Внутренняя энергия

Внутренней  энергией обладают все тела – земля, камни, облака. Однако извлечь их внутреннюю энергию довольно трудно, а порой  и невозможно. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь некоторых, образно говоря, "горючих" и "горячих" тел. К ним относятся: нефть, уголь, горячие источники вблизи вулканов, теплые морские течения и т.п. Рассмотрим один из примеров использования  превращения внутренней энергии  названных тел в механическую энергию. Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. 
 
По роду топлива Двигатели внутреннего сгорания разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом - на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. Существуют: жидкостные и газовые, с внешним (карбюраторные двигатели) и внутренним (дизели) смесеобразованием, поршневые и турбинные, реактивные и комбинированные Двигатели внутреннего сгорания.  
 
В Двигателе внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием (карбюраторные двигатели) зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.  
 
Мощность, экономичность и другие характеристики двигателей постоянно улучшаются, основной принцип действия остаётся неизменным. 
 
В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндров и тепловая энергия, выделяющаяся при этом, преобразуется в механическую работу. 
 
Рабочим циклом называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре. В четырехтактном двигателе рабочий цикл совершается за четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск, или, иначе говоря, за два оборота коленчатого вала. 
 
Такт – это процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня. 
 
Ход поршня S - путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой.  
 
Мертвыми точками называются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю. Верхняя мертвая точка сокращенно обозначается в.м.т., нижняя мертвая точка – н.м.т. 
 
Рабочий объем цилиндра V_р - объем, освобождаемый поршнем при движении от в.м.т. до н.м.т. 
 
Литраж – рабочий объем всех цилиндров двигателя. 
 
Объем камеры сгорания V_c - объем, образующийся над поршнем, когда последний находится в в.м.т. 
 
Полный объем цилиндра V_п - это его рабочий объем плюс объем камеры сгорания. 
 
Индикаторная мощность – мощность, развиваемая расширяющимися газами при сгорании топлива в цилиндрах двигателя (без учета потерь). 
 
Эффективная мощность – мощность, получаемая на маховике коленчатого вала. Она на 10 – 15% меньше индикаторной из-за потерь на трение в двигателе и приведение в движение его вспомогательных механизмов и приборов. 
 
Литровой мощностью называется наибольшая эффективная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (литража) цилиндрического двигателя. 
 
Рабочий цикл четырехтактного двигателя совершается за 4 хода поршня (такта), т. е. за 2 оборота коленчатого вала. 
 
Первый такт – впуск. При движении поршня от в.м.т. (вниз) вследствие увеличения объема в цилиндре создается разрежение, под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (паров бензина с воздухом). В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь.  
 
Второй такт – сжатие. Поршень движется вверх, при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, то происходит сжатие рабочей смеси. Смесь сжимается до давления 0,8-2 Мн./м2 (8-20 кгс/см2) температура смеси в конце сжатия составляет 200-400°C. 
 
Третий такт – рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает (за 0,001 – 0,002 с). При этом происходит выделение большого количества тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем определенный крутящий момент. Таким образом, во время рабочего хода происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. 
 
Четвертый такт – выпуск. После совершения полезной работы поршень движется вверх и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан. 
 
Из рабочего цикла двигателя видно, что полезная работа совершается только в течение рабочего хода, а остальные три такта являются вспомогательными. Для равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливают маховик, обладающий значительной массой. Маховик получает энергию при рабочем ходе, и часть ее отдает на совершение вспомогательных тактов. 
 
Существует также двухтактный Двигатель внутреннего сгорания. Рабочий цикл двухтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания осуществляется за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала . Процессы сжатия, сгорания и расширения практически аналогичны соответствующим процессам четырёхтактного Двигателя внутреннего сгорания. При равных условиях двухтактный двигатель должен быть в два раза более мощным, чем четырёхтактный, т. к. рабочий ход в двухтактном двигателе происходит в два раза чаще, однако на практике мощность двухтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания часто не только не превышает мощность четырёхтактного с тем же диаметром цилиндра и ходом поршня, но оказывается даже ниже. Это обусловлено тем, что значительная часть хода (20-35%) поршень совершает при открытых окнах, когда давление в цилиндре невелико и двигатель практически не производит работы; продувка цилиндра требует затрат мощности на сжатие воздуха в продувочном насосе; очистка пространства цилиндра от продуктов сгорания газов и наполнение его свежим зарядом значительно хуже, чем в четырёхтактном Двигателе внутреннего сгорания. 
 
