Тепловые двигатели: общие положения

                                       Содержание

 

      Введение

     Тепловые двигатели: общие положения

      - Принцип действия тепловых двигателей

      - Роль холодильника

      - Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

      - Максимальное значение КПД тепловых двигателей

      - Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

      - Многоцилиндровые двигатели

      - Карбюраторные двигатели

      - Дизельные двигатели

     - Реактивные двигатели

    Заключение

    Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Введение

 

        Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Более 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

       Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобильном транспорте применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карб-ые двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах, незаменимых в сельском хозяйстве.

       На железнодорожном транспорте до середины 20-го века основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы в конечном счёте получают энергию преимущественно от тепловых двигателей электростанций.

        На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные паровые турбины для крупных судов.

В авиации на лёгких самолётах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбореактивные и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов скоростного транспорта.

 

                     Принципы действия тепловых двигателей

       Для того чтобы двигатель совершал работу, необходимо разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопостей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры раб. тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Это повышение температутры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом во всех тепл. двигателей является газ. Газ совершает работу при расширении.

В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя.

 

                      Роль холодильника

 

        По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, т.к. в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет совершать работы. Реально температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Её наз. температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или спец. устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы.

       Таким образом, рабочее тело при расширении в двигателе не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты передаётся холодильнику (атмосфере) вместе отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутр. сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. При чём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

 

         Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

 

         Невозможность полного превращения внутренней энергии в работу в тепловых двигателях обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в работу с помощью любого теплового двигателя.

Согласно закону сохранение энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А' = l Q1 l - l Q2 l,

где Q1 - количество теплоты, полученная от нагревателя, а Q2 - количество теплоты, отданной холодильнику.

 

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношения работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

 

      Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то во всех случаях

КПД теплового двигателя зависит от соотношения температур нагревателя и холодильника. Он должен быть пропорционален разности температур нагревателя и холодильника, т.к. при Т1 - Т2 = 0 двигатель не может работать.

 

 

       Максимальное значение КПД тепловых двигателей

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил КПД этой машины следующее значение:

Главное значение этой формулы - любая тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т1 и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины

 

           Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

 

      Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

      Рассмотрим устройство четырехтактного бензинового двигателя автомобильного типа.

       Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя.

       Внутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящими кольцами 2, вложенными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем 3 («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу 5.

 

          Устройство поршня двигателя внутреннего сгорания

 

           Справа показано присоединение шатуна к поршню

 

      Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).

       Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз доходит до конца ее.   Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его. Таким образом получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7. Работа двигателя состоит из четырех тактов.

          Устройство карбюратора  

 

                        Четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания

 

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т.е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

 

  Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя автомобиля

 

 

      Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация. Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом.

Вода циркулирует, омывая цилиндры

1. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе

2. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором

3. Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее распространенные двухтактные двигатели.

      Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например не работает карбюратор).

 

                     Многоцилиндровые двигатели

 

        Для повышения мощности двигателя и обеспечения большей частоты рабочих ходов создают двигатели с несколькими цилиндрами. Они могут стоять в ряд друг за другом (рядное расположение), в два ряда под углом друг к другу (V-образное), в четыре ряда (X-образное) или по окружности (радиальное). Иногда цилиндры располагают попарно головками друг к другу (оппозитное расположение). Для двигателей воздушного охлаждения обычно выбирают радиальную схему, с тем чтобы все цилиндры равномерно охлаждались потоком воздуха. Двигатели водяного охлаждения с числом цилиндров не более шести делают рядными; при большем числе цилиндров обычно используют V-образную схему – она более компактна.

 

              Карбюраторные двигатели

 

       Важной проблемой двигателей внутреннего сгорания является создание топливовоздушной смеси.

В бензиновых двигателях смешение воздуха с топливом происходит в карбюраторе. Обычно состав смеси регулируется за счет изменения расхода топлива, но если требуется богатая смесь (например, при запуске двигателя), то уменьшают подачу воздуха.

       Смесь воспламеняется искрой между электродами свечи зажигания, установленной в головке блока цилиндров. Электрическое питание обеспечивается аккумулятором или небольшим электрическим генератором; высокое напряжение, требуемое для искры, получают с помощью катушки зажигания.