Тепловые машины и двигатели внутреннего сгорания

                                     Теплова́я маши́на  

Тепловая  машина - устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.

Периодически  действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого  извне тепла, называется тепловой машиной - Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) — это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Тепловые  машины и развитие техники

Развитие  энергетики является одной из важнейших  предпосылок научно-технического прогресса. Мощный расцвет  промышленности и  транспорта в XIX в. был связан с изобретением и усовершенствованием первого теплового двигателя — паровой машины. Создание паровых, а затем газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания полностью преобразовало всю энергетику, позволило создать крупные морские суда, автомобильный и воздушный транспорт, создать космические ракеты, построить тепловые электростанции и на этой основе реорганизовать всю промышленность.

Впервые практически действующие  универсальные паровые  машины были созданы  И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.).

Конструкция первых паровых машин  имела основные части  всех последующих  тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась  энергия топлива; водяной пар как  рабочее тело и  поршень с цилиндром, преобразующий внутреннюю энергию пара в  механическую энергию; охладитель, необходимый  для снижения температуры  и давления пара. Первые паровые машины, естественно, имели серьезные конструктивные недостатки. Например, желание сделать котел дешевым и безопасным в работе приводило к необходимости использовать пар низкого давления, а для получения большей мощности это вынуждало делать цилиндры диаметром около 2 м с ходом поршня 3 м. Соответственно этому приходилось увеличивать и все другие детали машины. Дальнейшее усовершенствование паровых машин, повышение температуры и давления пара позволило существенно уменьшить их размеры и повысить мощность. Это сделало возможным использование паровых машин на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков.

Главным недостатком паровых  машин был низкий КПД, не превышающий 9%.

Установлено, что непрерывное  или периодически повторяющееся получение  работы за счет охлаждения тел может иметь  место лишь в том  случае, если совершающая  работу машина не только получает теплоту  от какого-либо тела (это  тело называют нагревателем), но вместе с тем отдает часть теплоты другому телу (холодильнику). Итак, на совершение работы идет не вся теплота, полученная от нагревателя, а только ее часть, остальная же теплота отдается холодильнику. Машины1, производящие механическую работу в результате обмена теплотой  с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. В большинстве таких машин нагревание получается при сгорании топлива, благодаря чему нагреватель получает достаточно высокую температуру. В этих случаях работа совершается за счет использования внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха.

                       Двигатель внутреннего  сгорания  

Двигатель внутреннего сгорания - это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.

Несмотря  на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены —на транспорте.

История создания двигателей внутреннего сгорания

В 1799 году французский  инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами. Однако светильный газ годился не только для освещения.

Патент  на конструкцию газового двигателя

В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой — сжатый светильный газ из газогенератора.. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь своё изобретение.

Жан Этьен Ленуар

В последующие годы несколько изобретателей  из разных стран пытались создать работоспособный  двигатель на светильном газе. Однако все  эти попытки не привели к появлению  на рынке двигателей, которые могли  бы успешно конкурировать  с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому механику Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришёл к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.

Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать.

Август  Отто

В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило её судьбу — она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.

В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

На  первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разрежённое пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объём газа увеличивался и давление падало. При подъёме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.

Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции, самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырёхтактным циклом.

Четырёхтактный  цикл был самым  большим техническим  достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счёл их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырёхтактный цикл.

Рядный  четырёхцилиндровый двигатель внутреннего сгорания

  Некоторые изобретатели  пытались применить  в качестве газа  пары жидкого топлива.  Ещё в1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешёл к более лёгкому нефтепродукту — бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.

  Бензиновый двигатель

Работоспособный бензиновый двигатель  появился только десятью  годами позже. Изобретателем  его был немецкий инженер Готлиб Даймлер. Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из лёгких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень лёгким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскалённой полой трубочки, открытой в цилиндр.Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.

Венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклёром, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Первые двигатели внутреннего сгорания были одноцилиндровыми, и, для того чтобы увеличить мощность двигателя, обычно увеличивали объём цилиндра. Потом этого стали добиваться увеличением числа цилиндров.

В конце XIX века появились двухцилиндровые двигатели, а с начала XX столетия стали распространяться четырёхцилиндровые.

Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют: а) По назначению - делятся  на транспортные, стационарные и специальные. б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное  топливо). в) По способу  образования горючей  смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у  дизельного ДВС. г) По способу воспламенения  либо искра либо сжатие. д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные, V-образные, VR-образные и W-образные двигатели.

  Дополнительные агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемым атрибутом двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме. Также ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов),так же не обойтись без системы смазки(для увеличения ресурса ДВС),и системы охлаждения(для отвода избытка тепла).

                              Модели вечных двигателей

Существует  два типа вечных двигателей — те, что нарушают и первое, и второе начало термодинамики, и те, что нарушают только второе из них. Вот пример двигателя первого типа: металлический шар, расположенный между северным и южным полюсами магнита. Тяжелый металлический экран заслоняет шар от северного полюса, поэтому, если шар отпустить, он начнет двигаться к южному полюсу. При приближении его к южному полюсу металлический экран у северного полюса поднимается, в то время как другой экран между шаром и южным полюсом опускается. Шар меняет направление движения, начиная катиться обратно к северному полюсу. Точно в нужный момент экран у северного полюса падает, и шар начинает катиться обратно к южному полюсу. Как предположительно должен работать двигатель? Энергия извлекается из катящегося шара, и, если экраны расположены на концах такого балансира, на их поднимание и опускание энергия не тратится.

Недостаток  этого двигателя  в том, что если металлический экран  движется в магнитном  поле, то, согласнозакону электромагнитной индукции Фарадея, в металле обязательно возникнет электрический ток. Это означает, что будет происходить утечка энергии из системы вследствие работы закона Ома. Легко видеть, что, если магниты достаточно сильны, чтобы заставить шар двигаться, они будут также достаточно сильны, чтобы вызывать большие потери сопротивления в металлических экранах при их опускании, поэтому двигатель, который на бумаге выглядит столь привлекательно, просто не будет работать.

Некоторые изобретатели предлагали более сложные  вечные двигатели, и  требовалось более  тонкое понимание  вопроса, чтобы увидеть  изъяны в их конструкции. Но изъяны находятся  всегда, вот почему ни одного такого двигателя  мы не видели в работе. В середине ХХ века этот факт был признан Патентным бюро США. Измученное потоком патентных заявок на вечные двигатели, бюро объявило, что в будущем любая такая заявка должна сопровождаться работающей моделью. С тех пор заявители его больше не беспокоили.

Модель  вечного двигателя, предложенная в 1834 году. Предполагалось, что под действием веса шаров, движущихся от центра по рычагам вправо, колесо будет вращаться вечно

Как известно, в 1775 году Французская Академия Наук вынесла решение  о запрете на рассмотрение любого типа моделей  так называемых "вечных двигателей ". 
 
Что же такое "вечный двигатель"? Существуют несколько классификаций данного термина. 
 
1. "Вечный двигатель первого рода" - замкнутая система, осуществляющая непрерывное движение только за счет энергии данной системы, без получения энергии (в любой форме) извне. 
 
2. "Вечный двигатель второго рода", в отличие от "вечного двигателя первого рода", использует какой - либо "нетрадиционный" вид энергии поступающий извне. 
 
Например, "необычным" источником энергии может являться тепло, окружающее эту систему. Т.е. "вечность" движения зависит от температуры среды, в которой находится система. Долгое время во всем мире существовал запрет на создание систем обоих типов. Любые разработки и даже успешные эксперименты считались "псевдонаучными". 
 
Проведем простой эксперимент. Возьмем несколько проводников (например, медных). По закону Вольта сумма ЭДС в этих проводниках равна нулю. Это очевидно. Соединим эти проводники друг с другом так, чтобы они образовали замкнутую цепь. Тока также не будет. Мы использовали медные проводники. Но, по закону Вольта, любые несколько проводников, соединенные таким образом, образуют цепь, в которой ЭДС = 0. 
 
Доказываем обратное. Составим такую цепь: Cu-Bi-Al-Cu-Te-Al-Cu. В этой цепи будет ЭДС = 10 mkV. Из-за различных термодинамических свойств в местах контактов. Возможны и другие сочетания. Таким образом, мы создали "вечный двигатель второго рода". 
 
Возможно ли создание "вечного двигателя первого рода"? Да. 
 
Рассмотрим электрическую цепь, по которой течет постоянный ток. Мощность N=I*U, т.е. мощность прямо пропорциональна силе тока (и зависит от нее). Сила тока I=q/t, т.е. сила тока - это кол-во зарядов, переносимых за единицу времени. Т.е. чем быстрее будут двигаться заряды, тем больше сила тока и мощность. Для увеличения скорости переноса зарядов система должна совершить работу. А для совершения работы необходимо затратить энергию. Но всегда ли это необходимо? "Классический" ответ - всегда, т.к. нельзя совершить работу без затрат энергии.  
 
Доказываем обратное. Поместим рядом с катодом электрод, соединенный с источником высокого отрицательного потенциала. Теоретически, поле этого электрода будет отталкивать электроны, испускаемые катодом по направлению к аноду. Т.е. это поле будет совершать работу по переносу электронов, увеличивая их скорость и, как следствие, увеличивая силу тока и мощность. Отрицательный потенциал при этом не будет расходоваться. 
 
Практически, данный механизм используется в схеме, созданной Александром Чернетским. В его схеме поле дугового разряда ускоряет движение заряженных частиц (так называемый пинч-эффект). (Подробное описание в: А.В.Чернетский "О физической природе биоэнергетических явлений и их моделировании", изд. Всесоюз.заочн.политехн.института, Москва, 1989). 
 
В 80х годах А.Чернетский демонстрировал выход до 500кВт "свободной энергии", что было подтверждено известным физиком Г.Путхофом (Harold Puthoff). Т.е. мощность в 500кВт была получена без затрат энергии. КПД схемы Чернетского гораздо больше 1. В США запатентованы схемы аналогичные схеме Чернетского. (US patent No 5416391 и No 5449989) 
 
В 1995 году в США был выдан патент Т. Каваи на изобретение "Генератор движущей силы". (Teruo Kawai "Motive Power Generating Device" US patent No 5.436.518, 25 июля 1995г.) 
 
Эффективность "генератора Каваи" - 318 %. Существуют и другие запатентованные модели "вечных двигателей первого рода". Например, Howard Johnson "Magnetic Force Generating Method and Apparatus" US patent No 4.877.983. 
 
И "генератор Каваи" и "генератор Джонсона" используют потенциальное поле для совершения работы - ускорения ротора, состоящего из постоянных магнитов. Потенциал (в обоих устройствах - поле постоянных магнитов) при этом не расходуется.

Магнитно-гравитационный вечный двигатель

Работу  этого двигателя  обеспечивает перемещения  грузов и вспомогательных  магнитов попеременно  вокруг основного  магнита. За счет взаимодействия магнитов грузы в  зоне одного полюса приближаются к оси  вращения мотора, а  в зоне другого  полюса грузы отталкиваются  от центра вращения. В результате центр  масс всей конструкции  смещается вправо, что позволяет  вращаться двигателю  практически вечно, пока будет существовать тяготение Земли  и магнитное поле у магнитов.

    Реферат

                                      на тему: Тепловые  машины, двигатели  внутреннего сгорания, модели вечных  двигателей

                     Выполнила: Чернодарова Евгения

                                                         АСП-119-3

Алматы 2011г.