Двигатели

У современных автомобилей двигатель вращает передние колесаДвигатели — это устройства, превращающие содержащуюся в топливе энергию в энергию движения. Они применяются повсюду — в промышленности и в транспорте. Не было бы двигателей — не было бы автомобилей, самолетов, многих других машин. Энергия освобождается при сгорании топлива. Лучший способ добыть энергию — сжечь топливо внутри самого двигателя. Поэтому самые эффективные двигатели называются двигателями внутреннего сгорания. У многих современных автомобилей (см. рис.) двигатель вращает передние колеса.

Двигатель внутреннего сгорания в газонокосилке и бензопилеВнутреннее сгорание 

Из слова «сгорание» ясно, что в двигателе внутреннего сгорания сжигается смесь топлива и воздуха. Продуктом сгорания являются горячие газы. Они занимают больший объем, нежели топливо и воздух, и поэтому способны принести машину в движение. Так, в реактивных самолетах струя горячих газов с силой вырывается из сопла двигателя и толкает машину вперед. Двигатель внутреннего сгорания имеется и в газонокосилке, и в бензопиле. У двигателей этих небольших машин имеется всего лишь один цилиндр, чем меньше у двигателя цилиндров, тем больше он производит шума.

Велосипедисты часто надевают маски, не пропускающие частицы копоти от выхлопных газовВыхлопные газы 

Среди выхлопных газов, т.е. газов, образующихся при сгорании топлива и вырывающихся наружу, есть ядовитые. Напри­мер, угарный газ опасен для здоровья людей, так как он препятствует крови пере­носить кислород к органам тела, а наличие оксидов азота в атмосфере вызывает кислотные дожди. Велосипедисты часто надевают маски, не пропускающие частицы копоти. Чтобы уменьшить загрязнение воздуха, современные автомобили оснащают каталитическими нейтрализаторами. В их состав входят катализаторы — вещества, способные влиять на скорость химических реакции. Нейтрализатор превращает ядовитые выхлопные газы в другие, менее вредные. Каталитический нейтрализатор превращает угарный газ в углекислый газ и воду, а оксиды азота разлагает на азот и кислород.

первый такт поршнятретий такт поршняКарбюраторные и дизельные двигатели 

Почти все автомобили сжигают бензин. На дизельном топливе работают более массивные механизмы, в частности тепловозы. Как в карбюраторных, так и в дизельных двигателях сгорание топлива внутри полого цилиндра при­водит к движению поршня На рисунках по­казаны четыре стадии (такта) работы четырехтактного двигателя.  Такт 1. Поршень опускается, и смесь топлива и воздуха засасывается в цилиндр. Такт 2. Поршень поднимается и сжимает топливо и воздух. Смесь разогревается. Такт 3. Искра от свечи поджигает смесь. Газ расширяется и толкает поршень вниз. Именно на этом такте производиться механическая энергия. Такт 4. Поршень вновь поднимается и выталкивает продукты горения — выхлопные газы. Принцип работы дизельных двигателей тот же, но в такте 1 в цилиндр засасывается   только   воздух. четвертый такт поршнявторой такт поршняВ такте 2 он сжимается и при этом сильно нагревается. В такте 3 в цилиндр поступает дизельное топливо. Оно загорается без искры — настолько высока температура внутри двигателя. В резервуаре находится масло, уменьшающее трение движущихся частей двигателя. В наше время на автомобилях устанавливают четырехцилиндровые  двигатели; на больших машинах иногда используются шестицилиндровые. Четырёхтактный цикл происходит в каждом цилиндре. Система передач — система шестерен и стержней — обеспечивает превращение энергии движения поршней в энергию вращения колес.

Реактивные двигатели 

Реактивные двигатели — это очень мощные двигатели внутреннего сгорания. Они используются в авиации. Из их сопла на большой скорости вырываются горячие газы, которые толкают самолет вперед. Реактивные двигатели называют также турбореактивными, т.к. горячая газовая струя вращает лопасти турбин внутри двигателя. Турбины засасывают внутрь воздух, после чего он сжимается, смешивается с топливом и воспламеняется. Турбореактивный двигатель — простейший вид реактивного двигателя: кроме того, он позволяет самолету развивать максимальную скорость. В прошлом на всех самолетах устанавливались турбореактивные двигатели. Но поскольку они производят много шума и потребляют много топлива, их вытеснили турбовентиляторные двигатели. Сегодня турбореактивным и двигателями оснащают только скоростные самолеты — напри­мер, истребители или сверхзвуковые авиалайнеры «Конкорд».

Турбовентиляторные двигатели развивают меньшую скорость, чем турбореактивныеТурбовентиляторные двигатели развивают меньшую скорость, чем турбореактивные, зато они не такие шумные и потребляют меньше топлива. На рисунке изображен турбовентиляторный двигатель в разрезе. В передней части расположен очень большой вентилятор (1), нагнетающий внутрь двигателя мощный поток воздуха. Часть воздуха проходит через камеры сжатия и сгорания (2), как и в турбореактивном двигателе: образующаяся струя горячих газов выбрасывается из сопла (3). Но большая часть воздуха минует камеру сгорания и смешивается с выхлопными газами в сопле (4). Этот воздух глушит шум и создает дополнительную тягу. Существуют еще два вида газотурбинных двигателей: турбовинтовые и турбовальные. Турбовинтовой двигатель вращает пропеллеры, движущие самолет вперед. Турбовальные двигатели, как правило, устанавливают на вертолётах. Они приводят в движение и несущий, и рулевой винты.

Ракетные двигатели 

Ракетные двигатели устроены до­вольно просто (подробнее в статье «Ракеты и космические аппараты«). Как и в реактивных двигателях, в них образует­ся горячий газ, на большой скорости выбрасываемый из сопла. Так как ракетные двигатели должны обеспечить движение раке­ты в космосе, где нет воздуха, в них нет сложного механизма для забора воздуха. Вместо это­го в них имеется бак с необходимым для сгорания топлива жидким кислородом. Ракетное топливо — жидкий кислород. Современные космические ракеты – потомки боевых ракет. Первая боевая ракета Фау-2 была запущена в 1942 году.

Паровые двигатели 

Самые первые двигатели работали благодаря силе пара. И изобрели их около 300 лет назад, и действие их основывалось на «внешнем» сгорании. Вне двигателя сгорал уголь пли дерево, и при этом закипа­ла вода, образуя пар. Поскольку пар может занять объем в 2000 раз больший, чем вода, то его силу можно использовать для толкания поршней. Первый паровой двигатель, созданный Томасом НьюкоменомПервый паровой двигатель, созданный Томасом Ньюкоменом (1663 — 1724), использовался для откачки воды из затопленных шахт. Первые паровые двигатели (см. статью «Станки и фабрики«) были не слишком надежны и малоэффективны, но в XIX столетии они стали широко при­меняться на фабриках и железных дорогах. На рисунке изображена парован машина конструкции Джеймса Уатта (1736— 1819). В топке (1) сгорает уголь, и в котле (2) закипает вода. Образующийся пар по трубке (3) поступает в цилиндр (4) и толкает поршень вверх. После этого отработанный пар идет в конденсатор (5), где вновь превращается в воду. После удаления пара в конденсатор поршень снова движется вниз. Энергии движения поршня превращается в энергию вращении при помощи так называемой планетарной передачи (6). Маховое колесо (7) вращается и передает энергию фабричным машинам. На современных электростанциях ис­пользуется иной тип парового двигателя — паровая турбина. Сжатый пар вращает лопасти больших турбин, производящих электричество.