Silnik i jego rodzaje

SILNIK jest ot urządzenie, które zamienia ciepło, energię elektryczną albo mechaniczną na pracę w formie odpowiedniej do napędzania urządzeń między innymi przemysłowych (np. prądnic elektr., pomp, obrabiarek, dźwignic), rolniczych (np. młynów, kombajnów) a także komunikacyjnych (np. samolotów, samochodów, statków).

Aby działał silnik potrzebny jest ciągłe dostarczanie energii, np. elektrycznej (silnik elektryczny), mechanicznej (silnik wiatrowy, wodny), ciepła (silnik spalinowy, parowy). Energia mech. produkowana przez silnik jest przenoszona do maszyny napędzającej przy pomocy części ruchomych silnika (np. przy pomocy wirującego wału) lub sam silnik naciska na maszynę napędzaną (np. silnik elektryczny liniowy, silnik odrzutowy). Parametrami cechującymi silnik są: moc, prędkość obrotowa wału, sprawność, siła ciągu, moment obrotowy, itp. Pierwszym skonstruowanym silnikiem było koło wodne wykorzystywane już w I w. p.n.e. w Azji Mniejszej. Pierwszą pracującą maszynę parową zbudowali w 1705 T. Newcomen i J. Cowley, w 1711 przyłączyli ją do pompowania wody w kopalni; bardziej praktyczny silnik parowy powstał w 1763 I.I. zaprojektował go Połzunow. Natomiast w 1732 po raz pierwszy silnik parowy wykorzystano do napędu maszyn o ruchu obrotowym. Ogromne zasługi w rozwoju postępu silników parowych wniósł J. Watt. W XIX w. Dokonany został natychmiastowy rozwój silników elektrycznych oraz silników spalinowych tłokowych oraz turbin cieplnych.

SILNIK CIEPLNY- jest to maszyna służąca do zamieniania energii cieplnej na energię mechaniczną. Silnik cieplny zabiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej (ciepło spalania paliwa w silniku spalinowym albo w turbinie), a następnie zamienia jego część na pracę mechaniczną, natomiast pozostałą część oddaje do chłodnicy. Proces ten zachodzi z udziałem czynnika termodynamicznego (np. spalin, pary wodnej). Działanie silnika cieplnego odbywa się zgodnie z zasadami termodynamiki. Do silników cieplnych zaliczamy m.in. silniki tłokowe parowe i spalinowe oraz turbiny cieplne.

SILNIK SPALINOWY TŁOKOWY- jest to silnik cieplny o spalaniu wewnętrznym., gdzie ruch tłoka jest spowodowany ciśnieniem spalin powstających przez spalanie mieszaniny palnej (paliwowo-powietrznej) w środku cylindra silnika. Aktualnie wykorzystuje się silniki spalinowe tłokowe o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka (suwowe), zwane także silnikami spalinowymi tłokowymi, rzadko stosuje się silniki o tłoku obracającym się. W silnikach suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka cylinder silnika; posuwisto-zwrotny ruch tłoka jest zamieniany przez mechanizm korbowy na ruch obrotowy wału korbowego. Napływ mieszaniny (albo powietrza) do cylindrów silnika a także wydostawanie się z nich spalin regulowany jest za pomocą mechanizmu rozrządu. W silnikach spalinowych tłokowych czterosuwowych (czterosuwach) obieg pracy następuje w czterech następnych suwach tłoka, co odpowiada dwóm obrotom wału korbowego. Natomiast w silnikach dwusuwowych (dwusuwach) obieg pracy następuje w dwóch następnych suwach tłoka, co odpowiada jednemu obrotowi wału korbowego. Silniki dwusuwowe porównując z czterosuwowymi posiadają znacznie mniej złożoną budowę, są prostsze do obsługi oraz naprawy, tanie, ale ich wadą są przede wszystkim duże zużycie paliwa oraz skażenie powietrza.

Dzięki silnikom dwusuwym jest możliwość otrzymania dużych mocy a także moment obrotowy w porównaniu do silników czterosuwowych o identycznej pojemności skokowej. Nowoczesne produkcje silników dwusuwowych wyróżniają się na ogół małą toksycznością spalin. W nowoczesnych silnikach tłokowych dwusuwowych wykorzystuje się m.in. szczelinowe zawory jednokierunkowe w kanałach wlotowych oraz zawory obrotowe; w wylotowych, samoczynne smarowanie oraz sterowanie zasilaniem a także dopalacze katalityczne. Tworzona jest także nowe pokolenie silników dwusuwowych o bezpośrednim wtrysku paliwa (wspieranym pneumatycznie) do cylindra, co pozwala usunąć większość wad silników dwusuwowych konwencjonalnych.

