Энергияны механикалық қозғалысқа айналдыратын машиналар

Жылжымалы энергияға түрлендіретін қозғалтқыштар мен моторлар туралы мағлұмат. Энергия түрлері, қолданылуы, және өнеркәсіптегі маңызын біліңіз.

17 мин оқу

100%

Дереккөз: Engine — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Энергияның бір немесе бірнеше түрін механикалық энергияға (қозғалысқа) түрлендіретін машина.

Қозғалтқыш немесе мотор – энергияның бір немесе бірнеше түрін механикалық энергияға түрлендіруге арналған машина. Қолжетімді энергия көздеріне потенциалды энергия (мысалы, су электр станцияларында пайдаланылатын Жердің гравитациялық өрісінің энергиясы), жылу энергиясы (мысалы, геотермальдық), химиялық энергия, электр потенциалы және ядролық энергия (ядролық бөліну немесе ядролық синтезден) жатады. Көптеген процестер жылуды аралық энергия түрінде тудырады, сондықтан жылу қозғалтқыштары ерекше маңызды. Кейбір табиғи процестер, мысалы, атмосфералық конвекциялық жасушалар, қоршаған ортаның жылуын қозғалысқа айналдырады (мысалы, көтеріліп бара жатқан ауа ағыны түрінде). Механикалық энергия көлік саласында ерекше маңызды, сонымен қатар кесу, ұсақтау, тарту және араластыру сияқты көптеген өндірістік процестерде де рөл атқарады. Механикалық жылу қозғалтқыштары жылуды түрлі термодинамикалық процестер арқылы жұмысқа айналдырады. Ішкі жану қозғалтқышы – механикалық жылу қозғалтқышының ең көп таралған мысалы, онда отынның жануынан пайда болатын жылу, жану камерасындағы газды жану өнімдерін жылдам қысымға түсіреді, олар кеңейіп поршенді итереді, ол коленвалды айналдырады. Ішкі жану қозғалтқыштарынан айырмашылығы, реактивтік қозғалтқыш (мысалы, ұшақтардағы реактивтік қозғалтқыш) Ньютонның үшінші заңына сәйкес, реакциялық массаны шығару арқылы итермелейді. Жылу қозғалтқыштарынан басқа, электр моторлары электр энергиясын механикалық қозғалысқа айналдырады, пневматикалық моторлар қысылған ауаны пайдаланады, ал ойыншықтардағы сағаттық механизмдер серпімді энергияны қолданады. Биологиялық жүйелерде молекулалық моторлар, мысалы, бұлшық еттердегі миозин, күштерді және нәтижесінде қозғалысты (химиялық қозғалтқыш, бірақ жылу қозғалтқышы емес) жасау үшін химиялық энергияны пайдаланады. Отынның жану реакциясының бір бөлігі ретінде ауаны (қоршаған атмосфералық газды) пайдаланатын химиялық жылу қозғалтқыштары ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштар деп есептеледі. Жер атмосферасының сыртында жұмыс істеуге арналған химиялық жылу қозғалтқыштарына (мысалы, зымырандар, терең суасты кемелері) қосымша отын компоненті – тотықтырғыш қажет (бірақ зымырандарда қолдануға болатын, оттегіден де күшті тотықтырғыштар бар, мысалы, фтор); немесе жылуды химиялық емес тәсілдермен алу қажет, мысалы, ядролық реакциялар арқылы.

An engine or motor is a machine designed to convert one or more forms of energy into mechanical energy. Available energy sources include potential energy (e. g. energy of the Earth's gravitational field as exploited in hydroelectric power generation), heat energy (e. g. geothermal), chemical energy, electric potential and nuclear energy (from nuclear fission or nuclear fusion). Many of these processes generate heat as an intermediate energy form, so heat engines have special importance. Some natural processes, such as atmospheric convection cells convert environmental heat into motion (e. g. in the form of rising air currents). Mechanical energy is of particular importance in transportation, but also plays a role in many industrial processes such as cutting, grinding, crushing, and mixing. Mechanical heat engines convert heat into work via various thermodynamic processes. The internal combustion engine is perhaps the most common example of a mechanical heat engine, in which heat from the combustion of a fuel causes rapid pressurisation of the gaseous combustion products in the combustion chamber, causing them to expand and drive a piston, which turns a crankshaft. Unlike internal combustion engines, a reaction engine (such as a jet engine) produces thrust by expelling reaction mass, in accordance with Newton's third law of motion. Apart from heat engines, electric motors convert electrical energy into mechanical motion, pneumatic motors use compressed air, and clockwork motors in wind up toys use elastic energy. In biological systems, molecular motors, like myosins in muscles, use chemical energy to create forces and ultimately motion (a chemical engine, but not a heat engine). Chemical heat engines which employ air (ambient atmospheric gas) as a part of the fuel reaction are regarded as airbreathing engines. Chemical heat engines designed to operate outside of Earth's atmosphere (e. g. rockets, deeply submerged submarines) need to carry an additional fuel component called the oxidizer (although there exist super oxidizers suitable for use in rockets, such as fluorine, a more powerful oxidant than oxygen itself); or the application needs to obtain heat by non chemical means, such as by means of nuclear reactions.

