Тепловым двигателем является тепловая машина, которая превращает тепло в механическую энергию. Она использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. Как правило работа в ней совершается за счет изменения объема вещества, но бывают случаи, когда используется изменение формы рабочего тела, например, это происходит в твердотельных двигателях.
Работа теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для этого необходимо, чтобы создалась разность давлений по обе стороны поршня двигателя. Это обязательное условие, при котором происходит нагревание рабочего тела или газа, которые совершает работу за счет изменения своей внутренней энергии. Изменение температуры осуществляется, либо, нагревателем, за счет сжигания топлива, либо охладителем, в роли которой чаще всего используется окружающая среда.
Принцип действия теплового двигателя
Примером теплового двигателя является двигатель внутреннего сгорания. Его существенной особенностью, является прямой термодинамический цикл, при котором совершается работа.
Принцип действия двигателей внутреннего сгорания всегда один и тот же. При подводе энергии рабочая среда сжимается с соответствующим увеличением давления. После этого происходит расширение, которое сопровождается совершением работы. В разомкнутых циклах среда, совершившая работу, выпускается наружу, тогда как в замкнутых циклах начальное состояние восстанавливается посредством охлаждения рабочей среды перед началом сжатия.
В большинстве тепловых двигателей осуществляется подводом энергии в процессе сгорания топлива. При этом химически связанная в топливе энергия выделяется в виде тепла, которое необходимо для совершения цикла. При горении происходит соединение веществ, содержащих углерод и водород, с кислородом. Значительную часть рабочей среды составляет воздух с содержанием кислорода около 21%.
Направление цикла и подвод энергии в тепловом двигателе
Важным моментом, который определяет направление цикла, является способ подвода энергии. Различают стационарный, он же непрерывный и нестационарный, он же циклический подвод энергии. Для поршневых двигателей, в том числе и двигателя Стирлинга, типичен нестационарный подвод энергии, при котором поршень находится в верхней мертвой точке такта сжатия, а объем в цилиндре минимален.
Для всех разомкнутых циклов характерен внутренний подвод энергии, происходящий за счет подачи и сжигания топлива. И наоборот в замкнутых циклах требуется подвод энергии через теплообменники. Здесь отсутствует прямой контакт рабочей среды с продуктами горения, если не учитывать теплопроводность. Особым в этом отношении является паровой двигатель, где рабочая среда сначала испаряется под действием теплового потока, который создает внешний источник, а затем поступает в поршневой двигатель.
Тепловые двигатели можно разделить по видам используемых источников энергии. В них применяются источники энергии трех видов: твердые, жидкие и газообразные. Преимуществом тепловых двигателей, функционирующих по принципу разомкнутого цикла с внутренним подводом энергии, состоит в том, что они не требуют теплообменников для обеспечения требуемого направления цикла, что позволяет иметь более компактную конструкцию. Это преимущество проявляется в еще большей степени за счет использования жидкого топлива с высокой плотностью энергии. В этом смысле газовые двигатели для легковых автомобилей все больше привлекают потребителей, благодаря небольшим эксплуатационным затратам и расходу топлива. Подводя итог вышесказанному, можно сделать вывод, что двигатели внутреннего сгорания являются более совершенными из тепловых двигателей.
КПД двигателя внутреннего сгорания
Как мы уже говорили, двигателю внутреннего сгорания характерен разомкнутый цикл с внутренним сгоранием топлива. Он позволяет достичь температуры рабочей среды, усредненной по массе, на тактах впуска и сжатия свыше 2500 К, а также усредненное пиковое давления свыше 200 бар с очень приличным КПД, свыше 40%.
Что касается двигателей со стационарным циклом, то у них есть ограничения, обусловленные свойствами материалов, которые не позволяют получать давление и температуру такого порядка. Здесь можно достичь только локальные пиковые температуры около 2500 К. Именно поэтому газовые турбины имеют более низкий КПД. Если взять паровую турбину с замкнутым циклом, то в ней можно получить более высокое КПД, чем в газовой турбине, при давлении около 50 бар. Это происходит за счет снижения уровня низкого давления. КПД других тепловых двигателей значительно ниже.
В автомобилестроении используются двигатели внутреннего сгорания в поршневом варианте. Здесь возвратно поступательное движение поршней преобразуется во вращение коленвала. Эти двигатели могут работать на самых различных видах топлива, однако в настоящее время основными источниками энергии для них являются бензин и дизельное топливо.