Попалась мне статейка "Поршень на свободе: Двигатель со свободным поршнем", которая напомнила мне о давно витающей в голове идее бензогенератора, в котором электроэнергия вырабатывалась бы прямо в цилиндре.

Его конструкция могла бы быть примерно такой, как на этом рисунке:

http://img-fotki.yandex.ru/get/15536/10333...0f2c4e_orig.jpg

Примечания к рисунку:

1) Размеры взяты "на глазок";
2) Радиаторы, крепления, ГРМ и устройства поджига смеси и другие мелочи не нарисованы;
3) Пружины должны быть максимально мягкими, чтобы не понижать КПД. Их главная цель - не давать сильно болтаться и биться о дно поршням в выключенном режиме;
4) Управление ГРМ, впрыском и поджигом полностью контролируется электроникой, что позволяет создать любые циклы работы цилиндров;
5) Частота колебания магнита не планируется большой для долговечности конструкции и снижения требований к управляющим механизмам и электронике, речь о 20 000 циклах, как в статье выше не идёт.

Преимущества такой конструкции очевидны по сравнению с классической конструкцией бензогенераторов - меньшее число трущихся деталей, меньшая материалоёмкость и компактность.


Хотелось бы поинтересоваться у уважаемой публики - почему при очевидных плюсах и относительно простоте, такие ДВС вообще невозможно встретить нигде ? Ни на транспорте, ни в индустрии производства электроэнергии...

Я ожидаю ответов в профессиональном тоне, поэтому создал тему в этом разделе, а не в разделе "Общение". Просьба не захламлять разговор предположениями типа "Ну, если до сих пор не сделано, значит это невозможно" или "Это всё сговор производителей бензина, они заинтересованы в низком КПД применяемых ДВС" и т. д. Давайте сосредоточимся на технических проблемах в этой теме.

имхо
1) отсутствие шатуна не приведёт к "Преимущества такой конструкции очевидны". может, чисто теоретически, это и поможет увеличить КПД на пол-%, но стОит ли игра свечь? основная потеря энергии происходит в механическом движении туда-сюда поршней.
2) чтобы с магнита и катушек снять хоть сколько-нибудь значимую мощность (сотню кВт хотя бы) очевидно частота колебаний должна быть мегагерцы, а в случае механических колебаний ваших поршней это - сотни герц.
3) пружины там вообще не нужны. это как выходной каскад класса АB - можно настроить сквозной ток так, чтобы ничего не болталось.

настольная модель такого двигателя мощностью 10 мЛС заработает, это точно.

upd. забыл самое главное - а за счёт чего циклов в двигателе стало не 4 а 2?

Стоит даже при таком же КПД. Так как конструкция получится проще (а значит и надёжнее) и менее материалоёмкая.



Можно более развернуто подать этот ответ ? Почему для эффективного снятия мощности нужны большие частоты ?



Можно настроить когда он в рабочем режиме. Но когда двигатель отключен и его переносят или перевозят, то надо как-то предотвратить удары поршней о детали двигателя (в зависимости от размеров удары будут либо по дну камеры сгорания, либо по держателю катушки).



Мощность многих китайских бензогенераторов, которые сейчас массово продаются в строительных гипермаркетах не превышает и 1 кВт. Т. е. даже при работоспособности на малых мощностях такой ДВС должен быть востребован. Но все упорно продолжают делать бензогенераторы по классической схеме. Почему ?



Вы про какую конструкцию говорите ? Из статьи или которая мною описана (просто я про циклы ничего пока не говорил) ?

http://lib.alnam.ru/book_phis9.php?id=121

Можно было бы привести ссылку на Википедию хотя бы, чтобы не заставлять читателей смотреть сайт обвешанный рекламой.

Главная фраза из Википедии такова:



Да, ЭДС зависит от скорости, но что мешает найти компромисс между скоростью и постоянным магнитом с высокой остаточной намагниченностью ?

