Устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

А каков принцип действия теплового двигателя? Ответим на этот вопрос проведя следующий эксперимент. Возьмём цилиндр, внутри которого под поршнем находится газ. Положим на поршень груз, например, гирю, и начнём нагревать газ в цилиндре.

С повышением температуры газа поршень начнёт постепенно перемещаться вверх, поскольку вследствие нагревания газ расширяется. Следовательно, в процессе теплопередачи газ под поршнем выполняет механическую работу, поднимая груз на некоторую высоту.

Если нагревание газа прекратить, то в результате теплообмена с окружающей средой он будет остывать, его объем уменьшится и поршень опустится вниз.

На таком способе преобразования тепловой энергии в механическую, путём выполнения работы, и основывается действие тепловых машин.

В 1781 г. Дж. Уатт продемонстрировал паровую машину, которая приводила в непрерывное вращательное движение вал.  Двигатель Уатта, мощностью 10 л. с., стало возможным установить и использовать в любом месте и для любых целей. Поэтому он на протяжении долгого времени применялся в качестве универсального двигателя, приводящего в движение паровозы, пароходы и даже первые автомобили.

В 1824 г. французский учёный С. Карно предположил, что тепловая машина конструктивно должна состоять из трёх основных частей: нагревателя (то есть источника теплоты), рабочего тела, которое собственно и выполняет работу (например, пар в паровых двигателях), и холодильника, роль которого может выполнять окружающий воздух.

Устройство тепловой машины

В настоящее время существует несколько видов тепловых двигателей:

Это, собственно, паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины и реактивный двигатель.

И сегодня мы с вами более подробно рассмотрим устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.

Начнём с двигателя внутреннего сгорания. Его преимуществом перед другими двигателями является то, что топливо сгорает внутри цилиндра двигателя (отсюда название). Это делает их более дешёвыми и экономичными, а также менее металлоёмкими.

А каков принцип действия двигателя внутреннего сгорания? Ответим на этот вопрос, на примере четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый с шатуном. Шатун насажен на коленчатый вал и приводит его во вращение при поступательном движении поршня в цилиндре. В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которые вставлены клапаны: впускной и выпускной. Через них в цилиндр поступает горючая смесь, и выходят отработавшие газы. Также в верхней части двигателя располагается свеча зажигания, которая вырабатывает искру для воспламенения горючей смеси.

В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания рабочий цикл состоит из следующих четырёх тактов.

Первый такт — впуск.

Во время этого такта происходит движение поршня вниз от верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. Мёртвыми точками называют крайнее верхнее и нижнее положение поршня в цилиндре двигателя. Давление газа в цилиндре над поршнем при его движении вниз уменьшается, и в него через входной клапан поступает горючая смесь. Выпускной клапан при этом закрыт.

Когда поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, закроется и впускной клапан.

Второй такт — сжатие. Поршень движется из нижней точки вверх, клапаны остаются закрытыми, и рабочая смесь сжимается. В результате сжатия температура горючей смеси повышается до трёхсот — шестисот градусов Цельсия, в зависимости от типа двигателя.

При приближении поршня к верхней мёртвой точке в свече зажигания проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется.

Третий такт — это рабочий ход. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество теплоты, резко повышаются давление и температура газа. Затем газ расширяется: его объём увеличивается, а давление уменьшается при неизменной температуре. Расширяясь, газ толкает поршень и соединённый с ним коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом газ охлаждается, так как часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

И наконец четвёртый такт — это выпуск. После того как поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, давление в цилиндре уменьшится. При движении поршня вверх открывается выпускной клапан, и начинается выпуск отработавших газов. В конце этого такта выпускной клапан закрывается. Затем цикл повторяется.

Обратите внимание на то, что из четырёх тактов только один — третий — является рабочим. Для того чтобы поршень переходил нижнюю и верхнюю мёртвые точки, на коленчатый вал насаживают массивный маховик. Благодаря его инертности коленчатый вал сразу не прекращает вращение. И поршень проходит мёртвые точки.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем был создан в 1886 г. Г. Даймлером.

В том же году, но чуть позже, появился трёхколёсный автомобиль К. Бенца. Его скорость была целых восемнадцать километров в час!

А уже в 1892 г. свой первый четырёхколёсный автомобиль построил и Г. Форд.

Современный двигатель состоит из четырёх или восьми цилиндров.

Четырёх цилиндровый ДВС

В четырёхцилиндровом двигателе в каждом из цилиндров поочерёдно осуществляется рабочий ход, и коленчатый вал всё время получает энергию от одного из поршней, поэтому его вращение происходит непрерывно, без остановок.

современных тепловых электростанциях.