ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 29.05.14. Ред. рег. № 2025 The article has entered in publishing office 29.05.14. Ed. reg. No. 2025
УДК 621.43, 662.75, 662.76 DOI: 10.15518/ISJAEE (R). 1.20140601006
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Е.М. Иванникова1, В.Г. Систер1, В.Г. Чирков
'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023 Москва, Большая Семеновская ул., д. 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАСХН 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 05.06.14 Заключение совета экспертов: 10.06.14 Принято к публикации: 15.06.14
Рассмотрены аспекты производства и применения различных видов альтернативного жидкого и газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обеспечивающих снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Проведена классификация альтернативных топлив с положительным экологическим эффектом в зависимости от агрегатного состояния, вида исходного сырья, присутствия в нем компонентов ископаемого происхождения, технологии приготовления. Проанализированы технические проблемы применения различных видов альтернативного топлива в бензиновых и дизельных ДВС. Выделены три основные группы альтернативных топлив: газообразные минеральные и биотоплива, жидкие смесевые биотоплива и синтетические жидкие биотоплива. Для различных видов топлива внутри каждой группы дана качественная оценка технико-экономических показателей, определяющих экологическую и продовольственную безопасность производства и применения, энергетическую эффективность полного цикла и рентабельность.
Показано, что среди используемых в широком масштабе топлив, обеспечивающих снижение выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании, газы ископаемого происхождения остаются на сегодняшний день единственной экономически оправданной альтернативой стандартному бензину и дизельному топливу.
В то же время специфика их применения требует дополнительных капитальных затрат, связанных с переоборудованием серийно выпускаемых ДВС. Этого недостатка лишены композитные минерально-органические биотоплива, производство которых не требует сложного энергоемкого оборудования, что в будущем может обеспечить вполне приемлемый уровень рентабельности.
Проведенный анализ свидетельствует о наличии громадного нереализованного потенциала минимизации экологического давления на окружающую среду в виде природного газа и биотоплив, приготовленных на основе возобновляемого органического сырья. По экологической эффективности эти решения не уступают концепции электромобиля.
Ключевые слова: альтернативные топлива, биодизельное топливо, этанол, экологический эффект.
THE ALTERNATE FUELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
E.M. Ivannikova1, V.G. Sister1, V.G. Chirkov2
'Moscow University of Mechanical Engineering 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (GNU VIESH) 2, 1-st Veshnyakovskiy proezd, Moscow, 109456, Russia Tel.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]
Referred: 05.06.14 Expertise: 10.06.14 Accepted: 15.06.14
The issues of production and use of various alternative fluid fuels for internal combustion engines (ICE) providing the reduction of hazardous impact on the environment.
Alternative fuels having a positive environmental effect have been classified depending on their physical state, input raw-stock, presence of fossil components and preparation technology. Technical problems of various alternative fuels application in gasoline and diesel ICEs. Three groups of combustibles have been regarded: gaseous mineral and bio- fuels, liquid blends and synthesized liquid biofuels. Within each group, a qualitative estimation of technical-economical indicators that determine environmental and food provision safety, energy efficiency of the entire cycle and commercial expediency has been made.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
It has been shown that among widely used ICE fuels providing significant reduction of hazardous emissions into the atmosphere fossil gases remain the only economical alternative to standard ICE fuels today. At the same time, their use is associated with additional investments into ICE design modification.
This problem can be avoided with newly-developed composite mineral-organic biofuels that do not need complicated and energy-demanding equipment which may insure an acceptable commercialization level in the future.
The performed analysis shows that there exists an enormous potential of environmental situation improvement outside the electric car concept.
Keywords: alternative fuels, biodiesel, ethanol, environmental effects.
Как известно, современный транспорт использует для привода двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатели (ЭД). При этом отмечается все возрастающая активность ведущих автопроизводителей в области разработки электромобилей и гибридных моделей, в которых применены оба вида приводных агрегатов. Также в качестве общей тенденции следует отметить стремление занять ведущие позиции в отрасли на волне обеспокоенности мирового сообщества негативными последствиями развития автотранспорта, приводящими к ухудшению экологической ситуации. При этом основным фактором антропогенного воздействия на окружающую среду справедливо считается применение топлив, производимых в глобальных масштабах из компонентов ископаемого сырья, что ведет к нарушению баланса углекислого газа в атмосфере.
