Компоненты двигателей внутреннего сгорания

Двигатели и преобразование энергии в механическую работу.

Двигатели и моторы: принцип работы, виды энергии (тепловая, химическая, электрическая, ядерная) и применение в транспорте и промышленности.

19 мин чтения

100%

Источник: Engine — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Машина, преобразующая одну или несколько форм энергии в механическую энергию (движение).

Двигатель или мотор – это машина, предназначенная для преобразования одной или нескольких форм энергии в механическую энергию. Доступные источники энергии включают потенциальную энергию (например, энергию гравитационного поля Земли, используемую в производстве гидроэлектроэнергии), тепловую энергию (например, геотермальную), химическую энергию, электрический потенциал и ядерную энергию (от ядерного деления или ядерного синтеза). Многие из этих процессов генерируют тепло как промежуточную форму энергии, поэтому тепловые двигатели имеют особое значение. Некоторые природные процессы, такие как атмосферные конвекционные ячейки, преобразуют тепло окружающей среды в движение (например, в виде восходящих потоков воздуха). Механическая энергия особенно важна в транспорте, но также играет роль во многих промышленных процессах, таких как резка, шлифование, дробление и смешивание. Механические тепловые двигатели преобразуют тепло в работу посредством различных термодинамических процессов. Двигатель внутреннего сгорания, пожалуй, является наиболее распространенным примером механического теплового двигателя, в котором тепло от сгорания топлива вызывает быстрое повышение давления газообразных продуктов сгорания в камере сгорания, заставляя их расширяться и приводить в движение поршень, который вращает коленчатый вал. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, реактивный двигатель (например, газотурбинный двигатель) создает тягу, выбрасывая реактивную массу в соответствии с третьим законом Ньютона. Помимо тепловых двигателей, электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическое движение, пневматические двигатели используют сжатый воздух, а заводные механизмы в игрушках – упругую энергию. В биологических системах молекулярные двигатели, такие как миозины в мышцах, используют химическую энергию для создания сил и, в конечном итоге, движения (химический двигатель, но не тепловой двигатель). Химические тепловые двигатели, использующие воздух (окружающий атмосферный газ) в качестве компонента топливной реакции, рассматриваются как воздушно-реактивные двигатели. Химические тепловые двигатели, предназначенные для работы за пределами атмосферы Земли (например, ракеты, глубоководные подводные лодки), должны нести дополнительный компонент топлива, называемый окислителем (хотя существуют суперокислители, подходящие для использования в ракетах, такие как фтор, который является более сильным окислителем, чем кислород); или для получения тепла необходимо использовать нехимические методы, такие как ядерные реакции.

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.

Выбросы/Побочные продукты

Все тепловые двигатели, работающие на химическом топливе, выделяют выхлопные газы. Самые экологичные двигатели выделяют только воду. Строгие нулевые выбросы обычно подразумевают отсутствие выбросов, кроме воды и водяного пара. Только тепловые двигатели, сжигающие чистый водород (топливо) и чистый кислород (окислитель), достигают нулевых выбросов в строгом смысле этого слова (на практике, это один тип ракетного двигателя). Если водород сжигается в сочетании с воздухом (все воздушно-реактивные двигатели), происходит побочная реакция между атмосферным кислородом и атмосферным азотом, приводящая к небольшим выбросам оксидов азота, которые вредны даже в малых количествах. Если в качестве топлива сжигается углеводород (например, спирт или бензин), выделяется большое количество углекислого газа, мощного парникового газа. Водород и кислород из воздуха могут быть преобразованы в воду топливным элементом без побочного образования оксидов азота, но это электрохимический, а не тепловой двигатель.