В общем, это не такая уж неразрешимая проблема, которая не даёт ДВС со свободным поршнем войти в массы.

Такой двигатель реализован. Еще лет десять назад были публикации. Но простота схемы обернулась дополнительными сложностями в реализации.
Прежде всего, линейный генератор не удается сделать приемлемого качества.
Ведь в обычном двигателе бесполезно туда-сюда гоняется масса легкого поршня и шатуна. А тут приходится ускорять-тормозить большую массу якоря генератора. Передать всю его кинетическую энергию в электрику не получается.
Если бы результаты были получше или хоть обнадеживающие, то за десяток лет были бы подвижки. Любая работоспособная идея не заглохнет просто так.

До последнего времени видимо была проблема в размагничивании ниодимовых магнитов на высоких температурах и ухудшении параметров железа.
Один сбой в системе охлаждения и весь мотор на капремонт.

Потом характер нагрузки.
Она резко нелинейная.
В точке прохождения через середину катушки возникает максимальное сопротивление.
А в краевых положениях минимальное.
Чтобы симулировать нагрузку как в обычном движке думаю нужно цепью катушки активно управлять как в солнечных батареях в поисках точки максимальной отдачи энергии но с гораздо большей частотой.
Скажем микроконтроллер от Freescale типа MK70 на 150 МГц такое бы уже не потянул если задачу как принято начнут решать на размытой нейрологике и распознавании образов.

Вот было бы хорошо, если бы Вы ознакомили аудиторию с этим двигателем, чтобы было о чём конкретно говорить.




В чём именно проблема ? В дизель-молотах бабы имеют массу измеряемую десятками тонн и работают ведь !






Судя по открытым источникам, эта проблема решаема.




Кроме того, двигатель можно сконструировать так, чтобы зона с катушкой не сильно нагревалась. Ведь поршни до той зоны всё равно не доходят, нагрузки на неё меньше, и её можно сделать, например, из спецкерамики. Не зря у меня на рисунке была условно выделена "Холодная зона".

http://img-fotki.yandex.ru/get/15536/10333...0f2c4e_orig.jpg




Да, с катушки оптимально снимать напряжение через умный инвертор. Желательно выпрямитель ставить с управляемыми ключами (но это уже оптимизация на будущее), конденсатор побольше(чтобы пики потребления конечного потребителя не слишком влияли на ДВС) и т. д. По поводу сопротивления поршням - не забываем, что ГРМ, впрыск и поджиг у нас по идее полностью управляемые электроникой и тут тоже есть возможности оптимизации.

Что касается контроллеров, то полагаю, что лидеры современного двигателестроения за каждый процент повышения КПД готовы ставить по Freescale типа MK70 на 150 МГц, так как механические доработки часто стоят заметно дороже.

Да в дизель-молоте скорость той бабы некритична. Энергию удара по свае можно набрать как раз тонной массы. А вот перегнать это в электроэнергию на скоростях свободного падения с метра высоты не удастся ничего.
Давайте упростим задачу для наглядности. Ушлого народу предостаточно. Не утруждая себя конструированием оригинальных ДВС, один парень просто попытался заменить генератор в мотоцикле линейным генератором. Он приспособил к коленвалу нечто вроде дополнительного цилиндра-катушки с поршнем-магнитом. Ничего толкового от самого генератора он не получил. Так что проблема не в поршневой группе, а в самом линейном генераторе.
ЭДС проводника в магнитном поле Е=BLs *cos alfa, где
B индукция, L длина проводника, s скорость, cos alfa угол пересечения силовых линий.
Отбросим последнее, полагая его равным единице, движемся строго поперек. Ну и получим при 1 тесла и 1м/с скорости на метр обмотки 1 вольт...
Маловато будет. В обычном манюсеньком бензогенераторе линейная скорость движения раз в 50 больше. И при этом ротор генератора не разгоняется и тормозится со всей своей железячной массой 50 раз в секунду.
Немного в сторону, но гораздо перспективнее термоакустические стирлинги. Англичане как-то создали образец достаточно интересный, там металлическая мембрана резонировала с частотой так 200-400Гц. и генератор с легким пластинчатым якорем давал что-то заметное.
В Харькове есть мужик, профессионально долбящий тему много лет. Он этот стирлинг сумел повторить. Ну, игрушка получилась занимательная, но чтобы что-то серийноспособное так нет. Достаточно капризная технология и настройка.
Тема ДВС или какого-либо иного работоспособного теплового двигателя диапазона мощностей в 10-50 Вт, конкурента по КПД и надежности паровой машине, никем пока на практике не раскрыта, увы. Разве что есть уже 200 лет сама паровая машина, но она требует постоянного обслуживания.

