Принцип работы калильный двигатель: Калильный двигатель | это… Что такое Калильный двигатель?

Калильный двигатель | это… Что такое Калильный двигатель?

Двухтактныйавиамодельный калильный двигатель.

Четырёхтактныйавиамодельный калильный двигатель.

Калильные двигатели.

Свеча накаливания калильного двигателя.

Кали́льный дви́гатель — один из типов поршневых двигателей внутреннего сгорания, применяемый для моделей самолётов, вертолётов, автомобилей, глиссеров, особенностью которого является воспламенение горючей смеси в цилиндре при помощи калильной свечи.

Внутри калильно-каталитической свечи имеется спираль из платино-иридиевого сплава, которая при повышенной температуре каталитически поджигает горючую смесь. Существуют также обычные калильные свечи, в которых катализ не используется.

Во время запуска к свече подключают электрическую батарею, от которой спираль раскаляется и воспламеняет горючую смесь. Когда двигатель запустился, напряжение на калильно-каталитической свече отключают, так как рабочая температура спирали поддерживается высокой температурой продуктов сгорания.

Калильные двигатели, как правило, работают на топливе, состоящем из метанола в смеси с касторовым маслом. В качестве присадки, повышающей мощность двигателя, применяют нитрометан.

История

В начале XX века выпускались керосиновые калильные двигатели для судов и стационарных энергетических установок, например, были известны керосиновые двигатели Кертинга (Körting kerosene engine). ^[1][2][3][4]

В СССР выпускались калильные двигатели «Радуга 10Р», «ЦСТКАМ 2,5К», «Талка», «Тайфун», «Метеор», «Комета». Также к ним выпускались следующие типы каталитических свечей: КС-1, КС-2, ГСК.

Калильные двигатели в моделизме

Применяются двухтактные или четырёхтактные двигатели. Наибольшее распространение имеют одноцилиндровые атмосферные двигатели. Реже встречаются оппозитные двухцилиндровые. К экзотике можно отнести роторные^[5], рядные многоцилиндровые^[6], звездообразные^[7], инжекторные и двигатели с турбонаддувом.

Классификация

Распространена классификация калильных двигателей выражаемая в сотых долях кубического дюйма. Несколько распространённых примеров:

• 15 класс (2,5 см³)
• 21 класс (3,5 см³)
• 25 класс (4 см³).
• 30 класс (4,9 см³)
• 35 класс (5,8 см³)
• 40 класс (6,5 см³).
• 46 класс (7,5 см³).
• 50 класс (8,5 см³).
• 61 класс (10 см³).
• 90 — 91 класс (≈15 см³).
• 108 класс (≈18 см³).
• 120 класс (≈20 см³).
• 140 класс (≈23 см³).
• 160 класс (≈26 см³).
• 180 класс (≈30 см³).

Радиоуправляемые авиамодели часто классифицируют по объему подходящего двухтактного калильного двигателя выражаемого в сотых долях кубического дюйма. Модель при этом может быть оснащена 4-тактным или электродвигателем. Такая эквивалентная классификация используется лишь для удобства сравнения.

Примечания

1. ↑ «Краб» — первый в мире подводный заградитель
2. ↑ «Мы построили корабль, который полностью отвечает заданию…»
3. ↑ А. фон Тирпиц, «Воспоминания». Приложение 2
4. ↑ http://warandgame.wordpress.com/2007/08/24/early-german-u-boats/
5. ↑  (рус.)Роторный двигатель 49PI TYPEII (21G).
6. ↑  (рус.) Рядный четырёхцилиндровый двигатель IL300 DIASTAR W/80P.
7. ↑  (рус.) Пятицилиндровая звезда FR5 300 SIRIUS.

Запуск нитро двигателя радиоуправляемой модели

Запуск нитро двигателя радиоуправляемой модели достаточно прост, но только в случае, когда у вас есть необходимые знания и опыт. В этой статье мы постараемся описать все основные моменты, которые необходимо знать. Обращаем ваше внимание на то, что информация, представленная в данном разделе описывает основные принципы и особенности запуска ДВС модели, а вам при запуске необходимо изучить инструкцию именно к вашей модели.

Первое что нужно запомнить, если это ваша первая радиоуправляемая модель с нитро мотором, то нужно набраться терпения и не торопиться. Просто взять модель залить топливо и устроить гонки не получится. Не торопясь, все работы по первому запуску, обкатке и настройке можно выполнить за один день. Крайне важно помнить, что это не игрушка, а серьезная модель, требующая определенных знаний.