Эмиссия/Қосалқы өнімдер

Барлық химиялық отынмен жұмыс істейтін жылу қозғалтқыштары шығарынды газдар шығарады. Ең таза қозғалтқыштар тек су шығарады. Қатаң нөлдік шығарындылар дегеніміз – су мен су буынан басқа ешқандай шығарындылардың болмауы. Тек таза сутекті (отын) және таза оттегіні (тотықтырғыш) жаққан жылу қозғалтқыштары ғана қатаң анықтама бойынша нөлдік шығарындыға жетеді (практикада, зымыран қозғалтқышының бір түрі). Егер сутек ауамен бірге (барлық ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштарда) жанса, атмосфералық оттегі мен атмосфералық азот арасында қосымша реакция жүзеге асады, нәтижесінде зиянды заттардың шағын мөлшерде шығарылуына себеп болады. Егер көмірсутек (мысалы, спирт немесе бензин) отын ретінде жанса, онда көп мөлшерде көмірқышқыл газы шығарылады, ол – күшті парниктік газ. Ауадан сутек пен оттекті жанар-жағар элементі арқылы суға айналдыруға болады, бірақ бұл жылу қозғалтқышы емес, электрхимиялық қозғалтқыш.

Терминология

"Engine" сөзі көне француз тіліндегі engin сөзінен, ал ол латын тіліндегі ingenium сөзінен шыққан – "ingenious" сөзінің түбірі. Өнеркәсіптік соғыс қарулары, мысалы, катапульттар, требушеттер және тарау машиналарын қоршау машиналары деп атаған, ал оларды жасау туралы білім әскери құпия саналған. "Джин" сөзі, мысалы, мақта тазартатын машина (cotton gin), "engine" сөзінің қысқартылған түрі. Өнеркәсіптік революция кезінде ойлап табылған көптеген механикалық құрылғылар қозғалтқыш деп сипатталды – бу машинасы осыған жарқын мысал. Дегенмен, Томас Сэвери сияқты алғашқы бу машиналары механикалық қозғалтқыштар емес, сорғылар болатын. Осылайша, өрт сөндіру машинасының бастапқы түрі – су сорғысы ғана еді, ал машинаны отқа аттар жеткізетін. Қазіргі қолданыста "engine" термині көбінесе бу машиналары мен ішкі жану машиналары сияқты, механикалық жұмыс істеу үшін күш (айналу моменты немесе сызықтық күш, көбінесе итеру түрінде) қолданып, отынды жағатын немесе басқаша пайдаланатын құрылғыларды білдіреді. Жылу энергиясын қозғалысқа айналдыратын құрылғылар әдетте қозғалтқыш деп аталады. Айналу моментын пайдаланатын қозғалтқыштарға автомобильдердегі бензин және дизель қозғалтқыштары, сондай-ақ турбовалдар жатады. Итеру күшін тудыратын қозғалтқыштарға турбожелдеткіштер мен зымырандар жатады. Ішкі жану қозғалтқышы ойлап табылған кезде, оны сол кезде кеңінен қолданылып келген бу машиналарынан (локомотивтер және бу машиналарын сияқты көлік құралдарын қуаттандырған) ажырату үшін бастапқыда "motor" термині қолданылды. "Motor" термині латын тіліндегі "қозғау" немесе "қозғалысты сақтау" деген мағына беретін етістіктен шыққан. Осылайша, мотор – қозғалыс беретін құрылғы. Стандартты ағылшын тілінде мотор мен қозғалтқыш терминдерінің мағынасы шамалас. Кейбір инженерлік терминологияда екі сөздің мағынасы ажыратылады: қозғалтқыш – отынды жағатын немесе басқаша пайдаланатын, химиялық құрамын өзгертетін құрылғы, ал мотор – электр қуатымен, ауамен немесе гидравликалық қысыммен жұмыс істейтін, энергия көзінің химиялық құрамын өзгертпейтін құрылғы. Алайда, ракета жасау саласында, отынды пайдаланса да, "rocket motor" термині қолданылады. Жылу қозғалтқышы негізгі қозғалтқыш ретінде де жұмыс істей алады – сұйықтықтың ағынын немесе қысымын механикалық энергияға айналдыратын компонент. Ішкі жану қозғалтқышымен жабдықталған автомобиль әртүрлі моторлар мен сорғыларды пайдалана алады, бірақ барлық құрылғылардың қуаты ақыр соңында қозғалтқыштан алынады. Басқаша айтқанда, мотор сыртқы көзден қуат алып, оны механикалық энергияға айналдырады, ал қозғалтқыш қысымнан қуат жасайды (жану немесе басқа химиялық реакциялардың жарылғыш күшінен немесе ауа, су немесе бу сияқты басқа заттарға осы күштің әсер етуінен).

