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.

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):

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).

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.

Примечания:

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.

В России изготавливают турбины мощностью до 1,2 миллиардов Ватт.