ИМХО задачу можно упростить другим образом. Мне очевидно, что при правильном управлении катушкой схема обращаема - то есть подавая напряжение на катушку можно управлять движением или положением поршня - что собственно давно делают в погружных насосах.
Значит в первом приближении надо собрать механику, к катушке подключить транзисторный мост с датчиком тока и контроллером, и запрограммировать на последнем алгоритм ШИМ, при котором получаются устойчивые и контроллируемые колебания поршня, скажем с частотой в 10 Гц и амплитудой 10см, независимо от нагрузки. Тарахтеть эта штука должна знатно, ну и воздух качать до кучи.

Затем добавляем такой фактор, как цикл ДВС с впуском, сжатием, поджигом и выпуском, синхронно с колебаниями. Наверное 2-х тактный для начала. Очевидно, что с определенного момента при расширении газов в камере сгорания, поршень начнет совершать работу, что в результате приведет к тому, что в некоторых участках хода поршня, контроллеру придется тормозить ключами и соответственно заряжать звено постоянного тока, чтобы удерживать поршень на траектории. Получим выход электроэнергии в виде приращения напряжения звена постоянного тока. Вопрос собственно в КПД.

Дык умозрительных решений масса.
В свое время Александр Белл заметил что-то вроде:
Техника достигла такого уровня, что мы можем в принципе и самого человека передать по проводам. Но мелкие технические трудности встречающиеся на пути заставляют нас пока отказаться от этой затеи.

Поршень должен работать при высоких температурах. Редкоземельные магниты чуть за 100С теряют свойства. Рабочий зазор из стенки цилиндра великоват для магнитной цепи.
Начинаем выводить магнитную систему из температурной зоны - появляются штоки, подшипники скольжения и куча других мелких технических трудностей.
Было бы там что-то обнадеживающее - был бы давно технический прорыв в этом направлении.
После разговоров с несколькими специалистами я понял, что низкотемпературный двигатель такого типа технически возможен но его КПД будет явно хуже паровой машины при 250С. Оптимистично 3-5%.
Плюс только технологические трудности и обслуживание.
Вот тот мужик на которого я ссылался выше по стирлингам , термодинамику и механику понимает отлично. Жаль только что прошлифовать до зеркала поршень ему намного легче чем измерить мощность потребляемую светодиодом.
Попытки были. В частности, двигатель Мэнсона. Он в пределе сводится к тому, что если просто греть цилиндр двухтактного двигателя, то он заработает на нагретом воздухе. Но КПД менее 1%. Двигатель еле-еле сам себя крутит.

Я все понимаю. Но в последнее время меня все больше посещает идея, что благодаря развитию совершенно иных технологий, сегодня тот же ДВС мог бы выглядеть совсем иначе, если бы был разработан с нуля.
Ему сейчас приделывают костыли в виде катализаторов и 9-и ступенчатые коробки передач, пытаясь улучшить. Уже сейчас собираются менять привод клапанов на электромагнитный.
А кто знает - может быть паровая машина при текущем развитии технологий могла бы иметь КПД и повыше?

