Коротка відповідь на питання

Вони всі відмінні, але використовуються кожен для свого завдання. Невеликий паровий двигун легше побудувати, але ефективність (скільки роботи він може зробити, якщо витратити скільки-то палива) у нього менше, ніж у ДВС. У великий парової турбіни ефективність висока, але це стаціонарні агрегати, які незручно використовувати безпосередньо, тому їх використовують для виробництва електроенергії, а вже нею крутять електродвигуни (ЕД). В цілому якщо розглядати ряд парова машина (ПМ) - ДВС - ЕД з генератором електроенергії, то складність виготовлення і вимоги до точності виготовлення зростають, а з ними зростає ефективність. Крім того, зростають вимоги до кількості знань, які ми повинні мати про те, як все це працює, а знання накопичуються поступово. Тому спочатку були ПМ, які, грубо кажучи, можна зробити на коліні і не особливо розуміючи як вони працюють, потім ДВС - потрібно абияк розбиратися в принципі роботи теплових машин взагалі, і потім ЕД, для яких потрібні знання електродинаміки і все вищеперелічене, так як для генераторів електроенергії найчастіше використовують інші типи двигунів.

Але цей короткий відповідь - повна нісенітниця, давайте розбиратися прискіпливіше.

Навіщо взагалі потрібні двигуни

Якщо ми хочемо дізнатися який двигун краще, давайте зрозуміємо навіщо вони потрібні, які вони бувають, а потім оцінимо, який з них робить ці речі краще, а крім того - наскільки легко зробити такий двигун.

Людина завжди хотів полегшити собі роботу, а робота його зазвичай полягала в переміщенні предметів з одного місця в інше - ну або в обробці землі або матеріалів, для чого знову-таки потрібно постійно переміщати інструменти.

Найпростіше змусити робити все це іншої людини. Але результат вийде не дуже: інша людина теж захоче полегшити собі роботу і взагалі рабство - відстій. Можна змусити працювати тварина начебто коні. Це вже набагато краще: на них можна дуже швидко пересуватися, возити тяжкості, можна приводити ними в рух штуки на кшталт млинів, підйомників, водяних насосів. Але все це трохи не те. Було б здорово мати машину, яка працює коли потрібна, а в решту часу її не потрібно годувати. І тоді почали вигадувати двигуни, що приводять у рух машини.

Давайте припустимо вітрила, вітряні і водяні колеса - їх хоч і не потрібно годувати, але вони працюють тільки там, де є вітер і потік води, а це теж обмежує їх застосування. Розглянемо більш пізні штуки: паровий двигун, двигун Стірлінга і двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ).

Принцип роботи теплового двигуна

У всіх цих двигунів є одна спільна риса: в рух (тобто роботу) вони перетворюють тепло. Тобто це теплові двигуни [1] .

Принцип роботи теплового двигуна простий: щось при нагріванні розширилося і посунули потрібний предмет в потрібному напрямку, а потім, можливо, ще й при охолодженні стислося і знову щось кудись посунули. Тільки це коротке пояснення, а ми їх не любимо, тому давайте розглядати конкретні моделі.

Почнемо з початку, тобто палити будемо що завгодно, а тілом для розширення візьмемо воду (точніше, водяна пара), цього добра скрізь повно. Подивіться на цю картинку (так, я знаю, вона була у вас в підручнику фізики за четвертий клас):

Це еоліпіл - парова турбіна Герона Олександрійського, який жив близько двох тисяч років тому. Правда, невідомо, чи існувало це пристрій або було тільки описано Героном. У будь-якому випадку, корисної роботи воно не здійснювало і ще принаймні півтори тисячі років його ніхто не розглядав в цьому плані. Інша його винахід роботу здійснювало - випаровується вода конденсувалась і своєю вагою тягнула вниз мотузку, що відкриває двері храму. Можете собі уявити скільки часу це займало. Ну, мабуть тоді ніхто нікуди не поспішав.

Настільки не поспішав, що наступний двигун (ну, принаймні з відомих) з'явився тільки в кінці 17 століття. Причому це був не зовсім двигун як ми його розуміємо, він не мав приводу: пар в ньому не рухав поршень, а його впускали в резервуар з водою і він виштовхував її назовні, і цим користувалися для відкачування води з шахти. Наступний з'явився в 18-м столітті і він вже мав привід. Ось він (парова машина Ньюкомена [2] , Картинка з вікіпедії):

Що цікаво - він працює не зовсім інтуїтивно: зазвичай очікується, що гаряча пара, розширюючись, штовхає поршень і робить роботу, але тут все навпаки. Коли поршень йде вгору, циліндр наповнюється парою низького тиску з котла, при цьому поршень насоса (який зліва) опускається вниз під власною вагою. Потім в робочий циліндр (який праворуч) впорскують холодну воду, пар, охолоджуючись, стискається і атмосферний тиск зовні штовхає поршень вниз, при цьому відбувається робота.