С чего стоит начать запуск двигателя новой ДВС модели?

Первое что нужно сделать, это изучить инструкцию к вашей модели, т.к. она может иметь свои особенности. Найдите карбюратор и, прочитав инструкцию, определите где находятся регулировочные винты, как правило, это регулировка иглы высоких оборотов, иглы низких оборотов, и винт регулирующий холостой ход. Осмотрите дроссельную заслонку, для этого вам потребуется снять с карбюратора воздушный фильтр и патрубок, на котором он установлен.

Второе, что нужно сделать, это проверить и при необходимости закрутить все основные винты, т. к. они могли ослабнуть при транспортировке. Желательно проверить не только крепеж двигателя и его компонентов, но и крепеж остальных узлов вашей радиоуправляемой машины, т.к. после запуска двигателя, начнется процесс обкатки, который включает и обкатку в движении.

Далее следует изучить основные комплектующие нитро мотора и принцип работы, это поможет вам понять и ускорить процесс настройки. Питание мотора осуществляется через карбюратор, в котором смешивается нитро топливо поступающее из бака и воздух поступающий из воздушного фильтра. Общая конструкция нитро двигателя схожа с конструкцией больших моторов, применяемых, к примеру, на мотоциклах, но с одним существенным отличием, в нитро моделях нет системы зажигания со свечой дающей искру, но есть свеча накаливания, именно поэтому такие моторы ещё называют калильными. Принцип работы калильного двигателя очень прост, в камере сгорания воспламеняется топливно-воздушная смесь, а возникающая при этом энергия толкает поршень который связан с коленвалом, который через сцепление передает вращение коробке передач. Нитро мотору для работы двигателя нужна правильная топливно-воздушная смесь и работающая свеча накала для ее воспламенения. Есть множество других факторов влияющих на работу мотора, таких как компрессия в цилиндре, тип топлива, чистота воздушного фильтра, но для нового мотора их можно не учитывать.

Основная функция карбюратора это подготовка (смешивание) воздуха с топливом, а также подача этой смеси в двигатель. От соотношения объема воздуха и топлива в смеси в первую очередь и зависит работа двигателя. Для регулировки этого соотношения необходимо крутить в одну или другую сторону винты регулировки иглы высоких и низких оборотов. Дроссельная заслонка регулирует объем смеси, которая попадает в двигатель, за счет этого меняются обороты двигателя. Только правильно настроенный двигатель будет выдавать максимальную мощность, плавный разгон без рывков, правильную рабочую температуру и расход топлива.

Основные комплектующие карюратора нитро модели

Игла высоких оборотов предназначена для регулировки количества топлива поступающего в двигатель на средних и больших оборотах. Поворачивая иглу по часовой стрелке вы уменьшаете количество топлива, происходит обеднение смеси. При этом происходит увеличение скорости воспламенения смеси, а также увеличения температуры двигателя. Поворачивая иглу против часовой стрелки вы увеличиваете количество топлива, происходит обогащение смеси.

Игла низких оборотов предназначена для регулировки количества топлива поступающего в двигатель на холостых и низких оборотах. Обычно двигатель отлично работает с заводской установкой иглы низких оборотов, но при необходимости можно настроить двигатель более точно. Также как и с иглой высоких оборотов, поворот иглы по часовой стрелке — уменьшает долю топлива, против часовой стрелки — увеличивает.

Упорный винт регулировки холостого хода предназначен для механического ограничения минимального зазора, который остается при закрытии дроссельной заслонки. Поворачивая винт по часовой стрелке вы увеличиваете минимальный зазор, при повороте против часовой стрелки, зазор уменьшается.

Подготовка к первому запуску нитро двигателя

При первом запуске нового мотора не меняйте заводские настройки карбюратора, как правило они установлены в нужное положение, но все же лучше их проверить, сравнив с инструкцией к модели. Базовые настройки подходят для первого запуска, а также для того чтобы вернуть их в случае когда настройка прошла неудачно и вы больше не можете запустить мотор. Базовые настройки обеспечивают безопасный режим работы двигателя, топливная смесь сильно обогащена, в результате чего двигатель лучше смазывается и охлаждается, но при этом не развивает максимальную мощность. В этом режиме двигатель склонен к переливу и может глохнуть, это нормальная ситуация. Если это произошло, просто запустите двигатель заново.

