Silniki
SILNIK
maszyna przetwarzająca ciepło, energię elektr. lub mech. na pracę o postaci dogodnej do napędzania maszyn i urządzeń przem. (np. prądnic elektr., obrabiarek, pomp, dźwignic), roln. (np. kombajnów, młynów) lub komunik. (np. samochodów, samolotów, statków).
Do pracy silnika jest niezbędny ciągły dopływ energii, np. elektr. (silnik elektryczny), mech. (silnik wiatrowy, wodny), ciepła (silnik spalinowy, parowy). Energia mech. wytwarzana przez silnik jest przekazywana do urządzenia napędzanego za pośrednictwem części ruchomych silnika (np. za pomocą wirującego wału) albo sam silnik wywiera nacisk na urządzenie napędzane (np. silnik odrzutowy, silnik elektryczny liniowy). Wielkościami charakteryzującymi silnik są: moc, sprawność, prędkość obrotowa wału, moment obrotowy, siła ciągu itp. Pierwszym zbudowanym silnikiem było koło wodne używane już w I w. p.n.e. w Azji Mniejszej. Pierwszą pracującą maszynę parową opatentowali 1705 T. Newcomen i J. Cowley, 1711 zainstalowali ją do pompowania wody w kopalni; bardziej uniwersalny silnik parowy zaprojektował 1763 I.I. Połzunow; 1732 po raz pierwszy silnik parowy został użyty do napędu maszyn o ruchu obrotowym; największe zasługi w rozwoju silników parowych położył J. Watt. W XIX w. nastąpił szybki rozwój silników elektrycznych i silników spalinowych tłokowych i turbin cieplnych.
SILNIK CIEPLNY, urządzenie do przetwarzania energii cieplnej na energię mech.; s.c. pobiera ciepło ze źródła o temperaturze wyższej (ciepło spalania paliwa w silniku spalinowym lub w turbinie), przetwarza jego część na pracę mech., a resztę oddaje w chłodnicy; proces odbywa się z udziałem czynnika termodynamicznego (np. spalin, pary wodnej); praca s.c. przebiega zgodnie z zasadami termodynamiki; do s.c. należą m.in. silniki tłokowe parowe i spalinowe oraz turbiny cieplne.
SILNIK SPALINOWY TŁOKOWY, silnik cieplny o spalaniu wewn., w którym ruch tłoka jest wywołany ciśnieniem spalin powstających przez spalanie mieszanki palnej (paliwowo-powietrznej) wewnątrz cylindra silnika; powszechnie są stosowane silniki spalinowe tłokowe o posuwisto-zwrotnym ruchu tłoka (suwowe), zw. krócej silnikami spalinowymi tłokowymi, znacznie rzadziej o tłoku obracającym się. W silnikach suwowych tłok uszczelniony pierścieniami tłokowymi zamyka cylinder silnika; posuwisto-zwrotny ruch tłoka jest zmieniany przez mechanizm korbowy na ruch obrotowy wału korbowego; dopływ mieszanki (lub powietrza) do cylindrów silnika oraz usuwanie z nich spalin reguluje mechanizm rozrządu. W silnikach spalinowych tłokowych czterosuwowych (czterosuwach) obieg pracy odbywa się w 4 kolejnych suwach tłoka, co odpowiada 2 obrotom wału korbowego; w silnikach dwusuwowych (dwusuwach) obieg pracy odbywa się w 2 kolejnych suwach tłoka, co odpowiada 1 obrotowi wału korbowego; silniki dwusuwowe w porównaniu z czterosuwowymi mają mniej skomplikowaną konstrukcję, są łatwiejsze do obsługi i naprawy, tańsze, ale ich wadami są na ogół większe zużycie paliwa i zanieczyszczanie powietrza.