The word engine derives from Old French engin, from the Latin ingenium–the root of the word ingenious. Pre industrial weapons of war, such as catapults, trebuchets and battering rams, were called siege engines, and knowledge of how to construct them was often treated as a military secret. The word gin, as in cotton gin, is short for engine. Most mechanical devices invented during the industrial revolution were described as engines—the steam engine being a notable example. However, the original steam engines, such as those by Thomas Savery, were not mechanical engines but pumps. In this manner, a fire engine in its original form was merely a water pump, with the engine being transported to the fire by horses. In modern usage, the term engine typically describes devices, like steam engines and internal combustion engines, that burn or otherwise consume fuel to perform mechanical work by exerting a torque or linear force (usually in the form of thrust). Devices converting heat energy into motion are commonly referred to simply as engines. Examples of engines which exert a torque include the familiar automobile gasoline and diesel engines, as well as turboshafts. Examples of engines which produce thrust include turbofans and rockets. When the internal combustion engine was invented, the term motor was initially used to distinguish it from the steam engine—which was in wide use at the time, powering locomotives and other vehicles such as steam rollers. The term motor derives from the Latin verb which means 'to set in motion', or 'maintain motion'. Thus a motor is a device that imparts motion. Motor and engine are interchangeable in standard English. In some engineering jargons, the two words have different meanings, in which engine is a device that burns or otherwise consumes fuel, changing its chemical composition, and a motor is a device driven by electricity, air, or hydraulic pressure, which does not change the chemical composition of its energy source. However, rocketry uses the term rocket motor, even though they consume fuel. A heat engine may also serve as a prime mover—a component that transforms the flow or changes in pressure of a fluid into mechanical energy. An automobile powered by an internal combustion engine may make use of various motors and pumps, but ultimately all such devices derive their power from the engine. Another way of looking at it is that a motor receives power from an external source, and then converts it into mechanical energy, while an engine creates power from pressure (derived directly from the explosive force of combustion or other chemical reaction, or secondarily from the action of some such force on other substances such as air, water, or steam).

Ежелгі дәуір

Клуб пен ескіргіш сияқты қарапайым машиналар (сағананың мысалдары) ежелгі заманнан белгілі. Адам күші, жануарлар күші, су күші, жел күші және тіпті бу күші қолданылған күрделі механизмдер антика дәуіріне дейін барады. Адам күші капистан, жел шанағы немесе жүгіру механизмі сияқты қарапайым механизмдер арқылы шоғырландырылды, сондай-ақ арқандар, шкивтер және блоктар мен тартқыштар жиынтығымен күш көбейтіліп, жылдамдық азайтылды. Бұлар ежелгі Грецияда крандарда және кемелерде, ал ежелгі Римде шахталарда, су сорғыларында және қоршау машиналарын жасауда қолданылды. Витрувий, Фронтин және Плиний кіші сияқты сол заманғы жазушылар осы механизмдерді кәдімгі нәрсе деп сипаттағандықтан, олардың пайда болуы одан да ертерек болуы мүмкін. Біздің заманымыздың I ғасырына қарай, мал мен жылқы диірмендерде қолданыла бастады, бұл бұрын адамдармен жұмыс істеген машиналарға ұқсас механизмдерді игерді. Страбонның мәліметінше, б.з.б. I ғасырында Митридат патшалығының Каберия қаласында сумен жұмыс істейтін диірмен салынған. Су дөңгелектерін диірмендерде пайдалану келесі бірнеше ғасырлар ішінде Рим империясының барлық аймақтарына тарады. Кейбіреулерінің құрылысы өте күрделі болды: су құбырлары, бөгеттер, суды бақылауға арналған шлюздер, айналу жылдамдығын реттеу үшін ағаш және металдан жасалған тісті дөңгелектер мен механизмдер. Антикитера механизмі сияқты күрделі құрылғылар күрделі дөңгелектер мен циферблаттарды жылнама ретінде немесе астрономиялық құбылыстарды болжау үшін пайдаланды. IV ғасырдағы Аузонийдің өлеңінде сумен жұмыс істейтін тас кескіш ара туралы айтылған. Александриялық Герон I ғасырда жел және бумен жұмыс істейтін көптеген машиналарды ойлап тапқан, олардың ішінде Эолипиль және автоматты сату автоматтары бар. Көбінесе бұл машиналар діни ритуалдармен байланысты болды, мысалы, қозғалмалы тұғырлар мен автоматты храм есіктері.

Орта ғасырлар

Орта ғасырдағы мұсылман инженерлері диірмендер мен су көтеру машиналарында тісті дөңгелектерді қолданды, ал бөгеттерді су диірмендері мен су көтеру машиналарына қосымша қуат беру үшін су қуатының көзі ретінде пайдаланды. Орта ғасырлардағы ислам әлемінде мұндай жетістіктер бұрын қол еңбегімен орындалған көптеген өндірістік тапсырмаларды механикаландыруға мүмкіндік берді. 1206 жылы әл-Жазари екі су көтеру машинасына бұрандалы-қос білдекті жүйені қолданды. 1551 жылы Тақи әл-Дин, ал 1629 жылы Джованни Бранка бастапқы бу турбинасының құрылғысын сипаттады. 13 ғасырда Қытайда қатты ракеталық қозғалтқыш ойлап табылды. Оқ-дәрімен жұмыс істейтін, осы ең қарапайым жану қозғалтқышы тұрақты қуат бере алмады, бірақ оны жауларға қарсы жоғары жылдамдықпен қару-жарақ атуға және салтанатты отшашуға пайдалануға болды. Осы өнертабыс Еуропаға тарады.

