи очікуються від використання в якості пального водню, оскільки при його згорянні замість шкідливих викидів утворюється вода.

 

В недалекому майбутньому значна частина автомобілів, що працюють на бензині, буде замінена електромобілями.

 

Тільки спільними зусиллями ми можемо зберегти цей дивовижний світ, яким природа обдарувала нашу планету.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Тренд – що це таке?