Что такое тепловой двигатель и какие они бывают

Какие бывают двигатели и что они едят

На сегодняшний день наиболее распространённым двигателем является поршневой двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, или Отто-мотор. Он установлен на большинстве автомобилей в мире. Это легкий, дешевый, тихий и хорошо изученный двигатель. Однако человечество постоянно пытается придумать ему альтернативу как по устройству, так и использованию другого рабочего тела – топлива. И иногда у инженеров получаются весьма занятные экземпляры.

Гибридный двигатель на сжатом воздухе

В 2013 году французский концерн PSA представил систему Hybrid Air, работающую на сжатом воздухе. Однако они были далеко не первыми. Motor Development International на Женевском автосалоне 2009 года представили пневмоколяску MDI AIRpod и ее более серьезный вариант MDI OneFlowAir. В 2011 году японцы провели тест-драйв концепт-кара Toyota Ku Rin, который проехал 3,2 км на одном «заряде» сжатого воздуха. А в 2012 году Tata Motors представила трехместный и трехколесный автомобиль Tata AIRPod.

В отличие от предшественников, разработка PSA оказалась элегантнее и проще. Два баллона со сжатым воздухом, компрессор, нагнетающий воздух, и гидравлический мотор, передающий энергию сжатого воздуха в КПП. Система сама пополняла воздушные запасы (например, Tata Airpod требовалось «накачивать» каждые 200 км). Помимо установки со сжатым воздухом, под капотом Hybrid Air предполагалось устанавливать классический 3-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, который бы играл роль насоса и вспомогательного мотора.

В городе машина с Hybrid Air может до 80% времени ехать только на воздухе, не загрязняя атмосферу. Топливная экономичность варьируется от нулевых значений расхода и выбросов до 2,9 л/100 км и 69 г/км при использовании двигателя внутреннего сгорания соответственно. В компании планировали ставить систему Hybrid Air начиная с 2016 года, но – не сложилось.

Водородные топливные элементы

Существует три типа двигателей, использующих водород: одни работают как обычный двигатель внутреннего сгорания, другие – газотурбинные, третьи – агрегаты, использующие химическую реакцию водорода.

Первый двигатель внутреннего сгорания, работающий на водороде, появился в 1806 году, водород в нем использовался как обычный бензин. Однако использовать такие оригинальные двигатели накладно. В газотурбинных двигателях газ сжимается и нагревается, затем выделяемая энергия преобразуется в механическую. В качестве топлива можно использовать практически любое горючее.

Но самые интересные из водородных силовых установок – «химические». Концерны BMW и Toyota представили кроссовер i Hydrogen NEXT на базе последнего X5. Его силовая установка состоит из электродвигателя и литий-ионной батареи, стеков с водородными топливными элементами, химического преобразователя и двух баков, в которых под давлением 700 бар хранится 6 кг водорода. Стек специальных ячеек, наполненных водородом, конвертирует химическую энергию газа в электричество, которое аккумулируется в батарее, а она в свою очередь питает электромотор. Электрохимический генератор в составе топливного элемента выдает мощность 125 кВт (170 л.с.), а пиковая мощность силовой установки — 275 кВт (374 л.с.). В качестве топлива используется смесь водорода и кислорода из окружающего воздуха, вместо вредных выбросов система вырабатывает водяной пар. В BMW заявляют, что к 2022 году планируют выпустить первую партию водородомобилей.

Дизельный двигатель

Более ста лет назад, 23 февраля 1892 года Рудольф Дизель получил патент на свой двигатель. Принципиальным отличием его двигателя от Отто-мотора было то, что топливо в нем нагревалось быстрым сжатием, а не поджогом. Удивительно, но первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или легких нефтепродуктах. Кроме того, первоначально в качестве идеального топлива он предлагал использовать каменноугольную пыль, так как в Германии не было запасов нефти.

Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк. Сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения: рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определенным успехом работать даже на сырой нефти.

