Парові машини. Дизельні двигуни. Двигуни внутрішнього згоряння. Цикл Саді Карно
- Двигун внутрішнього згорання
В даний час існує велике количество пристроїв, що використовують теплове розширення газів. До таких пристроїв відноситься карбюраторний двигун, дизелі, турбореактивні двигуни і т. д.
Теплові двигуни можуть бути розділені на дві основні групи. 1. Двигуни з зовнішнім згорянням - парові машини, парові турбіни, двигуни
Стирлинга і т. д. Двигуни внутрішнього згоряння. Як енергетичні установки автомобілів найбільше поширення одержали двигуни внутрішнього згоряння, у яких процес згоряння палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. На більшості сучасних автомобілів установлені двигуни внутрішнього згоряння.
Найбільш економічними є поршневі і комбіновані двигуни внутрішнього згоряння. Вони мають досить великий термін служби, порівняно невеликі габаритні розміри і масу. Основним недоліком цих двигунів варто вважати зворотно-поступальний рух поршня, зв'язаний з наявністю кривошатунного механізму, що ускладнює конструкцію й обмежує можливість підвищення частоти обертання, особливо при значних розмірах двигуна.
А тепер небагато про перший ДВС. Перший двигун внутрішнього згоряння (ДВС) був створений у 1860 р. французьким інженером Этвеном Ленуаром, але ця машина була ще дуже недосконалою.
У 1862 р. французький винахідник Бо де Роша запропонував використовувати в двигуні внутрішнього згоряння чотиритактний цикл: 1) усмоктування; 2) стиск; 3) горіння і розширення; 4) вихлоп. Ця ідея була використана німецьким винахідником Н. Отто, що побудував у 1878 р. перший чотиритактний двигун внутрішнього згоряння. КПД такого двигуна досягав 22%, що перевершувало значення, отримані при використанні двигунів усіх попередніх типів.
Швидке поширення ДВС у промисловості, на транспорті, у сільському господарстві і стаціонарній енергетиці була обумовлена поруч їхніх позитивних особливостей.
Здійснення робочого циклу ДВС в одному циліндрі з малими втратами і значним перепадом температур між джерелом теплоти і холодильником забезпечує високу економічність цих двигунів
Серед ДВС дизель у даний час є таким двигуном, що перетворить хімічну енергію палива в механічну роботу з найбільш високим КПД у широкому діапазоні зміни потужності. Це якість дизелів особливо важливо, якщо врахувати, що запаси нафтових палив обмежені.
До позитивних особливостей ДВС варто віднести також те, що вони можуть бути з'єднані практично з будь-яким споживачем енергії. Це порозумівається широкими можливостями одержання відповідних характеристик зміни потужності і моменту цих двигунів, що крутить. Розглянуті двигуни успішно використовуються на автомобілях, тракторах, сільськогосподарських машинах, тепловозах, судах, електростанціях і т. д. , тобто ДВС відрізняються гарною пристосовністю до споживача.
Порівняно невисока початкова вартість, компактність і мала маса ДВС дозволили широко використовувати їх на силових установках, що знаходять широке застосування і мають невеликі розмірів моторного відділення.
Установки з ДВС мають велику автономність. Навіть літаки з ДВС можуть літати десятки годин без поповнення пального.
Важливою позитивною якістю ДВС є можливість їхнього швидкого пуску в звичайних умовах. Двигуни, що працюють при низьких температурах, забезпечуються спеціальними пристроями для полегшення і прискорення пуску. Після пуску двигуни порівняно швидко можуть приймати повне навантаження. ДВС володіють значним гальмової моментом, що дуже важливо при використанні їх на транспортних установках.
Позитивною якістю дизелів є здатність одного двигуна працювати на багатьох паливах. Так відомі конструкції автомобільних многотопливных двигунів, а також суднових двигунів великої потужності, що працюють на різних паливах - від дизельного до казанового мазуту.
Але поряд з позитивними якостями ДВС володіють поруч недоліків. Серед них обмежене в порівнянні, наприклад з паровими і газовими турбінами агрегатна потужність, високий рівень шуму, відносно велика частота обертання колінчатого вала при пуску і неможливість безпосереднього з'єднання його з ведучими колісьми споживача, токсичність вихлопних газів, зворотно-поступальний рух поршня, що обмежують частоту обертання і є причиною появи неврівноважених сил інерції і моментів від них.
Але неможливо було би створення двигунів внутрішнього згоряння, їхнього розвитку і застосування, якби не ефект теплового розширення. Адже в процесі теплового розширення нагріті до високої температури гази роблять корисну роботу. Унаслідок швидкого згоряння суміші в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, різко підвищується тиск, під впливом якого відбувається переміщення поршня в циліндрі. А це-те і є та сама потрібна технологічна функція, тобто силовий вплив, створення великих тисків, що виконує теплове розширення, і заради який це явище застосовують у різних технологіях і зокрема в ДВС.