Изучаването на странни двигатели, останало встрани от прогреса
Авторите на необичайни двигатели, като правило, обещават революция. Въпреки това, дори когато големите компании имат възможност да започнат от нулата, по някаква причина те поставят на конвейера класически бутални двигатели с вътрешно горене. Един скорошен пример е семейството двигатели Ingenium на JLR.
Двигателите Wankel, Stirling, всички видове газови турбини не са станали масови в автомобилната индустрия. Редица известни компании (от Mazda до GM, от Mercedes до Volvo) работят върху тях от десетилетия, малки фирми и отделни изобретатели продължават да съществуват. Уви, в крайна сметка се оказа, че има много повече капани в един или друг дизайн, отколкото изглеждаше в началото. Но това не означава, че разработването на алтернативни единици е невъзможно. Ентусиастите бърникат с идея след идея и като задвижващ инженер ми е интересно да споделя някои екзотични вериги с вас.
Някои създатели на обещаващи двигатели решиха, че комбинацията от цилиндър, бутало, свързващ прът и колянов вал се е доказала повече от век и за да подобрите параметрите на двигателя с вътрешно горене, не е необходимо да го преоткривате - просто коригирайте някои аспекти. Следователно, първият в нашия преглед е моторът на американската компания Scuderi Group, който има класически такт на всмукване, компресия, такт и изпускателен ход, но те не се срещат в един и същ цилиндър, а в различни. Така нареченият студен цилиндър е отговорен за всмукването и компресията, а вторият, горещ, за силовия ход и изпускането.
Най-простият двигател Scuderi има два цилиндъра: буталото в студен цилиндър е с 30 градуса зад колегата си в горещ.
Докато газовете се разширяват в работния цилиндър, в студения компресорен цилиндър има всмукателен такт. В работно - освобождаване, в студено - компресия. INВ края на такта на компресия буталата се приближават до горната си мъртва точка, сместа се прехвърля през байпасния канал от студения цилиндър към горещия и се запалва. Такъв разделен цикъл (по принцип същият цикъл на Ото, макар и модифициран) беше изобретен от американците през 2006 г., а през 2009 г. те построиха експериментален Scuderi Split Cycle Engine. Компресорът и работните цилиндри могат да имат различни диаметри и ходове на буталата, което позволява гъвкаво регулиране на параметрите - получава се аналог на цикъла на Милър с допълнително разширяване на газовете.
Експерименталният литров двигател Scuderi на стенда работи гладко и сравнително тихо – дори без ауспух!
Според изчисленията, двигателят Scuderi е с 25% по-икономичен от конвенционалния, а с турбокомпресор и топлообменник, който пренася енергията на отработените газове във въздуха в байпасния канал, дори повече. При четирицилиндровата версия един компресорен цилиндър може да задвижи сместа в три работни.
Ако добавите разклонение с клапани и цилиндър за високо налягане към канала между цилиндрите, можете да накарате такъв мотор да събира енергия по време на спиране и да я използва по време на ускорение (този режим е показан в последната минута на първото видео). От няколко години обаче дейността на Scuderi Group е ограничена до прототипи и участие в изложби. Изглежда, че реалната ефективност тук все още не може да прекъсне високата сложност на дизайна.
Двутактовият агрегат Paut Motor използва принцип, подобен на този, използван в двигателите на Scuderi Group - компресията и ходът се извършват в различни цилиндри, между които са разположени байпасни канали.
Разработчиците на хърватската компания Paut Motor също се обърнаха към разделения работен цикъл. Техният "раздалечен" дизайн привлече по-малко части, ниско триене инамален шум. И необходимостта от външен резервоар за системата за смазване, поради факта, че в картера няма масло, не уплаши. Изобретателите построиха няколко прототипа. За работен обем от седем литра техните размери (500 × 440 × 440 мм) и тегло (135 кг) се оказаха почти наполовина по-малко от традиционните двигатели с вътрешно горене. И връщането не е установено. Последният прототип е сглобен през 2011 г., след което проектът е в застой.
Устройството Paut Motor има четири работни камери с бутала с диаметър 100 mm и четири компресионни камери (120 mm). Двустранните бутала предават сили на коляновия вал, който благодарение на двойка зъбни колела с вътрешно зацепване извършва планетарно движение.
Двутактовият двигател Bonner (на името на спонсора Bonner Motor), изобретен през 2006 г. в САЩ от Уолтър Шмид, е още по-сложен. Както и в проекта Paut Motor, тук цилиндрите са разположени в буквата X, а коляновият вал също прави планетарно движение благодарение на зъбната предавка.
