Из всех известных тепловых двигателей самый высокий КПД имеют поршневые двигатели внутреннего сгорания [1]. Однако дальнейшее развитие их характеристик – повышение удельной мощности, КПД, надежности – ограничивается кривошипно-шатунным механизмом и компоновкой двигателя с выходным крутящим моментом, перпендикулярным оси движения поршня. 
Создание высокооборотного (50000 оборотов в минуту и выше) поршневого двигателя внутреннего сгорания сталкивается с трудностями: несбалансированность элементов кривошипно-шатунного механизма, высокий износ механических частей, неполное сгорание топлива из-за краткости времени цикла.
Решением проблем может быть двигатель, использующий детонационное горение топлива [2], при котором скорость распространения фронта пламени на порядок выше, чем при дефлаграционном горении [3]. Но и срок службы кривошипно-шатунного механизма и поршня существенно снижается из-за ударных нагрузок на шейку коленчатого вала и срыв масляной пленки со стенки цилиндра, по которой скользит поршень [1].
Избавиться от недостатков кривошипно-шатунного механизма можно, используя свободнопоршневую схему. При этом возможно будет использовать высокую (до 100) геометрическую степень сжатия, работать на керамических подшипниках без смазки.
Однако, в свободнопоршневых двигателях, при очевидных достоинствах организации процессов горения и многотопливности [2], разработчики сталкиваются с трудностями при снятии мощности и управлении. 
В качестве средства преодоления таких трудностей, автором предложен бесконтактный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное, с низкими потерями на трение при ударных нагрузках на поршень и отсутствием боковой нагрузки поршня на стенку цилиндра.
Последнее условие соблюдается, т.к. вектор крутящего момента, снимаемого с преобразователя, параллелен линии возвратно-поступательного движения. 
Для простоты изложения, назовем вращающуюся часть преобразователя ротором, двигающуюся возвратно-поступательно – штоком, неподвижную – корпусом.
Предложенный преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное содержит:
- вращающийся ротор, не имеющий возможности перемещаться вдоль оси вращения, с закрепленным на роторе магнитом,
- шток, движущийся возвратно-поступательно вдоль оси вращения ротора, без возможности вращения вокруг своей оси, с закрепленным на штоке магнитом,
- корпус и подшипники,
- одноименные полюса или единственный полюс магнита ротора или магнита штока, обращенные к штоку или ротору соответственно, расположены вдоль замкнутой линии, имеющей в направлении оси вращения ротора, по крайней мере, один максимум и один минимум,
- противолежащий указанным полюсам магнита ротора или магнита штока, полюс магнита штока или магнита ротора соответственно, размером вдоль оси ротора не превышает расстояния от минимума до максимума указанной замкнутой линии вдоль оси ротора и имеет противоположную полярность.
Указанная замкнутая линия может представлять собой непрерывную кривую, ломаную или их комбинацию. Линия является воображаемой и отражает зону действия полюсов магнита.
Полюс магнита, противолежащего полюсу или полюсам, расположенным вдоль указанной замкнутой линии, должен быть, по крайней мере, не больше размером, чем расстояние между минимумом и максимумом этой кривой в проекции на ось ротора. В противном случае при возвратно-поступательном движении штока практически не будет создаваться вращающего момента на роторе. Оптимально, чтобы размер полюсов магнитов штока и магнитов ротора вдоль оси ротора был одинаковым.
Использование комбинации магнит-электромагнит позволяет усиливать или отключать при необходимости связь шток-ротор путем включения подмагничивающего или размагничивающего поля. Эта функция может использоваться как электромагнитное «сцепление» для двигателя, использующего данный преобразователь.
Отключая и включая электромагнитное «сцепление» можно также синхронизировать несколько преобразователей на одном выходном валу. Необходимость динамической синхронизации (при помощи автоматизированной системы управления) вызвана тем, что один из преобразователей может выйти из режима передачи мощности, и произойдет рассинхронизация. Возможно также синхронизировать движение штоков механически.
Преобразователь может быть изготовлен в различных модификациях, укажем особенности некоторых из них.
Модификация №1. Преобразователь, у которого полюс магнита штока или магнита ротора имеет круглую форму, указанная линия имеет волнообразную форму, а ширина магнита ротора или штока в направлении оси ротора соответственно, равна диаметру круглого полюса.
Модификация №2. Преобразователь, в т.ч. Модификация №1, у которого: 
- указанная замкнутая линия имеет форму синусоиды, спроецированной на цилиндр, 
- полярность полюсов магнитов штока чередуется в направлении оси штока,
- полярность полюсов магнитов ротора, чередуются в направлении оси штока, в угловом направлении полярность не меняется,
- количество максимумов указанной синусоиды равно количеству рядов магнитных полюсов на роторе в угловом направлении, а количество полюсов штока равно количеству рядов магнитных полюсов ротора в осевом направлении.
Синусоида, спроецированная на цилиндр в цилиндрических координатах имеет вид:

где A – амплитуда синусоиды, соответствующая половине хода штока, k – целое число, количество максимумов или минимумов.
Угловое направление и осевое направление вдоль оси штока понимается как угол и координата z в цилиндрических координатах, где ось Z направлена вдоль оси штока и ротора.
Если количество максимумов указанной замкнутой линии полюсов магнита штока равно количеству минимумов этой же линии (что верно, например, для указанной синусоиды, спроецированной на цилиндр), можно использовать такое же количество магнитов ротора (вместо одного), расположенных симметрично относительно оси ротора в угловом направлении в одной плоскости. Это увеличивает плотность магнитной системы преобразователя и увеличивает его эффективность.
Для увеличения передаваемого усилия количество магнитов штока может быть увеличено в осевом направлении. Наиболее эффективно увеличивать количество парами с чередующейся полярностью полюсов, т.к. при этом можно замкнуть магнитные потоки через магнитопроводную часть штока, а магнитное притяжение полюсов магнитов ротора и штока будет дополнено магнитным отталкиванием от соседних полюсов.
В Модификации №2 магниты ротора также чередуются полярностью, поэтому магнитный поток от них может быть замкнут через магнитопроводную часть ротора.

На Фиг. 1 представлен один из самых простых вариантов предложенного преобразователя.
Для пуска преобразователя в режиме преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, необходимо придать ротору 4 начальное вращение в необходимом направлении.
Во время хода штока 3 в одном направлении ротор 4 под действием магнитной силы взаимодействия магнита штока 2 и магнита ротора 1 вращается. Удерживающие подшипники и корпус на Фиг.1 не показаны.

Фиг.1 Преобразователь с магнитом ротора 1, полюса которого 7 расположены вдоль линии 5, имеющей один минимум и один максимум в направлении оси штока 3. Показаны линии 5 по верхнему и нижнему краю магнитных полюсов 7.

При прохождении минимума и максимума указанной линии полюсов 5 вращающего момента не создается (мертвые точки), для их прохождения необходимо, чтобы ротор 4 вращался в нужную сторону. Это достигается при запуске преобразователя начальным вращающим моментом ротора 4 в нужном направлении, далее мертвые точки проходятся за счет инерции вращения ротора 4.
Минимум и/или максимум линии полюсов 5 может быть определенной продолжительности, типа “плато”. Это может дать возможность увеличить время нахождения штока вблизи мертвой точки, например, для улучшения процессов газообмена в двигателе, использующем предлагаемый преобразователь.
Вращающий момент только одного направления на роторе 4, заданный начальным импульсом вращения при запуске создается за счет притяжения разноименных полюсов магнита штока 6 и полюса магнита ротора 7. Магнит ротора 1 изображен наборным из множества магнитов. Прохождение минимума и максимума линии полюсов 5 совпадает с крайним положением штока 3 при возвратно-поступательном движении. Таким образом, амплитуда движения штока 3 определяет, какое необходимо расстояние между минимумом и максимумом линии полюсов 5 по оси штока 3.
После прохождения минимума или максимума наклон линии полюсов 5 меняется, при этом меняется и направление движения штока 3. Таким образом, направление вращающего момента преобразователя не меняется.
Передача мощности от движущегося поступательно штока 3 к вращающемуся ротору 4 происходит, когда полюса магнитов штока 6 и ротора 7 находятся в устойчивой окрестности друг друга, когда притяжение полюсов магнитов ротора 7 и штока 6 не разрывается. Магнитный поток в зазоре при этом практически не меняется.
Максимальная сила удержания магнитов ротора 1 и магнитов штока 2 должна быть больше внешней силы, тормозящей ротор 4 (нагрузки), иначе будет происходить проворачивание магнитов ротора 7 относительно магнитов штока 6 в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора 4, т.е. будет происходить срыв режима передачи мощности.
Во время срыва режима передачи мощности передача мощности от штока 3 к ротору 4 равна передаче мощности от ротора 4 к штоку 3, поэтому итоговой трансформации энергии не происходит. При этом магнитный поток в зазоре испытывает сильные колебания, что может повлечь появление наведенных токов. Однако, если использовать материалы с высоким омическим сопротивлением, шихтованные и т.д., то потери энергии будут невелики. Кроме того, режим срыва передачи мощности является аварийным, т.е. не должен использоваться постоянно.
Изображенный на Фиг.1 преобразователь наглядно демонстрирует принцип работы предлагаемого преобразователя, но в таком варианте имеет низкую эффективность. На Фиг. 2 показан шток 3 преобразователя с магнитом штока 2, линия полюсов 5 которого имеет два минимума и два максимума. Такая конструкция позволяет уменьшить количество оборотов ротора 4 при той же частоте колебаний штока 3, а также увеличить объем магнитов ротора (на Фиг. 2 не показаны, их два, а не один, как на Фиг.1).

