Вакуумный двигатель относится к любому типу двигателя, который черпает свою силу из давления воздуха на одну сторону поршня, при этом также имея частичный вакуум на другой его стороне. Этот перепад давления может быть результатом теплопередачи или механически создан внешним источником.
Некоторые ранние газовые двигатели работали по принципу «вакуума» или «атмосферы» аналогично паровой машине Ньюкомена . Смесь газа и воздуха поглощалась цилиндром и воспламенялась; смесь расширялась, и часть ее выходила через выпускной клапан; затем клапан закрывался, смесь охлаждалась и сжималась, а атмосферное давление толкало поршень. Такие двигатели были очень неэффективны и были вытеснены двигателями, работающими по циклу Отто .
(также называется огнелизующий двигатель , огненный двигатель или огненный танцор )
В начале такта впуска клапан в головке цилиндра открывается и впускает заряд горящего газа и воздуха, который захватывается закрытием клапана и расширяется. К концу такта заряд вступает в контакт с охлаждаемой водой или воздухом частью цилиндра и охлаждается, вызывая резкое падение давления, достаточное для того, чтобы втянуть поршень, который открыт в сторону кривошипа, обратно на обратный ход. Клапан снова открывается вовремя, чтобы поршень вытолкнул сгоревшие газы перед началом следующего такта.
В вакуумном двигателе частичный вакуум создается внешним насосом. Такие двигатели обычно использовались для питания поворотных кругов железной дороги в Великобритании , используя вакуум, создаваемый вакуумным тормозным эжектором паровоза . Принцип работы аналогичен паровому двигателю — в обоих случаях мощность извлекается из разницы давлений. [ i]
Небольшие вакуумные двигатели также использовались для управления стеклоочистителями ветрового стекла в автомобилях . В этом случае двигатели питались от вакуумного коллектора . Такое расположение было не очень удовлетворительным, потому что, если дроссельная заслонка была широко открыта, дворники замедлялись или даже останавливались. Современные автомобили используют электрические дворники. Современные автомобили все еще используют своего рода вакуумный двигатель, однако, вакуумный сервопривод . Тормоза приводятся в действие гидравлической системой, но они используют «вакуумный двигатель» для усиления силы, прилагаемой водителем. Небольшие вакуумные двигатели также использовались с конца 1960-х годов для управления сервомеханизмами , такими как дверные замки, [ii] органы управления обогревателем [iii] или подвижные вентиляционные заслонки капота. [iv]
В некоторых механических пианино используются вакуумные двигатели.
Можно сказать, что глобальная промышленная революция возникла из-за «вакуумного двигателя», потому что все ранние паровые двигатели, особенно новаторские двигатели Болтона и Уатта, работали с паром почти атмосферного давления. Вы можете легко сделать демонстрационный вакуумный двигатель, используя маховик, простые детали водопровода и несколько других простых компонентов, как показывает Нил А. Дауни в ссылке.
Вакуумная система может использоваться для передачи мощности, хотя максимальная мощность, которая может быть передана вакуумному двигателю, меньше, чем у обычной пневматики. Существует оптимальное давление для работы вакуумной системы передачи мощности, около 0,4 бар (8 фунтов на кв. дюйм), как также показывает Дауни. Хотя она менее эффективна, чем пневматика, она может быть вполне работоспособной. Например, труба диаметром 22 мм (7/8") на вакууме может передавать столько же мощности на 0,4 бар (8 фунтов на кв. дюйм), сколько труба диаметром 6 мм (1/4") на 8 бар (100 фунтов на кв. дюйм). Система достаточно эффективна, чтобы Болтон и Уатт использовали вакуумную передачу мощности на своем заводе. Они называли вакуумную магистраль на заводе «спиртовой трубой». [1] [2]
В отличие от идеального двигателя с циклом Отто , вакуумный двигатель полагается на постоянный источник тепла, обеспечиваемый сжиганием топлива. Как упоминалось выше, клапан позволяет впускать тепло в поршневую камеру. Оценивая тепло in или Qin как постоянное в контролируемом объеме пространства, уравнение идеального газа PV = nRT подразумевает увеличение давления поршневой камеры. После того, как клапан закрывается, поршень подвергается адиабатическому процессу во время хода вниз. Как только поршень достигает нижней точки своего хода, камера охлаждается либо окружающим воздухом, либо водой, и результирующее Qout заставляет давление в поршне уменьшаться. Затем система подвергается еще одному адиабатическому сжатию газа в камере, который впоследствии выпускается клапаном в верхней части хода цилиндра, одновременно позволяя новому нагретому газу поступать в камеру.
Одной из основных проблем, с которой столкнулся этот двигатель при разработке, было то, что эффективность этой модели была крайне низкой в реальных приложениях. Поскольку источник тепла не ограничен определенной областью, для питания двигателя потребляется только небольшая часть потенциального топлива. Поскольку эффективность двигателя определяется соотношением между объемом выполненной работы и потенциальной энергией в потребленном топливе, можно увидеть, что в вакуумном двигателе для питания двигателя используется только небольшое количество горящего топлива. Остальная энергия топлива теряется в окружающей атмосфере.
