ДВИГУН ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ
Один з найпоширеніших теплових двигуни лей - двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), що існує в двох варіантах: у вигляді бензинового ДВС і дизеля.
Бензиновий ДВС працює на рідкому пальному (бензині, гасі і т.п.) або на пальному газі (збереженому в вусатого вигляді в сталевих балонах). Сьогодні проектуються ДВС, в яких в якості пального буде використовуватися водень.
Основна частина ДВС - один або кілька циліндрів, усередині яких відбувається спалювання палива. Звідси, до речі кажучи, і назва двигуна.
Усередині циліндра рухається поршень - металевий Ітакан, оперезаний пружними кільцями, що не Пропускають гази, що утворилися при згорянні палива, дпромежуткі між поршнем і стінками циліндра. Пордвень забезпечений металевим стрижнем - пальцем, який з'єднує поршень з шатуном. Останній передає рух поршня колінчастого валу. Верхня частина циліндра сполучається з двома клапанами. Через один з клапанів - впускний - подається горюча суміш, через інший - випускний - видаляються продукти згоряння. Тут же міститься свічка - пристосування для запалювання горючої суміші за допомогою електричної іскри.
Найбільшого поширення в техніці отримав чотиритактний ДВС.
1-ий такт - впуск (всмоктування). відкривається
впускний клапан. Поршень, рухаючись вниз, засмоктує в
циліндр горючу суміш.
2-ий такт - стиснення. Впускний клапан закривається. Поршень, рухаючись вгору, стискає горючу суміш, яка при стисненні нагрівається.
3-ий такт - робочий хід. Суміш підпалюється електричною іскрою свічки. Сила тиску газів (розпечених продуктів згоряння) штовхає поршень вниз. Рух поршня передається колінчастого валу, вал повертається, і тим самим відбувається корисна робота. Виробляючи роботу і розширюючись, продукти згоряння охолоджуються, тиск в циліндрі падає майже до атмосферного.
4-ий такт - випуск (вихлоп). Відкривається випускний клапан, відпрацьовані продукти згоряння викидаються через глушник в атмосферу.
З чотирьох тактів тільки один - третій - є робочим. Тому двигун забезпечують маховиком (інерційним двигуном, запасаються енергію), за рахунок якого колінчастий вал обертається протягом решти тактів.
Дизель - інший тип ДВС. Займання в його циліндрах відбувається при упорскуванні палива в повітря, попередньо стиснений поршнем і, отже, нагрітий до високої температури. Це основна відмінність дизеля від звичайного бензинового двигуна внутрішнього згоряння. Перший дизельний двигун був побудований в 1897 році німецьким вченим Рудольфом Дизелем (1858-1913), на ім'я якого і називається.
Використовувати внутрішню енергію - це значить зробити за рахунок неї корисну роботу, тобто перетворювати внутрішню енергію в механічну. У найпростішому досвіді, який полягає в тому, що в пробірку наливають трохи води і доводять її до кипіння (причому пробірка спочатку закрита корком), пробка під тиском утворився пара піднімається вгору і вискакує. Іншими словами, енергія палива переходить у внутрішню енергію пара, а пар, розширюючись, здійснює роботу, вибиваючи пробку. Так внутрішня енергія пара перетворюється в кінетичну енергію пробки.
Якщо пробірку замінити міцним металевим циліндром, а пробку поршнем, який щільно прилягає до стінок циліндра і здатний вільно переміщатися уздовж них, то вийде найпростіший тепловий двигун.
Тепловими двигунами називають машини, в яких внутрішня енергія палива перетворюється в механічну енергію.
Історія теплових машин сягає в далеке минуле Кажуть, ще дві з гаком тисячі років тому, в III столітті дс нашої ери, великий грецький механік і математик Архімед побудував гармату, яка стріляла за допомогою пари. Малюнок гармати Архімеда і її опис були знайдені через 18 століть в рукописах великого італійського вченого, інженера і художника Леонардо да Вінчі.
