birmaga.ru
добавить свой файл

1
Эксперты - историки


В третьем веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.

Тремя столетиями позже, в Александрии, выдающийся ученый Герон в своих работах описал интересный прибор, который сейчас называют Героновым шаром. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубе поступает в шар. Из шара он вырывается через изогнутые трубки. При этом шар приходит во вращение. Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар – это прообраз современных реактивных двигателей.

Леонардо да Винчи задумывался над тем, как можно было бы использовать внутреннюю энергию пара. В его рукописях мы находим несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи полагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения поршень мог бы совершать полезную работу.

В конце XVIII в. В России на Алтае работал гениальный русский изобретатель Иван Ползунов. Он значительно усовершенствовал паровую машину. Ему принадлежит честь создания проекта первого универсального парового двигателя – паровой машины – она приводила в действие воздуходувные меха, нагнетающие воздух в плавильные печи. Но она проработала 43 часа и встала навсегда (котел дал течь, кожа, которой были обтянуты поршни, истерлась). Об этой машине вскоре забыли. Восстановить свое детище Иван Ползунов не мог, так как машина была пущена в работу уже после смерти изобретателя (1765г.). Он умер в возрасте 38 лет.

Создателем универсального парового двигателя, который получил большое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он построил двигатель, который годился для любой машины и их стали ставить на машины, корабли, паровозы. Но к.п.д. паровой машины не превышали 15-20%.


Паровую машину из-за ее низкого к.п.д. к середине XIX века начинают вытеснять двигатели внутреннего сгорания. Прообразом первого двигателя внутреннего сгорания могут служить такие виды оружия как пушка, ружья, используемые с давних времен. В их ствол засыпали порох, клали ядро или патрон и поджигали порох. Пушка или ружье стреляли.

Еще в конце XVII – начале XVIII в. Дени Папен придумал устройство, в котором под поршень цилиндра надо было насыпать порох и поджечь его. Образовавшиеся газы должны были, расширяясь поднять поршень. Затем цилиндр нужно было облить водой и поршень должен был опуститься вниз под действием собственной силы тяжести. Такова была идея, но при первом же испытании машина была разрушена взрывом. На создание новой машины у изобретателя не было денег. Это был прообраз современного двигателя внутреннего сгорания.
Первый двигатель внутреннего сгорания пригодный к использованию был изобретен французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель был похож на паровую машину, но в цилиндр поступал не пар, а горючая смесь, поджигаемая свечой.

Но к.п.д. двигателя Ленуара был всего 3-5%.

Немецкий механик – самоучка Николай Отто в 1878 году создал первый двигатель, работавший по четырехтактному циклу и имеющий к.п.д.22%.

Борьба за повышение к.п.д. двигателя внутреннего сгорания продолжалась. В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на новый вид двигателя внутреннего сгорания, названный в честь него дизельным. В цилиндре сжимался воздух, причем в 2,5 раза больше, чем в двигателе Отто (карбюраторном). При таком сжатии температура воздуха повышалась настолько, что при впрыскивании топлива в цилиндр, оно сразу воспламенялось, т.е. для такого двигателя не надо было свечи, чтобы поджигать топливо. Сначала в дизельном двигателе топливом служил керосин, затем нефть, мазут. (Кстати в самолетах до сих пор используют керосин.) К.п.д. дизельного двигателя достигает 44%.

Эксперты - физики

Двигатели внутреннего сгорания делятся на карбюраторные и дизельные.

Карбюраторные двигатели устанавливаются на автомобилях, мотоциклах, вертолетах;

дизельные – на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжелых автомобилях, самолетах.

Тепловыми двигателями называют устройства, совершающие механическую работу за счет использования внутренней энергии топлива.

К ним относятся: паровая машина, паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания, двигатель Дизеля, реактивный двигатель и др.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента:

1) рабочее тело, т.е. тело, которое в тепловом двигателе совершает работу;

2) нагреватель, т.е. устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет затем на совершение работы;

3) холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела: холодильником могут служить окружающая среда (атмосфера) или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара (конденсаторы).

В работе всех двигателей можно выделить следующие общие черты :

1) энергия топлива —> механическая энергия.

При этом энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. По 1-му закону термодинамики все подводимое тепло расходуется на увеличение внутренней энергии газа (или пара) и на совершение им работы. Следовательно, давление газа или пара увеличивается, пар (газ) будет действовать на поршень с некоторой силой, и поршень приходит в движение. При максимальном расширении давление пара (газа) уменьшается и уже поршень начинает давить на газ с некоторой силой, сжимая его до первоначального объема .

2) Для непрерывной работы двигателя необходимо создать цикл. Это можно осуществить при наличии двух тел с различными температурами. Они называются нагревателем и холодильником. Кроме того, необходимо рабочее тело (пар или газ).


В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое количество теплоты Q1 и превращает часть его в механическую энергию А, а непревращенную часть теплоты Q2 передает холодильнику. Холодильником, чаще всего, бывает окружающая среда.

По закону сохранения и превращения энергии A=Q1-Q2

3) Работа любого теплового двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов:

получение энергии от нагревателя;

рабочего хода (расширения рабочего тела и превращения части полученной энергии в механическую); передачи неиспользованной части холодильнику.

В процессе действия теплового двигателя его рабочее тело периодически получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Q2.

Отсюда: коэффициентом полезного действия теплового двигателя называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, получаемой от нагревателя.

