Двигатель внутреннего сгорания это тепловой двигатель: Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

Содержание

Двигатель внутреннего сгорания — Что такое Двигатель внутреннего сгорания?

98794

Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.


Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, который преобразовывает теплоту сгорания топлива в механическую работу.


По сравнению с паромашинной установкой двигатель внутреннего сгорания характеризуется следующими признаками:


Типы двигателей внутреннего сгорания




По назначению:


  • транспортные, 


  • стационарные, 


  • специальные.


По роду применяемого топлива:


  • легкие жидкие (бензин, газ), 


  • тяжелые жидкие (дизельное топливо, судовые мазуты).


По способу образования горючей смеси:


По способу воспламенения:


  • с принудительным зажиганием, 


  • с воспламенением от сжатия, 


  • калоризаторные.


По расположению цилиндров:


  • рядные, 


  • вертикальные, 


  • оппозитные с одним и с двумя коленвалами, 


  • V-образные с верхним и нижним расположением коленвала, 


  • VR-образные и W-образные, 


  • однорядные и двухрядные звездообразные, 


  • Н-образные, 


  • двухрядные с параллельными коленвалами, 


  • «двойной веер», 


  • ромбовидные, 


  • трехлучевые и др.


Поршневой двигатель — это двигатель, у которого камера сгорания находится в цилиндре, где тепловая энергия топлива превращается в механическую энергию, а механическая из поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.


Бензиновый двигатель — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. 


Управление мощностью в данном типе двигателей производится, как правило, регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.


Дизельный двигатель характеризуется воспламенением топлива без использования свечи зажигания. 


В разогретый от сжатия воздух (до температуры, превышающей температуру воспламенения топлива) через форсунку впрыскивается порция топлива. 


В процессе впрыскивания топлива происходит его распыливание, а затем вокруг отдельных капель топлива возникают очаги сгорания.  


Т.к. дизельные двигатели не подвержены явлению детонации, характерному для двигателей с принудительным воспламенением, в них допустимо использование более высоких степеней сжатия (до 26), что благотворно сказывается на КПД данного типа двигателей, который может превышать 50% в случае с крупными судовыми двигателями.


Газовый двигатель — двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях


Роторно-поршневой двигатель — двигатель, конструкция которого предложена изобретателем Ванкелем в начале ХХ века. 


Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. 


Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. 


За 1 оборот двигатель выполняет 3 полных рабочих цикла, что эквивалентно работе 6-цилиндрового поршневого двигателя.

Последние новости

Двигатель внутреннего сгорания • 8 класс • Физика

Содержание

    Тепловым двигателем называют машину, в ходе работы которой внутренняя энергия переходит в механическую. Самую простую модель такой машины можно представить в виде металлического цилиндра и плотно пригнанного поршня, который может двигаться вдоль цилиндра.

    Одним из самых распространённых видов теплового двигателя, который мы встречаем в жизни, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Легко догадаться, что отсюда и пошло его название.

    На данном уроке мы рассмотрим устройство двигателя внутреннего сгорания и схему его работы.

    Устройство двигателя внутреннего сгорания

    Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.

    На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.

    Рисунок 1. Устройство двигателя внутреннего сгорания

     

    Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.

    В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты. 

    Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6. 

    Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива  с воздухом (кислородом).

    Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.

    {"questions":[{"content":"В таком тепловом двигателе, как ДВС, топливо сгорает [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["внутри цилиндра двигателя","в специальном резервуаре","В ДВС не отмечается сгорание топлива, только его нагревание"],"explanations":["ДВС - двигатель внутреннего сгорания.  Ответ кроется в  самом названии.","",""],"answer":[0]}}}]}

    Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.

    Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться. 

    Мертвые точки, ход поршня и такты двигателя

    Для того чтобы более подробно рассмотреть схему работы данного двигателя, нам понадобятся новые определения.

    Поршень может двигаться внутри цилиндра. В устройстве самого простого вида, который мы рассматриваем, он может двигаться вверх и вниз.