Кстати, в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления» – агрегат, аналогичный мотору Дизеля. Наша конструкция оказалась более совершенной и перспективной. Но под давлением владельцев лицензий Дизеля все работы над отечественным аналогом дизельного двигателя были остановлены.

Роторный двигатель

Самый престарелый из всех тепловых двигателей именно роторный. С древности известны колеса ветряных и водяных мельниц, которые можно отнести к примитивным роторным двигательным механизмам. В 19 веке стали активно использовать роторные паровые двигатели.

В 1957 года Феликс Ванкель и Вальтер Фройде показали общественности полностью работоспособный роторно-поршневой двигатель (РПД) внутреннего сгорания. Через 7 лет этот движок установили на спорткар NSU Spider, который стал первым серийником с роторно-поршневой двигатель. Такой двигатель лишен большого количества движущихся частей, он проще, а особая конструкция мотора позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Но из-за конструктивных особенностей у роторных двигателей крайне низкий ресурс, высокий расход масла и топлива, хотя и большая отдача с меньшего объема.

Из-за этих особенностей единственной компанией, которая массово, помимо NSU, выпускала автомобили с роторно-поршневым движком была Mazda. И легендарная Mazda RX-8 была скорее имиджевой моделью, нежели коммерческой. В итоге в начале 2000-х работу с роторно-поршневыми двигателями свернули.

По материалам портала «Популярная механика»

Разновидностей тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стерлинга. Основной принцип заключается в процессе нагревания и охлаждения вещества в замкнутом пространстве при помощи внешних источников тепла.
2. Паровые машины. Используется сила давления пара, образующегося при нагревании воды. При этом камера для сгорания топлива находится отдельно от рабочей камеры.

Двигатели внутреннего сгорания:

1. Поршневой. Способом получения механической энергии является процесс сгорания топлива внутри рабочей камеры. В результате этого приводятся в движение поршни. Основное место применения – современные автомобили.
2. Роторный. В отличие от поршневого двигателя воздействие оказывается на ротор. Применяется в конструкции электростанций, а также в некоторых автомобилях.
3. Реактивный двигатель. Используется принцип тяги, возникающий при выбросе отработанных газов в процессе сгорания топлива. Применяется в ракетостроении.

Тепловые двигатели имеют как преимущества, так и недостатки.

Что такое тепловой двигатель двс

1. Подготовка к изучению нового материала:

Жизнь невозможна без использования различных видов энергии.

? Какие виды энергии вы знаете?

Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Демонстрация: В литературе встречается описание паровой машины английского изобретателя Т. Севери, созданной в 1698 г. и предназначенной для откачивания воды из шахт. Демонстрация модели Т. Севери:

Рисунок 1.

Рисунок 2.

? Преобразование, какой энергии, в какую мы наблюдаем в данном опыте?

Тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Учитель: Мы рассмотрели модель паровой машины. Паровая машина один из видов тепловых двигателей.

Записывает тему урока: Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания.

? Что такое тепловой двигатель?

2. Изучение нового материала:

1) Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

? какие виды тепловых двигателей вы знаете?

В процессе совершения работы часть внутренней энергии газа превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя.

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

? Можно ли считать ружье тепловым двигателем?

При сгорании внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.

2) Любой двигатель характеризуется величиной КПД.

ή =·100%

где Q – количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива, Дж;
А – работа, совершенная двигателем, Дж.

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли ученик решил задачу?
2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?
   (45% идет на полезную работу, а 55% тратится впустую на обогрев атмосферы, двигателя и т.д.).

3) Если проследить историю развития тепловых машин, современные машины имеют достаточно высокий КПД.

Заглянем в историю.

Первые тепловые двигатели были построены в конце 18 века – это были тепловые машины.

Сообщение учащихся: «Первые паровые машины. Паровые машины Джеймса Уатта».

