Принцип работы теплового двигателя, что такое тепловой двигатель

История создания

Первые упоминания о подобном устройстве связаны с римской империей. В то время тепловой двигатель не получил широкого распространения ввиду низкого развития техники.

• История создания
• Виды тепловых двигателей
• Принцип работы теплового двигателя и его устройство
• Как работают двухтактные двигатели
• Как работают 4-х тактные двигатели
• Схема работы двигателя внешнего сгорания
• Достоинства и недостатки теплового двигателя
• Область применения

В III веке до н.э. Архимедом была построена паровая пушка.

Рис. №1. Тепловой двигатель.

Леонардо да Винчи изобразил на своем рисунке цилиндр с поршнем, с находящейся в нём водой. На создание этого эскиза повлияла разработка Архимеда. По его замыслу работу цилиндра можно было описать так: при нагревании воды выделяющийся пар выталкивает поршень в цилиндре вверх. На этом принципе была основана работа паровой пушки. Пар от нагретой воды был способен придавать энергию движения снаряду, и он выстреливал.

В 1690 году Дени Папену удалось собрать цилиндр с двигающимся поршнем. Но нагревание воды и ее охлаждение приходилось осуществлять вручную. Именно поэтому такой вариант паровых машин не нашел применения.

В 1763 году Ползунову удалось изобрести паровой двигатель с двумя цилиндрами. Эта особенность обеспечивала непрерывную работу машины.

В 1766 году он изобрел паровой двигатель с мощностью в 32 л.с. Запустили двигатель после его смерти. Изобретение Ползунова работало в плавильных печах на протяжении 3 месяцев. После чего вышел из строя, а ввиду отсутствия мастеров по ремонту так и остался в неисправном состоянии.

Джеймсу Уатт в 1782 году получил патент на усовершенствованный изобретенный задолго до него паровой насос – паровую машину с двойным действием.

Виды тепловых двигателей

Выделяют:

Внутреннего сгорания. Среди них выделяют 2-х и 4-х тактные;

Внешнего сгорания.

Принцип работы теплового двигателя и его устройство

Устройство теплового двигателя представлено следующими элементами:

• Свечи зажигания;
• Цилиндр;
• Поршни;
• Кривошипная камера;
• Впускной и выпускной клапаны.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания подразделяются на 2-х и 4-х тактные.

Такт – это процессы, происходящие в двигателе за одно движение поршня.

Как работают двухтактные двигатели

Все процессы происходит в 2 этапа:

1 такт. Сжимание воздуха.

В этот период клапан выпуска и впуска находятся в закрытом состоянии.

Поршень, поднимаясь, закрывает поочередно клапан впуска и выпуска. Это приводит к тому, что смесь газов и топлива сжимается.

В герметичную кривошипную камеру в следствие создания разряженного воздуха под поршнем следует горючее из карбюратора, клапан впуска при этом открыт;

2 такт. Рабочий ход.

Как только поршень начинает приближаться к ВМТ, свеча зажигания подает искру в камеру. В результате чего происходит воспламенение смеси топлива и газов, что ведет к увеличению температуры и давления в полости цилиндра

Увеличившееся давление обуславливает опускание поршня до НМТ. Начинается сжимание поршнём смеси газов и воздуха в кривошипной камере. Это ведет к тому, что клапан впуска закрывается, тем самым препятствует попаданию горючего в коллектор и карбюратор.

Опускаясь до НМТ, поршень открывает клапан выпуска, происходит выход выхлопных газов.

Как работают 4-х тактные двигатели

Рисунок №2. Схематическое изображение работы ДВС.

Все процессы происходят в 4 этапа:

1 такт впуска.

Открывается впускной клапан в результате движения поршня к НМТ. Подача смеси горючего из карбюратора происходит как раз через этот клапан. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан переходит в закрытое состояние;

2 такт. Сжатие горючей смеси.

Поднимаясь до ВМТ происходит сжатие горючей смеси поршнем. Как только поршень начинает приближаться в верхней точке, начинается подача искры свечой зажигания. В результате чего происходит воспламенение смеси;

3 такт. Процессы расширения.

Вышеописанные моменты приводят к горению топливовоздушной смеси и высвобождению большого количества тепла. Увеличившееся давление давит на поршень, тем самым, заставляя его опускаться вниз. Клапаны здесь закрыты;

4 выпускной такт.

Коленвал продолжая своё движение, обеспечивает движение поршня к верхней мёртвой точке. По мере продвижения поршня наверх, происходит открытие клапана выпуска. Через него происходит удаление выхлопных газов. Как только поршень достигает верхней границы, впускной клапан закрывается.

Схема работы двигателя внешнего сгорания

Рис.3. Схема работы двигателя внешнего сгорания.

Принцип работы основан на чередовании нагревания и охлаждения воздуха в ограниченном пространстве и высвобождении энергии в результате изменения объема воздуха.

Это Интересно! Двигатель Стирлинга используется в холодильном оборудовании. Принцип его работы в этом случае обратный и заключается в раскручивании вала двигателем. Что приводит к охлаждению головки цилиндра.

Достоинства и недостатки теплового двигателя

К положительным характеристикам теплового двигателя можно отнести:

• Простота работы, надежность. Соответственно низкая стоимость ремонтных работ;
• Независимость от дополнительного источника энергии;
• Высокоэффективный тип двигателя;
• Выступает как источник электричества как для индивидуального применения, так и в более широких кругах;
• Относительно небольшие размеры.

Помимо достоинств, имеется несколько существенных недостатков:

• Тепловой двигатель обладает низким коэффициентом полезного действия;
• Неблагоприятное воздействие на экологию;
• Оказывает влияние на процесс глобального потепления;
• Затраты большого количества кислорода с дальнейшим превращением его в углекислый газ.

Отличия теплового двигателя от инжекторного

В тепловом двигателе происходит формирование смеси топлива и воздуха, а также контролируется ее расходование. Подача смеси осуществляется благодаря разному давлению атмосферного воздуха и коллектора впуска. В инжекторе смесь подается в камеру сгорания путем впрыскивания её форсунками;

В тепловом двигателе смесь газов и топлива подается всегда в одинаковом количестве, в инжекторной системе количество смеси зависит от конкретных условий работы двигателя;

Тепловые двигатели подвержены перепадам температурных условий;

Ремонт теплового двигателя гораздо проще и дешевле инжектора.

Область применения

Двигатели внутреннего сгорания нашли широкое применение в транспортных установках и сельскохозяйственных машинах, а так же используются электростанциями, энергопоездами и для запуска генератора (как аварийного источника электроэнергии).

Тепловые 2-х тактные двигатели внутреннего сгорания применяются в технике малой мощности

Двигатель внутреннего сгорания устанавливается в:

• Роторные двигатели;
• Реактивные и турбореактивные двигатели;
• Газотурбинные установки.

Это Интересно! Самые большие тепловые двигатели устанавливают на водных суднах. Мощность таких моторов составляет более 108 тысяч лошадиных сил!

Тепловой двигатель получил широкое распространение в современных условиях от маломощной техники до тепловых электростанций. Существенным минусом его использования является неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Для предотвращения этого необходимо совершенствовать устройство и работу таких двигателей, а также использовать технологии по энергосбережению.