Число тактов двигателя что это

Четырехтактный двигатель — DRIVE2

Четырехтактный двигатель – самый распространенный тип ДВС современного легкового автомобиля
Двигатель внутреннего сгорания должен был стать альтернативой промышленной паровой машины, но изобретатели-энтузиасты сразу почувствовали его потенциал. Им удалось найти способ увеличить мощность двигателя, не увеличивая его массу. Ключевую роль в этом сыграл Николаус Отто, создавший первый в истории четырехтактный двигатель.

История разработки двигателя Отто

Мотор, разработанный изобретателем Альфонсом Бо де Роша и воплощенный в металле немцем Николаусом Отто в 1867 году, по тем временам был верхом совершенства. Он был дешев в эксплуатации, компактен и не требовал постоянного контроля. Двигатель работал по особому алгоритму, широко известному в наши дни как "цикл Отто". В 1875 году компания Отто производила боле 600 двигателей в год.
Именно Готлиб Даймлер и его товарищи-инженеры привлекли внимание Николауса Отто к преимуществам четырехтактного двигателя
В команде Отто работал талантливый инженер по имени Готлиб Даймлер, загоревшийся идеей постройки автомобиля. Николаус Отто не считал нужным улучшать имевшийся двигатель, и Даймлеру, понявшему, как можно использовать мотор в конструкции автомобиля, пришлось уйти. Вместе с единомышленником по имени Карл Бенц, в 1889 году Даймлеру удалось создать первый автомобиль с бензиновым четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, работающим по циклу Отто.

Что такое "такты" двигателя

Четырехтактный двигатель отличается от двухтактного тем, что газораспределение имеет отдельные фазы впуска и выпуска. Ими заведуют расположенные в головке блока цилиндров впускной и выпускной клапаны соответственно. Они открываются при помощи распредвала, приводимого в действие от коленчатого вала двигателя.

Первый такт называется «впуск». В этот момент поршень начинает двигаться вниз из верхней мертвой точки, создавая разряжение. В это же время открывается впускной клапан, и топливовоздушная смесь засасывается в цилиндр. Когда поршень доходит до нижней мертвой точки, клапан закрывается, и фаза впуска завершается.

Впрыск топлива одной порцией в строго определенный момент на современной стадии развития четырехтактных двигателей перестал быть догмой
Второй такт называется «сжатие». Поршень начинает движение вверх, оба клапана закрыты. В этот момент топливовоздушная смесь сжимается, при этом нагреваясь. Это необходимо для более полного и эффективного сгорания топлива.

Третий такт – «рабочий ход». Немного не доходя до верхней мертвой точки, при помощи искры от свечи зажигания (или за счет сжатия, если речь идет о дизельном двигателе) происходит воспламенение топливовоздушной смеси. В этот момент газы резко расширяются, толкая поршень вниз, тем самым совершая полезную работу.

Четвертый такт называется «выпуск». Когда поршень совершил рабочий ход и находится в нижней мертвой точке, и необходимо удалить отработавшие газы из цилиндра, открывается выпускной клапан. Через него поршнем, начинающим движение вверх, выталкиваются отработавшие газы.

Порядок работы дизельного двигателя отличается лишь тем, что на такте сжатия в цилиндр поступает только воздух, а топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия при помощи форсунки.

Новые механизмы — старый принцип

С момента изобретения и до наших дней инженеры постоянно совершенствовали четырехтактный двигатель. Большинство нововведений приходились на долю газораспределительного механизма. Например, если раньше на цилиндр приходилось всего два клапана, то на современных моторах их число доходит до пяти. Кроме того, многие производители используют системы изменения фаз газораспределения. Самые известные — это VVT-i от Toyota и Valvetronic от BMW. Система изменяемых фаз позволяет менять время и высоту подъема клапанов в зависимости от режимов работы двигателя.
Спустя 150 лет принцип, названный циклом Отто, остается актуальным. Физики утверждают, что для дальнейшего прогресса необходим новый вид топлива
Изменилась и система питания. Практически на всех современных моторах карбюратор уступил место распределенному впрыску топлива. Зажиганием, дозировкой и подачей горючего теперь заведует электроника.

Для лучшего наполнения цилиндров все чаще применяется наддув поступающего воздуха. Увеличение плотности воздуха в цилиндре позволяет получить мощный мотор при сравнительно небольшом объеме двигателя и уменьшить расход топлива. Например, двигатель 1,4 TFSI от Volkswagen с двойным турбонаддувом "выдает" 185 л.с.

В последние два десятилетия небывалую популярность получили дизельные автомобили. Если раньше моторы на тяжелом топливе были прерогативой исключительно грузовиков и автобусов, то сейчас более 50% продающихся в Европе легковушек ездят на «солярке». Дизели экономичнее своих бензиновых собратьев и при равных объемах двигателя имеют гораздо больший крутящий момент и наделяют автомобиль приличной динамикой. На сегодняшний день практически все дизельные двигатели имеют турбонаддув.

Достоинства и недостатки четырехтактных двигателей

Самый главный плюс двигателей, работающих по циклу Отто – экономичность. Кроме того, четырехтактные двигатели относительно бесшумны, а использование каталитических нейтрализаторов делает их еще и наболее экологичными.

Неоспоримым преимуществом является надежность четырехтактных моторов. Ресурс легковых двигателей доходит до полумиллиона километров, и это еще не предел.

Недостатки современных моторов кроются в их сложном техническом устройстве. Они дороги в производстве, а в эксплуатации весьма требовательны к качеству топлива и масла. Ремонт своими силами в полевых условиях, без специального инструмента и навыков, практически невозможен.

Эксплуатация четырехтактных двигателей

В первую очередь следует тщательнее выбирать АЗС. Топливные системы, в особенности дизельных автомобилей, плохо «переваривают» некачественное топливо. Более того, всего одна заправка «левым» горючим может вывести из строя катализатор. А его замена может вылиться в «копеечку».

Развитие микропроцессорного управления процессами, происходящими в четырехтактном двигателе, привело к тому, что вмешательство человека не требуется годами
Большинство неисправностей современных двигателей не связаны непосредственно с механическими деталями. Неисправности, как правило, возникают в "слабых местах", в системе подачи воздуха или в электрооборудовании. По причине сложности и развития микропроцессорных систем управления, выявить поломку без подключения диагностического компьютера выяснить причину неисправности практически невозможно.

Двигатель — основная и самая дорогая часть автомобиля. Поэтому в случае поломки ремонт лучше доверить сервисному центру, избегая «гаражных» специалистов.

Текст принадлежит Blamper.ru

цикл Ericsson - Википедия

Рендеринг движка Ericsson. Холодная газообразная рабочая жидкость, такая как атмосферный воздух (показан синим цветом), поступает в цилиндр через обратный клапан в правом верхнем углу. Воздух сжимается поршнем (черный), когда поршень движется вверх. Сжатый воздух хранится в пневматическом баке (слева). Двухходовой клапан (серый) перемещается вниз, чтобы позволить сжатому воздуху проходить через регенератор, где он предварительно нагревается. Затем воздух поступает в пространство под поршнем, которое представляет собой расширительную камеру с внешним подогревом.Воздух расширяется и воздействует на поршень, когда он движется вверх. После такта расширения двухходовой клапан перемещается вверх, закрывая бак и открывая выпускное отверстие. Когда поршень движется назад вниз в такте выпуска, горячий воздух выталкивается обратно через регенератор, который возвращает большую часть тепла, прежде чем выйти через выпускное отверстие (слева) в виде холодного воздуха.

