Тепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.
Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.
Виды тепловых двигателей
Тепловые двигатели внешнего сгорания:
1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.
2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.
Тепловые двигатели внутреннего сгорания:
1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.
2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.
3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).
И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.
fb.ru
Немного грамоты:
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическаяэнергиятоплива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.
Схема работы четырехтактного цилиндра двигателя, цикл Отто : 1. впуск 2. сжатие 3. рабочий ход 4. выпуск
Основными типами ДВС являются:
Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. По типу используемого топлива делятся на:
Бензиновые — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
Дизельные — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере.
Газовые — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:
— смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм.). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
— сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
—генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твердого топлива используются — уголь, торф, древесина
Газодизельные — основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.
Роторно-поршневые — за счёт вращения в камере сгорания многогранного ротора динамически формируются объёмы, в которых происходит обычный цикл ДВС.
Газотурбинные двигатели — энергия расширяющихся продуктов горения передаётся на лопатки газовой турбины.
ДВС с впрыском воды .
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув).
Экологические последствия работы тепловых двигателей:
Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:
Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.
Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей, использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов.
Вопреки постулату:
Эксперты подсчитали, если увеличить КПД всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС) хотя бы на один процент, мировая экономика выиграет более триллиона долларов! Но законы классической термодинамики, сформулированные еще два века назад, определили потолок для коэффициента полезного действия тепловых машин. Во всем «виноват» французский военный инженер Сади Карно, который вывел эталон определения КПД для тепловых двигателей. Только часть хаотической энергии тепла можно перевести в работу. И, как теплотехники ни старались, но выйти за пределы железной формулы никому не удавалось. КПД тепловых машин, в частности ДВС, на сегодняшний день не превышает 50%.
Однако девять лет назад казахстанский физик подверг обструкции незыблемый фундамент термодинамики. Ильдар Ибрагимов, не стесняясь маститых академиков, заявил на международной конференции, что классическая термодинамика — частный случай его теории, анизотропной термодинамики. Понятие это пока не распространено в физике. Продемонстрировать теорию можно на примере камеры сгорания ДВС. В ней движение молекул хаотично, часть частиц воздействует на поршень, совершая полезную работу, а другая часть беспорядочно бьется о стенки камеры, нагревая двигатель. И в принципе никто не пытался как-то изменить поведение молекул в двигателе, потому что существовал незыблемый постулат термодинамики: число степеней свободы — величина, заданная абсолютно, и ее менять нельзя. По мнению Ильдара, этот постулат на сегодняшний день устарел.
Суть нового эффекта:
В камере сгорания задается направление молекул на поршень — полезная работа увеличивается, хаотичное движение частиц уменьшается и, следовательно, уменьшается нагрев двигателя. Парадокс — эти элементарные выводы гораздо проще понять дилетанту, не имеющему к физике никакого отношения.
В конце 90−х опытное конструкторское бюро совместно с Министерством обороны РК провело серию испытаний с ошеломляющими (эпитет на самом деле скромный) результатами.
Заключение:
Для любого автомобильного концерна результаты исследований выглядят фантастичными. Чтобы повысить КПД двигателя на доли процентов производители затрачивают миллиарды долларов. Классическая теория Карно оставляет единственную возможность для повышения КПД и мощности в двигателестроении — увеличивать температуру горения топлива. Но этот путь ограничен термостойкостью материалов, из которых изготавливают тепловые машины. Для незначительного увеличения КПД автопроизводителям приходится многократно усложнять систему охлаждения мотора. Керамические двигатели внутреннего сгорания большого эффекта не дали — слишком дорогой материал. Казахстанский физик изменил лишь форму камеры сгорания, исходя из расчетов на основе новой термодинамической теории.
Ученые к простым революционным выводам относятся иначе — кому охота переписывать всю физику и пересматривать свои взгляды на законы материи?
www.ronl.ru
Реферат
по физике
Тема:
Четырехтактные двигатели
внутреннего сгорания.
Выполнил:
Ученик 9 «а» класса
Давыдов Святослав
Руководитель:
Учитель физики
Липчанская Екатерина Игоревна
г. Москва
2005 год
План:
1) Вступление.
2) Прогресс ДВС.
3) Разнообразие применения ДВС.
4) Классификация.
5) Принцип действия поршневого ДВС.
6) Внутреннее и внешнее смесеобразование.
7) Рабочий цикл четырехтактного ДВС.
8) Определение основных размеров двигателей.
9) Вывод.
Вступление
Я выбрал этот проект, потому что я с детства интересуюсь автомобилями, и эта тема для меня актуальна. При помощи этого проекта, я смогу больше узнать об автомобильных двигателях.