Терминология

Слово «двигатель» происходит от старофранцузского engin, от латинского ingenium – корня слова «изобретательный». Доиндустриальное оружие, такое как катапульты, требушеты и тараны, называлось осадными машинами, а знания о том, как их строить, часто хранились в секрете. Слово «джин», как в «cotton gin», является сокращением от «engine». Большинство механических устройств, изобретенных во время промышленной революции, описывались как двигатели – паровой двигатель является ярким примером. Однако первые паровые двигатели, такие как машины Томаса Сэвери, были не механическими двигателями, а насосами. Таким образом, пожарная машина в своей первоначальной форме была просто водяным насосом, а двигатель доставлялся к месту пожара лошадьми. В современном употреблении термин «двигатель» обычно описывает устройства, такие как паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания, которые сжигают или иным образом потребляют топливо для выполнения механической работы, создавая крутящий момент или линейную силу (обычно в виде тяги). Устройства, преобразующие тепловую энергию в движение, обычно называют двигателями. Примеры двигателей, создающих крутящий момент, включают в себя знакомые автомобильные бензиновые и дизельные двигатели, а также турбовальные двигатели. Примеры двигателей, создающих тягу, включают турбовентиляторные и ракетные двигатели. Когда был изобретен двигатель внутреннего сгорания, термин «мотор» первоначально использовался для его отличия от парового двигателя, который в то время широко применялся для привода локомотивов и других транспортных средств, таких как паровые катки. Термин «мотор» происходит от латинского глагола, означающего «приводить в движение» или «поддерживать движение». Таким образом, мотор – это устройство, которое сообщает движение. В стандартном английском языке термины «мотор» и «двигатель» взаимозаменяемы. В некоторых инженерных терминах эти два слова имеют разные значения: двигатель – это устройство, которое сжигает или иным образом потребляет топливо, изменяя его химический состав, а мотор – это устройство, приводимое в действие электричеством, воздухом или гидравлическим давлением, которое не изменяет химический состав своего источника энергии. Однако в ракетной технике используется термин «ракетный двигатель», хотя ракеты потребляют топливо. Тепловой двигатель также может служить первичным двигателем – компонентом, который преобразует поток или изменение давления жидкости в механическую энергию. Автомобиль с двигателем внутреннего сгорания может использовать различные моторы и насосы, но в конечном итоге все эти устройства получают свою энергию от двигателя. Другой взгляд заключается в том, что мотор получает энергию от внешнего источника и преобразует ее в механическую энергию, в то время как двигатель создает энергию из давления (получаемого непосредственно от взрывной силы сгорания или другой химической реакции, или опосредованно от действия этой силы на другие вещества, такие как воздух, вода или пар).

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).

Античность

Простые машины, такие как дубинка и весло (примеры рычага), появились в доисторические времена. Более сложные механизмы, использующие человеческую силу, силу животных, энергию воды, ветра и даже пара, известны с античности. Человеческая сила концентрировалась с помощью простых машин, таких как канат, ворошалка или беговая дорожка, а также с использованием веревок, блоков и полиспастов; эта сила обычно передавалась с увеличением силы и уменьшением скорости. Они применялись в кранах и на кораблях в Древней Греции, а также в шахтах, водяных насосах и осадных машинах в Древнем Риме. Писатели того времени, включая Витрувия, Фронтина и Плиния Старшего, описывают эти машины как обыденные, поэтому их изобретение могло произойти еще раньше. К I веку н.э. быки и лошади использовались на мельницах, приводя в действие машины, подобные тем, которые приводились в движение людьми ранее. По словам Страбона, водяная мельница была построена в Каберии царства Митридата в I веке до н.э. В последующие столетия использование водяных колёс на мельницах распространилось по всей Римской империи. Некоторые из них были довольно сложными, с акведуками, плотинами и шлюзами для поддержания и направления потока воды, а также системами шестерен или зубчатых колёс из дерева и металла для регулирования скорости вращения. Более совершенные небольшие устройства, такие как Антикитерский механизм, использовали сложные зубчатые передачи и циферблаты для работы в качестве календарей или предсказания астрономических явлений. В поэме Аузония IV века н.э. упоминается каменная пила, приводимая в движение водой. Герону Александрийскому приписывают множество ветряных и паровых машин I века н.э., включая эолипил и торговый автомат; часто эти машины были связаны с религиозным культом, например, анимированные алтари и автоматические двери храмов.

Средневековье

Средневековые мусульманские инженеры применяли шестерни в мельницах и машинах для подъема воды, а плотины использовались как источник гидроэнергии для увеличения мощности водяных мельниц и машин для подъема воды. В средневековом исламском мире эти усовершенствования позволили механизировать множество промышленных задач, которые ранее выполнялись вручную. В 1206 году аль-Джазари использовал кривошипно-шатунный механизм в двух своих машинах для подъема воды. Рудиментарное устройство паровой турбины было описано Таки ад-Дином в 1551 году и Джованни Бранкой в 1629 году. В XIII веке в Китае был изобретен твердотопливный ракетный двигатель. Приводимый в действие порохом, этот простейший тип двигателя внутреннего сгорания не мог обеспечивать устойчивую мощность, но был полезен для разгона оружия на высокой скорости в сторону противника в бою и для фейерверков. После изобретения это новшество распространилось по всей Европе.