В то же время в течение нескольких десятилетий развиваются, хотя и с переменным успехом, другие направления, не выходящие за рамки традиционных
решений, использующих ДВС, позволяющие заметно снизить общие объемы выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу. К ним относится, например, частичный перевод транспортных средств на газообразное топливо. Целью настоящей работы является обзор возможных альтернативных вариантов применения различных видов топлива, производимых на основе ископаемых и возобновляемых материалов, в рамках традиционной концепции ДВС.
Общая схема, представленная на рисунке, отображает номенклатуру альтернативных топлив, предназначенных для использования в ДВС с целью уменьшения выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу транспортными средствами на основе ДВС. В левой части схемы показаны виды и компоненты моторного топлива, получаемые из ископаемого сырья, а в правой ее части -компоненты, являющиеся продуктами переработки возобновляемого органического сырья.
Альтернативные топлива для ДВС с положительным экологическим эффектом Alternative fuels with positive environmental effect for ICE
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Средняя часть содержит перечень альтернативных жидких и газообразных топлив, в том или ином объеме применяемых в качестве горючего для современных ДВС, установленных на транспортных средствах. Они подразделены на отдельные группы в зависимости от следующих признаков: агрегатное состояние; химический состав; наличие в сырье компонентов ископаемого происхождения.
Мы рассматриваем три группы: газообразные минеральные топлива и биотоплива, жидкие биотоплива, а также синтетические жидкие биотоплива. Последние выделены в отдельную группу ввиду того, что технология их приготовления включает в себя промежуточную стадию получения газообразных компонентов из твердого растительного сырья. Проанализируем состав, особенности применения, преимущества (прежде всего, экологические) и проблемы, связанные с применением альтернативных топ-лив каждой группы.
Группа газообразных топлив — самая представительная из трех. С одной стороны, в нее входят: природный газ, сжиженные углеводороды (СУВ), синтез-газ, получаемый путем газификации углеводородов (обычно угля), а также водород, который, в принципе, может быть произведен термохимическим способом из ископаемых углеводородов. С другой стороны, в эту группу включены газообразные продукты термохимической переработки возобновляемых органических компонентов (преимущественно растительного происхождения): генераторный газ, пиролизный газ и водород.
В перспективе особое место в этом направлении отводится водороду как «абсолютно чистому» топливу [1, 2]. В связи с этим следует заметить, что степень экологической «чистоты» любого топлива проявляется не только на стадии сжигания. Она также определяется конкретной технологией его приготовления, природой и способом подготовки и переработки исходного сырья. Это в полной мере относится и к водороду. Его экологическую эффективность можно считать достаточно высокой, если он производится из возобновляемых органических материалов, в то время как водород в составе синтез-газа, полученного из угля, не может считаться экологически чистым.
Анализируя современное состояние данного направления, можно сказать, что приход водородного топлива на транспорт серьезно осложнен отсутствием эффективных способов и достаточно компактных бортовых устройств для его хранения. Поэтому безраздельное превосходство в этом сегменте остается за сжиженным углеводородным топливом (пропан-бутановая смесь) и сжатым природным газом. Последний используется в гораздо более скромных масштабах по той же основной причине, что и водородное топливо. Теплотворная способность 1 л природного газа при атмосферном давлении составляет примерно 36 кДж/л. Исходя из этого, 50-литровый баллон со сжатым газом по запасу хода автомобиля
примерно соответствует бензобаку емкостью всего лишь 9-10 л. В принципе существует техническое решение, позволяющее многократно повысить удельную «энергетическую емкость» бортового контей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
СМИРНОВ И.В. — 2010 г.
ИПАТОВ А.А., КИРИЛЛОВ В.А., ЛЕЖНЕВ Л.Ю., ПАПКИН Б.А., ХРИПАЧ Н.А. — 2010 г.
xn--b1altabgdr.org
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 29.05.14. Ред. рег. № 2025 The article has entered in publishing office 29.05.14. Ed. reg. No. 2025
УДК 621.43, 662.75, 662.76 DOI: 10.15518/ISJAEE (R). 1.20140601006
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Е.М. Иванникова1, В.Г. Систер1, В.Г. Чирков
'Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) 107023 Москва, Большая Семеновская ул., д. 38 Тел.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства РАСХН 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2 Тел.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 05.06.14 Заключение совета экспертов: 10.06.14 Принято к публикации: 15.06.14
Рассмотрены аспекты производства и применения различных видов альтернативного жидкого и газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС), обеспечивающих снижение вредного воздействия на окружающую среду.
