- Тепловые машины
- Поршневые двигатели внутреннего сгорания
- знать виды тепловых машин; назначение тепловых двигателей; из каких элементов состоит двигатель внутреннего сгорания
- уметь объяснять, какие процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания за один цикл; объяснять, в чём отличие бензинового и дизельного двигателей
- Как изменяется внутренняя энергия системы при совершении положительной работы?
- Как устроен двигатель автомобиля?
- Чем отличаются бензиновые и дизельные моторы?
Тепловые машины
Вам уже известно, что при сгорании топлива выделяется большое количество теплоты. Полученную энергию можно использовать для совершения механической работы. Устройства, преобразующие тепловую энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.
Принцип действия теплового двигателя основан на том, что полученная при сгорании топлива тепловая энергия сообщается рабочему веществу двигателя. Получив тепло, рабочее вещество нагревается и увеличивается в объёме, за счёт расширения совершается работа против внешних сил, благодаря чему различные устройства приходят в движение.
Тепловые двигатели — это устройства, преобразующие тепловую энергию топлива в механическую.
Существует другой вид тепловых машин — холодильные. Холодильные машины, в отличие от тепловых двигателей, используются не для совершения механической работы, а для охлаждения окружающих тел. Наиболее знакомые вам холодильные машины — это кондиционер и холодильник.
Рис. 1. Поршневой паровой двигатель
Первая тепловая машина была создана в 1765 г., это был поршневой паровой двигатель (рис. 1), созданный русским изобретателем Иваном Ползуновым (1728–1766). Это было огромное устройство размером с трёхэтажный дом, сконструированное для обслуживания воздуходувки: подачи воздуха и откачивания воды. Мощность данного устройства была порядка 29 кВт.
В 1784 г. Джеймс Уатт (1736–1819) усовершенствовал механизм парового двигателя, увеличив его КПД.
На сегодняшний день поршневые паровые двигатели ввиду их низкого КПД вытеснены более современными устройствами, такими как двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина, реактивный двигатель и другие.
Поршневые двигатели внутреннего сгорания
Двигатели внутреннего сгорания получили такое название, потому что топливо поджигается и сгорает прямо внутри цилиндра, в отличие от паровых двигателей, в которых необходимо было наличие огромного парового котла и топки. В качестве топлива в таких двигателях может использоваться бензин, дизель или газ. Двигатели внутреннего сгорания компактны и обладают высоким КПД, благодаря чему широко используются в машиностроении.
Рассмотрим устройство наиболее распространённого четырёхтактного поршневого двигателя, работающего на смеси паров бензина и воздуха.
Рис. 2. Двигатель внутреннего сгорания в разрезе
На рисунке 2 представлен разрез поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3. При смещении поршня вверх или вниз приходит в движение шатун 4, соединённый с коленчатым валом. Неравномерность вращения сглаживается маховиком 8.
Топливо подаётся через канал 7, а подача регулируется впускным клапаном 1. Камера сгорания 6 может увеличиваться или уменьшаться в объёме в зависимости от положения поршня. Возгорание топлива происходит за счёт искры, которую даёт свеча зажигания 5. После сгорания горючей смеси открывается выпускной клапан 2 и выпускаются отработанные газы.
В цилиндре данного двигателя происходит периодическое сгорание горючей смеси, образованной из воздуха и паров бензина. Продукты сгорания расширяются и толкают поршень, совершая работу. Поршень приводит в движение коленчатый вал. Совершая работу, газы теряют часть внутренней энергии и охлаждаются. Затем цикл повторяется.
Каждый ход поршня называется тактом, крайние положения поршня — мёртвыми точками. Один рабочий цикл состоит из 4 тактов, поэтому двигатели называются четырёхтактными.
Цикл начинается с того, что поршень из верхней мёртвой точки движется вниз — это первый такт (рис. 3, а). В этот момент открывается впускной клапан, в камеру сгорания поступает топливо и воздух, так как для возгорания необходимо наличие кислорода. Клапан закрывается в тот момент, когда поршень достигает нижней мёртвой точки, начинается второй такт.
Во время второго такта поршень движется вверх, сжимая топливо, оба клапана в этот момент закрыты. При сжатии смесь нагревается до 300–500 °С (рис. 3, б). Как только поршень оказывается в крайнем верхнем положении, начинается третий такт.
Рис. 3. Такты работы двигателя внутреннего сгорания
В начале третьего такта в камере сгорания находится сильно сжатое топливо, в этот момент проскакивает искра от свечи зажигания. Горючая смесь сгорает за несколько миллисекунд, температура в камере сгорания возрастает до 2 000 °С, резко увеличивается давление газов в камере. Продукты сгорания создают большое давление на поршень, в результате чего он движется вниз (рис. 3, в).
Именно во время третьего такта происходит преобразование внутренней энергии газов в механическую работу, поэтому третий такт называется рабочим ходом.
Так как продукты сгорания совершили механическую работу, их внутренняя энергия уменьшается — газы охлаждаются до 600–1000 °С. Когда поршень достигает нижней мёртвой точки, начинается четвёртый такт.
В начале четвёртого такта открывается выпускной клапан — маховик, с которым соединён шатун, — продолжает движение по инерции — шатун приводит в движение поршень, который поднимается вверх, выталкивая из камеры сгорания отработанные газы (рис. 3, г).
На каждый ход поршня приходится пол-оборота коленчатого вала, поэтому за один полный цикл работы коленчатый вал совершает два оборота.
Цикл работы двигателя внутреннего сгорания состоит из 4 тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
Газ совершает положительную работу только во время рабочего хода.
В автомобилях обычно устанавливаются четырёхцилиндровые двигатели внутреннего сгорания (рис. 4).
Рис. 4. Четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания
Работа цилиндров согласована таким образом, что в каждом из них поочередно происходит сгорание горючей смеси. Таким образом, коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней и двигатель работает более равномерно.
Двигатели внутреннего сгорания используются не только в автомобилестроении, их также применяют при производстве самолётов, теплоходов, тракторов и другой техники.
В 1897 г. немецким инженером по имени Дизель Рудольф (1858–1913) был создан первый дизельный двигатель. Принципиальное отличие такого двигателя состоит в том, что топливо воспламеняется не от искры, которую даёт свеча зажигания, а благодаря сильному сжатию.
В дизельном двигателе сначала сжимается чистый воздух, температура которого при сжатии возрастает до 600–650 °С. Затем к сжатому воздуху под высоким давлением подаётся топливо, которое воспламеняется от контакта с горячим воздухом. Дизельные двигатели работают более плавно и обеспечивают более полное сгорание топлива.
Итоги
- Тепловые двигатели — это механизмы, преобразующие тепловую энергию топлива в механическую.
- Цикл работы двигателя внутреннего сгорания состоит из 4 тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.
- Газ совершает положительную работу только во время рабочего хода.
Контрольные вопросы
1. Что такое тепловой двигатель?
2. Пользуясь рисунком 2, перечислите основные части, из которых состоит двигатель внутреннего сгорания.
3. Из каких тактов состоит цикл работы двигателя внутреннего сгорания?