Основната разлика от схемата на Paut Motor е, че ролята на работещите бутала се играят от подвижни цилиндри, свързани с коляновия вал (показани в червено). А отвън се затварят с неподвижни бутала (маркирани в сиво).
Вентилите в дъното на цилиндрите и въртящите се макари в корпуса на двигателя са отговорни за разпределението на газ в Bonner. В този случай външните бутала могат да се движат леко под налягане на маслото, осигурявайки променливо съотношение на компресия. Объркваща схема! И всичко това в името на висока мощност на единица тегло. На теория Бонър изглежда интересен, но на практика отдавна няма новини за него - очевидно той не е оправдал надеждите си.
Известен г-н Смолбоун получава американски патент за аксиален двигател през 1906 г. Но ако такава единица беше идеална, след 110 години всички коли щяха да я използват.
Други изобретатели не променят работните цикли на двигателя с вътрешно горене, но се фокусират върху местоположението на неговите части. Такива са например аксиалните двигатели, които са на повече от сто години (един от най-ранните патенти е на фигурата по-горе). Всички те се различават по детайли, но са обединени от общ принцип - цилиндрите са разположени като патрони в револверен барабан, с коаксиален изходен вал. Различни системи, като щифтове, наклонени спрямо надлъжната ос на двигателя, наклонени шайби и други подобни, са отговорни за преобразуването на възвратно-постъпателните движения на буталата във въртене на вала.
Някои компресори днес работят на този принцип. Чрез добавяне на внимателно разпределение на газ и запалване можете да превърнете такъв блок в двигател.
. като американската Dina-Cam от 60-те години с половинвековни корени. Поради доброто съотношение на тегло и мощност, аксиалните агрегати бяха предвидени като двигатели за леки самолети.
Прототип на двигател Duke е създаден през 2012 г. Тогава той блесна на изложби, събра награди, но от няколко години няма новини за него.
Още по-сложен аксиален пример е двигателят RadMax на канадската компания Reg Technologies. Тук вместо цилиндри в общ барабан са организирани дузина отделения с помощта на тънки остриета. В прорезите на ротора са монтирани плочи, които се движат по тях, докато се въртят. От краищата, получените променливи обеми ограничават извитите повърхности: те задават траекторията на лопатките и управляват обмена на газ.
Основните части на двигателя RadMax. За един оборот на вала тук се извършват 24 пълни работни цикъла.
Схемата RadMax ви позволява да създавате двигатели за различни видове гориво, въпреки че изобретателите първоначално са избрали дизел. През 2003 г. е построен образец с диаметър и дължина само 152 мм. Той разви 42 сили - многократно повече отподобен по размер на двигател с вътрешно горене. По-късно компанията съобщи за създаването на по-големи прототипи за 127 и 380 сили. Но, съдейки по изданията, всички нейни дейности все още не надхвърлят експериментите.
Друг пример за превъзходството на теорията над практиката е тороидалният двигател Round Engine (или VGT Engine) на вече изчезналата канадска компания VGT Technologies. Първите прототипи на двигател с тор с променлива геометрия (оттук и буквите VGT - тороидален двигател с променлива геометрия) бяха тествани от инженери през 2005 г.
Авторите на кръговия двигател се отърваха от възвратно-постъпателните движения. Оттук и радикалното намаляване на вибрациите. Плюс може да се нарече минимален брой части и добра прогнозна ефективност.
Торът тук играе ролята на цилиндър, вътре в който се върти ротор с чифт бутала, прикрепени към него. Променливите обеми, необходими за осигуряване на работните ходове, се формират между буталата с помощта на тънък разпределителен диск с изрез за буталата, който се върти през торуса чрез ремък или друго задвижване. Този диск ограничава сместа въздух/гориво по време на компресия и силов ход.
Системата Garric Engines е подобна на VGT, но се използват шест въртящи се макари вместо напречен разпределителен вал.
Основният принцип на нутационния диск: по време на работа той не се върти около вала, а се люлее от една страна на друга. Добавяйки прегради, получаваме отделения, в които газът може да се компресира и разширява.
Нутацията е латински за „кимане“. Майер формира четири работни камери с променлив обем между корпуса на двигателя и диск, който „кима“ около страните, който играе ролята на бутало. Дискът се разполовява по диаметъра си и се нанизва на Z-образен вал, от който се отвежда захранването. Каналите и клапаните са отговорни за обмена на газ.случай.
Работният диск е показан в раздела. Дори двигателят Wankel ще завиди на минимализма, баланса и лекотата на дизайна на нутация.