Өнеркәсіптік революция

Уатттың бу машинасы – буды атмосфералық қысымнан сәл жоғары қысымда пайдаланып, жартылай вакуумның көмегімен поршенді қозғаған алғашқы бу машинасы болды. 1712 жылғы Ньюкоменнің бу машинасының дизайнын жетілдіре отырып, 1763 жылдан 1775 жылға дейін кезең-кезеңімен дамытылған Уатт бу машинасы, бу машинасының дамуындағы маңызды қадам еді. Жақын отын тиімділігін ұсына отырып, Джеймс Уатттың дизайны, оның іскер серігі Мэтью Болтонның үлкен еңбегінің арқасында, бу машиналарымен теңестірілді. Бұл су энергиясы жеткіліксіз болған жерлерде бұрынғыдан беймәлім көлемде тиімді жартылай автоматтандырылған фабрикалардың жылдам дамуына мүмкіндік берді. Кейінгі дамулар бу локомотивтерінің және теміржол көлігінің кеңейуіне әкелді. Ішкі жану поршенді қозғалтқыштарға келетін болсақ, олар 1807 жылы Францияда де Риваз және тәуелсіз түрде Ньепс ағайындары тарапынан сынақтан өтті. 1824 жылы олар Карно тарапынан теориялық тұрғыдан жетілдірілді. 1853–1857 жылдары Эухенио Барсанти мен Феличе Маттуччи еркін поршень принципін қолдана отырып, мүмкін алғашқы 4 циклді қозғалтқышты ойлап тапты және патенттеді. Ал кейіннен коммерциялық сәттілікке жеткен ішкі жану қозғалтқышы 1860 жылы Этьен Ленуар тарапынан жасалды. 1877 жылы Отто циклі бу машиналарына қарағанда әлдеқайда жоғары қуатты салмақ қатынасын қамтамасыз ете алды және автомобильдер мен ұшақтар сияқты көптеген көлік салаларында жақсы жұмыс істеді.

Автомобильдер

Карл Бенц жасаған алғашқы коммерциялық сәтті автомобиль жеңіл және қуатты қозғалтқыштарға деген қызығушылықты күшейтті. Жеңіл автомобильдер үшін ең табыстысы – төрт тактты Отто циклы бойынша жұмыс істейтін жеңіл бензинді ішкі жану қозғалтқышы болды, ал жүк көліктері мен автобустарда тиімді дизельді қозғалтқыш пайдаланылады. Дегенмен, соңғы жылдары турбодизельді қозғалтқыштар, әсіресе Америка Құрама Штаттарынан тыс елдерде, тіпті өте кішкентай автомобильдерде де жиі қолданылатын болды.

Көлденең қарама-қарсы орналасқан поршеньдер

1896 жылы Карл Бенцке горизонтальды қарама-қарсы поршеньдері бар алғашқы қозғалтқыштың дизайнына патент берілді. Оның жобасы, поршеньдердің көлденең цилиндрлерде бірдей бағытта және бір мезгілде ең жоғарғы нүктеге жетуін қамтамасыз ететін қозғалтқыш құрылымын жасады, осылайша олардың жеке импульсін өзара теңестіретін болды. Мұндай конструкциядағы қозғалтқыштар пішіні мен төменгі профиліне байланысты көбінесе "жазық қозғалтқыштар" деп аталады. Олар Volkswagen Beetle, Citroën 2CV, кейбір Porsche және Subaru автомобильдерінде, көптеген BMW және Honda мотоциклдерінде, сондай-ақ ұшақтардың винттік қозғалтқыштарында қолданылған.

Алға жылжыту

Автомобильдерде ішкі жану қозғалтқышын пайдаланудың жалғасуы, ішінара қозғалтқышты басқару жүйелерін жетілдірумен байланысты (қозғалтқышты басқару процестерін қамтамасыз ететін бортындағы компьютерлер және электронды басқарылатын отын шашырату). Турбожүктеу және супержүктеу арқылы күшті ауа енгізу, қуатты арттырып, қозғалтқыштың тиімділігін жоғарылатты. Ұқсас өзгерістер кіші дизельді қозғалтқыштарға да енгізілді, оларға бензинді қозғалтқыштармен шамалас қуат сипаттамаларын берді. Бұл, әсіресе Еуропада дизельді қозғалтқыштармен жүретін кіші көліктердің танымалдылығынан көрінеді. Ірі дизельді қозғалтқыштар әлі де жүк көліктері мен ауыр техникада жиі қолданылады, бірақ олар көптеген зауыттарда қолжетімсіз арнайы өңдеуді қажет етеді. Дизельді қозғалтқыштар бензинді қозғалтқыштарға қарағанда аз көмірсутектер мен зиянды газдар шығарады, бірақ көбірек түйіршік пен ластану тудырады. Дизельді қозғалтқыштар сонымен қатар, салыстыратын бензинді қозғалтқыштардан 40%-ға артық отынмен тиімді жұмыс істейді.

