какие виды тепловых двигателей вам известны какие переходы и превращения энергии происходят в них
Какие виды тепловых двигателей вам известны какие переходы и превращения энергии происходят в них
Работа газа при расширении
1. Как выглядят простейшие устройства, в которых происходит превращение внутренней энергии пара в механическую энергию?
Простейший паровой двигатель: внутри цилиндра нагревается пар, в результате нагревания пар расширяется и совершает работу, перемещая поршень.
Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию поршня.
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?
Существует несколько видов тепловых двигателей:
– паровая машина,
– двигатель внутреннего сгорания,
– паровая и газовая турбины,
– реактивный двигатель.
4. Какие переходы и превращения энергии происходят в них?
В тепловых двигателях энергия топлива превращается во внутреннюю энергию пара (или газа).
Пар (или газ), расширяясь, совершают работу и при этом охлаждаются.
При этом часть внутренней энергии пара (или газа) превращается в механическую энергию.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?
Двигатель внутреннего сгорания — это тепловой двигатель, топливо в котором сгорает прямо в цилиндре внутри самого двигателя.
2. Из каких основных частей состоит простейший двигатель внутреннего сгорания?
Простейший двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень.
Поршень соединен внизу посредством шатуна с коленчатым валом.
Два клапана в верху цилиндра: один клапан служит для подачи в цилиндр горючей смеси, другой клапан выпускает отработанные газы.
3. За сколько ходов, или тактов, происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом вал двигателя?
Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода поршня (такта), при этом коленчатый вал делает два оборота.
4. Какие процессы происходят в двигателе в течение каждого из четырёх тактов? Как называют эти такты?
5. Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?
Маховик представляет собой диск большой массы и потому характеризуется большой инертностью.
Вращаясь он не может остановиться мгновенно и еще какое-то время прокручивается, двигая поршень.
Маховик как бы накапливает кинетическую энергию и передает ее поршню двигателя, не позволяя тому замирать в “метвых” точках, т.е. в положениях максимально возможного подъема или спуска.
Маховик помогает обеспечивать плавность вращения вала двигателя.
7. Где еще, кроме автомобилей, используют ДВС?
Кроме автомобилей двигатели внутреннего сгорания используются еще:
– в винтовых самолетах,
– в тепловозах,
– на судах,
– в портативных генераторах электрического тока.
Тепловые двигатели
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):
Превращение энергии в тепловом двигателе
В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):
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
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).
Имеются такие конструкции двигателей:
Примечания:
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.
В России изготавливают турбины мощностью до 1,2 миллиардов Ватт.