Основные узлы теплового двигателя

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Основные конструктивные узлы и системы двигателя.

Поршневые ДВС имеют следующие основные узлы и системы:

1. Остов двигателя, воспринимающий все усилия при работе двигателя. В него входят неподвижные детали: фундаментная рама с рамовыми подшипниками, станина, цилиндры, цилиндровые крышки;

2. Кривошипно-шатунный механизм, преобразующий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Основные детали — поршень, шток, поперечина (крейцкопф), шатун и коленчатый вал.

3. Механизм газораспределения(газораспределительные органы и привод), осуществляющий выпуск продуктов сгорания из цилиндра и впуск свежего заряда воздуха (в дизелях) или горючей смеси (в карбюраторных двигателях) ;

4. Топливоподающую систему,предназначенную для подготовки и подачи топлива в цилиндры двигателя. Система состоит из емкостей для хранения топлива, устройства для его очистки и топливной аппаратуры — насосов, форсунок (дизели), карбюратора (карбюраторные двигатели);

5. Систему зажигания, обеспечивающую в карбюраторных ДВС принудительное воспламенение горючей смеси в цилиндрах двигателя;

6. Систему охлаждениядля отвода теплоты от деталей двигателя. Она состоит из водяных насосов, фильтров, холодильников (теплообменников) и трубопроводов;

7. Систему смазки , обеспечивающую подвод смазочных материалов к трущимся деталям. В нее входят емкости и устройства для хранения, очистки, охлаждения и подачи смазки;

8. Систему управления,предназначенную для пуска, остановки, изменения частоты вращения и направления вращения коленчатого вала. В систему входят специальные механизмы и контрольно-измерительная аппаратура;

9. Систему регулирования,для поддержания заданных параметров работы двигателя в пределах установленного режима, к которым относятся: частота вращения коленчатого вала, температура и давление в системах охлаждения, смазки, топливоподачи;

10. Система наддува для подвода воздуха в цилиндры двигателя под избыточным давлением;

11. Систему выпуска для отвода отработавших газов и привода в действие турбокомпрессора;

12. Система пуска двигателей а-воздушная, б-эл.стартером, в-ручная, г-гидравлическая.

Остов двигателя

Остов двигателя состоит из следующих основных частей: фундаментной рамы, станины, цилиндров и цилиндровых крышек.

Все части остова образуют единую жесткую конструкцию, обеспечивающую отсутствие деформаций при работе двигателя от действия сил давления газов и сил инерции движущихся частей. Для надежной работы двигателя необходимо, чтобы ось коленчатого вала была прямолинейна, а ось движения (поршень, шток, шатун) — перпендикулярна оси вала. Эти требования выполняются при обработке деталей и сборке двигателя. Остов должен быть жестким для того, чтобы не было деформаций вызывающих искривление оси коленчатого вала и КШМ жесткость создается за счет выбора материалов для изготовления его частей, конструктивного оформления, проверки расчетов на прочность и способа соединения деталей между собой. В судовых дизелях применяют различные схемы конструктивного оформления деталей остова. Рассмотрим три основные схемы.

I — Остов крейцкопфного двигателя (рис.2.1.а)состоит из фундаментальной рамы 4, станины, выполненной из отдельных А-образных стоек 2 и цилиндров 1, закрытых крышками. Рама, станина и цилиндры связаны длинными анкерными связями 3. Увеличенное сечение высоких поперечных и продольных балок фундаментной рамы обеспечивает жесткость конструкции;

I I — Остов тронкового двигателя (рис.2.1.б)состоит из фундаментной рамы 3, станины 2, отлитой заодно с блоком цилиндров 1, и цилиндровых крышек. Жесткость остова обеспечивается высокой прочностью станины, поэтому рама двигателя имеет относительно малую высоту;

I I I — Общий блок — картер- фундаментная рама 3 (рис.2.1.в),к которой шпильками 4 крепятся подвесные рамовые подшипники 5 и длинными силовыми шпильками 2 — цилиндры 1. Эта конструкция применяется для двигателей небольших размеров и позволяет уменьшить их массу.

Фундаментные рамы. Фундаментная рама является основанием станины двигателя. Она воспринимает силу давления газов в цилиндре, силы инерции движущихся частей силу всех деталей, расположенных над рамой. На рамовых подшипниках лежит коленчатый вал двигателя. Рама должна иметь достаточную предельную и поперечную жесткость, что необходимо для работы коленчатого вала. Фундаментные рамы изготавливают из чугуна (С418-36, С428-48),сварными или сварно-литыми (сталь 25). Для быстроходных двигателей узел блок-картер-фундаментная рама отливают из алюминиевых сплавов АП5. Современное производство судовых двигателей характеризуются применением сварных и сварно-литых конструкций, что приводит к уменьшению массы на 20-25%; снижение стоимости на 10-20%; уменьшение брака при изготовлении.

Рис. 2.2

2-гнезда для рамовых подшипников;

3- продольные балки;

Рис. 2.3

2-фасонные приливы для анкерных связей;

3- продольные сварные балки;

5-легкий сварной поддон.

Рис. 2.4

2-клинья для регулировки;

3- судовой фундамент;

Рис. 2.5

2-3- верхний и нижний диски сферических самоустанавливающих прокладок;

Рис. 21

3-постель ромовых (коренных) подшипников;

4-опорные полки (лапы) рамы двигателя.

Нижняя часть рамы предназначена для присоединения к продольным балкам поддона для масла (маслосборника) сварной конструкции.

Рис.22Присоединение производят при помощи шпилек и болтов. Состоит из: 1— грязеуловительная сетка; 2— заборный маслопровод; 3— поперечные перегородки.

