Все двигатели

ДВИГАТЕЛЬ, энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию в механическую работу. Подразделяют на первичные и вторичные. Первичные (гидротурбины, двигатель внутреннего сгорания и др.) непосредственно преобразуют энергию природных ресурсов (воды, ядерного топлива и др.) в механическую энергию. Вторичные двигатели (напр., электрические) получают энергию от первичных, от преобразователей и накопителей энергии (напр., солнечных батарей, пружинных механизмов и др.).

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые: по рабочему циклу — непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси — с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии — поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания
ВАНКЕЛЯ ДВИГАТЕЛЬ, роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 немецким ученым Ф. Ванкелем (F. Wankel). В Ванкеля двигателе 3-гранный ротор (поршень) вращается в цилиндре специального профиля. Грани ротора отсекают переменные объемы камер, в которых происходят обычные для двигателей внутреннего сгорания процессы. При одинаковой мощности имеют в 2-3 раза меньшие размеры, чем поршневые двигатели.
Двигатель Ванкеля: 1 – ротор; 2 – вал; 3 – водяное охлаждение; 4 – корпус; 5 – свеча зажигания; 6 – шестерня; 7 – зубчатое колесо; 8 – цилиндр.

двигатели внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием), двигатель, в котором горючая смесь приготовляется карбюратором вне камеры сгорания и воспламеняется в камере сгорания свечой зажигания.
Первый такой двигатель был создан Э. Ленуаром в 1860. Это был двухтактный двигатель, работавший на газообразном топливе. Смесь топлива и воздуха подготавливалась вне цилиндра двигателя в специальном смесителе.
Создателем четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием стал немецкий конструктор Август Отто, который в 1867 на Парижской выставке получил Золотую медаль за свой четырехтактный газовый двигатель. По сравнению с двигателем Ленуара новый мотор расходовал в два раза меньше топлива. Двигатель Отто мог работать на самом различном газообразном топливе: светильном газе, доменном газе, природном газе и газогенераторном. Они очень быстро нашли распространение. В течение 10 лет было реализовано свыше 30 тыс. таких двигателей. Во время первого такта поршень движется от верхней мертвой точки вниз. При этом открывается впускной клапан, а так как давление в цилиндре ниже атмосферного, то происходит всасывание свежего заряда топлива и атмосферного воздуха из смесителя. Первый так заканчивается в нижней мертвой точке, когда закрывается впускной клапан и свежий заряд топлива и воздуха заперт в объеме цилиндра. Второй такт происходит при движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. При этом ходе поршня вверх происходит сжатие смеси воздуха и топлива в цилиндре. Около верхней мертвой точки смесь топлива и воздуха поджигается электрической искрой и начинается третий такт. Сгорание топлива происходит в виде взрыва, давление почти мгновенно повышается до предельного, а сгорание при этом можно считать происходящим при постоянном объеме цилиндра. При дальнейшем движении поршня вниз по направлению к нижней мертвой точке происходит расширение продуктов сгорания. Около нижней мертвой точки открывается выпускной клапан, и продукты сгорания вытесняются поршнем в атмосферу при его движении вверх.
В настоящее время двигатели с внешним смесеобразованием получили самое широкое распространение на транспорте. Они применяются на автомобилях, тракторах, моторных ложках и на мотоциклах. Все они работают на жидком топливе, но для этого пришлось изобрести специальный прибор-карбюратор. Топливо из бака подается самотеком или при помощи специального насоса в трубку и в поплавковую камеру. При понижении уровня топлива поплавок опускается и игольчатый клапан открывает доступ топлива из трубы в поплавковую камеру. В случае слишком большого поступления топлива поплавок вновь поднимается и клапаном закрывает доступ топливу. Так поддерживается необходимый уровень топлива в поплавковой камере. Поплавковая камера отверстием сообщается с атмосферой.
Воздух, поступающий в карбюратор, разгоняется в сопле до большой скорости. При этом в узком сечении сопла создается разряжение, которое способствует тому, что топливо из поплавковой камеры попадает в распылитель и жиклер, а оттуда в поток воздуха. Происходит распыление жидкого топлива на мелкие капли и его и испарение. Эта смесь воздуха и топлива по трубе поступает ко впускному клапану двигателя. Для регулирования мощности двигателя служит дроссельная заслонка.
В современных автомобилях карбюратор делается с двумя поплавковыми камерами. Одна служит для работы автомобиля на всех режимах, а другая — для холостого хода. Помимо этого карбюратор имеет специальное устройство для запуска двигателя, когда требуется подавать в цилиндр обогащенную смесь топлива и воздуха.
До Второй мировой войны карбюраторные двигатели широко применялись в авиации. Это были широко известные моторы нашего выдающегося конструктора, профессора МВТУ Валерия Яковлевича Климова. В 1935 года под руководством Климова создается целое семейство могучих 12-цилиндровых двигателей от М-103 до ВК-108. Наиболее широко применялся мотор ВК-105 мощностью 1210 л. с. Он устанавливался на многих истребителях типа Як и Лагг, на пикирующих бомбардировщиках По-2 и на других самолетах. После войны авиация во всем мире перешла на газотурбинные двигатели.
Современные карбюраторные двигатели представляют сложную систему из самого двигателя в различных системах обеспечения его работоспособности. Для охлаждения стенок цилиндра применяется водяное или воздушное охлаждение, которое нужно для того, чтобы смазка на стенках цилиндра не сгорала. Для запуска двигателя применяется электрический стартер с соответствующей аккумуляторной батареей. Система смазки двигателя включает масляный насос и радиатор охлаждения. Для управления двигателем служит сложный регулятор, а для очистки двигателя — специальные фильтры.

ТРОНКОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (от франц. tronc — ствол), бескрейцкопфный двигатель внутреннего сгорания, в котором в отличие от крейцкопфного двигателя боковые усилия, возникающие в кривошипном механизме, воспринимаются поверхностями поршня и цилиндра. Применяется в автомобилях, мотоциклах и других транспортных машинах (кроме судов).

ФОРКАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, двигатель внутреннего сгорания с дополнительной камерой (25-40% от объема пространства сжатия) для улучшения условий воспламенения.

РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (двигатель прямой реакции), двигатель, тяга которого создается реакцией (отдачей) вытекающего из него рабочего тела. Подразделяются на воздушно-реактивные и ракетные двигатели.
ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВРД), реактивный двигатель, использующий для сжатия горючего кислород атмосферного воздуха. По способу сжатия воздуха различают турбокомпрессорный (ТРД), пульсирующий (ПуВРД) и прямоточный (ПВРД) двигатели.

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, реактивный двигатель, не использующий для работы окружающую среду (воздух, воду). Распространены химические ракетные двигатели (разрабатывают и испытывают электрические, ядерные и другие ракетные двигатели). Простейший ракетный двигатель работает на сжатом газе. По назначению различают разгонные, тормозные, управляющие и др. Применяют на ракетах (отсюда название), самолетах и др. Основной двигатель в космонавтике.

В 1932 г решением президиума Центрального совета ОСОАВИАХИМа была создана специальная группа специалистов под руководством С.П. Королева по изучению реактивного движения - ГИРД, как они сами себя в шутку называли «группа инженеров работающих даром». Испытывались различные конструкции летательных аппаратов, двигателей и пусковых установок. 17 августа 1933 г. была запущена первая советская жидкостная ракета ГИРД 09, а 25 ноября 1933 г ГИРД-Х. Ракета представляла собой неуправляемый реактивный снаряд, для которого топливом служила смесь этилового спирта и бензина, а из всех контрольно-измерительных приборов на борту ракеты присутствовал только обыкновенный манометр. Из стен ГИРД вышли крупные ученые и конструкторы, принявшие активное участие в развитии отечественного ракетостроения.

ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ракетный двигатель, рабочим телом в котором служит либо какое-либо вещество (напр., водород), нагреваемое за счет энергии, выделяющейся при ядерной реакции или радиоактивном распаде, либо непосредственно продукты этих реакций. Различают радиоизотопные, термоядерные и собственно ядерные ракетные двигатели (используется энергия деления ядер). Находятся в стадии разработки.

ГИБРИДНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, химический ракетный 10 двигатель, работающий на т. н. гибридном топливе (обычно твердое горючее и жидкий окислитель). Созданы экспериментальные образцы с максимальной тягой в несколько десятков кН.

ХИМИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (термохимический), работает на химическом ракетном топливе. Основной двигатель всех ракет и космических летательных аппаратов. В камере сгорания образуется горячий газ, который затем вытекает из сопла. Максимальная скорость струи вытекающего газа ок. 4500 м/с, тяга — от долей Н до десятков МН. Основные типы химических ракетных двигателей — жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) и гибридные ракетные двигатели.

ЖИДКОСТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЖРД), химический ракетный двигатель, работающий на жидком топливе, состоящем в основном из окислителя (кислород, оксиды азота и т. д.) и горючего (водород, углеводороды, диметилгидразин и т. д.). Топливом может быть также жидкость, способная к каталитическому разложению, напр., гидразин.

РАДИОИЗОТОПНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (изотопный), ракетный двигатель, в котором энергия распада радионуклида используется для нагрева рабочего тела либо продукты распада сами создают реактивную струю. Тяга экспериментальных радиоизотопных ракетных двигателей мала.

РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА (РДТТ) (твердотопливный, пороховой), химический ракетный двигатель, работающий на твердом ракетном топливе. Применяется в ракетах, космических летательных аппаратах и самолетах.

РАЗГОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (маршевый), основной двигатель ракетного летательного аппарата, обеспечивающий достижение необходимой скорости (разгон — отсюда название).

Дизельные двигатели
ВИХРЕКАМЕРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, дизель, каждый цилиндр которого соединен с вихревой камерой, где топливо предварительно перемешивается вихрем поступающего воздуха. Вихрекамерные двигатели характеризуются малой чувствительностью к качеству топлива, но повышенным удельным расходом его.
ДИЗЕЛЬ, поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе с воспламенением от сжатия. Топливо впрыскивается в цилиндр двигателя в конце сжатия и воспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха. Дизели отличаются экономичностью.
Немецкий инженер Р. Дизель получил патент на это изобретение в 1892 и сумел заинтересовать им два ведущих завода Германии. Основная конструкция двигателя Дизеля получила оформление в результате многолетней работы конструкторов Аугсбургского машиностроительного завода и завода Круппа. К 1897 двигатель был изготовлен, испытан и поступил на рынок.

Устройство первого дизеля
На основной плите монтируется А-образная станина, отлитая в одно целое с рубашками водяного охлаждения. Кривошипно-шатунный механизм выполнен без направляющих. Рабочую поверхность цилиндра представляет запрессованная в станину чугунная втулка, которая при нагревании во время работы свободно удлиняется вниз, вследствие чего температурные деформации перестают быть опасными.

Коленчатый вал расположен внизу и опирается на подшипники, нижняя часть которых отлита в одно целое с основной плитой.
На станине сбоку укреплен двухступенчатый компрессор, необходимый для: снабжения двигателя сжатым воздухом для распыливания топлива и для пуска его в ход. Движение поршню компрессора передается от шатуна с помощью двух серег через балансир и шатун компрессора.
Распределительный вал укреплен на станине на уровне крышки цилиндра и вращается с числом оборотов вдвое меньшим, чем коленчатый вал, с помощью двух пар винтовых шестерен. Для этого служит вертикальный промежуточный вал, на котором укрепляется регулятор.
Двигатель работает по четырехтактному циклу: при первом ходе поршня вниз засасывается чистый воздух, который при обратном ходе сжимается до 30-34 атм. За 8-9о до верхней мертвой точки 12 открывается игла для распыливающего воздуха, и поданное несколько раньше топливо вдувается в цилиндр, распыливается и воспламеняется от соприкосновения с горячим сжатым воздухом. Для этого компрессор делается двухступенчатым, чтобы давление сжатого в нем воздуха превышало максимальное давление газов в цилиндре двигателя.
При третьем такте происходит сгорание топлива и расширение продуктов сгорания. Четвертый такт начинается с подъема поршня. За этот такт продукты сгорания выталкиваются поршнем через выпускные органы в атмосферу или к турбине нагнетателя. После этого процесс вновь начинается с первого такта. Охлаждающая вода подводится внизу рубашки двигателя, затем через отверстие проходит в крышку цилиндра, откуда отводится через верхний фланец. В крышке цилиндра расположены впускной и выпускной клапаны. В крышке по оси цилиндра имеется форсунка для подачи топлива.
Мощность двигателя составляла 25 л. С,. на керосине двигатель показал при испытании КПД в несколько раз выше, чем паровые машины того времени, а именно целых 26%.