    Мёртвые точки — это крайние точки положения поршня в цилиндре.

    Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень от одной мертвой точки до другой.

    {"questions":[{"content":"Когда при движении поршень достигает своего крайнего верхнего или крайнего нижнего положения в цилиндре, говорят, что он[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["находится в мертвой точке","совершает работу","Движется к мертвой точке"],"answer":[0]}}}]}

    Рассматриваемые нами двигатели внутреннего сгорания называют четырехтактными.

    Четырехтактный двигатель — это двигатель, в котором один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня (за четыре такта).

    Один такой такт двигателя или ход поршня происходит за половину оборота коленчатого вала.

    Схема работы двигателя внутреннего сгорания: четыре такта

    Теперь давайте подробно рассмотрим все четыре такта работы двигателя (рисунок 2).

    Рисунок 2. Схематическое изображение работы двигателя внутреннего сгорания

    Первый такт (рисунок 2, а):

    • При повороте коленчатого вала в самом начале такта поршень начинает двигаться вниз 
    • Объем над поршнем увеличивается 
    • В цилиндре образуется разрежение 
    • Открывается клапан 1. В цилиндр поступает горючая смесь
    • Цилиндр заполняется горючей смесью. Клапан 1 закрывается 

    Второй такт (рисунок 2, б):

    • Вал продолжает поворачиваться, поршень теперь двигается вверх
    • Таким образом поршень сжимает горючую смесь
    • Поршень доходит до верхней мертвой точки
    • Сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры (свеча 6) и сгорает

    Третий такт (рисунок 2, в):

    • При сгорания смеси образуются газы. Они давят на поршень — толкают его вниз
    • Под действием этих расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Поэтому,

    Третий такт двигателя — это рабочий ход.

    • Поршень двигается вниз. Его движение передается шатуну и коленчатому валу
    • Получив сильный толчок, коленчатый вал с маховиком продолжают вращение по инерции. При этом они приводят в движение поршень при последующих тактах

    Заметьте, что на втором и третьем тактах двигателя клапаны закрыты.  

    • В конце такта открывается клапан 2. Продукты сгорания начинают выходить из цилиндра в окружающую среду

    Четвертый такт (рисунок 2, г):

    • Идет выход продуктов сгорания из цилиндра (клапан 2 открыт)
    • Поршень движется вверх
    • В конце этого такта клапан 2 закрывается

    Итак,

    Цикл двигателя состоит из четырех тактов:
    впуск
    сжатие
    рабочий ход
    выпуск

    {"questions":[{"content":"На третьем такте двигателя внутреннего сгорания[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["расширяющиеся нагретые газы совершают механическую работу","Поршень движется вниз","Поршень движется вверх","Открыт клапан 2","В конце такта открывается клапан 2","в цилиндр поступает горючая смесь через клапан 1"],"answer":[0,1,4]}}}]}

    Создание и применение двигателя внутреннего сгорания

    Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания рассмотренного нами вида изобрел немецкий инженер Рудольф Дизель (рисунок 3).

    Рисунок 3. Рудольф Кристиан Карл Дизель (1858 — 1913)

    В 1893 году он получил патент на свой тепловой двигатель. В 1897 году, на «Аугсбургском машиностроительном заводе» был построен первый двигатель Рудольфа Дизеля . Его мощность составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту. Весил этот двигатель пять тонн. Двигатель Дизеля был четырехтактным. 

    В 1900 году, на «Всемирной выставке», Рудольф Дизель продемонстрировал двигатель работающий на арахисовом масле (биодизель).

    Двигатели внутреннего сгорания имеют очень широкое применение. В ходе их усовершенствования, в мире появлялись новые средства передвижения. Например, автомобили, мотоциклы, самолеты, вертолеты, космические корабли, ракеты, суда на воздушной подушке.

    В автомобилях чаще всего стоят четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. В каждом цилиндре по очереди происходит рабочий ход. Поэтому коленчатый вал постоянно получает энергию от одного из поршней.

