Физическая основа и виды тепловых двигателей

Содержание



Введение										3

История тепловых двигателей						4

Физическая основа теплового двигателя					10

Виды тепловых двигателей							13

4.1 Паровые двигатели								13

	4.1.1 Паросиловая станция							13

	4.1.2 Паровая турбина							15

	4.1.3	Поршневая паровая машина					17

4.2 Двигатели внутреннего сгорания					19

	4.2.1 Цикл Карно								19

	4.2.2 Четырехтактный карбюраторный двигатель			21

	4.2.3 Двухтактный двигатель						23

	4.2.4 Бензиновый двигатель внутреннего сгорания		26

	4.2.5 Двигатель Дизеля							31

	4.2.6 Двигатель Стирлинга							32а

4.3 Реактивные двигатели							33

	4.3.1 Воздушно-реактивный двигатель					35

	4.3.2 Ракетные двигатели							38

4.4 Термомагнитные двигатели и тепловые двигатели 

	с внешним подводом тепла							41

5. КПД тепловых двигателей							47

5.1 Максимальное значение КПД тепловых двигателей		49

5.2 КПД двигателей внутреннего сгорания				52

6. Тепловые двигатели и окружающая среда					53

7. Практическая часть								60

8. Заключение										62

9. Приложение										63

10. Литература										68







1. Введение



	Запасы внутренней энергии в земной коре и в океанах практически безграничны. Для того чтоб превратить часть этой энергии в механическую, чаще всего пользуются тепловыми двигателями – устройствами, которые позволяют превращать внутреннюю энергию пара или газа в механическую.

	  К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

    Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливаются на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока, а также на всех атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания, на водном - двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины, на железнодорожном - тепловозы с дизельными установками, в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.  Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. Именно это и побудило меня к написанию этого реферата. Мне захотелось узнать как можно больше о том, что окружает нас, ведь тепловые двигатели в настоящее время используются везде, но все же не все знают их историю, их виды и то как они влияют на окружающую среду.













2. История тепловых двигателей

В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных.

Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.
История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.
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 позже великого Леонардо. Это было колесо с лопатками, в которое с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало вращаться. По существу, это была первая паровая турбина.
В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемёщался 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 порох, который затем поджигали.

Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх.

После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: 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 Папена 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. Примерная схема работы двигателя Папена в Приложении, рис 1

Об этом догадался современник Дени Папена 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. Примерная схема работы насоса Сэвери представлена в Приложении, рис 2.
Машина Ньюкомена, как и все ее предшественницы, работала прерывисто — между двумя рабочими ходами поршня была пауза. Высотой она 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. Примерная схема работы машины Ньюкмена представлена в Приложении, рис 3
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 стенкой цилиндра и поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался. Примерная схема работы машины Ползунова представлена в Приложении, рис 4.

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. Примерная схема работы машины Уатта  представлена в Приложении, рис 5.
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. 







	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

3. Физическая основа тепловых двигателей

Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внутренней энергии веществ.

  	Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию

  Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей.

Механическая работа в двигателе совершается при расширении рабочего вещества, перемещающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо возвращения поршня в его первоначальное положение, т.е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимаемым веществом является вещество в газообразном состоянии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар.

Работы теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.

    Полная механическая работа  А складывается из работы расширения газа   Арасш и работы сжатия газа Асж, совершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV<0, то Асж = - |Асж |<0, поэтому

                                                            А= Арасш - |Асж|.

  Для получения положительной полной механической работы (А>0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы его расширения.

С учетом формулы: A=pΔV имеем    А=(pрасш - pсж)ΔV.

  Изменение объема ΔV газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за цикличности работы двигателяю.

  Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому  перед сжатием газ должен быть охлажден, т.е. приведен в контакт с холодильной машиной – телом, имеющим более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширение газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие.

   Необходимое условие дл циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания – газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством – периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.



Рис. 1 Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке 1. 



Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.



































































4. Виды тепловых двигателей

4.1 Паровые двигатели.

4.1.1 Паросиловая станция.

Паросиловая станция. Работа этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других веществ (например, ртути). Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Поршневые двигатели в настоящее время находят применение только в железнодорожном и водном транспорте (паровозы и пароходы).

Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это хозяйство вместе носит название паросиловой станции. На паросиловой станции все время циркулирует одна и та же вода.



Рис.2. Схема оборудования 

паросиловой станции 

                      

Вода превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине (или в поршневой машине) и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный, бак (сборник) снова направляется в котел. 

В этой схеме паровой котел является нагревателем, а конденсатор — холодильником. Так как в установке циркулирует практически одна и та же вода (утечка пара невелика и добавлять воды почти не приходится), то в котле почти не получается накипи, т. е. осаждения растворенных в воде солей. Это важно, так как накипь плохо проводит тепло и уменьшает коэффициент полезного действия котла. В случае появления накипи на стенках котла ее удаляют. 







































































































4.1.2 Паровая турбина.

Паровая турбина – тепловой двигатель ротационного типа, преобразующий потенциальную энергию пара сначала в кинетическую энергию и далее в механическую работу. Паровые турбины применяются преимущественно на электростанциях и на транспортных силовых установках – судовых и локомотивных, а также используются для приведения в движение мощных воздуходувок и других агрегатов.

Турбина (см. рисунок 4) состоит из стального цилиндра, внутри которого находится вал с укрепленными на нем рабочими колесами. На рабочих колесах находятся особые изогнутые лопатки (b). Между рабочими колесами помещаются сопла или направляющие лопатки (a). Пар, вырываясь из промежутков между направляющими лопатками, попадает на лопатки рабочего колеса. Рабочее колесо при этом вращается, производя работу. Причиной вращения колеса в паровой турбине является реакция струи пара. Внутри турбины пар расширяется и охлаждается. Входя в турбину по узкому паропроводу, он выходит из нее по очень широкой трубе. 

После турбины или поршневой машины пар поступает в конденсатор, играющий роль холодильника. В конденсаторе пары должны превратиться в воду. Но пар конденсируется в воду только в том случае, если отводится выделяющаяся при конденсации теплота испарения. Это делают при помощи холодной воды. Например, конденсатор может быть устроен в виде барабана, внутри которого расположены трубы с проточной холодной водой.

В зависимости от степени расширения пара в рабочих лопатках различают активные и реактивные турбины. Пар в активной турбине расширяется только в соплах, и его давление при прохождении каждого венца с рабочими лопатками не изменяется. Поэтому активная турбина называется также турбиной равного давления. В соплах реактивных турбин в отличие от активных происходит лишь частичное расширение пара; дальнейшее расширение происходит в рабочих лопатках. Поэтому иногда реактивная турбина называется турбиной избыточного давления.



