Беседы о физике и технике

Рис. 2. Модель первого русского паровоза Черепановых (1834)

Постепенное усовершенствование паровозов привело к существенному повышению их мощности и экономичности. Так, мощность последних советских паровозов (рис. 3) была порядка 3 МВт (4000 л. с), но, хотя скорость паровозов уже достигла порядка 130–150 км/ч, их КПД все же не удалось поднять выше 10 %.

Паровозы буквально выбрасывали в трубу 90–92 % энергии сжигаемого топлива, не только «пожирали» первосортный каменный уголь (210 кг условного топлива на 10 тыс. тонно-километров), но и сильно загрязняли земную атмосферу.

В середине XX В. В результате быстрого развития более экономичных локомотивов — тепловозов и электровозов — производство паровозов стало сокращаться и в нашей стране было полностью прекращено в 1957 г.

Рис. 3. Последний советский паровоз ФД (1957)

ПОЧЕМУ ТАК НЕВЕЛИК КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН?

Для работы тепловых машин необходимо существование нагревателя и холодильника, при этом из законов термодинамики следует, что КПД = (Q₁ — Q₂)/Q₁. Здесь Q₁ — затраченная теплота, Q₂ — теплота, использованная для совершения полезной работы. Для максимального коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины КПД = (Т₁ — Т₂)/Т₁ где Т₁ и Т₂ — температуры нагревателя и холодильника соответственно.

Из последнего соотношения следует, что увеличения КПД можно достичь увеличением разности температур нагревателя и холодильника.

Другой путь увеличения КПД тепловых двигателей связан с устранением конструктивных недостатков, свойственных каждому типу машин (применение теплоизоляции котлов и цилиндров, многократного расширения, использование перегретого пара, повышение давления пара при впуске и понижение при выпуске, уменьшение потерь на трение и т. д.).

КОНЕЧНО ЖЕ, УЧЕНЫЕ И ИНЖЕНЕРЫ ПОПЫТАЛИСЬ СОЗДАТЬ БОЛЕЕ СОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ?

Первый путь увеличения КПД парового двигателя — увеличение разности температур котла и холодильника — привел конструкторскую мысль к идее применения двигателей другого типа — двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее распространенными двигателями внутреннего сгорания являются поршневые двигатели: карбюраторные и дизели. О том, как работают двигатели внутреннего сгорания, мы поговорим чуть позже. Сейчас же, забегая вперед, скажем об их экономичности.

Карбюраторные двигатели работают обычно на высококачественном бензине, тогда как дизели — на относительно недорогом жидком топливе, являющемся грубой фракцией перегонки нефти. Более высокий КПД дизелей по сравнению с карбюраторными двигателями, а также важнейший в настоящее время ресурсосберегающий фактор (наиболее полное использование всех продуктов переработки естественных запасов сырья) обусловили их более широкое применение на транспорте, электростанциях, в тракторах.

Если КПД бензиновых двигателей не превышает 30 %, то для дизеля он достигает 35–40 %. Эти обстоятельства привели к тому, что 25 советских автозаводов, выпускающих свыше 300 моделей автомобилей, к концу одиннадцатой пятилетки поставляли народному хозяйству каждый третий автомобиль, оснащенный дизельным двигателем (в 1,8 раза больше, чем в 1980 г.). А это миллионы тонн сбереженного топлива!

ТАК КАК ЖЕ РАБОТАЮТ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ?

Все двигатели внутреннего сгорания с точки зрения осуществляемого в них рабочего цикла могут быть разделены на три типа:

1) двигатели, использующие четырехтактный цикл Отто,

2) двигатели Дизеля,

3) двигатели, использующие цикл Тринклера.

Если сгорание в двигателе происходит при постоянном объеме, то замкнутый цикл работы такого двигателя называют циклом с горением при постоянном объеме или циклом Отто (по имени немецкого изобретателя Отто, предложившего такой цикл в 1876 г.). По такому циклу работают все карбюраторные двигатели.

Если сгорание в двигателе происходит при постоянном давлении, то цикл работы такого двигателя называют циклом с горением при постоянном давлении. Такой цикл осуществляется в двигателях внутреннего сгорания системы дизеля (по имени немецкого инженера Дизеля, предложившего в 1897 г. цикл, в котором сгорание топлива осуществляется при постоянной температуре, а не при постоянном давлении, как в существующих двигателях).

Если сгорание рабочей смеси происходит сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении, такой цикл называют циклом смешанного горения или циклом Тринклера (по имени русского инженера Тринклера, предложившего его в 1904 г. из стремления упростить машину Дизеля). По такому циклу работают быстроходные автомобильные двигатели с высоким сжатием.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ДИЗЕЛЯ?