Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса

Двигатель Ванкеля, двигатель Стирлинга и различные типы турбомоторных агрегатов никогда не были на пике популярности. Ряд известных компаний (от Mazda и GM до Mercedes и Volvo) работали над ними десятилетиями, небольшие фирмы и отдельные изобретатели также проявили настойчивость. Увы, в том или ином дизайне гораздо больше подводных камней, чем казалось изначально. Но это не значит, что разработка альтернативных энергоустановок невозможна. Энтузиасты прорабатывают всевозможные идеи, и мы хотели бы поделиться с вами несколькими экзотическими схемами.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация цилиндра, поршня, шатуна и коленчатого вала уже за столетие отлично зарекомендовала себя и нет необходимости изобретать велосипед, чтобы улучшить параметры двигателя внутреннего сгорания — достаточно просто подкорректировать некоторые аспекты. Поэтому первым в нашем списке стоит двигатель американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, мощности и выпуска, но они происходят не в одном цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий, — за силовой ход и выпуск.

В то время как в рабочем цилиндре происходит расширение газа, в холодном, компрессорном, происходит такт впуска. Выхлоп осуществляется в рабочем, а сжатие в холодном. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мертвым центрам, смесь перемещается по перепускному каналу из холодного цилиндра в горячий и воспламеняется. Такой сплит-цикл (по сути, цикл Отто, хотя и модифицированный) был изобретен американцами в 2006 году, а в 2009 году они создали пилотный двигатель Scuderi Split Cycle. Компрессор и рабочие цилиндры могут иметь разные диаметры и ход поршней, что позволяет гибко регулировать параметры — это аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газа.

Если добавить ответвление с клапанами и баллон высокого давления в канал между цилиндрами, можно заставить такой двигатель собирать энергию во время торможения и использовать ее во время ускорения. Однако вот уже много лет деятельность Scuderi Group ограничивалась только прототипами и участием в выставках. Похоже, что реальная эффективность здесь все еще не может превзойти высокую сложность дизайна. 

Разработчики хорватской компании Paut Motor также обратились к разделенному рабочему циклу. Их “разнесенная” конструкция привлекла внимание меньшим количеством деталей, низким трением и сниженным шумом. И необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере нет масла, нисколько не испугала. Изобретатели создали несколько прототипов. При объеме в семь литров их размеры (500×440×440 мм) и вес (135 кг) почти вдвое меньше, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания. Но результат так и не был определен. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект застопорился.

Конструкция двухтактного двигателя Боннера (названного в честь спонсора, Bonner Motor), изобретенного в 2006 году в Соединенных Штатах Уолтером Шмидом, еще сложнее. Как и в проекте Paut Motor, здесь цилиндры расположены в форме буквы X, а коленчатый вал также совершает планетарное движение благодаря системе передач.

Клапаны в днищах цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе двигателя отвечают за распределение газа в Боннере. В то же время внешние поршни могут слегка смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. До чего же мудреная схема! И все это ради высокой мощности на единицу веса. В теории Боннер выглядит интересно, но на практике о нем давно ничего не слышно — видимо, он не оправдал ожиданий.

Другие изобретатели не стали менять рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания, а сосредоточились на расположении его частей, например, осевых двигателей, которым более ста лет. Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры расположены подобно патронам в револьверном цилиндре, с соосным выходным валом. Различные системы, такие как штифты, расположенные под уклоном к продольной оси двигателя, конические шайбы и тому подобное, отвечают за преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала.

Новозеландский проект компании Duke Engines, пятицилиндровый четырехтактный двигатель объемом три литра, представляет собой разнообразные осевые агрегаты. По сравнению с классическим двигателем внутреннего сгорания той же мощности, этот был, по расчетам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Его должны были использовать в самых разных областях, но мечты о завоевании всего мира так и остались мечтами.