Моторните прототипи на Meyer са построени от Baker Engineering и дъщерната компания Kinetic BEI. С единичен диск с диаметър 102 mm уредът развива седем сили, а с чифт дискове от 203 mm всеки - вече 120! Дължината на двудисковия двигател е 500 мм, диаметърът е 300, а работният обем е 3,8 литра. На килограм тегло - 2,5-3 "коня" срещу един или два за масивни атмосферни ICE (от немасови, някои двигатели на Ferrari произвеждат повече от три сили на килограм, но при високи 9000 оборота в минута). Литровата мощност обаче не е впечатляваща. Сега Baker и Kinetic изглежда довеждат проектите до съвършенство, въпреки че няма много активност на техните сайтове.
За един оборот на вала в двудисков бутален блок се получават същите четири работни хода, както при осемцилиндрово четиритактово бутало. Снимката показва работещи прототипи с един и два диска. (Между другото, от два диска по принцип е възможно да се създаде машина с разделен цикъл, давайки на единия компресията на сместа, на другия работния ход.)
През 2010 г. нутационният двигател привлече вниманието на изследователския център на ВВС на САЩ. Хари Смит, ръководител на лабораторията, демонстрира вътрешността на двигателя и обяснява, че дизайнът е от особена стойност за леките самолети.
Идеята за ротационни единици от различни видове толкова често привлича новатори, сякаш промяната от позната схема сама по себе си дава значително увеличение на производителността. И така, Николай Школник, роден в СССР, който се премести в САЩ преди много време, със сина си Александър разработи двигател, наподобяващ двигател на Ванкел, обърнат отвътре навън. Роторът с форма на фъстък също се върти в триъгълна камера, но за разлика от модула на Wankel, уплътнениятафиксирани не върху буталото, а върху стените на камерата.
Роторът LiquidPiston има кухина, която играе роля в обмена на газ. Процесът на горене протича при постоянен обем, след което се получава разширение - това е един от факторите, които повишават ефективността.
Първата проба на двигателя на Школников може да бъде поставена на дланта ви. Тежи 1,8 кг и може да замени десет пъти по-тежък бутален ICE карт (показан вляво). Мощността е само 3 к.с., но класически двигател с такъв размер би бил още по-слаб.
Последният мотор, който прегледахме, демонстрира, че идеята за плосък модул (в края на краищата роторът може да бъде направен много тесен) е примамлива. В същото време, за неговото изпълнение, самите ротори не са толкова необходими - достатъчно е да „квадратирате“ традиционното бутало и съответно да направите цилиндъра правоъгълен в изглед отгоре.
Идеята на Pivotal Engineering от Нова Зеландия е двигател с люлеещи се правоъгълни (по отношение на) бутала. Единият им ръб е фиксиран върху неподвижна ос, другият е свързан към свързващия прът. Вдясно е 2,1-литров четирицилиндров мостра.
Извън нашия преглед все още има много екзотични разработки като 12-роторния двигател на Wankel, двигателя на Knight или агрегати с противоположни бутала, двигатели с вътрешно горене с променливо съотношение на компресия или пет такта (има и такива!), А също и лопаткови агрегати, в които съставните части на ротора се движат като сближаващи се и разминаващи се ножици.
Друг пример за ексцентричност е Н-образният двигател, който комбинира две редови петици. Авторът на патента Луис Хърнс смята, че едната половина на блока може да бъде адаптирана за бензин, а другата за метан и да се активира както поотделно, така и заедно.
Дори едно бегло отклонение отвъд класическия ICE показа колко много идеине намира масово прилагане. Роторите често се развалят от проблема с износването на уплътнението. В допълнение, вариантите с въртящи се лопатки страдат от големи променливи натоварвания, които разрушават механизма за свързване на лопатките и вала. Това е само една от причините да не виждаме подобни "чудеса" на серийните коли.
Второто е, че традиционните двигатели с вътрешно горене не стоят неподвижни. Най-новите бензинови модели с цикъл на Милър имат топлинна ефективност до 40% дори без турбокомпресор. Много е. Повечето бензинови агрегати имат 20-30%. За дизелови двигатели - 30-40% (на големи кораби - до 50). И най-важното е, че вече е намерена глобална алтернатива на двигателите с вътрешно горене. Това са електрически двигатели и електроцентрали с горивни клетки. Следователно, ако изобретателите на любопитни предмети не решат всички технически проблеми в много близко бъдеще, те просто няма да имат време да се измъкнат от пътя на прогреса пред влаковете.