Цикл Ericsson назван в честь изобретателя Джона Эрикссона, который спроектировал и построил множество уникальных тепловых двигателей на основе различных термодинамических циклов.Ему приписывают изобретение двух уникальных циклов тепловых двигателей и разработку практических двигателей, основанных на этих циклах. Его первый цикл теперь известен как замкнутый цикл Брайтона, в то время как его второй цикл сейчас называется циклом Эрикссона. Эрикссон является одним из немногих, кто создал двигатели открытого цикла, ^[1] , но он также создал двигатели замкнутого цикла. ^[2]

Идеальный цикл Ericsson [править]

Ниже приведен список четырех процессов, которые происходят между четырьмя этапами идеального цикла Ericsson:

• Процесс 1 -> 2: Изотермическое сжатие.Предполагается, что пространство сжатия является промежуточным, поэтому газ подвергается изотермическому сжатию. Сжатый воздух поступает в резервуар под постоянным давлением. В идеальном цикле теплообмен между стенками резервуара отсутствует.
• Процесс 2 -> 3: Изобарическое добавление тепла. Из бака сжатый воздух проходит через регенератор и накапливает тепло при высоком постоянном давлении на пути к нагретому силовому цилиндру.
• Процесс 3 -> 4: Изотермическое расширение. Пространство расширения силового цилиндра нагревается снаружи, и газ подвергается изотермическому расширению.
• Процесс 4 -> 1: Изобарический отвод тепла. Прежде чем воздух будет выпущен в виде выхлопа, он проходит через регенератор, таким образом охлаждая газ при низком постоянном давлении и нагревая регенератор для следующего цикла.

Сравнение с циклами Карно, Дизеля, Отто и Стирлинга [править]

Идеальные циклы Отто и Дизеля не являются полностью обратимыми, потому что они включают в себя теплопередачу через конечную разность температур во время необратимых изохорных / изобарных добавлений тепла и изохорных процессов отвода тепла.Вышеупомянутая необратимость делает тепловой КПД этих циклов меньшим, чем у двигателя Карно, работающего в тех же пределах температуры. Еще один цикл, в котором используются изобарические процессы добавления и отвода тепла, - это цикл Эрикссона. Цикл Эрикссона представляет собой измененную версию цикла Карно, в которой два изэнтропических процесса, представленных в цикле Карно, заменяются двумя процессами регенерации при постоянном давлении.

Цикл Ericsson часто сравнивают с циклом Стирлинга, поскольку конструкции двигателей, основанные на этих соответствующих циклах, являются двигателями внешнего сгорания с регенераторами.Эрикссон, возможно, наиболее похож на так называемый двигатель Стирлинга двойного действия, в котором поршень вытеснителя также действует как силовой поршень. Теоретически, оба этих цикла имеют так называемую идеальную эффективность , которая является самой высокой, допускаемой вторым законом термодинамики. Наиболее известным идеальным циклом является цикл Карно, хотя неизвестно, что полезный двигатель Карно был изобретен. Теоретическая эффективность для обоих циклов Эрикссона и Стирлинга, действующих в одних и тех же пределах, равна эффективности Карно для одних и тех же пределов.

Сравнение с циклом Брайтона [править]

Первый цикл, разработанный компанией Эрикссон, теперь называется «цикл Брайтона», обычно применяемый в роторных реактивных двигателях для самолетов.

Второй цикл Ericsson - это цикл, который чаще всего называют просто «циклом Эрикссона». (Второй) цикл Ericsson также является пределом идеального газотурбинного цикла Брайтона, работающего с многоступенчатым сжатием с промежуточным охлаждением и многоступенчатым расширением с повторным нагревом и регенерацией.По сравнению с циклом Брайтона, который использует адиабатическое сжатие и расширение, второй цикл Эрикссон использует изотермическое сжатие и расширение, таким образом производя больше чистой работы за удар. Кроме того, использование регенерации в цикле Эрикссон повышает эффективность за счет снижения требуемого тепловыделения. Для дальнейших сравнений термодинамических циклов, см. Тепловой двигатель.

двигатель Ericsson [править]

Двигатель Эрикссон основан на цикле Эрикссона и известен как «двигатель внешнего сгорания», потому что он нагревается снаружи.Для повышения эффективности двигатель имеет регенератор или рекуператор между компрессором и детандером. Двигатель может работать с открытым или закрытым циклом. Расширение происходит одновременно со сжатием на противоположных сторонах поршня.

Регенератор [править]

Эрикссон придумал термин «регенератор» для своего независимого изобретения противоточного теплообменника со смешанным потоком. Однако преподобный Роберт Стирлинг изобрел то же самое устройство до Ericsson, поэтому изобретение приписывают Стирлингу.Стерлинг назвал это «экономайзером» или «экономайзером», потому что это увеличило экономию топлива различных типов тепловых процессов. Было обнаружено, что изобретение является полезным во многих других устройствах и системах, где оно стало более широко использоваться, поскольку другие типы двигателей стали более предпочтительными по сравнению с двигателем Стирлинга. Термин «регенератор» теперь является именем, данным компоненту в двигателе Стирлинга.

Термин «рекуператор» относится к противоточному теплообменнику. Как будто это не было достаточно запутанным, регенератор со смешанным потоком иногда используется как рекуператор с квазиразделенным потоком.Это может быть сделано с помощью движущихся клапанов или вращающихся регенератов с фиксированными перегородками, или с помощью других движущихся частей. Когда тепло извлекается из выхлопных газов и используется для предварительного нагрева воздуха для горения, обычно используется термин рекуператор, потому что два потока разделены.

История [править]

В 1791 году, до появления Ericsson, Джон Барбер предложил аналогичный двигатель. В двигателе Barber использовался сильфонный компрессор и расширитель турбины, но в нем отсутствовал регенератор / рекуператор.Нет записей о работающем двигателе Barber. Эрикссон изобрел и запатентовал свой первый двигатель, используя внешнюю версию цикла Брайтона в 1833 году (номер 6409/1833, британский). Это было за 18 лет до Джоуля и за 43 года до Брайтона. Все двигатели Брайтона представляли собой поршневые двигатели и по большей части версии внутреннего сгорания неосвоенного двигателя Эрикссон. «Цикл Брайтона» теперь известен как цикл газовой турбины, который отличается от первоначального «цикла Брайтона» использованием турбокомпрессора и расширителя.Цикл газовой турбины используется для всех современных газотурбинных и турбореактивных двигателей, однако простые циклические турбины часто рекуперируются для повышения эффективности, и эти рекуперативные турбины больше напоминают работу Ericsson.

Эрикссон отказался от открытого цикла в пользу традиционного замкнутого цикла Стирлинга.

Двигатель Ericsson можно легко модифицировать для работы в режиме замкнутого цикла, используя второй охлаждаемый контейнер с низким давлением между исходной выхлопной трубой и впуском.В замкнутом цикле более низкое давление может быть значительно выше давления окружающей среды, и можно использовать He или H ₂ рабочий газ. Из-за более высокой разности давлений между движением рабочего поршня вверх и вниз удельная мощность может быть больше, чем у двигателя Стирлинга без клапана. Добавленная стоимость - это клапан. Двигатель Ericsson также сводит к минимуму механические потери: мощность, необходимая для сжатия, не проходит через потери на трение в кривошипно-шатунном подшипнике, а подается непосредственно от силы расширения.Двигатель Ericsson поршневого типа потенциально может быть самой высокой эффективностью в мире. Следует признать, что это еще не доказано в практических приложениях. ^{[ цитирование необходимо ]}

Компания Эрикссон спроектировала и изготовила очень большое количество двигателей, работающих на различных циклах, включая пар, Стирлинг, Брайтон, цикл с жидким воздухом и дизельным воздухом с внешним подогревом. Он использовал свои двигатели на самых разных видах топлива, включая уголь и солнечное тепло.

Эрикссон также отвечал за раннее использование винтового винта для судовой тяги в USS Princeton , построенного в 1842–43.