Двигатель RadMax канадской компании Reg Technologies представляет собой еще более сложный аксиальный пример. Здесь вместо цилиндров десяток отсеков упорядочены в один общий барабан с помощью тонких лопастей. В пазах ротора установлены пластины, которые перемещаются вдоль них при его вращении. Полученные переменные объемы ограничивают криволинейные поверхности на концах: они задают траекторию лопастей и контролируют газообмен.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели для разных видов топлива, хотя изначально выбор изобретателей пал на дизельное топливо. В 2003 году был построен прототип диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал мощность в 42 лошадиные силы — во много раз больше, чем двигатель внутреннего сгорания аналогичного размера. Позже компания сообщила о создании более крупных прототипов мощностью 127 и 380 лошадиных сил соответственно. Но, если судить по релизам, вся его деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Тороидальный круглый двигатель (или двигатель VGT) более несуществующей канадской компании VGT Technologies является еще одним примером превосходства теории над практикой. Первые прототипы двигателя с тороидом переменной геометрии (отсюда и аббревиатура VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) были испытаны инженерами еще в 2005 году.

Тороид в данном случае выполняет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с прикрепленной к нему парой поршней. Переменные объемы, необходимые для обеспечения силовых ходов, формируются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом для поршней, который вращается поперек тороида с помощью ременной передачи или другого устройства. Этот диск ограничивает топливовоздушную смесь во время сжатия и силового хода.

В 2009 году американские предприниматели Гэри Келли и Рик Айвас разработали свой тороидальный двигатель, по сути воссоздающий канадский. По их оценкам, тороид полуметрового диаметра выдавал бы мощность 230 л. с. и около 1000 Нм при 1050 оборотах в минуту. К сожалению… сейчас на сайте компании Garric Engines есть заглушка: “Спасибо за проявленный интерес. Страница может быть обновлена в будущем.” Возможно, чуть лучшая судьба ждет так называемый нутационный двигатель, изобретенный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — по крайней мере, он был изготовлен в нескольких экземплярах.

Название двигателя восходит к латинскому nutatio. Мейер смоделировал четыре рабочие камеры переменного объема между корпусом двигателя и вращающимся в стороны диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам по диаметру и нанизан на Z-образный вал, который производит мощность. Каналы и клапаны в организме отвечают за газообмен.

Прототипы двигателя Мейера были созданы компанией Baker Engineering и ее дочерней компанией Kinetic BEI. Агрегат развивает мощность в семь л. с. с одним диском диаметром 102 мм и 120 л. с. с парой дисков диаметром 203 мм! Длина двухдискового двигателя составляет 500 мм, диаметр равен 300 мм, а объем — 3,8 литра. 2,5-3 лошадиных силы на килограмм веса против одной или двух для серийных атмосферных двигателей внутреннего сгорания (среди немассовых двигателей некоторые двигатели Ferrari производят более трех лошадиных сил на килограмм, но при высоких 9000 оборотах в минуту). Однако емкость в литр вовсе не впечатляет. Теперь Бейкер и Кинетик, похоже, приводят проекты в форму, хотя на их сайтах нет активности.

Идея роторных агрегатов различных типов так часто привлекает новаторов, как будто отход от привычной схемы дает значительное повышение производительности. Так, Николай Школьник, уроженец СССР, давно эмигрировавший в США, вместе со своим сыном Александром разработал двигатель, напоминающий вывернутый наизнанку двигатель Ванкеля. Ротор в форме арахиса вращается в треугольной камере таким же образом, но, в отличие от блока Ванкеля, уплотнения крепятся не к поршню, а к стенкам камеры.

Для разработки конструкции Школьники основали компанию LiquidPiston, которая привлекла  внимание американского агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам DARPA — теперь оно занимается софинансированием экспериментов с целью эксплуатации “арахисовых” агрегатов в легких самолетах, включая беспилотники, а также в портативных генераторах. Прототип двигателя емкостью 23 см³ имеет хороший КПД 20% для таких размеров. Теперь авторы нацелены на прототип дизеля весом около 13 кг и мощностью 40 л. с. для его установки на гибридный автомобиль. Его эффективность, как утверждают, возрастет до 45%.