Silniki dwusuwowe pozwalają uzyskać wyższą moc i moment obrotowy w stosunku do silników czterosuwowych o tej samej pojemności skokowej; najnowsze generacje silników dwusuwowych odznaczają się także niską toksycznością spalin; w nowocz. silnikach tłokowych dwusuwowych stosuje się m.in. szczelinowe zawory jednokierunkowe w kanałach wlotowych i zawory obrotowe — w wylotowych, automatyczne smarowanie i sterowanie zasilaniem oraz dopalacze katalityczne. Powstaje nowa generacja silników dwusuwowych o bezpośrednim wtrysku paliwa (wspomaganym pneumatycznie) do cylindra, co umożliwia usunięcie większości wad silników dwusuwowych konwencjonalnych.
Zależnie od sposobu zapłonu mieszanki rozróżnia się silniki o zapłonie iskrowym (tzw. niskoprężne; zapłon następuje od iskry elektr. między elektrodami świecy zapłonowej) i silniki o zapłonie samoczynnym (zw. też silnikami wysokoprężnymi lub silnikami Diesla), w których zapłon wtryśniętego paliwa (oleju napędowego) następuje wskutek silnego podwyższenia temperatury powietrza zawartego w cylindrze w wyniku jego sprężenia. Wśród silników spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym rozróżnia się silniki z wtryskiem bezpośrednim, z komorą wstępną, z komorą wirową, z zasobnikami powietrza. Silniki o zapłonie samoczynnym charakteryzują się dużą sprawnością, małym zużyciem paliwa i nie wymagają elektr. instalacji zapłonowej, mają natomiast bardziej skomplikowaną konstrukcję od silników o zapłonie iskrowym. Silniki o zapłonie samoczynnym są stosowane jako silniki kol., okrętowe i przem. oraz w samochodach (gł. ciężarowych) i ciągnikach, natomiast silniki z zapłonem iskrowym — gł. w motocyklach i samochodach osobowych. Silniki spalinowe tłokowe klasyfikuje się także ze względu na: a) sposób tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej; silniki z tworzeniem mieszanki zewn., czyli gaźnikowe (gaźnik) lub wtryskowe (wtrysk paliwa do przewodu dolotowego) bądź wewn. (wtrysk bezpośrednio do cylindra); b) rodzaj paliwa: na paliwo ciekłe (benzynowe, na olej napędowy, na paliwo ciężkie), gazowe, dwu- i wielopaliwowe; c) liczbę i układ cylindrów (rzędowe, widlaste, przeciwsobne); d) zastosowanie: samochodowe, przemysłowe, lotnicze.
Szczególną odmianę silników spalinowy tłokowych stanowią silniki o tłoku obracającym się, czyli silniki spalinowe rotacyjne; w tych silnikach tłok wykonuje ruch obrotowy, poruszając się pod wpływem zmiennych nacisków czynnika roboczego. Spośród wielu proponowanych rozwiązań pierwszym udanym był silnik wykonany 1960 przez F. Wankla (silnik Wankla); ma on mniejszą od silnika klas. masę, mniejsze wymiary i prostszą budowę, ale jednocześnie gorszą sprawność (z powodu niekorzystnego kształtu komory) i mniejszą trwałość (szybkie zużycie uszczelek).
Pierwszym silnikiem spalinowym tłokowym, który znalazł szersze zastosowanie, był dwusuwowy silnik gazowy o działaniu dwustronnym oraz zapłonie iskrowym, opatentowany 1860 przez E. Lenoira; silnikiem spalinowym tłokowym działającym niezawodnie i ekonomicznie był czterosuwowy silnik gazowy, zbud. 1876 (ulepszony 1878) przez N.A. Otto i E. Langena. Pierwszy silnik spalinowy tłokowy benzynowy (dwusuwowy) skonstruował 1878–79 C. Benz; silnik spalinowy tłokowy o zapłonie samoczynnym wynalazł i opatentował 1893 R. Diesel (produkcję rozpoczęto 1897). Obecnie do sterowania pracą samochodowych silników spalinowych tłokowych nierzadko stosuje się komputer (ECU — Engine Control Unit), który określa m.in. optymalny czas zapłonu i wtrysku paliwa. W silnikach tłokowych spalinowych (zarówno o zapłonie iskrowym jak i samoczynnym) niekiedy stosuje się doładowanie.
