Теплові двигуни. Види двигунів

Теплові двигуни

Тепловим двигуном називається пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну енергію. У теплових машинах внутрішня енергія, звільняючись при згорянні палива, перетворюється на механічну енергію.

Існує кілька видів теплових двигунів:

- двигун внутрішнього згоряння;

- парова та газова турбіни;

- реактивний двигун.

Для характеристики ефективності теплового двигуна використовуютькоефіцієнт корисної дії (ККД).

ККД — відношення роботи, що виконується двигуном, до кількості теплоти, одержаної від нагрівача.

З усіх видів енергії 90 % отримують за рахунок згоряння палива. У ІІ столітті до нашої ери Герон Олександрійський створив парову машину — прообраз парової турбіни. Першу практично діючу парову машину створили Іван Ползунов у 1766 році та Джеймс Ватт у 1784 році. Перший двигун внутрішнього згоряння з’явився в 1860 році (його винахідник французький інженер Етьєн Ленуар). У 1892 році німецький інженер Рудольф Дизель створив новий двигун внутрішнього згоряння на більш дешевому паливі.

Ди́зельний двигу́н — двигун внутрішнього згорання, у якому використовується легке нафтове пальне. Це поршневий двигун типу бензинового, але тільки повітря (а не паливо-повітряна суміш) заходить у циліндр при першому такті поршня. Поршень піднімається і стискає повітря до дуже високої температури. У цей момент насос вприскує пальне, і через високу температуру повітря, воно загорається. Поки воно горить, поршень опускається вниз (робочий хід). Двигун економічний, названий іменем свого винахідника, Рудольфа Дизеля. Цикл роботи ДВЗ складається з процесів стискання, згорання, розширення, випуску відпрацьованих газів. У теоретичних циклах приймається, що впуск паливної суміші відбувається миттєво, що відповідає точці початку стискання.

Цикли карбюраторних та дизельних двигунів відрізняються характером процесу підведення тепла(згоряння). Слід зазначити, що на практиці цикл реальних ДВЗ відповідає комбінованому циклу або узагальненому, в якому перша частка тепла підводиться при V=пост., а друга при Р=пост.

Дизельні двигуни мають більший ресурс до капітального ремонту - 200-800 тис. км.

Характерним є звук помпи, яка під тиском вприскує паливо в циліндри.

1. Пристрій і карбюраторних двигунів 

>Карбюраторние двигуни проти іншими двигунами внутрішнього згоряння працюють за більш високих числах оборотів, оскільки робочий процес укарбюраторном двигуні може бути здійснений практично незалежно від числі оборотів.

Діапазон зміни складу суміші для карбюраторних двигунів значно вже, ніж для двигунів інших типів. Можливе об'єднання чи збагачення суміші вкарбюраторном двигуні обмежується межами займистості суміші.Карбюраторние двигуни можуть працювати у менших значеннях коефіцієнта надлишку повітря, ніж двигуни інших типів, що дозволяє отримати великі літрові потужності. У карбюраторних двигунах застосовується у основному кількісне регулювання потужності. Якісна регулювання утруднено вузьким діапазоном можливої зміни складу суміші.

>Пусковие двигуникарбюраторного типу з однією чи двома циліндрами працюють за двох- чичетирехтактному циклу. 

Реакти́вний двигу́н — двигун-рушій, що створює тягу (реактивну) внаслідок швидкого витікання робочого тіла із сопла, найчастіше робочим тілом є гарячі гази, що утворюються внаслідок спалювання палива у камерах згоряння. Бувають турбореактивні, пульсуючі (безкомпресорні), прямоточні (ефективно працюють тільки при надзвукових швидкостях) таракетні двигуни.

Авіаційні реактивні і газотурбінні двигуни[ред. • ред. код]

На відміну від поршневих двигунів, робочий процес у реактивних двигунах здійснюється безупинно. У камеру згоряння авіаційних реактивних двигунів роздільно подаються паливо з паливних баків і повітря, що забирається з атмосфери. Повітря піддається стиску, проходячи через дифузор (у прямоточних реактивних двигунах) чи турбіну. Відповідно до перетворень, яким піддається горюча суміш, камеру згоряння умовно поділяють на три зони. У першій паливо випаровується й утворює горючу суміш. У другій відбувається згоряння паливно-повітряної суміші. У третій продукти згоряння, температура яких досягає 2 300 °C, розбавляються повітрям, після чого їх можна подавати на турбіну, не побоюючись зруйнувати її лопаті. На виході з турбіни гази попадають у форсажну камеру. Сюди при необхідності подається додаткова порція палива, при згорянні якої одержують додаткову потужність.

Згоряння реактивних палив супроводжується утворенням нагару на форсунці, головці і стінках робочої камери. Нагар утворюється тим більше, чим вище температура кипіння, в'язкість і густина палива, а також вміст у ньому ароматичних вуглеводнів. Нагароутворення змінює гідравлічні характеристики форсунок, якість розпилення погіршується, що приводить до підвищеної димності двигуна. Робочий процес у газотурбінних установках подібний до процесу, що протікає в реактивних двигунах. В тому і в іншому випадку в камеру згоряння роздільно подають паливо і стиснене повітря. У першій зоні відбувається сумішоутворення, потім виникають зони активного горіння і догорання суміші. Продукти згоряння обертають колесо газової турбіни. Істотною відмінністю є те, що в газотурбінних установках немає форсажної камери. У газових турбінах продукти згоряння також розбавляються великою кількістю повітря, у результаті чого температура знижується з 1 800-2 000 °C до 600-850 °C. Таким чином, загальна кількість повітря, що витрачається, у кілька разів більша за стехіометрично необхідну. Однак кількість первинного повітря, яке подається в камеру згоряння, становить 25-35% від усієї кількості, так що коефіцієнт його надлишку при горінні дорівнює 1,1-1,5. Через великі втрати тепла ККД найпростіших газотурбінних установок становить 20-26%, комбінованих (обладнаних дизель-генератором з наддувом) – до 40%.

Стаціонарні газотурбінні установки при відповідній підготовці можуть споживати усі види палива, включаючи тверде (пилоподібне) і газоподібне.

Нарешті Джеймс Уатт винайшов паровий двигун, в якому сила виділяється пара подавалася безпосередньо на поршень під час його ходу, і відбувалася робота. У його двигуні поршень піднімався на три фути в циліндрі під тиском пари. Потім під дією сили тяжіння поршневий стрижень опускався в початкове положення. Це називається двигун односторонньої дії. Якщо пара постійно проникає в циліндр під час руху поршня, це вимагає його великої кількості. У сучасних двигунах тільки невелика кількість пари поступає в циліндр. І витрати пара невеликі.

Пізніше Уатт винайшов додаткову частину двигуна – конденсатор. Це була порожня ємність, пов'язана з циліндром трубами і клапанами. Пара надходила в неї, конденсировался знову в воду, щоб вона знову перетворилася потім в пар.

І третє удосконалення, запроваджене Уаттом, зводиться до того, що він знайшов спосіб для руху поршня таким чином, щоб пар штовхав його в ту і іншу сторону. Якщо не вдаватися до сили тяжіння при опусканні поршня, а натискати на нього, то буде відбуватися робота, вироблена паром. У цьому випадку поршень буде здійснювати роботу, рухаючись і вгору, і вниз. Це називається двигуном подвійної дії. Поршень парового двигуна може бути з'єднаний з насосом, важелем, колесом і змусить механізми рухатися.