Промышленная революция

Ваттский паровой двигатель был первым типом парового двигателя, который использовал пар при давлении, лишь незначительно превышающем атмосферное, для привода поршня с помощью частичного вакуума. Являясь усовершенствованием конструкции паровой машины Ньюкомена 1712 года, двигатель Уатта, разрабатывавшийся непоследовательно с 1763 по 1775 год, стал важным шагом в развитии паровых двигателей. Обеспечивая значительное повышение топливной эффективности, конструкция Джеймса Уатта стала синонимом паровых двигателей, во многом благодаря его деловому партнёру Мэтью Болтону. Это позволило быстро развивать эффективные полуавтоматизированные фабрики в масштабах, ранее считавшихся немыслимыми, в местах, где не было доступа к гидроэнергии. Последующие разработки привели к созданию паровозов и значительному расширению железнодорожного транспорта. Что касается поршневых двигателей внутреннего сгорания, то они были испытаны во Франции в 1807 году де Ривазом и независимо друг от друга братьями Нипсе. Теоретически они были усовершенствованы Карно в 1824 году. В 1853–1857 годах Эудженио Барсанти и Феличе Маттуччи изобрели и запатентовали двигатель, использующий принцип свободного поршня, который, возможно, был первым четырехтактным двигателем. Изобретение двигателя внутреннего сгорания, которое впоследствии получило коммерческий успех, было сделано в 1860 году Этьеном Ленуаром. В 1877 году цикл Отто обеспечивал значительно более высокое отношение мощности к весу, чем паровые двигатели, и гораздо лучше подходил для многих транспортных применений, таких как автомобили и самолёты.

Автомобили

Первый коммерчески успешный автомобиль, созданный Карлом Бенцем, способствовал росту интереса к легким и мощным двигателям. Легкий бензиновый двигатель внутреннего сгорания, работающий по четырехтактному циклу Отто, оказался наиболее успешным для легковых автомобилей, а более эффективный дизельный двигатель – для грузовиков и автобусов. Однако в последние годы турбодизельные двигатели приобретают все большую популярность, особенно за пределами Соединенных Штатов, даже для весьма компактных автомобилей.

Пистоны с горизонтальной противоположностью

В 1896 году Карл Бенц получил патент на конструкцию первого двигателя с горизонтально расположенными поршнями. Его конструкция позволила создать двигатель, в котором соответствующие поршни двигаются в горизонтальных цилиндрах и достигают верхней мертвой точки одновременно, автоматически компенсируя импульс друг друга. Двигатели такого типа часто называют оппозитными или "плоскими" из-за их формы и невысокого профиля. Они применялись в автомобилях Volkswagen Beetle, Citroën 2CV, некоторых моделях Porsche и Subaru, многих мотоциклах BMW и Honda, а также в авиационных двигателях с воздушным винтом.

Продвижение

Продолжение использования двигателей внутреннего сгорания для автомобилей частично обусловлено совершенствованием систем управления двигателем (бортовые компьютеры, обеспечивающие процессы управления, и электронно-управляемый впрыск топлива). Принудительная подача воздуха с помощью турбонаддува и механического наддува увеличили мощность и эффективность двигателей. Аналогичные изменения были применены и к небольшим дизельным двигателям, обеспечив им характеристики мощности, близкие к бензиновым. Это особенно заметно по популярности компактных автомобилей с дизельными двигателями в Европе. Дизельные двигатели большего размера по-прежнему часто используются в грузовиках и тяжелой технике, хотя для их производства требуется специальная обработка, недоступная на большинстве предприятий. Дизельные двигатели производят меньше углеводородов и выбросов, но большее количество твердых частиц и загрязнений, чем бензиновые. Кроме того, дизельные двигатели на 40% экономичнее сопоставимых бензиновых двигателей.