История внедрения
Уже в 1897 патент на постройку нового двигателя был приобретен механическим заводом «Л. Нобель» в Петербурге, ставший потом «Русским Дизелем», а в 1898 этот завод приступил к постройке дизелей. Уже в январе 1899 г. первый одноцилиндровый двигатель мощностью 20 л. с. при 200 оборотов в минуту работал на сырой нефти с расходом 220 г/л, с. ч.
Еще в 1898 выдающийся русский кораблестроитель К. П. Боклевский впервые выдвинул идею о целесообразности использования двигателей внутреннего сгорания на судах. Он считал: «Будущее принадлежит теплоходам». Именно в эти годы в русском языке появилось новое слово «теплоход».
Весной 1903 от причала Выборгской стороны в Петербурге отошел первый в мире теплоход — волжский танкер «Вандал» грузоподъемностью 820 тонн. В качестве главных двигателей на нем были установлены три трехцилиндровых четырехтактных дизеля мощностью по 120 л. с. каждый при частоте вращения 240 1/мин. Эти дизели вращали генераторы электрического тока. Три электродвигателя вращали три винта теплохода. Реверс осуществлялся переменой направления тока в обмотках электромоторов. Второй танкер тех же размеров «Сармат» вступил в эксплуатацию13 годом позже, чем «Вандал». На новом теплоходе были установлены два четырехцилиндровых четырехтактных дизеля мощностью по 180 л. с. каждый. При прямом ходе дизели непосредственно вращали винты теплохода, а при обратном ходе двигатели переключались на вращение роторов генераторов электрического тока. При этом гребные винты при заднем ходу вращались электродвигателями. Это новшество, внесенное русскими инженерами, существенно повышало КПД всей силовой установки.
В 1907-09 гг. заводы «Л. Нобель» и Коломенский совместно построили дизели для восьми амурских мониторов. На каждом мониторе было установлено по четыре дизеля общей мощностью 1000 л. с. при 350 об/мин, что обеспечивало ход 11 узлов, или 20,4 км/ч.
На Коломенском заводе работал известный инженер-конструктор Р. А. Корейво, который предложил для реверса судовых дизелей передачу из зубчатых колес с разобщительными пневматическими муфтами.

Двухтактные дизели
Двигатели дизеля подразделяются на двухтактные и четырехтактные. Рабочий цикл в двухтактном двигателе происходит за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала. Очистка цилиндра двигателя и наполнение его свежим зарядом воздуха происходит в тот период, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. При этом поршень открывает нижние окна, через которые в цилиндр поступает свежий заряд, а перед этим открывался выпускной клапан, и газы покидали цилиндр двигателя, освобождая место для свежего воздуха. При этой системе очистки цилиндра свежий воздух поднимается вверх и часть его может покинуть цилиндр. Такая прямоточная продувка цилиндра обеспечивает наилучшую очистку от продуктов сгорания. При движении поршня вверх закрывается сначала впускной клапан, а затем и продувочные окна. После этого начинается процесс сжатия воздуха. Около высшей мертвой точки форсункой подается топливо, которое воспламеняется от горячего воздуха, и начинается сгорание и расширена. продуктов сгорания при ходе поршня вниз. В конце второго такта открываются выпускные органы и открываются впускные, и процесс повторяется. Недостатком этой системы является наличие двух коленчатых валов и, соответственно, двух порцией с самостоятельными кривошипно-шатунными механизмами. Третий вид продувки — петлевой — применяется в настоящее время реже, так как качество очистки цилиндра в этом случае хуже, чем у прямоточной. К недостаткам двухтактных дизелей следует отнести потерю части хода на процессы очистки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Эта потеря хода14 составляет около 20 %. Дальнейшая классификация дизелей связана с их мощностью и назначением. По этим признакам их можно разделить на три группы: мощностью 100-736 кВт с применением в самых разнообразных областях промышленности, строительства и транспорта, дизели мощностью 736-5000 кВт, применяемые для мощных магистральных тепловозов и, наконец, мощные тихоходные двигатели морских теплоходов, когда количество кВт изменяется в пределах от 6000 до 25000.
Дизель боевой французской машины пехоты АМХ-10. КРЕЙЦКОПФНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, дизель, в котором шатун и поршень связаны крейцкопфом. Применяется в
основном на судах.

РЕПУЛЬСИОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, однофазный двигатель переменного тока с трансформаторной связью между обмотками статора и ротора. Частоту вращения можно регулировать в широких пределах. Применяют в регулируемых электроприводах небольшой мощности.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ (электродвигатель), электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Основной вид двигателя в промышленности, на транспорте, в быту. Различают электрические двигатели постоянного и переменного тока. Последние подразделяются на синхронные и асинхронные. Мощность от десятых долей Вт до десятков МВт.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ракетный двигатель, в котором в качестве источника энергии для создания тяги используется электрическая энергия бортовой энергоустановки космического летательного аппарата. Применяется для коррекции траектории и ориентации космических аппаратов. Электрические ракетные двигатели разделяются на электротермические, электростатические и электромагнитные.
ЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (плазменный, магнитогидродинамический), электрический ракетный двигатель, в котором рабочее тело находится в состоянии плазмы и разгоняется с помощью воздействующего на него электромагнитного поля. Удельный импульс 15-100 км/с.

ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе (природный, генераторный, доменный и др. газы, а также сжиженный газ). Различают газовые двигатели с искровым зажиганием и газодизели.
ГАЗОДИЗЕЛЬ (газожидкостный двигатель), газовый двигатель типа дизеля, в котором газовоздушная смесь воспламеняется от впрыскиваемой в цилиндр в конце процесса сжатия небольшой порции жидкого топлива (запальное топливо). Применяют в основном на газоперекачивающих установках.
ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ГТД), тепловой двигатель, в котором энергия газовоздушной смеси, получаемой при сгорании топлива в камере сгорания, преобразуется в механическую работу с помощью газовой турбины. Применяется в основном на ТЭЦ для привода электрогенераторов, в качестве двигателей транспортных машин, силовых установок судов.

Турбо двигатели 17
ТУРБОВИНТОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ТВД), турбокомпрессорный двигатель, в котором тяга в основном создается воздушным винтом, приводимым во вращение газовой турбиной, и частично прямой реакцией потока газов, вытекающих из реактивного сопла.
ТУРБОКОМПРЕССОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, авиационный газотурбинный двигатель, в котором сжатие поступающего в камеру сгорания воздуха осуществляется компрессором. Различают турбовинтовые и турбореактивные турбокомпрессорные двигатели.
ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ТРД), турбокомпрессорный двигатель, в котором тяга создается прямой реакцией потока сжатых газов, вытекающих из сопла. Разновидность турбореактивных двигателей — турбореактивный двухконтурный двигатель.

Двухконтурный турбореактивный двигатель
ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ТРДД), воздушно-реактивный двигатель, в котором поступающий в него воздух делится на 2 потока, проходящих через внутренние и внешние контуры. Внутренний контур — турбореактивный двигатель, внешний — кольцевой канал с вентилятором, создающий воздушный дополнительный поток через самостоятельное или общее реактивное сопло. ТРДД экономичнее обычного турбореактивного на дозвуковых скоростях, менее шумный.

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (лат. perpetuum mobile — перпетуум-мобиле),

1. вечный двигатель 1-го рода — воображаемая, непрерывно действующая машина, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Вечный двигатель 1-го рода противоречит закону сохранения и превращения энергии и поэтому неосуществим.
2. Вечный двигатель 2-го рода — воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.), в работу. Действие вечного двигателя 2-го рода не противоречит закону сохранения и превращения энергии, но нарушает второе начало термодинамики, и поэтому такой двигатель неосуществим. Схема одного из проектов вечного двигателя, основанного на действии силы тяжести.

Опытным путем установлено: скорость потока воздуха с при увеличении температуры на 10 гр.С увеличивается с 73 до 82 км/ч, т.е на 15%