Прогресс ДВС
Область применения двигателей обширна. Большие объёмы применения приходятся на тракторостроение, ежегодно возрастает применение двигателей в автомобилестроении. В России около 50% локомотивов ж.-д. транспорта составляют тепловозы, т. е. локомотивы с двигателями, в США большинство локомотивов - тепловозы. В речном флоте теплоходы с двигателями и дизельэлектроходы практически вытеснили пароходы. Двигателями оборудуют самоходную военную технику (танки и ракетные установки). Широко применяют двигатели в качестве передвижных и стационарных энергетических установок в районах, удалённых от линий электропередач.
Совершенствование двигателей осуществляется путём повышения удельной мощности, частоты вращения, надёжности и долговечности, расширения ассортимента применяемых топлив (многотопливные двигатели).
Конструкции двигателей многообразны. Так, в России на маневровых тепловозах и судах применяют V-образные 12-цилиндровые двигатели с водяным охлаждением и газотурбинным наддувом. В качестве основных тепловозных двигателей используются вертикальные рядные 2-тактные двигатели с прямоточной продувкой. Наибольших размеров достигают судовые тихоходные двигатели: например, 2-тактный рядный с клапанно-щелевой продувкой фирмы "Бурмейстер ог Вайн" (Дания) имеет диаметр цилиндра 840 мм, ход поршня 1800 мм, массу 885 т, высоту 12,1 м. Судовые двигатели часто делают крейцкопфного типа. Двигатели иногда выполняют без коленчатых валов (свободнопоршневой генератор газа). Реже применяют W-образные и Х-образные двигатели, т. е. вместо 2 блоков цилиндров, как у V-образного, эти двигатели имеют 3 или 4 блока, а также двигатели звёздообразные с расположением цилиндров лучами и даже многозвёздные (блоки звёзд) до 42 цилиндров и более.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) представляет собой тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.
Первый практически пригодный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьенна Ленуаром (1860г). В 1876 году немецкий изобретатель Н. Отто построил более совершенный 4-тактный газовый ДВС. По сравнению с паромашинной установкой ДВС принципиально более прост, т. к. устранено одно звено энергетического преобразования - парокотельный агрегат. Это усовершенствование обусловило большую компактность ДВС, меньшую массу на единицу мощности, более высокую экономичность, но для него потребовалось топливо лучшего качества (газ, нефть).
Вокруг вопроса о том, кому принадлежит приоритет создания первого теплового двигателя, долго кипели страстные споры. Эти споры продолжаются и сейчас. Каждое изобретение имеет своих авторов, но включает опыт целого ряда предшествующих открытий и разработок. В этом деле были и фундаментальные изобретения. Но, как не известно, кто придумал колесо, так и неизвестно кто придумал поршень.
Если вода в котле паровой машины подогревалась извне, а получавшийся пар толкал поршень, то в двигателе французского изобретателя Ленуара поршень двигала энергия, выделявшаяся непосредственно при сгорании топлива. Это была революционная новинка - двигатель внутреннего сгорания, которому в будущем суждено было вытеснить громоздкие и куда менее эффективные паровые машины. Правда, одноцилиндровый, работавший на смеси светильного газа с воздухом, двигатель Ленуара был еще слабоват. Для его доработки и приведения к современному виду понадобилось еще примерно четверть века. Особая заслуга в этом принадлежит Отто и французу А. Бо де Роша.
В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В 1897 нем. инженер Р. Дизель, работая над повышением эффективности ДВС, предложил двигатель с воспламенением от сжатия. Усовершенствование этого ДВС на заводе Л. Нобеля в Петербурге ("Русский дизель") в 1898-99 позволило применить в качестве топлива нефть. В результате этого ДВС становится наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем. В 1901 в США был разработан первый трактор с ДВС. Дальнейшее развитие автомобильных ДВС позволило братьям О. и У. Райт построить первый самолёт с ДВС, начавший свои полёты в 1903. В том же 1903 русские инженеры установили ДВС на судне "Вандал", создав первый теплоход. В 1924 году по проекту Я. М. Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.
Разнообразие применения ДВС:
1. Отбойный молоток , механический ручной инструмент ударного действия для отделения от массива некрепких горных пород, разрыхления мёрзлых грунтов, разборки бетонных фундаментов, асфальтовых и бетонных покрытий и т.п.
Исполнительный орган отбойного молотка - пика, долото или лопата в зависимости от вида выполняемых работ и характеристики разрушаемого массива. Боёк, перемещающийся в корпусе отбойного молотка с частотой 1000-1500 ударов в 1 мин, наносит удары по хвостовой части инструмента, энергия этих ударов используется для полезной работы. Отбойные молотки бывают пневматическими, электрическими и бензиновыми (с приводом от бензинового двигатель внутреннего сгорания). Двигатель внутреннего сгорания и топливные баки обычно встроены в корпус молотка. В связи с малыми габаритами и массой при значительной мощности, простоте конструкции и высокой надёжности распространение получили пневматические отбойные молотки. Электрические и бензиновые отбойные молотки отбойные молотки почти не применяются из-за большой массы и малой надёжности.
