Двигатель

Двигатель или мотор - это машина, предназначенная для преобразования одной или нескольких форм энергии в механическую энергию.[1][2]

Доступные источники энергии включают потенциальную энергию (например, энергию гравитационного поля Земли, используемую для производства гидроэлектроэнергии), тепловую энергию (например, геотермальную), химическую энергию, электрический потенциал и ядерную энергию (от ядерного деления или термоядерного синтеза). Многие из этих процессов генерируют тепло в качестве промежуточной формы энергии, поэтому тепловые двигатели имеют особое значение. Некоторые естественные процессы, такие как атмосферные конвекционные ячейки, преобразуют тепло окружающей среды в движение (например, в виде восходящих воздушных потоков). Механическая энергия имеет особое значение в транспортировка, но также играет роль во многих промышленных процессах, таких как резка, измельчение, дробление и смешивание.

Механические тепловые двигатели преобразуют тепло в работу посредством различных термодинамических процессов. Двигатель внутреннего сгорания, пожалуй, является наиболее распространенным примером механического теплового двигателя, в котором тепло от сгорания топлива вызывает быстрое повышение давления газообразных продуктов сгорания в камере сгорания, заставляя их расширяться и приводить в движение поршень, который вращает коленчатый вал. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, реактивный двигатель (такой как реактивный двигатель) создает тягу за счет выброса реактивной массы в соответствии с третьим законом движения Ньютона.

Помимо тепловых двигателей, электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение, пневматические двигатели используют сжатый воздух, а заводные двигатели в заводных игрушках используют энергию упругости. В биологических системах молекулярные двигатели, такие как миозины в мышцах, используют химическую энергию для создания сил и, в конечном счете, движения (химический двигатель, но не тепловой).

Химические тепловые двигатели, которые используют воздух (окружающий атмосферный газ) в качестве части топливной реакции, рассматриваются как двигатели для дыхания воздухом. Химические тепловые двигатели, предназначенные для работы за пределами земной атмосферы (например, ракеты, глубоко погруженные подводные лодки), должны содержать дополнительный компонент топлива, называемый окислителем (хотя существуют суперокислители, пригодные для использования в ракетах, такие как фтор, более мощный окислитель, чем сам кислород); или для применения необходимо получать тепло нехимическими способами, такими как с помощью ядерных реакций.

Терминология

Слово engine происходит от старофранцузского engin, от латинского ingenium – корня слова гениальный. Доиндустриальное военное оружие, такое как катапульты, требушеты и тараны, называлось осадными машинами, и знание того, как их сконструировать, часто рассматривалось как военная тайна. Слово джин, как и в хлопкоочистительном аппарате, является сокращением от engine. Большинство механических устройств, изобретенных во время промышленной революции, были описаны как двигатели — паровая машина является ярким примером. Однако оригинальные паровые двигатели, такие как Thomas Savery, были не механическими двигателями, а насосами. Таким образом, пожарная машина в своем первоначальном виде представляла собой просто водяной насос, причем двигатель доставлялся к месту пожара лошадьми.

В современном использовании термин "двигатель" обычно описывает устройства, такие как паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают или иным образом потребляют топливо для выполнения механической работы путем создания крутящего момента или линейной силы (обычно в форме тяги). Устройства, преобразующие тепловую энергию в движение, обычно называются просто двигателями. Примерами двигателей, которые создают крутящий момент, являются известные автомобильные бензиновые и дизельные двигатели, а также турбовалы. Примеры двигателей, создающих тягу, включают турбовентиляторные двигатели и ракеты.

Когда был изобретен двигатель внутреннего сгорания, термин "мотор" первоначально использовался для отличия его от парового двигателя, который в то время широко использовался для приведения в действие локомотивов и других транспортных средств, таких как паровые катки. Термин "мотор" происходит от латинского глагола "moto", что означает "приводить в движение" или "поддерживать движение". Таким образом, двигатель - это устройство, которое придает движение.

Motor и engine взаимозаменяемы в стандартном английском языке. На некоторых инженерных жаргонах эти два слова имеют разные значения, в которых двигатель - это устройство, которое сжигает или иным образом потребляет топливо, изменяя его химический состав, а двигатель - это устройство, приводимое в действие электричеством, воздухом или гидравлическим давлением, которое не изменяет химический состав его источника энергии.[7] Однако в ракетостроении используется термин ракетный двигатель, несмотря на то, что они потребляют топливо.