Рис. 3 Лопатки на рабочем колесе паровой турбины

Отметим, что турбина может вращаться только в одном направлении и скорость вращения ее не может меняться в широких пределах. Это затрудняет применение паровых турбин на транспорте, но очень удобно для вращения электрических генераторов.



Рис.4. Схема устройства паровой турбины

Весьма важной для электрических станций является возможность строить турбины на громадные мощности (до 1 000 000 кВт и более), значительно превышающие максимальные мощности других типов тепловых двигателей. Это обусловлено равномерностью вращения вала турбины. При работе турбины отсутствуют толчки, которые получаются в поршневых машинах при движении поршня взад и вперед.











4.1.3 Поршневая паровая машина.

Основы конструкции поршневой паровой машины, изобретенной в конце XVIII века, в основном сохранились до наших дней. В настоящее время она частично вытеснена другими типами двигателей. Однако у нее есть свои достоинства, заставляющие иногда предпочесть ее турбине. Это — простота обращения с ней, возможность менять скорость и давать задний ход.

В основу краткой классификации паровой машины могут быть положены признаки:

		по назначению: стационарные, паровозные, судовые, локомобильные, автомобильные и др.;

		по расположению и числу цилиндров: горизонтальные, вертикальные, наклонные; одноцилиндровые и многоцилиндровые – тандем-машины и компаунд-машины;

		по числу оборотов: тихоходные, среднеходные, быстроходные;

		по давлению и способу использования отработавшего пара: конденсационные, с выхлопом в атмосферу, с противодавлением, с промежуточным отбором пара;

		по действию пара на поршень: простого и двойного действия;

		по типу парораспределения: золотниковые, клапанные, крановые, прямоточные.

Устройство паровой машины показано на рисунке 5. Основная ее часть — чугунный цилиндр 1, в котором ходит поршень 2. Рядом с цилиндром расположен парораспределительный механизм. Он состоит из золотниковой коробки, имеющей сообщение с паровым котлом. Кроме котла, коробка посредством отверстия 3 сообщается с конденсатором (в паровозах чаще всего просто через дымовую трубу — с атмосферой) и с цилиндром посредством двух окон 4 и 5. В коробке находится золотник 6, движимый специальным механизмом посредством тяги 7 так, что, когда поршень движется направо (рис. а), левая часть цилиндра через окно 4 сообщается с паровым котлом, а правая — через окно 5 с атмосферой. Свежий пар входит в цилиндр слева, а отработанный пар из правой части цилиндра уходит в атмосферу. Затем, когда поршень движется налево (рис. б), золотник передвигается так, что свежий пар входит в правую часть цилиндра, а отработанный пар из левой части уходит в атмосферу. Пар подается в цилиндр не во все время хода поршня, а только в начале его. После этого благодаря особой форме золотника пар отсекается (перестает подаваться в цилиндр) и работа производится расширяющимся и охлаждающимся паром. Отсечка пара дает большую экономию энергии. 

		



Рис.5. Принцип действия паровой машины





























4.2 Двигатели внутреннего сгорания.

4.2.1 Цикл Карно.

Цикл Карно́ — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД и нулевой мощностью.

Цикл Карно назван в честь фразцузского физика Сади Карно, который впервые его исследовал в 1824 году.

Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Пусть тепловая машина состоит из нагревателя с температурой TH, холодильника с температурой TX и рабочего тела.

Цикл Карно состоит из четырёх стадий:

1. Изотермическое расширение (на рисунке 6 — процесс A→Б). В начале процесса рабочее тело имеет температуру TH, то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передает ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается.

2. Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение (на рисунке 6 — процесс Б→В). Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника. 



Рис.63. Изотермическое сжатие (на рисунке 6— процесс В→Г). Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру TX, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты QX.

4. Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие (на рисунке 6— процесс Г→А). Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остается постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия (поскольку    при δQ = 0). Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). 































































4.2.2 Четырехтактный карбюраторный двигатель.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

 Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

 В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе рабочий цикл происходит следующим образом:

1. Такт впуска По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 - 0.095 МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь .

2. Такт сжатия. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

3. Такт расширения или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ.В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 -0.75 МПа, а температура до 950 - 1200 С.                                                                                                                                                 4. Такт выпуска . При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.







































































4.2.3 Двухтактный двигатель.

Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных двигателей - продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. Поэтому двигатель данного вида имеет компрессор (продувочный насос). Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет три окна: впускное, выпускное 6 и продувочное, которое сообщается клапаном скривошипной камерой двигателя.

 Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта:

1. Такт сжатия . Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора через открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.

 Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу ,давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

 Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя отличается от рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем, что у дизеля в цилиндр поступает воздух, а не горючая смесь, и в конце процесса сжатия впрыскивается мелкораспыленное топливо.

 Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%.

Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два такта, или за один оборот коленчатого вала. Рассмотрим рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой,

 Процесс сжатия горючей смеси, находящейся в цилиндре, начинается с момента закрытия поршнем окон цилиндра при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Процесс сжатия протекает также, как и в четырехтактном карбюраторном двигателе,

 Процесс сгорания происходит аналогично процессу сгорания в четырехтактном карбюраторном двигателе.

 Процесс теплового расширения газов, находящихся в цилиндре, начинается после окончания процесса сгорания и заканчивается в момент открытия выпускных окон. Процесс теплового расширения происходит аналогично процессу расширения газов в четырехтактном карбюраторном двигателе .Процесс выпуска отработавших газов начинается при открытии выпускных окон, т.е. за 60 65 до прихода поршня в НМТ, изаканчивается через 60 - 65 после прохода поршнем НМТ. По мере открытия выпускного окна давление в цилиндре резко снижается, а за 50 - 55 до прихода поршня в НМТ открываются продувочные окна и горючая смесь, ранее поступившая в кривошипную камеру и сжатая опускающимся поршнем, начинает поступать в цилиндр. Период, в течение которого происходит одновременно два процесса - впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов,- называют продувкой. Во время продувки горючая смесь вытесняет отработавшие газы и частично уносится вместе с ними. При дальнейшем перемещении к ВМТ поршень перекрывает сначала продувочные окна, прекращая доступ горючей смеси в цилиндр из кривошипной камеры, а затем выпускные и начинается в цилиндре процесс сжатия.

































4.2.4 Бензиновые двигатели внутреннего сгорания.

Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

Рассмотрим устройство четырехтактного бензинового двигателя автомобильного типа (см. рисунок 8).  





Рис.8 Устройство поршня двигателя внутреннего сгорания.

Справа показано присоединение шатуна к поршню



  шатуна к поршню



Рис. 6. Устройство двигателя внутреннего сгорания

Рис. 9









Внутри цилиндра передвигается поршень (рис. 9). Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружинящими кольцами 2, вложенными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем 3 («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном 4. Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу 5.