Калорийность корабля Ericsson [редактировать]

В 1851 году двигатель цикла Эрикссон (второй из двух, обсуждаемых здесь) использовался для питания 2000-тонного корабля, калорийного корабля Ericsson , ^[3] и работал без сбоев в течение 73 часов. ^[4] Комбинированный двигатель мощностью около 300 лошадиных сил (220 кВт). Он имел комбинацию из четырех двухпоршневых двигателей; поршень / цилиндр большего диаметра, диаметром 4,3 м (14 футов), был, возможно, самым большим поршнем, когда-либо созданным.Ходят слухи, что над этими поршнями были накрыты столы (очевидно, в прохладной камере сжатия, а не в камере с горячей энергией), и обед подавали и ели, пока двигатель работал на полную мощность. ^{[ цитирование необходимо ]} При 6,5 об / мин давление было ограничено до 8 фунтов на квадратный дюйм (55 кПа). Согласно официальному отчету, он потреблял только 4200 кг угля в сутки (первоначальная цель составляла 8000 кг, что все же лучше, чем у современных паровых двигателей). Одно морское испытание доказало, что, хотя двигатель работал хорошо, корабль был недостаточно силен.Через некоторое время после испытаний Ericsson затонул. Когда это было поднято, двигатель цикла Ericsson был удален, и паровой двигатель занял его место. Корабль потерпел крушение, когда его взорвали на мель в ноябре 1892 года у входа в Баркли-Саунд, Британская Колумбия, Канада. ^[5]

Потенциал сегодня [править]

Сегодня цикл Эрикссон (и аналогичный цикл Брайтона) получает новый интерес ^[6] для извлечения энергии из тепла отработавших газов (и генераторного газа) двигателей и солнечных концентраторов.Важное преимущество цикла Ericsson над широко известным двигателем Стирлинга часто не признается: объем теплообменника не влияет отрицательно на эффективность.

(...) , несмотря на то, что он обладает значительными преимуществами перед Стирлингом. Среди них стоит отметить, что теплообменники двигателя Ericsson не являются мертвыми объемами, в то время как конструктору теплообменников двигателя Стирлинга приходится сталкиваться с трудным компромиссом между максимально большими зонами теплообмена, но и как можно меньшими объемами теплообменника. ^[7]

Для средних и больших двигателей стоимость клапанов может быть небольшой по сравнению с этим преимуществом. Реализация турбокомпрессора плюс турбина кажется выгодной в диапазоне MWe, компрессор с принудительным рабочим объемом плюс турбина для мощности Nx100 кВт, и компрессор с принудительным рабочим объемом + расширитель ниже 100 кВт. С высокотемпературной гидравлической жидкостью и компрессор, и расширитель могут быть жидкостным кольцевым насосом даже до 400 ° C с вращающимся кожухом для лучшей эффективности.

Список литературы [править]

Внешние ссылки [редактировать]

,Двигатель

- Википедия

Анимация, демонстрирующая четыре стадии цикла четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания:

1. Индукция (Топливо входит в состав)
2. Компрессия
3. Зажигание (Топливо сожжено)
4. Эмиссия (выхлопной газ)

машина, которая преобразует одну форму энергии в механическую энергию

Двигатель , или , двигатель - это машина, предназначенная для преобразования одной формы энергии в механическую. ^{[1] [2]} Тепловые двигатели, как и двигатель внутреннего сгорания, сжигают топливо для создания тепла, которое затем используется для работы. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение, пневматические моторы используют сжатый воздух, а заводные моторы в игрушечных игрушках используют упругую энергию. В биологических системах молекулярные двигатели, такие как миозины в мышцах, используют химическую энергию для создания сил и, в конечном итоге, движения.

Терминология [править]

Слово двигатель происходит от древнеанглийского двигателя , от латинского ingenium - корень слова гениального .Доиндустриальное оружие войны, такое как катапульты, требучеты и тараны, называлось осадных орудий , и знание того, как их создавать, часто считалось военной тайной. Слово джин , как в хлопок джин , является сокращением от двигатель . Большинство механических устройств, изобретенных во время промышленной революции, были описаны как двигатели - паровой двигатель является ярким примером. Однако оригинальные паровые двигатели, такие как Томас Савери, были не механическими, а насосами.Таким образом, пожарная машина в своем первоначальном виде была просто водяным насосом, при этом двигатель доставлялся в огонь лошадьми. ^[3]

В современном использовании термин «двигатель » обычно описывает устройства, такие как паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают или иным образом потребляют топливо для выполнения механической работы, прикладывая крутящий момент или линейную силу (обычно в форме тяги). Устройства, преобразующие тепловую энергию в движение, обычно называют просто двигателями . ^[4] Примеры двигателей, которые создают крутящий момент, включают известные автомобильные бензиновые и дизельные двигатели, а также турбовалы. Примеры двигателей, которые производят тягу, включают турбовентиляторы и ракеты.

Когда был изобретен двигатель внутреннего сгорания, термин «двигатель » первоначально использовался для отличия его от парового двигателя, который в то время широко использовался для питания локомотивов и других транспортных средств, таких как паровые катки. Термин двигателя происходит от латинского глагола moto , который означает приводить в движение или поддерживать движение.Таким образом, мотор - это устройство, которое передает движение.

Двигатель и двигатель являются взаимозаменяемыми на стандартном английском языке. ^[5] В некоторых технических жаргонах два слова имеют разные значения, в которых двигатель - это устройство, которое сжигает или иным образом потребляет топливо, изменяя свой химический состав, а двигатель - это устройство, приводимое в действие электричеством, воздухом или гидравлическое давление, которое не меняет химический состав своего источника энергии. ^{[6] [7]} Однако в ракетостроении используется термин ракетный двигатель, хотя они потребляют топливо.

Тепловой двигатель также может служить первичным двигателем - компонентом, который преобразует поток или изменения давления жидкости в механическую энергию. ^[8] Автомобиль, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания, может использовать различные двигатели и насосы, но в конечном итоге все такие устройства получают свою мощность от двигателя. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что двигатель получает энергию от внешнего источника, а затем преобразует ее в механическую энергию, в то время как двигатель создает энергию от давления (получаемого непосредственно от взрывной силы сгорания или другой химической реакции, или вторично от действие некоторой такой силы на другие вещества, такие как воздух, вода или пар). ^[9]

История [править]

Античность [править]

Простые машины, такие как дубинка и весло (примеры рычага), являются доисторическими. Более сложные двигатели, использующие энергию человека, животных, воду, ветер и даже энергию пара, уходят в глубь древности. Человеческая сила была сосредоточена на использовании простых двигателей, таких как лебедка-кабестан, лебедка или беговая дорожка, а также на веревках, шкивах и механизмах блокировки и захвата; эта сила передавалась обычно с умноженными силами и уменьшенной скоростью.Они использовались в кранах и на кораблях в Древней Греции, а также в шахтах, водяных насосах и осадных машинах в Древнем Риме. Авторы тех времен, включая Витрувия, Фронтина и Плиния Старшего, рассматривают эти двигатели как обычное дело, поэтому их изобретение может быть более древним. К 1-му веку нашей эры крупный рогатый скот и лошади использовались на мельницах, приводя в движение машины, подобные тем, которые приводились в действие людьми в более ранние времена.

По словам Страбона, водная мельница была построена в Каберии, в королевстве Митридата, в 1 веке до нашей эры.Использование водяных колес в мельницах распространилось по всей Римской империи в течение следующих нескольких веков. Некоторые были довольно сложными, с акведуками, дамбами и шлюзами для поддержания и направления воды, наряду с системами зубчатых колес или зубчатых колес из дерева и металла для регулирования скорости вращения. Более сложные небольшие устройства, такие как механизм Antikythera, использовали сложные цепочки передач и циферблатов, чтобы действовать как календари или предсказывать астрономические события. В стихотворении Авсония в 4 веке нашей эры он упоминает о камнерезной пиле, приводимой в движение водой.Героя Александрии приписывают многим таким ветряным и паровым машинам в 1-м веке нашей эры, включая Aeolipile и торговый автомат, часто эти машины ассоциировались с поклонением, такие как анимированные алтари и автоматизированные двери храма.

