Физика 9 класс. 1. Физика. Методы познания природы. Физические явления
 Скачать 5.42 Mb.
|
34. Тепловые двигатели. Принцип действия теплового двигателя.Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), которое совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем. Классификация и принципы работы тепловых двигателей Тепловые двигатели подразделяют на двигатели с внешним сгоранием (паровые машины и паровые турбины) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС). ДВС получили наибольшее распространение. В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя. ДВС используют в качестве силовых установок во всех видах транспорта — автомобильном, железнодорожном, водном и воздушном. Они же являются источниками механической энергии в сельскохозяйственном производстве, в строительстве, в нефтяной и газовой промышленности и других отраслях народного хозяйства. Первыми ДВС были поршневые двигатели, главная особенность которых — периодичность процесса сгорания. И в настоящее время под термином «двигатели внутреннего сгорания» в первую очередь подразумевают поршневые двигатели. В последние 50 лет интенсивно развивается другая группа ДВС, куда входят реактивные двигатели и газовые турбины, сгорание топлива в которых происходит непрерывно. Бензины применяются только в поршневых ДВС. Рассмотрим особенности работы этих наиболее распространенных двигателей. Спецификой работы поршневого ДВС являются цикличность и обусловленная ею периодичность процесса сгорания и преобразования тепловой энергии в механическую. Поршневой ДВС состоит из следующих основных частей: цилиндра 2, головки цилиндра 5, поршня 6, шатуна 7, коленчатого вала 8, картера 1, впускного 3 и выпускного 4 клапанов. Пространство, ограниченное стенками цилиндра, головкой и поршнем, называют камерой сгорания. В камеру сгорания вводятся топливо и воздух, необходимый для сгорания топлива. При горении топливовоздушной смеси выделяется большое количество тепла, а образующиеся при этом нагретые до высокой температуры газообразные продукты сгорания, состоящие в основном из оксидов углерода и водяного пара, 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, пропеллеру самолета, гребному винту судна и т.п. Процесс сгорания в поршневом двигателе происходит в ограниченном объеме камеры сгорания. Для совершения полезной работы используется процесс расширения продуктов сгорания. После стадии расширения газов для сжигания новой порции топлива необходимо удалить отработавшие газы из рабочей полости двигателя и вновь наполнить ее топливовоздушной смесью определенного состава. Возвратнопоступательное движение поршня в цилиндре двигателя обеспечивает возможность сжигания топлива лишь последовательными порциями. При этом сгоранию каждой порции должно предшествовать несколько подготовительных стадий, которые протекают в цилиндре двигателя в строгой последовательности. Совокупность этих стадий называют рабочим циклом. Такие циклы во время работы двигателя непрерывно повторяются. 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 больше они могут вместить топлива, а следовательно, тем больше можно сжечь топлива за один цикл и получить большую мощность двигателя. Увеличение мощности двигателя можно также обеспечить, подавая воздух не при атмосферном, а при некотором избыточном давлении. Тогда в том же объеме камеры сгорания можно сжечь больше топлива. Для создания избыточного давления воздуха устанавливают специальный компрессор, на привод которого расходуется часть мощности двигателя. Двигатели с воздушным компрессором называют «двигатели с наддувом». В поршневых ДВС воспламенение рабочей смеси может осуществляться по двум принципиально различным схемам. По первой схеме воспламенение топливовоздушной смеси осуществляется от постороннего источника, в основном от электрической искры, по второй схеме смесь самовоспламеняется от горячего воздуха, нагретого в процессе сжатия. По первой схеме топливо, как правило, испаряется, и пары его смешиваются с воздухом вне цилиндра двигателя в специальном приборе — карбюраторе. Полученная горючая смесь засасывается в цилиндры двигателя через впускной клапан при движении поршня в направлении коленчатого вала. Этот такт работы двигателя называют впуском. В конце такта впуска впускной клапан закрывается. Далее поршень идет в направлении головки цилиндра, и топливовоздушная смесь подвергается сжатию. В период такта сжатия пары топлива хорошо перемешиваются с воздухом и смесь подготавливается к сгоранию. В конце этого такта в камере сгорания