Как делают двигатели

Из чего делают современные двигатели: новые материалы на службе автопроизводителей

На протяжении многих десятков лет моторы изготавливали из самых обычных материалов — стали, чугуна, меди, бронзы, алюминия. Совсем немного пластика, иногда какие-то мелкие элементы, вроде корпусов карбюраторов, — из магниевых сплавов. На волне тенденции к всемерному облегчению конструкций и увеличению мощности при улучшении экологической составляющей состав материалов с тех времен заметно изменился. Из чего же сегодня делают двигатели? Разбираемся.

Большая часть автовладельцев наверняка знает главный тренд современного автомобилестроения: увеличение мощности двигателя при постоянном уменьшении его объема и массы. Секрет такого сочетания кроется в том числе в новых материалах и конструктивах. Ну и, разумеется, тщательной проработке всех элементов силового агрегата, а также уже не скрываемом отсутствии избыточных (читай: невыгодных) запасов прочности.

Как ни странно, всевозможные нанотрубки и прочий хай-тек, о котором постоянно говорят в СМИ, в моторостроении на самом деле почти не применяются. В серийных моторах самыми дорогими и сложными материалами являются кремнийникелевые покрытия, металлокерамический композит (например, известный как FRM у Honda), различные полимерно-углеродные композиции и постепенно появляющиеся в серийных двигателях титановые сплавы, а также сплавы с высоким содержанием никеля, например Inconel. В целом же двигателестроение остается очень консервативной областью машиностроения, где смелые эксперименты в серийном производстве не приветствуются.

Прогресс обеспечивается в основном «тонкой настройкой» и применением давно известных технологий по мере их удешевления. Основная масса серийных агрегатов состоит в основном из чугуна, стали и алюминиевых сплавов — по сути, самых дешевых материалов в машиностроении. Однако тут все же есть место для новых технологий.

Самая крупная деталь любого мотора — блок цилиндров. Она же самая тяжелая. Долгие десятки лет основным материалом для блоков служил чугун. Он достаточно прочен, хорошо льется в любую форму, его обработанные поверхности обладают высокой износостойкостью. Список достоинств включает и невысокую цену. Современные моторы небольшого рабочего объема по-прежнему льются из чугуна, и вряд ли в ближайшее время индустрия полностью откажется от этого материала.

Основная задача в совершенствовании сплавов чугуна — это сохранение высокой твердости поверхности при улучшении его вспомогательных качеств, иначе это может привести к необходимости использования чугунных же гильз для блока цилиндров из более износостойкого сплава. Так изредка делают, но в основном на грузовых моторах, где эта технология финансово оправданна.

Алюминий в качестве материала блока применяется также очень давно и совершенствуется примерно в том же направлении. Усилия направлены в основном на улучшение возможностей его обработки, на снижение коэффициента расширения при сохранении необходимой пластичности материала, повышение необходимых аспектов прочности сплавов.

Также развиваются технологии использования вторичного алюминия низкой очистки. Для таких сплавов применяются технологии, отличные от литья, причем налицо тенденция к изготовлению из алюминия блоков цилиндров более компактных моторов. Например, двигатель Volkswagen серии EA211 сегодня имеет алюминиевый блок, который оказался на 40% легче чугунного.

Магниевые сплавы значительно менее популярны. Они легче алюминиевых, но имеют значительно более низкую коррозийную стойкость, не переносят контакта с горячей охлаждающей жидкостью, со стальными крепежными деталями повышенной температуры. На рядных шестицилиндровых блоках моторов BMW серий N52 и N53, например, из магниевого сплава выполнена только внешняя часть блока, «рубашка» системы охлаждения. Для сравнительно длинного блока шестицилиндрового мотора это дает выигрыш в массе порядка 10 кг по сравнению с цельноалюминиевой конструкцией. Также магниевые сплавы используют для блок-картеров моторов с отъемными цилиндрами. В основном это двигатели мотоциклов.

Компоненты двигателя

Если с самой большой деталью мотора новые технологии и материалы не очень «дружат» в целом, то в частностях возможны интересные сюрпризы. Гильзы цилиндров у любого блока являются точкой приложения всех новейших технологий и материалов. Высокопрочный чугун, методы поверхностного упрочнения алюминиевых высококремнистых сплавов, гальванические покрытия на основе сплава карбида кремния с никелем, металлокерамические матрицы и стальное напыление широко используются даже на серийных моторах. Про чугун и высококремнистый алюминий говорить не будем, все же сами технологии не только старые, но и массовые. А вот про остальные материалы лучше рассказать чуть подробнее.