Средневековье [править]

Средневековые мусульманские инженеры использовали шестерни в мельницах и водоподъемных машинах и использовали плотины в качестве источника воды, чтобы обеспечить дополнительную мощность для водяных мельниц и водоподъемных машин. ^[10] В средневековом исламском мире такие достижения позволили механизировать многие производственные задачи, ранее выполнявшиеся с помощью ручного труда.

В 1206 году аль-Джазари использовал систему шатунов для двух своих водоподъемных машин. Элементарное паротурбинное устройство было описано Таки аль-Дином ^[11] в 1551 году и Джованни Бранкой ^[12] в 1629 году. ^[13]

В 13 веке твердотопливный ракетный двигатель был изобретен в Китай. Управляемый порохом, этот простейший двигатель внутреннего сгорания был неспособен обеспечить устойчивую мощность, но был полезен для приведения оружия в действие на высоких скоростях в направлении врагов в бою и для фейерверков.После изобретения это новшество распространилось по всей Европе.

Промышленная революция [править]

Двигатель Boulton & Watt 1788 г.

Паровая машина Watt была первым паровым двигателем, который использовал пар при давлении чуть выше атмосферного для привода поршня, чему способствовал частичный вакуум. Совершенствование конструкции парового двигателя Newcomen 1712 года, парового двигателя Watt, спорадически развивающегося с 1763 по 1775 год, стало большим шагом в развитии парового двигателя. Предлагая резкое повышение эффективности использования топлива, дизайн Джеймса Уотта стал синонимом паровых двигателей, во многом благодаря его деловому партнеру Мэтью Боултону.Это позволило быстро создать эффективные полуавтоматические заводы в ранее невообразимых масштабах в местах, где гидроэнергетика была недоступна. Дальнейшее развитие привело к появлению паровозов и значительному расширению железнодорожного транспорта.

Что касается поршневых двигателей внутреннего сгорания, они были испытаны во Франции в 1807 году де Ривазом и независимо друг от друга братьями Ниепсе. Теоретически они были разработаны Карно в 1824 году. ^{[ требуется цитирование ]} В 1853–57 годах Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи изобрели и запатентовали двигатель, использующий принцип свободного поршня, который, возможно, был первым четырехтактным двигателем. ^[14]

Изобретение двигателя внутреннего сгорания, которое впоследствии было коммерчески успешным, было сделано в 1860 году Этьеном Ленуаром. ^[15]

В 1877 году цикл Отто был в состоянии дать намного более высокое отношение мощности к весу, чем паровые двигатели, и работал намного лучше для многих транспортных применений, таких как автомобили и самолеты.

Автомобили [править]

Первый коммерчески успешный автомобиль, созданный Карлом Бенцем, добавил интерес к легким и мощным двигателям.Легкий бензиновый двигатель внутреннего сгорания, работающий по четырехтактному циклу Отто, был наиболее успешным для легких автомобилей, в то время как более эффективный дизельный двигатель используется для грузовых автомобилей и автобусов. Однако в последние годы турбодизельные двигатели становятся все более популярными, особенно за пределами США, даже для довольно небольших автомобилей.

Горизонтально противоположные поршни [править]

В 1896 году Карлу Бенцу был выдан патент на конструкцию первого двигателя с горизонтально расположенными поршнями.Его конструкция создала двигатель, в котором соответствующие поршни движутся в горизонтальных цилиндрах и одновременно достигают верхней мертвой точки, таким образом автоматически балансируя друг друга в отношении их индивидуального импульса. Двигатели этой конструкции часто называют плоскими двигателями из-за их формы и низкого профиля. Они использовались в Volkswagen Beetle, Citroën 2CV, некоторых автомобилях Porsche и Subaru, многих мотоциклах BMW и Honda, а также двигателях воздушных винтов.

Продвижение [править]

Продолжение использования двигателя внутреннего сгорания для автомобилей отчасти связано с совершенствованием систем управления двигателем (бортовые компьютеры, обеспечивающие процессы управления двигателем, и впрыск топлива с электронным управлением).Принудительная подача воздуха за счет турбонаддува и наддува повышает выходную мощность и эффективность двигателя. Подобные изменения были применены к меньшим дизельным двигателям, давая им почти такие же характеристики мощности, что и бензиновые двигатели. Это особенно очевидно в связи с популярностью автомобилей с меньшим двигателем с дизельным двигателем в Европе. Большие дизельные двигатели все еще часто используются в грузовиках и тяжелой технике, хотя они требуют специальной обработки, недоступной на большинстве заводов. Дизельные двигатели производят более низкие выбросы углеводородов и CO
2, но с более высоким уровнем твердых частиц и NO
x , чем бензиновые двигатели. ^[16] Дизельные двигатели также на 40% более экономичны, чем сопоставимые бензиновые двигатели. ^[16]

Увеличение мощности [править]

В первой половине 20-го века наблюдалась тенденция увеличения мощности двигателя, особенно в моделях США. ^{[требуется уточнение ]} Изменения конструкции включали в себя все известные методы увеличения мощности двигателя, включая увеличение давления в цилиндрах для повышения эффективности, увеличение размеров двигателя и увеличение скорости, с которой двигатель производит работу.Более высокие силы и давления, создаваемые этими изменениями, создавали проблемы с вибрацией и размерами двигателя, что приводило к более жестким, более компактным двигателям с V-образным расположением цилиндров и противостоянием, заменяющим более длинные прямолинейные устройства.

Эффективность сгорания [править]

Принципы проектирования, которым отдают предпочтение в Европе, из-за экономических и других ограничений, таких как более мелкие и крутые дороги, ориентированы на автомобили меньшего размера и соответствуют принципам проектирования, сосредоточенным на повышении эффективности сгорания небольших двигателей.Это позволило получить более экономичные двигатели с более ранними четырехцилиндровыми двигателями мощностью 40 лошадиных сил (30 кВт) и шестицилиндровыми двигателями мощностью до 80 лошадиных сил (60 кВт) по сравнению с американскими двигателями V-8 большого объема с номинальной мощностью в диапазон от 250 до 350 л.с., некоторые даже более 400 л.с. (от 190 до 260 кВт). ^{[требуется уточнение ] [необходимо цитирование ]}

Конфигурация двигателя [править]

Раньше при разработке автомобильных двигателей производился гораздо больший ассортимент двигателей, чем обычно используется сегодня.Двигатели варьировались от 1 до 16 цилиндров с соответствующими различиями в общем размере, весе, объеме двигателя и отверстиях цилиндров. В большинстве моделей использовались четыре цилиндра и номинальная мощность от 19 до 120 л.с. (от 14 до 90 кВт). Было построено несколько трехцилиндровых двухтактных моделей, в то время как большинство двигателей имели прямые или рядные цилиндры. Было несколько моделей V-типа и горизонтально противоположных двух- и четырехцилиндровых моделей. Верхние распредвалы часто использовались.Меньшие двигатели обычно имели воздушное охлаждение и располагались в задней части автомобиля; коэффициенты сжатия были относительно низкими. В 1970-х и 1980-х годах возрос интерес к улучшению экономии топлива, что привело к возврату к меньшим размерам V-6 и четырехцилиндровым двигателям с пятью клапанами на цилиндр для повышения эффективности. Bugatti Veyron 16.4 работает с двигателем W16, что означает, что два расположения цилиндров V8 расположены рядом друг с другом, чтобы создать форму W, разделяющую один и тот же коленчатый вал.

