Работа газа при расширении. Двигатель внутреннего сгорания. Паровая турбина
Издавна человек задумывался над тем, как сделать механизмы, которые помогали бы ему выполнять тяжёлую работу. Сначала он использовал простые механизмы — рычаги, наклонную плоскость, различные передающие механизмы, блоки и т. п.
С тех пор как человечество познало закономерности тепловых явлений, учёные стремились найти способы использования тепловой энергии, в частности способы преобразования её в механическую. Вы уже знакомы с законом сохранения и превращения энергии и знаете, что внутреннюю энергию можно использовать для совершения механической работы.
Устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.
А каков принцип действия теплового двигателя? Ответим на этот вопрос проведя следующий эксперимент. Возьмём цилиндр, внутри которого под поршнем находится газ. Положим на поршень груз, например, гирю, и начнём нагревать газ в цилиндре.
С повышением температуры газа поршень начнёт постепенно перемещаться вверх, поскольку вследствие нагревания газ расширяется. Следовательно, в процессе теплопередачи газ под поршнем выполняет механическую работу, поднимая груз на некоторую высоту.
Если нагревание газа прекратить, то в результате теплообмена с окружающей средой он будет остывать, его объем уменьшится и поршень опустится вниз.
На таком способе преобразования тепловой энергии в механическую, путём выполнения работы, и основывается действие тепловых машин.
В 1781 г. Дж. Уатт продемонстрировал паровую машину, которая приводила в непрерывное вращательное движение вал.
|
|
Двигатель Уатта, мощностью 10 л. с., стало возможным установить и использовать в любом месте и для любых целей. Поэтому он на протяжении долгого времени применялся в качестве универсального двигателя, приводящего в движение паровозы, пароходы и даже первые автомобили.
В 1824 г. французский учёный С. Карно предположил, что тепловая машина конструктивно должна состоять из трёх основных частей: нагревателя (то есть источника теплоты), рабочего тела, которое собственно и выполняет работу (например, пар в паровых двигателях), и холодильника, роль которого может выполнять окружающий воздух.
Устройство тепловой машины
В настоящее время существует несколько видов тепловых двигателей:
Это, собственно, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины и реактивный двигатель.
И сегодня мы с вами более подробно рассмотрим устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.
Начнём с двигателя внутреннего сгорания. Его преимуществом перед другими двигателями является то, что топливо сгорает внутри цилиндра двигателя (отсюда название). Это делает их более дешёвыми и экономичными, а также менее металлоёмкими.
А каков принцип действия двигателя внутреннего сгорания? Ответим на этот вопрос, на примере четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый с шатуном. Шатун насажен на коленчатый вал и приводит его во вращение при поступательном движении поршня в цилиндре. В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которые вставлены клапаны: впускной и выпускной. Через них в цилиндр поступает горючая смесь, и выходят отработавшие газы. Также в верхней части двигателя располагается свеча зажигания, которая вырабатывает искру для воспламенения горючей смеси.
|
|
В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания рабочий цикл состоит из следующих четырёх тактов.
Первый такт — впуск.
Во время этого такта происходит движение поршня вниз от верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. Мёртвыми точками называют крайнее верхнее и нижнее положение поршня в цилиндре двигателя. Давление газа в цилиндре над поршнем при его движении вниз уменьшается, и в него через входной клапан поступает горючая смесь. Выпускной клапан при этом закрыт.
Когда поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, закроется и впускной клапан.
Второй такт — сжатие. Поршень движется из нижней точки вверх, клапаны остаются закрытыми, и рабочая смесь сжимается. В результате сжатия температура горючей смеси повышается до трёхсот — шестисот градусов Цельсия, в зависимости от типа двигателя.
При приближении поршня к верхней мёртвой точке в свече зажигания проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется.
Третий такт — это рабочий ход. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество теплоты, резко повышаются давление и температура газа. Затем газ расширяется: его объём увеличивается, а давление уменьшается при неизменной температуре. Расширяясь, газ толкает поршень и соединённый с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом газ охлаждается, так как часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.
|
|
И наконец четвёртый такт — это выпуск. После того как поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, давление в цилиндре уменьшится. При движении поршня вверх открывается выпускной клапан, и начинается выпуск отработавших газов. В конце этого такта выпускной клапан закрывается. Затем цикл повторяется.
Обратите внимание на то, что из четырёх тактов только один — третий — является рабочим. Для того чтобы поршень переходил нижнюю и верхнюю мёртвые точки, на коленчатый вал насаживают массивный маховик. Благодаря его инертности коленчатый вал сразу не прекращает вращение. И поршень проходит мёртвые точки.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем был создан в 1886 г. Г. Даймлером.
В том же году, но чуть позже, появился трёхколёсный автомобиль К. Бенца. Его скорость была целых восемнадцать километров в час!
А уже в 1892 г. свой первый четырёхколёсный автомобиль построил и Г. Форд.
Современный двигатель состоит из четырёх или восьми цилиндров.
Четырёх цилиндровый ДВС
В четырёхцилиндровом двигателе в каждом из цилиндров поочерёдно осуществляется рабочий ход, и коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней, поэтому его вращение происходит непрерывно, без остановок.
Паровая турбина — другой тип теплового двигателя, который широко применяют на современных тепловых электростанциях.
Паровая турбина представляет собой насаженный на вал массивный диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар из сопла.
Работает турбина следующим образом. Пар, полученный в паровом котле, имеет температуру, близкую к шестистам градусам Цельсия. Он направляется в сопло и в нём расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара.
Струя пара, обладающая большой кинетической энергией, поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей энергии, приводя турбину во вращение. Вал и диск с лопастями образуют ротор турбины, который помещается в корпусе. По всей поверхности корпуса устанавливаются сопла. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждый из которых получает часть энергии пара.