В целях получения большей мощности и равномерного вращения коленчатого вала двигатели делают многоцилиндровые. Так, в четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода.  
 
Рабочий цикл карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен при очень большой частоте вращения вала (3000-7000 об/мин). Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более. Нормальная горючая смесь состоит примерно из 15 частей воздуха (по массе) и 1 части паров бензина. Двигатель может работать на обеднённой смеси (18 : 1) или обогащенной смеси (12 : 1). Слишком богатая или слишком бедная смесь вызывает сильное уменьшение скорости сгорания и не может обеспечить нормального протекания процесса сгорания. Регулирование мощности карбюраторного Д. в. с. осуществляется изменением количества смеси, подаваемой в цилиндр (количественное регулирование). Большая частота вращения и выгодные соотношения топлива и воздуха в смеси обеспечивают получение большой мощности в единице объёма цилиндра карбюраторного двигателя, поэтому эти двигатели имеют сравнительно небольшие габариты и массу [ 1-4 кг/квт ( 0,75-3 кг/л. с.)]. Применение низких степеней сжатия обусловливает умеренные давления в конце сгорания, вследствие чего детали можно делать менее массивными, чем, например, в дизелях. При увеличении диаметра цилиндра карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания возрастает склонность двигателя к детонации, поэтому карбюраторные Двигатели не делают с большими диаметрами цилиндров (как правило, не более 150 мм). Мотоциклетные карбюраторные двухтактные и четырёхтактные Двигатели внутреннего сгорания имеют мощность от 3,5 до 45 кВт (от 5 до 60 л. с.). Авиационные поршневые двигатели с непосредственным впрыском бензина и искровым зажиганием развивают до 1100 кВт (1500 л. с.) и более.

транспорте безраздельно царствовала паровая машина. В то время для освещения улиц стали применять светильный газ. Свойство нового топлива натолкнула изобретателей на мысль, что поршень в цилиндре может перемещать не пар, а газовая смесь. На вопрос о том, как воспламенить эту смесь помогло ответить ещё одно техническое достижение – индукционная катушка получения электрической искры. 
 
Первый двигатель, работавший светильном газе, изобрёл Создали двигатель внутреннего сгорания в середине 19 века, когда на в 1860 году французский механик Этьен Ленуар (1822-1900). Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (горючие газы в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела все основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. И всё же конструкция Э. Ленуара была лишь прообразом реального двигателя, она требовала серьёзного усовершенствования. Достаточно сказать, что её коэффициент полезного действия составлял всего 0.04, т.е. Лишь 4% теплоты сгоревшего газа тратилось на полезную работу, а остальные 96% уходили с отработанными газами. Нагревали корпус и т.п. Надёжно работали свечи выпускной золотник, для охлаждения двигателя требовалось очень много воды. В 1862 г. Французский инженер Альфонс Бо Де Роша (1815-1891) предложил идею четырёхтактного двигателя: обязательным моментом работы последнего становилось сжатие рабочей смеси газа с воздухом. Однако осуществить свою идею Бо Де Роша не сумел. Такой двигатель создал в 1876 г. Служащий из Кёльна (Германия) Николаус Август Отто (1832-1891). Над его конструкцией изобретатель напряженно трудился и добился более высокого КПД, чем у существовавших тогда паровых машин. 
 
В течение нескольких лет Бенцу и Даймлеру пришлось заниматься усовершенствованием двигателя. В результате при поддержки состоятельных людейКарл Бенц даже построил небольшой завод по производству газовых двигателей. В поисках более эффективных, чем светильный газ, автомобильного топлива Готлиб Даймлер совершив 1881г. Поездку на юг России, где ознакомился с процессами переработки нефти. Один из её продуктов, лёгкий бензин, оказался как раз таким источником энергии, который искал изобретатель: бензин хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает, удобен для транспортировки. 
 
