Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Более 100 лет известен такой механизм, как двигатель внутреннего сгорания.
Двигатели данного типа применяются повсеместно, как наиболее распространённый способ преобразования химической энергии в механическое движение.
Однако существует еще один вид совершенно замечательного двигателя — который называется линейным двигателем внутреннего сгорания. Простота устройства, высокая скорость работы и эффективность — делают такой двигатель весьма перспективным, для использования в рамках множества задач.
Все двигатели внутреннего сгорания можно условно подразделить на три крупных вида:
1) двухтактные:
в них процесс осуществления полезной работы и наполнения цилиндра двигателя новой порцией смеси для сжигания, — производится за 2 движения поршня. При движении поршня вниз — производится полезная работа, при движении его в обратном направлении, то есть верх, — осуществляется сжатие поступивший смеси, для последующего её сжигания;
2) четырехтактные:
в них процесс осуществления полезной работы, продувка цилиндра от продуктов сгорания и заполнение его новой порцией смеси, — осуществляется за 4 движения поршня:
- при первом движении поршня вниз, осуществляется полезная работа;
- при последующем движении поршня вверх, происходит продувка цилиндра от продуктов сгорания;
- при втором движении поршня вниз, осуществляется заполнение цилиндра свежей порцией смеси;
- при последующем втором движении поршня вверх, происходит сжатие поступившей свежей смеси, для последующего её сжигания.
3) дизельные двигатели:
суть которых заключается в том, что сжигание смеси происходит за счёт резкого повышения давления, а следовательно и температуры, которая собственно и поджигает поступившую в цилиндр смесь.
Кроме того, существуют различные комбинации между этими перечисленными выше тремя видами. Однако, несмотря на попытки инженеров как-то скомбинировать эти три подхода, в основном, прижились именно они, в «чистом» виде.
Несмотря на широкое распространение двигателей внутреннего сгорания, существует один особый подвид двигателей, который хоть и не получил широкое распространение (на которое он вправе рассчитывать), тем не менее, в некоторых сферах он всё равно применяется.
Это двигатели внутреннего сгорания линейного типа:
Суть таких двигателей заключается в том, что они существенно проще классических двигателей внутреннего сгорания. Проще потому, что в их конструкции полностью исключена такая массивная и сложная система деталей, как «кривошипно-шатунный механизм».
Оппозитный поршневой двигатель с внешним сжатием
Двигатель с противоположным поршнем и внутренним сжатием
Однопоршневой двигатель одностороннего действия с возвратным механизмом
Свободнопоршневой двигатель
Свободнопоршневой двигатель двойного действия
В обычных двигателях данный механизм служит для того, чтобы произвести полезную работу, а также вернуть поршень в изначальное положение, которое он занимал до начала движения.
Система получается достаточно стабильной, прогнозируемой, может быть легко настраиваемой.
Однако, такое усложнение системы не проходит даром, — это приводит к тому, что существенно усложняется механизм в целом, утяжеляется двигатель, возникают разнообразные паразитные явления, которые приводят к повышенному износу цилиндро-поршневой группы.
Среди таких явлений можно назвать знакопеременные нагрузки на поршень, которые оказывают на него раскачивающие движения влево/вправо. Данные движения приводят к повышенному износу поршня и цилиндра.
Кроме того, наличие больших вращающихся масс, приводит к паразитным вибрациям, которые расшатывают конструкцию в целом и увеличивают затраты энергии на осуществление движения.
В отличие от таких классических двигателей, линейные двигатели внутреннего сгорания лишены всех этих недостатков: по своей сути, они представляют собой просто поршень, движущийся прямолинейно и не имеющий каких-либо кривошипно-шатунных механизмов.
Каким же тогда образом, поршень возвращается в первоначальное положение? Для этого существует множество схем.
Среди наиболее распространенных подходов, применяются:
- использование противоположной рабочему цилиндру камеры, — в качестве газовой пружины;
- уравновешивание одного поршня другим, точно таким же поршнем, движущимся в противоположном направлении;
- связывание двух поршней движущихся в противоположных направлениях — жёсткой рычажной сцепкой;
- отсутствие какого-либо балансирования движущегося поршня, за счёт того, что вся система установлена на жестком массивном основании. Это позволяет гасить возникающие вибрации;
- иные конструкции, а также комбинации всего вышеперечисленного.
Линейный двигатель внутреннего сгорания позволяет очень легко реализовать эффективный генератор электрического тока.