Наклон и количество максимумов (минимумов) линии полюсов 5 определяет кинематическую характеристику преобразователя – соотношение скоростей штока и ротора в режиме передачи мощности.
Высокая эффективность работы магнитной системы достигается при минимальных воздушных зазорах. Все потоки должны быть по возможности замкнуты магнитопроводами. Это можно реализовать в данном преобразователе, используя несколько рядов магнитов штока 2 и магнитов ротора 1 с чередующейся полярностью, как показано на Фиг.3.

Фиг.3 Шток 3 с магнитами 2 чередующейся полярности и магниты ротора 1

Кроме того, что повышается магнитный поток в рабочих зазорах, эффективность преобразователя возрастает за счет отталкивания одноименных полюсов магнитов штока 6 и ротора 7. На Фиг.3 рабочие полюса магнитов ротора 7, не видны, т.к. обращены к штоку 3.
Полюс или полюса магнита штока 6 располагаются вдоль волнистой линии 5. Эта волнистая линия 5 может определяться уравнением синусоиды, спроецированной на цилиндрическую поверхность.
Магниты ротора 1 имеют цилиндрическую форму, неоптимальную при расположении в радиальном направлении в смысле максимизации объема магнита при определенном радиусе ротора 4.
На Фиг. 4 показан шток 3 с магнитами 2 и магниты ротора 1 преобразователя. Такое исполнение имеет более близкие к оптимальным по форме магнитам магниты ротора 1, уширенные к наружной части ротора 4.

Фиг.4 Шток 3 с магнитами 2 чередующейся полярности и магниты ротора 1 повышенной мощности

На Фиг. 5 показан преобразователь с четырьмя слоями магнитов штока 2, шестью группами по четыре магнита ротора 1, установленных в корпусе 9 посредством подшипников 8. Часть корпуса 9, к которой крепятся роликовые подшипники-направляющие штока 8, не показана.
Предложенный преобразователь может также работать в режиме преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное, благодаря взаимодействию магнитных полюсов ротора 7 и штока 6. Это его свойство может использоваться при его запуске в режиме преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Фиг.5 Преобразователь с подшипниками 8 в разрезе. Для наглядности не показана часть корпуса 9, к которой крепятся роликовые подшипники-направляющие 8.

Двигатель на базе предложенного преобразователя представлен на Фиг. 6. На штоке преобразователя 3 оппозитно установлены поршни 16 (компрессионные кольца на Фиг. 6 не показаны), двигающиеся в цилиндрах с внешним оребрением 12.

Фиг.6 Двигатель с преобразователем в разрезе. Вспомогательные системы двигателя, такие как стартер, продувочный насос, не показаны.