^ В 1883г. Даймлер предложил конструкцию двигателя, который мог работать и на газе, и на бензине; все последующие автомобильные двигателиДаймлера были рассчитаны только на жидкое топливо. Переход от газа к бензину позволил в несколько раз увеличить обороты коленчатого вала, доведя его до 900об./мин; почти вдвое возросла удельная мощность двигателя (т.е. приходящаяся на 1 л суммарного-рабочего-объёма его цилиндров). Работа первопроходцев всегда требует энтузиазма и смелости. Награда за их настойчивость становится благодарность потомков. Первая самоходная коляска Бенцас бензиновым мотором была трехколесной. Даймлур начинал с двухколёсного «моторного велосипеда». 
 
Изобретения Даймлера и Бенца соотечественники встретили холодно. Благопристойных горожан беспокоил треск бензиновых двигателей; «знатоки» утверждали к тому же, что мотор «безжалостного экипажа» непременно взорвётся. В итоге Даймлеру пришлось испытывать свой автомобиль по ночам на загородных дорогах. А Бенца полиция обязала вперед сообщать свой маршрут места остановок, чтобы привести в готовность пожарные команды. 
 
Для того чтобы продемонстрировать безопасность поездок на автомобиле, фрау Берта Бенц тайком от мужа совершила вместе с сыновьями дальний(180км) автомобильный пробег. В этой поездке смелой автомобилистке приходилось прочищать трубу подачи топлива шляпной булавкой и изолировать электрический провод резиновой чулочной подвязкой. 
 
Несмотря на явные преимущества двигателя внутреннего сгорания, до конца 19 века паровые и электрические считались более перспективными, чем газовые и бензиновые. В США, например, из выпущенных к 1899г. механических экипажей 40% составлял «паромобили», 38%-«электромобили» и лишь22%-«бензиномобили». 
 
Двигатели внутреннего сгорания обладают нетрадиционной организацией рабочего процесса и сочетают преимущества бензиновых двигателей (высокая удельная мощность, малый удельный вес, высокая частота вращения) и дизелей (высокая экономичность). Высокие удельные параметры такого двигателя с искровым зажиганием обеспечиваются реализацией оптимальных параметров рабочего процесса, к которым относятся: степень сжатия 11-13 и количественно-качественное регулирование мощности, допускающее повышение коэффициента избытка воздуха на частичных нагрузках. 
 
^ Карбюраторный двигатель. Этот двигатель – одна из разновидностей двигателей внутреннего сгорания. Это название подчеркивает, что, во-первых, сгорание топлива происходит внутри двигателя, а во-вторых, существенной его деталью является карбюратор – устройство для смешивания бензина с воздухом в нужных пропорциях.  
 
Карбюраторные Двигатели внутреннего сгорания представляют собой сложный агрегат, включающий ряд узлов и систем. 
 
Остов двигателя - группа неподвижных деталей, являющихся базой для всех остальных механизмов и систем. К остову относятся блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей. 
 
Механизм движения - группа движущихся деталей, воспринимающих давление газов в цилиндрах и преобразующих это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Механизм движения включает в себя поршневую группу (поршни, шатуны, коленчатый вал и маховик). 
 
Механизм газораспределения служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов. Эти функции выполняют кулачковый (распределительный) вал, приводимый в движение от коленчатого вала, а также толкатели, штанги и коромысла, открывающие клапаны. Клапаны закрываются клапанными пружинами. 
 
Система смазки - система агрегатов и каналов, подводящих смазку к трущимся поверхностям. Масло, находящееся в масляном поддоне, подаётся насосом в фильтр грубой очистки и далее через главный масляный канал в блок-картере под давлением поступает к подшипникам коленчатого и кулачкового валов, к шестерням и деталям механизма газораспределения. Смазка цилиндров, толкателей и других деталей производится масляным туманом, образующимся при разбрызгивании масла, вытекающего из зазоров в подшипниках вращающихся деталей. Часть масла отводится по параллельным каналам в фильтр тонкой очистки, откуда сливается обратно в поддон. 
 
Система охлаждения может быть жидкостной и воздушной. Жидкостная система состоит из рубашек цилиндров и головок, заполненных охлаждающей жидкостью (водой, антифризом и т. п.), насоса, радиатора, в котором жидкость охлаждается потоком воздуха, создаваемым вентилятором, и устройств, регулирующих температуру воды. Воздушное охлаждение осуществляется обдувом цилиндров и головок вентилятором или потоком воздуха (на мотоциклах). 
 
