Аэрокосмический инженер и создатель контента Том Стэнтон задокументировал пошаговое создание велосипеда, приводимого в движение двигателем Стирлинга — тепловой машиной, впервые запатентованной в 1816 году.
18-минутный выпуск на YouTube отображает весь проект: от первоначальных настольных экспериментов до короткого, но полностью самостоятельного испытательного заезда.
Видео в реальном времени демонстрирует препятствия, из-за которых двигатели Стирлинга остаются на периферии современного транспорта.Удивительное звуковое оружие «Глушитель речи» не позволяет людям говорить
От модели до двигателя в раме велосипеда
Стэнтон начинает видео с нагрева стеклянного шприца: по мере расширения воздуха внутри он выталкивает поршень наружу — это «воздушный двигатель» в миниатюре.
Второй шприц, оснащённый свободно движущимся вытеснителем (деталь, перемещающая воздух между горячей и холодной частями двигателя без его сжатия), показывает, как быстрое перемещение воздуха между горячей и холодной зонами ускоряет цикл.
Вдохновившись этим принципом и успешной работой небольшой настольной модели двигателя Стирлинга, Стэнтон решает создать полномасштабный агрегат, достаточно большой, чтобы поместиться в раму велосипеда и выдавать мощность от 100 до 150 ватт, что позволило бы развивать скорость примерно до 25 км/ч на ровной поверхности.
Основной блок двигателя выточен из алюминия; его «горячая» крышка, которая должна выдерживать температуру раскалённого металла, изготовлена на заказ из стали.
На раннем этапе проектирования Стэнтон отказался от идеи использовать для охлаждения радиатор от компьютерного процессора, так как площадь контакта была слишком мала, и сделал выбор в пользу внутреннего контура водяного охлаждения.
Ключевой проблемой становится трение, поскольку даже незначительные потери ставят под угрозу достижение скромной целевой мощности.
Рабочий поршень оснащён кольцами из ПТФЭ (политетрафторэтилен, он же тефлон — полимер с крайне низким коэффициентом трения) с натяжителями, а для центрирования штока вытеснителя используются линейные подшипники, позаимствованные из компонентов для 3D-принтеров.
С помощью кронштейна, напечатанного на 3D-принтере, частично собранный двигатель размещается в переднем треугольнике рамы, в то время как Стэнтон изготавливает заднюю алюминиевую опору для двух коленчатых валов.
Эти валы, сначала вырезанные из цельного алюминия, а позже для тестов переделанные из лёгкого полимера, вращают зубчатый шкив. Для синхронизации вытеснительного и рабочего поршней был выбран ремень, а не шестерни.
Устранение утечек, трения и избыточного сжатия
Первые попытки запуска провалились. Несмотря на то что горячая часть была раскалена докрасна, а температура охлаждаемого водой конца составляла около 40 °C, двигатель не работал.
Стэнтону пришлось разобрать его, чтобы проверить силиконовые прокладки и смазать уплотнительное кольцо на валу вытеснителя. Проверка компрессии выявила серьёзный прорыв газов мимо колец из ПТФЭ.
Инженер поэкспериментировал с резиновым уплотнительным кольцом (слишком большое трение), после чего разработал и напечатал из ТПУ (термопластичный полиуретан — гибкий и износостойкий пластик) эластичное поршневое кольцо.
Новое кольцо обеспечило такую герметичность, что поршень начал отскакивать назад при ручном прокручивании коленвала — верный признак восстановленного давления.
Вторая остановка двигателя потребовала дальнейшей диагностики: проблема оказалась в длине хода поршня. Анализ показал, что ход коленвала в 30 мм толкает поршень дальше, чем воздух успевает эффективно расшириться.
Стэнтон укоротил ход коленвала до 25 мм и увеличил ход вытеснителя, чтобы перемещать больше воздуха между горячим и холодным концами. С изменённой геометрией и установленными полимерными коленвалами двигатель, наконец, запустился и заработал самостоятельно, почти бесшумно вращаясь от небольшой горелки.
Концепт с очевидными ограничениями
После успешного запуска Стэнтон сделал зубчатый ремень тоньше, чтобы уменьшить потери на изгиб, и заменил шкив привода заднего колеса на маховик, чтобы двигатель мог набрать обороты перед подключением трансмиссии.
Несмотря на это, прототип остаётся маломощной диковинкой: он требует длительного прогрева, имеет ограниченный крутящий момент и не позволяет легко регулировать тягу.
Стэнтон намечает следующие шаги: добавить регенератор (теплообменник, повышающий КПД за счёт сохранения тепла рабочего тела), повысить давление рабочего воздуха для увеличения мощности, доработать контур охлаждения с радиатором и создать сцепление, чтобы сделать велосипед более практичным.
Хотя это изделие не позиционируется как альтернатива электрическим велосипедам, проект демонстрирует, как современные технологии для хобби — обработка на станках, 3D-печать и заказные услуги ЧПУ (числовое программное управление) — позволяют инженеру-одиночке возродить термодинамическую идею многовековой давности.
Видео завершается кадрами работающего двигателя, который продолжает вращаться лишь за счёт тепла, накопленного в его стальной крышке, демонстрируя работоспособность конструкции, которая функционирует до тех пор, пока существует разница температур.