Рис.10 Схема устройства карбюратораВерхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны имеют вид тарелок, прижимаемых к отверстиям пружинами. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).













Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке 10. Если в цилиндре открыт только впускной клапан и поршень движется к коленчатому валу, то сквозь отверстие 1 засасывается воздух. Воздух проходит мимо трубочки 2, соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 находится бензин, подцеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь при натекании бензина в камеру, запирает отверстие 5 особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина, если уровень его повысится. Воздух, проходя с большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и распыляет его (по принципу пульверизатора). Таким образом получается горючая смесь (пары бензина и воздух), приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заслонкой 7.



Рис.11 Такты работы двигателя 

            внутреннего сгорания

I такт		II такт		III  такт     IVтакт

Работа двигателя состоит из четырех тактов (рис. 11):

I такт — всасывание. Открывается впускной клапан 1, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.

II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжатии нагревается.

III такт — сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. с целью получения более равномерной работы двигателя ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель начал работать, его надо привести в движение внешней силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Добавим, что необходимой частью двигателя является приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (взрыв горючей смеси вместо сгорания, имеющего место при нормальной работе). Детонация не только вызывает понижение мощности, но и разрушительно действует на мотор. Охлаждение цилиндров производится проточной водой, отдающей теплоту воздуху, или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая цилиндры. Движение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе. Это — система медных трубок, по которым протекает вода. В радиаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого при движении вентилятором.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения (компактность, малая масса). С другой стороны, недостатками двигателя являются:

а) он требует жидкого топлива высокого качества;

б) невозможность получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов, например, не работает карбюратор).

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %.





























































4.2.5 Двигатель Дизеля

Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис. 11). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси. Однако в двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 8—9-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует.



Рис. 11

Степень сжатия есть отношение объема газа в цилиндре при положении поршня I к объему при положении поршня II

Это затруднение обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р. Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель). Устройство дизеля схематически показано на рисунке 12. В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500 - 600°С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр впрыскивается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. В некоторых типах дизелей компрессор отсутствует и впрыскивание топлива производится насосом, дающим очень большое давление. Зажигание разбрызганной и испарившейся нефти происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Во время горения нефти, продолжающегося значительно дольше, чем горение смеси бензин — воздух в автомобильном двигателе, поршень движется вниз и производит работу. Затем производится выбрасывание отработанных газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом дизеля является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бензине. Кроме того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания. Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес двигателя при данной мощности, дизели оказываются менее выгодными.





Рис.12 Схема двигателя Дизеля









































4.3 Реактивные двигатели.

Реактивный двигатель - двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. В результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции (отдачи) струи, перемещающая в пространстве двигатель и конструктивно связанный с ним аппарат в сторону, противоположную истечению струи. 

В кинетическую (скоростную) энергию реактивной струи в реактивном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). 

Для создания реактивной тяги, используемой реактивным двигателем, необходимы: 

	источник исходной (первичной) энергии, которая превращается в кинетическую энергию реактивной струи;

	рабочее тело, которое в виде реактивной струи выбрасывается из реактивного двигателя;

	сам реактивный двигатель - преобразователь энергии. 

Исходная энергия запасается на борту летательного или другого аппарата, оснащенного реактивным двигателем (химическое горючее, ядерное топливо), или (в принципе) может поступать извне (энергия Солнца). Для получения рабочего тела в реактивном двигателе может использоваться вещество, отбираемое из окружающей среды (например, воздух или вода); вещество, находящееся в баках аппарата или непосредственно в камере реактивного двигателя; смесь веществ, поступающих из окружающей среды и запасаемых на борту аппарата. В современных реактивных двигателях в качестве первичной чаще всего используется химическая энергия. В этом случае рабочее тело представляет собой раскаленные газы - продукты сгорания химического топлива. При работе реактивного двигателя химическая энергия сгорающих веществ  преобразуется в тепловую энергию продуктов сгорания, а тепловая энергия горячих газов превращается в механическую энергию поступательного движения реактивной струи и, следовательно, аппарата, на котором установлен двигатель. Основной частью любого реактивного двигателя является камера сгорания, в которой генерируется рабочее тело. Конечная часть камеры, служащая для ускорения рабочего тела и получения реактивной струи, называется реактивным соплом.

В зависимости от того, используется или нет при работе реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса - воздушно-реактивные двигатели (ВРД) и ракетные двигатели (РД). Наиболее широко реактивные двигатели используются на летательных аппаратах различных типов. 



















































4.3.1 Воздушно-реактивные двигатели.

Все ВРД - тепловые двигатели, рабочее тело которых образуется при реакции окисления горючего вещества кислородом воздуха. Поступающий из атмосферы воздух составляет основную массу рабочего тела ВРД. Таким образом, аппарат с ВРД несет на борту источник энергии (горючее), а большую часть рабочего тела черпает из окружающей среды. 

ВРД подразделяются на бескомпрессорные и компрессорные.

Бескомпрессорные ВРД отличаются тем, что необходимая подача сжатого воздуха для эффективного сжигания топлива осуществляется без применения компрессора; сжатие воздуха происходит во входном устройстве за счет скоростного напора набегающего потока. Они делятся на прямоточные и пульсирующие.

Прямоточные ВРД для повышения давления воздуха в камере сгорания используют только скоростной напор встречного потока. Присущие им положительные особенности: простота конструкции, легкость, а также возрастание реактивной тяги пропорционально квадрату скорости полета. Поэтому они особенно выгодны при больших сверхзвуковых скоростях полета. Недостаток – ничтожная тяга при малой скорости полета, поэтому прямоточные ВРД могут применяться на самолетах только в сочетании с другими двигателями, обеспечивающими необходимую тягу при взлете и на малых скоростях полета. Прямоточные ВРД устанавливают на зенитных управляемых ракетах, крылатых ракетах, сверхзвуковых истребителях-перехватчиках. Дозвуковые прямоточные двигатели применяются на вертолетах (устанавливаются на концах лопастей несущего винта).

Пульсирующий ВРД отличается от прямоточного тем, что воздух поступает в камеру сгорания не непрерывно, а периодически, импульсами. Давление в камере повышается за счет сгорания топлива. Пульсирующий ВРД может развивать необходимую тягу и при малых скоростях полета. Конструкция его проста. Основной недостаток – большой расход топлива. Пульсирующие ВРД имеют небольшую тягу и предназначаются лишь для летательных аппаратов с дозвуковой скоростью.



Компрессорные ВРД имеют центробежный или осевой компрессор, приводимый в действие газовой турбиной или авиационным поршневым двигателем, и соответственно подразделяются на турбокомпрессорные (или турбореактивные) и мотокомпрессорные.

