Двигатель Мансона — это, пожалуй, самый простой тепловой двигатель, который вообще можно собрать дома. У него один цилиндр, один поршень, никаких клапанов, никакого вытеснителя на отдельном приводе и — что особенно приятно — никаких требований к герметичности. Он специально устроен так, чтобы дышать через дырку в стенке.
В литературе фамилию пишут по-разному: встречается и «двигатель Мэнсона», и «Manson engine» в оригинале. Это одна и та же машина, описанная в английских журналах для моделистов в середине прошлого века.
Сразу о честных ожиданиях. Это демонстрационная модель: она красиво крутится от спиртовки, наглядно показывает, как тепло превращается в движение, и отлично заходит детям и на выставках. Мощность у неё — доли ватта. Ничего полезного она не приводит и приводить не может, и любой текст, обещающий обратное, вам врёт.
Как он работает
Принцип держится на одном простом факте: воздух при нагреве расширяется, при охлаждении сжимается. Осталось заставить один и тот же объём воздуха попеременно оказываться то в горячей, то в холодной части трубки — и снимать с этого работу.
У Стирлинга для этого два поршня: вытеснитель гоняет воздух между зонами, рабочий отбирает мощность. Мансон обошёлся одним — его поршень делает обе работы сразу. Платой стал КПД, откровенно низкий, но зато собрать двигатель может человек с ножовкой и дрелью.
А чтобы не бороться с неизбежными утечками, в конструкцию заложили дыхание: у холодного конца в стенке цилиндра просверлено отверстие. Когда поршень проходит мимо него, цилиндр на мгновение сообщается с атмосферой и добирает или сбрасывает воздух. Из-за этого двигатель равнодушен к неплотностям поршня — редкое качество для теплового двигателя.
Отсюда же главное требование: по трубке должен держаться устойчивый перепад температур. Один конец раскалён, другой остаётся холодным. Если труба прогрелась целиком, перегонять воздух стало некуда, и двигатель просто встанет.
Тепловой двигатель — модель Мансона
Узлы и то, что в каждом критично
Двигатель прощает очень многое — кроме трения, утечки тепла из горячего конца и тяжёлого маховика. Размеры в скобках — от конкретной работающей модели, а не канон.
| Узел | Из чего делают | Что критично |
|---|---|---|
| Цилиндр | Тонкостенная нержавеющая или стальная трубка (Ø 16–22 мм, длина 100–140 мм) | Тонкая стенка и низкая теплопроводность: латунь и медь разгоняют тепло по всей трубе и убивают перепад |
| Поршень | Графит, притёртый алюминий или плотный фторопласт | Ход свободный от руки, без закусывания; идеальная герметичность не нужна и даже вредна |
| Впускной порт | Отверстие Ø 2–3 мм в стенке у холодного конца | Положение задаёт фазу дыхания — его подбирают последним, уже на живом двигателе |
| Холодный конец | Рёбра, хомут-радиатор или мокрая тряпка | Без отвода тепла перепад за пару минут исчезает и двигатель встаёт |
| Кривошип и шатун | Велосипедная спица, ось Ø 2 мм | Люфт превращается в трение; перекос шатуна двигатель не переживает |
| Маховик | Диск 80–120 мм, масса ощутимая | Вся мощность идёт на прохождение мёртвых точек — лёгкий маховик означает, что двигатель не заводится |
- Поршень падает в трубе под собственным весом
- Горячий конец раскалён, холодный можно держать рукой
- Маховик крутится от щелчка пальцем десятки оборотов
- Пуск делают рукой, раскрутив маховик
- Поршень притёрт «намертво» и идёт с усилием
- Труба прогрелась по всей длине
- Шатун задевает кромку отверстия
- Маховик лёгкий или сидит на оси с восьмёркой
Про огонь и давление. Это двигатель внешнего сгорания: горелка или спиртовка стоит открыто под горячим концом. Работать только на несгораемой подставке, вдали от растворителей и ветоши, и никогда не оставлять модель без присмотра. И главное — цилиндр не должен быть закрыт наглухо: дыхательное отверстие обязательно, иначе нагретая замкнутая трубка превращается в сосуд под давлением. Заглушать порт «чтобы было мощнее» нельзя.
Порядок отладки сначала лёгкий ход · потом перепад температур · порт и маховик — в последнюю очередь
Из чего собирают
- Цилиндр — тонкостенная нержавеющая трубка: от лыжной палки, кусок телескопической антенны, гильза шприца Жане. Латунь и медь не годятся, они разгоняют тепло по всей длине.