    Существуют и двигатели с другим количеством цилиндров. Многоцилиндровые двигатели лучше обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

    Огнестрельное оружие является простейшим примером ДВС. Цилиндром является ствол оружия, а поршнем — выбрасываемые из оружия пули или снаряды.

    Использование ДВС обеспечило быстрый прогресс в военной индустрии: были разработаны танки, истребители, подводные лодки. 

    В настоящее время двигатели внутреннего сгорания установлены практически на каждом виде транспорта, которым мы пользуемся. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

    Тепловой двигатель — Энергетическое образование

    Энергетическое образование

    Меню навигации

    ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

    ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

    ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

    ИНДЕКС

    Поиск

    4-тактный двигатель внутреннего сгорания. Рисунок 1. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп [1]

    Тепловой двигатель — это тип двигателя (например, двигатель в автомобиле). который производит макроскопическое движение от тепла. Когда люди потирают руки, трение превращает механическую энергию (движение наших рук) в тепловую энергию (руки нагреваются). Тепловые двигатели делают прямо противоположное; они берут энергию тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращают ее в движение. Часто это движение превращается в электричество с помощью генератора.

    Почти вся энергия, используемая для транспорта и электричества, поступает от тепловых двигателей. Горячие объекты, даже газы, обладают тепловой энергией, которую можно превратить во что-то полезное. Тепловые двигатели перемещают энергию из горячего места в холодное и переводят часть этой энергии в механическую энергию. Для работы тепловых двигателей требуется разница температур.

    Изучение термодинамики изначально было вдохновлено попыткой получить как можно больше энергии от тепловых двигателей. [2] По сей день используются различные виды топлива, такие как бензин, уголь и уран. Все эти тепловые двигатели все еще работают в пределах, налагаемых вторым законом термодинамики. Это означает, что для нагревания газа используются различные виды топлива, а для избавления от отработанного тепла необходим большой холодный резервуар. Часто отработанное тепло уходит в атмосферу или в большой водоем (океан, озеро или река).

    В зависимости от типа двигателя используются различные процессы, такие как воспламенение топлива при сгорании (бензин и уголь) или использование энергии ядерных процессов для производства тепла (уран), но конечная цель одна и та же: превратить тепло в работу. Наиболее известным примером тепловой машины является двигатель автомобиля, но большинство электростанций, таких как угольные, газовые и атомные, также являются тепловыми двигателями.

    Двигатель внутреннего сгорания

    полный артикул

    Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах. Они названы так потому, что топливо воспламеняется, чтобы совершать работу внутри двигателя. Та же топливно-воздушная смесь выбрасывается в виде выхлопных газов. Хотя это чаще всего делается с помощью поршня, это также можно сделать с помощью турбины.

    На рис. 1 показан пример двигателя внутреннего сгорания. Этот конкретный тип называется четырехтактным двигателем, который довольно распространен в автомобилях.

    Внешняя тепловая машина

    полная статья

    Внешние тепловые машины обычно представляют собой паровые машины, и они отличаются от внутренних тем, что источник тепла отделен от работающего газа. Эти тепловые двигатели обычно называют двигателями внешнего сгорания, потому что сгорание происходит вне двигателя. Например, внешнее горение будет использовать пламя для нагрева воды в пар, а затем использовать пар для вращения турбины. Это отличается от внутреннего сгорания, как в автомобильном двигателе, где бензин воспламеняется внутри поршня, работает, а затем выбрасывается.

    В ядерных реакторах нет сгорания, поэтому используется более широкий термин «внешний тепловой двигатель». Реактор с кипящей водой на рис. 2 представляет собой внешнюю тепловую машину, как и другие атомные электростанции.