Турбокомпрессорные (или турбореактивные) ВРД получили наиболее широкое распространение. Этими двигателями оснащено большинство военных и гражданских самолетов, их применяют на вертолетах. Они пригодны для полетов как с дозвуковыми, так и со сверхзвуковыми скоростями; их устанавливают также на самолетах-снарядах. Сверхзвуковые турбореактивные двигатели могут использоваться на первых ступенях воздушно-космических самолетов. 



Рис.13 Схема устройства турбореактивного двигателя



На рисунке 13 показана схема устройства одного из типов реактивных двигателей, устанавливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилиндрический корпус, открытый спереди (воздухоприемное отверстие) и сзади (выходное сопло).   

Воздух входит в переднее отверстие (это показано стрелками) и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затем вырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед. Эта сила и приводит в движение самолет.

Тяга турбореактивных двигателей с высотой и скоростью полета уменьшается, экономичность увеличивается. Для облегчения взлета самолета с таким двигателем иногда используют двигатели-ускорители. Также тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена путем дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.

Однако такие двигатели не всегда выгодны экономически. В этом случае для огромных транспортных самолетов лучше использовать турбовинтовые двигатели (ТВД). Последние снабжены винтом (или винтами) на валу двигателя впереди компрессора. Для этого нужно удлинить вал, соединяющий турбину с компрессором, добавить редуктор, который снизит частоту вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и пропеллер в основном будет вращаться вхолостую). Сила тяги складывается из тяги, возникающей как сила реакции при истечении газов из сопла, и из тяги винта (винтов), вращаемого специальной газовой турбиной или той же, которая вращает компрессор. При малой скорости полета основная доля тяги получается от работы винтов, на большой скорости – за счет силы реакции.



























4.3.2 Ракетные двигатели.



В отличие от ВРД все компоненты рабочего тела ракетного двигателя (РД)  находятся на борту аппарата, оснащенного им. 

РД в большинстве случаев используются на высокоскоростных летательных аппаратах. Ракетный двигатель обладает многими примечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном пространстве. 

РД подразделяются на двигатели, работающие на жидком топливе (горючее и окислитель), - жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), на двигатели, работающие на твердом топливе, - пороховые реактивные двигатели (ПРД), разновидностью которых являются твердотопливные ракетные двигатели (РДТТ), и на двигатели, работающие на гибридном ракетном топливе (ГРД).

 В стадии исследования, разработки и частичного применения находятся ракетные двигатели:

ядерные (собственно ядерные, термоядерные, радиоизотопные). Тяга двигателей создается за счет энергии, выделяющейся в результате реакции деления ядер тяжелых элементов (собственно ядерный), реакции управляемого синтеза ядер легких элементов (термоядерный) или в результате радиоактивного распада изотопов (радиоизотопный);

электрические (электромагнитные или плазменные, электростатические, электротермические). Для создания тяги с помощью рабочего тела используется электрическая энергия бортовой энергоустановки летательного аппарата;

газоаккумуляторные (сублимационные и др.). Тяга двигателя создается истечением газов или других продуктов через реактивное сопло за счет потенциальной энергии самих продуктов, принудительно созданной до полета летательного аппарата;

фотонные. Тяга двигателя создается направленным истечением квантов электромагнитного излучения – фотонов. Фотонный двигатель имеет предельно возможный удельный импульс, так как скорость истечения фотонов равна скорости света;

комбинированные.

По назначению и характеру использования в ракетно-космической технике ракетные двигатели подразделяются на основные (маршевые, стартовые) и вспомогательные  (рулевые, корректирующие, микроракетные, тормозные и др.). 



Жидкостные ракетные двигатели применяются на ракетах-носителях космических летательных аппаратов и космических аппаратах в качестве маршевых, тормозных и управляющих двигателей, а также на управляемых баллистических ракетах. ЖРД как основной самолетный двигатель почти не применяется из-за большого расхода топлива. 

ЖРД состоит из одной или нескольких камер сгорания с индивидуальным или общим реактивными соплами, системы подачи компонентов ракетного топлива, органов регулирования и вспомогательных агрегатов. 

ЖРД подразделяются:

по типу используемого ракетного топлива – однокомпонентные, двухкомпонентные (горючее и окислитель) и многокомпонентные;

по системе подачи топлива – вытеснительные (путем наддува баков, в которых содержится топливо, воздухом, газообразным азотом или продуктами сгорания самих компонентов топлива) и турбонасосные (в составе газовой турбины и топливных насосов на общем валу);

по схеме использования топлива – с дожиганием и без дожигания генераторного газа.

В качестве жидкого ракетного топлива используются:

в качестве горючего – легковоспламеняющиеся и, как правило, токсичные вещества углеводородного состава (спирты, типа керосин, жидкий водород) и азотоводородного состава (амины, гидразин, несимметричный диметилгидразин (так называемый,  гептил), аммиак и др.);

в качестве окислителя – высокоагрессивные и токсичные вещества (жидкий кислород, четырехокись азота и др.).





Твердотопливные ракетные двигатели используются в баллистических, зенитных, противотанковых и других ракетах военного назначения, а также на ракетах-носителях и космических летательных аппаратах. Небольшие твердотопливные двигатели применяются также в качестве ускорителей при взлете самолетов. 

РДТТ состоит из корпуса (камеры сгорания), в котором размещен весь запас ракетного топлива в виде заряда, реактивного сопла, воспламенительного устройства, а также может содержать устройство для регулирования тяги по величине и направлению и устройство «отсечки» тяги (выключения двигателя).

Твердое ракетное топливо содержит окислитель и горючее в твердой фазе. По сравнению с жидким ракетным топливом имеет преимущества: возможность длительного хранения ракеты в снаряженном состоянии и высокую плотность. Основные недостатки: трудность управления процессом сгорания и относительно невысокая теплота сгорания.





4.4 Термомагнитные двигатели

Тепловые двигатели с внешним подводом тепла.



По данным агенства экономических новостей, наиболее перспективными разработками в настоящее время являются  термомагнитный двигатель и тепловой двигатель с внешним подводом теплоты.

Термомагнитный двигатель выгодно отличается простой конструкцией, в котором тепловая энергия горячих газов, получаемых от сгорания топлива, переходит в механическую энергию за счет фазового перехода материала ротора из магнитного состояния в немагнитное и обратно. Двигатель может иметь коэффициент полезного действия выше, чем у двигателей внутреннего сгорания и для своей работы может даже использовать низкотемпературные газы (порядка 100 град. С), которые другие двигатели не могут использовать совсем или использовать с меньшей эффективностью. 

Используя горячие газы, полученные сжиганием жидкого или газообразного топлива, предложенный двигатель может заменять двигатели внутреннего сгорания. Однако новый двигатель гораздо проще по конструкции и работает без шума, что является его большим достоинством. 

Новый двигатель может также работать, используя горячие газы, являющиеся отходами при работе различных высокотемпературных агрегатов: металлургических печей, котельных установок и т.п. 