При первом запуске вам нужно выполнить несколько основных действий:

• Полностью зарядите накал свечи, после чего выкрутите свечу из двигателя и
  вставьте её в накал. Спираль должна сразу накалится. Будьте предельно осторожны чтобы не обжечься!
• Вставьте аккумуляторы или батарейки в пульт и модель.
• Залейте порцию нитро топлива в бак.

Желательно приобрести инфракрасный термометр, это не обязательное, но рекомендуемое дополнение. С помощью инфракрасного термометра вы сможете легко контролировать температуру двигателя, это позволит не перегреть двигатель, а также очень поможет в определении правильности настройки, т.к. температура это главный показатель правильности регулировки.

Запуск нового двигателя желательно проводить при температуре около 20C, но может проводится и при более холодной температуре, в этом случае перед запуском нужно прогреть модель в теплом помещении.

Первый запуск нитро двигателя

• Включите питание на пульте. После этого включите бортовое питание модели. Проверьте работу системы радиоуправления, для этого понажимайте на курок газа и убедитесь, что сервопривод модели работает.
• Убедитесь что нейтральное положение дроссельной заслонки не ограничено триммером газа на пульте управления, т.е. дроссельная заслонка при отпущенном газе должна полностью закрываться до упора в ограничительный винт.
• Подкачайте топливо в двигатель. Это можно сделать несколькими способами, на некоторых моделях на баке есть специальная кнопка для подначивания, если такой кнопки нет, то необходимо закрыть выхлопную трубу, после чего несколько раз потянуть пулл-стартер или на несколько секунд запустите рото-стартер. Топливные шланги идущие от бака в карбюратор прозрачны, поэтому вы увидите когда топливо будет накачено. Крайне важно не перелить топливо! Это может осложнить запуск или вообще сделать его невозможным.
• Подключите накал к свече.
• Плавно но быстро потяните за ручку пулл-стартера или вставьте вал рото-стартера и нажмите кнопку запуска. Новый необкатанный нитро мотор скорее всего не запуститься с первого раза, поэтому повторите запуск несколько раз.

Если несмотря на все попытки, двигатель так и не завелся, то можно попробовать выполнить следующие действия:

• Дополнительно приоткройте дроссельную заслонку для увеличения объема смеси поступающей в двигатель. Это можно сделать триммером газа на пульте, немного повернув регулятор или немного нажав на курок газа. После этого повторите попытки завести двигатель, но помните, что как только это произойдет, нужно сразу же снизить обороты т.к. высокие обороты очень вредны для необкатаного мотора.
• Вторая достаточно часто встречающаяся причина это перелитый двигатель, это может произойти когда в двигатель накачали слишком много топлива до момента подключения накала. В этом случае нужно выкрутить свечу, просушить ее и проверить, но прежде чем закручивать обратно нужно удалить из двигателя лишнее топливо, для этого с выкрученной свечей покрутите двигатель пулл-стартером или рото стартером. Когда из цилиндра перестанут вылетать капли топлива, закрутите свечу и повторите попытку запуска.
• Ещё одна возможная причина это недостаточно заряженный накал свечи, который можно проверить выкрутив и подключив свечу.

После того
как двигатель будет запущен, дайте ему поработать на минимально устойчивых оборотах! Не раскручивайте его до больших оборотов и не перегревайте!

Дальше можно переходить к обкатке и настройке нитро мотора.

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 16 марта 2022 г.

В наш век топливных элементов и
электромобили, паровозы (и
даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
От мостов и туннелей до небоскребов
и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
в последние пару столетий был построен с помощью
двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
работай!

Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

Содержание

1. Что такое тепловая машина?
2. Как двигатель приводит машину в движение?
3. Типы двигателей
   • Двигатели внешнего сгорания
   • Двигатели внутреннего сгорания
4. Двигатели в теории
   • Цикл Карно
   • Насколько эффективен двигатель?
   • Каков максимальный КПД двигателя?
5. Узнать больше

Что такое тепловая машина?

Двигатель — машина, которая вращает
энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
очевидное использование
кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое справедливо
других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
химическая реакция, называемая горение , когда топливо сгорает в
кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

“ Всем известно, что тепло может производить движение.
В том, что оно обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться… »

Николя Сади Карно, 1824 г.