Zależnie od rodzaju zapłonu mieszaniny wyróżniamy silniki o zapłonie iskrowym (tzw. niskoprężne; zapłon następuje od iskry elektr. pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej) oraz silniki o zapłonie automatycznym (zw. też silnikami wysokoprężnymi albo silnikami Diesla), gdzie zapłon wtryśniętego paliwa (oleju napędowego) następuje z powodu gwałtownego wzrostu temperatury powietrza umieszczonego w cylindrze w wyniku jego sprężenia. Pośród silników spalinowych tłokowych o zapłonie automatycznym wyróżniamy silniki z wtryskiem bezpośrednim, z komorą wstępną, z komorą wirową, z zasobnikami powietrza. Silniki o zapłonie automatycznym cechują się ogromną sprawnością, niskim wykorzystaniem paliwa a także nie wymagają elektrycznej instalacji zapłonowej, posiadają natomiast bardziej złożoną budowę od silników o zapłonie iskrowym. Silniki o zapłonie automatycznym wykorzystuje się jako silniki kol., okrętowe oraz przem. a także w samochodach (gł. ciężarowych) i ciągnikach. Lecz silniki z zapłonem iskrowym wykorzystuje się na ogół w motocyklach oraz samochodach osobowych. Silniki spalinowe tłokowe dzielimy z powodu: a) sposobu tworzenia mieszaniny paliwowo-powietrznej, silników z tworzeniem mieszaniny zewn., czyli gaźnikowe (gaźnik) albo wtryskowe (wtrysk paliwa do przewodu dolotowego) czy też wewn. (wtrysk od razu do cylindra); b) typ paliwa: na paliwo ciekłe (benzynowe, na olej napędowy, na paliwo ciężkie), gazowe, dwu- i wielopaliwowe; c) ilość oraz rozmieszczenie cylindrów (rzędowe, widlaste, przeciwsobne); d) wykorzystanie: samochodowe, przemysłowe, lotnicze.

Specjalny typ silników spalinowy tłokowych prezentują silniki o tłoku obracającym się, tak zwane silniki spalinowe rotacyjne. W nich tłok dokonuje ruchu obrotowego, przemieszczając na skutek zmiennych nacisków czynnika roboczego. Z kilku możliwych rozwiązań pierwszym sprawnym był silnik zbudowany w 1960 przez F. Wankla (silnik Wankla). Posiada on małą w stosunku do innych silników klasycznych masę, małe rozmiary oraz nieskomplikowaną konstrukcję, ale równocześnie gorszą sprawność (związaną z kształtem komory) a także małą trwałość (szybkie zużycie uszczelek).

Pierwszym silnikiem spalinowym tłokowym, który został szeroko wykorzystany, był dwusuwowy silnik gazowy o działaniu dwustronnym oraz zapłonie iskrowym, wyprodukowany w 1860 przez E. Lenoira. Silnikiem spalinowym tłokowym pracującym rzetelnie oraz oszczędnie był czterosuwowy silnik gazowy, skonstruowany w 1876 (dopracowany w 1878) przez N.A. Otto oraz E. Langena. Pierwszy silnik spalinowy tłokowy benzynowy (dwusuwowy) zbudował w latach 1878-79 C. Benz. Silnik spalinowy tłokowy o zapłonie automatycznym skonstruował a następnie zbudował w 1893 R. Diesel (wyrób zaczęto w 1897). Aktualnie do sterowania pracą samochodowych silników spalinowych tłokowych często wykorzystuje się komputer (ECU Engine Control Unit), który definiuje m.in. najlepszy czas zapłonu oraz wtrysku paliwa. W silnikach tłokowych spalinowych (podobnie jak o zapłonie iskrowym oraz automatycznym) czasami wykorzystuje się doładowanie.

SILNIK ODRZUTOWY - jest to silnik, gdzie siła napędowa wynika z reakcji produkowanej przez wydobywający się z dyszy czynnik roboczy (gorące spaliny, strumień jonów, plazmy itp.). Silniki odrzutowe podzielić można na przelotowe (przepływowe) oraz rakietowe. Zależnie od typu sprężania powietrza, do którego dostarcza się paliwo, silniki przelotowe podzielić można je na: strumieniowe, turboodrzutowe oraz pulsacyjne. Głównie stosuje się silniki odrzutowe spalinowe, gdzie energię spalania zamieniana jest na energię kinetyczną gazów wylotowych. Główne części silnika odrzutowego spalinowego to komora spalania oraz dysza wylotowa. Silniki odrzutowe spalinowe mogą być przelotowe (tlen do spalania paliwa zabierany jest z atmosfery), ale także i rakietowe, które wykorzystuje się do pracy w próżni kosmicznej.