Самый большой из когда-либо созданных двигателей внутреннего сгорания - это 14-цилиндровый 2-тактный дизельный двигатель с турбонаддувом Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, который был спроектирован для оснащения Emma Mærsk , самого большого контейнеровоза в мире, когда его запускали в 2006.Этот двигатель имеет массу 2300 тонн, а при работе на скорости 102 об / мин (1,7 Гц) вырабатывает более 80 МВт и может использовать до 250 тонн топлива в день.

Двигатель можно отнести к категории в соответствии с двумя критериями: форма энергии, которую он принимает для создания движения, и тип движения, которое он выводит.

Тепловой двигатель [править]

Двигатель внутреннего сгорания [править]

Двигатели внутреннего сгорания - это тепловые двигатели, приводимые в движение теплом процесса сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания [править]

Трехтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на угольном газе

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой двигатель, в котором сгорание топлива (обычно ископаемого топлива) происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания.В двигателе внутреннего сгорания расширение газов высокой температуры и высокого давления, которые образуются в результате сгорания, непосредственно прикладывает усилие к компонентам двигателя, таким как поршни или лопатки турбины или сопло, и перемещая его на расстояние , генерирует механическую работу. ^{[17] [18] [19] [20]}

Двигатель внешнего сгорания [править]

Двигатель внешнего сгорания (двигатель ЕС) представляет собой тепловой двигатель, в котором внутренняя рабочая жидкость нагревается путем сгорания внешнего источника через стенку двигателя или теплообменник.Затем жидкость, расширяясь и воздействуя на механизм двигателя, производит движение и полезную работу. ^[21] Затем жидкость охлаждается, сжимается и используется повторно (замкнутый цикл) или (реже) сбрасывается, а холодная жидкость втягивается (воздушный двигатель открытого цикла).

«Сжигание» относится к сжиганию топлива с окислителем, для подачи тепла. Двигатели с аналогичной (или даже идентичной) конфигурацией и работой могут использовать подачу тепла из других источников, таких как ядерные, солнечные, геотермальные или экзотермические реакции, не связанные с горением; но тогда они строго не классифицируются как двигатели внешнего сгорания, а как внешние тепловые двигатели.

Рабочая жидкость может быть газом, как в двигателе Стирлинга, или паром, как в паровом двигателе, или органической жидкостью, такой как н-пентан, в цикле органического Ренкина. Жидкость может быть любого состава; газ является наиболее распространенным, хотя иногда используется даже однофазная жидкость. В случае парового двигателя жидкость меняет фазы между жидкостью и газом.

Воздухопроницаемые двигатели внутреннего сгорания [править]

Воздушно-реактивные двигатели внутреннего сгорания - это двигатели внутреннего сгорания, которые используют кислород в атмосферном воздухе для окисления («сжигания») топлива, а не для переноса окислителя, как в ракете.Теоретически, это должно привести к лучшему удельному импульсу, чем для ракетных двигателей.

Непрерывный поток воздуха проходит через дыхательный двигатель. Этот воздух сжимается, смешивается с топливом, воспламеняется и удаляется в качестве выхлопного газа.

Примеры

Типичные воздушно-реактивные двигатели включают в себя:

реактивный реактивный двигатель

Турбовинтовой двигатель

Воздействие на окружающую среду [редактировать]

Работа двигателей обычно оказывает негативное влияние на качество воздуха и уровень окружающего звука.Все больше внимания уделяется характеристикам автомобильных систем, способствующих загрязнению. Это создало новый интерес к альтернативным источникам энергии и усовершенствованиям двигателя внутреннего сгорания. Хотя появилось несколько электромобилей с ограниченным производством на батарейках, они не оказались конкурентоспособными из-за затрат и эксплуатационных характеристик. ^{[ цитирование необходимо ]} В 21-м веке дизельный двигатель становится все более популярным среди автовладельцев.Тем не менее, бензиновый двигатель и дизельный двигатель, с их новыми устройствами контроля выбросов для улучшения характеристик выбросов, еще не подвергались значительным испытаниям. ^{[ цитирование необходимо ]} Ряд производителей представили гибридные двигатели, в основном с небольшим бензиновым двигателем в сочетании с электродвигателем и большим аккумуляторным блоком, но они также еще не достигли значительных успехов на рынке. бензиновых и дизельных двигателей.

Качество воздуха [редактировать]

Выхлопные газы двигателя с искровым зажиганием состоят из следующего: азот от 70 до 75% (по объему), водяной пар от 10 до 12%, диоксид углерода от 10 до 13.5%, водород от 0,5 до 2%, кислород от 0,2 до 2%, монооксид углерода: от 0,1 до 6%, несгоревшие углеводороды и продукты частичного окисления (например, альдегиды) от 0,5 до 1%, монооксид азота от 0,01 до 0,4%, закись азота <100 ч / млн. диоксид серы от 15 до 60 частей на миллион, следы других соединений, таких как присадки к топливу и смазочные материалы, а также соединения галогенов и металлов и другие частицы. ^[22] Окись углерода очень токсична и может вызвать отравление угарным газом, поэтому важно избегать скопления газа в замкнутом пространстве.Каталитические нейтрализаторы могут уменьшить токсичные выбросы, но не полностью устранить их. Кроме того, выбросы парниковых газов, главным образом углекислого газа, в результате широко распространенного использования двигателей в современном промышленно развитом мире способствуют глобальному парниковому эффекту - главной проблеме глобального потепления.

Негорючие тепловые двигатели [править]

Некоторые двигатели преобразуют тепло от не горючих процессов в механическую работу, например, атомная электростанция использует тепло от ядерной реакции для производства пара и приводит в движение паровой двигатель, или газовая турбина в ракетном двигателе может приводиться в действие путем разложения перекиси водорода.Помимо другого источника энергии, двигатель часто проектируется так же, как двигатель внутреннего или внешнего сгорания. Другая группа не горючих двигателей включает термоакустические тепловые двигатели (иногда называемые «двигателями ТА»), которые представляют собой термоакустические устройства, которые используют звуковые волны высокой амплитуды для накачки тепла из одного места в другое или, наоборот, используют разность тепла для создания звуковых волн высокой амплитуды. , В целом, термоакустические двигатели можно разделить на устройства со стоячей и бегущей волной. ^[23]

Нетепловой двигатель с химическим приводом [править]

Нетепловые двигатели обычно приводятся в действие химической реакцией, но не являются тепловыми двигателями. Примеры включают в себя:

Электродвигатель [править]

Электродвигатель использует электрическую энергию для производства механической энергии, обычно через взаимодействие магнитных полей и проводников с током. Обратный процесс, производящий электрическую энергию из механической энергии, осуществляется с помощью генератора или динамо.Тяговые двигатели, используемые на транспортных средствах, часто выполняют обе задачи. Электродвигатели могут работать как генераторы и наоборот, хотя это не всегда практично. Электродвигатели распространены повсеместно, и их можно найти в таких разнообразных применениях, как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и дисководы. Они могут получать питание от постоянного тока (например, от портативного устройства с питанием от батареи или транспортного средства) или от переменного тока от центральной электрической распределительной сети.Самые маленькие моторы можно найти в электрических наручных часах. Средние двигатели с высокими стандартизированными размерами и характеристиками обеспечивают удобную механическую мощность для промышленного использования. Самые большие электродвигатели используются для приведения в движение больших судов и для таких целей, как трубопроводные компрессоры, с номинальной мощностью в тысячи киловатт. Электродвигатели могут быть классифицированы по источнику электроэнергии, по их внутренней конструкции и по их применению.

Физический принцип производства механической силы при взаимодействии электрического тока и магнитного поля был известен еще в 1821 году.Электродвигатели с возрастающей эффективностью были построены в течение 19-го века, но коммерческая эксплуатация электродвигателей в больших масштабах требовала эффективных электрических генераторов и электрических распределительных сетей.

