Двигатель со свободным поршнем своими руками

Обновлено: 04.07.2024

Технологии и машины старые и древние производят сильное впечатление, трудно спорить. Однако и современные разработки порой заставляют удивляться – и почему этого еще нет в нашей современной жизни, раз уж так все прекрасно! Например, сегодня посмотрим за совсем молодое устройство, которое в СМИ уже называют не иначе, как революционный сверхэффективный двигатель.

Разработчиками этого механизма является компания Aquarius Engines из Израиля, разработавшая двухсторонний линейный двигатель со свободным поршнем (FPLE). Да, поршень у этого двигателя всего один, но работает за двоих. И – это единственная движущаяся деталь во всем двигателе. Круто? А вот еще факт – Aquarius Engines состоит всего из двух десятков деталей!

Несмотря на трудности внедрения подобной установки, ломающей принятые сегодня стандарты в автомобилестроении, специалисты Aquarius Engines надеются, что в течении десяти лет сумеют внедрить свою разработку в серийное производство автомобилей. Переговоры с компанией Peugeot дают некую уверенность, что такое вполне возможно.

Другим направлением применения своих сверхэффективных установок, компания видит в работе установок как обычных генераторов электроэнергии. Например, переговоры о тестировании установок, проведенные с финской корпорацией Nokia, привели к положительному результату: Nokia хочет попробовать применять их на удаленных вышках связи.

Уважаемый читатель. Если материал понравился, пожалуйста, ставь лайк и подписывайся на канал. Это сейчас особенно актуально для развития "НМ". Спасибо, что ты с нами!

Большие перспективы применения имеют свободнопоршневые двигатели, изобретенные профессором Билом из университета штата Огайо. Эти двигатели самозапускающиеся, с необычными характеристиками, отличающимися от характеристик одноцилиндровых двигателей с кривошипно-шатун - ным механизмом; кроме того, отдельные варианты двигателей могут быть изготовлены без всяких уплотнений для газа. В последнем случае заполнение рабочим телом под давлением и герметизацию двигателей можно производить при их изготовлении, что обеспечит относительно высокую удельную мощность и предотвратит возможное загрязнение движущихся узлов от внешней пыли. В таком исполнении двигатели могут быть применимы для тех случаев, когда их обслуживание является проблемой, т. е. в малоразвитых в техническом отношении странах, в военных целях и для бытовых нужд.

Рис. 10-1. Основные составные части свободиопоршневого двигателя Стирлинга (двигатель Била).

1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — шток вытеснителя; 4— полость расширения; 5 — кольцевой регенератор; 6 — полость сжатия; 7 — буферная полость; pw — давление в рабочей полости; давление в буферной полости (предполагается постоянным).

Двигатели Била могут работать в любом положении — в вертикальном, горизонтальном, наклонном или перевернутом. Их конструкция очень проста: в них нет ни пружин, ни клапанов, ни каких-либо других механически действующих узлов.

Принцип действия. В двигателе Била имеются три основных элемента: тяжелый рабочий поршень, легкий вытеснитель и цилиндр с уплотнениями на обоих концах (рис. 10-1). Как видно из рисунка, шток вытеснителя относительно большого диаметра проходит через рабочий поршень. Шток вытеснителя полый, с открытым торцом, так что внутренняя полость вытеснителя соединена (и фактически является ее частью) с полостью, расположенной ниже рабочего поршня, называемой буферной полостью. К рабочей полости относится часть" цилиндра над рабочим поршнем, подразделяемая на полость сжатия — между рабочим поршнем и вытеснителем и по-

Лость расширения — над вытеснителем. Длинная узкая кольцевая щель между цилиндром и вытеснителем выполняет функцию регенератора между горячей полостью расширения и холодной полостью сжатия. Для полости расширения предусмотрен нагреватель, а для полости сжатия — холодильник.