Больше всего меня, конечно, привлекает силовая электроника. Лет 20-30 назад сама идея такого ДВС, как у ТС, была бы сразу отброшена, потому что не было таких черных коробочек:

Соответственно ни о каком активном выпрямителе,да еще на килогерцы, не могло бы быть и речи.
А сейчас есть. И даже на 25кГц Si-C вырывается. И возможно теперь создание такого двигателя стало возможным.

Да чего тут знать? Еще лет 70 назад было понятно, что паровая машина ничуть не хуже, а во многих отношениях и лучше ДВС для применения на автомобиле. По крайней мере, по КПД городского цикла (8-9% )ничуть не хуже. А по динамике - вообще на голову выше. Ведь паровые автомобили выпускались серийно аж до начала 30-х.
Единственный существенный недостаток - большое время готовности. У лучших моделей оно было порядка 20-30 минут перед поездкой. Ну и водой заправляться нужно, желательно чистой.
Мельком почитал, что "Мерседес" ведет исследовательские работы в надежде осовременить старую идею.

Немного оффтоп: в серийном пр-ве это где-то предлагается или пока что это дороже обычной механики с распред-валами? Я был бы рад на ДВС своёго пепелаца такую систему установить.

вот тоже так считаю. колебать якорь нужен этот двигатель. всё, что сверху-и есть полезный выхлоп, ибо, невесомых магнитов ещё не изобрели.

Я где-то читал, что еще в довоенной Германии изобрели такой двигатель-генератор, он был резонансный (поршень с пружиной, при этом все равно, какую массу гонять) и работал на частоте 300-400 Гц. Силовой эектроники тогда не было, но почему-то двигатель не пошел в дело до сих пор.
Видимо, он все же хуже поршневых и турбинных.

кому всё равно? для начала просто посчитайте сколько требуется энергии в час для 400 Гц колебания амплитудой 0,1 м болванки массой 100 грамм... потом продолжим...

Под 30кВтч? Ничего себе...

у меня получилось 512 кВт:

ход поршня за одно колебание - 0,2 м. колебаний - 400 в сек, => его скорость = 0,2 * 400 = 80 м в сек.
его кинетическая энергия = mvквадратпополам = 0,1 * 80 * 80 / 2 = 320 Дж.
чтобы придать ему ту же энергию с другим знаком (развернуть) требуется энергия в два раза больше - 640 дж.
происходит это - 800 раз в сек.

итого: 640 * 800 * 3600 = 1 843 200 000 Дж в час = 512 кВт в час...

1) именно поэтому инженеры пытаются отказаться от прямолинейного движения поршня, и сделать это движение круговым;
2) потери на движение поршня не дают возможности увеличивать обороты стандартного двигателя. 400 Гц = 24000 об в минуту...

Потрясающе.
Вот что бывает если формулы помнить, а физический смысл забыть.

PS. Правильный ответ (если не учитывать трение) есть 3158 Дж. Эту энергию нужно передать системе один раз, после чего она будет совершенно бесплатно совершать колебания вечно.

Да, если идеальная пружина, вакуум и прочее. Если это колебательная система а не просто разгон-торможение
Если бы это было реализуемо, ДВС на холостом ходу не потреблял бы практически ничего.
Имеет смысл сравнивать потери и ресурс пружины и подшипников скольжения по отношению к подшипнику качения. На практике последние всегда в выигрыше.
Ну что, энтузиасты есть, спорить можно долго.
Образец в студию! Будем посмотреть.

да, это именно то что нам нужно...


каким образом идеальность пружины и наличие-отсутствие воздуха относится к кинематике движения поршня? вы можете вообще отказаться от пружины и приводить поршень в движение волшебством, но затрачиваемая на его движение энергия никуда не денется.

Тут наверное рассматривается пружинный маятник. Считается, что можно в цилиндр вставить пружину и тогда ДВС будет крутиться на холостом ходу дооолго-долго. И ничего не потреблять.

Вы делаете расчёт для двигателя с поршнем из постоянного магнита + катушки с выдачей электроэнергии или просто для стенда без нагрузки ?