Проведена классификация альтернативных топлив с положительным экологическим эффектом в зависимости от агрегатного состояния, вида исходного сырья, присутствия в нем компонентов ископаемого происхождения, технологии приготовления. Проанализированы технические проблемы применения различных видов альтернативного топлива в бензиновых и дизельных ДВС. Выделены три основные группы альтернативных топлив: газообразные минеральные и биотоплива, жидкие смесевые биотоплива и синтетические жидкие биотоплива. Для различных видов топлива внутри каждой группы дана качественная оценка технико-экономических показателей, определяющих экологическую и продовольственную безопасность производства и применения, энергетическую эффективность полного цикла и рентабельность.
Показано, что среди используемых в широком масштабе топлив, обеспечивающих снижение выбросов вредных веществ в атмосферу при сжигании, газы ископаемого происхождения остаются на сегодняшний день единственной экономически оправданной альтернативой стандартному бензину и дизельному топливу.
В то же время специфика их применения требует дополнительных капитальных затрат, связанных с переоборудованием серийно выпускаемых ДВС. Этого недостатка лишены композитные минерально-органические биотоплива, производство которых не требует сложного энергоемкого оборудования, что в будущем может обеспечить вполне приемлемый уровень рентабельности.
Проведенный анализ свидетельствует о наличии громадного нереализованного потенциала минимизации экологического давления на окружающую среду в виде природного газа и биотоплив, приготовленных на основе возобновляемого органического сырья. По экологической эффективности эти решения не уступают концепции электромобиля.
Ключевые слова: альтернативные топлива, биодизельное топливо, этанол, экологический эффект.
THE ALTERNATE FUELS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
E.M. Ivannikova1, V.G. Sister1, V.G. Chirkov2
'Moscow University of Mechanical Engineering 38 B. Semenovskaya str., Moscow, 107023, Russia Tel.: 8 (499) 267-19-70, e-mail: [email protected], [email protected] 2Russian Research Institute for Electrification of Agriculture (GNU VIESH) 2, 1-st Veshnyakovskiy proezd, Moscow, 109456, Russia Tel.: 8 (499) 171-19-20, 8 (499) 170-51-01, e-mail: [email protected]
Referred: 05.06.14 Expertise: 10.06.14 Accepted: 15.06.14
The issues of production and use of various alternative fluid fuels for internal combustion engines (ICE) providing the reduction of hazardous impact on the environment.
Alternative fuels having a positive environmental effect have been classified depending on their physical state, input raw-stock, presence of fossil components and preparation technology. Technical problems of various alternative fuels application in gasoline and diesel ICEs. Three groups of combustibles have been regarded: gaseous mineral and bio- fuels, liquid blends and synthesized liquid biofuels. Within each group, a qualitative estimation of technical-economical indicators that determine environmental and food provision safety, energy efficiency of the entire cycle and commercial expediency has been made.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 13 (153) 2014 © Научно-технический центр «TATA», 2014
It has been shown that among widely used ICE fuels providing significant reduction of hazardous emissions into the atmosphere fossil gases remain the only economical alternative to standard ICE fuels today. At the same time, their use is associated with additional investments into ICE design modification.
This problem can be avoided with newly-developed composite mineral-organic biofuels that do not need complicated and energy-demanding equipment which may insure an acceptable commercialization level in the future.
The performed analysis shows that there exists an enormous potential of environmental situation improvement outside the electric car concept.
Keywords: alternative fuels, biodiesel, ethanol, environmental effects.
Как известно, современный транспорт использует для привода двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигатели (ЭД). При этом отмечается все возрастающая активность ведущих автопроизводителей в области разработки электромобилей и гибридных моделей, в которых применены оба вида приводных агрегатов. Также в качестве общей тенденции следует отметить стремление занять ведущие позиции в отрасли на волне обеспокоенности мирового сообщества негативными последствиями развития автотранспорта, приводящими к ухудшению экологической ситуации. При этом основным фактором антропогенного воздействия на окружающую среду справедливо считается применение топлив, производимых в глобальных масштабах из компонентов ископаемого сырья, что ведет к нарушению баланса углекислого газа в атмосфере.