SILNIK ODRZUTOWY, silnik, w którym siła napędowa powstaje dzięki reakcji wytwarzanej przez wypływający z dyszy czynnik roboczy (gorące spaliny, strumień jonów, plazmy itp.). Silniki odrzutowe dzielą się na przelotowe (przepływowe) i rakietowe. Zależnie od sposobu sprężania powietrza, do którego wprowadza się paliwo, silniki przelotowe dzielą się na: strumieniowe, turboodrzutowe i pulsacyjne. Rozpowszechniły się głównie silniki odrzutowe spalinowe, w których energię spalania zamienia się w energię kinet. gazów wylotowych; podstawowe zespoły silnika odrzutowego spalinowego to komora spalania i dysza wylotowa. Silniki odrzutowe spalinowe mogą być zarówno przelotowe (tlen do spalania paliwa pobierany jest z atmosfery), jak i rakietowe — zdolne do pracy w próżni kosmicznej.
Silnik rakietowy, silnik odrzutowy, którego czynnik roboczy (np. gaz, spaliny, strumień jonów lub plazmy) znajduje się w napędzanym obiekcie (pocisku rakietowym, rakiecie); ciąg jest wytwarzany przez przyspieszenie czynnika roboczego lub produktów jego rozkładu. Praktyczne zastosowanie znalazły dotychczas jedynie silniki rakietowe spalinowe; silniki te pobierają tlen potrzebny do spalania paliwa z utleniaczy będących składnikami rakietowych materiałów pędnych znajdujących się w napędzanym obiekcie (w przeciwieństwie do silników odrzutowych spalinowych pobierających tlen z atmosfery); rozróżnia się silniki rakietowe spalinowe na materiały pędne: stałe, ciekłe i mieszane (tzw. hybrydowe, w których np. paliwo jest w stanie stałym, a utleniacz — w stanie ciekłym). Silniki rakietowe spalinowe stosuje się przede wszystkim do napędu rakiet nośnych, statków kosm. oraz pocisków rakietowych, czasami są też wykorzystywane w samolotach jako silniki pomocnicze (np. do wspomagania startu). W stanie projektów (niekiedy prób) są także inne rodzaje silników rakietowych; w silniku rakietowym jądrowym reaktor jądr. stanowiłby źródło ciepła dla chłodzącego go gazu (czynnika roboczego), który by się następnie rozprężał w dyszy silnika; w silniku rakietowym elektr. do nagrzewania czynnika roboczego służyłby np. łuk elektryczny.
Silnik strumieniowy, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy), składa się z dyfuzora wlotowego, komory spalania i dyszy wylotowej; podczas lotu powietrze wpływa do silnika przez dyfuzor wlotowy (otwarty w kierunku lotu) i zmniejsza w nim swoją prędkość, dzięki czemu wzrasta jego ciśnienie; w komorze spalania następuje wtrysk i spalanie paliwa w strumieniu przepływającego powietrza, a powstające gazy spalinowe o wysokiej temperaturze rozprężają się i wypływają na zewnątrz przez dyszę, dając ciąg (siłę odrzutu); silniki strumieniowe stosuje się w niektórych pociskach sterowanych i samolotach naddźwiękowych. Silnik strumieniowy z naddźwiękową komorą spalania (tzw. Scramjet) ma być podstawowym napędem przyszłościowym samolotów kosmicznych. Silnik strumieniowy pracuje efektywnie dopiero przy prędkościach naddźwiękowych, dlatego do startu pojazdów napędzanych takim silnikiem konieczne jest zastosowanie innego silnika, np. turboodrzutowego lub rakietowego.