Рассмотрим систему, показанную на рис. 10-1, находящуюся вначале в положении 0. Давление во всех полостях одинаковое, а температура везде равна температуре окружающей среды. Пусть теперь полость расширения нагревается. С ростом температуры давление рабочего тела в замкнутом рабочем объеме увеличивается от положения 0 до положения 1. Возрастание давления в рабочей полости до определенного значения приведет к перемещению вниз рабочего поршня и вытеснителя. Сила, действующая на рабочий поршень, равна (Рш— р6)(Лс—Л^) [16], а сила, действующая на вытеснитель,— AR (рш—Рь). Ускорение рабочего поршня при движении вниз определяется как

АР = (Pw—Pb) (AC~AR)/MP, А ускорение вытеснителя

*D = (Pw—Pb)4R/MD*.

Если отношение MP/MD велико (т. е. 10 : 1) и если отношение Ar/Ac значительно (т. е. 1 : 4), то AD> ар. Поэтому вытеснитель ускоряется быстрее; это приводит к тому, что рабочее тело вытесняется из холодной полости сжатия в горячую полость расширения. Этот процесс ускоряется как ростом давления в рабочей полости по сравнению с давлением в буферной полости (принимаемым постоянным), так и дальнейшим возрастанием ускорений обоих поршней. В итоге рабочий поршень и вытеснитель соприкасаются (положение 2), и с этого момента начинают двигаться вместе. После соприкосновения поршней поток рабочего тела больше не поступает в полость расширения, но поскольку процесс расширения продолжается, давление начинает падать. В положении 3 давление рш все еще больше, чем давление рь; поэтому рабочий поршень и вытеснитель продолжают ускоряться.

Расширение продолжается до точки 4, где давления рабочего тела Pw и буферной полости рь равны. Инерции тяжелого поршня достаточно для продолжения процесса расширения рабочего тела и за точкой равновесия давлений; поэтому давление в рабочей полости падает ниже давления в буферной полости рь таким образом, на рабочий поршень и вытеснитель начинают действовать замедляющие силы (возникающие из-за разности давлений). Вытеснитель, будучи более легким, первым реагирует на это. Замедляющие силы тормозят движение вытеснителя вниз, что приводит к отделению его
от рабочего поршня, продолжающего двигаться вниз. В этот момент рабочее тело начинает перетекать по регенеративному кольцевому каналу из-горячей полости расширения в холодную полость сжатия. Это вызывает резкое падение давления в рабочей полости, и между полостями устанавливается большая разность давлений рь—рш. Вытеснитель быстро устремляется вверх к головке цилиндра (точка 6) и остается в этом положении до тех пор, пока давление в буферной полости будет выше давления в рабочей полости.

В некоторый момент рабочий поршень останавливается и начинает подниматься вверх (точка 7) под действием превосходящего давления в буферной полости. Поскольку процесс сжатия все еще продолжается, равенство давлений мгновенно восстанавливается (точка 8), а затем давление в рабочей полости будет превышать давление в буферной полости. При таком положении вытеснитель начинает двигаться вниз до соприкосновения с рабочим поршнем в точке 9, и далее цикл вновь повторяется, но без начальной стадии 0-4.

Схема р, V-Диаграммы для всей системы показана на рис. 10-1. На практике за один рабочий цикл двигатель не выходит на установившийся режим в отличие от описанного выше.

Рис. 10-2. Двигатель Стирлинга сво - - щ боднопоршневого типа (Била), работающий как воздушный компрессор.

1 -- цилиндр; 2 — горячая полость (расширения); 3 —вытеснитель; 4 —теплозащитный экран на эпоксидной смоле; 5 — кольцевой регенератор; 6 — воздушный насос и водяная рубашка охлаждения 7 — выход холодной воды; 8 — холодна! полость (сжатия); 9 — шток вытеснителя Ю — выход воздуха; II — рабочий пор шень; 12 — болты крепления; 13 — ци линдр из оргстекла; 14 — основание 15 — распорная втулка; 16 — шток вытес ннтеля; .17 — уплотнительное кольцо 13 — створчатый клапан; 19 — уплотнение из материала RULON; 20 — вход холодной воды.

