Въведение:
Двигателите са машини, които преобразуват енергията в движение или механична работа. Енергията обикновено се доставя под формата на химическо гориво (например бензин), пара или електричество, а механичната работа обикновено се осигурява под формата на въртящ се вал. Двигателите обикновено се разделят на:
- в зависимост от вида на използваната енергия, като пара, сгъстен въздух или бензин
- според начина на движение на основните части на бутало и въртящо се
- според мястото, където се извършва превръщането на химическата енергия в топлинна енергия, в двигатели с вътрешно горене за бензинови и дизелови двигатели
- според метода за охлаждане на двигателя с водно или въздушно охлаждане
- според броя на ходовете на буталото в пълен цикъл до двутактов или четиритактов
- според вида цикъл на Otto (бензинов двигател) или дизелов двигател.
Специални видове двигатели са вятърни двигатели, газови турбини, парни турбини, ракетни или реактивни двигатели.
Двигател с вътрешно горене - четиритактов:
Днес двигателите с вътрешно горене задвижват почти всички автомобили в света. Те използват енергията на газовете, създадени от изгарянето на горивната смес, за движение. Бензиновият двигател работи, като подава смес от въздух и бензин към цилиндрите, в които са разположени буталата. Сместа се концентрира чрез компресия. Електрическата свещ създава искра, която запалва тази смес и получените газове движат буталата в цилиндрите. Изгорялата смес се изхвърля. Това създава цикъл. За двутактови двигатели се изисква само едно завъртане на разпределителния вал на цикъл.
Дизелов двигател с вътрешно горене:
Много автомобили и влакове се задвижват от мощни дизелови двигатели; те също са двигатели с вътрешно горене, но не горят бензин, а дизел. Двигателят работи подобно на бензиновия двигател, но няма електрически свещи, но е оборудван с инжекционна помпа, която впръсква дизел в цилиндрите чрез дюзи. Буталото компресира въздуха, който го загрява до много висока температура (над 500 oC), при която диспергираният дизел се запалва - следователно този двигател се нарича дизел.
Реактивен двигател:
Реактивен двигател (основно газова турбина) управлява повечето високоскоростни самолети. Бързо въртящите се вентилатори отпред на двигателя засмукват въздух, който преминава под високо налягане в няколко камери. Там сгъстеният въздух се смесва с горивото; тази смес се запалва, горещите горивни газове се разширяват и текат към изходящата дюза. В същото време те въртят турбина, която задвижва вентилатори в предната част на двигателя. Въздухът тече не само през основната част на двигателя, но и през байпасния канал около него. Това увеличава общото количество въздух, преминаващ през двигателя, като по този начин увеличава тягата му. В допълнение, каналът намалява шума на двигателя.
Парна машина (парна машина):
Парната машина се намира например в локомотив. Котелът изгаря дърва или въглища, които генерират топлина. Горещият въздух и дим преминават през тръбите в резервоара за вода. Топлината превръща водата в пара. Парата преминава през тръбите в цилиндъра, където натиска буталото веднъж от едната страна, веднъж от другата, като по този начин го премества. Движението на буталото се предава на задвижващите колела. Пара и дим излизат през клапана и излизат през комина.
Електрически двигатели:
Електродвигателите са много прости и надеждни машини. Повечето от тях са въртящи се машини, които преобразуват механичната енергия в електрическа или обратно. Те се състоят от фиксирана стойка и бягащ бегач. Стойката и бегачът са изработени от електропроводим материал. Тъй като токът преминава през магнитната котва, магнитната реакция генерира въртящ момент и магнитната котва се върти. Работата на електрическия алтернатор и свързването на полетата на бобината на двигателя са абсолютно същите като при генераторите. Въртенето на магнитната котва предизвиква напрежение в резбите на котвата. Това индуцирано напрежение е в посока, обратна на приложеното отвън напрежение на котвата и поради това се нарича обратна или обратна електромоторна сила. Тъй като двигателят се върти по-бързо, обратната електродвижеща сила се увеличава, докато тя е почти същата като използваното напрежение. Токът е малък и скоростта на двигателя остава постоянна, докато двигателят се прибере и не генерира никаква механична работа, различна от работата, необходима за завъртане на самата котва. При натоварване котвата се върти по-бавно, намалява електромоторната сила и позволява по-голям ток да тече в котвата. По този начин двигателят е в състояние да получи повече електричество от източника и да създаде повече механична работа.
Тъй като скоростта на въртене контролира потока на тока в котвата, са необходими специални устройства за стартиране на двигателя. Когато котвата е в покой, тя всъщност няма съпротивление и ако се използва нормално работно напрежение, през нея ще тече голям ток, който може да повреди алтернатора или намотката на котвата. За да се предотврати повреда на котвата, се използват последователно свързани резистори за намаляване на тока, докато двигателят започне да генерира достатъчна електродвижеща сила. Колкото по-бързо се движи двигателят, съпротивлението постепенно намалява, ръчно или автоматично.
Скоростта, с която работи двигателят, зависи от силата на магнитното поле, действащо върху котвата, както и от тока в котвата. Колкото по-силно е полето, толкова по-малък е броят на оборотите, необходими за създаване на достатъчно голяма възвратна електромоторна сила като противотежест на приложеното напрежение. По тази причина скоростта на двигателите може да се контролира чрез промяна на тока.
Водород:
Електричеството може да разгради водата до газове: водород и кислород. Когато водородът и кислородът влязат в контакт, те изгарят обратно във вода и генерират енергия. Но водородът е твърде рядък за изгаряне. Много по-изгодно е да го превърнете обратно в електричество с помощта на горивна клетка. Горивната клетка генерира електрически ток чрез химичен процес. Тези "клетки" могат да бъдат с различни размери. Някои са толкова малки, че да заменят малки батерии, но други могат да се използват в електроцентралите за производство на електричество. DaimlerChrysler построи автобус с това задвижване и Ford обещава първата серийно произведена кола с това задвижване.
Азот:
Изследователите от Вашингтонския университет разработват нова кола без вредни емисии. Принципът е същият като при парна машина, с изключение на липсата на горене. Вместо това се компресира течен азот, който след това се превръща в пара в топлообменника от топлия въздух, който го заобикаля. Този топлообменник действа като автомобилен радиатор, но вместо да охлажда двигателя с въздух, той използва температурата на околната среда за загряване и кипене на азот. Полученият азотен газ се подава към двигател, който работи като парна машина, превръщайки налягането в механична работа. Единственият отпадък е азотът, който съставлява по-голямата част от земната атмосфера.