В то же время в течение нескольких десятилетий развиваются, хотя и с переменным успехом, другие направления, не выходящие за рамки традиционных
решений, использующих ДВС, позволяющие заметно снизить общие объемы выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу. К ним относится, например, частичный перевод транспортных средств на газообразное топливо. Целью настоящей работы является обзор возможных альтернативных вариантов применения различных видов топлива, производимых на основе ископаемых и возобновляемых материалов, в рамках традиционной концепции ДВС.
Общая схема, представленная на рисунке, отображает номенклатуру альтернативных топлив, предназначенных для использования в ДВС с целью уменьшения выбросов парниковых газов и других вредных веществ в атмосферу транспортными средствами на основе ДВС. В левой части схемы показаны виды и компоненты моторного топлива, получаемые из ископаемого сырья, а в правой ее части -компоненты, являющиеся продуктами переработки возобновляемого органического сырья.
Альтернативные топлива для ДВС с положительным экологическим эффектом Alternative fuels with positive environmental effect for ICE
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 13 (153) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
Средняя часть содержит перечень альтернативных жидких и газообразных топлив, в том или ином объеме применяемых в качестве горючего для современных ДВС, установленных на транспортных средствах. Они подразделены на отдельные группы в зависимости от следующих признаков: агрегатное состояние; химический состав; наличие в сырье компонентов ископаемого происхождения.
Мы рассматриваем три группы: газообразные минеральные топлива и биотоплива, жидкие биотоплива, а также синтетические жидкие биотоплива. Последние выделены в отдельную группу ввиду того, что технология их приготовления включает в себя промежуточную стадию получения газообразных компонентов из твердого растительного сырья. Проанализируем состав, особенности применения, преимущества (прежде всего, экологические) и проблемы, связанные с применением альтернативных топ-лив каждой группы.
Группа газообразных топлив — самая представительная из трех. С одной стороны, в нее входят: природный газ, сжиженные углеводороды (СУВ), синтез-газ, получаемый путем газификации углеводородов (обычно угля), а также водород, который, в принципе, может быть произведен термохимическим способом из ископаемых углеводородов. С другой стороны, в эту группу включены газообразные продукты термохимической переработки возобновляемых органических компонентов (преимущественно растительного происхождения): генераторный газ, пиролизный газ и водород.
В перспективе особое место в этом направлении отводится водороду как «абсолютно чистому» топливу [1, 2]. В связи с этим следует заметить, что степень экологической «чистоты» любого топлива проявляется не только на стадии сжигания. Она также определяется конкретной технологией его приготовления, природой и способом подготовки и переработки исходного сырья. Это в полной мере относится и к водороду. Его экологическую эффективность можно считать достаточно высокой, если он производится из возобновляемых органических материалов, в то время как водород в составе синтез-газа, полученного из угля, не может считаться экологически чистым.
Анализируя современное состояние данного направления, можно сказать, что приход водородного топлива на транспорт серьезно осложнен отсутствием эффективных способов и достаточно компактных бортовых устройств для его хранения. Поэтому безраздельное превосходство в этом сегменте остается за сжиженным углеводородным топливом (пропан-бутановая смесь) и сжатым природным газом. Последний используется в гораздо более скромных масштабах по той же основной причине, что и водородное топливо. Теплотворная способность 1 л природного газа при атмосферном давлении составляет примерно 36 кДж/л. Исходя из этого, 50-литровый баллон со сжатым газом по запасу хода автомобиля
примерно соответствует бензобаку емкостью всего лишь 9-10 л. В принципе существует техническое решение, позволяющее многократно повысить удельную «энергетическую емкость» бортового контей
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
СМИРНОВ И.В. — 2010 г.
ИПАТОВ А.А., КИРИЛЛОВ В.А., ЛЕЖНЕВ Л.Ю., ПАПКИН Б.А., ХРИПАЧ Н.А. — 2010 г.
tbf.su
Один из самых распространенных тепловых двигате-
лей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС),
существующий в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и
дизеля.
Бензиновый ДВС работает на жидком горючем
(бензине, керосине и т.п.) или на горючем газе
(сохраняемом в усатом виде в стальных баллонах).
Сегодня проектируются ДВС, в которых в качестве
горючего будет использоваться водород.
Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров,
внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, к
слову сказать, и название двигателя.