Silnik rakietowy, silnik odrzutowy, którego czynnik roboczy (np. gaz, spaliny, strumień jonów czy plazmy) jest w napędzanym obiekcie (pocisku rakietowym, rakiecie).Ciąg jest produkowany przez przyspieszenie czynnika roboczego albo produktów jego rozkładu. Możliwe wykorzystanie znalazły do tej pory tylko silniki rakietowe spalinowe. Silniki te zabierają tlen niezbędny do spalania paliwa z utleniaczy będących elementami rakietowych materiałów pędnych będących w napędzanym obiekcie (przeciwnie do silników odrzutowych spalinowych zabierających tlen z atmosfery); wyróżnia się silniki rakietowe spalinowe na materiały pędne: stałe, ciekłe oraz mieszane (tzw. hybrydowe, w których np. paliwo jest w stanie stałym, natomiast utleniacz w stanie ciekłym). Silniki rakietowe spalinowe wykorzystuje się głównie do napędu rakiet nośnych, statków kosmicznych a także do pocisków rakietowych, niejednokrotnie także stosuje się je w samolotach jako silniki pomocnicze (np. do wspieraniu startu). W formie projektu (czasami prób) są również inne typy silników rakietowych. W silniku rakietowym jądrowym reaktor jądrowy stanowiłby źródło ciepła dla chłodzącego go gazu (czynnika roboczego), który by się rozprężał w dyszy silnika. Natomiast w silniku rakietowym elektrycznym do ogrzewania czynnika roboczego wykorzystałoby się np. łuk elektryczny.

Silnik strumieniowy, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy), złożony jest z dyfuzora wlotowego, komory spalania i dyszy wylotowej. W czasie lotu powietrze napływa do silnika przez dyfuzor wlotowy (otwarty w kierunku lotu) a następnie zmniejsza w nim swoją prędkość, w związku z tym rośnie jego ciśnienie. W komorze spalania dokonany zostaje wtrysk oraz spalanie paliwa w strumieniu przepływającego powietrza, a produkowane gazy spalinowe o dużej temperaturze rozprężają się a następnie wydostają się na zewnątrz przez dyszę, dając ciąg (siłę odrzutu). Silniki strumieniowe wykorzystuje się w poniektórych pociskach sterowanych oraz w samolotach naddźwiękowych. Silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania (tzw. Scramjet) ma być głównym napędem przyszłościowym samolotów kosmicznych. Silnik strumieniowy działa skutecznie zaledwie przy prędkościach naddźwiękowych, w związku z tym do startu pojazdów napędzanych takim silnikiem niezbędne jest wykorzystanie innego typu silnika, np. turboodrzutowego lub rakietowego.

Silnik turboodrzutowy (turbinowy silnik odrzutowy przelotowy), silnik lotn. przelotowy (o otwartym obiegu) posiadający turbinę spalinową; złożony jest z dyfuzora wlotowego, sprężarki (albo dwóch sprężarek), komory spalania, turbiny oraz dyszy wylotowej. Powietrze napływa w czasie lotu przez konkretnie ukształtowanego dyfuzora wlotowego (wlot otwarty w kierunku lotu) a następnie zmniejsza w nim swoją prędkość, to powoduje iż rośnie jego ciśnienie. W sprężarce strumień powietrza ulega ponownemu sprężeniu, a następnie jest przenoszony do komory spalania (zasilanej przez wtryskiwacze ciekłym paliwem). Produkowane w komorze gorące spaliny rozprężają się częściowo w turbinie, a częściowo w dyszy wylotowej, wytwarzając ciąg (siłę odrzutu). Natomiast turbina napędza sprężarkę. Wyróżniamy silniki turboodrzutowe jednoprzepływowe (zw. wprost silnikami turboodrzutowymi), gdzie całe powietrze, które dopływa do silnika przepływa przez sprężarkę do komory spalania, oraz silniki dwuprzepływowe, gdzie czynnik roboczy przepływa dwoma współosiowymi kanałami: wewnętrznym oraz zewnętrznym. W silnikach dwuprzepływowych sprężarki sprężają wpływające powietrze i przetłaczają je do kanału zewn. oraz do komory spalania kanału wewn.: paliwo jest rozpylane w komorze przez wtryskiwacze a następnie ulega tam spaleniu produkując wysokotemperaturowe spaliny, które rozprężają się w turbinach i napędzają sprężarki. Później uchodzą na zewnątrz przez dyszę wylotową, dając ciąg. Ciąg ten uzyskać można także dzięki rozprężeniu powietrza (spalin) wypływającego z kanału zewnętrznego. W zależności od wykorzystania silniki dwuprzepływowe posiadają różny stopień dwuprzepływowości (stosunek masy powietrza płynącego przez kanał zewn. do masy powietrza płynącego przez kanał wewn.), silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (5 : 1 i więcej) wykorzystuje się do napędu samolotów komunikacyjnych i transportowych. Natomiast o małym stopniu(1 : 1 i mniej) wykorzystuje się do samolotów wojskowych. Silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (zwane także silnikami wentylatorowymi) cechują się ogromnymi ciągami a także niskim jednostkowym zużyciem paliwa (wysoką sprawnością). Silniki wentylatorowe stosowane są w samolotach o poddźwiękowej prędkości lotu, w czasie gdy silniki o małym stopniu dwuprzepływowości są wykorzystywane w samolotach naddźwiękowych (w owym czasie spalanie paliwa może być wykonywane w obydwu kanałach).

