Typy silników i jak one działają

Silniki to maszyny, które przekształcają źródło energii w pracę fizyczną. Jeśli potrzebujesz czegoś do poruszania się, silnik jest właśnie tą rzeczą, którą możesz do niego włożyć. Ale nie wszystkie silniki są wykonane tak samo, a różne typy silników na pewno nie działają tak samo.

Prawdopodobnie najbardziej intuicyjnym sposobem rozróżnienia między nimi jest rodzaj energii, którą każdy silnik wykorzystuje do zasilania.

• Silniki cieplne
  • Silniki wewnętrznego spalania (silniki IC)
  • Silniki zewnętrznego spalania (silniki EC)
  • Reakcja silniki
• Silniki elektryczne
• Silniki fizyczne

Silniki cieplne

W najszerszej możliwej definicji, silniki te wymagają źródła ciepła do przekształcenia w ruch. W zależności od sposobu generowania ciepła, mogą to być silniki spalinowe (które spalają rzeczy) lub bezspalinowe. Działają one albo poprzez bezpośrednie spalanie materiału pędnego, albo poprzez przemianę płynu w celu wytworzenia pracy. Jako takie, większość silników termicznych również pokrywa się z chemicznymi systemami napędowymi. Mogą to być silniki oddychające powietrzem (które pobierają utleniacz, taki jak tlen z atmosfery) lub silniki nie oddychające powietrzem (które mają utleniacze chemicznie związane z paliwem).

Silniki wewnętrznego spalania

Silniki wewnętrznego spalania (silniki IC) są dziś dość wszechobecne. Zasilają samochody, kosiarki do trawy, helikoptery i tak dalej. Największy silnik spalinowy może wygenerować 109 000 KM, aby zasilić statek, który przenosi 20 000 kontenerów. Silniki spalinowe czerpią energię z paliwa spalanego w wyspecjalizowanym obszarze systemu zwanym komorą spalania. W procesie spalania powstają produkty reakcji (spaliny) o znacznie większej objętości niż objętość reaktantów (paliwa i utleniacza). To rozprężanie jest prawdziwym chlebem powszednim silników spalinowych – to właśnie ono zapewnia ruch. Heat is only a byproduct of combustion and represents a wasted part of the fuel’s energy store, because it doesn’t actually provide any physical work.

IC engines are differentiated by the number of 'strokes’ or cycles each piston makes for a full rotation of the crankshaft. Najbardziej powszechne są obecnie silniki czterosuwowe, w których reakcja spalania przebiega w czterech etapach:

1. Indukcja lub wtrysk mieszanki paliwowo-powietrznej (nawęglanie) do komory spalania.
2. Kompresja mieszanki.
3. Zapłon za pomocą świecy zapłonowej lub sprężanie – paliwo idzie w ruch.
4. Emisja spalin.

Dla każdego kroku, tłok czterosuwowy jest alternatywnie popychany w dół lub z powrotem w górę. Zapłon jest jedynym krokiem, w którym praca jest generowana w silniku, więc dla wszystkich innych kroków, każdy tłok polega na energii ze źródeł zewnętrznych (inne tłoki, rozrusznik elektryczny, ręczne korbowanie lub bezwładność wału korbowego), aby się poruszać. To dlatego musisz pociągnąć za cięciwę w swojej kosiarce do trawy i dlatego twój samochód potrzebuje działającego akumulatora, aby rozpocząć pracę.

Inne kryteria rozróżniania silników spalinowych to rodzaj stosowanego paliwa, liczba cylindrów, całkowita objętość skokowa (wewnętrzna objętość cylindrów), rozmieszczenie cylindrów (silniki rzędowe, promieniowe, V-engines, itp.), a także moc i stosunek mocy do masy.

Silniki o spalaniu zewnętrznym

Silniki o spalaniu zewnętrznym (silniki EC)utrzymują oddzielnie paliwo i produkty spalin – spalają paliwo w jednej komorze i ogrzewają płyn roboczy wewnątrz silnika poprzez wymiennik ciepła lub ścianę silnika. Ten grand daddy-o z rewolucji przemysłowej, silnik parowy, należy do tej kategorii.