Упрочненные чугунные гильзы по технологии CGI (Compacted Graphite Iron) появились для реализации экстремально высокой степени форсирования у дизельных моторов. Этот чугун сильно отличается от распространенного серого чугуна. У него на 75% выше прочность на разрыв, на 40% выше модуль упругости, и он в два раза устойчивее к знакопеременным нагрузкам. А его сравнительно невысокая стоимость и прочность позволяют создавать литые чугунные блоки с массой меньше, чем у алюминиевых. Но в основном его применение ограничено гильзами и коленчатыми валами. Гильзы получаются очень тонкими, теплопроводными и при этом столь же технологичными и надежными, как обычные гильзы из чугуна. А коленчатые валы по прочности соперничают с коваными стальными при заметно меньшей себестоимости.

Покрытие по технологии Nicasil, в общем-то, не редкость и далеко не новинка, но оно остается одним из самых высокотехнологичных и перспективных в своей сфере. Изобрели его еще в 1967 году для роторно-поршневых двигателей, и засветиться в массовом автомобилестроении оно успело. Porsche его применял для гильз цилиндров с 1970-х, а в 1990-е его попытались применить и на более массовых моторах, например в BMW и Jaguar, но недостатки технологии и высокая цена заставили отказаться от него в пользу более дешевых методов поверхностного упрочнения высококремниевых сплавов, например по технологии Alusil.

Причем более вероятной причиной отказа является как раз повышенная стоимость блоков цилиндров с этим покрытием, связанная с низкой технологичностью процесса гальванического нанесения и высоким процентом не выявляемого сразу брака, который потом успешно списали на высокосернистые бензины.

Тем не менее это покрытие все еще остается лучшим выбором для создания рабочей поверхности в любом мягком металле, потому под различными торговыми наименованиями применяется в массовом и особенно гоночном двигателестроении. Например, под маркой SCEM в моторах Suzuki. Его недостатки в основном связаны с очень высокой стоимостью обработки и слабой приспособленностью к массовому производству при использовании с крупными многоцилиндровыми блоками.

Металлокерамическая матрица (MMC), более известная как FRM в моторах Honda, — еще один оригинальный и интересный материал. Например, двигатель на суперкаре NSX имел гильзы, выполненные по такой технологии. Опять же технология далеко не новая, но, как и материал, очень перспективная. Покрытие типа Nicasil тоже относится к MMC, но его приходится наносить гальваническим методом, и в качестве матрицы выступает достаточно твердый никель.

В технологии FRM материалом матрицы служит алюминий, а MMC получается в процессе заливки гильзы из волокнистого материала на основе карбоновой нити в алюминиевый блок. Использование углеродного волокна более технологично. К тому же матрица получается намного более толстой, чуть более мягкой, намного более упругой и абсолютно интегрированной в материал блока. Отслоение, как это происходило с Nicasil, попросту невозможно. Задиры и локальные повреждения в силу структуры материала ему почти не страшны, а в случае износа цилиндр можно расточить благодаря большому запасу по толщине.

Минусы у такого покрытия тоже имеются. Во-первых, немалая цена, во-вторых, жесткое отношение к поршневым кольцам, поскольку его структура плохо «настраивается». Тут не создать полноценной сетки хона, правда, масло хорошо удерживается в волокнах и без того. Края волокон очень жесткие, и даже сверхтвердые кольца имеют ограниченный ресурс, а поршень в местах контакта интенсивно изнашивается при малейшем биении, что подразумевает использование поршней с минимальным зазором и очень короткой юбкой. К тому же покрытие очень маслоемкое. В итоге у моторов постоянно наблюдался повышенный расход масла, что на определенном этапе не позволило выполнять жесткие экологические требования.

Впрочем, сейчас эта проблема уже не актуальна, новые катализаторы и новые поколения малозольных масел позволяют об этом не беспокоиться. Ну и, разумеется, цена нанесения покрытия такого типа заметно выше, чем у алюсила или чугунных гильз, но все же меньше, чем у Nicasil-подобных материалов.

Покрытия MMC разных типов также используются в целом ряде деталей двигателей. Например, в седлах клапанов в ГБЦ, упрочнениях крайних постелей распредвалов, особо нагруженных местах креплений элементов конструкции. Это позволяет широко применять цельноалюминиевые детали и снижать массу конструкции за счет упрощения. Некоторые детали двигателей могут иметь крупные элементы из MMC, например клапаны. Но это и сейчас удел не серийных конструкций.