Тепловой двигатель может также служить первичным двигателем — компонентом, который преобразует поток или изменения давления жидкости в механическую энергию.[8] В автомобиле, приводимом в действие двигателем внутреннего сгорания, могут использоваться различные двигатели и насосы, но в конечном счете все такие устройства получают свою мощность от двигателя. Другой взгляд на это заключается в том, что двигатель получает мощность от внешнего источника, а затем преобразует ее в механическую энергию, в то время как двигатель создает мощность за счет давления (получаемого непосредственно от взрывной силы сгорания или другого химическая реакция, или вторично от действия некоторой подобной силы на другие вещества, такие как воздух, вода или пар).

Промышленная революция

Паровая машина Ватта была первым типом паровой машины, в которой для приведения в движение поршня использовался пар с давлением чуть выше атмосферного, чему способствовал частичный вакуум. Усовершенствование конструкции паровой машины Ньюкомена 1712 года паровая машина Уатта, разрабатывавшаяся эпизодически с 1763 по 1775 год, была большим шагом в развитии паровой машины. Конструкция Джеймса Уатта, обеспечивающая значительное повышение топливной экономичности, стала синонимом паровых двигателей, в немалой степени благодаря его деловому партнеру Мэтью Бултону. Он позволил быстро развивать эффективные полуавтоматические заводы в ранее невообразимых масштабах в местах, где не было воды. Более позднее развитие привело к появлению паровозов и значительному расширению железнодорожного транспорта.

Что касается поршневых двигателей внутреннего сгорания, то они были испытаны во Франции в 1807 году де Ривазом и независимо, братьями Ньепсе. Они были теоретически усовершенствованы Карно в 1824 году.[необходима цитата] В 1853-57 годах Эудженио Барсанти и Феличе Маттеуччи изобрели и запатентовали двигатель, использующий принцип свободного поршня, который, возможно, был первым 4-тактным двигателем.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания, которое впоследствии стало коммерчески успешным, было сделано в 1860 году Этьеном Ленуаром.

В 1877 году цикл Отто был способен обеспечивать гораздо более высокое отношение мощности к весу, чем паровые двигатели, и работал намного лучше для многих транспортных средств, таких как автомобили и самолеты.

Конфигурация движка

В большинстве моделей использовались четыре цилиндра и номинальная мощность от 19 до 120 л.с. (от 14 до 90 кВт). Было построено несколько трехцилиндровых моделей с двухтактным циклом, в то время как большинство двигателей имели прямые или рядные цилиндры. Существовало несколько моделей V-образного типа, а также горизонтально расположенные двух- и четырехцилиндровые модели. Накладные расходы Часто использовалисьраспределительные валы. Двигатели меньшего размера обычно имели воздушное охлаждение и располагались в задней части автомобиля; степень сжатия была относительно низкой. В 1970-х и 1980-х годах возрос интерес к улучшенной экономии топлива, что привело к возвращению к меньшим V-6 и четырехцилиндровым компоновкам, с пятью клапанами на цилиндр для повышения эффективности. Bugatti Veyron 16.4 работает с двигателем W16, что означает, что два блока цилиндров V8 расположены рядом друг с другом, создавая форму буквы W, использующую один и тот же коленчатый вал.

Самым большим двигателем внутреннего сгорания, когда-либо построенным, является Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, 14-цилиндровый 2-тактный дизельный двигатель с турбонаддувом, который был разработан для приведения в действие Emma Mærsk, крупнейшего контейнеровоза в мире на момент спуска на воду в 2006 году. Этот двигатель имеет массу 2300 тонн и при частоте вращения 102 об/мин (1,7 Гц) выдает более 80 МВт и может расходовать до 250 тонн топлива в день.

Двигатель внешнего сгорания

Основная статья: Двигатель внешнего сгорания

"Сгорание" относится к сжиганию топлива с окислителем для выделения тепла. Двигатели сходной (или даже идентичной) конфигурации и режима работы могут использовать подачу тепла из других источников, таких как ядерные, солнечные, геотермальные или экзотермические реакции, не включающие горение; но в этом случае они строго классифицируются не как двигатели внешнего сгорания, а как двигатели внешнего нагрева.

Рабочей жидкостью может быть газ, как в двигателе Стирлинга, или пар, как в паровом двигателе, или органическая жидкость, такая как н-пентан в органическом цикле Ренкина. Жидкость может быть любого состава; газ, безусловно, самый распространенный, хотя иногда используется даже однофазная жидкость. В случае парового двигателя жидкость меняет фазы между жидкостью и газом.

Примеры

Типичные двигатели, работающие на воздухе, включают:

Поршневой двигатель

• Паровой двигатель
• Газовая турбина
• Воздушно-реактивный двигатель

Турбовинтовой двигатель

Импульсно-детонационный двигатель

Импульсная струя

Прямоточный реактивный двигатель

ГПВРД

Двигатель жидкостно-воздушного цикла/Реактивные двигатели SABRE.

