Альтернативные двигатели внутреннего сгорания

Силы давления газа во всех фазах замыкаются на кольцевом поршне, что аналогично конструкции С. Баландина.

Относительная величина утечек (и, соответственно, потерь энергии) в ДКПД в два раза меньше, чем в ДВС.

Согласно выполненным расчетам эффективный к.п.д. двигателя может достичь 0,6. ДКПД одинаковой мощности с современным ДВС будет потреблять меньшее количество топлива, что приведет к снижению выброса СО2 в 1,5 раза. Экономичность двигателя ожидается в пределах 0,11…0,135 кг/кВт·ч против 0,23 кг/кВт·ч у ДВС.

ДКПД в производстве имеет более низкую трудоемкость, так как он содержит небольшое число деталей (110 в экспериментальном двигателе против 1800 у ДВС) и самые простые формы поверхностей. ДКПД имеет примерно в 1,5 раза меньшие габариты и, соответственно удельную массу (0,29…0,43 кг/кВт против 0,62).

Скорость движения поверхностей кольцевого поршня в шесть раз меньше скорости движения точки "касания", благодаря чему снижается износ пары "поршень - корпус". Кроме того, отсутствуют возвратно-поступательные движения больших масс различных частей двигателя, что практически устраняет вибрацию двигателя.

Экспериментальный образец продемонстрировал удобство сборки и эксплуатации.

Кроме того, одновременно с Ванкелем другой инженер, Баландин, предложил свою версию "Бесшатунника", в котором улучшились условия работы поршня, резко увеличился ресурс пары трения "поршневое кольцо - гильза цилиндра", но при этом слабым местом с точки зрения надежности оказался механизм преобразования линейного движения во вращательное.

Принципиальное устройство бесшатунного двигателя: 1 — поршневой шток; 2 — коленчатый вал; 3 — подшипник кривошипа; 4 — кривошип; 5 — вал отбора мощности; 6 — поршень; 7 — ползун штока: 8 — цилиндр.

Весьма привлекательной кажется схема роторного двигателя непрерывного горения, описание которого приводится в журнале "Демиург" №1 за 1998 г. В этом двигателе ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что по идее должно обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС. По расчетам автора, масса двигателя мощностью 20 кВт не превысит 4 кг. Это на уровне лучших ТРД, при этом расход топливной смеси ориентировочно 57 г/сек.

Если говорить о роторных двигателях, то нельзя не упомянуть о "Винтовом двигателе внутреннего сгорания", опубликованном Е.Горловым, А.Коньшиновым и В.Спичкиным в журнале "Двигатель". В предложенной конструкции процесс сжатия смеси (воздуха или смеси воздуха и топлива) и сгорания происходит в подобии турбины, выполненной из элементов со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью. В такой турбине небольшие замкнутые объемы перемещаются вдоль оси двигателя слева направо (см. рисунок). В левой части при перемещении этих объемов они уменьшаются (происходит сжатие топливной смеси), в центре топливо поджигается, и дальше движется направо по расширяющимся объемам.

Преимущество такого двигателя перед ТРД в том, что в сжимающихся/расширяющихся изолированных объема можно "снять" больше энергии с топлива, чем в случае "удара" сильной струи раскаленного газа в обычную турбину. Кроме того, доступна меньшая частота оборотов вала, а следовательно, уменьшаются потери на редукторе (по сравнению с ТРД, где турбина может вращаться с частотой вплоть до 100000 об/мин и более, а на выходе необходимо 500...3000 об/мин).

 1- Ротор; 2- Корпус; 3- Вал отбора мощности; 4-

Шарнир равных угловых скоростей; 5- Эксцентрик; 6- Блок шестерен. А- впускное

окно, Б- выпускное окно, В- компрессорный отсек, Г- камера сгорания, Д-

расширительный отсек, - угол наклона ротора.

К достоинствам конструкции винтового ДВС перед осепоршневым следует отнести следующие: отсутствие трения скольжения; теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины; широкий рабочий диапазон оборотов двигателя, возможность работы при высокой частоте вращения; простоту конструкции; отсутствие несбалансированных масс, низкий уровень шума; небольшие массу и габариты; возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив; возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик; высокую удельную мощность и коэффициент полезного действия двигателя.

Проведенные расчеты показали, что шестикамерный ДВС со степенью сжатия-расширения 20, при работе на смеси метан-воздух способен развить мощность до 125 кВт при частоте вращения выходного вала 7000 об/мин. При этом его длина составит 460 мм, максимальный диаметр по турбине - 199 мм, а к.п.д. будет в пределах 60…70 %.