2. Подъёмный кран , грузоподъёмная машина циклического действия с возвратно-поступательным движением грузозахватного органа; служит для подъёма и перемещения грузов. Цикл работы подъёмного крана состоит из захвата груза, рабочего хода для перемещения груза и разгрузки, холостого хода для возврата порожнего грузозахватного устройства к месту приёма груза. Движения подъёмного крана могут быть как рабочими, так и установочными для периодического изменения положения крана, стрелы и т.п. Основная характеристика подъёмного крана - грузоподъёмность, под которой понимают наибольшую массу поднимаемого груза, причём в случае сменных грузозахватных устройств их масса включается в общую грузоподъёмность.
Историческая справка. Простейшие подъёмный краны, как и большинство грузоподъёмных машин, до конца 18 в. изготовлялись из деревянных деталей и имели ручной привод. К началу 19 в. ответственные, быстро изнашивающиеся детали (оси, колёса, захваты) стали делать металлическими. В 20-х гг. 19 в. появились первые цельнометаллические подъёмные краны сначала с ручным, а в 30-е гг. - с механическим приводом.
Первый паровой подъёмный кран создан в Великобритании в 1830, гидравлический - там же в 1847. Двигатель внутреннего сгорания был использован в 1895, а электрический двигатель в 1880-85 почти одновременно в США и Германии. Это были мостовые краны с одномоторным приводом. В 1890 созданы подъёмные краны с многомоторным индивидуальным приводом в США и Германии.
Изготовление подъёмного крана современного типа в России началось в конце 19 в. (Путиловский, Брянский, Краматорский, Николаевский и др. заводы). После Октябрьской революции 1917 г в СССР краностроение превратилось в крупную отрасль тяжёлого машиностроения со специализированными заводами.
3. Автомобильный двигатель. Для автомобилей могут быть применены тепловые (внутреннего сгорания и паровые) и электрические двигатели. Подавляющее большинство Автомобильных двигателей являются поршневыми двигателями внутреннего сгорания (ПДВС). По рабочему процессу автомобильные ПДВС делятся на четырёх- и двухтактные, а по способу воспламенения горючего - на двигатели с искровым воспламенением (называемые также карбюраторными или бензиновыми) и с самовоспламенением в воздухе высокой температуры, сжимаемом в цилиндрах двигателя (дизели). В цилиндры карбюраторных ПДВС поступает горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, приготовляемая в карбюраторе. Существуют также ПДВС, которые не имеют карбюратора и снабжены устройством для непосредственного впрыскивания топлива во впускной трубопровод или в цилиндр двигателя. По характеру протекания рабочего цикла эти двигатели не отличаются от карбюраторных. У дизелей топливо с воздухом смешивается внутри цилиндров, в которые дизельное топливо впрыскивается в распылённом виде через форсунки насосом высокого давления. Автомобильные двигатели различаются по числу и расположению цилиндров (рядные, V-образные и др.), расположению клапанов (верхнее и нижнее), рабочему объёму (литражу) цилиндров, типу охлаждения (жидкостное и воздушное), по назначению и т. п. Для современных легковых, а также малых и средних грузовых автомобилей применяются преимущественно четырёхтактные верхнеклапанные карбюраторные ПДВС с жидкостным охлаждением. Дизели, работающие на более дешёвом, чем бензин, топливе и превосходящие карбюраторные двигатели по топливной экономичности и долговечности (но уступающие им по простоте конструкции и первоначальной стоимости, литровой мощности, пусковым качествам, бездымности работы), используются преимущественно для тяжёлых грузовых автомобилей и многоместных автобусов. Однако по таким важным параметрам, как удельная масса (кг/кВт или кг/л∙с), компактность, бесшумность, современные быстроходные дизели вплотную приблизились к карбюраторным двигателям. В связи с этим благодаря повышению литровой мощности, дизели в последнем десятилетии стали применяться также на лёгких грузовых автомобилях и даже на легковых автомобилях.
mirznanii.com
Доклад подготовил: ученик ___ класса школы № ___ Ф.И.О.
г. Нижний Новгород 2002 год.