Қозғалтқыштың конфигурациясы

Автомобиль қозғалтқыштарының бастапқы даму кезеңінде қазіргі кезде қолданылатындарына қарағанда әлдеқайда көп түрлі қозғалтқыштар жасалды. Қозғалтқыштар 1-ден 16 цилиндрге дейінгі конструкцияларда болды, олардың жалпы көлемі, салмағы, қозғалтқыш сыйымдылығы және цилиндрлердің диаметрі әртүрлі болды. Көптеген модельдерде төрт цилиндрлі және 19-ден 120 а.к. (14-ден 90 кВт) дейінгі қуат болды. Бірнеше үш цилиндрлі, екі тактілі модельдер жасалды, ал көпшілік қозғалтқыштарда тік немесе қатарлы цилиндрлер орналастырылған. V тәрізді бірнеше модельдер де, сондай-ақ екі және төрт цилиндрлі көлденең орналасқан қозғалтқыштар да болды. Жоғары орналасқан жетек білдектері жиі қолданылды. Кіші қозғалтқыштар көбінесе ауамен салқындатылып, көліктің арт жағына орналастырылды, ал сығылу қатынасы салыстырмалы түрде төмен болды. 1970-ші және 1980-ші жылдар отынның үнемділігіне қызығушылықты арттырды, бұл V6 және төрт цилиндрлі конструкцияларға қайта оралуға әкелді, тиімділікті арттыру үшін әр цилиндрде бес клапан болды. Bugatti Veyron 16.4 W16 қозғалтқышымен жұмыс істейді, яғни екі V8 цилиндрлік конструкциялар бір-біріне жақын орналасып, W пішінін құрастырады және бірдей коленвалды пайдаланады. Құрылған ең үлкен ішкі жану қозғалтқышы – Wärtsilä Sulzer RTA96 C, ол 14 цилиндрлі, 2 тактілі, турбо зарядталған дизельді қозғалтқыш, 2006 жылы іске қосылған әлемдегі ең ірі контейнер тасымалдау кемесі – Emma Mærsk кемесін қуатпен қамтамасыз ету үшін жасалған. Бұл қозғалтқыштың массасы 2300 тоннаға жетеді, ал 102 айналым (1,7 Гц) жылдамдықта жұмыс істегенде 80 МВт-тан астам қуатты өндіреді және күніне 250 тоннаға дейін отынды пайдалана алады.

Түрлері

Қозғалтқышты екі критерий бойынша жіктеуге болады: ол қозғалыс тудыру үшін қандай энергияны қабылдайды және қандай қозғалысты шығарады.

Жанарлы отты қозғалтқыш

Жанау қозғалтқыштары – жану процесінің жылуымен жұмыс істейтін жылу машиналары.

Ішкі жанатын қозғалтқыш

Ішкі жанатын қозғалтқыш – отынның (көбінесе қазба отын) жану камерасында тотықтырғышпен (әдетте ауа) жануы жүретін қозғалтқыш. Ішкі жанатын қозғалтқышта, жану нәтижесінде пайда болатын жоғары температуралы және жоғары қысымды газдардың кеңеюі қозғалтқыштың құраушы бөлшектеріне – мысалы, поршеньдерге, турбина қанаттарына немесе соплоға – тікелей күш түсіреді, оларды бір қашықтыққа жылжыту арқылы механикалық жұмыс атқарады.

Сыртқы жанатын қозғалтқыш

Сыртқы жанатын қозғалтқыш (EC қозғалтқыш) – ішкі жұмыс сұйықтығы сыртқы көзден жанатын отын арқылы қозғалтқыш қабырғасы немесе жылу алмастырғыш арқылы қыздырылатын жылу қозғалтқышы. Сұйықтық кеңейіп, қозғалтқыштың механизміне әсер етеді, осы арқылы қозғалыс және пайдалы жұмыс атқарылады. Содан кейін сұйықтық салқындатылып, сығылады және қайта пайдаланылады (жабық цикл), немесе (сирек жағдайларда) төгіліп, салқындатылған сұйықтық қайта тартылады (ашық циклді ауа қозғалтқышы). "Жанау" термині отынды окистендіргішпен қосып жағу арқылы жылу беруді білдіреді. Ұқсас (немесе тіпті бірдей) құрылымы мен жұмыс принципіне ие қозғалтқыштар басқа көздерден жылу ала алады, мысалы, ядролық, күн, геотермальдық немесе жанауға қатыспайтын экзотермальдық реакциялар; бірақ мұндай жағдайда олар қатаң айтқанда сыртқы жанатын қозғалтқыштар емес, сыртқы жылу қозғалтқыштары ретінде жіктеледі. Жұмыс сұйықтығы Стирлинг қозғалтқышында газ, бу машинасында бу, ал органикалық Ранкин циклында n-пентан сияқты органикалық сұйықтық болуы мүмкін. Сұйықтық кез келген құрамда болуы мүмкін; газ ең көп таралғанымен, кейде тіпті бір фазалы сұйықтық та қолданылады. Бу машинасының жағдайында сұйықтық сұйық және газ фазалары арасында өзгереді.

Қоршаған ортаға әсері

Әдетте қозғалтқыштардың жұмыс істеуі ауа сапасына және айналадағы дыбыс деңгейіне теріс әсер етеді. Автокөліктердің қуат жүйелерінің ластану тудыратын факторларына ерекше назар аударылуда. Бұл баламалы қуат көздеріне және ішкі жану қозғалтқыштарын жетілдіруге жаңа қызығушылықты күшейтті. Шамалы көлемде электр қуатымен жұмыс істейтін көліктер пайда болғанымен, олардың құны мен жұмыс сипаттамаларына байланысты бәсекеге төтеп бере алмады. XXI ғасырда дизельді қозғалтқыштар автокөлік иелері арасында танымал бола бастады. Дегенмен, бензин және дизельді қозғалтқыштар, олардың жаңа шығарындыларды бақылау құрылғыларымен бірге, шығарындылардың көрсеткіштерін жақсартуға қарамастан, әлі маңызды бәсекелеске толы жоқ. Көптеген өндірушілер гибридтік қозғалтқыштарды ұсынды, олар негізінен кішкентай бензин қозғалтқышын электрмотормен және үлкен аккумулятор жинағымен үйлестіреді. Олар қоршаған ортаға деген жауапкершілік сезімі артып келе жатқандықтан, танымал таңдауға айналуда.

Ауа сапасы

Шыршалы отпен қоздырғыштан шығатын газдар құрамында мыналар бар: азот 70-75% (көлем бойынша), су буы 10-12%, көмірқышқыл газы 10-13,5%, сутегі 0,5-2%, оттегі 0,2-2%, көміртек оксиді: 0,1-6%, жанылмаған көмірсутектер және толық емес тотығу өнімдері (мысалы, альдегидтер) 0,5-1%, азот оксиді 0,01-0,4%, азот тотығы <100 ppm, күкірт диоксиді 15-60 ppm, жанар-жағармай қоспалары мен майлау материалдарының, сондай-ақ галогенді және металл қосылыстарының, басқа да бөлшектердің іздері. Көміртек оксиді өте улы, ол көміртек оксидімен улануға себеп болуы мүмкін, сондықтан газдың жабық кеңістікте жиналуына жол бермеу қажет. Катализаторлар улы шығарындыларды азайта алады, бірақ оларды толығымен жоя алмайды. Сонымен қатар, қазіргі индустриалды әлемде қозғалтқыштардың кеңінен қолданылуынан туындайтын парниктік газдар шығарындылары, бастысы көмірқышқыл газы, жаһандық парниктік эффектіге үлес қосады – бұл жаһандық жылынуға қатысты басты мәселе.

Жарылмайтын жылу қозғалтқыштары

Кейбір қозғалтқыштар жанбайтын процестерден жылуды механикалық жұмысқа айналдырады, мысалы, ядролық электр станциясы ядролық реакциядан жылуды бу өндіруге және бу қозғалтқышын іске қосуға пайдаланады, немесе ракеталық қозғалтқыштағы газ турбинасы сутек пероксидінің ыдырауы арқылы қозғалуы мүмкін. Энергия көзінің өзгешелігінен басқа, қозғалтқыш көбінесе ішкі немесе сыртқы жану қозғалтқышы сияқты құрастырылады. Жалынсыз қозғалтқыштардың тағы бір тобына термоакустикалық жылу қозғалтқыштары (кейде "TA қозғалтқыштары" деп аталады) кіреді, олар жылуды бір жерден екінші жерге тасымалдау үшін жоғары амплитудалы дыбыс толқындарын пайдаланатын термоакустикалық құрылғылар, немесе керісінше, жылудың айырмашылығын пайдаланып жоғары амплитудалы дыбыс толқындарын тудырады. Жалпы, термоакустикалық қозғалтқыштарды тұрақты толқынды және жылжымалы толқынды құрылғыларға бөлуге болады. Стирлинг қозғалтқыштары да жанбайтын жылу қозғалтқыштарының бір түрі болуы мүмкін. Олар жылуды жұмысқа айналдыру үшін Стирлинг термодинамикалық циклын қолданады. Мысалы, альфа типті Стирлинг қозғалтқышында газ рекуператор арқылы 90 градусқа қарама-қарсы фазадағы поршеньдерге бекітілген ыстық және суық цилиндрлер арасында ағылады. Газ ыстық цилиндрде жылу алады және кеңейіп, коленвалды айналдыратын поршеньді қозғалтады. Рекуператор арқылы кеңейіп, ағып өткеннен кейін газ суық цилиндрде жылуды бөліп шығарады, ал одан кейінгі қысымның төмендеуі оның екінші (ығысу) поршеньмен сығылуына әкеледі, бұл оны ыстық цилиндрге қайтаруға мәжбүрлейді.

