Двигатель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Содержание

1 История создания
2 Пневмодвигатели и гидромашины
3 Классификация
4 Ссылки
5 См. также

Дви́гатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX в. наряду со словом «мотор», которым с середины ХХ века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным— преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм—их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели— в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор), а также экзотический двигатель созданный в 2007 году работающий от лазерного луча [1] Первыми ПД стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тыс. лет. Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяное и ветряное колёса широко использовались в Европе средних веков как основная энергетическая база мануфактурного производства.

[править] История создания

В середине XVII в. были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и пр.). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалась в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, водяная турбина), которую вращала вода, выжимаемая паром из котла паровой машины в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически. В 1763 г. русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно. К 1784 г. английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта истоия описана тут эта история о двигателе описана тутоднообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по догам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 г. суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л.с.).

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объем. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объемах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик.

Во второй половине XIX в. создали паровую турбину. В 1889 г. шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, еще в 1884 г. англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрел первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала ХХ в. на электростанциях. В 60-х гг. прошлого века их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен еще в XVII в. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 г. французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 г. шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 г. немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 г. его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В ХХ в. ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х гг. почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х гг. 20 в. превысила 600 МВт.

В первой половине ХХ в. создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

В 1834 г. русский учёный Борис Семенович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока. В 1888 г. сербский студент и будущий великий изобретатель Никола Тесла высказал принцип построения двухфазных двигателей переменного тока, а год спустя русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал первый в мире 3-фазный асинхронный электродвигатель, ставший наиболее распространённой электрической машиной.

[править] Пневмодвигатели и гидромашины

Пневмодвигатели и гидромашины, соответственно, работают от сетей (баллонов) высокого давления воздуха или жидкости преобразуя гидравлическую (пневматическую) энергию насосов. Их широко применяют в качестве исполнительных механизмов в различных устройствах и системах. Так, созданы пневмолокомотивы (особенно пригодны для работ во взрывоопасных условиях, например в шахтах, где тепловые двигатели не применишь), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Все разнообразнее конструкции экологически чистых городских автомобилях на пневмоприводах, предлагаемых инженерами разных стран. Вторичные двигатели играют большую роль в технике, однако их мощность относительно невелика. Их также широко применяют и в миниатюрных и сверхминиатюрных устройствах.

[править] Классификация

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

электрические;
- постоянного тока (электродвигатель постоянного тока);
- переменного тока (синхронные и асинхронные);
электростатические;
химические;
ядерные;
гравитационные.
лазерные

Получаемую энергию двигатели могут преобразовывать к следующим типам движения:

вращательное движение твёрдых тел;
поступательное движение твёрдых тел;
возвратно-поступательное движение твёрдых тел;
движение реактивной струи;
другие виды движения.

Электродвигатели, обеспечивающие поступательное и/или возвратно-поступательное движение твёрдого тела;

линейные;
индукционные;
пьезоэлектрические.

Некоторые типы электроракетных двигателей:

ионные двигатели;
стационарные плазменные двигатели;
двигатели с анодным слоем;
радиоионизационные двигатели;
коллоидные двигатели;
другие.

Двигатели внешнего сгорания — класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела:

поршневые паровые двигатели;
паровые турбины;
двигатели Стирлинга;

Двигатели внутреннего сгорания:

с внешним смесеобразованием;
- бензиновые двигатели;
- карбюраторные;
с распределенным впрыском (инжекторные);
газовые;
двигатели Дизеля (Дизельные);

Воздушно-реактивные двигатели:

прямоточные реактивные (ПВРД);
пульсирующие реактивные (ПуВРД);
газотурбинные двигатели:
- турбореактивные (ТРД);
- двухконтурные (ТРДД)
- турбовинтовые (ТВД);
- турбовинтовентиляторные ТВВД;

Ракетные двигатели:

Категория «Двигатели» в патентоведении одна из наиболее активно пополняемых. В год по всему миру подаётся от 20 до 50 заявок в этом классе. Часть из них отличаются принципиальной новизной, часть — новым соотношением известных элементов. Новых агрегатов, к сожалению реально создаётся на порядки меньше.

Так: Существует принципиально новый двигатель — центробежный, он работает за счёт преобразования энергии вращающихся масс. Точнее за счёт использования эффекта гироскопа, сопротивляясь смещению наклона своей оси две противоположно вращающиеся массы (если они своими осями вращения направлены к центру вокруг которого смещаются усилием) создают тягу равную энергии приложенной для их смещения, не считая потерь на трение.