Тепловые двигатели

§ 5.11. Тепловые двигатели

Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы тепловыми двигателями. Это прямо отражено во втором законе термодинамики в формулировке Кельвина (см. § 5.9).

Простейшая модель тепловой машины

Простейшую тепловую машину можно собрать из стакана с водой, капли анилина и горелки (рис. 5.14). Так как сосуд с водой подогревается снизу, то температура воды Т₂ в верхних слоях, естественно, ниже, чем температура Т₁ внизу.

Плотность анилина и плотность воды по-разному зависят от температуры. При Т₁ плотность анилина меньше плотности воды, а при Т₂ больше. Если влить холодный анилин в воду, то он опустится на дно. После нагревания плотность анилина уменьшается и он всплывает. У поверхности вследствие охлаждения плотность анилина станет больше плотности воды, и капля вновь опустится на дно. Затем весь цикл повторится.

При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения при движении капли в воде. Если каплю внизу «нагружать», а вверху «разгружать», то такая тепловая машина может быть использована для подъема груза.

Если покрыть стакан стеклянной пластинкой, то температура верхних слоев воды увеличится и машина перестанет работать.

В нашей простейшей машине происходят процессы, общие для всех тепловых двигателей. Машина получает от нагревателя (горелки) количество теплоты Q₁ и передает холодильнику (в данном случае атмосфере) количество теплоты Q₂. За счет того, что Q₁ > Q₂, и совершается работа.

Принципы действия тепловых двигателей

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т₂ несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты |Q₂| 10 кВт. Когда эта мощность достигнет 3 • 10 12 кВт, то средняя температура атмосферы Земли повысится примерно на 1 °С. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц — сажи, пепла, измельченного топлива. Они изменяют оптические свойства атмосферы, соотношение между поглощенной и отраженной солнечной энергией, увеличивают «парниковый эффект», обусловленный повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Углекислый газ задерживает тепловое излучение Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения: оксиды серы, азота, металлов, угарный газ (СО), канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания органических топлив — оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобильных двигателей на сжиженный газ в качестве топлива. Обсуждается возможность применения в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода.

Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, экономия ее на производстве и в быту. Нельзя оставлять невыключенными электроприборы, допускать бесполезные потери топлива при обогревании помещений. Примером нерационального использования энергии служат попытки введения в эксплуатацию гражданских сверхзвуковых самолетов, потребляющих в 8 раз больше топлива, чем обычные.

Решение перечисленных проблем жизненно важно для человека. Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Предпусковой проточный подогреватель для автотракторных ДВС

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 24.04.2020 2020-04-24

Статья просмотрена: 34 раза

Библиографическое описание:

Грунин, К. Е. Предпусковой проточный подогреватель для автотракторных ДВС / К. Е. Грунин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 17 (307). — С. 45-48. — URL: https://moluch.ru/archive/307/69179/ (дата обращения: 30.08.2021).

В статье предлагается разработанный и запатентованный автором предпусковой проточный подогреватель автотракторных ДВС.

Ключевые слова: двигатель, предпусковой подогреватель, патент.

С наступлением морозной погоды у многих автовладельцев возникает проблема запуска холодного двигателя. Речь пойдет об автомобилях, у которых нет явных признаков неисправностей зажигания и системы впрыска топлива. Всем знакома ситуация, когда уже при -15 0 C начинают прикуривать машины от пускового устройства, менять свечи и пр.

Самым простым решением для пуска двигателя в зимний период является использование предпусковых подогревателей. Они позволяют завести двигатель в самый лютый мороз без каких-либо дополнительных ухищрений и к тому же предотвращают интенсивный износ деталей и механизмов ДВС.

По типу устройства предпусковые подогреватели делятся на жидкостные и воздушные. На легковых автомобилях используются жидкостные подогреватели, а удел воздушных устройств — спецтехника, грузовики, автобусы и морские суда. Воздушные отопители обладают большими габаритами, чем жидкостные, производят больше тепла и, соответственно, потребляют больше топлива. Жидкостные предпусковые подогреватели, в свою очередь, подразделяются на несколько видов. Отмечаем — они предназначены для работы с бензиновыми и дизельными моторами, так и с силовыми установками, работающими на газу. Условно эти виды можно обозначить так:

– для компактных авто;

– для минивэнов и внедорожников.

В данный момент на рынке присутствуют следующие типы подогревателей:

1. Щупы и пробки.

Данные предпусковые подогреватели выполняются в виде щупов или пробок и устанавливаются в соответствующие отверстия на двигателе. Механизмы данных конструкций подогревают масло в поддоне ДВС и достаточно дёшевы и просты в эксплуатации, однако, при длительном контакте такого подогревателя с маслом, в точке контакта оно может перегреться и потерять свои смазывающие свойства, ведь в поддоне в этот момент циркуляция масла не происходит. К тому же, в дальних, от места установки подогревателя, участках поддона оно может и вовсе не прогреться.

Рис. 1. Подогреватель типа «пробка»

1. Подогреватели поддона.