Электр қозғалтқышы

Электр қозғалтқышы механикалық энергияны өндіру үшін электр энергиясын пайдаланады, әдетте магнит өрістері мен ток өткізгіштерінің өзара әрекеттесуі арқылы. Электр энергиясын механикалық энергиядан өндірудің кері процесін генератор немесе динамо жүзеге асырады. Көлік құралдарында қолданылатын тарту моторлары көбінесе екі тапсырманы да орындайды. Электр қозғалтқыштары генератор ретінде де, керісінше де жұмыс істей алады, бірақ бұл әрқашан практикалық бола бермейді. Электр қозғалтқыштары өте кең таралған, олар өнеркәсіптік желдеткіштер, үрлегіштер мен сорғылар, станоктар, тұрмыстық техника, электр құралдары және дискілік жетектер сияқты алуан түрлі қолданыстарда кездеседі. Олар тура токпен (мысалы, батареямен жұмыс істейтін портативті құрылғы немесе автокөлік) немесе орталық электр тарату желісінен ауыспалы токпен қуатталуы мүмкін. Ең кішкентай моторлар электрлік сағаттарда кездеседі. Орташа өлшемді, жоғары стандартталған өлшемдер мен сипаттамалары бар моторлар өнеркәсіптік мақсаттар үшін ыңғайлы механикалық қуатты қамтамасыз етеді. Ең үлкен электр қозғалтқыштары үлкен кемелерді қозғалту үшін, сондай-ақ құбыр желілік компрессорларда, мыңдаған киловатт қуатпен қолданылады. Электр қозғалтқыштары электр қуатының көзіне, ішкі құрылысына және қолданылуына қарай жіктелуі мүмкін. Электр тогы мен магнит өрісінің өзара әрекеттесуі арқылы механикалық күшті өндірудің физикалық принципі 1821 жылдан бері белгілі. 19-шы ғасырда тиімділігі артып келе жатқан электр қозғалтқыштары жасалды, бірақ электр қозғалтқыштарын кең ауқымда коммерциялық түрде пайдалану үшін тиімді электр генераторлары мен электр тарату желілері қажет болды. Электр қозғалтқыштарынан электр энергиясын тұтынуды және олардың көміртегі ізі мен экологиялық зиянын азайту үшін көптеген елдердегі реттеуші органдар тиімді электр қозғалтқыштарын өндіруді және пайдалануды ынталандыру үшін заңнама енгізіп, іске асырды. Жақсы жобаланған қозғалтқыш кіріс энергиясының 90%-дан астамын ондаған жылдар бойы пайдалы қуатқа айналдыра алады. Егер мотордың тиімділігі бірнеше пайыздық пунктқа артса, киловатт-сағаттар (демек, шығындар) бойынша үнемделу өте зор болады. Типтік өнеркәсіптік индукциялық мотордың электр энергиясының тиімділігін келесідей жақсартуға болады: 1) статор орауларындағы электр шығындарын азайту (мысалы, өткізгіштің көлденең қимасының ауданын ұлғайту, орау техникасын жақсарту және мыс сияқты жоғары электр өткізгіштігі бар материалдарды пайдалану); 2) ротор катушкасындағы немесе құймадағы электр шығындарын азайту (мысалы, мыс сияқты жоғары электр өткізгіштігі бар материалдарды пайдалану арқылы); 3) жақсы сапалы магниттік болатты пайдалану арқылы магниттік шығындарды азайту; 4) моторлардың аэродинамикасын жақсарту арқылы механикалық орау шығындарын азайту; 5) сүргіш шығындарын азайту үшін подшипниктерді жақсарту; 6) өндіріс толеранстарын азайту. Бұл тақырып бойынша толыққанды ақпарат алу үшін «Жоғары тиімділік» бөлімін қараңыз. Конвенция бойынша, «электр машинасы» термині электр қозғалтқышын емес, теміржол электр локомотивін білдіреді.

An electric motor uses electrical energy to produce mechanical energy, usually through the interaction of magnetic fields and current carrying conductors. The reverse process, producing electrical energy from mechanical energy, is accomplished by a generator or dynamo. Traction motors used on vehicles often perform both tasks. Electric motors can be run as generators and vice versa, although this is not always practical. Electric motors are ubiquitous, being found in applications as diverse as industrial fans, blowers and pumps, machine tools, household appliances, power tools, and disk drives. They may be powered by direct current (for example a battery powered portable device or motor vehicle), or by alternating current from a central electrical distribution grid. The smallest motors may be found in electric wristwatches. Medium size motors of highly standardized dimensions and characteristics provide convenient mechanical power for industrial uses. The very largest electric motors are used for propulsion of large ships, and for such purposes as pipeline compressors, with ratings in the thousands of kilowatts. Electric motors may be classified by the source of electric power, by their internal construction, and by their application. The physical principle of production of mechanical force by the interactions of an electric current and a magnetic field was known as early as 1821. Electric motors of increasing efficiency were constructed throughout the 19th century, but commercial exploitation of electric motors on a large scale required efficient electrical generators and electrical distribution networks. To reduce the electric energy consumption from motors and their associated carbon footprints, various regulatory authorities in many countries have introduced and implemented legislation to encourage the manufacture and use of higher efficiency electric motors. A well designed motor can convert over 90% of its input energy into useful power for decades. When the efficiency of a motor is raised by even a few percentage points, the savings, in kilowatt hours (and therefore in cost), are enormous. The electrical energy efficiency of a typical industrial induction motor can be improved by: 1) reducing the electrical losses in the stator windings (e. g., by increasing the cross sectional area of the conductor, improving the winding technique, and using materials with higher electrical conductivities, such as copper), 2) reducing the electrical losses in the rotor coil or casting (e. g., by using materials with higher electrical conductivities, such as copper), 3) reducing magnetic losses by using better quality magnetic steel, 4) improving the aerodynamics of motors to reduce mechanical windage losses, 5) improving bearings to reduce friction losses, and 6) minimizing manufacturing tolerances. For further discussion on this subject, see Premium efficiency). By convention, electric engine refers to a railroad electric locomotive, rather than an electric motor.