    Рис. 2. Ядерный реактор с кипящей водой, представляющий собой внешнюю тепловую машину. [3]

    Примеры тепловых двигателей

    Внутреннее сгорание

    • Поршневой двигатель
    • Газовая турбина
    • Реактивный двигатель

    Внешнее сгорание

    • ядерные реакторы, такие как реактор CANDU, реактор с водой под давлением
    • угольная электростанция
    • электростанция, работающая на природном газе

    КПД

    основной артикул

    КПД двигателя – это процент подводимой энергии, которую двигатель может преобразовать в полезную работу. Уравнение для этого: η = выходная мощность / входная энергия. Наиболее эффективные поршневые двигатели работают с КПД около 50%, а средняя угольная электростанция работает с КПД около 33%. Электростанции, построенные совсем недавно, имеют КПД более 40%.

    Меньшие тепловые двигатели, например, в автомобилях, имеют выходную механическую мощность, измеряемую в лошадиных силах. Более крупные тепловые двигатели, такие как электростанции, измеряют мощность в МВт. Конечно, выходная мощность может быть измерена в любых единицах мощности, например, в ваттах.

    Потребляемая мощность тепловой машины также представляет собой мощность, часто измеряемую в МВт. С силовой установкой есть и электрическая выходная мощность. Чтобы различать эти две мощности, тепловая мощность (входная мощность) измеряется в тепловых мегаваттах (МВт), а для производства электроэнергии выходная мощность измеряется в электрических мегаваттах (МВт). Для тепловых двигателей, которые обеспечивают движение вместо электричества, выходная мощность будет механической.

    Когенерация

    основная статья

    Тепловая машина имеет два побочных продукта: работу и тепло. Назначение большинства двигателей — производить работу, а тепло обрабатывается просто как отходы. Когенерация использует отработанное тепло для полезных вещей. Отопитель в автомобиле работает по принципу когенерации, отбирая отработанное тепло двигателя для нагрева воздуха, который прогревает салон. Вот почему работа отопителя автомобиля зимой мало влияет на расход бензина, а работа кондиционера летом может обойтись примерно в 10-20% от расхода бензина автомобиля.

    Для дальнейшего чтения

    • Роторный двигатель
    • Поршневой двигатель
    • Работа
    • Первый закон термодинамики
    • Или просмотрите случайную страницу

    Ссылки

    1. ↑ «File:4StrokeEngine Ortho 3D Small.gif — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [Онлайн]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A4StrokeEngine_Ortho_3D_Small. gif. [Доступ: 17 мая 2018 г.].
    2. ↑ «Энергия тонкой концепции» Дж. Куперсмит, глава 12, стр. 208, Oxford University Press, 2010.
    3. ↑ (2015, 4 января). Реактор с кипящей водой [Онлайн]. Доступно: http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/students/animated-bwr.html

    Как работают тепловые двигатели?

    Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

    Вы здесь:
    Домашняя страница >
    Инжиниринг >
    Двигатели

    • Дом
    • Индекс А-Я
    • Случайная статья
    • Хронология
    • Учебное пособие
    • О нас
    • Конфиденциальность и файлы cookie

    Реклама

    В наш век топливных элементов и
    электромобили, паровозы (и
    даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
    Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
    паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
    используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
    миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
    искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
    все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
    двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

    Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
    их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
    самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
    просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
    От мостов и туннелей до небоскребов
    и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
    в последние пару столетий был построен с помощью
    двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
    их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
    еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
    круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
    на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
    работа!

    Фото: Паровоз «в паре» (на самом деле работает) в Железнодорожном музее Мид-Континент в Норт-Фридом, штат Висконсин. Фото предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит,
    Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

    Содержание

    1. Что такое тепловая машина?
    2. Как двигатель приводит машину в движение?
    3. Типы двигателей
      • Двигатели внешнего сгорания
      • Двигатели внутреннего сгорания
    4. Двигатели в теории
      • Цикл Карно
      • Насколько эффективен двигатель?
      • Каков максимальный КПД двигателя?
    5. Узнать больше

    Что такое тепловая машина?

    Двигатель — это машина, которая вращает
    энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
    очевидное использование
    кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
    однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
    заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно
    других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
    двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
    позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
    химическая реакция, называемая горение , когда топливо сгорает в
    кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

    “ Всем известно, что тепло может производить движение.
    В том, что он обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться…     ”

    Николя Сади Карно, 1824 г.

