«Можно, но зачем?». Двигатель, работающий... на порохе? Да!
Может ли ДВС работать на порохе.
А вы знали, что изначально дизельный мотор должен был работать на растительном масле или на угольной пыли? Да-да, таким его и задумывал Рудольф Дизель. Но в конечном итоге он остановился на «солярке».
Конструкции поршневых двигателей известны человечеству ещё с XV века. Сам Леонардо да Винчи экспериментировал с различными их вариантами. На протяжении столетий инженеры пытались использовать все мыслимые виды топлива для своих моторов, от пара до бензина. В 1807 году два брата из Франции умудрились создать механизм, работающий на мхе.
Но одним из первых видов горючего, с которым проводили опыты, стал порох — то самое взрывчатое вещество, которое заряжали в корабельные пушки и используют в современном огнестрельном оружии. Однако он оказался слишком неэффективным и нестабильным для применения в силовых установках. Именно поэтому единственные реально существующие сегодня пороховые двигатели — это самодельные устройства, от которых лучше держаться подальше, если вам дороги ваши пальцы.
Строго говоря, пулемёт — это тоже пороховой механизм, поскольку он использует выхлопные газы от воспламенения для возврата затвора в исходное положение. Однако мы говорим о рабочих агрегатах, создающих вращательный момент. И хотя взрывчатая смесь действительно может работать, она делает это недостаточно хорошо, чтобы сопутствующая опасность была оправданной.
Попытки длиной в столетия, которые так и не привели к использованию пороха в двигателях
Первый в истории действующий двигатель внутреннего сгорания был изобретён выдающимся голландским учёным Христианом Гюйгенсом в 1673 году, и работал он как раз на порохе. Фактически это был большой вертикальный цилиндр. Взрывчатая смесь в его основании подбрасывала поршень вверх.
По мере остывания выхлопных газов поршень, соединенный верёвкой со шкивом, мог при своём движении вниз механически поднимать тяжёлые предметы. Важно понимать, что двигатель работал не за счёт взрыва, поднимающего поршень вверх, а за счёт последующего падения давления (вакуума) в главном цилиндре. Чтобы было понятно, этот агрегат не «возвратно-поступательный», как это реализовано в современных ДВС. Он ограничен одним тактом вниз за счёт низкого давления в цилиндре.
1GAI / Wikipedia / standingwellback.com
Впрочем, эффективность была невысокой: цилиндр высотой более двух метров (7 футов) мог поднять всего лишь «семь или восемь маленьких мальчиков». (Интересно, это была тогда такая стандартная система измерения веса или силы до введения метрической системы?) Тем не менее, аппарат Гюйгенса заложил основу для будущих поршневых паровых двигателей, а позже и для обычных ДВС с циклом Отто, которые мы используем сегодня.
В 1807 году британский инженер Джордж Кейли разработал ещё один пороховой мотор, но на этот раз с двумя цилиндрами: один большой нижний и один поменьше, установленный сверху. Взрывчатая смесь закладывалась в нижний цилиндр, где поджигалась раскалённым металлическим стержнем (нагреваемым свечой). Расширяющиеся газы толкали поршень внутрь верхнего цилиндра. Кейли, будучи отцом современной авиации, был заинтересован в создании силовой установки для самолёта, но в конечном итоге переключился на другие конструкции.
Люди и сегодня продолжают экспериментировать с подобными механизмами. Команда «Разрушителей мифов» в 2006 году пыталась создать пороховой агрегат, но потерпела неудачу.
Однако в 2007 году инженер-механик Чарли Маклин преуспел, заставив небольшой паровой двигатель работать на чёрном порошке. Маклин объяснил свой успех тем, что самостоятельно изготовил взрывчатый компонент в виде крупных кусков. По его утверждению, это помогло обеспечить устойчивое горение, подобное пиротехническому сигнальному огню. Выхлопные газы от продолжительного горения и приводили в действие его паровую машину. Вот видео на YouTube с его испытанием:
Для тех, у кого не загружается плеер: вот прямая ссылка на ролик: https://youtu.be/oE29MJOnTdE
Пороховой двигатель возможен, но в этом нет смысла
Легко понять, почему идея такого мотора всегда была привлекательной. Это дёшево, эффектно и кажется забавным и интересным способом толкать поршень. В 1981 году изобретатель Сэмюэл Д. Уильямс даже получил патент на ДВС, работающий на пороховом топливе.
Однако овчинка не стоит выделки, поскольку это вещество по своей энергоёмкости значительно уступает бензину или дизельному топливу. Удельная энергоёмкость пороха составляет 3—4 мегаджоуля на килограмм (700—900 ккал на кг), в то время как у бензина и дизеля этот показатель равен 46 и 45 мегаджоулям соответственно.
Для сравнения: у этанола (30 МДж/кг), угля (33 МДж/кг) и даже авиационного топлива (43 МДж/кг). Бензин обладает значительной энергетической ценностью при своем весе и занимаемом объёме. А вот порох, как видите, обладает удивительно небольшой энергией, а пули, приводимые им в движение, могут двигаться так быстро во многом потому, что они не весят по 1,5-2,0 тонны, как автомобили.
На заметку: чтобы по-настоящему разогнаться, автомобилю необходимо использовать источник энергии с лучшим соотношением мощности к весу. Например, уран из реактора-размножителя, обладающий удельной энергией 80 620 000 мегаджоулей на килограмм.
Безусловно, этот вид топлива максимально быстро разгонит что угодно, но оно радиоактивно, что вызывает огромную опасность для здоровья всего живого без серьёзной защиты. Поэтому в этом случае проблема с соотношением мощности к весу все равно останется, учитывая, что автомобиль, работающий на уране, должен будет быть построен из многих тонн свинца, бетона, стали и всего остального, чтобы защитить от облучения водителя и пассажиров.
Поэтому медленное сжигание пороха, как в опыте Маклина, не генерирует достаточно энергии для работы сколько-нибудь полезного агрегата. Но если, как выяснили «Разрушители мифов», плотно набить обычную камеру сгорания мелким чёрным порошком, он становится чрезвычайно взрывоопасным и трудно контролируемым, что может попросту разрушить мотор.
Таким образом, хотя взрывчатая смесь отлично подходит для выстреливания чего-либо, вроде пули, или для привода быстродействующих режущих инструментов, она плохо годится для продолжительной выработки энергии.
Кроме того, ее использование крайне неудобно. Поскольку это нестабильное, взрывоопасное вещество, его сложно безопасно производить и хранить. Оно также гигроскопично, то есть легко впитывает влагу из воздуха, что может резко снизить скорость горения. Это делает долгосрочное хранение ещё более хлопотным, так как оно требует полной герметичности.
Всё вышесказанное говорит о том, что идея порохового двигателя, возможно, и занимательна, и у неё долгая, увлекательная история. Но она просто не стоит затраченных усилий. Это опасно, неэффективно и гораздо сложнее в применении, чем традиционные жидкие виды горючего. Так что, если вы захотите поэкспериментировать с самодельными моторами, не стоит рисковать (пальцы вам ещё пригодятся!). Используйте лучше бензин или дизель.
Обложка: shutterstock.com / 1GAI
Источник статьи: Trying To Run Engines On Gunpowder Sounds Like A Good Way To Get Rid Of Excess Fingers