В идеале у описанного мною в первом сообщении двигателя энергии придётся придать столько же или чуть выше, так как к концу хода поршень должен максимум кинетической энергии отдать катушке и иметь минимальную скорость(возможно, для этого катушку придется делать с "тормозящими слоями" нагруженными малым сопротивлением и включаемым в конце хода поршня).

Наглядно эффект передачи кинетической энергии в электрическую с торможением можно увидеть на многочисленных видео экпериментаторов.

Тогда надо комбинировать. Закипевший ДВС уже имеет кое-что от паровой машины . Ещё можно добавить клапан из камеры сгорания в систему охлаждения.

Кажется так же серьёзно мешают проблемы:
- отсутствия накопителя кинетической энергии, помогающего сжимать воздух/горючую смесь в другой камере. Это не в пользу повышения КПД.
- резонанса не достигнешь в таких тормозных условиях
- даже если "холодную зону" сделать дырявой, прорывающиеся выхлопные газы сделают рано или поздно своё чёрное дело.
- как смазывать, чтоб не забрызгать холодную зону
Да и фантастические расчёты обескураживают, 30 или 300 кВт...

Если объективно смотреть, то основная беда в том, что при возвратно-поступательном движении относительно большая часть энергии будет теряться в каждом цикле (даже с учётом создания специальных "тормозящих катушек"), т. е. даже самые несовершенные современные версии турбинных двигателей тут легко выигрывают.

Если делать что-то такое, то с массивным магнитом и низкими скоростями. Может получится нишевое решение, например, альтернатива газовым генераторам для резервного снабжения домов. Там не столь важен вес и габариты, но важны КПД и тишина.

http://generac.su/catalog/generac_gas-generators

Сорьте великодушно, но:

Зачем?
Зачем подсчитывать затраты на торможение поршня? Наоборот, возможно, его придется дополнительно толкать!
Берем устоявшийся процесс - все ходит туда-сюда, поршни уже работают.
Поршни идут слева направо под действием остаточного давления расширяющихся газов в левом цилиндре.
Поршни проходят середину. Сильно тормозятся из-за силы Лоренца, ведь, на магниты она тоже действует, в противоположном действию на провода направлении.
Поршни движутся дальше - но им уже начинает противодействовать возрастающее давление в правом цилиндре.
Наконец, поршни приблизились к правой стороне - но давление там уже должно быть 100-200 кг/см.кв. и более (не помню).
Вот про этот момент кто-нибудь из счетоводов вспомнил?
А затем идет впрыск топлива и поджиг его.
А то стотыщмильонов джоулей нагромоздили, а про принцип работы ДВС забыли.

Правда, колбасить будет энту штуковину совсем непадеццки. Ведь, в обычном ДВС поршни ходят строго взаимно-противоположно, и это завязано механически.
Придется лепить еще одну такую группу, но с ходом поршней противоположно.

ЗЫ: Кстати, смазывать цилиндры можно и разбавленным в топливе маслом.

ЗЗЫ: Ну, это так, просто вечер выходных.

есть такая штука как свободно поршневой генератор газа https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%...%BD%D0%B8%D1%8F

Что касается КПД или не дорогого источника электроэнергии для дачи, то с КПД стационарной ТЭЦ все эти генераторы врятли сравнятся. В стационарных ТЭЦ, сначала топливо(газ) сожгут в газовой турбине, получат электричество, выхлопом нагреют пар, получат электричество в паровой тербине, потом паром нагреют воду, обогреют дома.

Если нужен автономный источник для дачи, присмотритесь к ветряку и к солнечным батареям. На крайний случай, ДВС автомобиля + инвертор.

топливные элементы надо разрабатывать. Метановые.
Получать напрямую электричество с КПД 70% без всякой хитрой механики и заумной электроники.
ДВС уперлись в принципиальный предел

Отнюдь.
Есть еще ресурсы для увеличения КПД.

И у бензинки и у дизеля есть недостатки, которые возможно преодолеть.