W niektórych aspektach, silniki EC działają podobnie do ich odpowiedników IC – oba wymagają ciepła, które jest uzyskiwane przez spalanie rzeczy. Istnieją jednak również pewne różnice.

Silniki WE wykorzystują ciecze, które ulegają termicznej dylatacji-kontrakcji lub zmianie fazy, ale których skład chemiczny pozostaje niezmieniony. Stosowany płyn może być gazowy (jak w silniku Stirlinga), ciekły (silnik z organicznym cyklem Rankine’a) lub może przechodzić zmianę fazy (jak w silniku parowym) – w przypadku silników spalinowych płyn jest prawie zawsze mieszaniną ciekłego paliwa i powietrza, która ulega spalaniu (zmienia swój skład chemiczny). Wreszcie, silniki mogą albo usuwać płyn po użyciu, tak jak robią to silniki spalinowe (silniki o cyklu otwartym), albo stale używać tego samego płynu (silniki o cyklu zamkniętym).

Zaskakująco, pierwsze silniki parowe do użytku przemysłowego generowały pracę poprzez wytworzenie próżni, a nie ciśnienia. Nazywane „silnikami atmosferycznymi”, były to ciężkie maszyny i bardzo nieefektywne pod względem zużycia paliwa. Z czasem silniki parowe przybrały formę i charakterystykę, jakiej oczekujemy od dzisiejszych silników i stały się bardziej wydajne – tłokowe silniki parowe wprowadziły system tłokowy (do dziś używany przez silniki spalinowe) lub systemy silników złożonych, które ponownie wykorzystały płyn w cylindrach przy zmniejszającym się ciśnieniu, aby wygenerować dodatkowe „oomph”.

Dzisiaj silniki parowe wypadły z powszechnego użycia: są ciężkie, nieporęczne, mają znacznie niższą wydajność paliwa i stosunek mocy do masy niż silniki spalinowe i nie mogą zmieniać mocy tak szybko. Ale jeśli nie przeszkadza ci ich waga, rozmiar i potrzebujesz stałego dopływu pracy, są świetne. Jako takie, silniki EC są obecnie stosowane z dużym powodzeniem jako turbiny parowe w marynarce wojennej i elektrowniach.

Silniki jądrowe są nazywane silnikami bezspalinowymi lub zewnętrznymi silnikami termicznymi, ponieważ działają na tych samych zasadach co silniki EC, ale nie czerpią mocy ze spalania.

Silniki reakcyjne

Silniki reakcyjne, potocznie nazywane silnikami odrzutowymi, wytwarzają ciąg przez wyrzucanie masy reakcyjnej. Podstawową zasadą działania silnika reakcyjnego jest trzecie prawo Newtona – zasadniczo, jeśli dmuchniesz w coś z wystarczającą siłą przez tylną część silnika, to popchnie to przednią część do przodu. A silniki odrzutowe są w tym naprawdę dobre.

Rzeczy, które zwykle określamy jako silniki „odrzutowe”, te przywiązane do samolotu pasażerskiego Boeinga, są ściśle mówiąc silnikami odrzutowymi oddychającymi powietrzem i należą do klasy silników napędzanych turbinami. Silniki strumieniowe, które są zwykle uważane za prostsze i bardziej niezawodne, ponieważ zawierają mniej (nawet żadnych) ruchomych części, są również silnikami odrzutowymi na powietrze, ale należą do klasy silników napędzanych silnikiem strumieniowym. Różnica między nimi polega na tym, że ramjety polegają na samej prędkości, aby wprowadzić powietrze do silnika, podczas gdy turboodrzutowce używają turbin do zasysania i sprężania powietrza do komory spalania. Poza tym, działają one w dużej mierze tak samo.