Титановые сплавы также давно пытаются использовать в конструкции машин. В двигателях этот прочный, легкий и очень эластичный материал с превосходной химической стойкостью применяется очень ограниченно в силу высокой стоимости. Но можно найти серийные конструкции с деталями из титана. Титановые шатуны, например, давно устанавливаются в моторах Ferrari и тюнинговом подразделении AMG. Еще титан — неплохой выбор для пружин, шайб, рокеров и прочих элементов ГРМ, деталей теплообменников EGR, а также разных крепежных элементов. Кроме того, он используется для производства рабочих элементов высокопроизводительных турбин, а иногда —— для производства клапанов и даже поршней.

Теоретически детали из высококремнистых титановых сплавов с высоким содержанием интерметаллидов и сицилидов могут применяться в двигателях, но у большинства титановых сплавов наблюдается серьезная потеря прочности уже при температурах свыше 300 градусов — изменение пластичности в больших пределах и большой коэффициент расширения, что не позволяет создавать из них долговечные детали с низкой массой. Ограниченное применение имеет в двигателестроении и 3D-печать из титановых сплавов, например для создания выпускных систем на спорткарах.

А вот покрытия из нитрида титана — одни из самых популярных средств упрочнения поршневых колец. Этот материал отлично работает по кремниевому упрочненному слою гильз цилиндров. Его же используют как напыление на фаски клапанов, в том числе титановых, на торцы толкателей клапанного механизма и другие узлы двигателя. Начиная с 1990-х годов использование этого метода упрочнения неуклонно возрастает, и он вытесняет хромирование, азотирование и ТВЧ-закалку. Также нитрид титана является перспективным типом покрытия для гильз цилиндров: он может наноситься методом PA-CVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), а значит, такие технологии могут стать серийными в ближайшее время, если будет спрос на новые износостойкие покрытия цилиндров.

Уже упомянутая 3D-печать также активно применяется для создания высокопрочных и высокоточных жаростойких деталей сплав Inconel. Это семейство никельхромовых жаростойких сплавов давно служит материалом для создания выпускных клапанов, верхних компрессионных колец, пружин и даже выпускных коллекторов, корпусов турбин и крепежного материала для высокотемпературного применения.

В последние годы, в связи с развитием технологий 3D-печати и активным использованием в них Inconel-сплавов, мелкосерийные ДВС все чаще обзаводятся деталями из этого очень перспективного материала. Рабочий диапазон деталей из него минимум на 150–200 градусов выше, чем у самых жаростойких сталей, и доходит до 1200 градусов. Как материал упрочнения сплавы Inconel используются серийно уже достаточно давно, так, в моторах Mercedes-Benz покрытие из Inconel применяется на моторах серий M272/M273.

Пластмассы также продолжают внедрять в конструкции двигателей. Выполненные из пластика элементы системы впуска и охлаждения — дело уже привычное. Но дальнейшее расширение номенклатуры маслостойких и теплостойких пластмасс с низким короблением позволило создать пластмассовые картеры ДВС, клапанные крышки, направляющие, корпуса малых конструкций внутри двигателя. Концепты моторов с блоком цилиндров из пластмассы, а точнее, из полимерно-углеродных композиций, уже были представлены публике. При незначительно меньшей прочности, чем у легких сплавов, пластик в производстве обходится дешевле и значительно лучше перерабатывается.

Каков итог?

Изучение вопроса применяемости материалов в двигателестроении показывает четкую направленность: для снижения массы и улучшения других характеристик применение каких-то суперматериалов либо не особо требуется, либо невозможно в принципе в силу физических и химических свойств. Развитие технологий идет путем эволюционным — усовершенствования как самого производства, так и традиционных материалов, реорганизации рабочего процесса и конструкторской оптимизацией. Так что даже в среднесрочной перспективе мы вряд ли увидим революцию в производстве ДВС, скорее речь будет идти о постепенном отказе от этого типа двигателя в принципе в пользу электротехнологий, хотя и там пока не наблюдается бурного технологического прорыва.

Как работают игровые движки?

Компании постоянно хвастаются своим новейшим игровым движком. Напрашивается вопрос: что именно является игровым движком?

Игровой движок закладывает программную основу для создания и создания видеоигр. Они предоставляют функции от анимации до искусственного интеллекта. Игровые движки отвечают за визуализацию графики, обнаружение столкновений, управление памятью и многие другие параметры.