Применение двигателей Била. Двигатель Била может быть источником мощности при соединении колеблющегося рабочего поршня с нагрузкой. На рис. 10-2 показан один из вариантов двигателя Била, работающий как газовый компрессор. Поршень и цилиндр компрессора расположены коаксиально относительно рабочего поршня
и цилиндра двигателя. Эгби (Agbi, 1971 г.) проводил систематические исследования двигателя такого типа. Характерный вид перемещений рабочего поршня и вытеснителя, периодическое изменение давления, а также общая р, К-диаграмма двигателя приведены на рис. 10-3.

Рис. 10-4. Схема свобод - нопоршневого двигателя Стирлинга, работающего на солнечной энергии, для привода водяного насоса.

В другом варианте, показанном на рис. 10-4, двигатель Била может быть сконструирован таким образом, что легкий корпус цилиндра и легкий вытеснитель сочетаются с очень тяжелым поршнем. Для обеспечения контролируемого движения цилиндра он помещен в направляющей втулке. В такой конструкции колеблются цилиндр и вытеснитель, а поршень остается неподвижным. Нижний торец цилиндра может быть подсоединен к плунжеру гидравлического насоса, а к верхнему торцу подводится теплота от продуктов сгорания топлива или от солнечного концентратора. С такой конструкцией двигателя, работающего от солнечной энергии, проф. Бил добился очень эффективной работы водяного насоса.

Вытеснитель

Рабочий поршень

Время

Рис. 10-3. Характеристики двигателя Стирлинга свобод- нопоршневого типа (Била), работающего как воздушный компрессор (по данным Эгби, 1971 г.).

1 — концентратор солнечных лучей; 2 полость расширения; 3 — вытеснитель; 4 — кольцевой регенератор; 5 — теплообменник охлаждения змеевикового типа; 6 — полость сжатия; 7 — рабочий поршень; В — направляющая втулка; 9 — Буферная полость; 10 — цилиндр; 11 — плунжер насоса; 12 — створчато-клапаи - иый иасос.

Другие возможности использования двигателя предусматривают либо магнит и генераторную обмотку для получения от системы электроэнергии, либо сдвоенную конструкцию установки, в которой свободно поршневой двигатель является приводом холодильной машины со свободным поршнем, так что простая труба, нагретая на одном конце, становится холодной на другом. Для бытовых и промышленных печей, работающих на жидком топливе или природном газе, зачастую требуются маломощные источники электроэнергии для привода вентиляторов или водяных насосов. При прекращении подачи электроэнергии порой возникает ряд трудностей, несмотря на то, что газ или мазут (дающие 99,9% энергии) пока недефицитны. Поэтому для замены электродвигателей для таких случаев имеется потребность в приводных системах, работающих от внешнего подвода теплоты. Обычные режимы сжигания топлива отвечают требованиям работы таких приводов. Здесь важно отметить, что термодинамический к. п. д. не имеет значения, так как топливо сжигается главным образом для обеспечения нагревания. В этом случае начальная стоимость, надежность и способность к самостоятельному запуску являются важными критериями. По-видимому, рассмотренные случаи — идеальные области применения двигателей Била.

Машины, работающие по циклу Стирлинга

ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Основными независимо выбранными конструктивными параметрами машины Стирлинга являются следующие: Отношение температур т = ТС/ТЕ, т. е. отношение температуры в полости сжатия к температуре в полости расширения; Отношение вытесняемых объемов k …

Электрогенераторы малой мощности

Существует много областей применения для электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особенный …

Машины, работающие по циклу Стирлинга

В условиях роста населения Земли и бурного развития энергетики [I] как основы технического прогресса, связанного с интенсивной разработкой, эксплуатацией и истощением природных энергетических ресурсов и, как следствие этого, с ощутимым …