Тепловые двигатели без сгорания=

Основная статья: Тепловой двигатель

Некоторые двигатели преобразуют тепло от негорючих процессов в механическую работу, например, атомная электростанция использует тепло от ядерной реакции для производства пара и приведения в действие парового двигателя, или газовая турбина в ракетном двигателе может приводиться в действие разложением перекиси водорода. Помимо другого источника энергии, двигатель часто спроектирован почти так же, как двигатель внутреннего или внешнего сгорания.

Другая группа негорючих двигателей включает термоакустические тепловые двигатели (иногда называемые "двигателями ТА"), которые представляют собой термоакустические устройства, использующие звуковые волны высокой амплитуды для перекачки тепла из одного места в другое или, наоборот, использующие разницу температур для создания звуковых волн высокой амплитуды. В общем, термоакустические двигатели можно разделить на устройства со стоячей волной и с бегущей волной.

Двигатели Стирлинга могут быть другой формой негорючего теплового двигателя. Они используют термодинамический цикл Стирлинга для преобразования тепла в работу. Примером может служить двигатель Стирлинга типа Alpha, в котором газ протекает через рекуператор между горячим и холодным цилиндрами, которые прикреплены к поршням, совершающим возвратно-поступательное движение под углом 90° по фазе. Газ получает тепло в горячем цилиндре и расширяется, приводя в движение поршень, который вращает коленчатый вал. После расширения и прохождения через рекуператор газ отводит тепло в холодный цилиндр, и последующее падение давления приводит к его сжатию другим (вытесняющим) поршнем, который возвращает его обратно в горячий цилиндр.[25]

Двигатель с нетермическим химическим питанием

Нетепловые двигатели обычно приводятся в действие за счет химической реакции, но не являются тепловыми двигателями. Примеры включают:

Молекулярный двигатель – двигатели, встречающиеся у живых существ

• Синтетический молекулярный двигатель.

Электродвигатель=

Основные статьи: Электродвигатель и Электромобиль

Электродвигатель использует электрическую энергию для производства механической энергии, обычно за счет взаимодействия магнитных полей и токопроводящих проводников. Обратный процесс, производящий электрическую энергию из механической, осуществляется с помощью генератора или динамо. Тяговые двигатели, используемые на транспортных средствах, часто выполняют обе задачи. Электродвигатели могут работать как генераторы и наоборот, хотя это не всегда практично. Электродвигатели распространены повсеместно и находят столь разнообразное применение, как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и дисководы. Они могут питаться от постоянного тока (например, от портативного устройства с питанием от аккумулятора или автомобиля) или от переменного тока от центральной распределительной электросети. Самые маленькие моторы можно найти в электрических наручных часах. Моторы среднего размера со стандартизированными размерами и характеристиками обеспечивают удобную механическую мощность для промышленного использования. Самые большие электродвигатели мощностью в тысячи киловатт используются для приведения в движение больших судов и для таких целей, как трубопроводные компрессоры. Электродвигатели могут быть классифицированы по источнику электроэнергии, по их внутренней конструкции и по их применению.

Физический принцип создания механической силы за счет взаимодействия электрического тока и магнитного поля был известен еще в 1821 году. Электродвигатели повышенной эффективности конструировались на протяжении всего 19 века, но коммерческая эксплуатация электродвигателей в больших масштабах требовала эффективных электрических генераторов и распределительных сетей.

Чтобы снизить потребление электроэнергии двигателями и связанные с этим выбросы углекислого газа, различные регулирующие органы во многих странах ввели и осуществляют законодательство, поощряющее производство и использование электродвигателей с более высокой эффективностью. Хорошо спроектированный двигатель может преобразовывать более 90% потребляемой энергии в полезную мощность в течение десятилетий.[26] Когда КПД двигателя повышается даже на несколько процентных пунктов, экономия в киловатт-часах (и, следовательно, в стоимости) становится огромной. Электрическая энергоэффективность типичного промышленного асинхронного двигателя может быть улучшен путем:

1) уменьшения электрических потерь в обмотках статора (например, за счет увеличения площади поперечного сечения проводника, совершенствования технологии намотки и использования материалов с более высокой электропроводностью, таких как медь),

2) уменьшения электрических потерь в катушке ротора или отливке (например, за счет использования материалов с более высокой электропроводностью, таких как медь), :3) уменьшения магнитных потерь за счет использования магнитной стали лучшего качества,

4) улучшения аэродинамики двигателей для уменьшения механических потерь на обмотке ,

5) улучшение подшипников для уменьшения потери на трение и

6) минимизация производственных допусков. Для дальнейшего обсуждения этого вопроса см. Эффективность премиум-класса.)

По соглашению, электрический двигатель относится к железнодорожному электровозу, а не к электродвигателю.

