Які бувають теплові двигуни?

Теплові двигуни – це машини, які виробляють механічну роботу завдяки обміну тепла з іншими зовнішніми тілами. Нагрівання відбувається зазвичай завдяки тому, що згорає паливо, в результаті чого виходить достатня температура на нагрівальному елементі. В даному випадку робота здійснюється завдяки використанню енергії суміші кисню і пального. Є різні види теплових двигунів, робота яких заснована на нагріванні з допомогою Сонця, різниці в температурах води. Однак такі машини не отримали достатнього поширення і значення. В експлуатації зараз часто можна виявити двигуни, що використовують виділяється теплову енергію розщеплення атомних ядер в реакторі.

Паросилові станції

Поршневі парові (теплові) двигуни були створені в кінці дев'ятнадцятого століття. Через сто років з'явилися і перші парові турбіни. Як говорить сама назва, принцип роботи заснований на парі, зазвичай водяному, але є можливість застосовувати навіть пари ртуті. Турбіни на пару встановлюються на потужних електростанціях і великих кораблях. Поршневий двигун ж знайшов застосування хіба що в водному транспорті (пароплави і паровози) і на залізниці. Для успішної роботи самого двигуна на пару необхідні деякі допоміжні пристрої та машини, що в сукупності становить паросиловую станцію, в якій циркулюють завжди одні і ті ж водні потоки. Вони трансформуються в спеціальних котлах в пар, а потім вже пара виробляє необхідну роботу в поршневій машині (або турбіни). Наступним етапом є перетворення пари в охолоджуваному барабані у воду (конденсатор). З нього утворилася вода через насос і збірний бак знову направляється в котел, замикаючи колообіг водного потоку. Зазвичай котел називають терміном «нагрівач», а конденсатор називають холодильником. Завдяки тому, що всередині установки циркулює один і той же потік води, практично не утворюється накип.

Парові котли

Теплові двигуни на пару (котли) складаються з безпосередньо котла і топки, в якій на колосникових решеточках спалюється вугілля (або, в деяких випадках дрова). Застосовувати рідке паливо можна з допомогою його розпилення пором у форсунках. Стиснене повітря, що виривається з вузької трубки, всмоктує рідке паливо, а потім розбризкує його в необхідному напрямку. Котел складається з трубок і барабана. Через стіни труб передається теплота від топкового газу воді. Зрідка вода може знаходитися зовні по відношенню до труб, а під ним – одні топкові гази, іноді – навпаки, тобто вода – всередині трубок, а гарячий газ їх омиває. У таких теплових двигунах, як парові котли, пара перегрівається в так званих змеевиках, при цьому він трансформується в ненасичений з насиченого. Таким чином, зменшується конденсація пари на стінках турбіни і паропроводів, а значить, підвищується коефіцієнт корисної дії самої станції. На котел встановлюють манометр, з допомогою якого здійснюється спостереження за рівнем тиску пари. Необхідний і спеціальний клапан, який випустить потрібний об'єм пари у тому випадку, коли тиск перевищить граничну величину. На дні барабана є пристосування для діагностики рівня води.

Парові турбіни

Турбіни складаються із сталевих циліндрів, всередині них розташований вал, а на ньому закріплені робочі колеса, між якими розміщені направляючі лопати або сопла. Пар, який виривається між цими лопатками, потрапляє на лопатки у робочого колеса, що обертається і виконує роботу. Причина обертання самого колеса – реакція струменя пари. У турбіні потоки пара розширюються і охолоджуються, так як входять до неї з дуже вузьким пароплавів, а виходять – у широких трубах.

Двигуни внутрішнього згоряння

Вкрай поширені теплові двигуни працюють на системі внутрішнього згоряння і встановлюються в танках, літаках, автомобілях, тракторах і так далі. Працювати вони можуть на різному паливі: гас, бензин, зріджений горючий газ. Основна частина двигуна такого типу – це набір циліндрів. Усередині них і відбувається спалювання будь-якого палива. У циліндрі рухається поршень, який являє собою порожній і закритий тільки з одного боку циліндр. Поршень оперезаний пружинами у вигляді кілець. Їх призначення – не пропустити газ, утворений під час згоряння палива, у проміжки між самим поршнем і стінами циліндра. Верхні частини циліндрів пов'язані з закритими через клапани канали. Через них впускаються гарячі суміші, а також викидаються відходи згоряння. Крім цих клапанів зверху поміщена свічка. Вона є пристосуванням, за допомогою якого здійснюється запалювання горючої суміші через отриману від електричних приладів (бобіни або магнето) іскри.

Карбюратор

Важлива частина теплових двигунів, які працюють на принципі внутрішнього згоряння, – це карбюратор. Якщо впускний клапан в циліндрі відкритий, то поршень рухається до валу, і повітря входить через отвір. Повітряні маси проходять повз трубки, з'єднаної з камерою, в якій знаходиться бензин. Повітря з великою швидкістю проходить біля кінця трубки, всмоктує бензин, а потім його розпорошує. Тобто утворюється горюча суміш, яка складається з пари бензину і повітря. Приплив цієї суміші в циліндр обмежений дросельними заслінками.

Такти роботи двигуна

Є всього чотири основних такту роботи машини внутрішнього згоряння:

Всмоктування. Під час першого такту відкривається клапан, поршень засмоктує горючу суміш з карбюратора в циліндр.

Стиснення. У другому такті клапан впускний закривається, а поршень рухається вгору і стискає суміш, нагріваючи її таким чином.

Згоряння. Після того як поршень досягне положення вгорі, суміш запалюється за допомогою одержуваної від свічки електричної іскри. Сила тиску розпеченого газу виштовхує поршень вниз. Цей рух передається валу, і відбувається робота.

Випуск (він же вихлоп). Відкривається клапан випускний, і всі відпрацьовані продукти згорання викидається в атмосферу через глушник.

З усіх чотирьох тактів (під час яких відбувається тільки два оберти валу) лише третій – робочий. Саме тому тепловий двигун одноциліндровий забезпечують маховик, який розкручується і обертається під час всіх інших такий. Одноциліндровий двигун встановлюють хіба що на мотоцикли. На автомобілях ставлять більше чотирьох циліндрів. При цьому їх встановлюють таким чином, щоб хоча б один з циліндрів був в роботі на кожен такт. Для старту двигуна використовують електромотор, що живиться від стартера (акумулятора).

Дизельні двигуни

У дизельній машині стискається не суміш, а просто повітря, причому стиснення відбувається багаторазове, а повітря нагрівається до сотень градусів Цельсія. Після завершення процесу стиснення в циліндр вбризгивают вже й рідке паливо з допомогою форсунки, яка працює від нагнітається компресорами стисненого повітря. Розприскана нафту запалюється завдяки високим температурам. У цей час відбувається корисна робота, а потім – викид відпрацьованого газу. Дизелі застосовують на тепловозах, вантажівках, тракторах.

Реактивний двигун

Такі теплові машини по суті є двигунами внутрішнього згоряння, однак у них застосовують так звану реактивний струмінь. Сам двигун знаходиться в циліндричному корпусі. В переднє його отвір входить повітря. Потім в компресорі повітряний потік проходить вздовж осі самого двигуна. Після компресії потік потрапляє до камери з пальним, де і утворюється горюча суміш, що спалахує. Таким чином, утворюються високотемпературні гази, які рухаються потім до вихідних соплам, приводячи в рух газову турбіну. Дані гази мають неймовірну швидкість.