Landsberg-1985-T1

вовдухз. Ее легко оценить, если известны количество

ТOIJJIива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество

теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топ­

пива..Удельную теплоту сгорания различных сортов топ­

JlИва определяют, сжигая небольшую порцию топлива в

закрытом сосуде, помещенном в калориметр. Удельная

теплота сгорания некоторых сортов топлива приведена в

табл. 25 (цифры округлены).

т а б J1 И Ц а 25. )fДe.JfЬная теПJlота сгорания

некоторых сортов ТОПJlнва

Рассмотрим пример. Пусть в двигателе сожжено 3 'кг

бензина. Выделившаяся при этом энергия равна 46 МДж/кг х

х 3 кг= 138 МДж. Если· при израсходовании 3 кг бензина двигатель произвел работу 29 МДж, то его к. п. д.=

§ 321. Коэффициент полезного действия паРОСИJlОВОЙ стан­

ЦИИ. Энергетический баланс паросиловой станции с турби­

ной показан на рис. 519. Он является примерным; к. п. д. паросиловой станции может быть и больше (до 27 %). Потери энергии, которые имеют место при работе пароси­

.повой станции, можно разделить на две части. Часть по­ терь обусловлена несовершенством конструкции и может

быть уменьшена без изменения температуры в котле и в

конденсаторе. Например, устроив более совершенную теп­

JlОВУЮ изоляцию котла, можно уменьшить потери теПJIОТЫ

в котельной. Вторая, значительно большая часть - по­

теря теплоты, переданной воде, охлаждающей конден­

сатор, оказывается при заданных температурах в котле

и в конденсаторе совершенцо нензбежноЙ. мы уже указы­

вали (§ З"14). что условнем работы теплового двигателя

ЯВJIяется не только получение некоторого количества

теПJlОТЫ от нагревателя, но н передача части этой теплоты

ХOJlодилъни КУ.

s82

БOJIЬШОЙ научный и технический опыт по устроАству

тепловых двигателей и глубокие теоретические исследо­ ва.ния, к,зсающиеся условий работы тепловых двигателеА.

установили, что к. П. Д. теплового двигателя зависит от

о%

рассеялось (Jfff

!7UРОЛ/JоOOtlа

" m!lроtШЫ

Рис. 519. Примерный энергетический баланс паросиловой станции

с турбиной

разности температур нагревателя и холодильника. Чем

больше эта разность, тем больший к. п. д. может иметь паросиловая установка (конечно, при уСЛОВИИ устранения всех технических несовершенств конструкции, о которых

упоминалось выше). Но если разность эта н~велика, то

даже самая совершенная в техническом смысле машина

не может дать значительного к. п. д. Теоретический рас­

чет показывает, что если термодинамическая температура

нагревателя равна T i , а холодильника T s, то /с. n. д. не

.может быть больше чем

(373-298)/373=0,2. т. е. 20 % (практически, вследствие

несовершенства устройства; к. п. д. такой установки бу­

дет значительно ниже). Таким образом, для улучшения к. п. д.. тепловых машин нужно перейти к более ВЫСOКИJ(

температурам в котле, а следовательно, и к более высоким

SQ

давлениям пара. В отличие от прежних станций, работав­ ших при давлении 12-15 атм (что соответствует темпе­

ратуре пара 200 ОС), на современных паросиловых стан­

циях начали устанавливать котлы на 130 атм и более (тем-

Вместо увеличения температуры в котле можно было

бы понижать температуру в конденсаторе. Однако это оказалось практически неосуществимым. При очень низ­ ких давлениях плотность пара очень мала и при большом

~оличестве пара., пропускаемого за одну секунду мощной

турбиной, объем турбины и конденсатора при ней должен был бы быть непомерно велик.

Кроме увеличения к. п. д. теплового двигателя, можно пойти по пути использования «тепловых отбросов», т..е.

теплоты, отводимой водой, охлаждающей конденсатор.

1000/0 .энергlll1 топлиВа

Рис. 520. Примерный энергетический баланс ТЭЦ

Вместо того чтобы спускать нагретую конденсатором воду в реку или озеро, можно направит(, ее по трубам водяного отопления или использовать ее для промышленных целей в химической или текстильной промЫшленности. Можно

также производить расширение пара в турбинах только

до давления 5-6 атм. Из турбины при этом выходит еще

очень горячий пар, могущий служить для ряда промыш­

ленных целей.

Станция, использующая отбросы теплоты, снабжает потребителей не только электрической энергией, получен­ ной за счет механической работы, но и теплотой. Она назЫ­ вается теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Примерный энер­ гетический баланс ТЭЦ представлен на рис. 520.

584

§ 322. Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Перей­

дем теперь к другим типам тепловых двигателей. Самый

распространенный тип современного теплового двигателя -

двигатель внутреннего ·сгорания. Двигатели внутреннего

сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком ТОп~иве (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом

СВеча

От

}(uроюрdmо/щ

ХолеНЧllmfllU бал

Рис. 521. Устройство автомобильного двигателя

в сжатом виде в стальных баллонах или дОбывае~ом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).