Ця штука жерла немислиму кількість палива і її коефіцієнт корисної дії (ККД), тобто яка частка тепла перетворюється в корисну роботу, був менше 1%. Циліндр при кожному циклі доводилося нагрівати заново. Клапани, які впускають пар і холодну воду, спочатку керувалися вручну. Але уявіть собі, це все одно було вигідніше, ніж кінська тяга.

Потім цю машину удосконалив Джеймс Уатт (той самий, в честь якого названа одиниця потужності Ватт). По-перше, циліндр тепер не нагрівали і остуджували постійно - пар остигав в окремому резервуарі ( "конденсаторі"). По-друге, обидва ходу поршня стали робочими, тобто робота проводилася і при розширенні пара. І по-третє - у двигуна з'явився обертальний привід і він зміг не тільки качати воду, а й крутити колесо млина або верстата. Потужність і ККД виросли приблизно в п'ять разів. А тут як раз почалася промислова революція (неясно, чи було одне причиною іншого або просто так співпало за часом), і пішло-поїхало.

І ось вже тут можна побачити пару особливостей, які дозволять нам відповісти на початковий питання. Коли Джеймс Уатт почав займатися удосконаленням машини Ньюкомена, та існувала вже 50 років, але ніхто як слід не розумів як вона працює. Перше удосконалення (конденсатор) зайняло у нього 10 років, друге (подвійну дію) - ще більше 10. Металообробка того часу не дозволяла виготовляти такі великі деталі (поршень і циліндр) з потрібною точністю. Тобто ми бачимо, що чим далі в історії, тим складнішими стають машини, тим вище вимоги до точності виготовлення деталей і тим більше потрібно накопичити знань про те, як вони, власне, працюють.

Потім з'являються парові машини високого тиску. Тут уже пар розширюється і штовхає поршень в циліндрі, після чого його тиск падає і він випускається в атмосферу (або в конденсатор, щоб використовувати воду повторно). Причому поршень можна за допомогою нехитрої паророзподільних системи рухати спочатку в одну сторону, а потім подавати пар з іншого боку і штовхати назад (машина подвійної дії). Приблизно так (картинка з Вікіпедії):

Далі ця схема вже принципово не змінювалася, хоча знаходили багато способів її вдосконалити:

1. Машини з декількома послідовними циліндрами, в кожен з них надходить пар більш низького тиску з попереднього
2. Складні пристрої для впуску пари в більш відповідний момент, що підвищувало ефективність
3. Отработавший все ще гаряча пара використовувався для підігріву води для котла, і так далі

Крім всіх цих схем з поршнями енергію пара можна використовувати ще і в парових турбінах. Найпростішу турбіну ми вже бачили трохи вище, але щоб вона виробляла розумну кількість роботи на одиницю палива, потрібно її удосконалити. По-перше, обертати паром колесо з лопатками, приблизно таке:

Якщо поставити один за одним кілька коліс і обертати кожне наступне відпрацьованою парою від попереднього (ступені турбіни), можна підвищити її ефективність. І дуже непогано, до речі, недарма парові турбіни широко використовуються і зараз, хоча про це трохи пізніше.

Різниця між турбіною і поршневим двигуном ще й в тому, що турбіна не може ефективно працювати на низьких оборотах - їй потрібно постійно шалено крутитися, а не скрізь це може бути застосовано. Транспорт, наприклад, повинен рухатися з різними швидкостями і часто досить повільно. Поршневий двигун передає енергію з циліндра на колеса практично безпосередньо, а в разі турбіни потрібно сильно ускладнювати конструкцію.

Крім того, при високих швидкостях обертання сильно зростають вимоги до точності виготовлення і міцності матеріалів: незбалансоване колесо турбіни на високих оборотах просто зруйнується від вібрації. І ще потрібно зробити так, щоб колесо було з одного боку досить велика, але при цьому зазори між рухомими частинами були мінімальні.