    Существует два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
    сгорания:

    • В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
      и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
      производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
      на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
      плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
      движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
      заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
      двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
      расстояние от цилиндра и поршня.
    • В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
      цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
      что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
      постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
      цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
      стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

    Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
    двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
    огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

    Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

    Фото: Паровой двигатель является двигателем внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

    Как двигатель приводит машину в движение?

    Произведение: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

    В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
    непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
    движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
    на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
    движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
    движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
    пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
    приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
    рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
    колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

    Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
    заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
    Джеймс Уатт (1736–1819) решил сделать это в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
    Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
    уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
    солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
    колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
    стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.


    Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

    Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
    возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
    противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
    некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
    бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
    заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
    яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
    вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
    возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

    Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
    электрическая зубная щетка, которая делает
    щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

    Рекламные ссылки

    Типы двигателей

    Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

    Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

    Двигатели внешнего сгорания

    Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

    Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
    и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
    (1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
    и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
    Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
    В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
    пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
    другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
    но они были слишком большими, медленными и неэффективными для заводских машин и поездов.

    Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

    Паровые машины

    В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
    меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
    двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
    двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
    которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

    Двигатели Стирлинга

    Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
    Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
    двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
    езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
    источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
    подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
    челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
    двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
    регенератор , который помогает сохранять энергию и значительно увеличивает
    экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
    хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

    Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин 18 века. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он слишком большой, чтобы его можно было сфотографировать!

    Двигатели внутреннего сгорания

    Бензиновые (бензиновые) двигатели

    В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
    Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг.).00) и Герман Николаус Отто
    (1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
    бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
    подключить один из этих двигателей к трехколесному
    карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать далее
    в нашей статье об автомобильных двигателях.

    Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

    Дизельные двигатели

    Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
    (1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
    двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
    В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
    он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
    заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
    тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
    Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

    Роторные двигатели

    Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
    нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
    мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
    постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
    двигателя внутреннего сгорания, в котором
    «цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
    форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
    Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
    самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
    особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
    Роторный двигатель Ванкеля
    хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

    Двигатели в теории

    Фото: Машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

    Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
    Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
    Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
    того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
    Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
    Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
    Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
    Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
    теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

    Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны.
    Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
    как это нужно перегреть (так что это выше его
    обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

    Цикл Карно

    Тепловая машина Карно представляет собой довольно простую математическую модель
    того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
    бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
    Мы не собираемся вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
    Страница цикла НАСА Карно
    и замечательную страницу «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с великолепной флэш-анимацией).

    Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
    расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

    Насколько эффективен двигатель?

    “ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих веществ. ”

    Николя Сади Карно, 1824

    Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
    (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает     .
    С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
    Tmin (его минимальная температура):

    (Tmax-Tmin) / Tmax

    , где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
    Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
    Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
    Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
    Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
    при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
    материалов, таких как сплавы и керамика).

    Каков максимальный КПД двигателя?

    Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
    Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
    настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
    это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
    до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
    (0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

    Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

    Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
    и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара на больше, чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
    Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
    при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
    При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
    с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
    является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
    Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
    реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
    Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

    Узнайте больше

    На этом сайте

    • Дизельные двигатели
    • Энергия
    • Бензиновые двигатели
    • Нагрев
    • Реактивные двигатели
    • Паровые двигатели
    • Двигатели Стирлинга

    На других сайтах

    Один из лучших способов понять двигатели — это посмотреть анимацию их работы.
    Вот два очень хороших сайта, которые исследуют самые разные движки:

    • Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы можете себе представить, с простой для понимания анимацией и очень четкими письменными описаниями.
    • Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

    Книги

    Введение
    • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
    Более сложный
    • Цикл Карно и тепловой двигатель. Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
    • Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
    • «Размышления о движущей силе тепла», Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Wiley, 189.7. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.
    Детские книги
    • «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

    Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019.

Leave a Reply