Для сокращения потребления электроэнергии двигателями и связанными с ними углеродными следами различные регулирующие органы во многих странах ввели и внедрили законодательство, поощряющее производство и использование более эффективных электродвигателей.Хорошо сконструированный двигатель может преобразовывать более 90% входной энергии в полезную мощность в течение десятилетий. ^[24] Когда эффективность двигателя повышается даже на несколько процентных пунктов, экономия в киловатт-часах (и, следовательно, в стоимости) огромна. Эффективность электрической энергии типичного промышленного асинхронного двигателя может быть улучшена путем: 1) уменьшения электрических потерь в обмотках статора (например, путем увеличения площади поперечного сечения проводника, улучшения техники обмотки и использования материалов с более высоким электрическим напряжением). проводимости, такие как медь), 2) снижение электрических потерь в катушке ротора или отливки (например,Например, используя материалы с более высокой электропроводностью, такие как медь, 3) уменьшая магнитные потери, используя магнитную сталь более высокого качества, 4) улучшая аэродинамику двигателей, чтобы уменьшить механические потери в обмотке, 5) улучшая подшипники, чтобы уменьшить потери на трение, и 6) минимизация производственных допусков. Для дальнейшего обсуждения этой темы см. Премиум эффективность.)

По соглашению, электрический двигатель относится к железнодорожному электровозу, а не к электрическому двигателю.

Двигатель с физическим питанием [править]

Некоторые двигатели питаются от потенциальной или кинетической энергии, например, некоторые фуникулеры, гравитационные плоскости и конвейеры канатных дорог использовали энергию от движущейся воды или камней, а некоторые часы имеют вес, который падает под действием силы тяжести. Другие формы потенциальной энергии включают сжатые газы (например, пневматические моторы), пружины (заводные моторы) и резинки.

Исторические военные осадные машины включали в себя большие катапульты, требучеты и (в некоторой степени) тараны с питанием от потенциальной энергии.

Пневматический двигатель [править]

Пневматический двигатель - это машина, которая преобразует потенциальную энергию в виде сжатого воздуха в механическую работу. Пневматические двигатели обычно преобразуют сжатый воздух в механическую работу с помощью линейного или вращательного движения. Линейное движение может исходить либо от мембранного, либо от поршневого привода, тогда как вращательное движение обеспечивается либо лопастным пневмодвигателем, либо поршневым пневмодвигателем. Пневматические двигатели нашли широкое распространение в индустрии ручных инструментов, и постоянно предпринимаются попытки расширить их использование в транспортной отрасли.Однако пневматические двигатели должны преодолевать недостатки эффективности, прежде чем их можно будет рассматривать в качестве жизнеспособного варианта в транспортной отрасли.

Гидравлический мотор [править]

Гидравлический двигатель получает мощность от жидкости под давлением. Этот тип двигателя используется для перемещения тяжелых грузов и привода машин. ^[25]

Производительность [править]

Следующие используются при оценке производительности двигателя.

Скорость [править]

Скорость относится к вращению коленчатого вала в поршневых двигателях и скорости вращения роторов компрессора / турбины и роторов электродвигателя.Измеряется в оборотах в минуту (об / мин).

Тяга [править]

Тяга - это сила, действующая на двигатель самолета или его пропеллер после того, как он ускорил проходящий через него воздух.

Крутящий момент [править]

Крутящий момент - это крутящий момент на валу, который рассчитывается путем умножения силы, вызвавшей момент, на расстояние от вала.

Мощность [править]

Мощность - это показатель того, как быстро выполняется работа.

Эффективность [править]

Эффективность - это показатель того, сколько топлива расходуется на производство электроэнергии.

Уровни звука [править]

Шум транспортного средства в основном из-за двигателя на низких скоростях, а также из-за шин и воздуха, проходящего мимо автомобиля на более высоких скоростях. ^[26] Электродвигатели тише, чем двигатели внутреннего сгорания. Тяговые двигатели, такие как турбовентиляторы, турбореактивные двигатели и ракеты, издают наибольшее количество шума благодаря тому, как их высокоскоростные выхлопные потоки, создающие тягу, взаимодействуют с окружающим неподвижным воздухом. Технология шумоподавления включает в себя глушители системы впуска и выпуска (глушители) на бензиновых и дизельных двигателях и вкладыши шумоподавления на входах в турбовентилятор. Hogan, C. Michael (сентябрь 1973). «Анализ дорожного шума». Журнал воды, воздуха и загрязнения почвы . 2 (3): 387–92. Bibcode: 1973WASP .... 2..387H. DOI: 10.1007 / BF00159677. ISSN 0049-6979.

Список литературы [править]

Внешние ссылки [редактировать]

Wikimedia Commons имеет СМИ, связанные с Двигатели .

Посмотрите двигатель в Викисловарь, бесплатный словарь.

Посмотрите motor в Викисловарь, бесплатный словарь.

,

цикл Карно - Википедия

Теоретический термодинамический цикл, предложенный Николасом Леонардом Сади Карно в 1824 году

Цикл по Карно - это теоретический идеальный термодинамический цикл, предложенный французским физиком Сади Карно в 1824 году и расширенный другими в 1830-х и 1840-х годах. Он обеспечивает верхний предел эффективности, которой может достичь любой классический термодинамический двигатель во время преобразования тепла в работу, или, наоборот, эффективность системы охлаждения при создании разницы температур при приложении работы к системе.Это не фактический термодинамический цикл, а теоретическая конструкция.

Каждая термодинамическая система существует в определенном состоянии. Когда система проходит через ряд различных состояний и, наконец, возвращается в исходное состояние, говорят, что произошел термодинамический цикл. В процессе прохождения этого цикла система может выполнять работу на своем окружении, например, перемещая поршень, тем самым действуя как тепловой двигатель. Система, проходящая цикл Карно, называется тепловым двигателем Карно, хотя такой «идеальный» двигатель является лишь теоретической конструкцией и не может быть построен на практике. ^[1] Однако был разработан и запущен микроскопический тепловой двигатель Карно. ^[2]

По существу, есть два «тепловых резервуара», образующих часть теплового двигателя при температурах Т _ч и Т _с (горячая и холодная соответственно). Они имеют такую ​​большую теплоемкость, что их температуры практически не зависят от одного цикла. Поскольку цикл теоретически обратим, энтропия не возникает в течение цикла; энтропия сохраняется.Во время цикла произвольное количество энтропии S извлекается из горячего резервуара и осаждается в холодном резервуаре. Поскольку в обоих резервуарах нет изменений объема, они не работают, и в течение цикла из горячего резервуара извлекается количество энергии Т _ч ΔS и меньшее количество энергии Т _с ΔS откладывается в холодном резервуаре. Разница двух энергий (T _ч -T _с ) ΔS равна работе, проделанной двигателем.

Цикл Карно при работе в качестве теплового двигателя состоит из следующих этапов:

1. Изотермическое расширение. Тепло передается обратимо из высокотемпературного резервуара при постоянной температуре T _H (изотермическое добавление или поглощение тепла). Во время этого шага (от 1 до 2 на , рис. 1 , от А до В в , рис. 2 ) газу позволяют расширяться, выполняя работу над окружающей средой, подталкивая поршень (ступень 1, рисунок справа).Хотя давление падает от точек 1 до 2 (фиг.1), температура газа не изменяется во время процесса, поскольку он находится в тепловом контакте с горячим резервуаром при Т, , _ч, , и, таким образом, расширение является изотермическим. Тепловая энергия Q ₁ поглощается из высокотемпературного резервуара, что приводит к увеличению энтропии газа на величину ΔS1 = Q1 / Th {\ displaystyle \ Delta S_ {1} = Q_ {1} / T_ { час}}.