Последний двигатель в нашем списке, который мы рассмотрим, демонстрирует, что идея плоского блока (ротор же можно сделать и очень узким) заманчива. При этом сами роторы не так уж необходимы для его реализации — достаточно скруглить традиционный поршень и, соответственно, сделать цилиндр прямоугольным при виде сверху.

Эта странная разработка компании Pivotal Engineering существует уже много лет, в течение которых был создан ряд прототипов, что приводили в движение мотоциклы и самолеты. Авторы обращаются к так называемому качающемуся поршню в первую очередь в авиации. В дополнение к высоким выходным характеристикам по отношению к массе и габаритам такой двухтактный агрегат прекрасно способен форсировать за счет прохождения канала жидкостного охлаждения через неподвижную ось поршня. Такой трюк сложно провернуть с другой схемой.

За пределами нашего обзора есть много экзотических разработок, таких как 12-роторный двигатель Ванкеля, двигатель Найта или агрегаты с противоположными поршнями, двигатели внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия или пятью тактами (да, бывают и такие!), А также роторно-лопастные агрегаты, в которых компоненты ротора совершают движения, подобные сходящимся и расходящимся лезвиям ножниц.

Даже беглый экскурс за пределы классических двигателей внутреннего сгорания показал, как много идей остаются нереализованными в массовом производстве. Роторы часто разрушаются вследствие износа уплотнителей. Варианты с вращающимися лопастями также страдают от высоких переменных нагрузок, которые разрушают механизм соединения между лопастями и валом. Это лишь одна из причин, по которой мы не видим подобных “чудес” на серийных автомобилях.

Вторая же причина заключается в том, что производство традиционных двигателей внутреннего сгорания не стоит на месте. В последних бензиновых образцах с циклом Миллера тепловой КПД достигает 40% даже без турбонаддува. Это очень много. Большинство бензиновых агрегатов выдают лишь 20-30%. Дизельные двигатели — 30-40% (на больших судах — до 50%). И самое важное — глобальная альтернатива двигателю внутреннего сгорания уже найдена. Это электродвигатели и блоки питания на топливных элементах. Поэтому, если изобретатели таких “чудес” не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, они просто не смогут вырулить с обочины прогресса перед электромобилями.

Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html

Новозеландцы изобрели революционный двигатель, о котором не могли помыслить наши отцы и деды

18.07.2014 в 15:16

Наука

5423

Поделиться

Пока он находится на стадии прототипа, но уже сейчас он оставляет впечатление произведения искусства. По словам компании Duke Engineering, разработанный ими осевой двигатель – самый эффективный и лёгкий двигатель из всех, которые вы можете установить на свою лодку, малый самолёт или генератор.

Фото: youtube.com

Как сообщают сами разработчики, финальная коммерческая модель их двигателя пока не завершена, но уже сейчас подаёт большие надежды:

«Механические и другие ключевые характеристики двигателя (сгорание топлива, производительность, тайминг портов, их геометрия, и так далее) показывают удовлетворительные результаты уже сейчас, на стадии прототипа, но без всякого сомнения получат выгоду от дальнейших исследовательских и конструкционных разработок». 