Як же стріляла ця гармата? Один кінець стовбура сильно нагрівали на вогні. Потім в нагріту частина стовбура наливали воду. Вода миттєво випаровувалася і перетворювалася на пару. Пар, розширюючись, з силою і гуркотом викидав ядро. Для нас цікаво тут те, що ствол гармати являв собою циліндр, за яким як поршень ковзало ядро.
Приблизно трьома століттями пізніше в Олександрії - культурному і багатому місті на африканському узбережжі Середземного моря - жив і працював видатний вчений Герон, якого історики називають Героном Олександрійським. Герон залишив кілька творів, що дійшли до нас, в яких він описав різні машини, прилади, механізми, відомі в ті часи.
У творах Герона є опис цікавого приладу, який зараз називають героновой кулею. Він являє собою порожнистий залізна куля, закріплений так, що може обертатися навколо горизонтальної осі. З закритого котла з киплячою водою пар по трубці надходить в кулю, з кулі він виривається назовні через зігнуті трубки, при цьому куля приходить в обертання. Внутрішня енергія пара перетворюється в механічну енергію обертання кулі. Герон куля - це прообраз сучасних реактивних двигунів.
У той час винахід Герона не знайшло застосування і залишилося тільки забавою. Минуло 15 століть. За часів нового розквіту науки і техніки, що наступив після періоду середньовіччя, про використання внутрішньої енергії пара замислюється Леонардо да Вінчі. У його рукописах є кілька малюнків із зображенням циліндра і поршня. Під поршнем в циліндрі знаходиться вода, а сам циліндр підігрівається. Леонардо да Вінчі припускав, що утворився в результаті нагрівання води пар, розширюючись і збільшуючись в обсязі, буде шукати вихід і штовхати поршень вгору. Під час свого руху вгору поршень міг би робити корисну роботу
Дещо по-іншому уявляв собі двигун, що використовує енергію пара, Джованні Бранка, що жив на століття ршсе великого Леонардо. Це було колесо з лопатками, в друге з силою вдаряла струмінь пара, завдяки чому колесо починало обертатися. По суті, це була перша парова турбіна.
У XVII-XVIII століттях над винаходом парової машітруділісь англійці Томас Севери (1650-1715) і Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дені Папен (1647-1714), російський вчений Іван Іванович Повзунів (1728-1766) і дроги інші.
Папен побудував циліндр, в якому вгору і вниз вільно переміщався поршень. Поршень був пов'язаний тросом, перекинутим через блок, з вантажем, який слідом за поршнем також піднімався і опускався. На думку Папена, поршень можна було пов'язати з будь-якої машиною, Наприклад водяним насосом, який став би качати воду. У нижню відкидається частина циліндра насипали поpox, який потім підпалювали. Утворилися гази, прагнучи розширитися, штовхали поршень вгору. Після отого циліндр і поршень із зовнішнього боку обливали диодной водою. Гази в циліндрі охолоджувалися, і їх тиск на поршень зменшувалася. Поршень під дією власної ваги і зовнішнього атмосферного тиску опусускался вниз, піднімаючи при цьому вантаж. Двигун вчиняв корисну роботу. Для практичних цілей він негідника: надто вже складний був технологічний цикл його роботи (засипка і підпалювання пороху, обливання водою, І це протягом всієї роботи двигуна!). Крім того, застосування подібного двигуна було далеко не безпечним.
Однак не можна не побачити в першій машині Палена риси сучасного двигуна внутрішнього згоряння.
У своєму новому двигуні Папен замість пороху використовував воду. Її наливали в циліндр під поршень, а сам циліндр розігрівали знизу. Пара, що утворюється піднімав поршень. Потім циліндр охолоджували, і що знаходиться в ньому пар конденсировался - знову перетворювався в воду. Поршень, як і в разі порохового двигуна, під дією своєї ваги і атмосферного тиску опускався вниз. Цей двигун працював краще, ніж пороховий, але для серйозного практичного використання був також малопридатний: потрібно було підводити і відводити вогонь, подавати охолоджену воду, чекати, поки пар сконденсіруется, перекривати воду і т.п.
Всі ці недоліки були пов'язані з тим, що приготування пара, необхідного для роботи двигуна, відбувалося в самому циліндрі.