- Поршень — графитовый стержень от щётки электродвигателя, притёртый алюминиевый цилиндрик или фторопласт. Графит работает всухую и не боится жара.
- Маховик — диск 80–120 мм: старый шкив, тормозной диск от детского велосипеда, склеенные CD с грузом по краю.
- Кривошип и шатун — велосипедная спица, ось 2 мм, пара латунных втулок.
- Горелка — спиртовка, свеча-таблетка, сухое горючее.
Размеры я намеренно даю ориентирами, а не чертежом: дома их всё равно определит та трубка, которая нашлась. Рабочая пропорция — длина цилиндра в шесть-семь его диаметров, ход поршня около трети длины цилиндра. От них и пляшите.
Порядок сборки и запуска
- Добейтесь свободного хода. Вставьте поршень в трубку и наклоните её: он должен идти под собственным весом, мягко, без рывков. Это единственный этап, на котором не надо экономить время.
- Соберите кривошип и маховик. Ось должна вращаться от щелчка пальцем и крутиться потом несколько десятков оборотов. Восьмёрка на маховике или подклинивающая втулка — гарантированный незапуск.
- Соедините шатуном поршень с кривошипом, проверив ход на всём обороте рукой. Шатун не должен нигде задевать кромку отверстия или край трубки.
- Просверлите дыхательное отверстие 2–3 мм в стенке у холодного конца. Начните с положения, при котором поршень открывает его в самом конце хода к холодной стороне.
- Организуйте охлаждение. Хомут-радиатор, несколько витков медной проволоки или просто мокрая тряпка на холодном конце. Без этого двигатель поработает минуту и остановится.
- Запускайте. Прогрейте горячий конец до устойчивого жара, раскрутите маховик рукой в одну сторону, потом в другую. Сам по себе двигатель не стартует — ему нужен первый толчок.
- Доводите по отверстию. Если не идёт, сдвигайте положение порта: это и есть фаза газораспределения. Легче всего сделать пробное отверстие заведомо не на месте и заглушить неудачное винтом с прокладкой.
Частые ошибки
- Идеальная притирка поршня. Инстинкт требует герметичности, а двигателю нужен свободный ход. Тугой поршень съедает всю мощность на трение.
- Латунный или медный цилиндр. Выглядит красиво, перепад температур убивает начисто.
- Лёгкий маховик. Мощности в рабочем такте едва хватает, чтобы протащить механизм через мёртвые точки. Всю эту работу делает запасённая маховиком инерция.
- Слишком сильный нагрев. Раскалить трубу докрасна — не значит получить больше оборотов: тепло уходит в холодный конец, перепад падает, графит и смазка выгорают.
- Никакого охлаждения. Двигатель заводится, крутится минуту и глохнет — классический симптом.
Безопасность
Тут всего два правила, но оба серьёзные.
Открытый огонь. Горелка стоит незакрытой под горячим концом. Работайте на несгораемой подставке, уберите со стола растворители, ветошь и бумагу, не оставляйте модель работать без присмотра и держите под рукой то, чем накрыть пламя.
Дыхательное отверстие обязательно. Иногда возникает соблазн заглушить порт — «будет мощнее». Не будет: двигатель просто не заработает, а нагреваемая наглухо закрытая трубка становится сосудом под давлением. Единственный способ сделать эту безобидную машинку опасной — лишить её дыхания.
Частые вопросы
Чем он отличается от Стирлинга? У Стирлинга рабочее тело заперто и работают два поршня, у Мансона поршень один и цикл открытый — двигатель дышит атмосферой. Мансон проще и снисходительнее к точности, Стирлинг эффективнее.
Какие обороты нормальны? Сотни оборотов в минуту для аккуратно собранной настольной модели — хороший результат. Если крутится медленно и неровно, ищите трение, а не добавляйте огня.
Можно ли от него что-то запитать? Практически — нет. Теоретически к валу можно приделать крошечный генератор и зажечь светодиод, но отдача будет заметно меньше, чем у простейшего солнечного коллектора той же площади. Это учебная модель, а не источник энергии.
Он заведётся от солнца через линзу? Да, если собрать пятно на горячем конце, — принцип тот же, что у простого солнечного теплового двигателя. Но линза греет менее ровно, чем спиртовка, и с ней сложнее поймать первый запуск.
Сколько времени занимает сборка? Механика — вечер, отладка порта и охлаждения — ещё один-два. Доводка тут и есть основная работа.