Подписаться

Авторы:

• org/Person»>

  Марк Кайфман

Источник:
gearmix.ru

Что еще почитать

Что почитать:Ещё материалы

В регионах

• Мобилизация в Петербурге: хронология событий и рекомендации

  Фото

  61227

  Санкт-Петербург

  Лаврентий Белый

• Зерновая сделка приостанавливается из-за теракта в Севастополе

  41241

  Крым

  Фото: Pixabay. com

• «У девочки началась истерика»: что творилось в момент обстрела автобуса в Пскове

  Фото

  18897

  Псков

  Светлана Пикалёва

• В Ярославле элитный комплекс остался без воды и отопления

  13167

  Ярославль

• Сказка про белого бычка: Какова судьба Северного обхода Пскова

  Фото

  12879

  Псков

  Екатерина Мазепина

• Минобоpоны РФ: Севастополь атаковали 9 летательных и 7 морских дронов

  12315

  Крым

  фото: crimea. mk.ru

В регионах:Ещё материалы

Передовая разработка двигателя, низкий уровень вибрации, многотопливный двигатель

Двигатель Duke — единственный в мире жизнеспособный осевой, 4-тактный, поршневой двигатель с искровым зажиганием. Он легкий, маленький, без клапанов, без вибраций, имеет очень высокую удельную мощность и работает на большинстве видов топлива, включая керосин/реактивное топливо. Двигатель Duke отлично подходит для аэрокосмических приложений, включая сверхлегкие, экспериментальные платформы и платформы БПЛА.

Больше мощности в компактном корпусе

Двигатель Duke находится на продвинутой стадии разработки, прототипы двигателей работают.

Платформа с 5-цилиндровым 4-тактным двигателем внутреннего сгорания обеспечивает многочисленные преимущества в аэрокосмической отрасли:

• Аэродинамически благоприятная цилиндрическая форма с выходным валом на центральной линии.
• Установка в небольшие капоты с меньшим сопротивлением.
• Малый вес.
• Небольшой размер упаковки.
• Практически идеальный механический баланс для очень низкой вибрации.
• Варианты малой мощности с прямым приводом или высокой мощности с редуктором.
• Потенциал высокой удельной мощности – установленная масса более 0,7 л.с./фунт в варианте с прямым приводом или более 1,0 л. с./фунт при частоте вращения выходного вала 2700–3300 об/мин в варианте с редуктором.
• Различные варианты топлива. Автомобильный бензин с низким октановым числом. Совместим с 100LL avgas.
• Без кулачковой передачи или клапанов.
• Небольшое количество деталей.
• Простота конструкции – 3 форсунки и 3 соединения коллектора для 5-цилиндрового двигателя.
• Многоточечное искровое зажигание достигается просто.
• Частичное устранение гироскопических эффектов от медленного встречного вращения группы цилиндров.
• Подходит для двигателей мощностью от 50 л.с. до 350+ л.с.

В совокупности эти характеристики открывают перспективу того, что поршневой двигатель Duke станет жизнеспособной альтернативой некоторым существующим двигателям с турбонаддувом меньшего размера.

В двигателе Duke реализовано множество технологических прорывов.

Уникальное встречное вращение двигателя Duke, почти полное отсутствие вибраций, а также уникальная методология конструирования устраняют прежние ограничения аксиально-поршневых двигателей, особенно мощность и скорость.

Это также приводит к частичной отмене реакции гироскопического крутящего момента двигателя, что снижает нагрузку на опоры и конструкции.

Благодаря тому, что выходной вал по своей природе «занижен» до 5/6 скорости возвратно-поступательного движения поршня, это позволяет увеличить крутящий момент на выходе двигателя при максимальной мощности, развиваемой на более низких скоростях.

Эта комбинация функций позволяет ему производить более высокую мощность и вращать винт большего размера до того, как высокие конечные скорости потребуют использования редуктора
a.

Двигатель Duke обеспечивает значительную экономию веса и габаритов.

По сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания аналогичной мощности, Duke может быть значительно легче и на 30% меньше. Использование легких материалов может еще больше увеличить преимущество в весе.

Двигатель Duke имеет незначительные вибрации 1-го и 2-го порядка.

Аксиальное расположение цилиндров с почти синусоидальным движением поршня обеспечивает практически идеальный механический баланс.

Превосходные характеристики балансировки и вибрации осевого двигателя Duke позволяют снизить вибрацию планера, усталость и требования к изоляции крепления.