Рассматриваемый ниже двигатель с внешним подводом теплоты предназначен для утилизации тепловой энергии горячих газов, являющихся отходами различных производств и процессов. Извлеченное тепло двигатель превращает в механическую работу, которая с помощью электрогенератора может быть превращена в электроэнергию. В современном производстве тепловых отходов в виде газов горячих очень много. Это горячие газы, выходящие из металлургических печей, котельных установок разного рода, газы в трубах систем отопления. 

Наиболее перспективным применением двигателя является использование его в частных домах в районах с холодным климатом (Север РФ, Сибирь, Аляска, Канадский Север, Скандинавия). В этом случае тепло отходящих газов системы отопления будет использовано для обеспечения дома электроэнергией. Двигатель также может приводить в движение насос для подачи в дом воды из реки. 

Рассматриваемый двигатель разработан в Екатеринбурге Конюховым Дмитрием Леонидовичем  и не имеет зарубежных аналогов. 

В настоящий момент для двигателей с внешним подводом теплоты наиболее известен термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных двигателях.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл с изотермическим сжатием и адиабатическим расширением некого гипотетического двигателя. На рис. 14 приведен такой идеальный термодинамический цикл, показанный в pV- и sT-координатах.





































Рис. 14. Идеальный термодинамический цикл



В цикле принят изохорический процесс подвода теплоты так как, его термический КПД больше изобарического. Для упрощения расчетов, изохорический процесс 2–3 показан прямой линией.

Термический КПД цикла по sT-диаграмме рис. 14а:





(1)

         Термический КПД цикла по pV-диаграмме рис. 14б:





(2)



где:
P - степень повышения давления;
Q – показатель адиабаты;
T – степень сжатия.

Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения температур холодильника и нагревателя, а формулы (2) – соответствия между необходимой производимой работой, степенью сжатия и количеством подводимой теплоты.

Например, при T3 = 1173K; T1 = 337K; ? = 6,5; ? = 1,6 и ? = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при прочих равных условиях, сопоставимо с термическим КПД цикла Стирлинга.

Но в реальном двигателе добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно трудно, поэтому обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет выглядеть так, как показано на рис. 15.





Рис. 15. Реальный термодинамический цикл

 



Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и адиабатическим расширением воспользуемся рис. 16.



                    

















Рис. 16. Принцип работы ДВПТ


Такт впуска (рис. 16а)

В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее тело, с давлением p1 и температурой T1, поступает в цилиндр. В НМТ клапан в поршне закрывается.

Такт сжатия (рис. 16б).

При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q1 (см. рис. 1) рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается постоянной и равной T1. Давление рабочего тела возрастает и достигает значения p2.

Такт расширения (рис. 16в).

В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему телу. При мгновенном подводе теплоты Q2 к рабочему телу давление и температура в цилиндре возрастают, соответственно до p3 и T3. Рабочее тело воздействует на поршень и перемещает его к НМТ. В процессе адиабатного расширения рабочее тело производит полезную работу, а давление и температура уменьшаются до p1 и T1.

Такт выпуска (рис. 16г).

При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него осуществляется выпуск рабочего тела из цилиндра, с давлением p1 и температурой T1. В НМТ клапан в цилиндре закрывается.

Цикл замыкается.

Упрощенная схема двигателя представлена на рис. 17.

















                      





Рис. 17 Схема работы ДВПТ 





В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах, соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3 подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан 9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12 цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования движения 14.













































5. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

 Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. 

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

	Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:



где  - количество теплоты, полученное от холодильника, а  - количество теплоты, отданное холодильнику.

	Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:



				

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то <1.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1 – T2=0 двигатель не может работать.

                       

 Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива приведена в табл. 1 (цифры округлены).

Удельная теплота сгорания некоторых сортов топлива



Топливо



Удельная теплота сгорания, МДж/кг



Керосин 

Бензин

Уголь каменный

-бурый 

Дерево



44 

46 

30 

20 

10



















			таблица 1

Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 кг бензина. Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х З кг=138 МДж. Если при израсходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.= 29 : 138 = 0,21, т. е. равен 21 %.

























5.1 Максимальное значение КПД тепловых двигателей

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно . 			Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела.									Количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя при изотермическом расширении, равно

. 

Аналогично, при изотермическом сжатии рабочее тело отдало холодильнику

.



Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен

. 

Из последнего выражения видно, что КПД тепловой машины Карно зависит только от температур нагревателя и холодильника. Кроме того, из него следует, что КПД может составлять 100 % только в том случае, если температура холодильника равна абсолютному нулю, что недостижимо.

Можно показать, что КПД любой тепловой машины, работающей по циклу, отличному от цикла Карно, будет меньше КПД тепловой машины Карно, работающей при тех же температурах нагревателя и холодильника.

Передача тепла от нагревателя рабочему телу и от рабочего тела холодильнику происходит в цикле Карно в отсутствии разности температур. Благодаря этому цикл Карно обратим (передача тепла при наличии конечной разности температур всегда необратима согласно постулату Томсона). Но при отсутствии разности температур тепло передается бесконечно медленно. Поэтому мощность тепловой машины Карно равна нулю.



Связь между обратимостью цикла и КПД

Рассмотрим изолированную систему, состоящую из нагревателя (температура TH), холодильника (температура TX) и рабочего тела. Пусть U — внутренняя энергия такой системы.

Поскольку система изолирована (не обменивается теплом с окружающей средой), работа, произведенная системой, равна убыли внутренней энергии:



Будем рассматривать внутреннюю энергию как функцию  и считать, что объём системы в результате процесса не изменился. Найдём производную работы по энтропии:

, 



здесь индекс V указывает на второй аргумент, от которого зависит дифференцируемая функция.

Отсюда видно, что работа, совершенная системой, убывает при увеличении энтропии. Так как в адиабатически изолированной системе энтропия не может уменьшаться (второе начало термодинамики), то максимальная работа соответствует случаю, когда , то есть цикл является обратимым.

Это значит, что обратимый цикл обладает также и максимальным КПД.

Для того, чтобы цикл был обратимым, из него должна быть исключена передача тепла при наличии разности температур (так как такие процессы необратимы в силу постулата Томсона). Значит, передача тепла должна осуществляться в изотермическом процессе. Для того, чтобы менять температуру рабочего тела от температуры нагревателя до температуры холодильника и обратно, необходимо использовать адиабатические процессы (они идут без теплообмена и, значит, тоже не влияют на энтропию). Мы приходим к выводу, что единственным обратимым циклом является цикл Карно.





























































5.2 КПД двигателей внутреннего сгорания.

Присматриваясь к условиям, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания, мы видим сходство с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Примерный энергетический баланс двигателя автомобильного типа показан на рисунке 18.



