Принцип работы теплового двигателя

История создания

Первые упоминания о подобном устройстве связаны с римской империей. В то время тепловой двигатель не получил широкого распространения ввиду низкого развития техники.

В III веке до н.э. Архимедом была построена паровая пушка.

Рис. №1. Тепловой двигатель.

Леонардо да Винчи изобразил на своем рисунке цилиндр с поршнем, с находящейся в нём водой. На создание этого эскиза повлияла разработка Архимеда. По его замыслу работу цилиндра можно было описать так: при нагревании воды выделяющийся пар выталкивает поршень в цилиндре вверх. На этом принципе была основана работа паровой пушки. Пар от нагретой воды был способен придавать энергию движения снаряду, и он выстреливал.

В 1690 году Дени Папену удалось собрать цилиндр с двигающимся поршнем. Но нагревание воды и ее охлаждение приходилось осуществлять вручную. Именно поэтому такой вариант паровых машин не нашел применения.

В 1763 году Ползунову удалось изобрести паровой двигатель с двумя цилиндрами. Эта особенность обеспечивала непрерывную работу машины.

В 1766 году он изобрел паровой двигатель с мощностью в 32 л.с. Запустили двигатель после его смерти. Изобретение Ползунова работало в плавильных печах на протяжении 3 месяцев. После чего вышел из строя, а ввиду отсутствия мастеров по ремонту так и остался в неисправном состоянии.

Джеймсу Уатт в 1782 году получил патент на усовершенствованный изобретенный задолго до него паровой насос – паровую машину с двойным действием.

Виды тепловых двигателей

1. Внутреннего сгорания. Среди них выделяют 2-х и 4-х тактные;
2. Внешнего сгорания.

Принцип работы теплового двигателя и его устройство

Устройство теплового двигателя представлено следующими элементами:

• Свечи зажигания;
• Цилиндр;
• Поршни;
• Кривошипная камера;
• Впускной и выпускной клапаны.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на 2-х и 4-х тактные.

Такт – это процессы, происходящие в двигателе за одно движение поршня.

Как работают двухтактные двигатели

Все процессы происходит в 2 этапа:

1 такт. Сжимание воздуха.

В этот период клапан выпуска и впуска находятся в закрытом состоянии.

Поршень, поднимаясь, закрывает поочередно клапан впуска и выпуска. Это приводит к тому, что смесь газов и топлива сжимается.

В герметичную кривошипную камеру в следствие создания разряженного воздуха под поршнем следует горючее из карбюратора, клапан впуска при этом открыт;

2 такт. Рабочий ход.

Как только поршень начинает приближаться к ВМТ, свеча зажигания подает искру в камеру. В результате чего происходит воспламенение смеси топлива и газов, что ведет к увеличению температуры и давления в полости цилиндра

Увеличившееся давление обуславливает опускание поршня до НМТ. Начинается сжимание поршнём смеси газов и воздуха в кривошипной камере. Это ведет к тому, что клапан впуска закрывается, тем самым препятствует попаданию горючего в коллектор и карбюратор.

Опускаясь до НМТ, поршень открывает клапан выпуска, происходит выход выхлопных газов.

Как работают 4-х тактные двигатели

Рисунок №2. Схематическое изображение работы ДВС.

Все процессы происходят в 4 этапа:

1 такт впуска.

Открывается впускной клапан в результате движения поршня к НМТ. Подача смеси горючего из карбюратора происходит как раз через этот клапан. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан переходит в закрытое состояние;

2 такт. Сжатие горючей смеси.

Поднимаясь до ВМТ происходит сжатие горючей смеси поршнем. Как только поршень начинает приближаться в верхней точке, начинается подача искры свечой зажигания. В результате чего происходит воспламенение смеси;

3 такт. Процессы расширения.

Вышеописанные моменты приводят к горению топливовоздушной смеси и высвобождению большого количества тепла. Увеличившееся давление давит на поршень, тем самым, заставляя его опускаться вниз. Клапаны здесь закрыты;

4 выпускной такт.

Коленвал продолжая своё движение, обеспечивает движение поршня к верхней мёртвой точке. По мере продвижения поршня наверх, происходит открытие клапана выпуска. Через него происходит удаление выхлопных газов. Как только поршень достигает верхней границы, впускной клапан закрывается.

Схема работы двигателя внешнего сгорания

Рис.3. Схема работы двигателя внешнего сгорания.

Принцип работы основан на чередовании нагревания и охлаждения воздуха в ограниченном пространстве и высвобождении энергии в результате изменения объема воздуха.

Это Интересно! Двигатель Стирлинга используется в холодильном оборудовании. Принцип его работы в этом случае обратный и заключается в раскручивании вала двигателем. Что приводит к охлаждению головки цилиндра.

Достоинства и недостатки теплового двигателя

К положительным характеристикам теплового двигателя можно отнести:

• Простота работы, надежность. Соответственно низкая стоимость ремонтных работ;
• Независимость от дополнительного источника энергии;
• Высокоэффективный тип двигателя;
• Выступает как источник электричества как для индивидуального применения, так и в более широких кругах;
• Относительно небольшие размеры.

Помимо достоинств, имеется несколько существенных недостатков:

• Тепловой двигатель обладает низким коэффициентом полезного действия;
• Неблагоприятное воздействие на экологию;
• Оказывает влияние на процесс глобального потепления;
• Затраты большого количества кислорода с дальнейшим превращением его в углекислый газ.

Отличия теплового двигателя от инжекторного

1. В тепловом двигателе происходит формирование смеси топлива и воздуха, а также контролируется ее расходование. Подача смеси осуществляется благодаря разному давлению атмосферного воздуха и коллектора впуска. В инжекторе смесь подается в камеру сгорания путем впрыскивания её форсунками;
2. В тепловом двигателе смесь газов и топлива подается всегда в одинаковом количестве, в инжекторной системе количество смеси зависит от конкретных условий работы двигателя;
3. Тепловые двигатели подвержены перепадам температурных условий;
4. Ремонт теплового двигателя гораздо проще и дешевле инжектора.

Область применения

Двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в транспортных установках и сельскохозяйственных машинах, а так же используются электростанциями, энергопоездами и для запуска генератора (как аварийного источника электроэнергии).

Тепловые 2-х тактные двигатели внутреннего сгорания применяются в технике малой мощности

Двигатель внутреннего сгорания устанавливается в:

• Роторные двигатели;
• Реактивные и турбореактивные двигатели;
• Газотурбинные установки.

Это Интересно! Самые большие тепловые двигатели устанавливают на водных суднах. Мощность таких моторов составляет более 108 тысяч лошадиных сил!

Тепловой двигатель получил широкое распространение в современных условиях от маломощной техники до тепловых электростанций. Существенным минусом его использования является неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Для предотвращения этого необходимо совершенствовать устройство и работу таких двигателей, а также использовать технологии по энергосбережению.

Принцип работы теплового двигателя

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

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.

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

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Принципы действия тепловых машин

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.

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. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

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

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

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.