В усовершенствование работы тепловых двигателей большой вклад внес французский ученый С. Карно: Из его работы следует, что максимальный коэффициент полезного действия теплового двигателя определяется по температурам нагревателя и холодильника.
Цикл работы теплового двигателя по С. Карно заключается в следующем:

Охлаждение газа после его изотермического расширения 1-2, при котором газу сообщалось количество теплоты Q1, достигается адиабатным расширением (2-3), при котором газ совершает работу за счет своей внутренней энергии, в результате его температура и давление уменьшаются соответственно до Т2, Р3 (3-4). Затем газ изотермически сжимают, отбирая от него с помощью холодильника некоторое количество теплоты Q2 и, наконец, возвращают в исходное состояние, сжимая по адиабате (4-1).

Эксперты - мотористы

Карбюраторные двигатели устанавливаются на автомобилях, мотоциклах, вертолетах.

I такт – ВПУСК. Поршень из крайнего верхнего положения опускается вниз. В это время автоматически открывается клапан, через который топливная смесь попадает в цилиндр, вследствие разряжения воздуха под поршнем. К концу первого такта топливная смесь заполняет весь цилиндр.


II такт – СЖАТИЕ. Горючая смесь внутри цилиндра. Поршень поднимается вверх. Клапаны

Закрыты. Происходит сжатие смеси. Поршень доходит до В.М.Т.

III такт – РАБОЧИЙ ХОД. Этот такт особенный. Он единственный.

Вспыхивает электрическая искра, топливная смесь воспламеняется, сгорает, температура повышается до 2000 градусов Цельсия.

IV такт – ВЫПУСК. Поршень поднимается в В.М.Т., выпускной клапан открывается, выхлопные газы выпускаются в атмосферу.

Достоинства и недостатки работы карбюраторного ДВС:

достоинства - компактность, малая масса;

недостатки- 1) требует топлива высокого качества;2) невозможность получить при его помощи малую скорость вращения при малом числе оборотов

КПД карбюраторного ДВС - 20-30%.

Устройство дизельного двигателя, его работа, применение.

Этот двигатель устанавливают на автомашинах (грузовых и легковых), на сельскохозяйственной технике, на большинстве военных машин, на тепловозах, теплоходах.

Дизель состоит из цилиндра, поршня, 2-х клапанов, форсунки, шатуна, кривошипа. В отличии от карбюраторного ДВС, он не имеет запальной свечи. Форсунка предназначена для вспрыскивания жидкого топлива. В отличии от карбюраторного ДВС, в цилиндр всасывается не горючая смесь, а воздух из атмосферы. В качестве топлива для дизелей используется не бензин, а более дешевое топливо, которое получается при переработке нефти – солярка.

Первый такт – впуск. Поршень опускается от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. Впускной клапан открывается, и через него в цилиндр поступает воздух из атмосферы.

Второй такт – сжатие. Клапаны закрыты. Поршень быстро поднимается от нижней мертвой точки до верхней и резко сжимает воздух в цилиндре. От сильного сжатия воздух нагревается и его температура повышается.

Третий такт – рабочий ход. В конце второго такта форсунка впрыскивает в цилиндр жидкое топливо – солярку. От сжатого горячего воздуха распыленное топливо воспламеняется и начинается 3-й такт – рабочий ход. Клапаны закрыты. Под действием газов, которые получились при сгорании солярки, поршень опускается от верхней мертвой точки до нижней.


Четвертый такт – выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень поднимается. Газы, которые получились при сгорании солярки, выбрасываются из цилиндра в атмосферу.

Дизельный двигатель имеет ряд преимуществ перед карбюраторным двигателем.

1-е преимущество: более высокий КПД (коэффициент полезного действия), а значит, этот двигатель более мощный.

2-е преимущество: работает на более дешевом топливе – солярке, поэтому более экономичный.

Недостатки двигателя: его выхлопные газы содержат больше сажи, более ядовиты, т.е. более токсичны.
Принцип действия паровой турбины

Паровые турбины ставятся на мощных электрических станциях и на больших кораблях. Для работы парового двигателя необходим ряд вспомогательных машин и устройств. Все это вместе носит название паросиловой станции. На станции все время циркулирует одна и та же вода. Она превращается в пар в котле, пар производит работу в турбине и снова превращается в воду в барабане, охлаждаемом проточной водой (конденсатор). Из конденсатора получившаяся вода посредством насоса через сборный бак снова направляется в котел.
Принцип действия реактивного двигателя

Реактивные двигатели используются на самолетах, ракетах. Нагревателем является камера сгорания, рабочим телом - газ. Реактивные двигатели делятся на воздушно-реактивные (горючее - керосин, окислитель - атмосферный воздух); жидкостные реактивные двигатели (для передвижения в космическом пространстве используется жидкое горючее и жидкий окислитель, например жидкий кислород); пороховые реактивные двигатели (в качестве топлива используется порох). КПД реактивного двигателя составляет 60 %.

Эксперты - экологи

Экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей

Тепловые установки и двигатели ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 200 млн.т. оксида серы, 400 млн.т. оксида углерода, 250 млн. т. соединений хлора, фтора, тончайшей пыли, аэрозолей. Оксиды, соединяясь в воздухе с водой, образуют кислоты, выпадающие на землю в виде кислотных дождей. Все это ведет к “экологической катастрофе”.


Пути решения:

Использование экологически чистых источников энергии

Техническое усовершенствование двигателей

Создание объездных дорог

Создание “зелёных” дорог

Преумножать зелёный покров земли

Не пользоваться личным транспортом без особой нужды

Экономично использовать электроэнергию, воду

Бережно относиться к зелёным насаждениям

Проводить техосмотр автомобилей 2 раза в год, так как от состояния двигателя зависит количество вредных веществ, выбра­сываемых автомобилем в атмосферу.

Сделать более доступным ремонт автомобиля.

Ужесточить санкции по отношению к нарушителям.