О бедном «пожирателе пламени» замолвим слово

Здравствуйте.

Возможно, те из вас, кто интересуется необычными конструкциями двигателей, не раз натыкались на подобные изящные игрушки: на подставке закреплён цилиндр, перед ним дрожит язычок пламени, а сзади – массивный маховик. Эту штуку называют «вакуумным двигателем» и «пожирателем пламени», и часто путают со стирлингом. Нет, это совсем не стирлинг, далёк он и от классического ДВС, и также мало общего имеет с классической паровой машиной.

Обратите внимание: из конструктива – цилиндр, поршень, простенький газораспределительный механизм, и всё, можно ехать. Тем не менее, массового применения данная конструкция не нашла. В данной статье рассмотрим, как работает этот двигатель и почему он совершенно не используется, не смотря на свою потрясающую простоту.

Также не исключается растекание мысли по древу, но всему своё время.

Вот небольшое видео модели автомобиля с таким мотором. Взгляните: пламя горелки постоянно колеблется, а также спереди, между огоньком и головкой цилиндра, туда-сюда мечется маленькая задвижка.

Как уже говорилось ранее, конструкция предельно проста. Работу здесь совершает атмосферное давление, направление воздействия которого на поршень показано короткой пухлой стрелкой. Как видно, картера нет – вместо этого цилиндр сообщается с окружающей средой.

Почему тогда давление в камере, ограниченной головкой цилиндра и поршнем, меньше атмосферного? Сейчас поясним. Рабочий цикл вакуумного двигателя выглядит так:

1. Маховик проворачивает коленвал, и поршень начинает движение от верхней (на рисунке – левой) мёртвой точки вправо. Одновременно открывается задвижка, и под действием атмосферного давления воздух стремится заполнить надпоршневое пространство. На пути он встречает пламя горелки и увлекает внутрь нагретые продукты сгорания, да и сам тоже нагревается, смешиваясь с последними. Это – такт всасывания, в ходе которого работа не совершается.

2. Поршень оказывается в нижней (правой) мёртвой точке, и задвижка закрывается. В этот момент давление над поршнем начинает падать, становясь меньше атмосферного. Это происходит из-за того, что смесь газов передаёт тепло стенкам цилиндра, отчего охлаждается и уменьшается в объёме. Теперь двигатель начинает совершать работу, так как атмосферное давление толкает поршень в сторону головки. Это – рабочий ход. В какой-то момент давление по обе стороны поршня выравнивается, но тут снова открывается задвижка, и остатки охлаждённой смеси газов под действием инерции маховика выталкиваются поршнем восвояси, отбрасывая язычок пламени в сторону.

Просто? Да. Гениально? Может быть. Ввиду того, что давления тут мизерные, как и нагрузки на узлы, вряд ли можно изобрести что-то более простое и дешёвое. Кстати, паровые машины берут своё начало именно от подобной системы. Паровая машина Нькомена, представленная в 1712 году и широко применявшаяся для выкачивания воды из шахт, фактически, была вакуумным двигателем. Из отличий – в качестве рабочего тела на такте всасывания подавался водяной пар, а его охлаждение в процессе рабочего хода осуществлялось впрыскиванием холодной воды непосредственно в цилиндр.

А вот так выглядит практическая реализация. Вся начинка спрятана внутри здания, а наружу выведено лишь плечо качалки, приводящей в действие собственно насос. Прям нефтяная качалка эпохи Стюартов.

Это сообщение отредактировал Suha82 - 2.11.2019 - 22:12

Почему тогда развитие поршневых двигателей не пошло по данному пути, не смотря на то, что началось всё именно с вакуумника? Дело в мощности и КПД. Заметили, с каким трудом ползает машинка на видео выше? Если б там стоял калильный дизелёк той же кубатуры, то моделька не вылезала бы из дрифта.

Вот ещё показательный пример – модель катера. Аж целых два цилиндра, V-твин, все дела… Но с каким трудом это чудо с торчащими горшками преодолевает десяток сантиметров водной глади в тазике! Труба, кстати, фальшивая.

Любой другой поршневой двигатель, начиная с паровой машины и заканчивая современным бензиновым мотором, работает при гораздо более высоких давлениях, вследствие чего имеет более высокую мощность. В одной из экспериментальных моделей стирлинга, которую пытались приспособить под Ford Torino, рабочее давление составляло порядка 300 атмосфер – и всё ради мощности, сопоставимой с таковой у оригинального бензинового V8. Кстати, манипуляции педалью газа там влияли именно на общее давление в системе.

Давайте составим представление о том, какую мощность можно получить от вакуумного двигателя. Не будем лезть в термодинамические расчёты, а вместо этого используем порядки чисел и кучу допущений. Для начала, представим, что тепловой КПД вакуумника будет таким же, как у поршневого бензинового мотора. Смеяться уже можно, писать «после этого дальше читать не стал» – по окончании поста

Возьмём, к примеру, безнаддувный литровый четырёхтактник. Скажем, он развивает 50 л.с. при 5000 об/мин. Возможно же такое? Допустим, среднее давление в камере сгорания будет 50 атм. Наш вакуумный друг в самом идеальном случае будет иметь перепад давлений никак не более 1 атм. Его литровая мощность, таким образом, ни при каких обстоятельствах не превысит 1 л.с.

Ладно, вакуумник двухтактный, поэтому 2 л.с. Но это при тех же оборотах… Сколько оборотов можно выжать из вакуумника? Про демонстрационные модели типа той, что на стартовой картинке, пишут, что 2 000. Врут, конечно, но, допустим. Аналогичные по объёму калильные моторчики легко доходят до 20 000 об/мин. Следовательно, в нашем примере обороты тоже будут на порядок меньше. Это значит, не 2 л.с. с одного литра, а 0,2. Вот такая арифметика.

Чтоб иметь хотя бы 20 л.с., объём должен составлять порядка 100 литров. Весело, не правда ли? Хотите 40 – тогда все 200.

Только не разовьёт он эти 40 л.с., и вот почему. КПД бензинового мотора, допустим, составляет 20%. У вакуумника в примерах выше – меньше одного процента. Начнём с того, что в обычном бензиновом моторе в процессе рабочего хода продукты сгорания увеличиваются в объёме, скажем, в 10 раз. Сожмётся ли смесь газов в цилиндре «пожирателя огня» так же сильно, отдавая тепло стенкам? Неа. Не так уж много времени занимает рабочий ход при этих умопомрачительных 500 об/мин – всего лишь 0,12 секунды. Лишь в течение этого непродолжительного времени у газов есть возможность соприкасаться со стенками цилиндра и что-то там отдавать. Воздух, кстати, хреновый проводник тепла.

Старик Ньюкомен был не дурак и совершенно не зря использовал для охлаждения своего вакуумника «непосредственный впрыск». Там охлаждение происходит быстро – практически, в течение времени, пока работает форсунка, и нужно лишь обеспечить качественное распыление воды.

Тем не менее, концепция атмосферного вакуумного двигателя вполне могла быть привлекательной в начале прошлого века, на заре автомобилестроения. Ведь тогда степень сжатия бензиновых моторов была меньше вдвое-втрое, обороты не забирались, в среднем, выше пары тысяч в минуту, рабочие объёмы измерялись многими литрами, а мощности не превышали нескольких десятков лошадиных сил. Прекрасный автомобиль «Паккард Модель 18» 1909 года имел всего 18 «европейских» (30 «американских») лошадиных сил при объёме 5.3 литра. В те годы паровые автомобили Стэнли и Уайта («Добли», получившие известность, появились позже) составляли конкуренцию тарахтящим и чадящим бензиновым авто, делавшим свои первые шаги. Все они, и паровые, и бензиновые, для своего времени были совершенно недоступны рядовому обывателю. Генри Форд, безусловно, изменил ситуацию, но мы отклоняемся от сути.

В то время, когда паровая машина достигла пика совершенства, а двигатели Отто и Дизеля только начинали свой путь в массы, вполне могла сверкнуть короткая вспышка вакуумника как основы для недорогого народного авто. В конце концов, тогда и электромобили едва не сверкнули… С этой позиции и будем пытаться вдохнуть жизнь и хотя бы пару десятков лошадей в нашего друга.

Вот, набросал схемку.

Исходное положение. Имеем цилиндр, сообщающийся с атмосферой посредством клапанов в головке (слева) и дне (справа). Полый цилиндрический поршень со своим клапаном располагается в левой мёртвой точке и имеет теплоизоляцию стенок, исключая открытое для прохождения газов дно со стороны штока. Теплоизоляция поршня, да и вообще такая его конфигурация нужны для того, чтоб разделить «холодную» и «горячую» области цилиндра. Все клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и могут открываться только в одну сторону: клапан в «голове» – внутрь цилиндра, клапан в «дне» – наружу, клапан в поршне – внутрь поршня. Также все три клапана оснащены блокировкой: закрывшись под действием пружины, они уже не могут открыться до принудительного разблокирования.

1. Начинаем движение. Для этого включаем зажигание, ставим нейтраль и начинаем крутить ручку, проворачивая маховик. Клапан в поршне закрыт, и клапан в «голове» открывается под действием атмосферного давления. Одновременно включается горелка (на схеме не показана), подогревающая поступающий через клапан в головке цилиндра воздух. Сама горелка находится внутри цилиндра – меньше воздуха нужно прокачивать через клапан, сопротивление его движению снижается, атмосферу открытым огнём не греем.

Давление справа от поршня начинает возрастать, и под его воздействием открывается выпускной клапан в «дне», вследствие чего существенное препятствие движению поршня не оказывается – это холостой ход при пуске двигателя.

2. При остановке поршня в правой мёртвой точке давление справа от него выравнивается с атмосферным, клапан в «дне» закрывается и блокируется. Также выравнивается с атмосферным давление слева от поршня, вследствие чего одновременно закрывается и блокируется клапан в «голове». Горелка выключается. Нагретый ею газ, находящийся слева от поршня, отдаёт тепло стенкам цилиндра, его давление снижается и оказывается меньше давления воздуха, заключённого в пространстве поршня.

Это сообщение отредактировал Suha82 - 2.11.2019 - 22:29

3. Давление внутри поршня начинает толкать его влево – совершается работа. Через некоторое время давление в обеих частях цилиндра выравнивается, поршень продолжает движение под действием маховика, и через некоторое время открывается клапан в самом поршне, позволяя потерявшему часть тепла и объёма газу свободно перетекать внутрь поршня и в правую часть цилиндра.

4. Поршень доходит до левой мёртвой точки, разблокирует клапан в «голове», одновременно блокируя закрывшийся вследствие выравнивания давлений клапан в поршне. В свою очередь, выступ на штоке (на схеме не показан) разблокирует клапан в «дне».

5. Частично охлаждённый газ, оказавшийся теперь справа от поршня, отдаёт тепло стенкам цилиндра, вследствие чего давление этого газа снижается и оказывается ниже атмосферного, под действием которого вновь открывается клапан в «голове». Атмосферное давление толкает поршень вправо до тех пор, пока давление опять не выровняется, и клапан в «дне» не откроется вновь, выпуская часть газов в выхлопную систему. Далее цикл повторяется с шага 2, с той лишь разницей, что воздух справа от поршня всё время оказывается теплее атмосферного (есть, куда охлаждаться), и ход поршня слева направо также получается рабочим.

Недостатки вы напишете в комментариях, а о преимуществах я, пожалуй, скажу сам

В первую очередь, тепло будет расходоваться аж в три этапа, в рамках термодинамических процессов двух типов, и смею надеяться, что это намного поднимет КПД супротив классического вакуумника. Не смотря на то, что совсем без газораспределительного механизма не обошлось, он получился вырожденный – в виде локальных блокировок на клапанах, которые выключаются самими деталями в момент их сближения. Отсутствует, таким образом, потребность в дополнительных валах, тягах, шестернях и цепях. Мощность со штока можно снимать через крейцкопфный механизм или какой-нибудь бесшатунный. Лично мне милее баландинский, вариант с зубчатым эпициклом.

Это сообщение отредактировал Suha82 - 2.11.2019 - 22:59

А вот теперь интересная штука.

Заключим-ка мы всю эту конструкцию в теплоизолированный корпус, открытый со стороны штока, а рёбра охлаждения сделаем продольными, как раз на них и подвесив внутри корпуса наш цилиндр.