Игровые движки предоставляют разработчикам инструменты для создания многочисленных игровых приложений.Дизайнеры часто используют эти движки для создания других игр, что делает их ценными инвестициями.

Игровой движок состоит из пяти компонентов: основная игровая программа, которая содержит игровую логику; механизм рендеринга, который можно использовать для создания трехмерной анимированной графики; звуковой движок, который состоит из алгоритмов, связанных со звуками; физический движок для реализации «физических» законов в системе; и Искусственный интеллект, модуль, предназначенный для использования программистами со специальным назначением.

Современные инструменты и программы сделали создание игр проще, чем когда-либо.

С многочисленными игровыми движками может быть сложно выбрать правильный для вашего проекта.

Ниже представлен список игровых движков, доступных в настоящее время для всех, кто интересуется разработкой игр.

Unity

Пользователи считают Unity одним из самых простых игровых движков благодаря простому интерфейсу. Одной из основных функций, которые он содержит, является то, что он позволяет разрабатывать игры для нескольких платформ.Используя движок Unity, можно создавать игры для Android, iOS и других операционных систем телефона, включая ОС ПК.

Помимо своих кроссплатформенных возможностей, платформа имеет активное сообщество разработчиков плагинов, которые предлагают множество бесплатного и недорогого контента для использования в игровом движке. Некоторые примеры игр, созданных на движке, включают Temple Run, Rust и Deus Ex: The Fall. Примечательно, что их личный пакет совершенно бесплатный и включает в себя множество инструментов для начинающих и любителей.Вы можете взглянуть на различные планы Unity здесь.

Unreal Game Engine

Unreal Engine - один из лучших игровых движков для рендеринга детальной графики. Некоторые известные игры, созданные с помощью Unreal Engine, включают Borderlands 2, Dishonored, Mass Effect 3 и Street Fighter V. Сторонники Unreal Game Engine говорят, что он может создавать одни из лучших пейзажей в играх.

Модель ценообразования этого движка включает в себя бесплатную версию с полным доступом. Тем не менее, Unreal Engine берет 5% роялти за любые игры, сделанные из него.

Вы можете подписаться на Unreal Engine здесь.

GameMaker: Studio

Хотя некоторые утверждают, что GameMaker не является реальным игровым движком, он все еще широко используется и используется многими разработчиками игр. Вместо обычного программирования пользователи могут буквально «перетаскивать» элементы, чтобы создавать игры намного быстрее и с большей легкостью.

СМОТРИ ТАКЖЕ: ВЫ НЕ МОЖЕТЕ ДАЛЕЕ РАССКАЗАТЬ РАЗНИЦУ РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ И ВИДЕОИГРЫ

Одна примечательная игра, созданная с помощью GameMaker, - Hotline Miami.Однако из-за природы «перетаскивания» разработчики имеют ограничения в создании расширений и дополнений с помощью альтернативного кода.

Как и другие движки, Studio включает в себя бесплатную версию с ограниченным доступом. Вы можете зарегистрироваться в студии GameMaker здесь.

Автор Maverick Бейкер

Как работают паровые двигатели?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 25 июля 2019 года.

Вообразите, что живете только на угле и вода и до сих пор достаточно энергии бежать со скоростью более 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли из большинства железные дороги в мире, паровые технологии живут в сердцах людей и локомотивы, подобные этому, до сих пор ходят как туристические достопримечательности на многих железные дороги.

Паровозы были оснащены паровыми двигателями и заслуживают того, чтобы вспомнил, потому что они охватили мир через промышленный Революция 18 и 19 веков. Паровые двигатели ранжируются с машины, самолеты, телефоны, радио и телевидение среди величайших изобретений всех времен. Они чудеса техники и отлично примеры техники, но под всем этим дымом и паром, как точно они работают?

Фото: маленький, недавно восстановленный паровоз работает на Суонедж железной дороге, Англия.Великая Западная железная дорога 0-6-2 Танк 6695 был спасен от свалки в 1979 году и потребовалось 26 лет, чтобы восстановить его до полного рабочего состояния за счет 200 000 фунтов стерлингов (около 400 000 долларов США).