Охлаждение

Охлаждение достигается с помощью обычных водяных рубашек вокруг цилиндров и областей отверстий.

Уплотнения вокруг концентрических каналов позволяют охлаждающей жидкости входить и выходить из группы вращающихся цилиндров.

Затем охлаждающая жидкость циркулирует обычным способом через радиаторы, установленные на планере, с помощью насоса.

Двигатель Duke отличается высокой термодинамической эффективностью.

Отсутствие горячих клапанов в камере сгорания оптимальной формы обеспечивает высокую степень сжатия для эффективной работы на низкооктановом топливе.

Современные двигатели работают на бензине с октановым числом 91 без детонации при степени сжатия выше 12,5:1

Двигатель Duke предлагает полную топливную гибкость.

Разработка позволит работать на всех подходящих видах топлива, включая этанол/метанол и их смеси, биоэтанол, СНГ, КПГ, водород, керосин и дизельное топливо. Двигатели Duke с искровым зажиганием в настоящее время успешно работают на 9Бензин с октановым числом 1 и керосин/реактивный А1.

Двигатель Duke намного проще, чем традиционные двигатели
IC.

Значительно меньшее количество деталей и компонентов двигателя Duke (всего 3 комплекта свечей зажигания, форсунок и портов для 5 цилиндров без клапанного механизма) в сочетании с простотой ремонта и обслуживания и потенциально более низкими изготовление и эксплуатация. В то время как Duke использует существующие материалы и производственные процессы в своей конструкции, есть значительные возможности для использования легких материалов по мере необходимости.

Компания Duke Engines занимается исследованиями и разработками, и уже идет дальнейший прогресс.

Двигатель Duke в настоящее время находится в 5-м поколении, а последние прототипы проходят испытания.

Двигатель Duke имеет широкую степень защиты IP.

В процессе разработки компания Duke Engines подала множество патентных заявок для защиты ключевых аспектов своей технологии.

Двигатели Duke — международные испытания

В процессе разработки Duke Version 3 постоянно тестировался в различных национальных и всемирно признанных испытательных и динамометрических центрах.

Ранее в этом году линейка двигателей Duke снова прошла испытания в США.

Пожалуйста, свяжитесь с нами, если вы хотите увидеть наш двигатель.

Объяснение инновационного аксиально-поршневого двигателя

Еще в октябре 2014 года мы рассказали о радикальной инновации в конструкции двигателя — аксиально-поршневом двигателе Duke. Двигатель Duke очень компактен, имеет меньше движущихся частей и легче. чем обычные поршневые двигатели внутреннего сгорания. Duke — пятицилиндровый двигатель, цилиндры которого расположены подобно камерам в цилиндре револьвера.