Продажа шагающий экскаватор 20/90

Цена договорная
Используются в горнодобывающей промышленности при добыче полезных ископаемых (уголь, сланцы, руды черных и
цветных металлов, золото, сырье для химической промышленности, огнеупоров и др.) открытым способом. Их назначение – вскрышные работы с укладкой породы в выработанное пространство или на борт карьера. Экскаваторы способны
перемещать горную массу на большие расстояния. При разработке пород повышенной прочности требуется частичное или
сплошное рыхление взрыванием.
Вместимость ковша, м3 20
Длина стрелы, м 90
Угол наклона стрелы, град 32
Концевая нагрузка (max.) тс 63
Продолжительность рабочего цикла (грунт первой категории), с 60
Высота выгрузки, м 38,5
Глубина копания, м 42,5
Радиус выгрузки, м 83
Просвет под задней частью платформы, м 1,61
Диаметр опорной базы, м 14,5
Удельное давление на грунт при работе и передвижении, МПа 0,105/0,24
Размеры башмака (длина и ширина), м 13 х 2,5
Рабочая масса, т 1690
Мощность механизма подъема, кВт 2х1120
Мощность механизма поворота, кВт 4х250
Мощность механизма тяги, кВт 2х1120
Мощность механизма хода, кВт 2х400
Мощность сетевого двигателя, кВ 2х1600
Напряжение питающей сети, кВ 6
Более детальную информацию можете получить по телефону (063)0416788

1)НОВОЕ СЕРДЦЕ МОТОРА
Конструкторское бюро Центрального дома детей железнодорожников разработало новую схему мотора. Конструктивным преимуществом мотора являются простота изготовления, компактность и малый вес. Отсутствуют такие детали, как шатуны и коленчатый вал. Увеличена также его мощность за счет двух рабочих ходов при одном обороте вала. Мотор работает по двухтактному циклу.
Подача горючего осуществляется через карбюратор, который крепится непосредственно к картеру 8 мотора. В патрубке карбюратора имеется лепестковый клапан 10 (на схеме указан в картере). Свеча 6 ввернута в утолщенную стенку цилиндра 1 и вращается вместе с ним. Это обеспечивает пол-ную герметичность цилиндра во время работы и устраняет силы, противодействующие на стенки картера. Высокое напряжение подводится к свече через скользящий контакт. Для удержания поршневых шарикоподшипников 4 в пазу служат направляющие полозья, между которыми скользят удлиненные в обе стороны пальцы шарикоподшипников.
Направляющие полозья укрепляются на болтах внутри картера по замкнутой кривой. (Полозья и удлиненные пальцы шарикоподшипников на схеме не указаны.)
При работе мотора трение между пальцами и полозьями отсутствует. Поршни удерживаются в пазу центробежной силой.

На рисунке под цифрами вы видите: цилиндр 1, поршни 2, поршневые кольца, 3 шарикоподшипники 4, 5, свечу 6, отверстия для болтов 7, корпус картера 8, водяную рубашку 9, клапан 10.

А АБРАМОВ, нонструнтор

2)Двигатель Фролова (Наука и Жизнь №9 1988)

Фролов Виталий Константинович - авиатор, пилот/борт-механик, спортсмен авто/мотокроссмен (мастер спорта), в прошлом, и ныне действующий изобретатель/рационализатор двигателей внутреннего/внешнего сгорания, пневмо/гидронасосов и просто хороший человек с золотыми руками и развитым чувством юмора.

Его кредо - СЕЙЧАС УЖЕ НИЧЕГО НОВОГО В МЕХАНИКЕ НЕ ИЗОБРЕСТИ! ДОСТАТОЧНО КОМПОНОВАТЬ РАНЕЕ ИЗОБРЕТЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ И ИСКАТЬ ИХ НЕТРАДИЦИОННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ. Первой его пробой сил стал двухтактный оппозит разработанный по заданию ВДВ. Этот двигатель должен быть легким, экономичным, безотказным в воздухе, на земле и воде. И что немаловажно, в боевых условиях иметь высокую живучесть. Так вот, этот двигатель получился ну ООООчень живучим!, поскольку в первую очередь он прижился на гражданке и использовался как в сверхлегкой авиации, так и в кольцевых мотогонках, так и в мотокроссах. Оппозитная схема вкупе с конической передачей позволила легко апгрейдить одноцилиндровые двигатели повышая как их объем, так и мощность. Пример тому - ИЖ Планета 5 на картер которой был установлен блок цилиндров от Юпитера.
На фото:

Фролов В.К. справа
Мотор получился компактным и бодрым. На второй передаче заднее колесо легко срывало в букс.