Что питает паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы сделать абсолютно все можно подумать - кататься на скейтборде, летать на самолете, ходить в магазины или водить машину вниз ул. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из масло, но это не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимое в мире топливо, и оно питало все от поездов и кораблей на злополучные паровые самолеты, изобретенные американским ученым Сэмюэл П.Лэнгли, ранний конкурент братьев Райт. Что было так особенное про уголь? Есть много этого внутри Земли, так что это было относительно недорогой и широко доступный.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает это основано на элементе углерод. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки погибших растения захоронены под камнями, сжатыми давлением, и приготовленный внутренним теплом Земли. Вот почему это называется ископаемое топливо. Комки угля - это действительно комки энергия. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислород соединениями, называемыми химическими связями.Когда мы сжигаем уголь на костре, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно , то есть половину энергии на килограмм, чем чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин, - и это одна из причин, почему паровые двигатели должны сжигать так много.

Фото: основные части паровоза. Нажмите на маленькое фото, чтобы увидеть гораздо большее. Это бывший британский железнодорожный стандарт 4МТ, паровоз № 80104 (построен в Брайтоне в 1955 году) работает на Суонедж железной дороге, Англия в августе 2008 года.Прочитайте, как он был восстановлен из ржавой кучи и возвращен в сервис его владельцы, Южные Локомотивы, в 80104 Восстановление.

Что такое паровой двигатель?

Паровой двигатель - это машина, которая сжигает уголь для выделения тепла энергия, которую он содержит, - это пример того, что мы называем тепловым двигателем. Это немного похоже на гигантский чайник, сидящий на угольном огне. Тепло от огня кипит вода в чайнике и превращает его в пар. Но вместо того, чтобы бесполезно взрывать воздух, как пар из чайника, пар захватывается и используется для питания машина.Давайте узнаем, как!

Как работает паровой двигатель

Грубо говоря, в паровом двигателе есть четыре разные части:

Пожар, где горит уголь.
Бойлер, полный воды, который огонь нагревает, чтобы произвести пар.
Цилиндр и поршень, скорее как велосипедный насос, но очень больше. Пар из котла подается в цилиндр, вызывая поршень двигаться в одну сторону, а затем в другую. Это в и из движения (который также известен как «возвратно-поступательное движение») используется для езды...
Машина прикреплена к поршню. Это может быть что угодно от водяной насос для заводской машины ... или даже гигантский паровоз бег по железной дороге.

Это очень упрощенное описание, конечно. На самом деле сотни или даже тысячи деталей самый маленький локомотив.

Пошаговое

Легче всего увидеть, как все работает в нашей маленькой анимации паровоза, внизу. Внутри кабины локомотива вы загружаете уголь в топку (1), которая довольно буквально металлическая коробка содержащий ревущий угольный огонь.Огонь нагревает котел - гигант чайник "внутри паровоза.

Котел (2) в паровозе не очень похож на чайник, который вы использовали бы, чтобы сделать чашку чая, но он работает так же, производя пар под высоким давлением. Котел представляет собой большой резервуар с водой с десятками тонких металлических трубок Бег через него (для простоты мы показываем только один здесь, окрашенный в оранжевый цвет). Трубы идут от топки к дымоходу, перенося тепло и дым от огня с ними (показаны в виде белых точек внутри трубки).Такое расположение котельных труб, как их называют, означает двигателя огонь может нагревать воду в баке котла намного быстрее, поэтому он производит пар быстрее и эффективнее. Вода, которая делает пар либо происходит из цистерн, установленных на боковой стороне локомотива, или из отдельного вагона, называемого тендером, который тянется за локомотив. (Тендер также предусматривает поставку угля для локомотива.) Вы можете увидеть фото тендера, показывающего его резервуар для воды ниже этой страницы.

Пар, вырабатываемый в котле, стекает в цилиндр (3) только впереди колеса, толкая плотно прилегающий поршень, поршень (4), туда и обратно.Маленький механический затвор в цилиндре, известный как впускной клапан (показано оранжевым цветом) впускает пар. Поршень подключен к одному или больше колес локомотива через своего рода плечо локтя руки сустав называется кривошипно-шатунным (5).

По мере нажатия поршня кривошип и шатун поворачивают колеса локомотива и приводят поезд в движение (6). Когда поршень достиг конца цилиндра, он не может нажать дальше. Импульс поезда (тенденция продолжать движение) несет провернуть вперед, толкая поршень обратно в цилиндр Оно пришло.Клапан подачи пара закрывается. Выпускной клапан открывается и поршень выталкивает пар обратно через цилиндр и поднимает дымоход локомотива (7). Прерывистый глухой звук, который паровой двигатель и его прерывистые клубы дыма случаются, когда поршень движется вперед и назад в цилиндре.