Один из самых распространенных двигателей – двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные и т.д., во всём мире насчитывается сотни миллионы таких двигателей. Существует два вида двигателей внутреннего сгорания – бензиновые и дизельные. Бензиновые ДВС работают на жидком горючем (бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах). Проектируют двигатели где горючим будет водород. Основная часть ДВС – один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Внутри цилиндра движется поршень – металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем – пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт движения поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов – впускной, подаётся горючая смесь, через другой – выпускной, удаляются продукты сгорания. В верхней части цилиндра помещается свеча – приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Наибольшее распространение получил четырёхтактный двигатель. Рассмотрим его работу. 1-ый такт – впуск (всасывание). Поршень, двигаясь вниз, засасывает горючую смесь. 2-ой такт – сжатие. Впускной клапан закрывается, поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-ий такт – рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения, смесь поджигается электрической искрой свечи, сила давления газов раскалённых продуктов горения – толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Произведя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-ый такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу. Из четырёх тактов двигателя только один, третий, - рабочий. Поэтому двигатель снабжают моховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счёт которой коленчатый вал вращается в течении остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации. Дизельные – другой тип двигателей внутреннего сгорания. Воспламенение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно, сжатый поршнем и, следовательно, нагретый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового топлива внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива. Первый дизельный двигатель был собран в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени. Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке видно, что у него есть цилиндр, поршень клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан – форсунка. Назначение её - в определённые фазы вращения коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны , топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя. Пусть начальным положением будет верхняя мёртвая точка. При движении поршня вниз (1-ый такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжении всего 2-го такта остаётся закрытым. В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2-2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент подхода поршня в верхнюю мёртвую точку начинается подача топлива из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелко распыленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (3-ем такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжении некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остаётся постоянным. Когда поршень возвращается в нижнюю мёртвую точку, открывается впускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-ый такт, поршень возвращается в верхнюю мёртвую точку. Далее цикл повторяется. Дизель относится к более экономичным тепловым двигателям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и собраны двигатели мощностью до 30 000 КВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках (в последнее время стали выпускать легковые машины на дизелях), передвижных электростанциях.
Список литературы:
Энциклопедический словарь юного техника 1988 г. Б.В. Зубков, С.В. Чумаков.
www.sesiya.ru
Немного грамоты:
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическаяэнергиятоплива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.
Несмотря на то, что ДВС являются несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.
Схема работы четырехтактного цилиндра двигателя, цикл Отто : 1. впуск 2. сжатие 3. рабочий ход 4. выпуск
Основными типами ДВС являются:
Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. По типу используемого топлива делятся на:
Бензиновые — смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе, или во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), или непосредственно в цилиндре при помощи распыляющих форсунок, далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
Дизельные — специальное дизельное топливо впрыскивается в цилиндр под высоким давлением. Горючая смесь образуется (и сразу же сгорает) непосредственно в цилиндре по мере впрыска порции топлива. Возгорание смеси происходит под действием высокого давления и, как следствие, температуры в камере.
Газовые — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:
— смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм.). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
— сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
—генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твердого топлива используются — уголь, торф, древесина
Газодизельные — основная порция топлива приготавливается, как в одной из разновидностей газовых двигателей, но зажигается не электрической свечой, а запальной порцией дизтоплива, впрыскиваемого в цилиндр аналогично дизельному двигателю.
Роторно-поршневые — за счёт вращения в камере сгорания многогранного ротора динамически формируются объёмы, в которых происходит обычный цикл ДВС.
Газотурбинные двигатели — энергия расширяющихся продуктов горения передаётся на лопатки газовой турбины.
ДВС с впрыском воды .
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания — двигатель внутреннего сгорания, представляющий собой комбинацию из поршневой (роторно-поршневой) и лопаточной машины (турбина, компрессор), в котором в осуществлении рабочего процесса участвуют обе машины. Примером комбинированного ДВС служит поршневой двигатель с газотурбинным наддувом (турбонаддув).
Экологические последствия работы тепловых двигателей:
Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:
Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.
Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей, использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов.
Вопреки постулату:
Эксперты подсчитали, если увеличить КПД всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС) хотя бы на один процент, мировая экономика выиграет более триллиона долларов! Но законы классической термодинамики, сформулированные еще два века назад, определили потолок для коэффициента полезного действия тепловых машин. Во всем «виноват» французский военный инженер Сади Карно, который вывел эталон определения КПД для тепловых двигателей. Только часть хаотической энергии тепла можно перевести в работу. И, как теплотехники ни старались, но выйти за пределы железной формулы никому не удавалось. КПД тепловых машин, в частности ДВС, на сегодняшний день не превышает 50%.
Однако девять лет назад казахстанский физик подверг обструкции незыблемый фундамент термодинамики. Ильдар Ибрагимов, не стесняясь маститых академиков, заявил на международной конференции, что классическая термодинамика — частный случай его теории, анизотропной термодинамики. Понятие это пока не распространено в физике. Продемонстрировать теорию можно на примере камеры сгорания ДВС. В ней движение молекул хаотично, часть частиц воздействует на поршень, совершая полезную работу, а другая часть беспорядочно бьется о стенки камеры, нагревая двигатель. И в принципе никто не пытался как-то изменить поведение молекул в двигателе, потому что существовал незыблемый постулат термодинамики: число степеней свободы — величина, заданная абсолютно, и ее менять нельзя. По мнению Ильдара, этот постулат на сегодняшний день устарел.
Суть нового эффекта:
В камере сгорания задается направление молекул на поршень — полезная работа увеличивается, хаотичное движение частиц уменьшается и, следовательно, уменьшается нагрев двигателя. Парадокс — эти элементарные выводы гораздо проще понять дилетанту, не имеющему к физике никакого отношения.