Silnik turboodrzutowy (turbinowy silnik odrzutowy przelotowy), silnik lotn. przelotowy (o otwartym obiegu) zawierający turbinę spalinową; składa się z dyfuzora wlotowego, sprężarki (lub 2 sprężarek), komory spalania, turbiny oraz dyszy wylotowej. Powietrze wpływa podczas lotu przez odpowiednio ukształtowany dyfuzor wlotowy (wlot — otwarty w kierunku lotu) i zmniejsza w nim swoją prędkość, dzięki czemu wzrasta jego ciśnienie; w sprężarce strumień powietrza ulega dalszemu sprężeniu, po czym jest kierowany do komory spalania (zasilanej przez wtryskiwacze ciekłym paliwem); powstające w komorze gorące spaliny rozprężają się częściowo w turbinie, a częściowo w dyszy wylotowej, wytwarzając ciąg (siłę odrzutu); turbina napędza sprężarkę. Rozróżnia się silniki turboodrzutowe jednoprzepływowe (zw. wprost silnikami turboodrzutowymi), w których całość powietrza dopływającego do silnika przepływa przez sprężarkę do komory spalania, i silniki dwuprzepływowe, w których czynnik roboczy przepływa 2 współosiowymi kanałami: wewn. i 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 i ulega tam spaleniu wytwarzając wysokotemperaturowe spaliny, które rozprężają się w turbinach i napędzają sprężarki, następnie uchodzą na zewnątrz przez dyszę wylotową, dając ciąg; ciąg uzyskuje się również poprzez rozprężenie powietrza (spalin) wypływającego z kanału zewnętrznego. W zależności od zastosowania silniki dwuprzepływowe mają różny stopień dwuprzepływowości (stosunek masy powietrza przepływającego przez kanał zewn. do masy powietrza przepływającego przez kanał wewn.), silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (5 : 1 i więcej) są stosowane do napędu samolotów komunik. i transportowych, o małym (1 : 1 i mniej) — do samolotów wojsk.; silniki o dużym stopniu dwuprzepływowości (nazywane silnikami wentylatorowymi) charakteryzują się b. dużymi ciągami oraz niskim jednostkowym zużyciem paliwa (wysoką sprawnością). Silniki wentylatorowe są stosowane w samolotach o poddźwiękowej prędkości lotu, podczas gdy silniki o małym stopniu dwuprzepływowości mogą być stosowane w samolotach naddźwiękowych (wówczas spalanie paliwa może być realizowane w obu kanałach).
Patent na silniki turboodrzutowe uzyskał 1930 bryt. konstruktor F. Whittle, który 1939 przeprowadził pierwszą próbę takiego silnika. Pierwszym samolotem z silnikiem turboodrzutowym był 1939 niem. samolot Heinkel He-178. Silniki turboodrzutowe są obecnie podstawowym rodzajem napędu samolotów komunik. i wojsk. o prędkości okołodźwiękowej i naddźwiękowej.
Silnik pulsacyjny, silnik odrzutowy przelotowy (bezsprężarkowy) z jednokierunkowymi zaworami mech. lub bezwładnościowymi aerodynamicznymi umieszczonymi na wlocie powietrza; paliwo jest wtryskiwane do komory spalania, w której po wymieszaniu z powietrzem jest zapalane od resztek spalin pozostałych z poprzedniego cyklu; w wyniku wzrostu ciśnienia, spowodowanego spalaniem, zawory jednokierunkowe zamykają się i następuje wypływ spalin z dyszy silnika, wskutek czego w komorze spalania wytwarza się podciśnienie, otwierają się zawory i cykl powtarza się.
SILNIK TURBOSPALINOWY, silnik, w którym łopatkowy wirnik gazowej turbiny cieplnej przetwarza energię kinetyczną spalin (wytwarzanych w komorze spalania turbiny i sprężonych przez napędzaną turbinę sprężarkę) w energię ruchu obrotowego; silniki turbospalinowe są stosowane do napędu prądnic w elektrowniach, samolotów, lokomotyw.