Предпусковые подогреватели данной конструкции устанавливаются под поддон двигателя и нагревают масло через него. Они могут быть выполнены в виде ТЭНов и достаточно эффективно справляются со своей задачей, но для их питания необходимо напряжение в 220 В, чего не может дать бортовая система трактора или автомобиля. Это ограничение делает данную систему не применимой вне условий гаражи или ремонтного цеха.

Рис. 2. Подогреватель поддона

1. Автономные подогреватели.

Данные механизмы для прогрева двигателя используют его охлаждающую жидкость. Они лишены недостатков предыдущих рассмотренных моделей, но, в то же время, достаточно дороги и не всем по карману. К тому же, применение данных подогревателей снижает ресурс охлаждающей жидкости, заставляя менять её чаще.

Рис. 3. Автономный подогреватель

Мы предлагаем следующую конструкцию подогревателя. Он состоит из 2-х патрубков, нагревательных элементов (металлическая спираль), наконечника и масляного насоса. Устройство крепится к поддону двигателя, вкручиваясь патрубком 1 вместо сливной пробки. Второй патрубок 2 с помощью наконечника 6 вставляется в отверстие для щупа.

Рис. 4. Схема подогревателя

Предлагаемый подогреватель предназначен для подогревания масла в картере двигателя, является проточным и работает следующим образом: масло самотёком затекает во входной патрубок 1, где предварительно подогревается до температуры около 5 0 С, затем срабатывает позистор и электроэнергия подаётся на масляный насос 3, который начинает прокачивать масло по выходному патрубку 2 снова в картер через отверстие для щупа. Во время прокачки, масло прогревается от нагревательных элементов 4.

По сравнению с другими подогревателями у нашего имеется ряд преимуществ:

– низкая стоимость изготовления;

– возможность работы насоса как от бортовой сети автомобиля, так и от сети 220 В;

На данное устройство получен патент [1].

1. Патент на полезную модель № 163192 Заявка № 2015105218. Заявлено 16.02.15; Опубл. 10. 07. 2016., бюл 19.

Специфические особенности передачи тепла в ДВС

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ ТЕПЛООБМЕНА В ДВС

Передача тепла может осуществляться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность – процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различные температуры, и обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция – процесс переноса тепловой энергии при перемещении объемов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция возможна только в подвижной среде и всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа с твердой стенкой называют конвективной теплоотдачей.

Тепловое излучение – процесс распространения тепловой энергии при посредстве электромагнитных волн. При излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия тела переходит в лучистую и обратно – лучистая энергия переходит в тепловую, поглощаясь стенками и излучателем.

Рассмотрим основные особенности передачи тепла в поршневых двигателях внутреннего сгорания.

1. В ДВС имеет место сложный случай теплообмена, характеризующийся наличием всех трех элементарных процессов распространения тепла. Для подтверждения рассмотрим схему передачи тепла от рабочего тела, находящегося в цилиндре ДВС, к охлаждающей жидкости и внешней среде (см. рис. 1).

Предполагаем, что цилиндр заполнен рабочим телом (газ) и идет процесс сгорания. Теплота от рабочего тела 1 при помощи конвекции и лучеиспускания передается масляному слою 2. Далее, теплопроводностью проходит этот слой, стенку гильзы цилиндра 3 и слой накипи 4. Далее с помощью конвективной теплоотдачи передается охлаждающему агенту 5, при помощи которого основная часть тепла выносится из рубашки охлаждения. Оставшаяся часть конвекцией передается стенке блока цилиндров 6 и при помощи конвекции и теплового излучения отдается в окружающую среду 7.

Рис. 1. Общая идеализированная схема передачи тепла от рабочего тела
в цилиндре к охлаждающей жидкости и внешней среде: 1 – камера сгорания;
2 – слой масла или нагара; 3 – гильза цилиндра; 4 – слой накипи;
5 – охлаждающая жидкость; 6 – стенка блока цилиндров; 7 – окружающая среда

Передача тепла через другие элементы КС двигателя отличается от описанной лишь частностями.

2. Каждый из элементарных процессов распространения тепла в ДВС представляет, в свою очередь, сложный процесс. В момент вспышки в цилиндре дизеля имеется сажистое пламя, излучение которого перекрывает излучение многоатомных газов. Конвективная теплоотдача также сложна: в течение одного цикла массы рабочего тела не имеют постоянного направления движения и подвергаются сжатию-расширению в замкнутом объеме. Движение поршня и рабочего тела создают предпосылки для возникновения внутри цилиндра крупномасштабных турбулентных пульсаций (вихрей), по отношению к которым различно ориентированы стенки тепловоспринимающих поверхностей КС, что делает резко отличными характеры обтекания каждой из них. Сами стенки имеют различную чистоту обработки и разные теплопоглощающие характеристики, что также влияет на процессы теплопередачи. Теплопроводность через сложные детали (поршни, головки цилиндров) имеет немало особенностей, что обусловлено не только их формой, но и материалами из которых они выполняются. Конфигурация камер сгорания существенно сказывается как на конвективном теплообмене, так и на способности к поглощению лучистой энергии.