Рис.18 Примерный энергетический баланс

автомобильного двигателя внутреннего сгорания

























6. Тепловые двигатели и окружающая среда

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии. Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном - поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном - ДВС и паровые турбины; на ж/д. тепловозы с дизельными установками; в авиации - поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта. В тоже время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду. 

Главный пример тепловых двигателей – это автотранспорт. В наше время основная масса автотранспорта работает на тепловых двигателях. 

По данным Государственного доклада “О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2000 году” транспортный комплекс страны является одним из самых крупных загрязнителей окружающей среды, что негативно отражается на качестве атмосферного воздуха, почв, поверхностных вод. Транспорт является источником шумовой и вибрационной нагрузки, воздействующей на здоровье населения. Около 35 млн. городского населения России проживает в условиях акустического дискомфорта, обусловленного шумовым воздействием автомобильного и железнодорожного транспорта.

По оценке природоохранных органов в среднем по стране вклад транспорта в загрязнение атмосферного воздуха составляет 40 – 45 %, а в крупных городах – до 90% и более. Повышенному риску для здоровья из-за загрязнения воздуха транспортными выбросами подвергается не менее 15 млн. горожан. Структура выбросов в атмосферный воздух от передвижных источников приведена в Приложении, таблица 1. Доля наиболее опасных для окружающей среды и здоровья населения органических соединений (CnHm) и соединений азота (NOx) составляет соответственно 10% и 13%. Величина ежегодного эколого-экономического ущерба от функционирования автомобильного комплекса Российской Федерации достигает 110 млрд. руб., наибольшая доля этого ущерба (до 60%) связана с легковыми автомобилями.

Рассмотрим более подробно, как именно влияют на состояние окружающей среды автомобили с дизельными и карбюраторными двигателями.

Основная причина загрязнения воздуха заключается в неполном и неравномерном сгорании топлива. Всего 15% его расходуется на движение автомобиля, а 85% «летит на ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного двигателя – это своеобразный химический реактор, синтезирующий ядовитые вещества и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания, превращается в ядовитые окислы азота.

В отработавших газах двигателя внутреннего сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных компонентов, из них около 160 – производные углеводородов прямо обязаны своим появлением неполному сгоранию топлива в двигателе.

Отработавшие газы, продукты износа механических частей и покрышек автомобиля, а также дорожного покрытия составляет около половины атмосферных выбросов антропогенного происхождения. Наиболее исследованными являются выбросы двигателя и картера автомобиля. В состав этих выбросов, помимо азота, кислорода, углекислого газа и воды, входят такие вредные вещества, как окись углерода, углеводороды, окислы азота и серы, твердые частицы.

Состав отработавших газов зависит от рода применяемых топлива, присадок и масел, режимов работы двигателя, его технического состояния, условий движения автомобиля и др. Токсичность отработавших газов карбюраторных двигателей обусловливается главным образом содержанием окиси углерода и окислов азота, а дизельных – окислов азота и сажи (Приложение, таблица 2). 

К числу вредных компонентов относятся и твердые выбросы, содержащие свинец и сажу, на поверхности которой адсорбируются циклические углеводороды (некоторые из них обладают канцерогенными свойствами). Закономерности распространения в окружающей среде твердых выбросов отличается от закономерностей, характерных для газообразных продуктов. Крупные фракции (диаметром более 1 мм), оседая поблизости от центра эмиссии на поверхности почвы и растений, в конечном счете накапливаются в верхнем слое почвы. Мелкие фракции (диаметром менее 1 мм) образуют аэрозоли и распространяются с воздушными массами на большие расстояния.

В таблице десяти основных загрязнителей воздушной среды, составленной Организацией Объединенных Наций, окись углерода, помеченная силуэтом автомобиля, стоит на втором месте.

В 1986 году Россия подписала Женевское соглашение о выполнении стандартов Единой экологической комиссии ООН по экологии автотранспорта. Поэтому уже сейчас необходимо выполнять ряд мероприятий для улучшения экологической обстановки.

Каждый из нас в ответе за чистоту на нашей планете. Каждый водитель должен знать неисправности двигателя, неотлаженность систем питания или зажигания, неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и торможения, работа двигателя на холостом ходу приводят к загрязнению атмосферы.

Двигаясь со скоростью 80 – 90 км/час в среднем автомобиль превращает в углекислоту столько же кислорода, сколько 300 – 350 человек. Но дело не только в углекислоте. Годовой выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси углерода, 40 кг окислов азота и более 200 кг различных углеводородов. В этом наборе весьма коварна окись углерода. Из-за высокой токсичности ее допустимая концентрация в атмосферном воздухе не должна превышать 1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели людей, запускавших двигатели автомобилей при закрытых воротах гаража. 

Окислы азота токсичны для человека и, кроме того, обладают раздражающим действием. Особо опасной составляющей отработанных газов являются канцерогенные углеводороды, обнаруживаемые, прежде всего на перекрестках у светофоров.

При использовании этилированного бензина автомобильный двигатель выбрасывает соединения свинца. Свинец опасен тем, что способен накапливаться как во внешней среде, так и в организме человека.

На скорость распространения загрязнения и концентрацию его в отдельных зонах города значительно влияют температурные инверсии. Инверсионный слой выполняет роль экрана, от которого на землю отражается факел вредных веществ, в результате чего их приземные концентрации возрастают в несколько раз.

Из соединений металлов, входящих в состав твердых выбросов автомобилей, наиболее изученными являются соединения свинца. Это обусловлено тем, что соединения свинца, поступая в организм человека и теплокровных животных с водой, воздухом и пищей, оказывает на него наиболее вредное действие. До 50% дневного поступления свинца в организм приходится на воздух, в котором значительную долю составляют отработавшие газы автомобилей.

Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений, связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования энергии, борьба за её экономию. 

Экологизация  транспорта может состоять из организационно-планировочного и технологического направления.

Организационно-планировочное направление. Суть данного направления по оздоровлению среды жизнедеятельности человека состоит в следующем. В процессе планирования и застройки урбанизированных территорий целесообразно располагать места концентрации и хранения автотранспорта (гаражи, стоянки, места парковок, автохозяйства и т.д.) на экологически безопасном расстоянии от жилых и общественных зданий ( Приложение, таблица 3)

В микрорайонах больших и крупных городов с успехом развивается гаражное строительство в подземном и полуподземном вариантах. Объекты социальной инфраструктуры в данном случае желательно размещать не ближе чем в радиусе 15 км от вытяжной вентиляционной шахты (трубы) гаража.

Полосы зеленых насаждений могут довольно эффективно снижать уровень загрязнения атмосферного воздуха при воздействии выхлопных газов от автотранспорта, при этом варьируются ряды деревьев, кустарников и ширина полос.