Patent na silniki turboodrzutowe otrzymał w 1930 brytyjski twórca F. Whittle, który w 1939 dokonał pierwszej próby takiego silnika. Pierwszym samolotem z silnikiem turboodrzutowym (1939)był niemiecki samolot Heinkel He-178. Silniki turboodrzutowe są aktualnie głównym typem napędu samolotów komunikacyjnych i wojskowych o prędkości okołodźwiękowej oraz naddźwiękowej.

Silnik pulsacyjny, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy) z jednokierunkowymi zaworami mech. albo bezwładnościowymi aerodynamicznymi ulokowanymi na wlocie powietrza. Paliwo jest wprowadzane do komory spalania, gdzie następnie po zmieszaniu z powietrzem jest zapalane od resztek spalin, które zostały z wcześniejszego cyklu. W wyniku wzrostu ciśnienia, wywołanego spalaniem, zawory jednokierunkowe zamykają się i następuje wypływ spalin z dyszy silnika, dzięki czemu w komorze spalania produkuje się podciśnienie, otwierają się zawory i cykl od nowa się powtarza.

SILNIK TURBOSPALINOWY jest to silnik, w którym łopatkowy wirnik gazowej turbiny cieplnej zamienia energię kinetyczną spalin (produkowanych w komorze spalania turbiny oraz sprężonych poprzez napędzaną turbinę sprężarkę) w energię ruchu obrotowego. Silniki te wykorzystywane są do napędu prądnic w elektrowniach, lokomotyw, samolotów.

SILNIK TURBOŚMIGŁOWY jest to turbinowy silnik lotn., który gł. część (75-100%) ciągu produkuje przy pomocy śmigła napędzanego przez turbinę spalinową (przy pomocy przekładni zębatej), a pozostałą poprzez odrzut gazów wylotowych.

SILNIK ELEKTRYCZNY jest to urządzenie zamieniające energię elektryczną na energię mech., na ogół w formie energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy wytworzony w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnetycznego oraz prądu elektrycznego (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny zbudowany jest ze stojana (z osadzoną parą albo kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) a także wirnika z uzwojeniem twornikowym. Biorąc pod uwagę prąd zasilający wyróżniamy silnik elektryczny prądu stałego i silniki elektryczny prądu przemiennego.

Silnik elektryczny prądu stałego ma na osi wirnika pierścień, który złożony jest z izolowanych działek (zwany komutatorem) złączonych z zaciskami uzwojeń twornika. Po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo przymocowane szczotki elektr. (z drobnoziarnistych materiałów z węgla uszlachetnionego) dociskane do powierzchni komutatora przez sprężynki. Wpływ pola magnet., wyprodukowanego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektr. w obwodzie: para szczotek, działki komutatora oraz uzwojenie twornika, sprawia że powstaje ruch obrotowy wirnika. Kierunek obrotów uzależniony jest od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. W zależności od metody łączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnet., silniki elektryczne prądu stałego można podzielić na szeregowe, równoległe oraz szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa maleje wraz ze wzrostem obciążenia; posiadają skłonność do "rozbiegania się" po odłączeniu obciążenia. Wykorzystuje się je głównie w trakcji elektr. a także dźwignicach. W silnikach elektrycznych równol. prędkość obrotowa nie zależy od obciążenia. Wykorzystuje się je np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe wykorzystywane są do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej oraz w dużych momentach obrotowych.