Учитель: Пропагандируя использование паровых машин, Джеймс Уатт тем не менее был противником их использования на транспорте. Но прогресс нельзя остановить. В 1770 году Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся тележку …

Сообщение учащихся: «Изобретение автомобиля».

Учитель: Следующий этап в развитии техники был связан с изобретением …

Загадка: Железные избушки держатся друг за дружку. Одна с трубой тянет всех за собой? (Поезд).

Сообщение учащихся: «Изобретение паровоза».

Учитель: В современных тепловозах и автомобилях применяются ДВС. Первый ДВС изобрел француз Э. Ленуар, КПД=3%. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Н. Отто создал ДВС, который работал по четырехтактной схеме.

4) ДВС.

? Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Учитель: Свое название он получил из-за того, что топливо в нем сжигалось не снаружи, а внутри цилиндра двигателя.

Сообщение учащихся: видео зарисовка учащихся – современные ДВС.

Учитель: Теперь познакомимся с устройством и принципом действия ДВС (используя модель или видеофрагмент).

? Из каких основных частей состоит простейший ДВС?
? Как называется каждый такт ДВС?
? Опишите принцип действия четырехтактного ДВС (используя модель)?

Рисунок 3.

5) Учитель: при использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды. При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести СО₂ , СО, различные виды сернистых соединений, а так соединения тяжелых металлов.

Сообщение учащихся: Практическая работа по определению уровня загрязнения в районе школы.

Учитель: Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Что бы вы предложили для решения проблемы загрязнения окружающей среды тепловыми двигателями?

3. Домашнее задание.

Написать сочинение «Тепловые двигатели будущего».

По схемам проектирования

Магистральные тепловые сети

Магистральные сети всегда транзитные и не имеют ответвлений. Магистральные сети транспортируют тепловую энергию от источника, до распределительных тепловых сетей. Температура теплоносителя от 90 до 150 градусов. Диаметр труб от 525 мм до 1020 мм.

Распределительные тепловые сети

Распределительные тепловые сети, это те сети, по которым тепло передается от магистральных тепловых сетей непосредственно к домам. Диаметр труб в распределительных сетях зависит от количества домов и квартир, которые получают тепло и не превышают 525 мм. Температура в распределительных сетях от 85 до 110 градусов.
Квартальные тепловые сети, это трубопроводы, соединяющие конкретных потребителей тепла с распределительной тепловой сетью внутри кварталов городской застройки.

Ответвления

Ответвление это участок тепловой сети, присоединяющий тепловой пункт к магистральной тепловой сети. Или здание, присоединенное к распределительной тепловой сети.

Устройство и принцип работы турбовинтового двигателя

Строение турбовинтового двигателя довольно простое. Он состоит из воздушного винта с редуктором, компрессора, камеры сгорания, турбины и выходного устройства – сопла. Компрессор нагнетает и сжимает воздух, направляя его в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Горючая смесь, полученная при смешивании воздуха с топливом, воспламеняется, образуя газы с высокой потенциальной энергией, которые, расширяясь, поступают на лопасти турбины, вращая ее, а сама турбина вращает воздушный винт и компрессор. Энергия, не потраченная на вращение турбины, выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу, величина которой не более 10% от общей тяги мотора. Поскольку она незначительна по своей величине, ТВД не считается реактивным. Как видно, по своему строению и принципу работы турбовинтовой двигатель очень напоминает турбореактивный с той лишь разницей, что в первом случае выработанная полезная энергия идет на вращение винта, а во втором она полностью выходит в виде потока воздуха через сопло, образуя реактивную тягу.

Строение турбовинтового двигателя

Рабочий вал

Различают двухвальные и одновальные турбовинтовые двигатели. В одновальных ТВД турбина с компрессором и винт расположены на одном валу, тогда как в двухвальных между ними нет механической связи: турбина и компрессор закреплены на одном валу, а винт через редуктор – на другом. Во втором случае конструкция мотора включает в себя две турбины, связанные между собой не механически, а газодинамически: одна для компрессора, вторая для винта. Это более распространенный и эффективный вариант, который, несмотря на более сложную конструкцию, используется чаще. Такое решение позволяет использовать энергию двигателя без запуска винтов, что удобно в случаях, когда самолет находится на земле и нужно обеспечить выработку электроэнергии и подачу воздуха высокого давления.

