7. Некоторые тепловые машины

Естественно, что идеальный цикл Карно неосуществим по нескольким причинам: нет идеального газа; невозможны равновесные состояния и процессы; бесконечно медленно протекал бы изотермический процесс и т.д. Но форму реальных процессов полезно делать похожей на цикл Карно; для повышения к.п.д. реальных машин надо увеличивать разность температур нагревателя и холодильника и по возможности понижать температуру холодильника.

Рассмотрим работу некоторых применяющихся в технике тепловых машин.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания состоит из одного или нескольких цилиндров. Внутри цилиндра находится поршень, соединенный кривошипно-шатунным механизмом (рис. 2.13) с коленчатым валом, на который насажен маховик. Распределительное устройство в соответствующие моменты открывает и закрывает клапаны – всасывающий 1, соединенный с карбюратором, и выхлопной 2, соединенный с атмосферой. В нужные моменты на электроды свечи С, вставленной в цилиндр, подается высокое напряжение, проскакивает искра, и воспламеняется горючая смесь. Вот почему возникло название такого двигателя.

Рассмотрим работу одного из цилиндров на p–V - диаграмме (рис.2.14). Первый такт 1 – 2 – открыт всасывающий клапан, идет всасывание горючей смеси. Второй такт 2 – 3 – оба клапана закрыты, поршень сжимает горючую смесь (сжатие). В конце сжатия в камеру сгорания от механизма зажигания подается принудительная искра, воспламеняющая горючую смесь. Происходит взрыв: давление скачком повышается 3 – 4, и начинается третий такт 4 – 5 – рабочий ход (клапаны по-прежнему закрыты). В мертвой точке 5 открывается выхлопной клапан, давление резко подает, и под давлением несколько больше атмосферного отработанные газы выталкиваются в атмосферу, происходит четвертый такт 6 – 7 – выхлоп. Цикл завершен, закрывается выхлопной, открывается всасывающий клапан, и с точки 1 начинается новый цикл. Полезная работа за цикл равна площади фигуры 2 – 3 – 4 – 5 – 6 – 2.

Преимущества: сравнительно большой к.п.д. (температура в камере сгорания 1200⁰С. Следовательно, теоретический к.п.д. ), компактность, малый вес (и вес на единицу мощности.

Недостатки: дорогое топливо, сравнительная сложность, малая степень сжатия, так как при большем сжатии горючая смесь нагревается и самовозгорается (происходит «рабочий» ход назад), нет обратного хода, мощность невелика, выхлопные газы засоряют атмосферу.

Дизель – тоже четырехтактный двигатель внутреннего сгорания – лишен почти всех недостатков предыдущего двигателя. На рисунке 2.15 изображена p–V – диаграмма его работы: 1 – 2 – всасывание; 2 – 3 – сжатие до гораздо большей, чем у двигателя внутреннего сгорания, степени, ибо всасывался и сжимался чистый воздух, который не может самовозгораться; 3 – 4 – медленно вбрызгивается с помощью топливного насоса и форсунки дизельное топливо – тяжелые фракции перегонки нефти. Попадая в горячую атмосферу сжатого воздуха, оно сгорает – давление поддерживается неизменным; 4 – прекращение подачи горючего; 3 – 4 – 5 – рабочий ход; 5 – 6 – открыт выхлопной клапан; 5 – 6 – 7 – выхлоп.

Достоинства (кроме указанных): большая возможная мощность, простота (нет свечей, искры и т.п.). Недостатки: сравнительная тихоходность, экологическая опасность.

Применяется в качестве ходового двигателя на теплоходах и дизельэлектроходах, на тепловозах, тракторах, автомобилях и т.д.