Tipuri de motoare și modul lor de funcționare

Motoarele sunt mașini care transformă o sursă de energie în muncă fizică. Dacă aveți nevoie de ceva care să se deplaseze, un motor este exact lucrul pe care trebuie să-l montați. Dar nu toate motoarele sunt făcute la fel, iar diferitele tipuri de motoare cu siguranță nu funcționează la fel.

Probabil cel mai intuitiv mod de a le diferenția este tipul de energie pe care fiecare motor îl folosește pentru putere.

• Motoare termice
  • Motoare cu ardere internă (motoare IC)
  • Motoare cu ardere externă (motoare EC)
  • Reacție motoare
• Motoare electrice
• Motoare fizice

Motoare termice

În cea mai largă definiție posibilă, aceste motoare au nevoie de o sursă de căldură pentru a o transforma în mișcare. În funcție de modul în care generează respectiva căldură, acestea pot fi motoare combustibile (care ard lucruri) sau necombustibile. Acestea funcționează fie prin arderea directă a unui propulsor, fie prin transformarea unui fluid pentru a genera lucru. Ca atare, majoritatea motoarelor termice prezintă, de asemenea, unele suprapuneri cu sistemele de propulsie chimică. Acestea pot fi motoare cu aer (care preiau oxidanți, cum ar fi oxigenul din atmosferă) sau motoare nearse (care au oxidanți legați chimic de combustibil).

Motori cu ardere internă

Motorii cu ardere internă (motoare cu combustie internă) sunt destul de omniprezente în prezent. Ele alimentează mașini, mașini de tuns iarba, elicoptere și așa mai departe. Cel mai mare motor cu ardere internă poate genera 109.000 CP pentru a propulsa o navă care deplasează 20.000 de containere. Motoarele IC obțin energie din combustibilul ars în interiorul unei zone specializate a sistemului, numită cameră de combustie. Procesul de combustie generează produse de reacție (gaze de eșapament) cu un volum total mult mai mare decât cel al reactanților combinați (combustibil și oxidant). Această expansiune este de fapt pâinea și untul motoarelor IC – aceasta este ceea ce asigură de fapt mișcarea. Căldura este doar un produs secundar al combustiei și reprezintă o parte irosită din stocul de energie al combustibilului, deoarece nu furnizează de fapt nicio muncă fizică.

Motoarele cu circuit integrat se diferențiază prin numărul de „curse” sau cicluri pe care fiecare piston le face pentru o rotație completă a arborelui cotit. Cele mai răspândite astăzi sunt motoarele în patru timpi, care descompun reacția de combustie în patru etape:

1. Inducția sau injecția unui amestec combustibil-aer (carburatul) în camera de ardere.
2. Compresia amestecului.
3. Aprinderea prin bujie sau compresie – combustibilul face bum.
4. Emisia gazelor de eșapament.

Pentru fiecare pas, un piston în 4 timpi este împins alternativ în jos sau înapoi în sus. Aprinderea este singura etapă în care se generează muncă în motor, astfel încât pentru toate celelalte etape, fiecare piston se bazează pe energia din surse externe (celelalte pistoane, un demaror electric, o manivelă manuală sau inerția arborelui cotit) pentru a se mișca. De aceea trebuie să tragi de coardă la mașina de tuns iarba și de aceea mașina ta are nevoie de o baterie funcțională pentru a porni.

Alte criterii de diferențiere a motoarelor cu circuit integrat sunt tipul de combustibil utilizat, numărul de cilindri, cilindreea totală (volumul intern al cilindrilor), distribuția cilindrilor (motoare în linie, radiale, în V, etc.), precum și puterea și puterea în raport cu greutatea.

Motoare cu ardere externă

Motoarele cu ardere externă (motoare CE)păstrează separat combustibilul și produsele de evacuare – ard combustibilul într-o cameră și încălzesc fluidul de lucru din interiorul motorului printr-un schimbător de căldură sau prin peretele motorului. Marele tătic-o al Revoluției Industriale, motorul cu aburi, intră în această categorie.