За счет посадок зеленых насаждений возможно снижение загрязненности атмосферного воздуха на прилегающих у магистралям территориях на величину 1,5 – 2 ПДК (Приложение, таблица 4).



Технологическое направление. Весьма реальным мероприятием выглядит программа перевода автомобильного транспорта на экологические виды топлива, в том числе перевод городских автобусов, муниципального и ведомственного грузового транспорта, коммунальных и дорожно-транспортных машин на природный газ. Такую эколого-технологическую задачу в 1996 году поставили перед руководителями автохозяйств столицы Правительство Москвы и РАО «Газпром». Использование экологически более чистого моторного топлива – природного газа – позволит сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, окислов азота, что, в конечном счете, положительно скажется на здоровье горожан (социальный эффект) и обеспечит экономические выгоды автотранспортным предприятиям за счет сокращения почти вдвое расходов на оплату топлива (экономический эффект).

Московская фирма «ДИТО» предложила свой метод очистки и обработки дизельного топлива перед заправкой в баки автотранспорта, позволяющий снизить содержание канцерогенных полиароматических углеводородов в отработанных газах в 2,5 – 3,5 раза. 

Большое значение для экологизации транспорта имеют режимы движения, а также расходы топлива у двигателей внутреннего сгорания. Минимальный расход топлива происходит при режиме наката и торможения при скоростях движения грузового автомобиля 40 – 60 км/час и легкового автомобиля – 60 – 80 км/час. Продольные уклоны и резкие повороты на дорогах требуют перехода работы двигателя в режим тягового усилия, при котором расход топлива и, соответственно, токсичных выбросов увеличивается почти в 2 раза.

Снижение скорости движения автотранспортного потока (переход от оптимального режима к минимальному) может привести к увеличению расхода топлива и выбросов вредных веществ в 3 – 4 раза. При возникновении на пути движения заторов потребление горючего и, соответственно, выбросы возрастают многократно. В режиме разгона при переключении передачи расход топлива (по сравнению с оптимальным режимом) возрастает: на первой передаче – в 5 – 10 раз; на второй передаче – в 2 – 4 раза; на третьей передаче – в 1,5 – 2 раза (Приложение, таблица 5).

Московский нефтеперерабатывающий завод наладил производство моторного топлива с улучшенными экологическими характеристиками. В бензинах вдвое снижено содержание серы (до 0,05%), ограничены содержание бензола (до 3 – 5%) и плотность. Допущено применение добавок и моющих присадок, что способствует снижению выбросов окиси углерода на 20 – 30% и сокращению расхода топлива на 2 – 4%.

Снижение токсичности автомобильных двигателей может быть достигнуто выполнением целого комплекса технологических мероприятий в стационарных условиях  (Приложение, таблица 6).

Следует сказать, что городской транспорт является источником шумового воздействия на окружающую среду. На магистральных улицах с интенсивным движением уровень шума достигает в среднем 81 дБА. 

Площадь распространения шумового влияния от городского транспорта зависит от многих факторов, в том числе от состояния дорог, рельсовых путей, подвижного состава, работы двигателя и т.п.

Для выявления зон акустического дискомфорта в городских условиях следует осуществлять экологические исследования и разрабатывать шумовую карту, особенно для городов-мегаполисов. В числе противошумных мероприятий можно рекомендовать возведение экранов в виде стен, гаражей, жилых зданий, многорядных зеленых насаждений.

Медико-экологическая значимость шумового воздействия в городах России диктует необходимость разработки и внедрения акустического мониторинга для контроля уровня шума.

На основании данных акустического мониторинга, возможны оптимизация интенсивности и структуры транспортных потоков, регулирование режима работы промышленных объектов, корректировка генеральных планов города.

Одним из методов снижения влияния шумовой нагрузки на здоровье населения является введение платы из расчета стоимости одного децибела.









7. Практическая часть

Во время подготовки данного реферата мне стало интересно, какое количество вредных веществ выделяется при работе транспорта с карбюраторным и дизельным двигателями.

Для этого я выбрала наиболее удобное время и место для наблюдения: 17.00-17.15 на площади Маяковского.

Я посчитала примерное количество автотранспорта, которое проедет за 15 минут на промежутке 100 м.

Всего получилось 172 машины, из них 24 машины с дизельным двигателем и 148 – с карбюраторным двигателем.

Так как за 15 минут всего проехало 172 машины, то за 1 час – 688 машин (172 машины*4), из них 96 машин с дизельным двигателем и 592 машины с карбюраторным двигателем.

Общий путь, который прошли все машины за 1 час, равен 68800 м (9600 м – с дизельным двигателем; 59200 м – с карбюраторным двигателем)

Далее я посчитала, какое количество топлива сжигается двигателем автомобиля за 1 час:

дизельный двигатель – 3840 л.

карбюраторный двигатель – 5920 л.

Из этого можно сделать вывод, что дизельный двигатель экономичнее. Но остается вопрос, какой же двигатель выделяет меньше вредных веществ? Это мы можем увидеть из таблицы 2, приведенной ниже.



дизельный двигатель

карбюраторный двигатель



на 100 м пробега

на 9600 м пробега

на 100 м пробега

на 59200 м пробега

CO

0,015 л

1,44 л

0,06 л

35,52 л

углеводороды

0,0025 л

0,24 л

0,01 л

5,92 л

диоксид азота

0,001 л

0,096 л

0,004 л

2,368 л

таблица 2

Из таблицы мы видим, что транспорт, работающий на дизельных двигателях выбрасывает меньшее количество вредных веществ, по сравнению с транспортом, работающим на карбюраторных двигателях. Следовательно, если дизельные двигатели выгоднее и лучше, т.к. и расход топлива у них значительно меньше, чем у карбюраторных и количество выделяемых вредных веществ меньше, по сравнению с теми же карбюраторными двигателями, хотя и дизельные и карбюраторные двигателя относятся к тепловым двигателям.





















































8. Заключение.

В данной работе я изучила все, что как-либо связано с тепловыми двигателями. И теперь можно сказать, что тепловые двигатели оказывают очень плохое воздействие на окружающую среду, и, что пришло время придумывать новые виды двигателей и находить новые виды топлива и источников энергии, которые будут более экологически чище и экономически выгоднее тепловых двигателей. Пусть проходит эра тепловых двигателей, пусть у них много недостатков, пусть появляются новые виды двигателей, не загрязняющие окружающую среду, но тепловые двигатели еще долго будут приносить пользу людям, и люди через многие сотни лет будут по доброму отзываться о них, ибо именно они вывели человечество на новый уровень развития, а пройдя его, человечество поднялось еще выше.





























9. Приложение.

рисунок 1, примерная схема работы модели Папена

В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара – его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому  двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить – от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.

И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот  же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего – его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате – один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё. 