с помощью специального устройства — свечи зажигания — создается электрическая искра, от которой топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает. В результате резко повышаются температура и давление в камере сгорания. Под действием давления поршень в цилиндре перемещается в сторону коленчатого вала (рабочий ход), расширяющиеся газы совершают полезную работу. После расширения температура и давление газов в цилиндре понижаются, открывается выпускной клапан и поршень, двигаясь к крышке цилиндра, выталкивает продукты сгорания в атмосферу; происходит очистка цилиндра от продуктов сгорания (отработавших газов). Это — такт выпуска. Далее рабочий цикл повторяется. За четыре движения поршня в цилиндре двигателя, т.е. за два оборота коленчатого вала, только один ход поршня является рабочим тактом, который совершается за счет расширения газов, остальные три такта— за счет инерции маховика, закрепленного на коленчатом валу. Для обеспечения равномерной работы двигателя он имеет несколько цилиндров, поршни которых через соответствующие шатуны приводят во вращение один коленчатый вал. Сгорание и расширение газов в каждом из цилиндров происходят поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя. В ДВС с воспламенением от искры процесс смесеобразования происходит, как правило, в специальном приборе — карбюраторе, который служит для дозирования, распыливания, частичного испарения и смешения топлива с воздухом. Однако за последнее десятилетие все большее распространение получают так называемые двигатели с непосредственным впрыском, в которых топливо подается в цилиндры двигателя раздельно от воздуха в тактах впуска или сжатия через форсунки, установленные у впускных клапанов или непосредственно в каждом цилиндре в камере сгорания. В двигателях с непосредственным впрыском обеспечиваются более равномерное распределение топлива по каждому цилиндру и более точное соотношение топливо/воздух, а следовательно, возрастает полнота сгорания топлива, повышается экономичность двигателя, снижается токсичность отработавших газов. Вторая схема воспламенения в поршневом ДВС предусматривает самовоспламенение топлива от горячего воздуха без какоголибо постороннего источника воспламенения. По этой схеме цилиндры двигателя во время такта впуска заполняются не горючей смесью, а воздухом. Затем за счет повышения давления в цилиндре в такте сжатия воздух сильно нагревается. В конце процесса сжатия в нагретый воздух через форсунку при высоком давлении впрыскивается топливо. При этом топливо мелко распыл и вается, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Процесс сгорания начинается с самовоспламенения смеси за счет высокой температуры в цилиндре, которая достигается в процессе сжатия воздуха. Все остальные процессы — сгорание, расширение газов и их удаление из камер сгорания — по второй схеме воспламенения происходят так же, как и по первой схеме. Двигатели, рабочий цикл у которых по второй схеме, называют дизелями. В дизелях используются топлива с относительно низкими температурами самовоспламенения: керосиновые и газойлевые фракции. Бензины в отличие от этих топлив имеют высокие температуры самовоспламенения и не обеспечивают запуска холодного дизеля и его устойчивую работу при низких нагрузках (малых подачах топлива). Бензины иногда применяются только в специальных многотопливных дизелях, оборудованных различными устройствами для облегчения воспламенения топлива. 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 протекает за один оборот коленчатого вала. В конце такта расширения открывается выпускное окно, куда выводятся отработавшие газы, и затем открывается впускное окно или впускной клапан, через которые в цилиндр поступает горючая смесь или воздух (в дизеле). Поршень доходит до нижней мертвой точки (крайнее положение при движении поршня в сторону коленчатого вала) и начинает возвращаться к головке цилиндра, перекрывает впускные и выпускные окна, и смесь или воздух в цилиндре сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания подается электрическая искра или с помощью форсунки впрыскивается топливо (в дизелях), и вновь начинается процесс расширения. Двухтактные двигатели обычно устанавливают на мотоциклах, моторных лодках, мотоблоках, бензопилах и других малогабаритных агрегатах. Эти двигатели менее экономичны, чем четырехтактные, но они имеют и преимущества — малые вес и габариты, высокую литровую мощность (мощность, приходящаяся на единицу объема цилиндров), относительную простоту технического обслуживания и др. |