Вариантов оппозитных двухтактников было достаточно много. В основном они были предназначены для мотодельтапланов, поскольку довольно долгое время Фролов сотрудничал с ОКБ им. Антонова
Эта схема применяется и поныне. Сейчас разрабатывается блок-мотор для установки на низ кроссовогоЧЗ, что позволит реанимировать многие кроссовые мотоциклы в небольших мотоклубах.

Нетрадиционный подход Фролова проявляется с давних пор. Еще во времена службы в ВВС, генерал, обеспечивавший поддержку изобретателя, в сердцах сказал: "Уж лучше бы ты водку пил!", после того, как Фролов заставил свой АН-2 лететь хвостом вперед со скоростью 75км/ч

Однако вернемся к нашим моторам.

Основные усилия по модернизации и совершенству конструкций двигателей Фролов направил на поиск новых решений по преобразованию возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение ведущего вала. Пока что он признает незыблемость и необходимость цилиндро-поршневой группы двигателя. Экспериментов было много, в том числе и с двигателями Баландинской схемы.

Один такой двигатель был смонтирован в минском картере и внешне ничем не отличался от обычного мотора. Как известно, - шило в мешке не утаишь и вот, однажды, когда Фролов уехал в командировку, ребята картингисты, у которых он базировался в то время, втихаря поставили этот мотор на карт и выиграли чемпионат Украины. Уж как им удалость обойти техкомиссию одному Богу известно, впрочем в 70е годы техкомиссии не были уж очень строгими, возможно это их и спасло. А поскольку мотор все время был скрыт от любопытных глаз брезентом и ему еще только предстояли испытания, то ребята опять поставили его на место и только через несколько лет признались в содеянном

Второй двигатель по этой же схеме был изготовлен полностью самодельным

Убедившись в труднопреодолимости недостатков Баландинской схемы, Фролов продолжил поиск механизмов преобразования. Однажды на глаза попался механизм ткацкого станка, который стал главным звеном в сегментно-роторном моторе.

а затем перекочевал на четырехцилиндровый V-образник

В качестве базовых деталей использованы головки цилиндров, цилиндры и поршня от ЗАЗ 965А, такие, какие они есть, без каких бы то ни было переделок и доработок! При этом с двигателя объемом 993 см3 удалось снять 89 л.с. при 8800об/мин.

Верхняя часть двигателя сделана отдельным, съемным блоком
и установлена на нижнюю часть кроссового двигателя ЧЗ

Двигатель не имеетколенвала как такового, вместо него используется механизм напоминающий шарнир разных угловых скоростей, или как его принято называть - шарнир Гука.

Все вращающиеся детали работают на подшипниках качения. Масло подается под клапанные крышки и свободно стекая не только смазывает но и отводит тепло. Для охлаждения масла перед двигателем установлен узкий длинный радиатор. Двигатель смонтирован в гибридной раме

родословная которой уходит корнями в кольцевые мотогонки. Запуск не представляет труда как киком, так и электростартером. Эта ходовка была сделана скорее как стенд для ходовых испытаний, после того как двигатель погоняли на стационарном стенде. Сейчас, параллельно с ходовыми испытаниями, идет оптимизация конструкции двигателя и разработка новой рамы с помощью современных методов проектирования. Все разработки Фролова защищены авторскими свидетельствами, но он не торопится приподнимать покрывало тайны над ними.

(Мото, 2004г)
В этом двигателе нет коленвала

Мало что меняется в конструкции двигателей внутреннего сгорания (ДВС): в целом они такие же, что и 100 лет назад. И все же появляются сомневающиеся в незыблемости конструкции. Знакомьтесь: Виталий Константинович ФРОЛОВ из города Николаева (Украина) - бывший авиатор, автомо-токроссмен (он мастер спорта), изобретатель и мастер с золотыми руками. Он сначала усовершенствовал коленвал, а затем и вовсе изгнал его из своих моторов.