Silniki prądu przemiennego podzielić można na 1- i 3-fazowe, natomiast w zależności od zasady działania podzielić można je na: indukcyjne (indukcyjna maszyna), synchroniczne (synchroniczna maszyna) oraz komutatorowe (komutatorowa maszyna). W silnikach elektrycznych 3-fazowych indukcyjnych prąd 3-fazowy, który płynie przez uzwojenia stojana produkuje pole wirujące. Pole to przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w ten sposób nich prądy zgodnie z regułą Lenza,. Natomiast w rezultacie sprawia, że wirnik wprawiony zostaje w ruch obrotowy. Obraca się on się wolniej niż pole wirujące, ponieważ w uzwojeniach wirnika indukuje się napięcie wyłącznie wtedy, gdy jest ruch pola wirującego względem tych uzwojeń. Różnica prędkości nazywa się poślizg. Silnikach elektrycznych indukcyjne wykorzystywane są do napędzania maszyn o nie regulowanej prędkości obrotowej. Bardzo tanie a także często wykorzystywane w przemyśle są te które odznaczają się nieskomplikowaną konstrukcją silniki indukcyjne klatkowe (zwarte). Wirnik silników tych ma uzwojenie w formie klatki, wyprodukowanej jako odlew aluminiowy albo zespół prętów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników elektrycznych indukcyjnych konstrukcją wirnika, który jest zaopatrzony także w elektromagnesy, które zasilane są prądem stałym ze wzbudnicy ulokowanej na wale wirnika. Ilość biegunów elektromagnesów zgadza się z ilością biegunów pola wirującego stojana; gdyż moment obrotowy jest wynikiem obustronnego oddziaływania na siebie biegunów magnet. elektromagnesów oraz pola wirującego. Obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola a także posiadają stałą prędkość. Wykorzystuje się je do napędzania maszyn szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek. Silniki elektryczne synchroniczne wykorzystywać można jako silniki skokowe (krokowe, impulsowe). Impulsowe zasilanie sprawia nieciągły, skokowy ruch wirnika (obrót) silnika o konkretny kąt (na ogół od kilku do kilkudziesięciu stopni). Silnik ten sprawia do kilku tysięcy skoków na sekundę. Wykorzystuje się go w układach regulacji automatycznej z cyfrowym sygnałem sterującym, w zegarach (jako siłownik precyzyjny), a także do ustawiania głowic w pamięciach dyskowych komputerów itp. Silniki elektryczne komutatorowe (szeregowe oraz równoległe), tak samo jak silniki elektryczne prądu stałego, posiadają wirnik z komutatorem, gdzie doprowadza się prąd przemienny przy pomocy szczotek. Inną grupa są silniki elektryczne uniwersalne, które mogą być zasilane prądem stałym albo przemiennym. Wykorzystuje się je do napędzania sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych itp.

Kolejnym typem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, zamieniający energię elektr. od razu na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy zbudowany jest z induktora oraz bieżnika, które są zamiennikami stojana oraz wirnika zwykłego silnika elektrycznego, ale rozwiniętymi w linię prostą. Elementem ruchomym silnika może być induktor, ale także i bieżnik. Podstawowymi zaletami tych typów silnika jest: brak styczności mech. pomiędzy induktorem a bieżnikiem, dobre chłodzenie, bardzo cicha praca, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, możliwość otrzymywania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, łatwość sterowania, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o dużej mocy. Wyróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, synchroniczne, prądu przemiennego, oscylacyjne, asynchroniczne, itp. Najnowsze konstrukcje silników to silniki o poprzecznym strumieniu magnet. (zwane transverse-flux motor) służące głównie do napędzania bardo szybkich pojazdów przemieszczających się na poduszce powietrznej albo magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe wykorzystuje się na ogół w automatyce, w napędach specjalnych a także w trakcji elektrycznej.

Najnowsze silniki elektryczne konstruowane są na moce od części wata do kilkudziesięciu megawatów, przy sprawności od 60 do 95%, współczynnik mocy silnika elektrycznego prądu przemiennego równy jest 0,65-0,95.

Pierwszy typ silnika elektrycznego skonstruował 1831 M. Faraday (tarcza Faradaya), natomiast pierwszy silnik elektryczny (z komutatorem) o pożytecznym wykorzystaniu ( do napędu łódki) w 1834 M.H. Jacobi. Decydującym posunięciem w postępie silnika elektrycznego było skonstruowanie w 1887 przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego. W latach 1889-90 silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym skonstruował M. Doliwo-Dobrowolski; a w 1902 E. Danielson skonstruował silnik synchroniczny, którego prędkość obrotowa uzależniona była od częstotliwości prądu zasilającego. Tego samego roku A. Zahden otrzymał patent na silnik liniowy, pracujący na podstawie zasady wykorzystywanej aktualnie.