Система питания осуществляет приготовление горючей смеси из топлива и воздуха в пропорции, соответствующей режиму работы, и в количестве, зависящем от мощности двигателя. Система состоит из топливного бака, топливоподкачивающего насоса, топливного фильтра, трубопроводов и карбюратора, являющегося основным узлом системы. 
 
Система зажигания служит для образования в камере сгорания искры, воспламеняющей рабочую смесь. В систему зажигания входят источники тока - генератор и аккумулятор, а также прерыватель, от которого зависит момент подачи искры. В систему включается распределитель тока высокого напряжения по соответствующим цилиндрам. В одном агрегате с прерывателем находятся конденсатор, улучшающий работу прерывателя, и катушка зажигания, с которой снимается высокое напряжение (12-20 кВ). В то время, когда Двигатели внутреннего сгорания не имели электрического зажигания, применялись запальные калоризаторы. 
 
Система пуска состоит из электрического стартёра, шестерён передачи от стартёра к маховику, источника тока (аккумулятора) и элементов дистанционного управления. В функции системы входит вращение вала двигателя для пуска. 
 
Система впуска и выпуска состоит из трубопроводов, воздушного фильтра на впуске и глушителя шума на выпуске. 
 
Примером карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания может служить двигатель ^ ГАЗ-21 "Волга". Это четырёхцилиндровый четырёхтактный двигатель, развивающий мощность 55 кВт (75 л.с.) при 4000 об/мин и степени сжатия 6,7. Удельный расход топлива на наиболее экономичном режиме составляет 290 г; (кВт.ч). 
 
Наибольшая мощность четырёхтактного карбюраторного Двигателя внутреннего сгорания 600 кВт (800 л.с.) 
 
^ Дизельный двигатель. В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ, подтверждающий изобретение) на двигатель, впоследствии названный его фамилией.  
 
Рудольф Дизель (18 марта 1858, Париж — 29 сентября 1913, пролив Ла-Манш) 
 
Родился в немецкой семье, эмигрировавшей во Францию. В 1870 из-за начавшейся Франко-прусской войны всю семью выслали в Англию. Для получения образования Рудольфа родители отправили в Германию, сначала в Аугсбурге, а затем в Мюнхене в Высшую техническую школу, которую он окончил с отличием. Большой удачей для него стало покровительство известного инженера Карла фон Линде, устроившего Дизеля в 1880 на работу в парижское отделение своей фирмы. Долгие годы Рудольф работал над созданием двигателя, в котором воздух должен сжимался таким образом, чтобы при соединении его с топливом создавалась бы необходимая для воспламенения температура. В 1890 Дизеля перевели в берлинское отделение фирмы. Здесь он представил расчеты и теоретическое обоснование своей идеи и в 1892 получил патент. В 1897 был продемонстрирован двигатель мощностью 25 л.с. Высокоэффективный двигатель заинтересовал фирму Круппа, машиностроительные заводы Аугсбурга и многих других. К Рудольфу Дизелю пришел коммерческий успех, но через некоторое время лицензионные отчисления (ройялти) прекратились из-за конструкторских просчетов, устраненных уже другими изобретателями. Рудольф Дизель погиб, видимо, во время крушения почтового парохода «Дрезден» в проливе Ла-Манш (по другой версии, покончил жизнь самоубийством из-за финансовых неудач). 
 
В цилиндры двигателя Дизеля попадает не смесь бензина и воздуха, как в карбюраторных двигателях, а только воздух. Поршень, сжимая этот воздух, совершает над ним работу и, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия воздуха возрастает. Подобно опыту с "воздушным огнивом" температура в цилиндре возрастает настолько, что впрыскиваемое туда топливо сразу же самовоспламеняется. Образующиеся при этом газы выталкивают поршень обратно, осуществляя рабочий ход. Следовательно, работа двигателя Дизеля также состоит из четырех тактов. Дизельные двигатели, или попросту, дизели, могут работать на менее качественном, а, значит, на более дешевом топливе, чем карбюраторные двигатели. Дизели также способны развивать большую мощность. Кроме того, КПД дизелей достигает 35-40 %, что заметно выше, чем КПД карбюраторных двигателей: 25-30 %. 
 