Внутри цилиндра движется поршень — металлический
Итакан, опоясанный пружинящими кольцами, которые не
Пропускают газы, образовавшиеся при сгорании топлива,
дпромежутки между поршнем и стенками цилиндра. Пордвень
снабжен металлическим стержнем — пальцем, который
соединяет поршень с шатуном. Последний передает
движение поршня коленчатому валу. Верхняя часть
цилиндра сообщается с двумя клапанами. Через один из
клапанов — впускной — подается горючая смесь, через
другой — выпускной — удаляются продукты сгорания. Здесь
же помещается свеча — приспособление для зажигания
горючей смеси посредством электрической искры.
Наибольшее распространение в технике получил
четырехтактный ДВС.
1-ый такт — впуск (всасывание). Открывается
впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в
цилиндр горючую смесь.
2-ой такт — сжатие. Впускной клапан закрывается.
Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая
при сжатии нагревается.
3-ий такт — рабочий ход. Смесь поджигается
электрической искрой свечи. Сила давления газов
(раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз.
Движение поршня передается коленчатому валу, вал
поворачивается, и тем самым совершается полезная
работа. Производя 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 четырех тактов только один — третий — является
рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком
(инерционным двигателем, запасающим энергию), за счет
которого коленчатый вал вращается в течение остальных
тактов.
Дизель — другой тип ДВС. Воспламенение в его
цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух,
предварительно сжатый поршнем и, следовательно,
нагретый до высокой температуры. Это основное отличие
дизеля от обычного бензинового двигателя внутреннего
сгорания. Первый дизельный двигатель был построен в
1897 году немецким ученым Рудольфом Дизелем
(1858-1913), по имени которого и называется.
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Использовать внутреннюю энергию — это значит
совершить за счет нее полезную работу, то есть
превращать внутреннюю энергию в механическую. В
простейшем опыте, который заключается в том, что в
пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения
(причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка
под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и
выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит
во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь,
совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя
энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки.
Если пробирку заменить прочным металлическим
цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к
стенкам цилиндра и способен свободно перемещаться вдоль
них, то получится простейший тепловой двигатель.
Тепловыми двигателями называют машины, в которых
внутренняя энергия топлива превращается в механическую
энергию.
История тепловых машин уходит в далекое прошлое
Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке
дс нашей эры, великий греческий механик и математик
Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью
пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены
спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского
ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола
сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола
наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась
в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал
ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки
представлял собой цилиндр, по которому как поршень
скользило ядро.
Примерно тремя столетиями позже в Александрии -
культурном и богатом городе на африканском побережье
Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый
Герон, которого историки называют Героном
Александрийским. Герон оставил несколько сочинений,
дошедших до нас, в которых он описал различные машины,
приборы, механизмы, известные в те времена.
В сочинениях Герона есть описание интересного
прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он
представляет собой полый железный шар, закрепленный
так, что может вращаться вокруг горизонтальной оси. Из
закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает
в шар, из шара он вырывается наружу через изогнутые
трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя
энергия пара превращается в механическую энергию
вращения шара. Геронов шар — это прообраз современных
реактивных двигателей.
В то время изобретение Герона не нашло применения
и осталось только забавой. Прошло 15 столетий. Во
времена нового расцвета науки и техники, наступившего
после периода средневековья, об использовании
внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи.
В его рукописях есть несколько рисунков с изображением
цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится
вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи
предполагал, что образовавшийся в результате нагрева
воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет
искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего
движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу
Несколько иначе представлял себе двигатель,
использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на
век ршсе великого Леонардо. Это было колесо с
лопатками, в второе с силой ударяла струя пара,
благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу,
это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой
машитрудились англичане Томас Севери (1650-1715) и
Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен
(1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов
(1728-1766) и Дрогие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз
свободно перемещался поршень. Поршень был связан
тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед
за поршнем также поднимался и опускался. По мысли
Папена, поршень можно было связать с какой-либо
машиной, Например водяным насосом, который стал бы
качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра
насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся
газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.
После отого цилиндр и поршень с наружной стороны
обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и
их давление на поршень уменьшалось. Поршень под
действием собственного веса и наружного атмосферного
давления опусускался вниз, поднимая при этом груз.
Двигатель совершал полезную работу. Для практических
целей он негодился: слишком уж сложен был
технологический цикл его работы (засыпка и поджигание
пороха, обливание водой, И это на протяжении всей
работы двигателя!). Кроме того, применение подобного
двигателя было далеко не безопасным.