Секрет - в цилиндре

Своими фантастическими показателями мотор Фролова обязан именно тому, что в конструкции нет коленчатого вала. Вместо него используется рычажный механизм преобразования, напоминающий шарнир Гука. С виду все просто, но объяснить, как он работает, никому толком не удается -это надо видеть. Изобретатель охотно демонстрирует механизм в работе. Но секрет все же есть - он заключен в некоей цилиндрической детали, которая крепится к проставке, установленной между блоком цилиндров и низом мотора. Фролов называет этот узел демпфером, или уравнителем крутильных колебаний - на него изобретатель и оформил патент.
Со стороны цилиндров в демпфер входит палец, вращающийся рывками, а с другой выходит шестерня конической передачи, вращающаяся достаточно равномерно и без вибраций. Дальше все тривиально - вторая шестерня конической передачи сидит на валу сцепления.
Коническая передача позволяет располагать мотор относительно трансмиссии в каком угодно положении -и в этом еще одно преимущество двигателя. Он обладает повышенным моторесурсом - в силу того, что здесь нет подшипников скольжения, а значит, не требуется смазка под давлением. Кроме того, практически отсутствуют боковые силы воздействия на детали цилиндро-поршневой группы, нет мертвых точек и момента инерции деталей, механизма преобразования движения поршня во вращение вала.
Изобретатель утверждает - признаться, в это верится с трудом - что в его механизме можно во время езды плавно изменять хода поршня, вплоть до нулевых. А это открывает перспективы двигателей с совершенно новыми качествами.

Очередная попытка - израильская фирма Aquarius Engines создала двигатель-генератор со свободным поршнем, похоже есть успехи и генератор взяла французская фирма PSA Groupe видимо для проб в гибридных автомобилях марки ПСЖ/Ситроен.

Выхлоп через штанги поршня - странное решение.

Двигатель в сборе

Тестирование двигателя в Милане.

Таких двигателей (свободные поршни + линейный электрогенератор) уже много разработали/сделали, но пока ни один не пробил себе дорогу в жизнь.

Posts from This Journal by “Изобретательство” Tag

Подними передний мост.

Отличная идея! Буквально недавно эта идея видел в роботизированной машинке и вот снова. Поворот на одной оси тоже прекрасен. Переход к…

Apis Cor: в России напечатали первый жилой дом

В декабре 2016 года компания Apis Cor в сотрудничестве с ГК ПИК приступила к печати здания с помощью мобильного 3D-принтера. Строительство…

Космический стартап Planet и его инновации

Оригинал взят у voenny в Flock Если написать пост про SkySat, а затем — про Auriga, то образуется незавершенный гештальт: для…

Идеи которые не устаревают

В начале ролика эпизод не главный, но тоже интересный - однолопастной винт видимо с самоустанавливающимся шагом (хотя я могу и ошибаться), а затем…

Разбор (упрощенный) схемы посадки и конструкции марсохода Curiosity

Анимация 2011 года. Как известно марсоход Curiosity долетел, до Марса, удачно сел и работает. Конструкция Curiosity показала свою надежность и…

На Марс! Визуализация планов 2011 года

Неплохой мультик! Посадка на "бочок" решает много проблем - с высадкой двигательных аппаратов и экипажа, но требует большего количества ЖРД и…

Очень неплохая идея

Поднимать колесную пару (колесный блок) выше - проходимость намного повышается.

Еще одно дроно-такси с оригинальным дизайном

Italdesign и Airbus предлагают довольно оригинальный вариант транспорта 21 века. Pop.Up - гибрид автомобиля и дрона (самоуправляемый, без прямого…

Сотрудничество на Луне: человек+робот

И подробности по жилому модулю SHEE. Оказывается они на шлюзовой камере сэкономили благодаря скафандру со "входом" со спины, скафандр…

Читайте также: