Необычные двигатели внутреннего сгорания

Содержание:
Поршневой двигатель  внутреннего  сгорания известен более века, и почти cтолько же, а точнее с 1886 года он используется на автомобилях. Принципиальное решение такого вида двигателей было найдено немецкими инженерами Э. Лангеном и Н. Отто в 1867 году. Оно оказалось довольно удачным, для того чтобы обеспечить данному типу двигателей лидирующее положение, сохранившееся в автомобилестроении и в наши дни.





Однако изобретатели  многих стран неустанно стремились построить иной двигатель, способный по важнейшим техническим показателям превзойти поршневой двигатель внутреннего сгорания. Какие же это показатели? Прежде всего, это так называемый эффективный коэффициент полезного действия (КПД), который характеризует, какое количество теплоты, находившееся в израсходованном топливе, преобразовано в механическую работу. 



КПД для дизельного двигателя внутреннего сгорания равен 0,39, а для карбюраторного - 0,31. Другими  словами, эффективный  кпд характеризует экономичность двигателя. Не менее существенны удельные показатели: удельный занимаемый  объем  (л.с./м3) и удельная масса (кг/л.с.), которые свидетельствуют о компактности и легкости конструкции. Не менее важное значение имеет способность двигателя приспособляться к различным нагрузкам, а также трудоемкость изготовления, простота устройства, уровень шумов, содержание в продуктах сгорания токсичных веществ.

При всех положительных сторонах той или иной концепции силовой установки период от начала теоретических разработок до внедрения  ее в серийное производство занимает подчас очень много времени. Так, создателю  роторно-nоршневого  двигателя немецкому изобретателю Ф. Ванкелю потребовалось 30 лет, несмотря на его непрерывную работу,  для того чтобы довести свой агрегат до промышленного образца. К месту будет сказано, что почти 30 лет ушло на то, чтобы внедрить дизельный двигатель на серийном автомобиле ("Бенц", 1923 г.). Но не технический консерватизм стал причиной столь длительной задержки, а в необходимости исчерпывающе отработать новую конструкцию, то есть создать необходимые материалы и технологию для возможности ее массового производства.





Данная страница содержит описание  некоторых типов нетрадиционных двигателей, но которые на практике доказали свою жизнеспособность. Поршневой двигатель внутреннего сгорания обладает одним из самых существенных своих  недостатков - это достаточно массивный кривошипно-шатунный механизм,  ведь с его работой связаны основные потери на  трение. Уже в начале нашего века делались попытки избавиться от такого механизма. С того времени было предложено множествo  хитроумных конструкций, преобразующих возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала такой конструкции.

Бесшатунный двигатель С. Баландина

Преобразование возвратно-поступательного движения поршневой группы во вращательное движение  осуществляет механизм, который основан на кинематике "точного прямила". То есть,  два поршня соединены жестко штоком, воздействующим на коленчатый вал, вращающийся с зубчатыми венцами в кривошипах.

Удачное решение задачи нашел советский инженер С. Баландин. В 40 - 50-х годах он спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов, где шток, который соединял поршни с преобразующим механизмом, не делал угловых качаний. Такая бесшатунная конструкция, хотя и была в некоторой степени сложнее механизма, занимала меньший объем и  на трение обеспечивала меньшие потери. Надо отметить, что аналогичный по конструкции двигатель испытывался  в Англии в конце двадцатых годов. Но заслуга С. Баландина состоит в том, что он рассмотрел новые возможности преобразующего механизма без шатуна. Поскольку шток в таком двигателе не качается относительно поршня, тогда можно с другой стороны поршня тоже пристроить камеру сгорания с конструктивно несложным уплотнением штока проходящего через ее крышку.



1 - поршневой шток
2 - коленчатый вал
3 - подшипник кривошипа
4 - кривошип
5 - вал отбора мощности
6 - поршень
7 - ползун штока
8 - цилиндр

Подобное решение дает возможность почти в 2 раза увеличить мощность агрегата при неизменном габарите. В свою очередь, такой двусторонний рабочий процесс тpебует необходимость по обе стороны поршня (для 2 камер сгорания) устройства газораспределительного механизма с должным  усложнением, а, стало быть, и удорожанием конструкции.

Видимо, такой двигатель более перспективен для машин, где основное значение имеют высокая  мощность, малая масса и небольшой габарит, а себестоимость и трудоемкость имеют второстепенное значение.  Последний из бесшатунных авиамоторов С. Баландина, который был  построен в 50-х годах (двойного действия с впрыском топлива и турбонаддувом, двигатель ОМ-127РН), имел очень высокие для того времени показатели. Двигатель имел  эффективный КПД около 0,34, удельную мощность - 146 л. с./л и удельную  массу - 0,6 кг/л. с.  По таким характеристикам он был близок к лучшим двигателям гоночных автомобилей.

Двигатель Найта

В начале прошлого века, Чарльз Йел Найт решил, что пора внести в конструкцию двигателей что-то новенькое, и придумал бесклапанный двигатель с гильзовым распределением. К всеобщему удивлению, технология оказалась рабочей. Такие двигатели были весьма эффективными, тихими и надежными. Среди минусов можно отметить потребление масла. Двигатель был запатентован в 1908 году, а позднее появлялся во многих автомобилях, в том числе Mercedes-Benz, Panhard и Peugeot. Технология отошла на задний план, когда двигатели стали быстрее крутиться, с чем традиционная клапанная система справлялась гораздо лучше.





Роторно-поршневой двигатель Ванкеля

Имеет трехгранный ротор, который совершает планетарное движение округ эксцентрикового вала. Изменяющийся объем трех полостей, образованных стенками ротора и внутренней полости картера, позволяет осуществить рабочий цикл теплового двигателя с расширением газов.

С 1964 года  на серийных автомобилях, в которых устанавливаются роторно-поршневые двигатели, поршневую функцию выполняет трехгранный ротор. Требуемое в корпусе перемещение ротора относительно эксцентрикового вала обеспечивается  планетарно-шестеренчатым согласующим механизмом (см. рисунок). Такой двигатель, при равной мощности с поршневым двигателем, компактнее (имеет  меньший на 30 % объем), легче на 10-15%, имеет меньше  деталей и лучше уравновешен. Но уступал при этом поршневому двигателю по долговечности, надежности уплотнений рабочих полостей, больше расходовал топлива, а отработавшие газы его содержали больше токсичных веществ. Но, после многолетних доводок, эти недостатки были устранены. Однако производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями серийно, сегодня ограничено. Помимо конструкции Ф. Ванкеля, известны ногочисленные  конструкции роторно-поршневых двигателей других изобретателей (Э. Кауэртца, Г. Брэдшоу, Р. Сейрича, Г. Ружицкого и др.). Тем не менее, объективные причины не дали им возможность выйти из стадии экспериментов - зачастую из-за недостаточного технического достоинства.



Газовая двухвальная турбина

Из камеры сгорания газы устремляются на два рабочих колеса турбины, связанных каждое с самостоятельными валами. От правого колеса в действие приводится центробежный компрессор, с левого - отбирается мощность направляемая к колесам автомобиля. Воздух, нагнетаемый им, попадает в камеру сгорания проходя через теплообменник, где подогревается отработавшими газами.

Газотурбинная  силовая установка при той же мощности компактней и легче двигателя внутреннего сгорания поршневого, а также хорошо уравновешена. Менее токсичны и отработавшие газы. В силу особенностей ее тяговых характеристик, газовая турбина может использоваться  на автомобиле без КПП. Технология производства газовых турбин давно освоена в авиационной промышленности. По какой же причине, учитывая ведущиеся уже свыше 30 лет эксперименты с газотурбинными машинами, не идут они в серийное производство? Главная основание - маленький в  сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания эффективный КПД и низкая экономичность. Также, газотурбинные двигатели достаточно дороги в производстве, так что в настоящее время встречаются они только лишь на   экспериментальных   автомобилях.

Паровой поршневой двигатель

Пар поочередно подается то две противоположные стороны поршня. Подача его регулируется золотником, который скользит над цилиндром в парораспределительной коробке. В цилиндре шток поршня уплотнен втулкой и соединен с достаточно массивным крейцкопфным механизмом, который преобразует его возвратно-поступательное движение во вращательное.

Двигатель Р.Стирлинга. Двигатель внешнего сгорания

Два поршня (нижний - рабочий, верхний - вытеснительный) соединены с кривошипным механизмом концентричными штоками. Газ, находящийся в полостях над и под вытеснительным поршнем, нагреваясь попеременно от горелки в  головке цилиндра, проходит через теплообменник, охладитель и обратно. Циклическое изменение температурыгаза сопровождается изменением объема и соответственно действием на перемещение поршней.



Подобные двигателя работали на мазуте, дровах, угле. К их достоинствам относятся долговечность, плавность работы, отличные тяговые характеристики, что позволяет обойтись вообще без коробки передач. Основные недостатки: внушительная масса силового агрегата и низкий КПД. Опытные разработки недавних  лет (например,   американца Б. Лира  и  др.) позволили сконструировать агрегаты замкнутого цикла (с полной конденсацией воды), подобрать составы парообразующих жидкостей с показателями более выгодными, чем  вода. Тем не менее, на серийное производство автомобилей с паровыми двигателями не осмелился ни один завод за последние годы.

Тепловоздушный двигатель, идею которого предложил Р.Стирлинг еще в 1816 году относится к двигателям внешнего сгорания. В нем рабочим телом служат гелий или водород, находящийся под давлением, попеременно охлаждаемые и нагреваемые. Такой двигатель (см. рисунок) в  принципе прост, имеет меньший расход топлива, чем внутреннего сгорания поршневые двигатели, при работе не выделяет газов, которые имеют вредные вещества, а также имеет высокий эффективный КПД, равный 0,38. Однако внедрению двигателя Р. Стирлинга в серийное производство мешают серьезные трудности. Он тяжел и очень громоздок, медленно набирает обороты по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания.  Более того, в нем сложно технически обеспечить  надежное уплотнение  рабочих полостей.

Среди нетрадиционных двигателей особняком стоит керамический, который конструктивно не отличается от традиционного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Только его важнейшие детали изготавливаются  из керамического материала, способного выдерживать температуры в 1,5 раз  более высокие, нежели металл. Соответственно керамическому двигателю не требуется система охлаждения и таким образом, нет потерь в тепле, которые связаны с его работой. Это дает возможность сконструировать двигатель, который будет работать по так именуемому адиабатическому циклу, что обещает существенное сокращение расхода топлива. Тем временем подобные работы ведутся американскими и японскими специалистами, но пока не выходят из стадии поиска решений.

Хотя в опытах с разнообразными нетрадиционными двигателями по-прежнему недостатка нет, доминирующее положение на автомобилях, как уже отмечалось выше, сохраняют и, возможно еще долго будут сохранять поршневые четырехтактные двигателя внутреннего сгорания.



Двигатель Стирлинга - видео