Там есть цилиндр с каждой стороны локомотива и два цилиндра огонь немного не в ногу друг с другом, чтобы всегда есть некоторые сила толкает двигатель вперед.

Типы паровых двигателей

Фото: крупный план поршня и цилиндра в паровом двигателе.

На приведенной выше схеме показан очень простой одноцилиндровый двигатель с паровым двигателем паровоз вниз по рельсам. Это называется роторным пар двигатель, потому что работа поршня состоит в том, чтобы заставить колесо вращаться. Самые ранние паровые двигатели работали совершенно иначе. Вместо того поворачивая колесо, поршень толкал балку вверх и вниз в простой возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение.Поршневой пар двигатели использовались для откачки воды из затопленных угольных шахт в начале 18-ый век.

На нашей диаграмме показан пар, толкающий поршень в одну сторону, и импульс локомотива, едущего в другом направлении. Это называется односторонним действием паровой двигатель, и это довольно неэффективная конструкция, потому что поршень будучи приведенным в действие только половину времени. Намного лучше (хотя немного больше сложный) конструкция использует дополнительные паровые трубы и клапаны поршень сначала в одну сторону, а затем в другую.Это называется двойного действия (или противоточный) паровой двигатель. Это более мощный, потому что пар приводит в движение поршень все время. Если вы внимательно посмотрите на колеса типичного парового двигателя, вы увидим, что все сложнее, чем мы видели в простой анимации выше: там гораздо больше техники, чем просто один кривошип и шатун. На самом деле, есть запутанная коллекция блестящих рычагов, скользящих вперед и назад с дотошным точность. Это называется редуктором клапана. Его работа это открывать и закрывать клапаны цилиндров в нужные моменты, чтобы позволить подача пара с обоих концов, чтобы двигатель работал максимально эффективно и мощно, и чтобы он мог ехать задним ходом.Есть довольно много разных типов клапанный механизм; один из самых распространенных дизайнов называется Walschaerts, названный в честь его бельгийский изобретатель Эгид Вальшартс (1820–1901). Танковый двигатель 80104 показано на втором фото на этой странице, имеет клапанный механизм типа Уолшерта, и так же Eddystone, локомотив, изображенный ниже.

Фото: клапанный механизм Walschaerts на типичном большом паровозе, 34028 Eddystone.

Первые паровые двигатели были очень большими и неэффективными, что означает потребовалось огромное количество угля, чтобы заставить их что-либо делать.Поздние двигатели производится пар при гораздо более высоком давлении: пар был произведен в меньший, намного более сильный котел, так что он выдавливается с большей силой и взорвали поршень сильнее. Избыточная сила высокого давления пар двигатели позволили инженерам сделать их легче и компактнее, и именно это проложило путь для паровозов, пароходов, и паровые машины.

Фото: паровые двигатели не могли нести всю воду они нужны для долгого путешествия. Периодически им придется прекратить пополнять счет в резервуары для воды на рельсовой дорожке, подобные этой (сверху) на Суонеджской железной дорогеУ более крупных двигателей были тендеры: грузовики, которые они тащили за собой, содержали запасы уголь (перед красной линией, которую мы нарисовали) и вода (за красной линией). Уголь держится под углом пластина внутри тендера, которая делает его естественно наклониться к отверстию впереди, где пожарный может легко сунуть его в топку. Ниже: Вы можете увидеть, как выглядит тендер внутри на этой необычной фотографии пустого тендера, сфотографирован сверху и снизу, снят в Научном центре науки в Бирмингеме, Англия.Этот тендер содержит около 18000 литров (4000 британских галлонов) воды и принадлежит музейному локомотиву города Бирмингем.

Пар действительно умер?

Уголь был дешевым и обильным топливом во времена раннего промышленного Революция, но изобретение бензинового двигателя (бензиновый двигатель) в середине 19 века ознаменовал новую эру: в 20-м веке нефть обогнала уголь как фаворита в мире топлива. Паровые двигатели крайне неэффективны, тратя около 80–90 процентов всей энергии, которую они производят из угля.Это означает, что они должны сжечь огромное количество угля для производства полезного количества энергии.

