Двигатель как устройство преобразования энергии¶

Двигатель — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии (химическую, электрическую, тепловую, энергию давления) в механическую работу. Двигатели составляют основу транспортных средств, промышленного оборудования, электрогенерации и бытовой техники. По принципу действия их делят на тепловые (в том числе поршневые и реактивные), электрические и гидравлические; отдельную группу образуют так называемые первичные двигатели, непосредственно использующие природные источники энергии.

¶История

Простейшие двигатели известны с древности: водяное колесо и ветряная мельница преобразовывали энергию потока воды и ветра во вращение вала. В I веке н. э. Герон Александрийский описал паровую турбину (эолипил), однако практического применения она не получила.

Перелом наступил в XVIII веке. В 1712 году Томас Ньюкомен построил паровой насос для откачки воды из шахт, а в 1760–1780-х годах Джеймс Уатт усовершенствовал паровую машину, сделав её универсальным промышленным приводом. Паровые двигатели стали основой промышленной революции и железнодорожного транспорта.

В 1860 году Этьен Ленуар создал первый серийный газовый двигатель внутреннего сгорания, а в 1876 году Николаус Отто запатентовал четырёхтактный цикл. В 1892 году Рудольф Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия. В России значительный вклад внесли конструкторы И. П. Кулибин (проекты машин), а позже — создатели авиационных и танковых моторов, в том числе А. А. Микулин и В. Я. Климов.

¶Классификация

¶Тепловые двигатели

К ним относят паровые машины и турбины, двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные и реактивные установки. Их общий признак — преобразование теплоты, выделяемой при сгорании топлива, в механическую работу. КПД ограничен циклом Карно; у современных ДВС он составляет 25–40 %, у крупных судовых дизелей превышает 50 %.

¶Электрические двигатели

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую за счёт взаимодействия магнитных полей. Различают двигатели постоянного и переменного тока, синхронные и асинхронные, коллекторные и бесколлекторные. Они отличаются высоким КПД (до 90–95 %), экологичностью в месте применения и простотой управления.

¶Устройство и характеристики

Основные параметры любого двигателя — мощность, крутящий момент, частота вращения, КПД, расход топлива или энергии, ресурс и масса. В поршневом ДВС выделяют кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы охлаждения, смазки, питания и зажигания. В электродвигателе ключевые элементы — статор, ротор и система управления.

Отношение мощности к массе определяет применимость двигателя: авиационные и ракетные двигатели оптимизируют по этому показателю, стационарные — по экономичности и ресурсу.

¶Применение

Двигатели используются на всех видах транспорта — автомобильном, железнодорожном, морском, авиационном и космическом. В промышленности они приводят в действие насосы, компрессоры, станки и конвейеры. В энергетике тепловые и гидравлические двигатели вращают генераторы на электростанциях. В быту распространены электродвигатели в холодильниках, стиральных машинах, вентиляторах и инструменте.

¶Экологические аспекты

Тепловые двигатели — основной источник выбросов углекислого газа, оксидов азота и сажи. Ужесточение экологических норм стимулирует развитие гибридных и электрических силовых установок, а также водородных двигателей. В России действуют стандарты «Евро» для автомобильной техники, ведётся разработка электротранспорта и газомоторного топлива.

¶Двигателестроение в России

Отрасль представлена предприятиями, выпускающими автомобильные, авиационные, судовые и ракетные двигатели. Среди известных — АвтоВАЗ, КамАЗ, Объединённая двигателестроительная корпорация (в составе Ростеха), НПО «Энергомаш», выпускающее жидкостные ракетные двигатели для космических программ. Российские двигатели РД-180 и РД-191 применяются в отечественных и зарубежных ракетах-носителях.

¶Перспективы

Развитие направлено на повышение КПД, снижение выбросов, применение альтернативных топлив и электрификации. Исследуются двигатели на топливных элементах, роторно-поршневые схемы, а также гибридные установки, сочетающие ДВС и электромотор.

Источники: Большая российская энциклопедия; технические справочники по двигателестроению; материалы профильных вузов и отраслевых изданий.