Конфигурация двигателя

Ранние разработки автомобильных двигателей привели к созданию гораздо более широкого ассортимента двигателей, чем те, что обычно используются сегодня. Двигатели варьировались от 1 до 16 цилиндров, с соответствующими различиями в общих размерах, весе, рабочем объеме и диаметре цилиндров. В большинстве моделей использовались четырехцилиндровые двигатели с мощностью от 19 до 120 л.с. (14 до 90 кВт). Было построено несколько трехцилиндровых двигателей с двухтактным циклом, в то время как большинство двигателей имели рядные цилиндры. Существовали также V-образные и оппозитные двух- и четырехцилиндровые двигатели. Часто применялись верхние распредвалы. Меньшие двигатели обычно охлаждались воздухом и располагались сзади автомобиля, при этом степень сжатия была относительно низкой. В 1970-х и 1980-х годах возрос интерес к повышению топливной экономичности, что привело к возвращению к более компактным V6 и четырехцилиндровым схемам, с пятью клапанами на цилиндр для повышения эффективности. Bugatti Veyron 16.4 оснащен двигателем W16, что означает, что два V8 расположены рядом друг с другом, образуя W-образную конфигурацию с общим коленчатым валом. Самый большой двигатель внутреннего сгорания, когда-либо построенный, – это Wärtsilä Sulzer RTA96 C, 14-цилиндровый двухтактный турбодизельный двигатель, разработанный для привода Emma Mærsk, крупнейшего контейнеровоза в мире на момент его спуска на воду в 2006 году. Масса этого двигателя составляет 2300 тонн, и при работе на скорости 102 об/мин (1,7 Гц) он развивает мощность более 80 МВт и может потреблять до 250 тонн топлива в сутки.

Типы

Двигатель можно классифицировать по двум критериям: по виду энергии, которую он использует для создания движения, и по типу создаваемого им движения.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания — это тепловые двигатели, приводимые в действие теплом, выделяющимся при сгорании.

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания – это двигатель, в котором сгорание топлива (как правило, ископаемого топлива) происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания. В двигателе внутреннего сгорания расширение высокотемпературных и высоконапорных газов, образующихся при сгорании, непосредственно воздействует на компоненты двигателя, такие как поршни, лопатки турбины или сопло, и, перемещая их, производит механическую работу.

Двигатель внешнего сгорания

Двигатель внешнего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в котором внутренняя рабочая жидкость нагревается за счет сгорания внешнего источника тепла через стенку двигателя или теплообменник. Затем жидкость, расширяясь, воздействует на механизм двигателя, производя движение и полезную работу. После этого жидкость охлаждается, сжимается и используется повторно (замкнутый цикл) или (реже) удаляется, а холодная жидкость забирается (двигатель с открытым циклом). Под "сгоранием" подразумевается сжигание топлива с окислителем для получения тепла. Двигатели с аналогичной (или даже идентичной) конструкцией и принципом работы могут использовать тепло от других источников, таких как ядерный, солнечный, геотермальный или экзотермические реакции, не связанные с сгоранием; однако в этом случае они не классифицируются строго как двигатели внешнего сгорания, а как внешние тепловые двигатели. Рабочей жидкостью может быть газ, как в двигателе Стирлинга, или пар, как в паровом двигателе, или органическая жидкость, например, n-пентан в органическом цикле Ранкина. Жидкость может иметь любой состав; газ является наиболее распространенным, хотя иногда используется даже однофазная жидкость. В случае парового двигателя жидкость изменяет фазовое состояние между жидкой и газообразной фазами.

Экологические последствия

Работа двигателей обычно оказывает негативное влияние на качество воздуха и уровень окружающего шума. В последнее время все больше внимания уделяется факторам, вызывающим загрязнение в автомобильных силовых установках. Это породило новый интерес к альтернативным источникам энергии и совершенствованию двигателей внутреннего сгорания. Хотя появилось несколько моделей электромобилей с ограниченным производством, работающих от аккумуляторов, они не смогли составить конкуренцию из-за высокой стоимости и особенностей эксплуатации. В XXI веке дизельные двигатели становятся все более популярными среди автовладельцев. Однако бензиновые и дизельные двигатели, оснащенные новыми системами контроля выбросов для улучшения экологических показателей, пока не получили серьезной альтернативы. Ряд производителей представили гибридные двигатели, как правило, сочетающие небольшой бензиновый двигатель с электродвигателем и аккумуляторной батареей большой емкости; они начинают пользоваться популярностью благодаря растущей экологической осведомленности.