În unele privințe, motoarele EC funcționează în mod similar cu omologii lor IC – ambele au nevoie de căldură, care se obține prin arderea unor lucruri. Cu toate acestea, există, de asemenea, câteva diferențe.

Motorii CE folosesc fluide care suferă o dilatare-contracție termică sau o schimbare de fază, dar a căror compoziție chimică rămâne nealterată. Fluidul utilizat poate fi fie gazos (ca în cazul motorului Stirling), fie lichid (motorul cu ciclu Rankine organic), fie poate suferi o schimbare de fază (ca în cazul motorului cu abur) – pentru motoarele cu combustie internă, fluidul este aproape în mod universal un amestec de combustibil lichid și aer care arde (își schimbă compoziția chimică). În cele din urmă, motoarele pot fie să evacueze fluidul după utilizare, așa cum fac motoarele cu circuit integrat (motoare cu ciclu deschis), fie să folosească în mod continuu același fluid (motoare cu ciclu închis).

În mod surprinzător, primele motoare cu abur care au cunoscut o utilizare industrială au generat lucru prin crearea unui vid și nu a unei presiuni. Numite „motoare atmosferice”, acestea erau mașini greoaie și foarte ineficiente din punct de vedere al consumului de combustibil. În timp, motoarele cu aburi au căpătat forma și caracteristicile pe care ne așteptăm să le vedem la motoarele de astăzi și au devenit mai eficiente – motoarele cu aburi cu piston alternativ au introdus sistemul cu piston (utilizat și astăzi de motoarele cu circuit integrat) sau sistemele de motoare compuse care reutilizau fluidul din cilindri la presiuni din ce în ce mai mici pentru a genera un plus de „avânt”.

Astăzi, motoarele cu aburi nu mai sunt utilizate pe scară largă: sunt lucruri grele și voluminoase, au o eficiență a combustibilului și un raport putere/greutate mult mai scăzut decât motoarele cu circuit integrat și nu pot schimba producția la fel de rapid. Dar dacă nu vă deranjează greutatea și mărimea lor și dacă aveți nevoie de o sursă constantă de muncă, sunt minunate. Ca atare, CE sunt utilizate în prezent cu mare succes ca motoare cu turbină cu abur pentru operațiuni navale și centrale electrice.

Aplicațiile pentru energie nucleară au distincția de a fi numite motoare termice necombustibile sau motoare termice externe, deoarece funcționează pe aceleași principii ca și motoarele CE, dar nu-și obțin puterea din combustie.

Motoare cu reacție

Motoarele cu reacție, cunoscute colocvial ca motoare cu reacție, generează împingere prin expulzarea masei de reacție. Principiul de bază care stă la baza unui motor de reacție este a treia lege a lui Newton – practic, dacă sufli ceva cu suficientă forță prin partea din spate a motorului, acesta va împinge partea din față înainte. Iar motoarele cu reacție se pricep foarte bine să facă acest lucru.

Cele la care ne referim de obicei ca la un motor „cu reacție”, cele legate de un avion de pasageri Boeing, sunt, strict vorbind, motoare cu reacție cu respirație pneumatică și se încadrează în clasa motoarelor cu turbină. Motoarele cu reacție, care sunt considerate de obicei mai simple și mai fiabile, deoarece conțin mai puține piese mobile (până la niciuna), sunt, de asemenea, motoare cu reacție cu respirație pneumatică, dar se încadrează în clasa motoarelor cu reacție de tip berbec. Diferența dintre cele două constă în faptul că turboreactoarele cu reacție se bazează pe viteza pur și simplu pentru a introduce aer în motor, în timp ce turboreactoarele folosesc turbine pentru a aspira și comprima aerul în camera de combustie. Dincolo de asta, ele funcționează în mare parte la fel.