мы рассмотрим устройство четырехтактного бензино­ вого двигателя автомобильного типа. Устройство двига­

телей, устанавливаемых н'а тракторах, танках и самоле­

тах, в общих черт~х сходно с устройством автомобильного

двигателя.

. Основной частью двигателя внутреннего сгорания яв­

ляется ОдИн или несколько цилиндров, внутри которых

ПРОИЗВОдИтся сжигание топлива (рис. 521). Отсюда и на­ звание двигателя. Внутри цилиндра может передвигаться поршень (рис. 522). -Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр 1, опоясанный пружи­

вящими кольцами 2, вложенными. в канавки на поршне

(поршневые кольца). Назначение. поршневых Ko~el!- - не

S8S

пропускать газы, обраэующиеся при егораиии ТOfIлива, в

промежуток между ПОРШllем и стенками 'цилиндра (пока­ заны штриховой линией). Поршенъ снабжен мета.л.лическим

единение шатуна к порwню

мощи кулачков, ,помещенных

на кулачковом валу; при вращении вала кулачки подни­

мают клапаны посредством стальных стержней (толка­ телей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра поме­ щается так назьшаемая свеча. Это - приспособление ДЛЯ

5SH8111f

Рис. 523. Устройство карбюратора

зажигания смеси посредством эл.ектрическоЙ и-скры, поЛу­

чаемой от установленных на двигателе электрически~­

приБОРОН (маrnето или бобины).

586

Весьма важной 'Частью бензиновог() двигатели ЯВJIяется

,прибор для ПOJIучения горючей смеси - карбюратор. Еro

устроиство схематически показано на рис. 523. Если в

цилиндре открыт только впускной клапан и ооршень

движется к *OJIенчатому валу, то <ЖВ03ь отверстие 1 за­

сасывается воздух. Воздух проходит МИМО 'тр-убочки 2,

соединенной с поплавковой камерой 3. В камере 3 нахо­

дится Вензин, поддеживаемый при помощи поплавка 4 на таком уровне, что в трубочке 1 он как раз Доходит до конца ее. Это достигается тем, что поплавок, поднимаясь

при натекании бензина в камеру, запирает _отверстие 5

особой запорной иглой 6 и тем прекращает подачу бензина,

если уровень его повыится.. Воздух, проходя С большой скоростью мимо конца трубочки 2, засасывает бензин и

Рис. 524. Четыре такта работы двигате.пя внутреннего сгорания

распыляет его (пульверизатор, § 182). Таким образом полу­

чается горючая смесь (пары бензина и воздух). приток которой в цилиндр регулируется дроссельной заСЛЩIКОЙ 7.

Работа двигателя состоит из четырех тактов (рис. 524). 1 такт - всасbl8анuе. Открывается впускной клапан 1,

и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую

смесь из карбюратора.

. 11 такт - сжатие. Впускной клапан закрывается, и

поршень, двигаясь вверх,' сжимает горючую смесь. Смес.ъ

раньше), смесь поджигается электрической искрой, дава­ емой свечой. Сила дав.пения газов - раскаленных про­

дуктов сгорания горючей смеси, - толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим'

ПРОИЗJ30ДИ'ГСЯ полез.ная работа. Производя работу и рас­

ширяяс.ь, продукты сгорания ОXJ1аждаются и давление их

пцает. К концу рабочего хода давление.в цилиндре падает почти до атмосферного.

587

IV такт - выпуск (выхлоп). Открывается выпускной

клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются

сквозь глушитель в атмосферу.

Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота ко­ ленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого одноцилиндровый двигатель должен быть

снабжен MaCCtlBHbIM маховиком, за счет кинетической

энергии которого двигатель движется в течение остальных

тактов. Одноцилиндровые двигатели стаI3ЯТСЯ ·главным

образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах и т. п. С целью получения более равномерной работы двига­ теля ставятся четыре, шесть и более цилиндров, установ­ ленных на общем валу так, что при каждом такте по край­

ней мере один из цилиндров работает. Чтобы двигатель

начал работать, его надо привести в движение внешней

силой. В автомобилях это делается при помощи особого электромотора, питающегося от аккумулятора (стартер).

Рис. 525. Схема устройства водяного охлаждения цилиндров двигателя

автомобиля

Добавим, что необходимой частью двигателя является

приспособление для охлаждения стенок цилиндров. При

чрезмерном перегревании цилиндров наступает пригорание

масла, возможны преждевременные вспышки горючей смеси и детонация (lIЗРЫВ горючей смеси вместо сгорания, имею­

щего место при нормальной работе). Детонация не только

вызывает понижение мощности, но и разрушительно дей­

ствует на мотор. Охлаждение цилиндров произв~дится проточной водой, отдающей теплоту воздуху (рис. 525),

или непосредственно воздухом. Вода циркулирует, омывая

цилиндры 1. ДВИ)hение воды вызывается нагреванием ее вблизи цилиндров и охлаждением в радиаторе 2. Это­

система медных трубок, по которым протекает вода. В ра­

диаторе вода охлаждается потоком воздуха, засасываемого,

при движении вентилятором 3.