Двигатель с физическим приводом

Некоторые двигатели приводятся в действие потенциальной или кинетической энергией, например, некоторые фуникулеры, гравитационный самолет и канатные транспортеры использовали энергию движущейся воды или камней, а некоторые часы имеют вес, который падает под действием силы тяжести. Другие формы потенциальной энергии включают сжатые газы (такие как пневматические двигатели), пружины (заводные двигатели) и эластичные ленты.

Исторические военные осадные машины, включая большие катапульты, требушеты и (в некоторой степени) тараны, приводились в действие потенциальной энергией.

Пневматический двигатель

Основная статья: Пневматический двигатель

Пневматический двигатель - это машина, которая преобразует потенциальную энергию в виде сжатого воздуха в механическую работу. Пневматические двигатели обычно преобразуют сжатый воздух в механическую работу посредством линейного или вращательного движения. Линейное движение может осуществляться либо мембранным, либо поршневым приводом, в то время как вращательное движение обеспечивается либо воздушным двигателем лопастного типа, либо воздушным двигателем поршневого типа. :Пневматические двигатели нашли широкое применение в производстве ручных инструментов, и предпринимаются постоянные попытки расширить их применение в транспортной отрасли. Однако пневматические двигатели должны преодолеть недостатки эффективности, прежде чем их будут рассматривать как жизнеспособный вариант в транспортной отрасли.

Гидравлический двигатель

Основная статья: Гидравлический двигатель

Гидравлический двигатель получает свою мощность от жидкости поддавлением. Этот тип двигателя используется для перемещения тяжелых грузов и привода механизмов.

Гибридный

Некоторые моторные агрегаты могут иметь несколько источников энергии. Например, электродвигатель подключаемого гибридного электромобиля может вырабатывать электроэнергию либо от аккумулятора, либо от ископаемого топлива, потребляемого через двигатель внутреннего сгорания и генератор.

Производительность

При оценке производительности движка используются следующие показатели.

Скорость

Скорость относится к вращению коленчатого вала в поршневых двигателях и частоте вращения роторов компрессора / турбины и электродвигателя. Она измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

Тяга

Тяга - это сила, действующая на самолет в результате того, что его пропеллер или реактивный двигатель разгоняет проходящий через него воздух. Это также сила, действующая на судно в результате того, что его пропеллер разгоняет проходящую через него воду.

Крутящий момент

Крутящий момент - это вращающий момент на валу, который рассчитывается путем умножения силы, вызывающей момент, на расстояние до вала.

Мощность

Мощность - это показатель того, насколько быстро выполняется работа.

Эффективность

Основная статья: Эффективность двигателя Эффективность - это показатель того, сколько топлива расходуется впустую при производстве энергии.

Уровни звука

Шум автомобиля исходит преимущественно от двигателя на низких скоростях автомобиля и от шин и воздуха, проходящего мимо автомобиля на более высоких скоростях.[28] :Электродвигатели тише двигателей внутреннего сгорания. Двигатели, производящие тягу, такие как турбовентиляторные двигатели, турбореактивные двигатели и ракеты, издают наибольшее количество шума из-за того, как их высокоскоростные потоки выхлопных газов, создающие тягу, взаимодействуют с окружающим неподвижным воздухом. :Технология шумоподавления включает в себя глушители впускной и выпускной систем на бензиновых и дизельных двигателях и шумопоглощающие вкладыши на впускных отверстиях турбовентиляторов.

Движки по использованию

К особо примечательным типам движков относятся:

Авиационный двигатель * Автомобильный двигатель * Модель движка * Двигатель мотоцикла * Судовые движители, такие как подвесной мотор * Внедорожный двигатель - это термин, используемый для определения двигателей, которые не используются транспортными средствами на дорогах. Двигатель железнодорожного локомотива Движители космических аппаратов, такие как ракетный двигатель Тяговый двигатель

Смотри также

Авиационный двигатель * Замена автомобильного двигателя * Электродвигатель * Охлаждение двигателя * Замена движка * Бензиновый двигатель * Движок HCCI * Движок Хессельмана * Двигатель с горячей лампочкой * Движок IRIS * Микромотор * Жгутики – биологический двигатель, используемый некоторыми микроорганизмами Наномотор * Молекулярный двигатель * Синтетический молекулярный двигатель * Адиабатический квантовый двигатель * Многотопливный * Реактивный движок * Твердотельный двигатель * Хронология развития технологии тепловых двигателей Хронология двигателя и технологии двигателей

Пруф

.animatedpiston.com/

• /animatedengines.com/
• turfmagazine.com/
• popularmechanics.com/cars/g195/5-alternative-engine-architectures/
• web.archive.org/web/20211016054925/https://www.autocuriouof-engines