Существуют два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
сгорание:

• В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
  и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
  производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
  на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
  плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
  движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
  заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
  двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
  расстояние от цилиндра и поршня.
• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
  цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
  что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
  постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
  цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
  стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

Фото: Паровой двигатель — это двигатель внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

Как двигатель приводит машину в движение?

В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
Джеймс Уатт (1736–1819 гг.)) решил сделать в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.

Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
электрическая зубная щетка, которая делает
щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
(1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

Паровые машины

В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает
экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, датируемых 18 веком. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые (бензиновые) двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг. ).00) и Герман Николаус Отто
(1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
подключить один из этих двигателей к трехколесному
карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать больше
в нашей статье об автомобильных двигателях.

Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
(1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
двигателя внутреннего сгорания, в котором
«цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
Роторный двигатель Ванкеля
хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

Двигатели в теории

Фото: машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны.
Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
как это нужно перегреть (так что это выше его
обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают возможность максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно — достаточно простая математическая модель
того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
Страница цикла НАСА Карно
и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

“ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих веществ. »

Николя Сади Карно, 1824

Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
(реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает .
С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
Tmin (его минимальная температура):

(Tmax−Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
материалов, таких как сплавы и керамика).

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
(0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара , чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

Узнайте больше

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины
• Двигатели Стирлинга

На других сайтах

Один из лучших способов понять двигатели — посмотреть их анимацию в работе.
Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

• Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы только можете себе представить, с простыми для понимания анимациями и очень четкими письменными описаниями.
• Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Введение

• Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).

Более сложный

• Цикл Карно и тепловая машина Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
• Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
• Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.

Детские книги

• «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают тепловые двигатели?

Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 16 марта 2022 г.

В наш век топливных элементов и
электромобили, паровозы (и
даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
От мостов и туннелей до небоскребов
и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
в последние пару столетий был построен с помощью
двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
работай!

Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь туда и обратно между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

Содержание

1. Что такое тепловая машина?
2. Как двигатель приводит машину в движение?
3. Типы двигателей
   • Двигатели внешнего сгорания
   • Двигатели внутреннего сгорания
4. Двигатели в теории
   • Цикл Карно
   • Насколько эффективен двигатель?
   • Каков максимальный КПД двигателя?
5. Узнать больше

Что такое тепловая машина?

Двигатель — машина, которая вращает
энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
очевидное использование
кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое справедливо
других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
химическая реакция, называемая горение , когда топливо сгорает в
кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

“ Всем известно, что тепло может производить движение.
В том, что оно обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться… »

Николя Сади Карно, 1824 г.

Существуют два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
сгорание:

• В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
  и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
  производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
  на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
  плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
  движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
  заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
  двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
  расстояние от цилиндра и поршня.
• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
  цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
  что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
  постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
  цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
  стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

Фото: Паровой двигатель — это двигатель внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

Как двигатель приводит машину в движение?

В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
Джеймс Уатт (1736–1819 гг.)) решил сделать в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.

Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
электрическая зубная щетка, которая делает
щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

Рекламные ссылки

Типы двигателей

Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
(1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

Паровые машины

В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

Двигатели Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает
экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, датируемых 18 веком. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые (бензиновые) двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг. ).00) и Герман Николаус Отто
(1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
подключить один из этих двигателей к трехколесному
карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать больше
в нашей статье об автомобильных двигателях.

Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
(1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
двигателя внутреннего сгорания, в котором
«цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
Роторный двигатель Ванкеля
хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

Двигатели в теории

Фото: машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны.
Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
как это нужно перегреть (так что это выше его
обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают возможность максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

Цикл Карно

Тепловая машина Карно — достаточно простая математическая модель
того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
Страница цикла НАСА Карно
и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

“ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих веществ. »

Николя Сади Карно, 1824

Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
(реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает .
С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
Tmin (его минимальная температура):

(Tmax−Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
материалов, таких как сплавы и керамика).

Каков максимальный КПД двигателя?

Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
(0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара , чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

Узнайте больше

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины
• Двигатели Стирлинга

На других сайтах

Один из лучших способов понять двигатели — посмотреть их анимацию в работе.
Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

• Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы только можете себе представить, с простыми для понимания анимациями и очень четкими письменными описаниями.
• Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

Книги

Введение

• Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).

Более сложный

• Цикл Карно и тепловая машина Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
• Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
• Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.

Детские книги

• «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.