588

Кроме четырехтактных двигателей, существуют менее

распространенные двухтактные двигатели. мы не будем

их рассматривать.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом пре­

имуществ, являющихся причиной его широкого распро­

странения (компактность, малая масса}. С другой стороны,

недостатками двИгателя являются: а) то, что он требует жидкого топлива высокого качества; б) невозможность

получить при его помощи малую частоту вращения (при

малом числе оборотов, например не работает карбюратор).

Это заставляет прибегать к разного рода приспособлениям

для уменьшения частоты. вращения (например, к зубчатой передаче).

? 322. t. Какова мощность четырехцилиндрового двигателя, де­ лающего 300 об/мин, если ереднее давление равно 5 атм, ход поршня - 0,3 м и площадь поршня - 120 см2?

§ 323. Коэффициент полезного действия двигателя внутрен­

него. сгорания. Присматриваясь к условиям, при которых производится рабьта в двигателе внутреннего сгорания, мы

видим сходство с условиями, при которых производится

работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие

100 % ЭНt!ргиu mоnлu8а

Рис. 526. Энергетический баланс автомобильного двигателя

разности температур: с 'одной стороны, источник тепла (в

данном случае источником тепла является химическая

реакция горения) создает высокую температуру рабочего

вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар,

589

в котором рассеивается получающаяся теПJIО'Га.- атмо--­

сфера; она играет роль холодилышка.

Так как температура газов, получающихся при сго­

рании емеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше

1000 ОС), то к. П. д. двигателей внутреннего сгорания

может быть значительно выше к. п. д. паровыx двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания

равен обычно 20-30 %. Примерный энергетичесIШЙ баланс

- двигателя автомобильного типа показан на рис. 526.

., 323.1. Двигатель МОЩНОСТИ 7,35 кВт потребляет в час 2,8 кг

•бензина. Каков его к. п. д.?

323.2.Какую pa6o:ry можно произвести, если затратить в дви­

гателе с к. п. д. 20 % 0,5 кг бензииа?

§ 324. Двиrатель ,llвзеля. Как повысить к.П.Д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты пок3.зывают,

что для этого надо употреблять большую степень сжатия

(отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, рис. 527). При большом сжатии горючая смесь

в двигателях автомобильного_ти­

Qпа нельзя употреблять сжатие

более 4-5-кратного. При БQЛЬ­

шей степени сжатия горючая

просто дuзеЛI:-). Устройство дизеля схематически по­

казано на рис. 528. В дизеле подвергается сжатию не го­

рючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11-12-

кратное, причем получается нагревание воздуха до 500600 ос. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр вбрызги­

вается жидкое топливо, например нефть. Делается это при

помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором *). Зажигание разбрьтзгашlOЙ

") В иекотррых типах дизелей компрессор отсутствует и вБРЫЗГИ4

ванне нефти ПРОНЗВОдИТСЯ иасосом, дающим очень 6om.шое дав.леипе,

590

ииспарившейся нефти происходит вследствие ВЫСОКОЙ

,температуры, ПО,1IучившеЙс.я в ЦИ,1Iиндре при сжатии, и не

требует никаких вспомогательных поджигающих устройств.

Во время горения нефти, продолжающегося значительно

Рис. 528. Схема д!lигателя Дизеля

дольше, чем горение смеси бензин - воздух в автомобиль­

ном двигателе, поршень 'движется вниз и производит ра­

боту'. Затем производится выбрасывание отработанных

газов.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем

бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь зна­ чительно БОльшую мощность. Дизели ставят на судах (теп­ лоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях, небольших электростанциях. Большим преимуществом ди­

зеля, является то, что он работает на дешевых «тяжелых» сортах топлива, а не на дорогом очищенном бенsине. Кроме

того, дизели не нуждаются в особой системе зажигания.'

Однако в тех случаях, когда требуется минимальный вес

двигателя при данной мощности, дизели оказываются

менее выгодными.

§ 325. Реактивные двигатели. В § 188 мы рассмотрели дейст­

вие реактивной струи, сообщающей движение реактивным

самолетам и ракетам. Реактивная струя создается реактив­

БЫМ _ двигателем, являющимся - по существу двигателем

внутреннего сгорания. На рис. 529 показана схема уст­ ройства одного из типов реактивных двигателей, устанав­

ливаемых на самолетах. Двигатель заключен в цилинд"

~ический корпус, открытый спереди (воадухоприемное'

Ьтверстие) и сзади (выходное сопло). Воздух входит в nе-

5~!