Двигатель работает по двухтактной дизельной схеме с петлевой продувкой от компрессора (на фиг. 6 компрессор не показан). Воздух от компрессора через продувочный ресивер (ресивер на Фиг. 6 не показан) и через продувочное окно 14 попадает в цилиндр 12, сжимается поршнем 16, и при достижении поршнем мертвой точки, через форсунки 13 в цилиндр подается топливо. Момент времени подачи топлива регулируется автоматизированной системой управления впрыском, учитывающей данные с датчика положения поршня (на Фиг. 6 не показаны). После взрыва и такта расширения продукты сгорания удаляются через выпускное окно 15 и далее в выхлопной патрубок 10.
Крутящий момент передается на выходной вал 11 посредством зубчатой ременной передачи. Может быть использован также любой подходящий способ передачи – шестеренчатая, цепная, непосредственная и т.д. Передача может быть для удобства сопряжена с вариатором для регулирования скорости вращения выходного вала.
Пуск двигателя осуществляется электростартером, подключаемым на время пуска к валу 11 (на фиг. 6 не показан). В режиме пуска преобразователь используется как преобразователь вращательного движения в возвратно-поступательное. Ротор 4 раскручивается, поршни 16 сжимают воздух в цилиндрах 12, в которые при достижении мертвой точки подается топливо.
Регулировка мощности производится регулировкой количества топлива, подаваемого в цилиндр 12. Это может определяться как продолжительностью впрыска, так и количеством задействованных форсунок 13.
Двигатель может быть выполнен бессмазочным, на керамических подшипниках и с воздушным охлаждением. Это возможно благодаря тому, что момент параллелен оси цилиндра 12, и поршень 16 не создает боковой нагрузки на стенку цилиндра 12, а также возможности использовать высокие степени сжатия, обеспечивающие высокий КПД.
Наилучшим вариантом выполнения преобразователя возвратно-поступательного движения во вращательное, является Модификация №2, т.к. объем магнитной системы при тех же габаритах преобразователя выше. Внутренняя его часть представлена на Фиг. 4.
Для определения массогабаритных характеристик преобразователя по Модификации №2 в двухтактном двигателе внутреннего сгорания использовалось численное моделирование в программе FEMM [4].
Численному исследованию подвергалась величина передаваемого крутящего момента при диаметре штока 3 (150 мм), внешнем диаметре ротора 4 (300 мм). Модель является эквивалентом преобразователя с двумя слоями магнитов штока 2 с шестью минимумами и максимумами линии 5 и чередующейся полярностью. Поэтому в модели двенадцать магнитов штока 2 и ротора 1. Это связано с тем, что замыкание магнитных потоков происходит в пространстве, а обрабатываемые программой FEMM модели – двумерные. Толщина магнитов ротора 1 и штока 2 – 20 мм, материал магнитов – Nd₂Fe₁₄B с остаточной намагниченностью 979000 А/м, штока 3 и ротора 4 – электротехническая сталь с относительной магнитной проницаемостью 4416, наборная из листов толщиной 0.635 мм с коэффициентом заполнения 0.98.
На Фиг. 7 представлена модель для расчета, как она задается в программе FEMM. Методика расчетов и описание программы представлены в [4].
Синими линиями обозначены границы материалов, зелеными стрелками – направление магнитного поля.
Магнит штока 2 заменен на стержни, хотя имеет в реальности волнистую форму. Такая замена допустима при переходе к двумерной модели, т.к. фактически в магнитном взаимодействии принимает участие область магнита штока 2, ограниченная полюсом магнита ротора 1.

Зеленым цветом на Фиг.8 выделена область (шток 3 с магнитами 2), по которой производилось численное интегрирование. Момент вычислялся как средневзвешенный по тензору Максвелла.
Вес магнитов системы около 10 кг. При использовании магнитов Nb₂Fe₁₄B содержание ниобия около 26,6% масс., поэтому для преобразователя требуется порядка 2.7 кг чистого ниобия. При текущих рыночных ценах на ниобий это достаточно дорогостоящий компонент (около 1300 долл. США). Однако, этот ресурс не расходуется и может быть использован при утилизации двигателя по окончании срока эксплуатации.
Передаваемый крутящий момент, рассчитанный программой для данной модели составляет 127 Н•м. Таким образом, для преобразователя с 4 слоями магнитов штока, передаваемый крутящий момент составит около 250 Н•м, что вполне достаточно для двигателя среднего легкового автомобиля.

Численное исследование, в частности, показывает, что крутящий момент слабо зависит от зазора шток-ротор – в модели использовался зазор 2 мм. При этом крутящий момент при зазоре 0.5 мм отличается незначительно. Это позволяет существенно упростить технологию изготовления, т.к. высокая точность установки штока на направляющих не требуется.
Диаметр поршня двигателя, установленный на шток, может быть 100-140 мм. При детонационном режиме работы максимальное давление составляет порядка 15 МПа. Сила давления на поршень диаметром 100 мм составит порядка 1.2х10⁵ Н. 
Для магнитной передачи сила вращения зависит от угла наклона линии полюсов:

где α – угол наклона линии полюсов магнитов, к плоскости, перпендикулярной оси штока. Для рассматриваемого преобразователя угол составит приблизительно 45 градусов.
Таким образом, максимальный крутящий момент, который мог быть передан, составил бы около 3000 Н•м (в мертвой точке). Это на порядок выше, чем может передать рассматриваемый преобразователь (250 Н-м), и при внешнем моменте сопротивления, большем 250 Н•м магниты выйдут из зацепления и режима передачи мощности не будет. Однако, если внешний момент не превышает 250 Н•м, работа устройства будет устойчивой. При этом ограничение момента защитит двигатель от механических перегрузок, связанных с детонационным горением топлива. В то же время передаваемого момента вполне достаточно для функционирования двигателя, например, транспортного средства.

1. Возницкий И.В. Михеев Е.Г. Судовые дизели и их эксплуатация. – М: Транспорт, 1990. с. 242-247, 339-342.
2. Van Blarigan P.,Goldsborough S. Homogeneous charge compression ignition free piston linear alternator // Sandia National Laboratories report SAND99-8206, November 1998, с.10-37
3. Я.Б. Зельдович и др. Математическая теория горения и взрыва. – М.: Наука, 1980, с. 439-447
4. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM. – М.: Издательский центр “Академия”, 2005, с. 191-226

Все статьи автора «Сухаревский Владимир Владимирович»