Если бы не поршневой двигатель, большинству взрослых в современном обществе будет трудно добраться туда, где они должны быть в повседневной жизни. Любой, кто водит или едет на обычном автомобиле, получает выгоду от такого двигателя (электромобили не имеют поршней, вместо этого они работают исключительно от моторы.)
Также известен как Поршневой двигатель, основной отличительной чертой этих двигателей, они переводят давление во вращательное движение. Это вращательное движение - другими словами, движение вокруг физической или концептуальной оси - может быть преобразовано в поступательное и другие формы движения с легкостью, например, когда шины вашего автомобиля катят вас и остальную часть автомобиля, подвешенную над ними, по Дорога.
Существуют различные типы поршневых двигателей, самый известный из которых был только что описан - двигатель внутреннего сгорания, который включает газовые автомобильные двигатели и другие подтипы. Среди других разновидностей поршневых двигателей - двигатель внешнего сгорания и двигатель Стирлинга.
Вы узнаете, среди прочего, что атомные электростанции имеют больше общего с локомотивами Дикого Запада, чем вы думаете, и Общее понимание того, как потребность и человеческая изобретательность снова объединились, чтобы произвести что-то замечательное и преобразующее.
Поршень и цилиндр в сборе
По какой-то причине поршни, кажется, привлекают больше внимания обычных людей, чем то, что делает их функциональными, а именно цилиндрическая камера, в которой они находятся. Несмотря на известность, поршневой цилиндр лежит в основе единственного устройства, которое, возможно, изменило мир больше, чем какая-либо отдельная машина, - двигателя внутреннего сгорания.
Поршень сам по себе представляет собой цилиндр с закрытой или сплошной головкой, который перемещается вперед и назад в большом цилиндрическом корпусе, на котором и основан цилиндр из названия. Поршень может двигаться против давление жидкости или перемещаться под давлением жидкости. В паровой машине поршень закрыт с обоих концов; стержень проходит через центр, но соединение плотно закрыто. В бензиновом двигателе он открыт с одного конца, чтобы обеспечить колебания (движение вперед и назад) других движущихся частей внутри двигателя.
Как работает поршневой двигатель
Движения поршневого двигателя тщательно скоординированы и организованы. Двигатель может состоять из одного поршня, хотя это редкость. Возможны различные конфигурации, включая несколько комбинаций поршня и цилиндра, в том числе ряды, V-образные формы и их комбинации «зигзагообразно».
Помимо количества отдельных поршней, все эти двигатели ведут себя одинаково, независимо от того, сколько энергии они могут произвести или какое топливо служит источником давления внутри цилиндр.
Классический четырехтактный цикл реципрокного двигателя состоит из четырех этапов или процессов:
Прием: На первом этапе четырехтактного цикла топливо определенного вида нагнетается в цилиндр через впускное отверстие вверху, которое толкает поршень к нижней части цилиндра.
Сжатие: Затем поршень толкается обратно вверх, что сжимает топливо и воспламеняет его через свечу зажигания в большинстве двигателей. В дизельных двигателях достаточно сжатия топлива, чтобы его зажечь (грубо говоря, с точки зрения физики давление и температура увеличиваются одновременно).
Зажигание: Воспламенение топлива снова толкает поршень вниз, тем самым генерируя полезный Работа (величина в физике сродни полезной энергии) двигателю. Этот «ход» также известен как горение или же мощность шаг.
Выхлоп: Отработанные химические вещества от сгорания топлива выбрасываются через выхлопное отверстие, и цикл повторяется. Несмотря на кажущуюся тщательность четырех тактов, цикл эффективно повторяется тысячи раз в минуту в стандартных автомобилях - от 50 до 100 раз. в секунду.
- Возможно, вы впервые полностью осознаете, почему вашему двигателю строго требуется смазка или моторное масло; Даже в идеально настроенном топовом двигателе это неизбежное трение, которое необходимо как-то устранить и устранить.
Поршневой двигатель внешнего сгорания
Сказанное выше описывает мир, в котором вы живете, где автомобили практически универсальны. Конечно, так было не всегда, даже в относительно недавнюю историю человечества.
Французский военный инженер Николя-Жозеф Куньо стоял за одной из первых попыток получить какую-либо жидкость для приведения в действие поршня внутри цилиндра с целью приведения в действие транспортного средства. (А жидкость представляет собой газ или жидкость, такую как пар или вода, первая из которых является газообразной формой последней.) В 1769 году Кюньо построил неуклюжий трехколесный "паровой двигатель". фургон », который предназначался для перевозки пушек и мог развивать скорость около 3 миль в час (5 километров в час), но имел тенденцию выходить из-под контроля и крушение.
К середине 19 века паровая энергия получила такое широкое распространение, что сопутствующие технологические достижения позволили значительно улучшить ее. Паровоз - отличный пример (ныне устаревшего) двигателя внешнего сгорания: Внешний потому что уголь, который был воспламенен и сожжен за пределами двигатель (в печи) использовался для кипячения большого количества воды, генерируя пар, который затем закачивался в цилиндры внутри двигателя.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания
В 1826 г. Сэмюэл Морли получил первый патент на двигатель, в котором воспламенение топлива и расширение цилиндра из-за результирующего повышения давления находились в одном и том же физическом месте. Однако только в 1858 году Морли произвел трехколесный фургон, оснащенный двигателем внутреннего сгорания, работавший на «угольном газе» и преодолевший расстояние в 50 миль.
Ключевым достижением в конструкции двигателей внутреннего сгорания стала возможность сжимать газ перед его воспламенением, что облегчало сгорание топлива; давление и температура газа имеют тенденцию повышаться одновременно, тогда как уменьшение объема газа (то есть его сжатие) увеличивает его давление.
Как только двигатель внутреннего сгорания стал приближаться к отдаленно компактным размерам, инженеры и мечтатели сразу же начали мечтать о том, как использовать их для питания первых летательных аппаратов.
Авиационные двигатели
К 1880-м годам отважные изобретатели экспериментировали, если не с летающими машинами, то с «прыгающими машинами», в которых использовался поршень с паровым или газовым приводом. двигатели, некоторые из которых достигают 150 футов, но многие другие уничтожаются в борьбе за расширение горизонтов наблюдений и путешествий. границы.
В Братья Райт, Орвилл и Уилбур известны сегодня, но на самом деле они были несколько поздними участниками в конце 1800-х годов. версия "космической гонки", которая развернется более полувека спустя между США и Советским Союзом. Союз. В 1899 году они проявили должную осмотрительность и много экспериментировали с планирующими машинами, прежде чем пытаться оснастить их двигателями, тем самым узнав больше об основной аэродинамике.
Со времени первого триумфального полета братьев Райт в 1903 году в Китти Хок, Северная Каролина, двигатель внутреннего сгорания прошел долгий путь. Пока реактивные двигатели сегодня используются в больших коммерческих и других высокомощных самолетах, большинство небольших и частных самолетов по-прежнему строятся с использованием пропеллеров и двигателей внутреннего сгорания.
- Вы можете часто видеть поршневые двигатели для самолетов, называемые тепловыми двигателями, но все они внутреннего сгорания двигатели являются тепловыми двигателями, а двигатели внешнего сгорания являются другой основной категорией тепла. двигатели.