По сути, для создания такого генератора необходимо просто быстро перемещать, закреплённый на связанной с поршнем оси, сильный магнит, сквозь кольцевую обмотку статора, например, как в этом «трясущемся фонарике»:
Благодаря своей простоте, данные двигатели могут развивать достаточно большие скорости. В частности, имеется информация о достижении такими двигателями частоты в 390 Герц (390 движений поршня в секунду и, соответственно, 23400 – в минуту).
Кроме того, двигатели данного типа могут быть использованы в качестве компактных и мощных источников энергии, достаточно простой конструкции. Именно это привлекает к данным двигателям повышенное внимание оборонной промышленности по всему миру.
Некоторые исследователи проводят достаточно интересные опыты, которые позволяют детально оценить эффективность таких двигателей.
В частности, группой учёных была проведена серия работ, направленная на исследование применимости линейных двигателей в военных нуждах.
Исследователи во главу угла ставили возможность создания миниатюрных систем и возможность обеспечивать высокую плотность хранимой энергии, несмотря на свои небольшие размеры.
Для этого был разработан двухтактный двигатель линейного типа, который для возврата поршня в изначальное положение использовал в пружину, с прямоугольным сечением проволоки в ней.
(Источник картинки: "№4" — в списке использованных источников, под этой статьёй)
Тесты показали, что генераторы данного типа обладают очень большим потенциалом. А именно, они могут работать на очень большой частоте, в течение продолжительного времени.
Генератор на 300 ватт и на 5 ватт — в сравнении со стандартной батарейкой, формата АА (Источник картинки: "№4" — в списке использованных источников, под этой статьёй)
В ходе поставленного эксперимента, показанный на рисунке генератор, мощностью 5-10 Вт, проработал в течение 100 часов, работая с частотой в 390 Герц. При этом КПД генератора составил 90%.
В ходе тестирования были выявлены следующие существенные моменты:
- из-за отсутствия жесткой связи с отсутствующей кривошипно-шатунной системой, генератор имеет переменную степень сжатия, которая позволяет ему легко работать с разными видами топлива, в режиме цикла Дизеля. Другими словами, двигатель может легко воспламенять любое топливо, используя в качестве зажигающего воздействия высокую температуру от сжатия;
- благодаря отсутствию знакопеременных нагрузок, «раскачивающего» типа, которые являются одними из основных, в стандартных двигателях с кривошипно-шатунным механизмом, данный генератор может хорошо работать с минимальной смазкой или совсем без оной;
- плотность энергии, хранимой в качестве химического топлива и вырабатываемая с использованием данного генератора, — превосходит как аккумуляторные батареи любого типа, так и топливные элементы;
- миниатюрность размеров, высокая плотность хранения энергии, дешевизна производства — делают генераторы такого типа особенно привлекательными для использования их в качестве миниатюрных источников энергии, для небольших летающих дронов военного назначения.
Плотность хранимой энергии, по сравнению с перезаряжаемыми аккумуляторами
Почему же, при таких очевидных преимуществах такого типа двигателей, они не получили широкого распространения и не вытеснили так хорошо известные нам двигатели с кривошипно-шатунным механизмом?
Наверное, ответ здесь заключается в том, что мир стал в определенной степени заложником сложившейся инфраструктуры, крупномасштабных производств и сети сервисных компаний, ориентированных на работу с классическими двигателями внутреннего сгорания.
Это одна сторона проблемы, вторая заключается в том, — что линейный двигатель внутреннего сгорания постоянно находится в зоне риска. Это проявляется в том, что двигатели постоянно балансирует на грани разрушения.
Этот риск является следствием того, что быстро движущийся поршень не имеет, как правило, какого-либо физического ограничителя (конструкции двигателей, которые требуют жесткой сцепки между поршнями, — мы сейчас осознанно опустим, так как любой инженер, старается использовать все преимущества такого типа двигателей).
А для этого требуется отказаться от каких-либо жестких сцепок и заставить двигатель работать исключительно с помощью контроля его движения с применением разнообразных факторов: сжимающихся газовых пружин; синхронно движущихся в разных направлениях и так же синхронно сходящихся в центре — уравновешенных поршней и т.д.
Нетрудно заметить из данного описания, что осуществление четкой синхронизации и контролируемого течения данного процесса, является весьма нетривиальной задачей и решается с переменным успехом.
При выходе же данного процесса из-под контроля, — это сразу же приведет к разрушению одного или нескольких поршней, а также цилиндров (ввиду удара поршней — в соответствующие «донышки» цилиндров).
