Вступ:
Двигуни - це машини, які перетворюють енергію в рух або механічну роботу. Зазвичай енергія подається у вигляді хімічного палива (наприклад, бензину), пари або електроенергії, а механічні роботи - у вигляді обертового вала. Зазвичай двигуни поділяють на:
- залежно від типу використовуваної енергії, наприклад пари, стисненого повітря або бензину
- за способом руху основних деталей на поршні та повороті
- відповідно до місця, де відбувається перетворення хімічної енергії в теплову, на двигуни внутрішнього згоряння для бензинових та дизельних двигунів
- відповідно до способу охолодження двигуна з водяним або повітряним охолодженням
- за кількістю ходів поршня за повний цикл до двотактних або чотиритактних
- відповідно до типу циклу на Отто (бензиновий двигун) або дизельний двигун.
Спеціальними типами двигунів є вітрові, газові турбіни, парові турбіни, ракетні або реактивні двигуни.
Двигун внутрішнього згоряння - чотиритактний:
Сьогодні двигуни внутрішнього згоряння живлять майже всі автомобілі світу. Вони використовують енергію газів, що утворюються при згорянні паливної суміші, для руху. Бензиновий двигун працює, подаючи суміш повітря і бензину в циліндри, в яких розташовані поршні. Суміш концентрують пресуванням. Електрична свічка запалювання створює іскру, яка запалює цю суміш, і утворюються гази рухають поршні в циліндрах. Обпалена суміш виганяється. Це створює цикл. Для двотактних двигунів за цикл потрібно лише одне обертання розподільного вала.
Дизельний двигун внутрішнього згоряння:
Багато автомобілів та поїздів працюють від потужних дизельних двигунів; вони також є двигунами внутрішнього згоряння, але вони спалюють не бензин, а дизель. Двигун працює подібно до бензинового двигуна, але не має електричних свічок запалювання, але оснащений інжекторним насосом, який впорскує дизель у циліндри через форсунки. Поршень стискає повітря, яке нагріває його до дуже високої температури (вище 500 oC), при якій дисперсний дизель запалюється - отже, цей двигун називають дизелем.
Реактивний двигун:
Реактивний двигун (в основному газова турбіна) керує більшістю швидкісних літаків. Швидко обертаються вентилятори в передній частині двигуна засмоктують повітря, яке під високим тиском проходить у кілька камер. Там стиснене повітря змішується з паливом; ця суміш запалюється, гарячі гази, що згоряють, розширюються і надходять до вихідного сопла. У той же час вони обертають турбіну, яка приводить вентилятори в передню частину двигуна. Повітря протікає не тільки через основну частину двигуна, але і через обвідний канал навколо нього. Це збільшує загальну кількість повітря, що проходить через двигун, збільшуючи тим самим його тягу. Крім того, повітропровід зменшує шум двигуна.
Парова машина (паровий двигун):
Парова машина розташована, наприклад, у локомотиві. Котел спалює дрова або вугілля, що виробляє тепло. Гаряче повітря і дим проходять по трубах у резервуарі для води. Тепло перетворює воду в пару. Пара проходить через трубки в циліндр, де натискає на поршень один раз на одну сторону, один раз на іншу, рухаючи його таким чином. Рух поршня передається на ведучі колеса. Пар і дим виходять через клапан і виходять через димохід.
Електродвигуни:
Електродвигуни - це дуже прості та надійні машини. Більшість із них - обертові машини, які перетворюють механічну енергію в електричну або навпаки. Вони складаються з нерухомої підставки та бігуна, що біжить. Підставка та бігун виготовлені з електропровідного матеріалу. Коли струм проходить через магнітну арматуру, магнітна реакція генерує крутний момент і магнітна арматура обертається. Робота електричного генератора змінного струму та підключення полів котушки двигуна точно такі ж, як у генераторів. Обертання якоря магніту викликає натяг різьби якоря. Ця індукована напруга знаходиться у напрямку, протилежному до зовнішньої прикладеної напруги якоря, і тому називається зворотною або протилежною електрорушійною силою. У міру того, як двигун обертається швидше, зворотна електрорушійна сила зростає, поки вона майже не дорівнює напрузі, що подається. Тоді струм малий, і швидкість двигуна залишається постійною, поки двигун не втягнеться і не створить жодної механічної роботи, крім роботи, необхідної для повороту якоря. Під навантаженням якір обертається повільніше, зменшує електрорушійну силу і дозволяє протікати в якорі більше струму. Таким чином, двигун здатний отримувати більше електроенергії від джерела і створювати більше механічної роботи.
Оскільки швидкість обертання регулює потік струму в якорі, для запуску двигуна потрібні спеціальні пристрої. Коли якорь перебуває в стані спокою, він насправді не має опору, і якщо використовується нормальна робоча напруга, через нього буде протікати великий струм, який може пошкодити генератор змінного струму або обмотку якоря. Щоб запобігти пошкодженню якоря, використовуються послідовно підключені резистори для зменшення струму, поки двигун не почне генерувати достатню електрорушійну силу. Чим швидше рухається двигун, опір поступово зменшується або вручну, або автоматично.
Швидкість, з якою працює двигун, залежить від сили магнітного поля, що діє на якір, а також струму в якорі. Чим сильніше поле, тим менша кількість обертів необхідна для створення достатньо великої зворотної електрорушійної сили як противаги прикладеної напруги. З цієї причини швидкістю обертання двигунів можна керувати, змінюючи силу струму.
Водень:
Електрика може розщеплювати воду на гази: водень та кисень. Коли водень і кисень контактують, вони знову згорають у воду і виробляють енергію. Але водень занадто рідкий, щоб спалювати. Набагато вигідніше перетворити його назад в електрику за допомогою паливного елемента. Паливний елемент генерує електричний струм за допомогою хімічного процесу. Ці "клітини" можуть бути різного розміру. Деякі з них настільки малі, що замінюють невеликі акумулятори, але деякі можуть використовуватися на електростанціях для виробництва електроенергії. DaimlerChrysler побудував автобус з цим приводом, і Ford обіцяє перший серійний автомобіль з цим приводом.
Азот:
Дослідники Вашингтонського університету розробляють нову машину без шкідливих викидів. Принцип такий же, як і для парової машини, за винятком відсутності горіння. Натомість стискається рідкий азот, який потім перетворюється у пару в теплообміннику теплим повітрям, яке його оточує. Цей теплообмінник діє як автомобільний радіатор, але замість того, щоб охолоджувати двигун повітрям, він використовує температуру навколишнього повітря для нагрівання та кип’ятіння азоту. Отриманий газ азоту подається в двигун, який працює як паровий двигун, перетворюючи тиск на механічну роботу. Єдиними відходами є азот, який становить більшу частину атмосфери Землі.