Компрессор

Компрессор ТВД имеет ступенчатую конструкцию с числом ступеней в пределах 2-6, что позволяет воспринимать значительные перепады давления и температур при работе, регулировать и снижать обороты. Многоступенчатая конструкция также дает возможность снизить массу и размеры мотора, что немаловажно для авиационных двигателей, где на счету каждый грамм веса. Компрессор состоит из рабочех колес с лопатками и направляющего аппарата. Направляющий аппарат может быть как регулируемым (с поворачивающимися лопатками вокруг своей оси), так и не регулируемым.

Воздушный винт

Воздушный винт создает необходимую тягу, но при этом скорость его вращения ограничена. Наиболее эффективно он работает на скорости 750-1500 об/мин, после чего КПД падает, а сам винт из движителя фактически превращается в тормоз. Это явление носит название «эффект запирания» и связано оно с тем, что отдельные части лопастей винта на высоких оборотах начинают двигаться со скоростью, превышающей скорость звука, что становится причиной его некорректной работы. Это же происходит, если увеличить диаметр лопастей, ведь чем они длиннее, тем больше линейная скорость на их концах.

Турбина

Турбина же развивает скорость до 20 000 об/мин, но винт на таких оборотах просто не сможет работать, поэтому он оснащается понижающим редуктором, уменьшающим скорость вращения и повышающим момент. Редукторы по своему строению могут отличаться, но их задача – понижение скорости вращения и увеличение момента – остается неизменной. Ограничение скорости вращения винта во многом ограничивает использование ТВД особенно в военной авиации, где важна скорость, но ученые и конструкторы ведут активную работу по созданию сверхзвукового двигателя, правда, пока их старания не увенчались успехом. Для увеличения тяги на некоторых моделях устанавливаются по два винта, которые в процессе работы вращаются в противоположные стороны, приводимые в движение одним редуктором. Примером такого двигателя является Д-27, который называют турбовинтовентиляторным. Он оснащен двумя винто-вентиляторами, закрепленными через редуктор на оси свободной турбины. Пока это единственный двигатель такого рода, который используется в гражданской авиации на самолетах АН-70, но его появление и успешное использование смогут стать настоящим прорывом в сфере улучшения эксплуатационных показателей ТВД.

Виды тепловых пунктов

Тепловые пункты подразделяются на:

• ЦТП – центральные тепловые пункты. Обслуживают несколько зданий, микрорайон.
• ИТП – индивидуальные тепловые пункты. Обслуживают только одно здание. Чаще всего размещаются в специальном помещении подвала обслуживаемого здания.
• БТП – блочные тепловые пункты. Представляют из себя готовое изделие, которое поставляется в здание несколькими блоками – остается только присоединить посредством фланцев. За счет этого сокращаются сроки монтажа и ввода в эксплуатацию ТП. Могут применяться как для ЦТП, так и для ИТП.

Все эти тепловые пункты имеют одно назначение и принцип работы у всех одинаков. Единственное различие – это количество обслуживаемых зданий.

В качестве заключения

Рассмотрев особенности конструкции дизельного и бензинового моторов, а также принцип их работы сразу заметны их основные отличия. При этом оба варианта за счет своих достоинств и определенных недостатков получили большую популярность в автомобильной промышленности.

Разные конструкции, особенности эксплуатации, экономичность и стоимость горючего заставляют автомобилистов задуматься, автомобиль с каким мотором лучше: дизельным или бензиновым. В данном вопросе нет определенных рекомендаций. Все зависит от целей, преследуемых покупкой, условий эксплуатации машины и личных предпочтений покупателя.