3. Процессы теплоотдачи от рабочего тела к стенкам камеры сгорания изменяются во времени в пределах рабочего цикла. В первую очередь это связано с переменностью температуры рабочего тела, которая может изменяться от порядка 300 K в период впуска до 1800…2200 K в момент сгорания в дизелях и до 2600…3000 K в двигателях внешнего смесеобразования, т.е. изменяется на порядок за сотые доли секунды, что существенно для конвективного теплообмена. Изменение давления и температуры в цикле влияют на интенсивность конвективной теплоотдачи также и за счет изменения теплофизических характеристик компонентов рабочего тела. Излучение факела и газовой среды переменно в течение цикла, что связано с периодичностью процесса сгорания и постоянным изменением параметров рабочего тела в цилиндре двигателя (изменяется концентрация сажи, а вместе с ней – степень черноты и температура пламени). Кроме того, переменность теплового излучения вызывается тем, что излучательная способность газов определяется эффективной длиной луча (или толщиной газового слоя), а последняя в течение цикла в результате перемещения поршня изменяется. Таким образом, процессы передачи тепла в цилиндре переходят в область нестационарную, несравнимо более сложную как в теоретическом, так и экспериментальном планах.

4. В цилиндре ДВС всегда имеет место неорганизованное (и организованное) вихревое движение рабочего тела (мелко- и крупномасштабная турбулентность), особенно интенсивное в двухтактных двигателях, предкамерных, вихрекамерных и некоторых других. Оно оказывает существенное влияние на протекание процессов конвективной теплоотдачи в цилиндре.

5. Отличительной особенностью процесса конвективной теплоотдачи в цилиндре двигателя внешнего смесеобразования следует считать наличие в процессе сгорания фронта пламени, распространяющегося по смеси с конечной скоростью (порядка 20…40 м/с) от свечи зажигания к стенкам КС. Это заставляет делить зону КС как минимум на две – зону сгоревшего и несгоревшего топлива, термодинамические параметры газа в которых будут отличны друг от друга. Существенную роль в увеличении тепловой нагрузки на стенки КС играют аномальные виды сгорания – детонация и калильное зажигание.

6. Спецификой теплопередачи через гильзу цилиндра следует считать периодичность перекрытия поверхности гильзы поршнем, что обусловливает значительную локальность теплоотвода через различные зоны гильзы. Это связано не только с прямой теплоотдачей от рабочего тела к гильзе, но и опосредованной теплоотдачей через кольцевое уплотнение, а также с теплообменом между газом и стенками в заколечных объемах.

7. Работа трения поршневых колец и тронка переходит в тепло, которое суммируется с основным тепловым потоком, идущим от газов через стенки гильзы к охлаждающей жидкости, и является естественной преградой тепловому потоку, идущему от огневой поверхности днища поршня через кольца и втулку к охлаждающей среде. Это дополнительное тепло, составляющее 5…15 % тепла, введенного в двигатель с топливом, не может быть учтено ни одним из упоминавшихся видов передачи тепла.

8. Значительная часть тепла, отводимая через систему охлаждения головки цилиндров, передается ей через систему газовоздушных каналов (ГВК) и путем контактного теплообмена через фаски седел клапанов. Эти процессы также весьма сложны и обладают своей спецификой, а механизмы теплопередачи отличаются на разных стадиях протекания рабочего процесса.

9. Чрезвычайное разнообразие форм поперечных и продольных сечений водяных коммуникаций (форм рубашек воздушного охлаждения), переменность скоростей охлаждающей жидкости (воздуха в межреберном пространстве) вызывают локальность теплосъема со стороны охлаждающего агента.

При рассмотрении различных специфических особенностей, процессы теплопередачи в ДВС кажутся очень сложными и не подвергающимися теоретическому и экспериментальному анализу. Однако если рационально отобрать важнейшие факторы, принять допустимые упрощения, то можно получить достаточно правильную и имеющую практическую значимость оценку явлений теплопередачи в двигателе.

Что следует иметь в виду в первую очередь?

1. Локальные температуры поверхностей КС и ГВК остаются практически неизменными во времени на установившихся режимах работы двигателя. Амплитуда колебаний в несколько градусов при средних температурах стенок 400…800 K мало влияет на общий ход процессов теплообмена.

2. В связи с высокой теплопроводностью стенок, ограничивающих рабочие полости, температурные волны затухают очень быстро по мере углубления в стенку: на удалении 1…2 мм от поверхности пульсациями температур можно практически пренебречь, что сразу резко упрощает картину теплопередачи (т.е. можно считать что = const во времени).

3. Отдельные поверхности КС и ГВК омываются весьма организованно, что делает реальной задачу теоретического исследования теплопередачи через эти поверхности.

4. Упрощает задачу стабильность температуры охлаждающего агента, перепада температуры вдоль по потоку и картины распределения поля скоростей охлаждающей жидкости в зарубашечном контуре на установившемся режиме работы двигателя.

5. Огромное упрощение в исследованиях процессов теплопередачи и увеличение точности достигается использованием принципов теории подобия гидродинамических и тепловых явлений.

Тепловой двигатель

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Рис. 2. Схема теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.