SILNIK TURBOŚMIGŁOWY, turbinowy silnik lotn., który gł. część (75–100%) ciągu wytwarza za pomocą śmigła napędzanego przez turbinę spalinową (za pośrednictwem przekładni zębatej), a pozostałą — przez odrzut gazów wylotowych.
SILNIK ELEKTRYCZNY, maszyna przetwarzająca energię elektr. na energię mech., zwykle w postaci energii ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje w silniku elektrycznym w wyniku oddziaływania pola magnet. i prądu elektr. (siła elektrodynamiczna). Silnik elektryczny składa się ze stojana (z osadzoną parą lub kilkoma parami uzwojeń elektromagnesów) oraz wirnika z uzwojeniem twornikowym. Zależnie od prądu zasilającego rozróżnia się silnik elektryczny prądu stałego oraz silniki elektryczny prądu przemiennego.
Silnik elektryczny prądu stałego ma na osi wirnika pierścień złożony z izolowanych działek (tzw. komutator) łączonych z zaciskami uzwojeń twornika; po komutatorze ślizgają się doprowadzające prąd nieruchomo osadzone szczotki elektr. (z drobnoziarnistych tworzyw z węgla uszlachetnionego) dociskane do powierzchni komutatora przez sprężynki. Działanie pola magnet., wytworzonego przez elektromagnesy stojana, na prąd elektr. w obwodzie: para szczotek, działki komutatora i uzwojenie twornika, powoduje ruch obrotowy wirnika; kierunek obrotów zależy od kierunku prądu w uzwojeniu twornika. Zależnie od sposobu połączenia uzwojenia twornika z uzwojeniem elektromagnesu wzbudzającego pole magnet., silniki elektryczne prądu stałego dzieli się na szeregowe, równoległe i szeregowo-równoległe. W silnikach elektrycznych szeregowych prędkość obrotowa zmniejsza się wraz ze wzrostem obciążenia; mają skłonność do „rozbiegania się” po odłączeniu obciążenia; są stosowane w trakcji elektr. i dźwignicach. W silnikach elektrycznych równol. prędkość obrotowa jest niezależna od obciążenia; są stosowane np. do napędzania obrabiarek. Silniki elektryczne szeregowo-równoległe są stosowane do napędzania maszyn o stałej prędkości obrotowej i dużych momentach obrotowych.
Silniki prądu przemiennego dzielą się na 1- i 3-fazowe, a zależnie od zasady działania — na indukcyjne (indukcyjna maszyna), synchroniczne (synchroniczna maszyna) i komutatorowe (komutatorowa maszyna). W silnikach elektrycznych 3-fazowych indukcyjnych prąd 3-fazowy płynący przez uzwojenia stojana wytwarza pole wirujące; pole to przecina przewody uzwojenia wirnika, indukując w nich prądy zgodnie z regułą Lenza, a w rezultacie powoduje ruch obrotowy wirnika; wirnik obraca się wolniej niż pole wirujące, gdyż w uzwojeniach wirnika indukuje się napięcie tylko wtedy, kiedy istnieje ruch pola wirującego względem tych uzwojeń; różnica prędkości nazywa się poślizgiem; silnikach elektrycznych indukcyjne stosowane są do napędzania maszyn o nie regulowanej prędkości obrotowej. Najtańsze i najczęściej stosowane w przemyśle są odznaczające się najprostszą budową silniki indukcyjne klatkowe (zwarte); wirnik tych silników ma uzwojenie w kształcie klatki, wykonanej jako odlew aluminiowy lub zespół prętów zwartych na swych czołach pierścieniami. Silniki elektryczne synchroniczne różnią się od silników elektrycznych indukcyjnych budową wirnika, który jest wyposażony dodatkowo w elektromagnesy zasilane prądem stałym ze wzbudnicy osadzonej na wale wirnika; liczba