W turboodrzutowcach, powietrze jest wciągane do komory silnika i sprężane przez obracającą się turbinę. W ramjetach powietrze jest pobierane i sprężane przez bardzo szybką jazdę. Wewnątrz silnika, jest ono mieszane z paliwem o dużej mocy i zapalane. Kiedy zagęścisz powietrze (a więc i tlen), zmieszasz je z dużą ilością paliwa i zdetonujesz (wytwarzając w ten sposób spaliny i rozszerzając termicznie cały gaz), otrzymasz produkt reakcji, który ma ogromną objętość w porównaniu z zasysanym powietrzem. Jedynym miejscem, przez które cała ta masa gazów może się przedostać, jest tylna część silnika, co czyni z ogromną siłą. Po drodze napędza turbinę, zasysając więcej powietrza i podtrzymując reakcję. A żeby dodać obelgę do obrażeń, na tylnym końcu silnika znajduje się dysza napędowa.

Ten element wyposażenia zmusza cały gaz do przejścia przez jeszcze mniejszą przestrzeń niż ta, przez którą wszedł – w ten sposób jeszcze bardziej przyspieszając go do postaci „strumienia” materii. Spaliny opuszczają silnik z niesamowitą prędkością, do trzech razy większą od prędkości dźwięku, popychając samolot do przodu.

Silniki odrzutowe nie oddychające powietrzem, lub silniki rakietowe, działają tak samo jak silniki odrzutowe bez przedniej części – ponieważ nie potrzebują zewnętrznego materiału do podtrzymania spalania. Możemy ich używać w kosmosie, ponieważ mają cały potrzebny utleniacz, upakowany w paliwie. Są one jednym z niewielu typów silników, które konsekwentnie wykorzystują paliwa stałe.

Silniki cieplne mogą być absurdalnie duże, lub uroczo małe. Ale co jeśli wszystko co masz to gniazdko, a potrzebujesz zasilić swoje rzeczy? Cóż, w takim przypadku potrzebujesz:

Silniki elektryczne

Ach tak, czysty gang. Istnieją trzy rodzaje klasycznych silników elektrycznych: magnetyczny, piezoelektryczny i elektrostatyczny.

Magnetyczny, jak bateria, jest najczęściej używany z tych trzech. Opiera się na interakcji pomiędzy polem magnetycznym a przepływem elektrycznym w celu wygenerowania pracy. Działa on na tej samej zasadzie co dynamo, ale w odwrotnym kierunku. W rzeczywistości, można wygenerować trochę mocy elektrycznej, jeśli ręcznie kręcisz korbą silnika elektryczno-magnetycznego.

Aby stworzyć silnik magnetyczny potrzebujesz kilku magnesów i zwiniętego przewodnika. Kiedy do uzwojenia przyłożony jest prąd elektryczny, indukuje on pole magnetyczne, które oddziałuje z magnesem tworząc obrót. Ważne jest, aby utrzymać te dwa elementy oddzielnie, dlatego silniki elektryczne mają dwa główne komponenty: stojan, który jest zewnętrzną częścią silnika i pozostaje nieruchomy, oraz wirnik, który obraca się wewnątrz niego. Te dwa elementy są oddzielone szczeliną powietrzną. Zazwyczaj magnesy są wbudowane w stojan, a przewodnik jest nawinięty wokół wirnika, ale te dwa elementy są wymienne. Silniki magnetyczne są również wyposażone w komutator do zmiany przepływu elektrycznego i modulowania indukowanego pola magnetycznego podczas obracania się wirnika w celu utrzymania rotacji.

Napędy piezoelektryczne to rodzaje silników, które wykorzystują właściwości niektórych materiałów polegające na wytwarzaniu drgań ultradźwiękowych po poddaniu ich przepływowi prądu elektrycznego w celu wytworzenia pracy. Silniki elektrostatyczne wykorzystują ładunki podobne do siebie do odpychania się i generowania obrotów w wirniku. Ponieważ pierwszy z nich wykorzystuje drogie materiały, a drugi wymaga stosunkowo wysokiego napięcia do działania, nie są one tak powszechne jak napędy magnetyczne.

Klasyczne silniki elektryczne mają jedne z najwyższych sprawności energetycznych wśród wszystkich silników, przekształcając do 90% energii w pracę.