В конце 90−х опытное конструкторское бюро совместно с Министерством обороны РК провело серию испытаний с ошеломляющими (эпитет на самом деле скромный) результатами.
Заключение:
Для любого автомобильного концерна результаты исследований выглядят фантастичными. Чтобы повысить КПД двигателя на доли процентов производители затрачивают миллиарды долларов. Классическая теория Карно оставляет единственную возможность для повышения КПД и мощности в двигателестроении — увеличивать температуру горения топлива. Но этот путь ограничен термостойкостью материалов, из которых изготавливают тепловые машины. Для незначительного увеличения КПД автопроизводителям приходится многократно усложнять систему охлаждения мотора. Керамические двигатели внутреннего сгорания большого эффекта не дали — слишком дорогой материал. Казахстанский физик изменил лишь форму камеры сгорания, исходя из расчетов на основе новой термодинамической теории.
Ученые к простым революционным выводам относятся иначе — кому охота переписывать всю физику и пересматривать свои взгляды на законы материи?
www.ronl.ru
ШКОЛА №9 С УГЛУБЛЁННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ АНГЛИЙСКОГО ЯЗЫКА Реферат по физике на тему: ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПОДГОТОВИЛИ: УЧЕНИКИ КЛАССА ПОД РУКОВОДСТВОМ: Казань 2004. Внутренней энергией обладают все тела – земля, камни, облака. Однако извлечь их внутреннюю энергию довольно трудно, а порой и невозможно. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь некоторых, образно говоря, "горючих" и "горячих" тел. К ним относятся: нефть, уголь, горячие источники вблизи вулканов, теплые морские течения и т.п. Рассмотрим один из примеров использования превращения внутренней энергии названных тел в механическую энергию. Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. По роду топлива Двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом - на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Существуют: жидкостные и газовые, с внешним (карбюраторные двигатели) и внутренним (дизели) смесеобразованием, поршневые и турбинные, реактивные и комбинированные Двигатели внутреннего сгорания. В Двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры. Мощность, экономичность и другие характеристики двигателей постоянно улучшаются, основной принцип действия остаётся неизменным. В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу. Рабочим циклом называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре. В четырехтактном двигателе рабочий цикл совершается за четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск, или, иначе говоря, за два оборота коленчатого вала. Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. Ход поршня S - путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой. Мертвыми точками называются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю. Верхняя мертвая точка сокращенно обозначается в.м.т., нижняя мертвая точка – н.м.т. Рабочий объем цилиндра Vр - объем, освобождаемый поршнем при движении от в.м.т. до н.м.т. Литраж – рабочий объем всех цилиндров двигателя. Объем камеры сгорания Vc - объем, образующийся над поршнем, когда последний находится в в.м.т. Полный объем цилиндра Vп - это его рабочий объем плюс объем камеры сгорания. Индикаторная мощность – мощность, развиваемая расширяющимися газами при сгорании топлива в цилиндрах двигателя (без учета потерь). Эффективная мощность – мощность, получаемая на маховике коленчатого вала. Она на 10 – 15% меньше индикаторной из-за потерь на трение в двигателе и приведение в движение его вспомогательных механизмов и приборов. Литровой мощностью называется наибольшая эффективная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (литража) цилиндрического двигателя. Рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. Первый такт – впуск. При движении поршня от в.м.т. (вниз) вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение, под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь. Второй такт – сжатие. Поршень движется вверх, при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси.Смесь сжимается до давления 0,8-2 Мн./м2 (8-20 кгс/см2) температура смеси в конце сжатия составляет 200-400°C. Третий такт – рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001 – 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем определенный крутящий момент. Таким образом, во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Четвертый такт – выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан. Из рабочего цикла двигателя видно, что полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе, и часть ее отдает на совершение вспомогательных тактов. Существует также двухтактный Двигатель внутреннего сгорания. Рабочий цикл двухтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала . Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам четырёхтактного Двигателя внутреннего сгорания. При равных условиях двухтактный двигатель должен быть в два раза более мощным, чем четырёхтактный, т. к. рабочий ход в двухтактном двигателе происходит в два раза чаще, однако на практике мощность двухтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания часто не только не превышает мощность четырёхтактного с тем же диаметром цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не производит работы; продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие воздуха в продувочном насосе; очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в четырёхтактном Двигателе внутреннего сгорания. В целях получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала двигатели делают многоцилиндровые. Так, в четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода. Рабочий цикл карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000-7000 об/мин). Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более. Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на обеднённой смеси (18 : 1) или обогащенной смеси (12 : 1). Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания. Регулирование мощности карбюраторного Д. в. с. осуществляется изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют сравнительно небольшие габариты и массу [ 1-4 кг/квт ( 0,75-3 кг/л. с.)]