§ 16. Теплові двигуни.

Двигун внутрішнього згоряння

Принцип дії теплових двигунів

Двигун внутрішнього згоряння

ПРИНЦИП ДІЇ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ. Теплові машини, використовувані для різних цілей, мають різноманітну конструкцію. Але незалежно від цього за призначенням вони поділяються на два основних типи: теплові двигуни та холодильні установки. Усі теплові двигуни виконують одне й те саме завдання: забезпечують перетворення внутрішньої енергії в механічну. Холодильні установки використовують для того, аби за рахунок виконання роботи (наприклад, двигуном холодильника) відбирати певну кількість теплоти від холодного тіла й підтримувати його низьку температуру.

В основу роботи теплового двигуна покладено принцип перетворення внутрішньої енергії в механічну роботу, з яким ви ознайомилися в попередньому параграфі.

Тепловий двигун — пристрій, у якому отримана під час згоряння палива енергія, перетворюється в механічну енергію.

За допомогою передавального механізму цю енергію отримує робоче тіло й виконується механічна робота. Найпоширенішими, зокрема на транспорті, є поршневі теплові двигуни, в яких нагрітий газ тисне на поршень та переміщує його в циліндрі.

У поршневих теплових двигунах використовується здатність нагрітого газу (або пари) під час розширення виконувати роботу.

Конструкція теплових двигунів забезпечує передавання енергії, що виділяється під час згоряння палива або внаслідок ядерних реакцій, шляхом теплообміну до деякого газу (наприклад, пари в парових машинах). Нагрітий газ розширюється, він виконує роботу проти зовнішніх сил і зумовлює рух того чи іншого механізму.

Поршневі двигуни, в яких використовувався процес перетворення внутрішньої енергії стиснутого газу в механічну енергію рухомого колеса, стали першими тепловими двигунами, сконструйованими людиною (рис. 16.1). Теплові поршневі двигуни встановлювалися на парових потягах, пароплавах, парових молотарках тощо.

ДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ. Під час створення теплових поршневих двигунів доводилося розв’язувати проблеми, пов’язані із забезпеченням отримання нагрітого та стиснутого газу (пари), почерговим та своєчасним (для певного положення поршня) введенням газу в циліндр, своєчасним виведенням газу з циліндра та підготовкою до наступного циклу роботи.

Наприклад, для нагрівання робочого тіла (пари) до високої температури потрібно передбачити окремий пристрій, скажімо, паровий котел, який є досить громіздким. Тому в сучасній техніці використовують теплові двигуни, де нагрівання робочого тіла здійснюється безпосередньо всередині камери згоряння.

Двигун внутрішнього згоряння — теплова машина, що в ній як робоче тіло використовуються гази високої температури, які утворюються під час згоряння рідкого або газоподібного палива безпосередньо всередині поршневого двигуна.

У поршневих двигунах внутрішнього згоряння застосовується один із найпростіших способів перетворення внутрішньої енергії хімічного палива в механічну енергію. Робоче тіло (суміш повітря та хімічного палива) нагрівається внаслідок хімічної реакції горіння, що відбувається в циліндрі двигуна.

Розглянемо будову та принцип дії поршневого двигуна внутрішнього згоряння (рис. 16.2). Його основними елементами є: циліндр 1, у якому переміщується поршень 2, поршень з допомогою шатуна З, з’єднаний з колінчатим валом 4. У верхню частину циліндра вмонтовано два клапани 5 і б, які в процесі роботи двигуна періодично відкриваються і закриваються. Клапан 5 називають впускним. При його відкриванні в циліндр двигуна надходить порція горючої суміші, яка після закриття клапана запалюється за допомогою свічки запалення 7. Клапан 6 називають випускним. Через нього відпрацьована робоча суміш видаляється з циліндра. Щоб клапан не спрацьовував самовільно, він утримується пружиною 10. Колінчатий вал містить маховик 11 і через систему зубчатих передач

9 з’єднується з розподільчим валом 8 та стартером 12.

У циліндрі двигуна при згорянні палива повітря нагрівається до 1600—1800 °С. Тиск газів на поршень при цьому різко зростає, що спричиняє його поступальний рух. Рухомий поршень зумовлює обертання колінчастого вала й системи зубчатих передач, передаючи механічну енергію механізмам (станкам, на колеса автомобіля тощо), які, у свою чергу, виконують механічну роботу.

Крайні положення поршня в циліндрі називають мертвими точками. Відстань, яку проходить поршень, рухаючись між верхньою і нижньою мертвими точками, називають ходом поршня.

Один робочий цикл у двигуні відбувається за 4 такти (ходи поршня), які отримали такі назви: впуск робочої суміші, стискання, робочий хід, випуск відпрацьованих газів (рис. 16.3). Тому ці двигуни дістали називають чотиритактними.

За повний цикл роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння здійснюється тільки один робочий такт — робочий хід, інші такти є підготовчими. Тобто самостійно розпочати роботу такий двигун не може. Вал двигуна потрібно розкрутити, для чого використовується стартер.

