Конспект уроку: Двигун внутрішнього згоряння. Екологічні проблеми використання теплових машин. ККД теплового двигуна

Двигун внутрішнього згоряння

Для більшості парових машин необхідно передбачити окремий пристрій для нагрівання до певної температури робочого тіла. Один із самих простих способів перетворення внутрішньої енергії хімічного палива в механічну енергію використовується в двигуні внутрішнього згоряння. Свою назву отримав він у зв’язку з тим, що нагрівником робочої суміші (суміш повітря і хімічного палива) двигуна, є хімічна реакція горіння, що відбувається у циліндрі, у середині самого двигуна. Конструктивно двигун внутрішнього згоряння складається із циліндра у котрому переміщується поршень, з’єднаний з колінчатим валом. В верхню частину циліндра вмонтовано два клапани (впускний й випускний), які в процесі роботи двигуна періодично відкриваються і закриваються. При відкриванні впускного клапана в циліндр двигуна поступає порція горючої суміші, яка після його закриття запалюється з допомогою свічки запалення. Через випускний клапан відпрацьована робоча суміш видаляється з циліндра.

Рис. Будова двигуна внутрішнього згорання: Двигун внутрішнього згоряння складається із циліндра, в котрому переміщується поршень З, що за допомогою шатуна 4 з'єднаний з колінчатим валом 5. В верхню частину циліндра вмонтовано два клапани 1 і 2, які в процесі роботи двигуна періодично відкриваються і закриваються. Клапан 1 називають впускним, клапан 2 - випускним. Горюча суміш запалюється з допомогою свічки запалення 6.

В циліндрі двигуна при згорянні палива відбувається нагрівання повітря до 1600 ...1800°С. На поршень тиск газів при цьому різко зростає, що спричиняє його поступальний рух. Поршень, рухаючись, приводить в обертання колінчастий вал і систему зубчатих передач, яка безпосередньо передає механічну енергію механізмам (станкам, на колеса автомобіля і т.п.), які в свою чергу виконують механічну роботу.

Крайні положення поршня у циліндрі називають мертвими точками.

Відстань, яку проходить поршень, рухаючись між верхньою і нижньою мертвими точками, називають ходом поршня.

Один робочий цикл в двигуні відбувається за 4 такти (ходи поршня), які дістали назву:

• впуск робочої суміші,

• стискання,

• робочий хід,

• випуск відпрацьованих газів.

Тому такі двигуни дістали назву чотиритактних.

Розглянутий вище двигун може працювати з використанням для приготування робочої суміші бензину або природного газу. Але є ще один тип двигунів внутрішнього згоряння, що працює на більш важких сортах рідких палив: керосині, нафті і т.п. Його розробив і впровадив у виробництво німецький інженер-винахідник Р. Дизель (1897 р.).

Розглянемо дослід. В дизельному двигуні використано розглянутий на досліді принцип запалювання робочої суміші, тобто в ньому відсутня свічка.

Принцип роботи дизельного двигуна внутрішнього згоряння такий. На протязі першого такту відбувається всмоктування атмосферного повітря. Під час другого такту повітря швидко стискується, і його температура швидко зростає до 1000 °С. В кінці стиску з допомогою форсунки в камеру згоряння впорскується розбризкане дизельне паливо, що займається за рахунок високої температури стиснутого повітря.

Робочий хід та випуск спрацьованих газів нічим не відрізняються від розглянутого вище двигуна (карбюраторного двигуна).

Через масивність дизельні двигуни раніше встановлювались лише на тракторах, автомобілях-тягачах. В наш час сконструйовано компактні дизельні двигуни для легкових автомобілів.

Викид відпрацьованих газів в атмосферу (холодильнику) в двигунах внутрішнього згоряння відбувається при досить високих температурах 500...600 °С. Це знижує їх К. К.Д., який у карбюраторних двигунів досягає 20...25%, а у дизельних-ЗО... 36 %

Екологічні проблеми використання теплових машин

Забруднення навколишнього середовища – один із основних недоліків теплових машин. Це забруднення можна класифікувати на хімічне, фізичне, теплове та шумове. Коротко оглянемо ці головні види забруднення.

Хімічне і фізичне забруднення

Потужна теплова електростанція спалює десятки тисяч тон вугілля за добу. Викиди шкідливих речовин, попри навіть високий ступінь очистки димових відходів, становлять тони щодоби. Змішуючись з водою у хмарах, вони випадають згодом у вигляді кислотних дощів. Величезних втрат від кислотних опадів зазнали спочатку Канада та Скандинавія, а згодом і Центральна Європа, в формі знищення хвойних лісів, зниження врожайності зернових культур та ін.

Рис. Теплова електростанція: Теплова енергія згоряння викопного палива перетворюється на електричну.

Значну частку шкідливих викидів в атмосферу складають відпрацьовані гази двигунів внутрішнього згорання. Особливо сильно забруднюють атмосферу реактивні двигуни літаків і ракет.

Теплові двигуни, спалюючи органічне паливо (вугілля, газ, нафту), поступово вичерпують природні ресурси, що накопичувалися протягом попередніх геологічних епох.

Теплове забруднення атмосфери.

Холодильником для теплових двигунів є атмосфера, куди передається “відпрацьоване” тепло. Крім цього, в атмосферу надходять дрібні, мікроскопічні частинки викидів, які зависають у ній і відбивають назад теплові промені, що випромінюються земною поверхнею. Відбувається так званий “парниковий ефект”, результатом якого є перегрів атмосфери, що проявляється у поступових змінах клімату, наслідки яких для земних континентів ніхто не може передбачити.

Деякі види теплових двигунів викидають в атмосферу речовини, що зумовлюють зменшення товщини озонового шару, який захищає все живе на Землі від ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Шумове забруднення

Робота теплових двигунів супроводжується шумами, які негативно впливають на стан нервової системи.

Тому перед людством постає завдання усунення причин, які зумовлюють забруднення оточуючого середовища

Шляхи зменшення забруднення оточуючого середовища.

В сучасному світі проблема забруднення оточуючого середовища є важливою для більшості країн, вирішення якої стає першим кроком на шляху забезпечення задовільних умов життя для населення. Поширеними шляхами зменшення забруднення оточуючого середовища є:

a) підвищення к.к.д. теплових машин;

b) впровадження нових технологій прямого перетворення тепла в електричну енергію;

c) розробка ефективних систем фільтрації шкідливих викидів теплових машин;

d) перехід на більш екологічно “чисті” види палива (природний газ, спирт, водень);

e) заміна, де це можливо, теплових двигунів електродвигунами;

f) використання екологічно чистих джерел отримання електричної енергії (води, вітру, сонця).