. Применение низких степеней сжатия обусловливает умеренные давления в конце сгорания, вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в дизелях. При увеличении диаметра цилиндра карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания возрастает склонность двигателя к детонации, поэтому карбюраторные Двигатели не делают с большими диаметрами цилиндров (как правило, не более 150 мм). Мотоциклетные карбюраторные двухтактные и четырёхтактные Двигатели внутреннего сгорания имеют мощность от 3,5 до 45 кВт (от 5 до 60 л. с.). Авиационные поршневые двигатели с непосредственным впрыском бензина и искровым зажиганием развивают до 1100 кВт (1500 л. с.) и более. Создали двигатель внутреннего сгорания в середине 19 века, когда на транспорте безраздельно царствовала паровая машина. В то время для освещения улиц стали применять светильный газ. Свойство нового топлива натолкнула изобретателей на мысль, что поршень в цилиндре может перемещать не пар, а газовая смесь. На вопрос о том, как воспламенить эту смесь помогло ответить ещё одно техническое достижение – индукционная катушка получения электрической искры. Первый двигатель, работавший светильном газе, изобрёл в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял всего 0.04, т.е. Лишь 4% теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96% уходили с отработанными газами. Нагревали корпус и т.п. Надёжно работали свечи выпускной золотник, для охлаждения двигателя требовалось очень много воды. В 1862 г. Французский инженер Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо Де Роша не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. Служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832-1891). Над его конструкцией изобретатель напряженно трудился и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин. В течение нескольких лет Бенцу и Даймлеру пришлось заниматься усовершенствованием двигателя. В результате при поддержки состоятельных людей Карл Бенц даже построил небольшой завод по производству газовых двигателей. В поисках более эффективных, чем светильный газ, автомобильного топлива Готлиб Даймлер совершив 1881г. Поездку на юг России, где ознакомился с процессами переработки нефти. Один из её продуктов, лёгкий бензин, оказался как раз таким источником энергии, который искал изобретатель: бензин хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает, удобен для транспортировки. В 1883г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать и на газе, и на бензине; все последующие автомобильные двигатели Даймлера были рассчитаны только на жидкое топливо. Переход от газа к бензину позволил в несколько раз увеличить обороты коленчатого вала, доведя его до 900об./мин ; почти вдвое возросла удельная мощность двигателя (т.е. приходящаяся на 1 л суммарного-рабочего-объёма его цилиндров). Работа первопроходцев всегда требует энтузиазма и смелости. Награда за их настойчивость становится благодарность потомков. Первая самоходная коляска Бенца с бензиновым мотором была трехколесной. Даймлур начинал с двухколёсного «моторного велосипеда». Изобретения Даймлера и Бенца соотечественники встретили холодно. Благопристойных горожан беспокоил треск бензиновых двигателей; «знатоки» утверждали к тому же, что мотор «безжалостного экипажа» непременно взорвётся. В итоге Даймлеру пришлось испытывать свой автомобиль по ночам на загородных дорогах. А Бенца полиция обязала вперед сообщать свой маршрут места остановок, чтобы привести в готовность пожарные команды. Для того чтобы продемонстрировать безопасность поездок на автомобиле, фрау Берта Бенц тайком от мужа совершила вместе с сыновьями дальний(180км) автомобильный пробег. В этой поездке смелой автомобилистке приходилось прочищать трубу подачи топлива шляпной булавкой и изолировать электрический провод резиновой чулочной подвязкой. Несмотря на явные преимущества двигателя внутреннего сгорания, до конца 19 века паровые и электрические считались более перспективными, чем газовые и бензиновые. В США, например, из выпущенных к 1899г. механических экипажей 40% составлял «паромобили», 38%-«электромобили» и лишь 22%-«бензиномобили». Двигатели внутреннего сгорания обладают нетрадиционной организацией рабочего процесса и сочетают преимущества бензиновых двигателей (высокая удельная мощность, малый удельный вес, высокая частота вращения) и дизелей (высокая экономичность). Высокие удельные параметры такого двигателя с искровым зажиганием обеспечиваются реализацией оптимальных параметров рабочего процесса, к которым относятся: степень сжатия 11-13 и количественно- качественное регулирование мощности, допускающее повышение коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках. Карбюраторный двигатель. Этот двигатель – одна из разновидностей двигателей внутреннего сгорания. Это название подчеркивает, что, во-первых, сгорание топлива происходит внутри двигателя, а во-вторых, существенной его деталью является карбюратор – устройство для смешивания бензина с воздухом в нужных пропорциях. Карбюраторные Двигатели внутреннего сгорания представляют собой сложный агрегат, включающий ряд узлов и систем. Остов двигателя - группа неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей. Механизм движения - группа движущихся деталей, воспринимающих давление газов в цилиндрах и преобразующих это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм движения включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик). Механизм газораспределения служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов. Эти функции выполняют кулачковый (распределительный) вал, приводимый в движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла, открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами. Система смазки - система агрегатов и каналов, подводящих смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне, подаётся насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный канал в блок-картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в подшипниках вращающихся деталей. Часть масла отводится по параллельным каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон. Система охлаждения может быть жидкостной и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. п.), насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах). Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра, трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы. Система зажигания служит для образования в камере сгорания искры, воспламеняющей рабочую смесь. В систему зажигания входят источники тока - генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. В систему включается распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение (12-20 кВ). В то время, когда Двигатели внутреннего сгорания не имели электрического зажигания, применялись запальные калоризаторы. Система пуска состоит из электрического стартёра, шестерён передачи от стартёра к маховику, источника тока (аккумулятора) и элементов дистанционного управления. В функции системы входит вращение вала двигателя для пуска. Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов, воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске. Примером карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания может служить двигатель ГАЗ-21 "Волга". Это четырёхцилиндровый четырёхтактный двигатель, развивающий мощность 55 кВт (75 л.с.) при 4000 об/мин и степени сжатия 6,7. Удельный расход топлива на наиболее экономичном режиме составляет 290 г; (кВт.ч). Наибольшая мощность четырёхтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания 600 кВт (800 л.с.) Дизельный двигатель. В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ, подтверждающий изобретение) на двигатель, впоследствии названный его фамилией. Рудольф Дизель (18 марта 1858, Париж — 29 сентября 1913, пролив Ла-Манш) Родился в немецкой семье, эмигрировавшей во Францию. В 1870 из-за начавшейся Франко-прусской войны всю семью выслали в Англию. Для получения образования Рудольфа родители отправили в Германию, сначала в Аугсбурге, а затем в Мюнхене в Высшую техническую школу, которую он окончил с отличием. Большой удачей для него стало покровительство известного инженера Карла фон Линде, устроившего Дизеля в 1880 на работу в парижское отделение своей фирмы. Долгие годы Рудольф работал над созданием двигателя, в котором воздух должен сжимался таким образом, чтобы при соединении его с топливом создавалась бы необходимая для воспламенения температура. В 1890 Дизеля перевели в берлинское отделение фирмы. Здесь он представил расчеты и теоретическое обоснование своей идеи и в 1892 получил патент. В 1897 был продемонстрирован двигатель мощностью 25 л.с. Высокоэффективный двигатель заинтересовал фирму Круппа, машиностроительные заводы Аугсбурга и многих других. К Рудольфу Дизелю пришел коммерческий успех, но через некоторое время лицензионные отчисления (ройялти) прекратились из-за конструкторских просчетов, устраненных уже другими изобретателями. Рудольф Дизель погиб, видимо, во время крушения почтового парохода «Дрезден» в проливе Ла-Манш (по другой версии, покончил жизнь самоубийством из-за финансовых неудач). В цилиндры двигателя Дизеля попадает не смесь бензина и воздуха, как в карбюраторных двигателях, а только воздух. Поршень, сжимая этот воздух, совершает над ним работу и, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия воздуха возрастает. Подобно опыту с "воздушным огнивом" температура в цилиндре возрастает настолько, что впрыскиваемое туда топливо сразу же самовоспламеняется. Образующиеся при этом газы выталкивают поршень обратно, осуществляя рабочий ход. Следовательно, работа двигателя Дизеля также состоит из четырех тактов. Дизельные двигатели, или попросту, дизели, могут работать на менее качественном, а, значит, на более дешевом топливе, чем карбюраторные двигатели. Дизели также способны развивать большую мощность. Кроме того, КПД дизелей достигает 35-40 %, что заметно выше, чем КПД карбюраторных двигателей: 25-30 %. Газовые Двигатели работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Кроме того, могут быть использованы: газ, генерируемый в результате неполного сгорания твёрдого топлива, металлургические газы, канализационные газы и пр. Применяются как четырёхтактные, так и двухтактные газовые Двигатели внутреннего сгорания. По принципу смесеобразования и воспламенения газовые двигатели разделяются на: Двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, в которых рабочий процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя; Двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и зажиганием струей жидкого топлива, воспламеняющегося от сжатия; Двигатели внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта Экономичность работы Двигателей внутреннего сгорания характеризуется эффективным КПД, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного на получение этой работы. Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных Двигателей внутреннего сгорания около 44%. Основным преимуществом Двигателей внутреннего сгорания, так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Двигателями внутреннего сгорания, могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Двигателей внутреннего сгорания на транспортных средствах (автомобилях, строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.). Совершенствование Двигателей внутреннего сгорания идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций . Можно наметить также такие тенденции в развитии Двигателей внутреннего сгорания, как постепенное замещение карбюраторных Двигателей дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей, увеличение частоты вращения и другими улучшениями в конструкции. Над совершенствование двигателя внутреннего сгорания работали и продолжают работать многие учёные, инженеры, испытатели. Вот некоторые интересные новости развития Двигателей внутреннего сгорания. Министр энергетики США Спенсер Абрахам представил топ-менеджерам американских автоконцернов доклад о "национальном водородном энергетическом графике". Авторы программы предлагают постепенно развертывать производство водородных двигателей вместо традиционных двигателей внутреннего сгорания. По их замыслу, это позволило бы снизить зависимость США от импорта нефти. Около года назад Министерство энергетики США вместе с ведущими американскими автоконцернами и нефтяными компаниями начало реализовывать программу по разработке и производству автомобильных двигателей на основе водородных топливных ячеек. В январе 2002 г. администрация Джорджа Буша отказалась от программы разработки сверхэкономичных автомобилей, оснащенных бензиновыми двигателями (ее начали реализовывать еще при президенте Клинтоне). В штаб-квартире Ford Motor состоялась презентация "национального водородного энергетического графика". По словам министра энергетики США Спенсера Абрахама, выступившего с докладом перед представителями автоконцернов и нефтяных компаний, внедрение новой технологии существенно снизит зависимость страны от импорта нефти с Ближнего Востока, а также решит проблему парниковых газов, вызывающих глобальное потепление климата. Для выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках используется продукт химической реакции водорода и кислорода. При этом, если применяется абсолютно чистый водород, выхлоп автомобиля состоит из водяного пара. Однако Абрахам вынужден был признать, что новая технология вряд ли получит широкое распространение до конца десятилетия. "Разработка автомобилей будущего (с двигателями) на топливных ячейках сопряжена с многочисленными