Перший поршневий двигун внутрішнього згоряння винайшов у 1860 р. французький інженер Е. Ленуар. Автомобіль із газовим двигуном його конструкції проїхав відстань 9 км від Парижа до Жонвіль-ле-Пон за 3 години.

У 1877 р. німецький інженер та винахідник Н. Otto запатентував чотиритактний двигун внутрішнього згоряння, який упродовж наступних десяти років був випущений у кількості ЗО 000 штук. Цей двигун є основою сучасного автомобільного транспорту. Поршневі двигуни внутрішнього згоряння зазвичай працюють на бензині або природному газі. Вони встановлюються на автомобілях та іншому автотранспорті (рис. 16.4).

Компактні двотактні поршневі двигуни внутрішнього згоряння встановлюють, наприклад, на мотокосарках та бензопилах (рис. 16.5).

У сучасній техніці широко застосовуються двигуни внутрішнього згоряння, які працюють на важчих типах рідкого палива (гас, нафта тощо). Такі двигуни отримали назву дизельних за ім’ям німецького інженера-винахідника Р. Дизеля, який у 1897 р.

сконструював перший двигун потужністю 20 кінських сил. З 1898 р. розпочалися промислове виробництво і використання дизельних двигунів.

Важливою конструктивною особливістю дизельного двигуна є відсутність свічки запалювання. Робоча суміш пального та повітря нагрівається при швидкому стисканні й займається. Робочий хід і випуск спрацьованих газів дизельного двигуна відбуваються так само, як і бензинового чи газового (карбюраторного двигуна). Дизельні двигуни, як правило, потужніші та масивніші, тому їх встановлюють на тракторах, автомобілях-тягачах. Нині сконструйовано компактні дизельні двигуни для легкових автомобілів.

Відпрацьовані гази випускаються з двигунів внутрішнього згоряння при температурі 500—600 °С. Достатньо висока температура газу на виході знижує ККД двигунів. ККД бензинових двигунів досягає 20—25 %, а дизельних — 30—36 % .

Головне в цьому параграфі-

Тепловий двигун — пристрій, у якому отримана під час згоряння палива енергія, перетворюється в механічну енергію.

Двигун внутрішнього згоряння — теплова машина, що в ній як робоче тіло використовуються гази високої температури, які утворюються під час згоряння рідкого чи газоподібного палива безпосередньо всередині поршневого двигуна або газової турбіни.

Один робочий цикл у чотиритактних двигунах відбувається за 4 такти (ходи поршня): впуск робочої суміші, стискання, робочий хід, випуск відпрацьованих газів.

ККД карбюраторних двигунів досягає 20—25 %, а дизельних — ЗО— 36 %.

Запитання для самоперевірки_

1.    Що називають тепловим двигуном?

2.    Наведіть приклади використання теплових двигунів у техніці.

3.    Які теплові машини називають двигунами внутрішнього згоряння?

4.    Які основні відмінності двигунів внутрішнього згоряння від інших теплових двигунів?

5.    Які фізичні явища відбуваються в кожному такті робочого циклу чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння?

6.    Чому в техніці набули широкого використання чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння?

7.    Які особливості має дизельний двигун внутрішнього згоряння?

Домашній експеримент

За технічними характеристиками двигуна автомобіля ваших батьків або автомобіля батьків ваших друзів, вказаними виробником (потужність, витрати палива на 100 км шляху за відповідної середньої швидкості), визначте ККД двигуна. За можливості спробуйте розрахувати ККД двигуна експериментально, зафіксувавши витрати палива під час поїздки, відстань та час поїздки. Порівняйте отримані значення. Технічні характеристики автомобіля відповідної марки можна знайти за допомогою пошукових систем на сайті виробника.

Вправа до § 16

1(c). Поясніть, чому на сучасних транспортних засобах використовують теплові двигуни внутрішнього згоряння.

2(c). У потужних двигунах внутрішнього згоряння застосовують водяне охолодження, а не повітряне. Поясніть, чому.

3(д). Визначте ККД ідеального теплового двигуна, який отримує від нагрівника щосекунди 14 200 кДж теплоти, а віддає холодильнику 12 800 кДж теплової енергії.

4(д). Обчисліть масу бензину, яку витрачає за годину двигун мотоцикла, що розвиває потужність 6 кВт, якщо його ККД дорівнює

15 %.

5(в). Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрати бензину становлять 38 л на 100 км шляху за умови, що середня швидкість руху дорівнює 35 км/год. ККД двигуна 22,5 %.

Це цікаво

ЯКІ Є ТИПИ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ ТА ДЕ ЇХ ВИКОРИСТОВУЮТЬ?

Ви щойно ознайомилися з принципом дії та будовою поршневого двигуна внутрішнього згоряння. У сучасній авіаційній та космічній техніці використовують реактивні й газореактивні двигуни, в яких робоче тіло нагрівається безпосередньо всередині камери згоряння. Тому ці безпорш-неві двигуни також належать до типу двигунів внутрішнього згоряння.