Рамовые (коренные) подшипники рис.23устанавливают на поперечных перегородках фундаментной рамы в специальных гнездах. Они предназначены для укладки коленчатого вала и состоят из: 1— верхний вкладыш; 2-нижний вкладыш, которые прижимаются к раме крышкой с помощью шпилек с гайками, болтами или домкратами.

Рамовые подшипники коленчатого вала устанавливают в гнездах фундаментной рамы, а при отсутствии рамы подвешивают на длинных шпильках к картеру.

На рамовый подшипник при работе двигателя действуют переменные силы: давление газов, инерции и массы. Конструкция и материал подшипника должны обеспечить их надежную работу и высокую износоустойчивость.

Различают толстостенные и тонкостенные вкладыши с заливкой антифрикционного сплава соответственно 1,76-2,5мм или 0,3-0,7мм. Тип подшипника зависит от применяемого для его заливки антифрикционного сплава. Для заливки рамовых подшипников применяют высокооловяннистые баббиты Б-83, Б-89, Б-88 (с кадмием); свинцовистую бронзу, медносвинцовые сплавы на алюминиевой основе и многослойные вкладыши.

Станина служит для поддержания блока цилиндров. Она соединяет блок цилиндра с фундаментной рамой и образует закрытую камеру для кривошипно-шатунного механизма (картер).

В зависимости от типа двигателя станина может быть выполнена в виде отдельных А-образных стоек или колонн.

Рис.2.8 —колонны устанавливают в плоскости поперечных балок фундаментной рамы или в плоскости вращения кривошипов для двигателей крейцкопного типа.

В ДВУХТАКТНЫХ двигателях часто применяется блок-картер, представляющий собой цельную отливку картера совместно с блоком цилиндров (рис.29).

Такое конструктивное решение обеспечивает компактность и уменьшение массы остова. Блок — картеры изготовляют литыми или сварными, цельными или составными из нескольких частей, соединенных между собой болтами и шпильками, оправдано с точки зрения унификации производства и удешевления стоимости ремонта. Замена одной секции вышедшей из строя дешевле, чем замена блок-картера в целом.

Цилиндровые втулки 4-х тактного ДВС состоят (рис.2.13) из: рубашки 1, вставленной рабочей втулки 2. В блоке втулка верхним фланцем 4 опирается на опорный буртик 3 рубашки и прижимается к нему крышкой цилиндра. Рубашки отливают из чугуна СЧ21-40; СЧ24-44; СЧ28-48.

Материал втулок должен обладать повышенной прочностью и износостойкостью, высокой плотностью, устойчивой против коррозии, хорошо обрабатывается. Материал для их изготовления чугун СЧ28-48, СЧ32-52, для высокооборотных форсированных сталь 35ХМЮА.

Цилиндровые втулки 2-х тактных ДВС( рис.30) состоят из: 1-верхний бурт; 2— блок; 3-масляный штуцер; 4-выпускные окна; 5-продувочные окна; 6-красномедные пояски; 7— уплотнительные резиновые кольца; 8— кожух для лабиринтового уплотнения; 9-масляный штуцер;10— водяные переходные патрубки; 11-уплотнительная красномедная прокладка.

Для уменьшения тепловых и механических напряжений, а также для понижения высоты блока цилиндров и уменьшения массы двигателя на некоторых дизелях устанавливают проставочные кольца.

Составные втулки устанавливают на двухтактные дизеля для уменьшения температурных напряжений и деформаций в осевом направлении.

На рис.32изображена составная втулка фирмы «Фиат» 900S.Верхняя часть 1 такой втулки изготовлена из стали с запрессованной в нее из чугуна втулкой 2; нижняя часть втулки 3 изготовлена из чугуна. При износе меняют не всю втулку, а только

запрессованную чугунную часть

Крышки рабочих цилиндров 4-х тактных двигателей вместе с днищем поршня и стенками рабочей втулки, образующей камеру сгорания.

Она подвержена действию высоких температур и давления газов, испытывает механические напряжения от затяжки крышки. Материал крышек должен обладать высокой жаростойкостью, прочностью, иметь хорошие литейные свойства. Изготавливают крышки из чугуна СЧ28-48, СЧ32-52, молибденовой стали, алюминиевых сплавовАЛ5 и АЛ4.

На рис.2.19: 1- пусковой клапан; 2-гнездо форсунки; 3-предохранительный клапан; 4— перегородка охлаждения; 5-выпускные клапаны; 6-отверстия для шпилек; 7-впускные клапана;

На рис.33изображена крышка цилиндра двухтактного двигателя, которая проще по устройству, чем у четырехтактного, так как не имеет всасывающих и выхлопных клапанов (кроме двухтактных двигателей с прямоточно-клапанной продувкой).

Крышки многоцилиндровых двигателей взаимозаменяемые. Замена одной крышки обходится дешевле, чем замена головки блока. На тихоходных дизелях большой мощности для снижения тепловых напряжений иногда используют крышки составной конструкции.

На рис.34 показана такая крышка, где:

наружная кольцевая часть 1 крышки испытывает большие механические напряжения, поэтому ее изготавливают из стали. В кольцевую часть устанавливают вставку 2, которая подвергается меньшим напряжением, так как на нее действует только давление сгорания топлива. В корпусе вставки имеются форсунка, пусковой и предохранительные клапаны и индикаторный кран. Крышки цилиндров легких быстроходных двигателей изготавливают из алюминиевых сплавов АЛ4 и АЛ5, которые выполняют общими на весь блок или на два, три и более цилиндров. Такая общая крышка называется головкой блока.