Основы теплотехники





История создания тепловых двигателей



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате "Пневматика" шаром "Эола" или эолипилом (Эол - древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).
первые тепловые двигатели Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.
Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.
Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых "игрушек", а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать "огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять".
паровая машина Ползунова Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.
В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.
Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.
Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.
Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.
Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.
Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.
тепловой двигатель Папена Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
К сожалению, первое же испытание "двигателя" Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее "вспыльчивое" топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.
При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.
Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно - двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу - туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.
Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.
двигатель Ленуара Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер А. Отто получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя - специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания".

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин - четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

двигатель Отто

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами - выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Б. Роша.
Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто - еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.
Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой "Отто и Компания". Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта - заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.
Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.
Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.
Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.
Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.
Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю.
Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.
Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя - применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Двигатель Дизеля

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда - Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен был работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.
В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Двигатель Тринклера

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) - советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя.
Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.
По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе.
Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.
В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции "Тринклер-мотора" состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства - прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом ("чистом") дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера - бескомпрессорными.
Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.
Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.
Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в "чистом" виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.
У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.
Двигатель, работающий по циклу Сабатэ - Тринклера занимает промежуточное место на этом "пьедестале почета" между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники"
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине "Основы гидравлики и теплотехники" (в формате Word):