Паровая машина настолько неэффективна, потому что огонь, который сжигает уголь, полностью отделить (и часто на некотором расстоянии от) цилиндр, который вращается тепловая энергия в паре в механическую энергию, которая питает машина. Эта конструкция называется двигателем внешнего сгорания потому что огонь и котел находятся вне цилиндра. Это неэффективно потому что энергия тратится впустую как тепло и пар от огня, через котел, в цилиндр.Бензиновые и дизельные двигатели основаны на совершенно другой конструкции, называемой двигатель внутреннего сгорания. Бензин или дизельное топливо сжигается внутри цилиндра, а не снаружи, и это делает Двигатели внутреннего сгорания значительно эффективнее. (Вы можете узнать больше о внутреннем и внешнем сгорании в нашем обзоре двигателей.) Нефть также имеет много других преимуществ: она чище угля и делает меньше Загрязнение воздуха, и гораздо легче транспортировать в трубах.

Именно поэтому паровозы исчезли с наших железных дорог - тепловозы были в целом удобнее.Требуются часы, чтобы запустить паровой двигатель, прежде чем вы сможете его использовать; ты можешь Запустите дизельный двигатель менее чем за минуту. Паровые двигатели исчезли с заводов, когда электричество стал более удобным способом питания зданий. Кто хочет загружать уголь на завод каждый день, когда они могут просто нажать на переключатели, чтобы заставить вещи работать?

Художественная работа: Меньше значит больше: в 1960-х годах Великобритания перешла от паровых двигателей к дизельным и электрическим. Последние двигатели были построены там в 1956 году, а самый последний паровоз работал в августе 1968 года.К 1968 году количество работающих локомотивов было примерно на треть меньше, чем в 1962 году, но перевозилось столько же грузов: дизель-электрическая железнодорожная система гораздо эффективнее Источник: взято с использованием данных из «Производительности Британских железных дорог 1962–1968 гг.» К.Д.Джонса, журнал «Экономика и политика транспорта», том. 4, № 2 (май 1970 г.), с. 162–170.

Но вещи не совсем такие, какими кажутся. Пар и уголь никогда не делали исчезнуть - не совсем. Откуда берется электричество, которое мы используем? Было бы здорово, если бы все это происходило из возобновляемых источников энергии (ветряные турбины, солнечные батареи и т. д.), но большая часть этого все еще прибывает из угля, сгорели на электростанциях за несколько миль от наши дома и фабрики.Внутри электростанции, работающей на угле, уголь все еще сжигается для производства пара, приводя в действие подобные мельнице устройства паровые турбины, которые намного эффективнее паровых двигателей. Как они вращаются, они поворачиваются электромагнитные генераторы и выработки электроэнергии. Итак, вы видите, хотя паровозы исчезли из нашего железные дороги, паровая энергетика жив и здоров - и так же важен, как и всегда!

Фото: некоторые из паровых двигателей, которые работают на линиях наследия были еще относительно новыми, когда они были сняты со службы.Вот этот, Bulleid Pacific № 34070 "Манстон" был построен в 1947 году и снят менее чем через 20 лет (в 1964 году). После долгого восстановления Южными Локомотивами, он вернулся в служба на Суонедж железной дороге в сентябре 2008 года. Удивительно впечатляющее зрелище, оно весит 128 тонн и может развивать скорость более 160 км / ч (100 миль в час).

Кто изобрел паровой двигатель ... и когда?

Вот краткая история мощности пара:

1-й век н.э .: герой Александрии демонстрирует паровую вращающуюся сферу, называемую эолипилом.
16 век н.э .: итальянский архитектор Джованни Бранка (1571–1640) использует паровую струю для вращения лопастей небольшого колеса, в ожидании паровой турбины, разработанной сэром Чарльзом Парсонсом в 1884 году.
1680: голландский физик Кристиан Гюйгенс (1629-1693) делает первый поршневой двигатель, используя простой цилиндр и поршень работает от взрыва пороха. Помощник Гюйгенса Денис Папин (1648 – c.1712) понимает, что пар - это лучший способ для привода цилиндра и поршень.
1698: Томас Савери (ок.1650-1715) развивает паровой водяной насос под названием «Шахтерский друг». Это просто поршневой паровой двигатель (или балочный двигатель) для перекачки воды из мин.
1712: англичанин Томас Ньюкомен (1663–1729) развивает Гораздо лучшая конструкция парового водяного двигателя, чем у Savery и обычно приписывают изобретение парового двигателя. Шотландский инженер по имени Джеймс Уотт (1736–1819) выясняет гораздо более эффективный способ получения энергии от пара после улучшения модель двигателя Newcomen.Улучшения Ватта Ньюкомена двигатель привел к широкому распространению пара.
1770: офицер французской армии Николя-Жозеф Кагнот (1725–1804) изобретает паровой трехколесный трактор.
1797: английский горный инженер Ричард Trevithick (1771–1833) разрабатывает паровую версию двигателя Ватта под высоким давлением, прокладывание пути для паровозов.
1803: английский инженер Артур Вульф (1776–1837) делает паровой двигатель с более чем одним цилиндром.
1804: американский промышленник Оливер Эванс (1775-1819) изобретает паровой пассажирский автомобиль.Как и Тревитик, он признает важность пара высокого давления и создает более 50 паровых машин.
1807: американский инженер Роберт Фултон (1765–1815) работает первый пароход по реке Гудзон.
1819: пароходный океанский корабль "Саванна" пересекает Атлантика из Нью-Йорка в Ливерпуль всего за 27 дней.
1825: английский инженер Джордж Стивенсон (1781–1848) строит первую в мире паровую железную дорогу между города Стоктон и Дарлингтон.Начнем с того, что паровозы тянут только тяжелые угольные грузовики, а пассажиров перевозят в конных экипажах.
1830: Ливерпуль и Манчестерская Железная дорога становятся первыми, кто использует паровую энергию для перевозки как пассажиров, так и грузов.
1882: плодовитый американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) открывает первую в мире коммерческую электростанцию в Перл Улица, Нью-Йорк. Он использует высокоскоростные паровые двигатели для питания генераторы электричества.
1884: английский инженер сэр Чарльз Парсонс (1854-1931) разрабатывает паровую турбину для своей скоростной паровой лодки Turbinia.

Фото: Подумайте о паровых двигателях, и вы, вероятно, подумаете о паровозах, но корабли тоже работали на пару, прежде чем появились дизельные двигатели. Это прекрасно отреставрированный PS Waverley, последний в мире плавучий пароход в океане, построенный в 1947 году и отправившийся на причал Суонидж в сентябре 2009 года.

Как работает двигатель?

Вы уже знаете, что завести автомобиль так же просто, как повернуть ключ, но задумывались ли вы когда-нибудь, что на самом деле происходит под капотом?

Когда ваше тело нуждается в топливе, вы кормите его пищей. Когда вашему автомобилю нужно топливо, вы «кормите» его бензином. Точно так же, как ваше тело превращает пищу в энергию, автомобильный двигатель превращает газ в движение. Некоторые более новые автомобили, известные как гибриды, также используют электричество от батарей, чтобы помочь двигать транспортное средство.

Процесс преобразования бензина в движение называется «внутренним сгоранием».«Двигатели внутреннего сгорания используют небольшие контролируемые взрывы, чтобы генерировать мощность, необходимую для перемещения вашего автомобиля во всех местах, куда ему нужно ехать.

Если вы создадите взрыв в крошечном замкнутом пространстве, таком как поршень в двигателе, в качестве расширяющегося газа выделяется огромное количество энергии. Типичный автомобильный двигатель создает такие взрывы сотни раз в минуту. Двигатель использует энергию и использует ее для движения вашего автомобиля.

Взрывы заставляют поршни в двигателе двигаться. Когда энергия от первого взрыва почти закончилась, происходит другой взрыв.Это заставляет поршни двигаться снова. Цикл продолжается снова и снова, давая машине мощность, необходимую для движения.

Автомобильные двигатели используют четырехтактный цикл сгорания. Четыре такта - впуск, сжатие, сгорание и выхлоп. Удары повторяются снова и снова, генерируя энергию. Давайте подробнее рассмотрим, что происходит во время каждой фазы цикла сгорания.

Впуск: Во время цикла впуска впускной клапан открывается, и поршень движется вниз. Это начинает цикл с подачи воздуха и газа в двигатель.

Сжатие: Когда начинается цикл сжатия, поршень перемещается вверх и выталкивает воздух и газ в меньшее пространство. Меньшее пространство означает более мощный взрыв.

Сжигание: Затем свеча зажигания создает искру, которая зажигает и взрывает газ. Сила взрыва заставляет поршень отступить.

Выхлоп: Во время последней части цикла выпускной клапан открывается для выпуска отработанного газа, образовавшегося в результате взрыва.Этот газ подается в каталитический нейтрализатор, где он очищается, а затем через глушитель, прежде чем покинуть автомобиль через выхлопную трубу.