Ще є двигуни Стірлінга, про них коротко, тому що хоча вони застосовувалися і застосовуються і у них купа переваг, але не можна ткнути пальцем в якусь відому кожному машину і сказати "ось в ній використовується двигун Стірлінга". Він не вимагає пара і працює просто за рахунок того, що з одного боку циліндр нагрівають, а з іншого - охолоджують, і повітря всередині циліндра то розширюється, то стискується, здійснюючи роботу. Приблизно так:

Всі розглянуті вище двигуни називають двигунами зовнішнього згоряння, тому що паливо в них згорає зовні. Однак здогадалися спалювати його і всередині і так з'явилися двигуни внутрішнього згоряння (саме їх далі називатимемо ДВС). Дрова, вугілля або кізяк всередині циліндра спалювати проблематично, тому таким двигунам потрібен певний паливо - горючий газ або рідина начебто нафти, спирту, олії. На внутрішньому згорянні теж можна побудувати турбіну (тоді вона називається не парової, а газовою турбіною), а крім того - ефективний реактивний двигун, в якому згоряє газ виривається через сопло і тим самим штовхає вперед то, на чому варто це сопло.

Найпростіший поршневий ДВС працює приблизно так:

У циліндр входить горюча суміш, потім підпалюється (електрична свічка запалювання), палаюча суміш розширюється і штовхає поршень.

Чим же такий двигун відрізняється від парових машин в контексті нашого питання, тобто 1. чим він кращий / гірший і 2. чому, грубо кажучи, раніше їздили на паровозах, а зараз на тепловозах?

Переваги ДВС: вони легше, компактніше і економічніше, ніж парові. Однак недоліків теж купа: вони працюють тільки на одному виді палива, найефективніше працюють тільки в невеликому діапазоні оборотів і в порівнянні з паровими дуже технологічні. Так, їм обов'язково потрібна система запалювання: паливо має загорятися в строго певні моменти від електричної іскри або в дизельних двигунах - стисненням горючої суміші. Вони самі по собі не заводяться, їх треба стартувати або електричним стартером, або вручну. Їм обов'язково потрібна мастило. Їм потрібна система охолодження. Загалом, на коліні, як машину Ньюкомена або двигун Стірлінга, це вже не спорудити. Тому розвинулися вони трохи пізніше, ніж двигуни зовнішнього згоряння, але незабаром переваги переважили недоліки і тепер вони використовуються ширше (по крайней мере, в деяких областях, в інших все ще рулять парові машини).

Тепер про електричні двигуни

Виявляється, якщо помістити рамку з дроту з електричним струмом в магнітне поле (наприклад, між двома полюсами магніту), то на цей виток буде діяти повертає його сила, приблизно так:

Якщо струм тече весь час в одну сторону і магнітне поле не змінюється, то рамка розгорнеться і залишиться в такому положенні. Але якщо разом з поворотом рамки змінити напрямок струму або напрямок магнітного поля, то рамка розгорнеться ще раз, і таким чином можна змусити її постійно обертатися. Якщо намотати побільше витків, можна збільшити потужність.

Так це ж взагалі найпростіше і ефективне, що тільки може бути. Але є нюанс: такому двигуну потрібно електрику, а щоб отримати електрику, потрібно провести зворотний процес, тобто взяти ту ж рамку в магнітному полі і повернути її, і тоді в рамці побіжить струм. Так, є й інші способи - сонячні батареї, наприклад, або хімічні джерела, але зараз найвигідніше добувати електроенергію саме так - обертати рамку в магнітному полі.

Хороші новини в тому, що вирощують цю рамку можна де завгодно і чим завгодно - паровою машиною, двигуном Стірлінга, ДВС, водяним колесом, вітряним пропелером, а електроенергію дуже просто передавати по проводах.

Тепер розглянемо, де двигуни застосовуються зараз і який з них в якій області найкраще працює.

Давайте подивимося графіки. Так, графіки далі будуть з сайту американського агентства енергетичної інформації Energy Information Administration www.eia.gov і з сайту yearbook.enerdata.ru , У них відмінна статистика. Відразу обмовлюся, що буду розглядати тільки статистику по США, оскільки вона у них найповніша, а для наших цілей більш важливі саме оцінки, а з ними ми практично не помилимося, якщо будемо розглядати одного з двох топових споживачів енергії в світі:

Другий споживач - це Китай, який зараз споживає навіть більше, ніж США, але детальну статистику по Китаю знайти складніше.

Отже, що в США споживає найбільше енергії і як цю енергію отримують? Ось зовсім чудова інфографіка:

Отже, в основному ми виробляємо електроенергію, а також витрачаємо енергію на промисловість і транспорт. При цьому ми в основному використовуємо саме теплові двигуни, тобто спалюємо нафта, газ і вугілля (що досить сумно, але це інше питання). Розглянемо кожен з цих секторів докладніше.