În turboreactoare, aerul este aspirat în camera motorului și comprimat de o turbină rotativă. Ramjeturile îl aspiră și îl comprimă mergând foarte repede. În interiorul motorului, este amestecat cu combustibil de mare putere și aprins. Atunci când concentrați aerul (și, prin urmare, oxigenul), îl amestecați cu mult combustibil și îl detonați (generând astfel gaze de eșapament și dilatând termic tot gazul), obțineți un produs reacționar care are un volum uriaș în comparație cu aerul aspirat. Singurul loc prin care poate trece toată această masă de gaze este în partea din spate a motorului, ceea ce se întâmplă cu o forță extremă. Pe drum, aceasta alimentează turbina, aspirând mai mult aer și menținând reacția. Și ca să adăugăm și mai multă jignire, la capătul din spate al motorului se află o duză de propulsie.

Această piesă de hardware forțează tot gazul să treacă printr-un spațiu și mai mic decât cel prin care a intrat inițial – accelerându-l astfel și mai mult într-un „jet” de materie. Gazele de eșapament ies din motor la viteze incredibile, de până la de trei ori mai mari decât viteza sunetului, împingând avionul înainte.

Motorii cu reacție care nu respiră aer, sau motoarele-rachetă, funcționează la fel ca motoarele cu reacție, fără partea din față – deoarece nu au nevoie de material extern pentru a susține combustia. Le putem folosi în spațiu pentru că au tot oxidantul de care au nevoie, împachetat în combustibil. Sunt unul dintre puținele tipuri de motoare care folosesc în mod constant combustibili solizi.

Motoarele termice pot fi ridicol de mari, sau adorabil de mici. Dar ce se întâmplă dacă tot ce ai este o priză și ai nevoie să îți alimentezi lucrurile? Ei bine, în acest caz, aveți nevoie de:

Motoare electrice

Ah, da, gașca curată. Există trei tipuri de motoare electrice clasice: magnetice, piezoelectrice și electrostatice.

Cel magnetic, ca și bateria de acolo, este cel mai des folosit dintre cele trei. Se bazează pe interacțiunea dintre un câmp magnetic și fluxul electric pentru a genera muncă. Funcționează pe același principiu pe care îl folosește un dinamo pentru a genera electricitate, dar în sens invers. De fapt, puteți genera puțină energie electrică dacă acționați manual un motor electric-magnetic.

Pentru a crea un motor magnetic aveți nevoie de niște magneți și de un conductor înfășurat. Când un curent electric este aplicat la înfășurare, acesta induce un câmp magnetic care interacționează cu magnetul pentru a crea o rotație. Este important ca aceste două elemente să fie separate, așa că motoarele electrice au două componente majore: statorul, care este partea exterioară a motorului și rămâne imobil, un rotor care se învârte în interiorul acestuia. Cele două sunt separate de un întrefier. De obicei, magneții sunt încorporați în stator, iar conductorul este înfășurat în jurul rotorului, dar cele două sunt interschimbabile. Motoarele magnetice sunt, de asemenea, echipate cu un comutator pentru a schimba fluxul electric și a modula câmpul magnetic indus în timp ce rotorul se învârte pentru a menține rotația.

Motorizările piezoelectrice sunt tipuri de motoare care exploatează proprietatea unor materiale de a genera vibrații ultrasonice atunci când sunt supuse unui flux de electricitate pentru a crea lucru. Motoarele electrostatice utilizează sarcini similare pentru a se respinge reciproc și a genera rotația rotorului. Deoarece primul folosește materiale scumpe, iar al doilea necesită tensiuni relativ mari pentru a funcționa, acestea nu sunt la fel de comune ca motoarele magnetice.

Motoarele electrice clasice au una dintre cele mai mari eficiențe energetice dintre toate motoarele existente, transformând până la 90% din energie în muncă.