рисунок 2, примерная схема работы насоса Сэвери

Работа насоса происходила так: пар в насосном резервуаре охлаждался впущенной через кран водой, создавая в нём (в резервуаре) давление ниже атмосферного, из-за чего происходило всасывание воды из шахты; после этого в резервуар подавался пар, который и вытеснял всосанную воду; затем описанный цикл повторялся. Клапаны обеспечивали работу насоса: они не допускали попадания пара в шахту, попаданию воды в резервуар тогда, когда этого не было нужно, не допускали обратный сток воды в шахту.



рисунок 3, примерная схема работы машины Ньюкмена

Принцип действия машины был несложен: давление пара, впускаемого в цилиндр, поднимало поршень вверх. Когда он достигал определённой точки, в цилиндр подавалась холодная вода, из-за чего пар конденсировался, и давление резко падало – поршень начинал двигаться вниз под действием атмосферного давления. 

   Исходя из описанного принципа действия, машину Ньюкомена правильнее называть пароатмосферной, так как атмосферное давление играет не меньшую, чем пар, роль.

рисунок 4, примерная схема работы машины Ползунова 

Схематическая конструкция машины показана на рисунке. У ней было два цилиндра, поршни которого были соединены таким образом, что, когда один из них опускался, то другой в это время поднимался. С помощью механизмов машина работала самостоятельно, требовалось лишь подбрасывать топливо в топку котла.  В машине использовалось не только атмосферное давление, но и давление пара. Конструкция  Ползунова являлась машиной непрерывного действия. Механик также знал, как можно преобразовать возвратно-поступательное движение её во вращательное, если это потребуется, хотя 90% механизмов завода, на котором стояла машина, требовали именно возвратно-поступательного привода (воздуходувные меха, насосы и пр.). В целом, машина Ползунова являлась первым в мире универсальным тепловым двигателем.



рисунок 5, примерная схема работы машины Уатта

Машина имела цилиндр двойного действия: в то время, как в верхней его части происходило расширение пара, пар из нижней части выпускался в конденсатор, и наоборот. Для впуска – выпуска пара то из нижней, то из верхней части цилиндра Уатт применил золотник, являвшийся своеобразным краном и игравший не менее важную роль, чем поршень или цилиндр Уатт применил в своей машине ещё одно полезное приспособление – регулятор подачи пара, который заставлял работать машину с постоянным числом оборотов вала.



таблица 1. Структура и масса выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников в 2000 году (тыс. т)

передвижные источники

CO

CnHm

NOx

C

SO2

Pb

всего

автомобильный транспорт

10362,0

1461,0

1523,0

18,2

114,0

2,93

13481,1

речной транспорт

14,9

11,1

42,3

4,5

14,9

—

87,7

морской транспорт

11,6

8,0

29,4

2,6

30,5

—

82,1

воздушный транспорт

33,5

6,0

55,0

—

12,5

—

110,0

железнодорожный транспорт

36,7

22,7

149,0

9,0

—

—

217,4

промышленно-железнодорожный транспорт

7,8

4,5

33,0

1,6

—

—

46,9

дорожные машины

128,0

25,0

65,0

5,5

9,1

0,03

232,6

всего

10594,5

1538,3

1899,7

41,4

181,0

2,96

14257,8







таблица 2, нормативные требования для размещения автостоянок и гаражей.

тип здания

расстояния (м)



открытые площадки (машиномест)

гаражи



300

300 – 100

100 – 51

51 – 11

меньше



жилые дома и гостиницы

50

35

25

15

10

15

школы и детские учреждения

-

50

25

25

15

25

лечебные учреждения (стационар)

-

-

-

50

25

25

другие социальные здания

не лимитируются



таблица 3, эффективность снижения уровня загрязненности атмосферного воздуха при озеленении территорий.

тип зеленых насаждений

ширина полос, м

процент снижения загрязненности воздуха, %





зимой

летом

однорядная полоса деревьев

5

0 – 3

7 – 10

двурядная полоса деревьев

10

3 – 5

10 – 20

двухрядная полоса деревьев с двухрядным кустарником

10

5 – 7

30 – 40

трехрядная полоса деревьев с двухрядным кустарником

15

10 – 12

40 – 50

четырехрядная полоса деревьев с двухрядным кустарником

25

10 – 15

50 – 60





















таблица 4, характеристика выбросов загрязняющих веществ в зависимости от режима работы двигателя

тип двигателя и загрязняющие вещества

процент выбрасываемых загрязняющих веществ при режимах:



холостого хода

разгона

движения с постоянной скоростью

торможения

бензиновый двигатель

оксид углерода

6,9

2,9

2,7

3,9

углеводороды

0,53

0,16

0,10

1,0

оксиды азота

3·10-3

0,1

0,065

0,02

альгиды

3·10-3

2·10-3

1·10-3

0,03

дизельный двигатель

оксид углерода

следы

1000

следы

следы

углеводороды

0,04

0,02

0,01

0,03

оксид азота

6·10-3

35·10-3

24·10-3

3·10-3

альгиды

1·10-3

2·10-3

1·10-3

3·10-3



таблица 5, эффективность технологических мероприятий по снижению токсичности автомобильных двигателей.

наименование мероприятия

изменение выброса токсичных веществ



CO

углеводороды

NO к NO2

установка регулятора разряжения – экономайзера – холостого хода

снижение на 10 – 30 %

увеличение на 10 – 30 %

увеличение на 5 – 7 %

установка приоткрывательной дроссельной заслонки

увеличение на 5 – 10 %

снижение на 25 %

без изменений

устройство управляемого горения

увеличение на 5 – 8 %

снижение на 30 %

без изменений

установка экономайзера принудительного холостого хода

снижение на 5 %

снижение на 30 %

без изменений

автономная система холостого хода

снижение на 40 %

снижение на 10 %

увеличение на 10 %

бесконтактная система зажигания

без изменений

снижение на 5 %

увеличение до 5 %

система рециркуляции отработавших газов

увеличение на 5 %

увеличение на 5 – 15 %

снижение на 40 – 60 %







10. Литература



Ландсберг Г. С. Элементарный учебник по физике. Том I. Механика. Теплота. Молекулярная физика /  Г. С. Лансберг. Москва: ШРАЙК, 1995. – с. 608, илл.

Двигатели Стирлинга: Сборник статей / Перевод с англ. Б.В. Сутугина; под ред. д.т.н., проф. В.М. Бродянского. – М.: «Мир», 1975.

Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение», 1977.

Мамин Р. Г. Безопасность природопользования. Экология здоровья / Р. Г. Мамин. Москва: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – с. 238

Голубев А. Г. Новиков Б. И. Окружающая среда и транспорт / А. Г. Голубев Б. И. Новиков. Москва: Транспорт, 1987 – с. 207

- 49 -



- 51 -