2. Изэнтропическое (обратимое адиабатическое) расширение газа (изоэнтропическая работа выхода). На этом этапе (от 2 до 3 на , рисунок 1 , от B до C в , рисунок 2 ) газ в двигателе теплоизолирован как от горячего, так и от холодного резервуаров. Таким образом, они не получают и не теряют тепло, адиабатический процесс. Газ продолжает расширяться за счет снижения давления, выполнения работы над окружающей средой (подъем поршня; рис. 2 ступени, справа) и потери количества внутренней энергии, равного проделанной работе. Расширение газа без подвода тепла приводит к его охлаждению до «холодной» температуры, T _c .Энтропия остается неизменной.

3. Изотермическая компрессия. Тепло передается обратимо в низкотемпературный резервуар при постоянной температуре Т _С . (изотермический отвод тепла) (от 3 до 4 на Рис. 1 , от C до D на Рис. 2 ) Теперь газ в двигателе находится в тепловом контакте с холодным резервуаром при температуре Т _с . Окружение работает на газе, толкая поршень вниз (рис. 3, справа), в результате чего количество тепловой энергии Q ₂ покидает систему в низкотемпературный резервуар, а энтропия системы уменьшается на сумма ΔS2 = Q2 / Tc {\ displaystyle \ Delta S_ {2} = Q_ {2} / T_ {c}}.(Это то же количество энтропии, которое поглощается на шаге 1, что видно из неравенства Клаузиуса .)

4. Адиабатическое обратимое сжатие. (с 4 по 1 на Рис. 1 , от D до A на Рис. 2 ) Еще раз газ в двигателе теплоизолирован от горячих и холодных резервуаров, и предполагается, что двигатель не имеет трения, а следовательно, обратим. На этом этапе окружение работает на газе, толкая поршень вниз (рис. 4, справа), увеличивая его внутреннюю энергию, сжимая его и вызывая повышение температуры до T _h исключительно из-за работа добавлена ​​в систему, но энтропия остается неизменной.В этот момент газ находится в том же состоянии, что и в начале шага 1.

Рисунок 1: Цикл Карно, изображенный на диаграмме PV для иллюстрации проделанной работы.

В этом случае

ΔS1 = ΔS2 {\ displaystyle \ Delta S_ {1} = \ Delta S_ {2}},

или,

Q1 / Th = Q2 / Tc {\ displaystyle Q_ {1} / T_ {h} = Q_ {2} / T_ {c}}.

Это верно, поскольку Q2 {\ displaystyle Q_ {2}} и Tc {\ displaystyle T_ {c}} оба ниже и фактически находятся в том же соотношении, что и Q1 / Th {\ displaystyle Q_ {1} / T_ {час}}.

График давления-объема [править]

Когда цикл Карно нанесен на диаграмму давление-объем (, Рисунок 1, ), изотермические стадии следуют за линиями изотермы для рабочей жидкости, адиабатические стадии перемещаются между изотермами, а область, ограниченная полной траекторией цикла, представляет общая работа, которую можно выполнить за один цикл. От точки 1 до 2 и от точки 3 до 4 температура постоянна. Теплопередача от точки 4 к точке 1 и от точки к точке 3 равна нулю.

Свойства и значение [править]

Диаграмма температура – ​​энтропия [править]

Рисунок 2: Цикл Карно, действующий как тепловой двигатель, изображенный на диаграмме температура-энтропия. Цикл происходит между горячим резервуаром при температуре T _H и холодным резервуаром при температуре T _C . Вертикальная ось - температура, горизонтальная ось - энтропия. Рисунок 3: Обобщенный термодинамический цикл, происходящий между горячим резервуаром при температуре T _H и холодным резервуаром при температуре T _C .По второму закону термодинамики цикл не может выходить за пределы температурного диапазона от T _C до T _H . Область красного цвета Q _C - это количество энергии, обмениваемой между системой и холодным резервуаром. Площадь в белом W - это количество рабочей энергии, которой система обменивается с окружающей средой. Количество тепла, обмениваемого с горячим резервуаром, является суммой двух. Если система работает как двигатель, процесс движется по часовой стрелке вокруг цикла и движется против часовой стрелки, если он работает как холодильник.Эффективность к циклу - это отношение белой области (работы), деленное на сумму белой и красной областей (тепло, поглощаемое горячим резервуаром).

Поведение двигателя или холодильника Карно лучше всего понять с помощью диаграммы температура-энтропия (диаграмма T-S), в которой термодинамическое состояние определяется точкой на графике с энтропией (S) в качестве горизонтальной оси и температуры. (T) в качестве вертикальной оси ( Рисунок 2 ). Для простой замкнутой системы (анализ контрольной массы) любая точка на графике будет представлять конкретное состояние системы.{B}, Т \, Ds}

(1)

, который представляет собой количество тепловой энергии, передаваемой в процессе. Если процесс движется к большей энтропии, площадь под кривой будет количеством тепла, поглощенного системой в этом процессе. Если процесс движется к меньшей энтропии, это будет количество отводимого тепла. Для любого циклического процесса будет верхняя часть цикла и нижняя часть. Для цикла по часовой стрелке область под верхней частью будет тепловой энергией, поглощенной в течение цикла, в то время как область под нижней частью будет тепловой энергией, удаленной во время цикла.Площадь внутри цикла будет тогда разницей между ними, но, поскольку внутренняя энергия системы должна вернуться к своему первоначальному значению, эта разница должна быть объемом работы, выполненной системой за цикл. Обращаясь к , рис. 1 , математически, для обратимого процесса мы можем записать объем работы, выполненной в циклическом процессе, как:

W = ∮⁡PdV = ∮⁡ (dQ-dU) = ∮⁡ (TdS-dU) = ∮⁡TdS − ∮⁡dU = ∮⁡TdS {\ displaystyle W = \ oint PdV = \ oint (dQ -dU) = \ oint (TdS-dU) = \ oint TdS- \ oint dU = \ oint TdS}

(2)

Поскольку д.е. является точным дифференциалом, его интеграл по любому замкнутому контуру равен нулю и из этого следует, что площадь внутри контура на диаграмме T – S равна общей работе, выполненной, если петля пройденный по часовой стрелке, и равен общей работе, проделанной в системе, поскольку цикл проходит против часовой стрелки.

Рисунок 4: Цикл Карно, происходящий между горячим резервуаром при температуре T _H и холодным резервуаром при температуре T _C .

Цикл Карно [править]

Рисунок 5: Визуализация цикла Карно

Оценка вышеуказанного интеграла особенно проста для цикла Карно. Количество энергии, передаваемой за работу, составляет

W = ∮⁡PdV = ∮⁡TdS = (TH-TC) (SB-SA) {\ displaystyle W = \ oint PdV = \ oint TdS = (T_ {H} -T_ {C}) (S_ {B } -S_ {A})}

Общее количество тепловой энергии, передаваемой из горячего резервуара в систему, составит

QH = TH (SB-SA) {\ displaystyle Q_ {H} = T_ {H} (S_ {B} -S_ {A}) \,}

и общее количество тепловой энергии, передаваемой из системы к холодному водоему будет

QC = TC (SB-SA) {\ displaystyle Q_ {C} = T_ {C} (S_ {B} -S_ {A}) \,}

Определяется эффективность η {\ displaystyle \ eta} быть:

η = WQH = QH-QCQH = 1-TCTH {\ displaystyle \ eta = {\ frac {W} {Q_ {H}}} = {\ frac {Q_ {H} -Q_ {C}} { Q_ {H}}} = 1 - {\ frac {T_ {C}} {T_ {H}}} \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad \ quad}

(3)

где

Вт - работа, выполняемая системой (энергия, выходящая из системы как работа),

QC {\ displaystyle Q_ {C}} - это тепло, получаемое от системы (тепловая энергия, покидающая систему),

QH {\ displaystyle Q_ {H}} - это тепло, подводимое к системе (тепловая энергия, поступающая в систему),

TC {\ displaystyle T_ {C}} - абсолютная температура холодного резервуара, а

TH {\ displaystyle T_ {H}} - абсолютная температура горячего резервуара.

