ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Классификация и принципы работы тепловых двигателей из "Химмотология" Тепловые двигатели предназначены для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую. Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгоранием (паровые машины, паровые турбины и др.) и двигатели внутреннего сгорания. [c.22] Наибольшее распространспие среди тепловых двигателей получили двигатели внутреннего сгорания. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива, выделение теплоты и ее преобразование в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя. Такие двигатели используют в качестве силовой установки во всех видах транспорта — автомобильном, железнодорожном, водном и авиационном. Они же являются источником механической энергии в сельскохозяйственном производстве и в строительстве, в нефтяной и газовой промышленности, а также в других областях народного хозяйства. [c.22] Первыми тепловыми машинами с внутренним сгоранием были поршневые двигатели, характерной особенностью которых является периодичность процесса сгорания. И до настоящего времени под термином двигатели внутреннего сгорания в первую очередь подразумевают поршневые двигатели. В последние 40—50 лет интенсивно развивается другая группа двигателей внутреннего сгорания, куда входят реактивные двигатели и газовые турбины (рис, 1), процесс сгорания в которых осуществляется непрерывно. [c.22] Особенности работы этих двух наиболее распространенных типов двигателей внутреннего сгорания рассмотрим более подробно. Принципиальные схемы двигателей внутреннего сгорания приведены на рис. 2. [c.23] Двигатели с периодическим.сгоранием топлива (поршневые двигатели). Спецификой работы поршневых двигателей является цикличность, обусловленная периодичностью процесса сгорания топлива, т. е. того процесса, в результате которого и преобразуется тепловая энергия в механическую. Основные детали поршневых двигателей следующие (см. рис. 2) цилиндр 2, головка цилиндра 5, поршень 6, шатун 7, коленчатый вал 8, картер 1, впускные 3 и выпускные 4 клапаны. Пространство, ограниченное стенками цилиндра, головкой и поршнем, называют камерой сгорания. В него вводятся топливо и воздух, необходимый для сгорания-топлива. [c.23] При сгорании топливовоздушной смеси выделяется большое количество тепла, а образующиеся при этом газы давят на поршень и перемещают его в цилиндре. Поступательное движение поршня передается через шатун на коленчатый вал, где оно преобразуется во вращательное движение. Последнее, как правило, и требуется потребителю механической энергии, например колесам автомобиля, гребному винту катера и т. п. [c.23] Полезная работа, совершаемая двигателем, зависит от того, сколько воздуха находится в камерах сгорания и соответственно сколько топлива можно сжечь в этом объеме воздуха. Естественно, чем больше общий объем всех камер сгорания, тем больший объем воздуха они могут вместить, а следовательно, тем больше топлива можно сжечь и получить большую мощность двигателя. [c.24] Однако в последние годы находит применение другой способ увеличения мощности поршневых двигателей — так называемый способ наддува . В двигатель подается воздух не при атмосферном давлении, а при некотором избыточном давлении. Тогда в том же объеме камеры сгорания удается сосредоточить больше воздуха, сжечь больше топлива и получить большую мощность. [c.24] Для создания избыточного давления воздуха устанавливают специальный компрессор, на привод которого расходуется часть мощности двигателя. Двигатели с наддувом получают широкое применение в технике. [c.25] В поршневых двигателях внутреннего сгорания воспламенение рабочей смеси может осуществляться по двум, принципиально различным схемам. В одной схеме воспламенение смеси топлива с воздухом предусматривается от постороннего источника, обычно от электрической искры, в другой — смесь самовоспламеняется от горячего воздуха, нагретого в процессе сжатия. [c.25] По первой схеме топливо испаряется, и пары его смешиваются с воздухом вне цилиндра двигателя. Получен ая горючая смесь засасывается в цилиндр двигателя через впускной клапан при движении поршня от камеры сгорания в направлении коленчатого вала. Этот такт работы двигателя называют впуском. В конце такта впуска впускной клапан закрывается. Далее поршень идет в направлении камеры сгорания, и горючая смесь подвергается сжатию. В период такта сжатия пары топлива хорошо перемешиваются с воздухом, и смесь подготавливается к сгоранию. В конце этого такта в камеру сгорания с помощью специального устройства —свечи зажигания — подается электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате резко повышается температура и давление в камере сгорания под действием давления поршень в цилиндре перемещается (рабочий ход), расширяющиеся газы совершают полезную работу. После расширения температура и давление газов в цилиндре понижаются, открывается выпускной клапан и поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу происходит очистка цилиндра, это — такт выпуска. Далее рабочий цикл повторяется. [c.25] За четыре движения поршия в цилиндре двигателя, т. е. за два оборота коленчатого вала, только один ход поршня является рабочим, тактом — совершается за счет расширения газов, все остальные — за счет инерции маховика, укрепленного на коленчатом валу. Для обеспечения равномерной работы двигателя в одном блоке располагают несколько цилиндров (блок цилиндров), поршни которых через шатуны приводят во вращение один коленчатый вал. Сгорание и расширение