У камері згоряння такого двигуна внаслідок взаємодії рідкого або твердого ракетного палива та окиснювача (як паливо може використовуватися зріджений водень, а як окислювач — кисень) утворюється суміш із високим тиском та температурою, яка зі значною швидкістю витікає із сопла. Реактивна сила, яка діє на сопло, рухає двигун у напрямі, протилежному до напряму витікання газової суміші. У реактивному двигуні внутрішня енергія палива безпосередньо перетворюється в енергію рухомого апарату. Реактивні двигуни використовують у ракетах та реактивних літаках.

Українські вчені та дослідники зробили вагомий внесок у розвиток реактивної техніки. Так, конструктором одного з перших серійних реак-

тивних двигунів був талановитий вітчизняний інженер-конструктор В. П. Глушко (рис. 1).

Україна як одна з провідних космічних держав світу має повний цикл виробництва сучасних реактивних двигунів. На виробничому об’єднанні «Південний машинобудівний завод імені 0. М. Макарова (ПІВДЕНМАШ) у м. Дніпропетровську розробляють і виготовляють усі основні комплектуючі деталі та вузли реактивних систем, які збираються та випробовуються на унікальній виробничій базі (рис. 2).

Парові та газові турбіни теж є тепловими двигунами. їхній принцип дії, так само, як і всіх інших теплових машин, полягає в перетворенні теплової енергії в механічну: внутрішня енергія пари перетворюється в механічну енергію обертання лопатей турбіни.

Конструкцію парової турбіни запропонував у 1882 р. шведський учений Г. Лаваль. Промислові паросилові установки складаються з

парової турбіни, з’єднаної з ротором генератора електричного струму. Основною робочою частиною парової турбіни є вал 1, на якому закріплено диски 3 з лопатями 4 (рис. 3).

Через паропровід 2 струмини пари з великою швидкістю спрямовуються на лопаті й обертають ротор турбіни. Через вихідний паропровід 5 відпрацьована пара виводиться з турбіни. Внутрішня енергія пари перетворюється в механічну енергію обертання її ротора. Принцип дії парової турбіни ґрунтується на явищі, при якому гарячий газ (пара) розширюється під час виходу із сопла й, виконуючи механічну роботу, охолоджується.

Конструкції парових турбін постійно вдосконалюються, але, незважаючи на це, їхній ККД не перевищує 40 %. Основні втрати енергії в паровій турбіні виникають унаслідок неповного використання внутрішньої енергії пари. Пара, яка залишає парову турбіну, є досить гарячою. ЇЇ внутрішня енергія менша, ніж пари на вході в турбіну. Разом із тим цієї енергії достатньо, щоб її використати, наприклад для обігріву приміщень. Втрати енергії в паровій турбіні будуть тим менші, чим більша різниця температур між парою, що входить до сопла, і парою, що виходить із турбіни.

Промислові парові турбіни є тепловими двигунами великої потужності й використовуються на теплових і атомних електростанціях. Теплова енергія згоряння палива на теплових електростанціях або енергія ядерних реакцій на атомних електростанціях у спеціальних котлах чи в системі охолодження реактора перетворюється у внутрішню енергію пари, яка обертає ротор турбіни, з’єднаної з генератором електричного струму. Крім електростанцій парові турбіни можуть приводити в рух гвинти великих надводних морських суден та підводних човнів. Сучасні парові турбіни електростанцій мають робочу потужність до 1300 МВт.

На відміну від парових, у газових турбінах ротор обертається під тиском гарячої газової суміші, яка утворюється внаслідок згоряння рідкого палива в самій турбіні. її конструкція є простішою, оскільки відбувається спрощений процес перетворення внутрішньої енергії газу в механічну енергію рухомого ротора турбіни. Це дає можливість обходитися без котла, де утворюється пара високої температури під час нагрівання води.

У камеру згоряння газової турбіни за допомогою компресора подається повітря при температурі близько 200 °С та під великим тиском впорскується рідке паливо (гас, мазут). Унаслідок згоряння суміші утворюється розжарений до температури 1500—2200 °С газ, який з великою швидкістю та під значним тиском подається на лопаті турбіни й обертає її. Газові турбіни мають кілька роторів. Переходячи від одного до іншого ротора, газ поступово віддає свою внутрішню енергію, яка перетворюється в механічну енергію обертання ротора турбіни.

Сучасні газові турбіни розвивають потужність близько 150 МВт. Вони використовуються в газотурбінних силових генераторах теплових електростанцій, двигунах, що встановлюються на літаках.

Україна має повний завершений цикл виробництва надпотужних парових та газових турбін. Турбіни виробництва публічного акціонерного товариства «Турбоатом» (м. Харків) для теплових та атомних електростанцій успішно працюють у Болгарії, Ісландії, Китаї, Мексиці, Фінляндії та багатьох інших країнах (рис. 4).

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко