Какая тема постоянно привлекает инженеров, раз за разом, вспышками, вызывая интерес к себе? Думается, что среди множества тем, одной из наиболее привлекательных (и даже, можно сказать «магически» привлекательных) является тема свободно-поршневых двигателей. 

Судите сами: мало какой двигатель может похвастаться таким минимальным количеством деталей (а это, сразу, автоматически, предполагает надёжность!), и, при этом, одновременно обеспечивая минимальный размер и высокую плотность генерируемой энергии.

 Что это такое, и на какой стадии находятся работы по этому направлению в данный момент?

 __________________

Можно сказать, что с самых ранних дней своего существования человеческая цивилизация так или иначе стремилась переложить часть своей работы на механизмы и не всегда причиной была нехватка людей — просто-напросто, механизмы могли обеспечить людей таким ресурсом, которым они не обладали! 

Автоматические ловушки на зверя первобытных людей (позволившие высвободить ограниченный человеческий временной ресурс, одновременно, обеспечив большую безопасность, так как стало не нужно непосредственно самому человеку охотиться на зверя) — постепенно сменились автоматическими торговыми автоматами и иными механизмами древнего мира (клепсидра, автомат по продаже воды, автоматическое открывание дверей, автоматическая подача фитиля по мере прогорания в масляных лампах и т.д. и т.п. — и это мы всё ещё говорим о Древнем Риме и Древней Греции!). 

Постепенная смена эпох, со взлётом веков пара, сменилась на период расцвета двигателей внутреннего сгорания (который всё ещё не закончился), и несмотря на все попытки, до сих пор, подавляющее большинство двигателей в мире является двигателями внутреннего сгорания. 

С момента своего появления, в 1800-х годах, двигатели подобного типа прошли множество трансформаций, развившись в большое количество видов и существенно нарастив эффективность.

Казалось бы, за столько лет, об этой теме известно почти всё и из их эффективности тоже — «выжато всё что можно»!  

Тем не менее, до сих пор, подавляющее большинство двигателей отличается одним существенным минусом: наличием кривошипно-шатунного механизма (КШМ):

На первый взгляд, ничего страшного (работает же?), однако подобная конструкция существенно увеличивает габариты двигателя в целом, где, кроме того, в целом ряде двигателей используется не цельный маховик как на картинке выше (диск, предназначенный для аккумулирования механической энергии и облегчения прохождения поршнями мёртвых точек — вверху и внизу хода, соответственно), а только его сектор, что увеличивает вибрации двигателя в целом, ускоряя износ:

Ещё одним негативным явлением наличия кривошипно-шатунного механизма (вне зависимости от того, какого типа маховик используется — дисковый или секторный) является неравномерный износ, из-за самой природы подобной конструкции. 

Если сказать простыми словами, то, в процессе работы, шатун (т.е. тяга, прикреплённая к низу поршня) постоянно отклоняется, то в одну сторону, то в другую, прижимая поршень, соответственно, в те же стороны, результатом чего является эллиптический износ цилиндра с обеих сторон, куда отклоняется шатун (грубо говоря, в виде конуса, перевёрнутого основанием кверху). 

Итогом такого износа является стук поршня о цилиндр (помимо, собственно, ещё большего усугубления износа), особенно заметного, при работе на непрогретом двигателе, то есть, когда тепловое расширение деталей ещё временно не компенсировало износ).

Тем не менее, вот этот второй вопрос износа в принципе можно было бы игнорировать, так как это технические частности (проявляются только при больших наработках). 

Но, вот чего не получится игнорировать никак — так это собственно самой конструкции двигателя, в основе которого находится кривошипно-шатунный механизм…

Почему инженеры так акцентируются на этом вопросе: дело в том, что, представьте, — удалось бы избавиться от КШМ: тогда, двигатель превратился бы, грубо говоря, просто в цилиндр! Просто, в цилиндр, даже весьма малого диаметра, например… как карандаш?!* 

Который, за счёт механического преобразования энергии сгораемого топлива, мог бы предоставить для использования в разнообразных конструкциях (несмотря на столь малые свои размеры!) весьма большую мощность.

*По поводу «карандаша», я не зря так сказал (не для красного словца) — так как ведутся разработки, по созданию сверхмалых, компактных линейных двигателей внутреннего сгорания, например, в форм-факторе батарейки АА (и вокруг этого), для использования в качестве источников энергии (приводов генераторов электричества) дронов, прочей робототехники — и в этом нет ничего странного, так как, по некоторым оценкам, плотность хранимой энергии в известных литий-ионных или литий-полимерных аккумуляторах приблизительно вплоть до 50 раз уступает плотности энергии, хранимой в сгораемом топливе (в частности, бензине).

Просто, компактно, эффективно — всего лишь «маленькая мощная палочка»! ;-)

Нельзя сказать, что это свежая идея, так как подобная мысль преследует инженеров чуть ли не с момента появления первых двигателей внутреннего сгорания — и исторически наверное самым первым двигателем подобного рода можно назвать двигатель Николауса Отто и Ойгена Лангена, 1864 года:

Как можно видеть, двигатель представлял собой конструкцию, где поршень был связан реечной передачей с маховиком, где после вспышки топлива поршень перемещался вверх, а дальше вступала в действие обгонная муфта с храповиком, позволяя маховику свободно вращаться, а поршень, со временем, опускался вниз сам, по мере остывания продуктов сгорания и образования вакуума (частота тактов сгорания находилась примерно в районе до 100 в минуту), где основной приводящей в движение силой являлось уже атмосферное давление.

Несмотря на то, что здесь присутствует маховик, исторически считается, что это самый первый двигатель свободно-поршневого типа.

Подобный двигатель не являлся простой умозрительной концепцией, так как сама конструкция получила некоторое распространение, например, ниже можно видеть одну из вариаций этого двигателя, 1882 года, мощностью в 180 Вт:

Подобных двигателей было довольно много, и они применялись там, где требовалась определённая автономность, с одновременным отсутствием потребности в большой мощности — насосные установки, приводы маломощных станков и т.д. 

Например, конструкция ниже, производства компании Crossley Brothers была выпущена в количестве аж 1300 штук (что для периода 1869-1979 годов, наверное, довольно много):

Насколько удалось разобраться, зажигание в таком двигателе было весьма оригинальным: оно было не в виде впрыска смеси с последующим сжатием и поджиганием (как мы привыкли в наше время), а «шиворот-навыворот»: поршень, когда спускался вниз и доходил до нижней мёртвой точки, то вращающийся маховик начинал его поднимать снова за рейку.

На некоторым отдалении от дна, открывались впускные окна (так как в цилиндре образовывался вакуум) и внутрь цилиндра засасывалась новая порция смеси для сгорания, которая и поджигалась. 

Таким образом, мы видим здесь полное отсутствие предварительного сжатия смеси, взамен чего используется вакуум и всос (что для нас может выглядеть непривычно).

Понятно, что этот двигатель ещё был далёк от собственно линейных двигателей внутреннего сгорания со свободным поршнем и практически весь период XX века характеризуется появлением массы различных конструктивных схем подобных устройств, например, таких, которые показаны ниже. 

Самая первая логическая схема представляет собой одноцилиндровый двигатель (его ещё называют несбалансированным), где возгорание смеси приводит к движению поршня вправо, в то время как обратный возврат поршня влево, со сжатием смеси, производится за счёт либо механической пружины* либо газовой пружины (как показано на картинке ниже) — под которой понимается специальный резервуар с газом или воздухом, который сжимается в момент вспышки, накапливая механическую энергию, которая затем расходуется на возврат поршня влево:

*В качестве механической пружины в устройствах подобного рода обычно используются пружины цилиндрического сечения, навитые

 из проволоки квадратного/прямоугольного сечения — это делается специально, с целью уменьшить вибрации поршня, так как было выявлено, что пружина из круглой проволоки в меньшей степени сопротивляется возникновению паразитных вибраций всей системы, в то время как пружина из проволоки квадратного/прямоугольного сечения стремится «успокоить» вибрации поршня.

Следующая схема похожа на первую, однако здесь уже для возврата поршня используется второй такой же цилиндр, а сгорание в них происходит попеременно, вызывая возвратно-поступательное движение всей системы:

Ещё одна похожая конструкция, реализующая своеобразный «апгрейд» предыдущей конструкции представлена двигателем Франка Штельцера (1969 г.), где помимо двух боковых поршней имеется ещё и центральная камера, также с поршнем, где обе стороны этого поршня используются для предварительного сжатия воздуха, где затем, сжатый воздух попеременно подаётся то в левую, то в правую камеру сгорания, смешиваясь по пути с бензином — таким образом, здесь мы наблюдаем, по сути, «прокачанный двигатель, с турбонаддувом» (хотя, это для тех лет несколько некорректное название и поэтому его называют «с предварительным сжатием»), где для наддува используется не турбина (как мы привыкли в наше время), а отдельный поршень посередине всей конструкции:

Подводя небольшое резюме под этой секцией, мы можем для себя отметить, что все три двигателя показанных выше имеют один, но очень существенный недостаток: несбалансированность — то есть, во время работы, конструкция создаёт механические импульсы влево-вправо, что в итоге приводит к возникновению жутких вибраций. 

Да, всё работает и работает успешно, но — вибрации…И с этим нужно было что-то делать…

Последующие работы характеризуются концентрацией усилий в направлении минимизации этой проблемы, скажем, (с некоторой долей успешности),  с помощью установки двигателя на виброоснование (проще говоря — подвешивая или устанавливая двигатель на пружинках), где само основание, то есть, рама, на которой всё крепится, изготавливается максимально массивной, тяжёлой, чтобы импульсы работающего двигателя гасились самой массой конструкции…

Понятно, что это очень неудобно и существенно ограничивает применение подобных систем на практике. 

Для борьбы с этим недостатком, был разработан следующий класс подобных машин — «уравновешенные двигатели», обычно выполняющиеся по оппозитной схеме, то есть, с противоположно расположенными и движущимися навстречу друг другу поршнями. 

Например такой, как показан ниже:

Здесь мы видим, что сгорание смеси происходит за счёт сжатия её в центре, между двумя поршнями, в то время как каждый поршень, заканчивается поршнем большого диаметра (на картинке справа и слева), использующимися в качестве газовых пружин — то есть, расположенных в камерах, где сжимается воздух и отталкивает поршни обратно в центр. 

Ещё мы здесь видим, что это также и двигатель с предварительным наддувом — и сжатие воздуха производится большой частью поршня, расположенной с обратной стороны камеры газовой пружины. 

Проще говоря: при движении в сторону центра, под большими поршнями происходит предварительное сжатие воздуха и впуск этого сжатого воздуха в камеру сгорания. 

Подобный двигатель мог выглядеть и несколько иначе:

Глядя на все эти типы двигателей выше, какое общее объединяющее качество у них у всех мы можем для себя отметить? А вот какое: они все являются двухтактными (потом, ниже, мы ещё поймём зачем это важно)! 

Если кто то до этого ещё не разбирался в типах двигателей, то вкратце скажу, что подавляющее большинство двигателей внутреннего сгорания в мире делятся на двухтактные и четырёхтактные — двухтактные применяются там, где нужна компактность и мощность, а четырёхтактные — где экономичность и экологичность. 

Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, в ходе которого поршень движется вниз и вверх:

Сначала, при движении поршня вниз, происходит впуск смеси, которая, в дальнейшем, при движении поршня вверх сжимается и, несколько не доходя до верхней мёртвой точки движения поршня, поджигается свечой — так это работает в самом начале. 

А вот дальше, интереснее: после того как произошёл хотя бы один акт зажигания смеси в цилиндре, поршень начинает двигаться вниз, несколько сжимая топливовоздушную смесь под цилиндром, в картерном пространстве (да, кстати, — смазка всех механизмов происходит туманообразной распылённой топливовоздушной смесью, заполняющей всё пространство под цилиндром). 

В определённый момент, когда поршень проходит выпускное окно (на картинке выше —  слева), раскалённые продукты сгорания с силой вырываются из него, после чего поршень продолжает своё движение дальше вниз, в определённый момент проходя мимо впускного окна (на картинке выше — справа), откуда происходит вброс несколько сжатой (за счёт движения поршня вниз) топливовоздушной смеси из-под цилиндра, которая осуществляет так называемую «продувку» — то есть, свежая поступающая смесь выдавливает продукты сгорания!

Нетрудно догадаться, что вся эта система работает не совсем оптимально и часть полезной топливовоздушной смеси — улетает вместе с продуктами сгорания через выпускное окно! 

Собственно говоря, это и является одной из основных проблем двухтактных двигателей —  один из факторов неэкономичности и неэкологичности из-за постоянного выброса части несгоревшей смеси. 

Ещё одна причина неэкономичности — сгорание смеси происходит при каждом движении поршня вверх (а у четырёхтактных не при каждом — и это мы ещё сейчас увидим). 

Однако из этого (сгорания смеси при каждом движении поршня вверх) ещё проистекает и позитивная сторона двухтактных двигателей — благодаря такому частому зажиганию они весьма мощные и компактные, что и позволило им широко распространиться в мокиках, мопедах, бензопилах и ряде других устройств.

В отличие от двухтактных, у четырёхтактных двигателей рабочий цикл распределён на период двух оборотов вала и состоит из фаз: впуска(1), сжатия(2), сгорания(3), выпуска(4):

Что из принципиального мы здесь видим, в качестве отличия от двухтактного двигателя:

• Продувка цилиндра (то есть, избавление от продуктов сгорания) осуществляется не за счёт выдавливания их свежей смесью, а за счёт движения поршня (поршень как шприц — выдавливает дым и всасывает новую смесь), таким образом, это автоматически обуславливает экономичность и экологичность (относительную, если сравнивать с двухтактными) подобных двигателей;

• Ещё мы здесь видим появление клапанов наверху, которые приводятся в движение специальными валами (на картинке показаны на самом верху — называются распределительные валы или, попросту, «распредвалы»), с кулачками на них — эти валы приводятся обычно в движение с помощью цепной или ременной передачи, соединённой с тем же валом (или отдельным), на котором вращается маховик поршня.

То есть, что мы здесь для себя можем отметить: подключение механических клапанов требует наличия некой механической связи с поршнем (что в случае свободно-поршневого двигателя, по объективным причинам исключено). 

Также, мы можем отметить, что в случае четырёхтактного двигателя следующий акт зажигания произойдёт только в конце второго оборота — другими словами, если делать свободно-поршневой двигатель четырёхтактным, то поршень должен быть весьма массивным, для запасания большого количества механической энергии, которой должно хватить на несколько циклов движения поршня без зажигания — всё это довольно затруднительно, поэтому в свободно-поршневых двигателях и превалирует двухтактная схема.

Исходя из всего вышесказанного, наверняка, у вас сложилось впечатление, что двигатели подобного рода представляют собой некие «высокие технологии, недоступные простым смертным»?  

Но это вовсе не так, так как целая куча людей увлекается конструированием подобных устройств, как для собственного развлечения, так и в практических целях.

Например, ниже мы можем видеть образец подобного устройства, где цилиндр выполнен из стеклянной трубки, а поршень из графита. Сжатие и зажигание топливовоздушной смеси осуществляется при падении поршня под собственным весом вниз, прямо под поршнем — для увеличения сжатия, поршень связан тонким штоком со специальным утяжелителем (стальной диск). 

Как можно видеть, несмотря на то, что двигатель весьма несовершенен и несбалансирован — запускается он просто «по щелчку пальцев»:

Кстати говоря, подобный лёгкий запуск и уверенная работа обычно отмечается профессиональными строителями подобных систем (в отличие от чистых теоретиков), которые обычно полагаются на распространённые пространные рассуждения о том, что подобные двигатели нестабильны, их трудно запустить и трудно поддерживать работу и т. д. и т.п. — практика обычно разбивает подобные рассуждения. 

Да, двигатели подобного типа нельзя назвать идеалом, здесь много сложностей, но известно и то, что хорошо построенный двигатель работает достаточно уверенно (впрочем, это можно видеть и по видео выше). 

Или, описанный вот здесь развёрнутый научный эксперимент с описанием условий и полученных результатов, во время 100-часового теста работы двигателей подобного типа — кстати говоря, там есть подробно и про двигатели в форм-факторе батареек АА ;-).

Вкратце: результат по тестам — да, отлично работает. 100 часов непрерывно, без поломок и система признана надёжной.  

Протестирована и версия в формате батарейки АА (могу ошибаться, скорее всего они там тестили «апнутую» версию 5 Вт генератора в форм-факторе батарейки АА — просто разогнали её по оборотам; отдельно не поясняют): показала вырабатываемую мощность в 10 ватт, при частоте поршня в 390 Гц (они там пишут, что это эквивалентно оборотам классического двигателя в 23400 об/мин), при работе без какой либо смазки!  

Топливо — пропан (работа на пропане показала гораздо большую устойчивость по сравнению с бензином). 

Уровень шума — 71 дБА на расстоянии в 30 см (примерно сравнимо с гулом говорящих людей в офисе-опенспейсе) — отмечают, что можно существенно снизить, если проапгрейдить систему глушения. 

Насколько можно судить, тесты показали уверенную реализуемость подобных устройств, надёжность и простоту механики — но нужно озаботиться тепловыделением, так как оно будет довольно большим и его нужно эффективно рассеивать, что особенно важно для таких маленьких устройств...

Из интересного что мы здесь могли увидеть в этом видео: в качестве источника искры используется электронная схема от кухонной зажигалки (есть такой её подвид, где используется не пьезоэлемент, а электронная схема с пальчиковой батарейкой) — пояснения по сборке можно найти вот тут. 

В качестве альтернативы, можно собрать самостоятельно электронную искровую схему, например, на базе того же блокинг-генератора. 

Ещё из интересного, в видео показан один из исторически первых типов карбюратора («поверхностный» или «испарительный» карбюратор), в котором происходит «пробулькивание» всасываемого двигателем воздуха — сквозь ёмкость с бензином. 

Из плюсов такого карбюратора: простота.

Из минусов: «высасывание» потоком воздуха летучих фракций из бензина и всё более неуверенная работа двигателя в дальнейшем (кроме того, что нельзя регулировать обеднённость/насыщенность смеси). Зато — «просто, как валенок». :-)

На правах лайфхака: показанный выше карбюратор несколько сложноват. Но его можно сделать существенно проще: всего лишь из шприца и шланга капельницы:

Таким образом, фактически, остаётся только снабдить подобный линейный генератор (для экспериментов можно взять самого простого, несбалансированного типа, с одним поршнем и возвратной пружиной) — кольцевыми магнитами и разместить внутри обмоток — в результате получаем весьма эффективный и компактный электрогенератор!

В целом, по тем обрывкам информации, которые мне удалось увидеть в разное время, в разных местах (даже, если иметь в виду приведённый выше научный тест микрогенераторов) можно сделать такой вывод, что с точки зрения механики, реализуемости, стабильности работы — у них всё отлично. 

Трудности только с несколько осложнённым пуском на холодный двигатель (не всегда — с пропаном, если брать его вместо бензина, то всё отлично вроде как), а также высоким тепловыделением из-за огромной частоты колебаний (особенно, если это маленького размера устройство) — полагаю, что это можно решить банальнейшим образом: залить водой (надо экспериментировать). 

Ну и, напоследок, скажу такую, думаю, полезную информацию, если вы решитесь экспериментировать в этой области…

Дело в том, что довольно много лет назад, я провёл достаточно много времени на одном из интересных форумов (в данный момент, уже много лет закрыт), где собирались строители самодельных двигателей внутреннего сгорания. 

И если попытаться суммировать ту информацию, которая там была, касательно двухтактных двигателей, можно сказать, что у двигателей подобного типа главное правильно расположить окна — впускные и выпускные, правильно подобрать их размер, — чтобы обеспечивалась надёжная продувка цилиндра. 

Поэтому, энтузиасты обычно отмечали, что постройка двухтактных двигателей несколько осложнена, в противовес четырёхтактным двигателям, которые запускаются даже «кривые-косые» — просто потому, что у них продувка осуществляется сверхнадёжно: продукты сгорания банально выдавливаются самим поршнем, равно как и всос свежей порции смеси. 

Тем не менее, нет ничего невозможного, при наличии желания…:-)  

P.s.на правах интересной идеи: большинству людей недоступны такие «чудеса», как построение сложных систем, с использованием программирования, поэтому, если у вас есть подобное умение (программирование микроконтроллеров) — то у вас здесь есть серьёзная фора: электрогенератор на штоке  линейного двигателя, может одновременно выступать и в виде линейного двигателя (ниже показано, как катушки перемещаются по трубке с неодимовыми магнитами внутри; от количества и размера магнитов зависит точность позиционирования катушек):

Таким образом, можно с помощью этого же самого генератора, осуществлять и электронный пуск двигателя, с микроконтроллера! После чего, уже использовать его по прямому назначению (для генерации электричества)! 

Можно даже несколько усложнить: постоянно отслеживать скорость и положение поршня, в нужные моменты (если работа неустойчива, например, при повышении подключенной электрической нагрузки на выходе генератора) — «подпинывая» поршень электронным образом.

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.

Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.