Качество воздуха

Выхлопные газы двигателя с искровым зажиганием состоят из следующего: азот 70–75% (по объему), водяной пар 10–12%, углекислый газ 10–13,5%, водород 0,5–2%, кислород 0,2–2%, оксид углерода: 0,1–6%, несгоревшие углеводороды и продукты неполного сгорания (например, альдегиды) 0,5–1%, оксид азота 0,01–0,4%, закись азота <100 ppm, диоксид серы 15–60 ppm, следы других соединений, таких как топливные присадки и смазочные материалы, а также галогены и металлические соединения, и другие частицы. Оксид углерода высокотоксичен и может вызвать отравление угарным газом, поэтому важно избегать его накопления в замкнутом пространстве. Каталитические нейтрализаторы могут снизить токсичность выбросов, но не устранить их полностью. Кроме того, выбросы парниковых газов, в основном углекислого газа, связанные с широким использованием двигателей в современном индустриальном мире, способствуют глобальному парниковому эффекту – серьезной проблеме глобального потепления.

Некожёвые тепловые двигатели

Некоторые двигатели преобразуют тепло от процессов, не связанных с горением, в механическую работу. Например, атомная электростанция использует тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, для производства пара и привода парового двигателя, или газовая турбина в ракетном двигателе может приводиться в действие за счет разложения пероксида водорода. Помимо различного источника энергии, конструкция двигателя часто аналогична двигателям внутреннего или внешнего сгорания. Другая группа двигателей, не использующих горение, включает термоакустические тепловые двигатели (иногда называемые "ТА-двигателями"), которые являются термоакустическими устройствами, использующими звуковые волны большой амплитуды для переноса тепла из одного места в другое, или, наоборот, использующими разницу температур для генерации звуковых волн большой амплитуды. В общем случае термоакустические двигатели можно разделить на устройства с стоячей и бегущей волной. Двигатели Стирлинга также могут быть формой теплового двигателя, не использующего горение. Они используют термодинамический цикл Стирлинга для преобразования тепла в работу. Примером является альфа-тип двигателя Стирлинга, в котором газ течет через рекуператор между горячим и холодным цилиндрами, соединенными с возвратно-поступательными поршнями со сдвигом фаз в 90°. Газ получает тепло в горячем цилиндре и расширяется, приводя в движение поршень, который вращает коленчатый вал. После расширения и прохождения через рекуператор газ отдает тепло в холодном цилиндре, а последующее снижение давления приводит к его сжатию другим (вытесняющим) поршнем, который возвращает его в горячий цилиндр.

Электромотор

Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, как правило, посредством взаимодействия магнитных полей и проводников с током. Обратный процесс – получение электрической энергии из механической – осуществляется генератором или динамо-машиной. Тяговые двигатели, используемые в транспортных средствах, часто выполняют обе эти функции. Электродвигатели могут работать как генераторы и наоборот, хотя это не всегда целесообразно. Электродвигатели широко распространены и применяются в самых разных областях, таких как промышленные вентиляторы, воздуходувки и насосы, станки, бытовая техника, электроинструменты и накопители на дисках. Они могут питаться от постоянного тока (например, от аккумуляторного устройства или автомобиля) или от переменного тока из центральной электрической сети. Самые маленькие двигатели можно найти в электрических наручных часах. Средние по размеру двигатели, имеющие строго стандартизированные размеры и характеристики, обеспечивают удобную механическую мощность для промышленных целей. Самые крупные электродвигатели используются для привода больших судов, а также для таких целей, как компрессоры трубопроводов, с мощностью в несколько тысяч киловатт. Электродвигатели классифицируются по источнику электроэнергии, внутренней конструкции и области применения. Физический принцип создания механической силы посредством взаимодействия электрического тока и магнитного поля был известен еще в 1821 году. В течение XIX века создавались электродвигатели с постоянно повышающейся эффективностью, однако для широкого коммерческого использования электродвигателей требовались эффективные электрические генераторы и сети электроснабжения. Для снижения потребления электроэнергии двигателями и связанных с этим выбросов углекислого газа, различные регулирующие органы во многих странах ввели и реализовали законодательство, стимулирующее производство и использование электродвигателей с более высокой эффективностью. Хорошо спроектированный двигатель может преобразовывать более 90% потребляемой энергии в полезную мощность в течение десятилетий. Даже небольшое повышение эффективности двигателя, всего на несколько процентных пунктов, приводит к огромной экономии в киловатт-часах (и, следовательно, в затратах). Электроэнергетическую эффективность типичного промышленного индукционного двигателя можно повысить за счет: 1) снижения электрических потерь в обмотках статора (например, за счет увеличения площади поперечного сечения проводника, улучшения техники обмотки и использования материалов с более высокой электропроводностью, таких как медь), 2) снижения электрических потерь в обмотке ротора или литой массе ротора (например, за счет использования материалов с более высокой электропроводностью, таких как медь), 3) снижения магнитных потерь за счет использования магнитной стали более высокого качества, 4) улучшения аэродинамики двигателей для снижения механических потерь на трение, 5) улучшения подшипников для снижения потерь на трение и 6) минимизации производственных допусков. Более подробное обсуждение этой темы можно найти в разделе «Высокая эффективность». По общепринятой терминологии, «электрический двигатель» относится к железнодорожному электрическому локомотиву, а не к электродвигателю.