техническими трудностями", - заявил Абрахам. Одна из главных проблем, по его словам, - как найти безопасный способ хранения водорода в автомобиле. Другая трудность - в том, как организовать сеть доставки водорода, которая функционировала бы по образцу ныне действующей системы поставок бензина на АЗС. Наконец, по словам Абрахама, необходимо найти экономичный способ промышленного производства водорода. Тем не менее еще в мае General Motors представила грузовой пикап, который, по словам представителей компании, стал первым в мире автомобилем с двигателем на топливных ячейках. Он производит электричество из водорода, экстрагированного из бензина. Пикап оборудован топливным процессором, который путем ряда химических реакций превращает бензин с низким содержанием серы в топливо, пригодное для использования в топливных ячейках. Открытие Двигателя внутреннего сгорания оказало большое влияние на развитие многих отраслей промышленности, сельского хозяйства и науки. Список литературы.
|
works.tarefer.ru
В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.
Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры. Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.
При расширении газу передается количество теплоты Q1. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).
Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то есть представляет собой последовательность повторяющихся одинаковых процессов. Поэтому после того, как газ расширился, совершив работу, его надо сжать до прежнего объема, чтобы он снова смог совершить работу при следующем расширении.
Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении. А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q2.
График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа Aвнеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).
Полезная работа Aпол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа Aг и работы внешних сил Aвнеш:
Aпол = Aг – Aвнеш. (1)
Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.
? 1. Докажите, что
Aпол = Q1 – Q2. (2)
Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.
Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).
Эффективность теплового двигателя определяется отношением полезной работы двигателя к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
Коэффициентом полезного действия η теплового двигателя называют выраженное в процентах отношение полезной работы Aпол, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q1, полученной от нагревателя:
η = (Aпол/Q1) * 100%. (3)
Из соотношения Aпол = Q1 – Q2 следует, что
η = ((Q1 – Q2)/Q1) * 100%. (4)
Поскольку переданное холодильнику количество теплоты Q2 > 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.
? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?
Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что
максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя
ηmax = ((T1 – T2)/T1) * 100%. (5)
В этой формуле T1 – температура нагревателя, а T2 – температура холодильника.
Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T1 нагревателя и понижая температуру T2 холодильника. Какой способ более эффективен?
Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T2 не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь – повышать насколько возможно температуру T1 нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.
Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30–40 %.
? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?
Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a – b – c – d – a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).
Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.
? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.
Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a – b и b – c.
Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили,что это количество теплоты газ получил в процессе a – b – c.
Согласно первому закону термодинамики:
Q = Aг + ∆U, (6)
где Aг и ∆U – работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a – b – c.
? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a – b – c?Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).
Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):
U = (3/2)pV.
В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p0 * 2V0 = 4p0V0, а в состоянии a это произведение равно p0V0. Следовательно,
∆U = 3/2 (4p0V0 – p0V0) = 9/2 p0V0. (7)
? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл?Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).
Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.
? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл?Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).
Теперь можно найти КПД данного цикла.
? 8. Чему равен КПД данного цикла?Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5–7.
Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени – как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.
Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.
Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.
Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.
Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.
Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.
Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания – как груз на пружине.
Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону – от горячего тела к холодному.
Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.
Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса.)
Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.
Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.
В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении – от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами. Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере – не единственный результат всего процесса.
Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать?Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую. Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.
Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.
Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.
Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.
Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).
Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.
Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей – в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями. К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.
Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.
Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.
phscs.ru