Motoare cu ioni

Motoarele cu ioni sunt un fel de amestec între un motor cu reacție și unul electrostatic. Această clasă de motoare accelerează ioni (plasmă) folosind o sarcină electrică pentru a genera propulsie. Ele nu funcționează dacă există deja ioni în jurul ambarcațiunii, așa că sunt inutile în afara vidului spațial.

Acestea au, de asemenea, o putere de ieșire foarte limitată. Cu toate acestea, deoarece folosesc doar electricitate și particule individuale de gaz ca și combustibil, au fost studiate intensiv pentru a fi utilizate în navele spațiale. Deep Space 1 și Dawn au folosit cu succes motoare ionice. Cu toate acestea, tehnologia pare a fi cea mai potrivită pentru nave mici și sateliți, deoarece urma de electroni lăsată de aceste unități de propulsie are un impact negativ asupra performanțelor lor generale.

Unități de propulsie EM/Cannae

Unitățile de propulsie EM/Cannae folosesc radiații electromagnetice conținute într-o cavitate cu microunde pentru a genera încredere. Este probabil cel mai ciudat dintre toate tipurile de motoare. A fost denumit chiar și motorul „imposibil”, deoarece este un motor nereacționar – ceea ce înseamnă că nu produce nicio descărcare pentru a genera împingere, ocolind aparent a treia lege.

„În loc de combustibil, folosește microunde care ricoșează într-un set de reflectoare atent reglate pentru a obține cantități mici de forță și, prin urmare, pentru a obține o împingere fără propulsie”, a relatat Andrei despre propulsor.

Au existat multe dezbateri cu privire la faptul că acest tip de motor funcționează cu adevărat sau nu, dar testele NASA au confirmat că este sănătos din punct de vedere funcțional. Ba chiar va primi un upgrade în viitor. Deoarece folosește doar energie electrică pentru a genera împingere, deși în cantități infime, pare a fi cel mai potrivit motor pentru explorarea spațială.

Dar asta este în viitor. Haideți să aruncăm o privire la cum a început totul. Să aruncăm o privire la:

Motoare fizice

Aceste motoare se bazează pe energia mecanică stocată pentru a funcționa. Motoarele cu ceas, motoarele pneumatice și motoarele hidraulice sunt toate motoare fizice.

Nu sunt teribil de eficiente. De obicei, ele nu pot apela nici la rezerve mari de energie. Motoarele cu ceas, de exemplu, stochează energia elastică în arcuri și trebuie să fie înfășurate în fiecare zi. Tipurile de motoare pneumatice și hidraulice trebuie să transporte tuburi grele de fluide comprimate, care, în general, nu durează foarte mult. De exemplu, Plongeur, primul submarin cu propulsie mecanică din lume, construit în Franța între 1860 și 1863, avea un motor pneumatic alternativ alimentat de 23 de rezervoare la 12,5 bari. Acestea ocupau un spațiu uriaș (153 de metri cubi / 5.403 picioare cubice) și erau suficiente doar pentru a propulsa ambarcațiunea timp de 5 mile marine (9 km / 5,6 mi) la 4 noduri.

Cu toate acestea, motoarele fizice au fost probabil primele folosite vreodată. Catapulte, trebuchete sau berbeci, toate se bazează pe acest tip de motoare. La fel și macaralele acționate de oameni sau animale – toate acestea au fost folosite cu mult înainte de orice alt tip de motoare.

Aceasta nu este nicidecum o listă completă a tuturor motoarelor realizate de om. Ca să nu mai spunem că și biologia a produs motoare – iar acestea sunt printre cele mai eficiente pe care le-am văzut vreodată. Dar dacă ai citit toate acestea, sunt destul de sigur că ale tale au rămas fără combustibil până în acest moment. Așa că odihnește-te, relaxează-te, iar data viitoare când dai peste un motor, pune-ți mâinile și nasul unse să explorezi prin el – ți-am spus elementele de bază.

.