А що якщо в циліндр впускати вже готовий пар, отриманий, наприклад, в окремому котлі? Тоді досить було б поперемінно впускати в циліндр то пар, то охолоджену воду, і двигун працював би з більшою швидкістю і меншим споживанням палива.
Про це здогадався сучасник Дені Палена англієць Томас Севери, який побудував паровий насос для відкачування води з шахти. У його машині приготування пара відбувалося поза циліндра - в казані.
Слідом за Севери парову машину (також пристосовану для відкачування води з шахти) сконструював англійський коваль Томас Ньюкомен. Він вміло використовував багато з того, що було придумано до нього. Ньюкомен взяв циліндр з поршнем Папена, але пар для підйому поршня отримував, як і Севери, в окремому котлі.
Машина Ньюкомена, як і всі її попередниці, працювала уривчасто - між двома робочими ходами поршня була пауза. Висотою он-а була з чотирьох-п'ятиповерховий будинок і, отже, виключно <прожорлива>: П'ятдесят коней ледве-ледве встигали підвозити їй паливо. Обслуговуючий персонал складався з двох чоловік: кочегар безперервно підкидав вугілля в <ненасытную пасть> топки, а механік керував кранами, впускають пар і холодну воду в циліндр.
Знадобилося ще 50 років, перш ніж був побудований універсальний паровий двигун. Це сталося в Росії, на одній з віддалених її околиць - Алтаї, де в той час працював геніальний російський винахідник, солдатський син Іван Ползунов.
Навесні 1766-року учні Ползунова, через тиждень після його смерті (він помер в 38 років), випробували машину. Вона працювала протягом 43 діб і приводила в рух міхи трьох плавильних печей. Потім котел дав текти; шкіра, якою були обтягнуті поршні (щоб зменшити зазор між стеннкой циліндра і поршнем), пучки, і машина зупинилася назавжди. Більше нею ніхто не займався.
Творцем іншого універсального парового двигуна, який набув широкого поширення, став англійський механік Джеймс Уатт (1736-1819). Працюючи над удосконаленням машини Ньюкомена, він в 1784 році побудував двигун, який годився для будь-яких потреб. Винахід Уатта було прийнято на ура. У найбільш розвинених країнах Європи ручна праця на фабриках і заводах все більше і більше замінювався роботою машин. Універсальний двигун став необхідний виробництва, і він був створений.
У двигуні Уатта застосований так званий кривошипно-шатунний механізм, перетворюють зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колеса.
Уже потім було придумано <двойное действие> машини: направляючи по черзі пар то під поршень, то зверху поршня, Уатт перетворив обидва його ходу (вгору і вниз) в робочі. Машина стала потужнішою. Пар в верхню і нижню частини циліндра прямував спеціальним паророзподільних механізмом, який згодом був удосконалений і названий <золотником>.
Потім Уатт прийшов до висновку, що зовсім не обов'язково весь час, поки поршень рухається, подавати в циліндр пар. Досить впустити в циліндр якусь порцію пара і повідомити поршня рух, а далі цей пар почне розширюватися і переміщати поршень в крайнє положення. Це зробило машину економічніше: менше потрібно пара, менше витрачалося палива.
Сьогодні один з найпоширеніших теплових двигунів - двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Його встановлюють на автомобілі, кораблі, трактори, моторні човни і т.д. у всьому світі налічуються сотні мільйонів таких двигунів. Існують два типи двигунів внутрішнього згоряння - бензиновий ДВС і дизель (див. Двигун внутрішнього згоряння).
Для оцінки теплового двигуна важливо знати, яку частину енергії, що виділяється паливом, він перетворює в корисну роботу. Чим більше ця частина енергії, тим двигун економічніше.
Для характеристики економічності вводиться поняття коефіцієнта корисної дії (ККД).
ККД теплового двигуна - це відношення тієї частини енергії, яка пішла на вчинення корисної роботи двигуна, до всієї енергії, що виділилася при згоранні палива.
Перший дизель (1897 г.) мав ККД 22%. Парова машина Уатта (1768 г.) - 3-4%, сучасний стаціонарний дизель має ККД 34-44%.