История изобретения тепловых двигателей

Тепловые двигатели:

История и перспективы.

Проект подготовила

Медведева Дарья

8 «Е» класс

Тепловые двигатели

  ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ  - это машина, в котором энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу.     

Виды тепловых двигателей

Паровая машина

Двигатель внутреннего сгорания

Паровая и газовая турбины

Реактивный двигатель

Первые тепловые двигатели

  История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена.   В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.

Первые попытки

  Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике.   Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

  Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали.Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

Классификация тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания

Паровая машина

Паровая и газовая турбина

История двигателя внутреннего сгорания

Главное устройство любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.

В ходе исторического развития транспортных двигателей механическая работа осуществлялась за счет применения:

1) мускульной силы человека и животных;

2) силы ветра и потоков воды;

3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;

4) электрической и химической энергии;

5) солнечной и ядерной энергии.

Записи о попытках построить самоходные средства передвижения были уже в XV — XVI вв. Правда, силовыми установками этих «средств передвижения» была мускульная сила человека. Одной из первых достаточно хорошо известной самоходной установкой с «мускульным двигателем» является коляска с ручным приводом безногого часовщика из Нюрнберга Стефана Фарфлера, которую он соорудил в 1655 г.

Наибольшую известность в России получила «самобеглая коляска», построенная в Петербурге крестьянином Л. Л. Шамшуренковым в 1752 г.

«Самобеглая коляска» Л.Л. Шамшуренкова.

«Самобеглая коляска»

Эта коляска, вполне вместительная для перевозки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоновым на рубеже XVIII и XIX вв.

Гидравлические и ветряные двигатели

Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортными, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приводящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.

Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако большие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправдались. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построенный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных остановок через каждые 15 минут движения.

Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удачные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начиная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил несколько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона.

Паровой автомобиль Дион-Бутона

В 1887 — появились автомобили Леона Серполле, которого называли «апостолом пара». Созданный Серполе котел с плоскими трубками представлял весьма совершенный парогенератор с почти мгновенным испарением воды.

Паровые автомобили Серполле конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г.

Автомобиль Леона Серполле

Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось попытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Россия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические автомобили.

Электрические автомобили

Появление электрических автомобилей связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недостаточная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двигателями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.

Электромобиль И.В. Романова

Электромобили имеют достаточно высокие преимущества. Прежде всего они экологически чистые, так как вообще не имеют выхлопных газов, обладают очень хорошей тяговой характеристикой и большими ускорениями за счет возрастающего крутящего момента при снижении числа оборотов; используют дешевую электроэнергию, просты в управлений, надежны в эксплуатации» и т. д. Сегодня электромобили и троллейбусы имеют серьезные перспективы их развития и применения на городском и пригородном транспорте в связи с необходимостью коренного решения проблем по снижению загрязнения окружающей среды.

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобретатель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топлива светильный газ.

Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.

Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных смесей и предварительного сжатия в цилиндрах.

Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;

Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;

Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с самовоспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.

Мотоцикл Г.Даймлера

Трёхколёсный экипаж К.Бенца

В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.

Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремление к повышению литровой мощности, а следовательно, и к получению наиболее компактного двигателя.

Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурентов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требований по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомобильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная промышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двигателестроения на выпуск новых типов двигателей. Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Основные конкуренты поршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных партий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.

Эксплуатационные характеристики

КПД:

• Паровой двигатель – 8%
• Паровая турбина – 40%
• Газовая турбина – 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
• Дизельный двигатель – 40- 44%
• Реактивный двигатель – 25%

Плюсы и минусы ТД

Достоинства:

Недостатки:

• Способствует экономическому развитию
• Создает комфортные условия
• Удовлетворяет потребности человека в быстром передвижении

• Загрязняет атмосферу
• Способствует повышению температуры окружающей среды
• Истощает природные ресурсы
• Негативно влияет на состояние здоровья человека