biegunów elektromagnesów odpowiada liczbie biegunów pola wirującego stojana; ponieważ moment obrotowy jest wynikiem wzajemnego oddziaływania na siebie biegunów magnet. elektromagnesów i pola wirującego, obroty wirnika są synchroniczne z obrotami pola i mają stałą prędkość; stosowane do napędzania maszyn szybkoobrotowych o stałej prędkości obrotowej, np. sprężarek. Silniki elektryczne synchroniczne mogą być stosowane jako silniki skokowe (krokowe, impulsowe); impulsowe zasilanie powoduje nieciągły, skokowy ruch wirnika (obrót) silnika o określony kąt (zwykle kilka do kilkudziesięciu stopni); silnik taki wykonuje do kilku tysięcy skoków na sekundę; jest stosowany w układach regulacji automatycznej z cyfrowym sygnałem sterującym, w zegarach (jako siłownik precyzyjny), do ustawiania głowic w pamięciach dyskowych komputerów itp. Silniki elektryczne komutatorowe (szeregowe i równoległe), podobnie jak silniki elektryczne prądu stałego, mają wirnik z komutatorem, do którego doprowadza się prąd przemienny za pomocą szczotek. Osobną grupę stanowią silniki elektryczne uniwersalne, które mogą być zasilane prądem stałym lub przemiennym; stosowane do napędzania sprzętu gospodarstwa domowego, maszyn biurowych itp.
Odrębnym rodzajem silnika elektrycznego jest silnik liniowy, przetwarzający energię elektr. bezpośrednio na energię ruchu postępowego. Silnik liniowy składa się z induktora i bieżnika, które są odpowiednikami stojana i wirnika zwykłego silnika elektrycznego, lecz rozwiniętymi w linię prostą; częścią ruchomą silnika może być zarówno induktor, jak i bieżnik. Głównymi zaletami tego rodzaju silnika są: brak styczności mech. między induktorem a bieżnikiem, idealnie cicha praca, dobre chłodzenie, brak ślizgowych zestyków doprowadzających prąd, łatwość sterowania, możliwość uzyskiwania różnych przebiegów zależności siły od prędkości, możliwość prostego łączenia kilku silników liniowych w jeden zespół o większej mocy. Rozróżnia się silniki elektryczne liniowe prądu stałego, prądu przemiennego, synchroniczne, asynchroniczne, oscylacyjne itp.; do najnowszych konstrukcji należą silniki o poprzecznym strumieniu magnet. (tzw. transverse-flux motor) nadające się zwł. do napędzania szybkich pojazdów poruszających się na poduszce powietrznej lub magnetycznej. Silniki elektryczne liniowe stosuje się gł. w automatyce, w napędach specjalnych oraz w trakcji elektrycznej.
Współczesne silniki elektryczne budowane są na moce od części wata do kilkudziesięciu megawatów, przy sprawności od 60 do 95%, współczynnik mocy silnika elektrycznego prądu przemiennego wynosi 0,65–0,95.
Pierwszy model silnika elektrycznego zbudował 1831 M. Faraday (tarcza Faradaya), zaś pierwszy silnik elektryczny (z komutatorem) o praktycznym zastosowaniu — do napędu łódki — 1834 M.H. Jacobi; decydującym krokiem w rozwoju silnika elektrycznego było zbudowanie 1887 przez J.N. Teslę (wykorzystującego prace inż. i fizyka G. Ferrarisa) 2-fazowego silnika indukcyjnego; 1889–90 silnik 3-fazowy z wirnikiem klatkowym zbudował M. Doliwo-Dobrowolski; 1902 E. Danielson zbudował silnik synchroniczny, którego prędkość obrotowa ściśle zależała od częstotliwości prądu zasilającego; w tym samym roku A. Zahden uzyskał patent na silnik liniowy, działający wg zasady stosowanej obecnie.