Физикалық қуатты қозғалтқыш

Кейбір қозғалтқыштар потенциалдық немесе кинетикалық энергиямен жұмыс істейді. Мысалы, кейбір фуникулерлер, гравитациялық жолдар мен арқан жол конвейерлері қозғалмалы судың немесе тастардың энергиясын пайдаланған, ал кейбір сағаттардың салмағы гравитация күшімен төмен түседі. Потенциалдық энергияның басқа түрлеріне қысылған газдар (мысалы, пневматикалық қозғалтқыштар), серіппелер (механикалық сағаттар) және резеңке таспалар жатады. Тарихи әскери қоршау машиналарын ірі катапульттар, требушеттер және (кейбір жағдайларда) тарау машиналарын потенциалдық энергиямен қамтамасыз еткен.

Пневматикалық қозғалтқыш

Пневматикалық мотор – сығылған ауа түріндегі потенциалдық энергияны механикалық жұмысқа айналдыратын машина. Пневматикалық моторлар көбінесе сығылған ауаны тура немесе айналма қозғалыс арқылы механикалық жұмысқа түрлендіреді. Тұрақты қозғалыс диафрагма немесе поршеньді механизм арқылы, ал айналма қозғалыс лопастьты немесе поршеньді ауа моторы арқылы қамтамасыз етіледі. Пневматикалық моторлар қолмен ұсталатын құралдар саласында кеңінен қолданыс тапты және оларды көлік саласында қолдануды кеңейту бойынша жұмыстар жүргізілуде. Дегенмен, пневматикалық моторлар көлік саласында тиімді нұсқа ретінде қарастырылуы үшін тиімділік кемшіліктерін жою қажет.

Гидравликалық қозғалтқыш

Гидравликалық мотор қысыммен берілген сұйықтықтан қуатын алады. Осы типтегі қозғалтқыш ауыр жүктерді жылжытуға және жабдықтарды іске қосуға пайдаланылады.

Гибридті

Кейбір моторлық агрегаттарда энергияның бірнеше көздері болуы мүмкін. Мысалы, плагин-гибридті электр көлігінің электр қозғалтқышы энергияны аккумулятордан немесе ішкі жанатын қозғалтқыш пен генератор арқылы жанармайдан алуы мүмкін.

Өнер көрсету

Келесілер қозғалтқыштың жұмысын бағалауда қолданылады.

Жылдамдық

Жылдамдық – поршенді қозғалтқыштардағы коленвалдың айналуы, сондай-ақ компрессор/турбина және электрмотор роторларының жылдамдығын көрсетеді. Ол минутына айналым (rpm) арқылы өлшенеді.

Тіреу

Итеру күші – ұшақтың немесе кеменің қозғалтқышы ауа немесе суды үрлеу арқылы туындайтын күш. Ұшақта бұл пропеллердің немесе реактивті қозғалтқыштың ауаны жылдамдату нәтижесінде пайда болады, ал кемеде – пропеллердің суды жылдамдатуынан.

Дәнекерлеу

Бұрылыс моменті – білдектің айналу моменті, ол моментті тудыратын күшті білдектен арақашықтығына көбейту арқылы есептеледі.

Қуат

Қуат – жұмыс қаншалықты жылдам жасалатынының өлшемі.

Тиімділік

Тиімділік – жалпы кіріс энергиясына қарағанда пайдалы энергияның шығысының қатынасы.

Дыбыс деңгейлері

Көлік шуы көбінесе төмен жылдамдықтарда қозғалтқыштан, ал жоғары жылдамдықтарда дөңгелектерден және көлік басып өтетін ауадан туындайды. Электр қозғалтқыштары ішкі жану қозғалтқыштарына қарағанда тыныш жұмыс істейді. Иткіш күшін тудыратын қозғалтқыштар, мысалы, турбожелдеткіштер, турбосоздағыштар және зымырандар, олардың жоғары жылдамдықты газ ағынының айналағы тұрақты ауамен өзара әрекеттесуі салдарынан ең көп шу шығарады. Шуды азайту технологияларына бензин және дизель қозғалтқыштарындағы сору және шығару жүйелеріндегі дыбыс басу құрылғылары (силенсерлер) және турбожелдеткіштердің кіреберіс бөлігіндегі шуды жұмсартатын қаптамалар жатады.