Б8.Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Энергия бывает потенциальная, кинетическая – энергия движения. Существует еще один вид энергии, который называется внутренняя энергия. Внутренняя энергия любого тела, характеризуется температурой, она может изменяться, и может быть запасена в таком веществе, как топливо. Топливо может быть разным: жидким, твердым, газообразным, но тем не менее мы должны с вами понимать, что при сжигании топлива выделяется тепло. В нашей жизни используется достаточно большое количество машин и эти машины используют различные виды энергии. Машина – это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.

Рассмотрим некоторый опыт. Если взять пробирку, налить туда немного воды, заткнуть ее пробкой, а потом эту пробирку нагревать, то, как вы знаете через некоторое время пар, образовавшийся в этой пробирке от закипающей жидкости, вытолкнет пробку наружу. Что же произошло? Произошло, что мы с вами называем работой пара. То есть пар получил энергию от сожженного топлива при нагревании и, расширяясь, совершил полезную работу. Если вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки расположить поршень, то получится простейший двигатель. Этот двигатель называется тепловым.

Итак, тепловым двигателем называется устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Для нас с вами механическая работа очень важна, именно эта работа определяет движение транспорта, перевозку грузов, подъем этих грузов и многое, многое другое. У машины другого назначения нет – она только занимается тем, что преобразует одну энергию в другую. Энергию преобразует в работу.

Впервые создал знаменитую паровую машину Герон Александрийский – инженер-изобретатель, жил он в I, по некоторым данным, во IIвеке нашей уже эры. Эта машина заключается в следующем: в сосуд с отверстиями наливалась вода и помещалась над огнем. Вода закипала, через отверстия с большой скоростью вырывался пар, и сама эта часть, подвешенная над огнем, начинала вращаться. Это и был прообраз первой тепловой машины.

Первый тепловой двигатель, о котором мы можем с вами говорить, уже действительно тот, который использовался в работе, это не была демонстрация превращения внутренней энергии в механическую работу, был построен в 1768 году в Англии знаменитым инженером Джеймсом Уаттом. В честь Уатта была названа потом единица мощности, вы об этом знаете. Ватт – это и есть фамилия этого человека. Итак, в 1768 году впервые был построен двигатель, который мы называем с вами паровым. Там использовалась энергия расширяющегося пара, которая превращалась в механическую работу.

Надо отметить, что первую самодвижущуюся тележку удалось сделать во Франции в 1770 году. Эта тележка с укрепленным на ней паровым двигателем перемещалась приблизительно со скоростью около шести километров в час и была предназначена для перевозки тяжелых орудий, т.е. для военных целей. Надо сказать, что первая поездка этого сооружения оказалась некоторым образом неудачной. Дело все в том, что с разгону эта тележка наехала на стену, своротила угол дома и стену. После чего было решено, чтобы обязательно сопровождали эту тележку посторонние люди. Кстати, можно заметить, что слово «шофер» – французское и на сегодняшний язык можно перевести это слово как «истопник», т.е. «кочегар», другого слова не подберешь. Так что шофер – это у нас кочегар. Можно отметить тот факт, что человек, который ухаживал за этой машиной, он и был, в общем, по сути истопником, потому что машина была, в общем, паровая и топилась дровами.

В 1803 году появился первый паровоз в Англии, но широкого применения не получил. Дело все в том, что именно в этом транспорте увидели конкуренцию все, кто занимался в то время перевозками. Тем не менее прогресс остановить нельзя, и в дальнейшем уже не паровые двигатели, а были изобретены так называемые двигатели внутреннего сгорания, т.е. дело все в том, что если есть двигатель внутреннего сгорания, то есть, конечно, и двигатель внешнего сгорания. Вот двигателем внешнего сгорания как раз и является паровая машина, где топка, где сжигается топливо, находится вне парового котла, т.е. как бы прямо на топке укрепляется паровой котел с водой, вода кипит, образуется пар, и дальше уже этот пар, расширяясь, совершает работу. Вот это – двигатель, можно сказать, внешнего сгорания.

А двигатель внутреннего сгорания – это двигатель, где сгорание происходит внутри самого двигателя. Такой двигатель был изобретен в конце XVII века во Франции, и первый опыт этого двигателя был достаточно успешным. В результате этот двигатель уже стали использовать на различных видах транспорта. В 1860 году французский инженер Ленуар изобрел и построил двигатель внутреннего сгорания. В этот двигатель поступала смесь светильного газа и воздуха, сгорала внутри двигателя и тем самым обеспечивала его работу.

В дальнейшем усовершенствовал этот двигатель немецкий инженер Отто. Вот этот двигатель Ленуара-Отто очень долгое время существовал. Его использовали на различных транспортных средствах. Следом за двигателем Ленуара-Отто пришел немецкий инженер Даймлер, которому удалось создать бензиновый двигатель. Вот откуда начинается история немецкого автопрома. На сегодняшний день двигатель называется двигателем внутреннего сгорания и после многих усовершенствований представляет собой уже, достаточно обоснованное устройство, в котором находится достаточно много деталей, и одно из таких частей, мы с вами рассмотрим.

Главная часть любого двигателя внутреннего сгорания – это цилиндр. В этом цилиндре располагается поршень. Дальше есть шатун, который соединяется с коленвалом. Также в этом двигателе предусмотрены два клапана(впускной клапан, через который поступает топливо и выпускной клапан). И есть, конечно же, свеча зажигания.

Итак, как же работает такой двигатель? Такой двигатель называется четырехтактным. Потому что вся работа двигателя совершается как бы в четыре такта. Обращаю ваше внимание, что движение поршня происходит верх и вниз и во всех этих движениях рассматриваются определенные действия. Давайте с вами посмотрим какие. Итак, работа двигателя заключается в следующем. Верхняя точка, в которой располагается поршень, называется мертвой точкой, верхней мертвой точкой. Внизу такая же точка называется нижней мертвой точкой, т.е. весь ход поршня от одной точки до другой называется ходом, как мы уже с вами говорили. Итак, что же происходит? В первый такт открывается один клапан, и через него происходит впуск. Дальше сжимается, в этот момент срабатывает свеча зажигания, топливо сгорает, и толкает поршень вниз. По инерции маховое колесо срабатывает, прокручивает дальше. Следующий шаг: открывается другой клапан и через него выбрасывается отработанное топлив. Итак: впуск, работа, выпуск, впуск, работа, выпуск, т.е. таким образом совершается работа двигателя внутреннего сгорания.

Обращаю ваше внимание на то, что быстрота, с которой происходит движение, достаточно высока. За одну минуту, например, может происходить три тысячи таких вот движений, оборотов, говорят, семь тысяч оборотов. В некоторых случаях до 15 тысяч оборотов в минуту, т.е. достаточно быстрое движение двигателя внутреннего сгорания.

Б. 9 ПАРОВАЯ ТУРБИНА

- один из видов тепловых двигателей, в которых высокотемпературный водяной пар или другой газ вращают вал без помощи поршня. Струи пара, вырываясь из сопел, давят на лопатки турбины, вращая её.

Одной из первых турбин была паровая турбина, созданная в конце 19 века шведским инженером Лавалем. Она нашла широкое применение благодаря новой прогрессивной конструкции сопла.