Газовые Двигатели работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Кроме того, могут быть использованы: газ, генерируемый в результате неполного сгорания твёрдого топлива, металлургические газы, канализационные газы и пр. Применяются как четырёхтактные, так и двухтактные газовые Двигатели внутреннего сгорания. По принципу смесеобразования и воспламенения газовые двигатели разделяются на: Двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием, в которых рабочий процесс аналогичен процессу карбюраторного двигателя; Двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием и зажиганием струей жидкого топлива, воспламеняющегося от сжатия; Двигатели внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и искровым зажиганием. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта 
 
Экономичность работы Двигателей внутреннего сгорания характеризуется эффективным КПД, который представляет собой отношение полезной работы к количеству тепла, выделяемого при полном сгорании топлива, затраченного на получение этой работы. Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных Двигателей внутреннего сгорания около 44%. 
 
Основным преимуществом Двигателей внутреннего сгорания, так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Двигателями внутреннего сгорания, могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Двигателей внутреннего сгорания на транспортных средствах (автомобилях, строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.). 
 
Совершенствование Двигателей внутреннего сгорания идёт по пути повышения их мощности, надёжности и долговечности, уменьшения массы и габаритов, создания новых конструкций . Можно наметить также такие тенденции в развитии Двигателей внутреннего сгорания, как постепенное замещение карбюраторных Двигателей дизелями на автомобильном транспорте, применение многотопливных двигателей, увеличение частоты вращения и другими улучшениями в конструкции. Над совершенствование двигателя внутреннего сгорания работали и продолжают работать многие учёные, инженеры, испытатели.  
 
Вот некоторые интересные новости развития Двигателей внутреннего сгорания. 
 
Министр энергетики США Спенсер Абрахам представил топ-менеджерам американских автоконцернов доклад о "национальном водородном энергетическом графике". Авторы программы предлагают постепенно развертывать производство водородных двигателей вместо традиционных двигателей внутреннего сгорания. По их замыслу, это позволило бы снизить зависимость США от импорта нефти. 
 
Около года назад Министерство энергетики США вместе с ведущими американскими автоконцернами и нефтяными компаниями начало реализовывать программу по разработке и производству автомобильных двигателей на основе водородных топливных ячеек. В январе 2002 г. администрация Джорджа Буша отказалась от программы разработки сверхэкономичных автомобилей, оснащенных бензиновыми двигателями (ее начали реализовывать еще при президенте Клинтоне). 
 
В штаб-квартире Ford Motor состоялась презентация "национального водородного энергетического графика". По словам министра энергетики США Спенсера Абрахама, выступившего с докладом перед представителями автоконцернов и нефтяных компаний, внедрение новой технологии существенно снизит зависимость страны от импорта нефти с Ближнего Востока, а также решит проблему парниковых газов, вызывающих глобальное потепление климата. 
 
Для выработки электроэнергии в двигателях на топливных ячейках используется продукт химической реакции водорода и кислорода. При этом, если применяется абсолютно чистый водород, выхлоп автомобиля состоит из водяного пара. 
 
Однако Абрахам вынужден был признать, что новая технология вряд ли получит широкое распространение до конца десятилетия. "Разработка автомобилей будущего (с двигателями) на топливных ячейках сопряжена с многочисленными техническими трудностями", - заявил Абрахам. Одна из главных проблем, по его словам, - как найти безопасный способ хранения водорода в автомобиле. Другая трудность - в том, как организовать сеть доставки водорода, которая функционировала бы по образцу ныне действующей системы поставок бензина на АЗС. Наконец, по словам Абрахама, необходимо найти экономичный способ промышленного производства водорода. 
 
Тем не менее еще в мае General Motors представила грузовой пикап, который, по словам представителей компании, стал первым в мире автомобилем с двигателем на топливных ячейках. Он производит электричество из водорода, экстрагированного из бензина. Пикап оборудован топливным процессором, который путем ряда химических реакций превращает бензин с низким содержанием серы в топливо, пригодное для использования в топливных ячейках. 
 
Открытие Двигателя внутреннего сгорания оказало большое влияние 
 
на развитие многих отраслей промышленности, сельского хозяйства 
 
и науки.