SB {\ displaystyle S_ {B}} - максимальная энтропия системы

SA {\ displaystyle S_ {A}} - минимальная энтропия системы.

Это определение эффективности имеет смысл для теплового двигателя, поскольку оно представляет собой долю тепловой энергии, извлекаемой из горячего резервуара и преобразуемой в механическую работу. Цикл Ранкина обычно является практическим приближением.

Обратный цикл Карно [править]

Описанный цикл теплового двигателя Карно является полностью обратимым циклом.То есть все процессы, составляющие его, могут быть обращены вспять, и в этом случае он становится холодильным циклом Карно. На этот раз цикл остается точно таким же, за исключением того, что направления любых тепловых и рабочих взаимодействий меняются местами. Тепло поглощается из низкотемпературного резервуара, тепло отбрасывается в высокотемпературный резервуар, и для этого требуется работа. Диаграмма P-V обращенного цикла Карно такая же, как и для цикла Карно, за исключением того, что направления процессов меняются местами. ^[3]

Теорема Карно [править]

Из приведенной выше диаграммы видно, что для любого цикла, работающего между температурами TH {\ displaystyle T_ {H}} и TC {\ displaystyle T_ {C}}, ни один не может превышать эффективность цикла Карно.

Рисунок 6: Реальный двигатель (слева) по сравнению с циклом Карно (справа). Энтропия реального материала изменяется с температурой. Это изменение обозначено кривой на диаграмме T – S. Для этой фигуры кривая показывает равновесие пар-жидкость ( См. Цикл Ренкина ).Необратимые системы и потери энергии (например, работа из-за трения и тепловых потерь) препятствуют достижению идеала на каждом этапе.

Теорема Карно является формальным утверждением этого факта: Ни один двигатель, работающий между двумя тепловыми резервуарами, не может быть более эффективным, чем двигатель Карно, работающий между этими же резервуарами. Таким образом, уравнение 3 дает максимально возможную эффективность для любого двигателя, использующего соответствующие температуры. Следствие из теоремы Карно гласит: Все обратимые двигатели, работающие между одними и теми же тепловыми резервуарами, одинаково эффективны. Перестановка правой части уравнения дает то, что может быть более понятной формой уравнения, а именно, что теоретический максимальный КПД теплового двигателя равен разнице в температуре между горячим и холодным резервуаром, деленной на абсолютную температуру горячего двигателя. резервуар. Глядя на эту формулу, становится очевидным интересный факт: понижение температуры холодного резервуара будет иметь большее влияние на потолочную эффективность теплового двигателя, чем повышение температуры горячего резервуара на ту же величину.В реальном мире это может быть трудно достичь, так как холодный резервуар часто имеет существующую температуру окружающей среды.

Другими словами, максимальная эффективность достигается тогда и только тогда, когда в цикле не создается новая энтропия, что было бы, например, если бы, например, трение приводит к рассеиванию работы в тепло. В этом случае цикл не является обратимым, и теорема Клаузиуса становится неравенством, а не равенством. В противном случае, поскольку энтропия является функцией состояния, требуемый сброс тепла в окружающую среду для удаления избыточной энтропии приводит к (минимальному) снижению эффективности.Так уравнение 3 дает КПД любого реверсивного теплового двигателя.

В мезоскопических тепловых двигателях работа за цикл работы обычно колеблется из-за теплового шума. Если цикл выполняется квазистатически, флуктуации исчезают даже на мезомасштабах. ^[4] Однако, если цикл выполняется быстрее, чем время релаксации рабочего тела, колебания работы неизбежны. Тем не менее, когда учитываются рабочие и тепловые колебания, существует точное равенство, которое связывает экспоненциальное среднее значение работы, выполненной любым тепловым двигателем, и теплопередачу от более горячей тепловой ванны. ^[5]

Эффективность реальных тепловых двигателей [править]

См. Также: КПД теплового двигателя и другие критерии эффективности

Карно понял, что в действительности невозможно построить термодинамически обратимый двигатель, поэтому реальные тепловые двигатели даже менее эффективны, чем указано в уравнении 3. Кроме того, Реальные двигатели, которые работают по этому циклу, редки. Тем не менее, уравнение 3 чрезвычайно полезно для определения максимальной эффективности, которую можно ожидать для данного набора тепловых резервуаров.

Хотя цикл Карно является идеализацией, выражение Эффективность Карно по-прежнему полезна. Рассмотрим средние температуры,

⟨TH⟩ = 1ΔS∫QinTdS {\ displaystyle \ langle T_ {H} \ rangle = {\ frac {1} {\ Delta S}} \ int _ {Q_ {in}} TdS}

⟨TC ⟩ = 1ΔS∫QoutTdS {\ displaystyle \ langle T_ {C} \ rangle = {\ frac {1} {\ Delta S}} \ int _ {Q_ {out}} TdS}

, при котором тепло вводится и выводится соответственно. Заменить T _H и T _C в уравнении ( 3 ) на 15 T _H 〉 и 15 T _C 〉 соответственно.

Для цикла Карно или его эквивалента среднее значение 15 T _H equal будет равно самой высокой доступной температуре, а именно T _H , и T _C 〉 самой низкой, а именно Т _С . Для других менее эффективных циклов 〈 T _H 〉 будет ниже, чем T _H , а 15 T _C be будет выше, чем T _C . Это может помочь проиллюстрировать, например, почему подогреватель или регенератор могут улучшить термический КПД паровых электростанций - и почему термический КПД электростанций с комбинированным циклом (которые включают газовые турбины, работающие даже при более высоких температурах) превышает таковой у обычных паровые установки.Первый прототип дизельного двигателя был основан на цикле Карно.

См. Также [править]

Список литературы [редактировать]

Примечания

Источники

• Карно, Сади, Размышления о движущей силе огня
• Юинг, Дж. А. (1910) «Паровая машина и другие двигатели», издание 3, стр. 62, через Интернет-архив
• Фейнман, Ричард П .; Лейтон, Роберт Б .; Пески, Мэтью (1963). Фейнмановские лекции по физике .Эддисон-Уэсли, издательская компания. С. 44. ISBN 978-0-201-02116-5 .
• Хэллидей, Дэвид; Резник, Роберт (1978). Физика (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. стр. 541-548. ISBN 978-0-471-02456-9 .
• Киттель, Чарльз; Кромер, Герберт (1980). Теплофизика (2-е изд.). Компания В. Х. Фримена. ISBN 978-0-7167-1088-2 .
• Kostic, M (2011). «Пересмотр второго закона деградации энергии и генерации энтропии: от гениального рассуждения Сади Карно до целостного обобщения». AIP Conf. Проц . Материалы конференции AIP. 1411 : 327–350. CiteSeerX 10.1.1.405.1945. DOI: 10.1063 / 1.3665247. Американский институт физики, 2011. ISBN 978-0-7354-0985-9. Аннотация на: [1]. Полная статья (24 страницы [2]), также в [3].

Внешние ссылки [редактировать]

,

---

Смотрите также

• 
  Какое лучше масло заливать в двигатель лифан солано
• 
  Какое масло лить в двигатель после 100000 км
• 
  Чем восстановить резьбу в алюминии на двигателе
• 
  Что значит двигатель дизельный
• 
  Как сделать минитрактор в домашних условиях с двигателем от мотоблока
• 
  Как сделать мини двигатель на бензине
• 
  Как определить что двигатель жрет масло
• 
  Какое масло заливать в двигатель тойота рав 4
• 
  Как своими руками сделать подогрев двигателя
• 
  Чем раскоксовать кольца в бензиновом двигателе
• 
  Какой двигатель на туареге лучше