газов в каждом из цилиндров происходит поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя. [c.25] В двигателях с воспламенением от искры процесс смесеобразования происходит главным образом вне цилиндра, как правило, в специальном устройстве — карбюраторе. Карбюратор служит для дозирования распыливания, частичного испарения и смешения топлива с воздухом. [c.25] Таким образом, характерным отличием второй схемы рабочего цикла от первой является самовоспламенение топлива. Двигатели, рабочий цикл у которых протекает по второй схеме, называют дизелями. Процесс образования горючей смеси в да-зелях происходит внутри цилиндра. Для достижения высоких температур в дизельном двигателе приходится сжимать воздух во много раз больше (в 15—17 раз), чем сжимают топливовоздушную смесь в двигателе с принудительным воспламенением (в 7—9 раз). Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает и более высокий коэффициент полезного действия в таких двигателях. Для совершения одной и той же работы в дизеле расходуется топлива примерно на 25—30% меньше, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Высокая степень сжатия в дизеле обусловливает и высокие давления и нагрузки, что требует применения более прочных деталей. При одной и той же мощности материалоемкость дизельного двигателя обычно больше. Тем не менее планами развития народного хозяйства нашей страны предусмотрена широкая дизелизация автомобильного парка и значительное расширение использования дизелей во всех отраслях промышленности. [c.26] Описанные выше двигатели с принудительным зажиганием и дизели называют четырехтактными за один оборот коленчатого вала происходят впуск и сжатие, за следующий оборот— расширение и выпуск. Но существуют и двухтактные двигатели, у них некоторые процессы совмещены, и весь цикл про текает за один оборот коленчатого вала. В конце такта расширения открывается выпускное окно, куда выводятся отработавшие газы, и затем открывается впускное окно, через которое в цилиндр поступает горючая смесь или воздух (в дизеле). Поршень доходит до нижней мертвой точки и начинает подниматься вверх, перекрывает впускное и выпускное окна, и смесь или воздух в цилиндре сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания подается искра или с помощью форсунки впрыскивается топливо (в дизелях) вновь начинается процесс расширения. Такие двухтактные двигатели устанавливают на мотоциклах, на моторных лодках и в других видах техники. Эти двигатели менее экономичны, чем четырехтактные, но они имеют и преимущества. [c.26] Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент двигателей с непрерывным сгоранием топлива — камера сгорания постоянного объема. В нее подаются горючее и окислитель. Газовый поток продуктов сгорания за счет высокой температуры и расширения приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию врашения ротора газовой турбины. Возникновение реактивной силы хорошо иллюстрирует опыт из школьного курса физики — вращение сегнерова колеса вода, вытекая из колеса в одну сторону, заставляет вращаться колесо в противоположную сторону. [c.27] Реактивная сила тяги, возникающая при истечении газов из сопла, не зависит от скорости движения реактивной установки, а также от плотности окружающей среды и может обеспечивать движение летательных аппаратов в безвоздушном, межпланетном пространстве. Эта особенность реактивного движения легла в основу создания ракет. [c.27] Ракетами называют такие летательные аппараты, которые используют принцип реактивного движения и несут с собой на борту горючее и окислитель. В качестве горючего употребляют различные вещества нефтяные фракции, спирты, аммиак, гидразин, ксилидин, жидкий водород и др. Окислителями служат жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и оксиды азота, тетранитрометан, фтор и его соединения и др. Присутствие в ракете и горючего и окислителя позволяет осуществлять полет как у поверхности земли, так и на больших высотах в разреженном воздухе, в безвоздушном пространстве и даже под водой. Принцип реактивного движения используют не только в межпланетных и космических кораблях, в межконтинентальных ракетах, но и в обычных самолетах современной авиации. При этом на борту самолета размещают одно горючее, а окислителем служит кислород воздуха. Такие двигатели, рассчитанные на применение кислорода воздуха, получили название воздушно-реактивных они не могут работать в безвоздушном пространстве. Подавляющее большинство современных самолетов оборудованы воздушно-реактивными двигателями. [c.27] Обычно в воздушно-реактивных двигателях между камерой сгорания и реактивным соплом устанавливают газовую турбину. Основной рабочий орган в газовой турбине — рабочее колесо, по периферийной части которого расположены лопатки специального профиля. [c.27] После камеры сгорания можно установить не одно колесо турбины, а несколько последовательно расположенных рядов направляюших и рабочих лопаток, это — многоступенчатые турбины. В таком варианте всю кинетическую энергию газов можно преобразовать во вращательное движение вала газовой турбины. В газовой турбине вся кинетическая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую. Главное преимущество газовых турбин — получение большой мощности при сравнительно малых габаритах двигателя. Однако газовые турбины пока уступают по экономичности поршневым двигателям. Совершенствование газовых турбин сопровождается улучшением их показателей, что позволяет надеяться на расширение областей их использования. [c.28] Вернуться к основной статье