В результате вся система будет работать как насос, прокачивающий воздух через кольцевой канал между корпусом и цилиндром. Он будет поступать в систему со стороны штока и последовательно нагреваться сначала в холодной области цилиндра, затем в горячей, и наконец – при помощи горелки. Далее он совершит работу и выйдет из клапанов в «дне». Один вход, один выход.

Теперь, поскольку к горелке воздух поступает уже весьма подогретым, горючего потребуется существенно меньше. Вот и дополнительный прирост КПД. Причём, все потери на трение, завихрения и т.п., так или иначе превращаются в тепло, а тепло у нас всё равно остаётся внутри двигателя, передаваясь газам, циркулирующим в нём.

Ну что, посмотрим на то, как мог бы выглядеть автомобиль? Думаю, четыре цилиндра нам хватит – исключительно из компоновочных соображений. Из тех же соображений такой автомобиль рационально делать переднеприводным, но даже несмотря на предполагаемый бесшатунный механизм моторный отсек получается гигантский. В габаритах классических Жигулей не будет либо второго ряда сидений, либо багажника. Хм, уже два лишних изобретения из будущего: ШРУС и бесшатунна передача. Ну да ладно.

В данном масштабе размеры поршней таковы, что рабочий объём каждого из четырёх получается равным 30 литрам. Итого – 120. Ну, лошадок 25 мы, надеюсь, выжмем. Зато какой волшебный будет крутящий момент! При получившемся диаметре колеса и прямой передаче (коленвал и колёса вращаются с одинаковой частотой) скорость при 500 оборотах в минуту будет в районе 68 км/ч. Раз уж тут не обойтись без сцепления, то можно пристроить и двухскоростную КПП, объединив, скажем, в одном картере с дифференциалом. Вывод? Можно. Можно было делать вакуумные авто. Более того, это неизбежно простимулировало бы стирлинг. С гигантскими цилиндрами он и при малых давлениях давал бы жару. Ну или холоду, – смотря, как его использовать.

Всё, закидывайте меня говном

За что? Японочка очень завлекательная - тему можно было шырше раскрыть

спасибо за пост! познавательно!

Насчет всех не скажу, могу насчет двигателя от бензокосы-на 2,4 л.с. , двухтактника сказать, т.к. плотно изучал этот вопрос для ряда целей (самоделок).

некоторые цифры:

Давление в цилиндре в момент вспышки - примерно 60 атмосфер(давление газов, сгоревшего топлива);

Что составит силу, давящую на поршень( при его диаметре, в районе 48 мм) - примерно 400 кг.

Этим и объясняется, как на таких малюсеньких двигунах ездят(вело-самоделки, мотоборды и т.д.). Я сам ездил на таком, когда был мотоборд: в гору 40-45 градусов доска в 27кг+мой вес 104кг- легко. Со свистом...

Это сообщение отредактировал sergeantGY - 2.11.2019 - 22:27

Тут ещё дело в оборотах. Какие обороты у этого мотора при номинальной мощности? Чем меньше объём, тем сильнее их можно поднимать, сохраняя ту же пиковую линейную скорость поршня и не ухудшая условия смазки. Чем больше литраж мотора, тем ниже, в общем случае, будет его литровая мощность. Авиационные многолитровые моторы работали при 3000-3500 об\мин, имея объём в десятки литров, а мотоциклетные с 150-200 кубами на цилиндр (скажем) легко доходят до 15000 и выше.

Где то на ЯПе была статья про авто на паровой тяге, прочитал и потерял. Тоже весьма познавательно.
А так, ДВС уже совершенствовать некуда, выжали их него все что можно. Все эти безгильзовые моторы объемом 1 литр и мощьностью 120 кобыл сплошное извращение которое ездит по 200-300 тыс км. Литровым может быть только молоко, сок и пиво.

Правильно:
"мысью"по "древу"

А в остальном вполне интересный, познавательный и полноценный обзор.
Не придраться.

Вот, наверное. Как раз про упомянутые Добли

Это сообщение отредактировал Suha82 - 2.11.2019 - 23:18