1. Промисловість

Почнемо з цього сектора, оскільки він простіше. Тут здебільшого використовуються електродвигуни ( джерело ), Що логічно. Для транспорту енергію потрібно практично тягати з собою, а виробництво зазвичай нікуди не рухається і до нього найвигідніше підвести електроенергію, а добувати її можна в іншому місці.

2. Виробництво електроенергії

Як ми бачимо, тільки 13% виробництва становлять поновлювані джерела, решта - спалювання вугілля, нафти і газу і атомна енергія, тобто теплові двигуни. Які саме двигуни для цього використовуються? Майже виключно парові турбіни. Їх, на відміну від поршневих двигунів, відмінно виходить робити дуже великими і дуже потужними і найповніше використовувати енергію, так що у них дуже високий ККД.

3. Транспорт

Цей сектор вже набагато цікавіше. Транспорт зараз працює майже виключно на нафтопродуктах, ось детальна статистика:

Транспорт буває пасажирський і перевезення вантажів, перший - це в основному (якщо рахувати за кількістю пасажирів і пройденого відстані) автомобілі (16000 мільярдів людино-кілометрів на рік), автобуси (7000) і літаки (2800). Лідери з перевезення вантажів - це морські перевезення (40.000 мільярдів тон на кілометр на рік), вантажівки (7000) і залізні дороги (6500) ( джерело статистики тут ).

В автомобілях і автобусах зараз в основному використовуються бензинові і дизельні ДВС, вони дуже схожі, відрізняються практично тільки типом палива і способом запалювання. Ці двигуни оптимальні для такого застосування, оскільки вони невеликі за розміром і їм доводиться працювати в великому діапазоні швидкостей. Електродвигуни тут були б ще краще, але з ними є певні труднощі в цій галузі: вартість і час зарядки акумуляторів і всесвітню змову (майже жарт) виробників автомобілів. Однак сподіваюся, що в майбутньому ця ситуація все ж зміститься в бік електромобілів. Go Tesla Motors go !

У пасажирської авіації в основному використовуються турбовентиляторні двигуни, які виглядають ось так:

А влаштовані так:

Тобто по суті це газова турбіна і вентилятор в одному корпусі: обертанням турбіни повітря з передньої частини двигуна засмоктується, стискається і подається в камеру згоряння, там змішується з паливом, яке згорає, обертає турбіну і на великій швидкості залишає двигун в задній частині, тим самим штовхаючи всю конструкцію вперед. Як все турбіни, найефективніше працює на одній досить високій швидкості, але для літаків це саме воно.

Тепер про перевезення вантажів. Як ми бачили трохи вище, в основному це водний транспорт, що перевозить в основному нафту і нафтопродукти, скраплений газ, контейнери. Це суду колосального розміру, які неспішно - близько 40-50 км / ч - везуть величезна кількість вантажу. На них встановлюються поршневі дизельні ДВС, що працюють в оптимальному режимі, щоб економити паливо. Що стосується другого за списком учасника - вантажівок, тут вимоги і двигуни ті ж, що у автотранспорту, хіба що дизельних двигунів все ж побільше, але все ж це звичайні ДВС.

На залізніцях почти та ж ситуация - Використовують тепловози з ДВС (в основному дізельні двигуни), и електровозу з електродвигун. Електровозу в цьом випадка Досить рентабельні, оскількі Працюють усі або почти весь час не від акумуляторів, а від електрічної мережі. Крім того, електродвигун можна зробити ще більш економічним, якщо у локомотива є так звана рекуперативна система гальмування, коли при гальмуванні накопичена складом величезна енергія не розсіюється даремно в тепло на гальмівних колодках, а йде на зарядку акумуляторів. Але електровозів все ж потрібно електрична мережа, яка є не скрізь. Крім того - в більшості дизельних локомотивів ДВС використовується як генератор для електродвигуна, який вже крутить колеса: таким чином простіше передавати потужність з ДВС, що працює в оптимальному режимі. До речі, паровози на залізницях ще залишилися, але мало. Наприклад, в деяких районах Китаю, де немає електрифікації та складності з доставкою дизельного палива, але є вугілля [ 3 ]. Плюс, звичайно ж, кілька історичних машин для розваги туристів [ 4 ].

Отже, до якого ж висновку ми прийшли, розібравшись в історії двигунів і всій різноманітності, яке з'явилося у нас за всю їх історію? Ні двигуна, який підходив би для будь-якого завдання, тому використовуються багато з винайдених до сьогоднішнього дня, кожен у своїй ніші. Однак одні з них складніше виготовити, ніж інші, тому зараз таких складніших двигунів більше, ніж раніше.