Двигатель

Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Термин мотор заимствован в первой половине XIX века из немецкого языка[1] (нем. Motor — «двигатель», от лат. mōtor — «приводящий в движение») и преимущественно им называют электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания[2].

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 ядерная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электрические, пневматические и гидравлические двигатели.

Первичные двигатели

Первыми первичными двигателями стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет.

Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяные и ветряные колёса широко использовались в Европе в средних веках как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и прочего). 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 «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, гидротурбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из парового котла в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году 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 году 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 однообразная 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 дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с.).

Двигатель Стирлинга

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 объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах 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. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времён. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, ещё в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 1960-х годах их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Двигатель внутреннего сгорания

Схема работы 4-тактного двигателя внутреннего сгорания

Проект первого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дени Папена (упомянутого выше, как создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Этьен 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 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем 2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 1970-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и прочее). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 1970-х годах превысила 600 МВт.

В первой половине XX века создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели,

а в 1950-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Вторичные двигатели

Электродвигатели

В 1834 году русский учёный Борис Семёнович Якоби (так писалось его имя в русской транскрипции) создал первый пригодный для практического использования электродвигатель постоянного тока.

В 1888 году 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.

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 применимы из-за температурных условий, а электрические — из-за искр при коммутации), с помощью гидромашин осуществляется привод гусениц в некоторых типах тракторов и танков, перемещение рабочих органов бульдозеров и экскаваторов. Всё 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.

Классификации

По источнику энергии

Двигатели могут использовать следующие типы источников энергии:

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

По типам движения

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;
• электромагнитные двигатели и др.

По устройству

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

• поршневые паровые двигатели;
• паровые турбины;
• двигатели Стирлинга;
• паровой двигатель.

Двигатели внутреннего сгорания — класс двигателей, у которых образование рабочего тела и подвод к нему тепла объединены в одном процессе и происходят в одном технологическом объеме:

• двигатели с герметично запираемыми рабочими камерами (поршневые и роторные ДВС);
• двигатели с камерами, откуда рабочее тело имеет свободный выход в атмосферу (газовые турбины).

По типу движения главного рабочего органа ДВС с запираемыми рабочими камерами делятся на ДВС с возвратно-поступательным движением (поршневые) (делятся на тронковые и крецкопфные) и ДВС с вращательным движением (роторные), которые по видам вращательного движения делятся на 7 различных типов конструкций. По типу поджига рабочей смеси ДВС с герметично запираемыми камерами делятся на двигатели с принудительным электрическим поджиганием (калильным или искровым) и двигатели с зажиганием рабочей смеси от сжатия (дизель).

По типу смесеобразования ДВС делятся на: с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и с непосредственным впрыском топлива в цилиндры или впускной коллектор (инжекторные). По типу применяемого топлива различают ДВС работающие на бензине, сжиженном или сжатом природном газе, на спирте (метаноле) и пр.

Реактивные двигатели

Воздушно-реактивные двигатели:

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

Ракетные двигатели

• жидкостные ракетные двигатели;
• твердотопливные ракетные двигатели;
• ядерные ракетные двигатели;
• некоторые типы электроракетных двигателей.

По применению

В связи с принципиально различными требованиями к двигателю в зависимости от его назначения, двигатели идентичные по принципу действия, могут называться «корабельными», «авиационными», «автомобильными» и тому подобными.

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. Новые же по конструкции двигатели появляются очень редко.

Переносные значения

Важность, первичность двигателя в технике привела к тому, что слово «двигатель» употребляется в переносном смысле во всех сферах деятельности человека (например, в экономике общеизвестно выражение «Реклама — двигатель торговли»)