Если же полностью отказаться от идеи устранения вибраций такого двигателя, используя одноцилиндровую схему, — это приведет к возникновению сильных вибраций, которые должны быть погашены массивным основанием.
Есть ещё одна неочевидная проблема, которая касается сложности пуска двигателей данного типа (мы ведь не забыли, что стараемся «выжать» из двигателя всё, поэтому мы не используем каких-либо жестких сцепок).
Обычно, пуск двигателя такого типа осуществляется с использованием импульса сжатого воздуха.
Все эти причины в своей совокупности, — сдерживают широкое распространение этих двигателей на коммерческом рынке.
Однако, в последнее время, ввиду широкого распространения разнообразных микроконтроллеров, делаются попытки по электронно-компьютерному контролю процессов, протекающих в двигателе рассматриваемого типа.
В частности, наблюдаются следующие подходы:
- ШИМ-контроль, когда для управления движением поршней, используется электрогенератор, связанный с движущимся поршнем или поршнями, использующийся в данный момент, в качестве «подруливающего электродвигателя»;
- установка точного времени впрыска и зажигания смеси в цилиндр. Современные средства позволяют достаточно точно контролировать местоположение поршня, давление в конкретном цилиндре, а также гарантировано осуществить зажигание смеси. Для этого могут быть использованы разнообразные датчики движения, давления, свечи поверхностного разряда, а также использование в конструкции цилиндров интегрированных в конструкцию цилиндров «форкамер» (данные камеры упрощают зажигание смеси);
- наиболее экзотическим из данного списка, является использование электромагнитных впускных и выпускных клапанов, которое позволяет четко контролировать момент и объем впускаемой/выпускаемой смеси. Данное направление является достаточно экстравагантным, хотя и применяется некоторыми компаниями в составе особо прогрессивных двигателей, используемых, в частности, в гонках «формулы-1».
Таким образом, как можно видеть, использование линейных двигателей внутреннего сгорания в качестве генераторов электрического тока является весьма интересным и перспективным.
Однако не стоит считать, что линейные двигатели являются исключительно прерогативой научных коллективов и не выходят за пределы «секретных лабораторий».
Многие любители достаточно успешно и легко строят свои действующие модели такого типа двигателей, используя в качестве цилиндров стеклянные трубки, а в качестве поршней — графитовые бобышки.
Например, следующий автор, видео которого приведены ниже, — строит двигатели именно такого типа, для собственного удовольствия.
В качестве источника искры, — используется электронная плата от зажигалки для газовой плиты:
Здесь следует сделать примечание: не все зажигалки для газовых кухонных плит используют пьезоэлектрический либо сетевой электрический источник получения электрической искры. Некоторые зажигалки используют в качестве такого источника маломощные платы, питаемые от одной батарейки размера АА, содержащие повышающую напряжение схему.
Кроме этого, достаточно давно некоторые компании выпускают трамбовки для дорог, которые базируются на двухтактных двигателях внутреннего сгорания. По своей сути, данные устройства являются не чем иным, как линейным двигателем, только используются в сугубо утилитарных целях, «далеких от высоких технологий»:
В целом, можно резюмировать, что разработка подобных линейных двигателей внутреннего сгорания является весьма перспективным занятием. В случае, если этим занимаются любители, данное занятие может быть весьма увлекательным и можно разработать свой собственный миниатюрный двигатель, буквально карманного формата (особенно это легко, при наличии своего токарного станка по металлу)!
Такой двигатель может стать хорошим подспорьем, в получении электроэнергии, при нахождении в местах, далеких от цивилизации.
Только помните, что если этот двигатель будет использоваться для генерации электроэнергии, и будет содержать электрогенератор на постоянных магнитах, данное устройство должно очень хорошо охлаждаться, так как магниты имеют характеристику, называемую «точка Кюри», — то есть это температура, при которой магнит размагничивается.
Так как разработчик электрогенератора вряд ли ставит своей целью «системно размагничивать магниты», — ему стоит учитывать этот существенный момент.
Использованные источники:
1. www.wikipedia.org
2. www.freikolben.ch/lineargeneratoren.shtml
3. www.freikolben.ch/basics-de.shtml
4. «Miniature Internal Combustion Engine-Generator For High Energy Density Portable Power»
Kurt D. Annen*, David B. Stickler, and Jim Woodroffe
Aerodyne Research, Inc
Billerica, MA 01821
Облачные серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