Группа цилиндров вращается против коленчатого вала со скоростью примерно 20 процентов от скорости вращения коленчатого вала. Конструкция с противоположным вращением позволяет двигателю частично подавлять реакцию крутящего момента и подавлять вибрацию. В работе двигатель работает настолько плавно, что противовес не требуется. Четырехтактные впускные и выпускные отверстия и функция клапана достигаются за счет скользящих уплотнений между группой низкоскоростных вращающихся цилиндров и моноплоскостной поверхностью отверстий, что устраняет необходимость в обычном клапане. цепь толкателей, коромысла, пружины, кулачки и даже сами впускные и выпускные клапаны. В этом отношении система впуска и выпуска напоминает двухтактный поршневой двигатель, но в четырехтактном двигателе. Для пятицилиндрового двигателя требуется только три топливных форсунки и три свечи зажигания. Отсутствие выпускных клапанов снижает вероятность преждевременного зажигания или искрового детонации при работе на низкооктановом бензине. Нормальный рабочий цикл обеспечивает три события зажигания за один оборот коленчатого вала — столько же, сколько в обычном шестицилиндровом четырехтактном двигателе. Эта степень простоты двигателя с рабочим объемом 1000 куб.0,5 дюйма в ширину, 9,5 дюйма в высоту, 16,7 дюйма в длину (без учета внешних компонентов двигателя) и обеспечивает мощность около 1 л.с./фунт. с общей выходной мощностью 125 лошадиных сил и крутящим моментом 87,7 фунт-сила-фут. Именно эта компактная форма и выходная мощность заставили нас заинтересоваться двигателем Duke в качестве потенциальной новой силовой установки для мотоциклов. Аксиально-поршневой двигатель Duke разрабатывался в Новой Зеландии с 1993 года, и был построен экспериментальный прототип. и испытан в Оклендском университете в 1996. В 1999 году двигатель версии V1 прошел эксплуатационные испытания в автомобиле. Затем в 2004 году прототип объемом 993 куб. ) прототип двигателя прошел динамометрические испытания в Оклендском университете. В 2010 году двигатель V3 прошел испытания на топливе JetA1/керосин и тяжелом топливе с искровым зажиганием на динамометрическом стенде в Оклендском университете. К 2012 году двигатель V3i следующего поколения успешно работал на топливе JetA1 и насосном газе. Диапазон топлив, на которых двигатель может работать без модификаций, включает низко- и высокооктановый бензин, керосин/реактивный бензин A1/A5/A8 и сжиженный нефтяной газ. CNG, водород с модификациями. Работа над дизельными версиями также ведется. В нашем репортаже за 2014 год Джон Гарви, соучредитель Duke Engines, Ltd. в Новой Зеландии, сказал: «Duke разработал аксиально-поршневой двигатель внутреннего сгорания, способный развивать очень высокую удельную мощность при легкий и компактный корпус, способный работать на легком и тяжелом топливе». «Duke обладает огромным потенциалом дальнейшего развития и уже достигает 1,25 кВт/кг с ожидаемым потенциалом до 3,0 кВт/кг. Супер- и турбонаддув, а также множество улучшений, применяемых к обычным двигателям, могут быть применены к технологии Duke. Технология искрового зажигания Duke технически привлекательна в диапазоне мощностей от 40 до 450 л.с. Кроме того, технология Duke будет применяться к версии с воспламенением от сжатия», — пояснил Гарви, описывая текущий и будущий профиль производительности аксиально-поршневого двигателя. Потенциальные области применения двигателя Duke включают легкие самолеты, беспилотные летательные аппараты, генераторы, гибридные автомобили. расширители диапазона, морские приложения, оборонные и специальные приложения. Наш интерес вызвало потенциальное применение в дизайне мотоциклов. Концептуальный пакет мотоцикла представляет собой пятицилиндровый аксиально-поршневой двигатель с диаметром цилиндра 67 мм и ходом поршня 56 мм, рабочим объемом около 1000 куб. см, мощностью 125 л.с. и 87,7 фут/фунт. крутящего момента. Выходная частота вращения коленчатого вала составит 7500 об/мин при скорости возвратно-поступательного движения 9000 об/мин. Заправка осуществляется прямым электронным впрыском топлива; система смазки будет с сухим картером. Установленный двигатель, включая все необходимые внешние впускные, охлаждающие и выхлопные компоненты, оценивается в 110 фунтов. Ширина и высота двигателя в чистом виде будут составлять около 9,5 дюймов (242 мм), а длина — 16,7 дюймов (424 мм). Двигатель Duke станет захватывающим вариантом силовой установки для высокопроизводительных спортивных и спортивно-туристических мотоциклов. Недавно мы связались с Джоном Гарви, чтобы продолжить нашу первоначальную историю, и обнаружили, что работа над развитием технологии двигателей Duke продолжается, и что компания доступна в качестве инвестиции. Гарви указал, что потенциальная структура продаж компании будет состоять из «патентов, интеллектуальной собственности и ноу-хау, а также некоторых существующих исторических прототипов.