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.

Двигатель с физическим приводом

Некоторые двигатели работают на потенциальной или кинетической энергии, например, некоторые фуникулёры, гравитационные плоскости и конвейеры канатных дорог использовали энергию движущейся воды или камней, а некоторые часы имеют груз, падающий под действием силы тяжести. Другие формы потенциальной энергии включают сжатые газы (такие как пневматические двигатели), пружины (заводные двигатели) и эластичные ленты. Исторические военные осадные машины, такие как большие катапульты, требушеты и, в некоторой степени, тараны, приводились в действие потенциальной энергией.

Пневматический двигатель

Пневматический двигатель – это машина, преобразующая потенциальную энергию сжатого воздуха в механическую работу. Пневматические двигатели обычно преобразуют сжатый воздух в механическую работу посредством линейного или вращательного движения. Линейное движение может создаваться диафрагменным или поршневым приводом, а вращательное – лопастным или поршневым пневмодвигателем. Пневматические двигатели получили широкое распространение в производстве ручного инструмента, и постоянно предпринимаются попытки расширить сферу их применения в транспортной отрасли. Однако, прежде чем пневматические двигатели будут рассматриваться как жизнеспособный вариант для транспортной отрасли, необходимо решить проблему их недостаточной эффективности.

Гидравлический двигатель

Гидравлический двигатель получает мощность от жидкости под давлением. Этот тип двигателя используется для перемещения тяжелых грузов и привода механизмов.

Гибридный

Некоторые моторные группы могут иметь несколько источников энергии. Например, электродвигатель подключаемого гибридного электромобиля может получать электроэнергию либо от аккумулятора, либо от ископаемого топлива через двигатель внутреннего сгорания и генератор.

Выступление

В оценке работы двигателя используются следующие показатели.

Скорость

Скорость обозначает частоту вращения коленчатого вала в поршневых двигателях, а также скорость вращения роторов компрессоров/турбин и роторов электродвигателей. Она измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

Двигатель

Тяга — это сила, действующая на самолет в результате ускорения воздуха пропеллером или реактивным двигателем. Это также сила, действующая на корабль в результате ускорения воды его пропеллером.

крутящий момент

Торк – это вращающий момент, действующий на вал, и он вычисляется путем умножения силы, создающей этот момент, на расстояние от вала до точки приложения силы.

Мощность

Мощность — это мера скорости выполнения работы.

Эффективность

Эффективность — это отношение полезной энергии на выходе к общей энергии на входе.

Уровни шума

Шум транспортного средства в основном исходит от двигателя на низких скоростях и от шин и обтекающего воздуха на более высоких скоростях. Электродвигатели работают тише, чем двигатели внутреннего сгорания. Двигатели, создающие тягу, такие как турбовентиляторные, турбореактивные двигатели и ракетные двигатели, производят наибольший уровень шума из-за взаимодействия их высокоскоростных выхлопных струй с окружающим воздухом. Технологии снижения шума включают глушители впускной и выпускной систем бензиновых и дизельных двигателей, а также звукопоглощающие облицовки во входах турбовентиляторных двигателей.