Однако нельзя не усмотреть в первой машине Палена
черты современного двигателя внутреннего сгорания.
В своем новом двигателе Папен вместо пороха
использовал воду. Ее наливали в цилиндр под поршень, а
сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар
поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и
находящийся в нем пар конденсировался — снова
превращался в воду. Поршень, как и в случае порохового
двигателя, под действием своего веса и атмосферного
давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше,
чем пороховой, но для серьезного практического
использования был также малопригоден: нужно было
подводить и отводить огонь, подавать охлажденную воду,
ждать, пока пар сконденсируется, перекрывать воду и т.п.
Все эти недостатки были связаны с тем, что
приготовление пара, необходимого для работы двигателя,
происходило в самом цилиндре.
А что если в цилиндр впускать уже готовый пар,
полученный, например, в отдельном котле? Тогда
достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то
пар, то охлажденную воду, и двигатель работал бы с
большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Об этом догадался современник Дени Палена
англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для
откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара
происходило вне цилиндра — в котле.
Вслед за Севери паровую машину (также
приспособленную для откачивания воды из шахты)
сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он
умело использовал многое из того, что было придумано до
него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар
для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном
котле.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы,
работала прерывисто — между двумя рабочими ходами
поршня была пауза. Высотой он-а была с
четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно
<прожорлива>: пятьдесят лошадей еле-еле успевали
подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из
двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в
<ненасытную пасть> топки, а механик управлял кранами,
впускающими пар и холодную воду в цилиндр.
Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен
универсальный паровой двигатель. Это произошло в
России, на одной из отдаленных ее окраин — Алтае, где в
то время работал гениальный русский изобретатель,
солдатский сын Иван Ползунов.
Ползунов построил свою <огнедействующую машину> на
одном из барнаульских заводов. Это изобретение было
делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни, В
апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает
проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов
Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал и
недостатки которых ясно осознавал, это был проект
универсальной машины непрерывного действия. Машина
предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих
воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было
то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых
пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел
вместо одного Цилиндра, как это было в машине
Ньюкомена, два попеременно работающих. Пока в одном
цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в
другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба
поршня были связаны одним рабочим валом, который они
поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны.
Рабочий ход машины осуществлялся не за счет
атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря
работе пара в цилиндрах.
Весной 1766-года ученики Ползунова, спустя неделю
после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину.
Она работала в течение 43 суток и приводила в движение
мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь; кожа,
которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор
между стеннкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина
остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.
Создателем другого универсального парового
двигателя, который получил широкое распространение,
стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819).
Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в
1784 году построил двигатель, который годился для любых
нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее
развитых странах Европы ручной труд на фабриках и
заводах все больше и больше заменялся работой машин.
Универсальный двигатель стал необходим производству, и
он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый
кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий
возвратно-поступательное движение поршня во
вращательное движение колеса.
Уже потом было придумано <двойное действие>
машины: направляя поочередно пар то под поршень, то
сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и
вниз) в рабочие. Машина стала мощнее. Пар в верхнюю и
нижнюю части цилиндра направлялся специальным
парораспределительным механизмом, который впоследствии
был усовершенствован и назван <золотником>.
Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не
обязательно все время, пока поршень движется, подавать
в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то
порцию пара и сообщить поршню движение, а дальше этот
пар начнет расширяться и перемещать поршень в крайнее
положение. Это сделало машину экономичней: меньше
требовалось пара, меньше расходовалось топлива.
Сегодня один из самых распространенных тепловых
двигателей — двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его
устанавливают на автомобили, корабли, тракторы,
моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни
миллионов таких двигателей. Существуют два типа
двигателей внутреннего сгорания — бензиновый ДВС и
дизель (см. Двигатель внутреннего сгорания).
Для оценки теплового двигателя важно знать, какую
часть энергии, выделяемую топливом, он превращает в
полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем
двигатель экономичнее.
Для характеристики экономичности вводится понятие
коэффициента полезного действия (КПД).
КПД теплового двигателя — это отношение той части
энергии, которая пошла на совершение полезной работы
двигателя, ко всей энергии, выделившейся при сгорании
топлива.
Первый дизель (1897 г.) имел КПД 22%. Паровая
машина Уатта (1768 г.) — 3-4%, современный стационарный
дизель имеет КПД 34-44%.
www.ronl.ru