Napędy jonowe

Napędy jonowe są swego rodzaju mieszanką silnika odrzutowego i elektrostatycznego. Ta klasa napędów przyspiesza jony (plazmę) za pomocą ładunku elektrycznego w celu wytworzenia napędu. Nie działają one, jeśli wokół statku znajdują się już jony, więc są bezużyteczne poza próżnią kosmiczną.

Mają one również bardzo ograniczoną moc wyjściową. Ponieważ jednak wykorzystują tylko energię elektryczną i pojedyncze cząsteczki gazu jako paliwo, były intensywnie badane pod kątem zastosowania w statkach kosmicznych. Deep Space 1 i Dawn z powodzeniem wykorzystały napędy jonowe. Mimo to technologia ta wydaje się najbardziej odpowiednia dla małych statków i satelitów, ponieważ ślad elektronowy pozostawiony przez te napędy negatywnie wpływa na ich ogólną wydajność.

Napędy EM/Cannae

Napędy EM/Cannae wykorzystują promieniowanie elektromagnetyczne zawarte we wnęce mikrofalowej do generowania zaufania. Jest to prawdopodobnie najbardziej osobliwy spośród wszystkich typów silników. Nazywany jest nawet napędem „niemożliwym”, ponieważ jest napędem niereakcyjnym – co oznacza, że nie wytwarza żadnych wyładowań do generowania ciągu, pozornie omijając trzecie prawo.

„Zamiast paliwa, wykorzystuje mikrofale odbijające się od starannie dostrojonego zestawu reflektorów, aby osiągnąć niewielkie siły, a tym samym uzyskać ciąg bez paliwa”, poinformował Andrei o napędzie.

Było wiele dyskusji na temat tego, czy ten typ silnika faktycznie działa, czy nie, ale testy NASA potwierdziły, że jest funkcjonalnie zdrowy. W przyszłości doczeka się nawet modernizacji. Ponieważ wykorzystuje tylko energię elektryczną do generowania ciągu, choć w niewielkich ilościach, wydaje się być najlepiej przystosowanym napędem do eksploracji kosmosu.

Ale to dopiero przyszłość. Przyjrzyjmy się, jak to wszystko się zaczęło. Przyjrzyjmy się:

Silniki fizyczne

Silniki te polegają na zmagazynowanej energii mechanicznej, aby funkcjonować. Silniki zegarowe, pneumatyczne i hydrauliczne to napędy fizyczne.

Nie są one strasznie wydajne. Zazwyczaj nie mogą też korzystać z dużych rezerw energii. Silniki zegarowe, na przykład, przechowują energię sprężystą w sprężynach i muszą być nakręcane każdego dnia. Pneumatyczne i hydrauliczne silniki muszą nosić ze sobą ciężkie rury ze sprężonymi płynami, które zazwyczaj nie wytrzymują zbyt długo. Na przykład Plongeur, pierwsza na świecie łódź podwodna o napędzie mechanicznym zbudowana we Francji w latach 1860-1863, posiadała tłokowy silnik pneumatyczny zasilany przez 23 zbiorniki pod ciśnieniem 12,5 bara. Zajmowały one ogromną przestrzeń (153 m sześciennych) i wystarczały do napędzania okrętu na 5 mil morskich (9 km) przy prędkości 4 węzłów.

Napędy fizyczne były prawdopodobnie pierwszymi, jakie kiedykolwiek zastosowano. Katapulty, trebusze, czy tarany, wszystkie opierają się na tego typu silnikach. Podobnie jest z dźwigami napędzanymi przez człowieka lub zwierzę – wszystkie one były w użyciu na długo przed jakimikolwiek innymi rodzajami silników.

Nie jest to bynajmniej kompletna lista wszystkich silników stworzonych przez człowieka. Nie wspominając o tym, że biologia wyprodukowała również napędy – i są one jednymi z najbardziej wydajnych, jakie kiedykolwiek widzieliśmy. Ale jeśli czytasz to wszystko, to jestem prawie pewien, że twój jest już na wyczerpaniu. Więc odpocznijcie, zrelaksujcie się, a następnym razem, gdy natkniecie się na silnik, wsmarujcie w niego ręce i nos – powiedzieliśmy wam już podstawy.