Недостатком является сложность технологии изготовления элементов (из-за материала и требуемой точности, см. рисунок).

Другая схема, немного похожая по принципу действия на винтовой двигатель внутреннего сгорания, описана в журнале "Моделист-Конструктор" в статье "Маленький двигатель с большим будущим". Двигатель Курочкина, работавшего на известном Рыбинском авиамоторостроительном заводе, тоже представляет собой своеобразную сместь турбины и двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс аналогичен тому, что происходит в газотурбинном двигателе (ГРД), но используется не кинетическая энергия струи, а потенциальная энергия давления газа на рабочие лопатки ротора (как в ДВС). Принцип действия: центробежный вентилятор засасывает сквозь мелкоячеистую сетку воздух, закручивает его и подает в зону сепарации. В этой зоне единый поток воздуха разделяется: одна его часть вместе с отброшенной к периферии пылью поступает в радиатор на охлаждение двигателя и затем выходит наружу; другая же часть, очищенная, через впускное окно направляется в рабочие полости (проточную зону), где происходят процессы, типичные для двухтактных ДВС. Выпуск происходит через специальное окно в глушитель, где отработанный газ смешивается с охлаждающим воздухом из радиатора и выбрасывается в атмосферу сквозь кольцевой диффузорный выхлопной аппарат.

Двигатель получается очень компактным и с невероятной удельной мощностью: термос весом в 15 кг (включая электростартер, фильтр и глушитель!) развивает мощность в 70 л.с. (!!!). При этом показатель экономичности примерно равен соответствующему показателю дизельного двигателя, что в 1,22 раза лучше четырехтактного карбюраторного и роторного "ванкеля" и в 1,9 раза — двухтактного поршневого. Кроме того, при равной мощности габаритный объем двигателя в 70 раз меньше дизельного, в 20 раз — четырехтактного и в 10—12 раз — роторного или двухтактного поршневого ДВС. Меньше и его масса (металлоемкость): соответственно в 30, 10 и 4 раза. Т.е., например, при установке этого двигателя на средний автомобиль, средний расход топлива на 100 км будет меньше 3 литров.

Обидно получится, если действительно существует двигатель с такими потрясающими характеристиками, а мы используем 15 килограммовые двигатели для парамоторов мощностью всего 15 л.с., когда могли бы иметь 70 л.с.! Да и еще экономичней, чем современный 15 килограммовый! Видимо, с этим двигателем есть какие-то трудности, о которых совершенно не упомянуто в статье?

Еще существует схема компактного "аксиально-поршневого" двигателя, в котором цилиндры расположены не в ряд и не "звездой", а вокруг выходного вала так, чтобы оси вала и цилиндров были параллельны. Здесь тоже существует проблема преобразования линейного движения во вращательное (или через скольжение штока поршня по поверхности профилированной шайбы как в плунжерном насосе, либо штоки опираются на жестко связанные с качающейся шайбой коромысла, вращающие вал двигателя).

В полукорпусах двигателя 1 расположены поршни 2 двухстороннего действия, размещен ротор-распределитель 3 и выполнены отверстия 4 и 5 для подвода сжатого и сброса отработанного воздуха. Ротор-распределитель состоит из вала 6 и жестко, неразъемно установленного на нем золотника 7. На цилиндрической поверхности вала выполнены радиальные 8 и Z-образные продольные 9 пазы, соединяющие сдвинутые по фазе каналы. Золотник снабжен двухсторонней волновой дорожкой 10, кольцевой проточкой 11 и окнами 12, взаимодействующими с соответствующими пазами вала. В цилиндрах полукорпусов в конце хода поршней имеются выхлопные окна 13. Вал ротора-распределителя снабжен хвостовиком 14.

Кроме того, известен т.н. "двигатель Стирлинга" с двумя поршнями в одном цилиндре (есть также две разновидности с двумя цилиндрами). Этот двигатель работает за счет разности температур в рабочем теле, причем источник тепла может быть любым, вплоть до тепла рук. Двигатель Стирлинга в 4..5 раз экономичней двигателей внутреннего сгорания на мощностях до 1 кВт. Однако по общему удобству использования пока уступает традиционным схемам (необходимо эффективно снимать тепло в одном и не менее эффективно охлаждать в другом месте).

Предлагалось также подключить к штоку поршня дополнительно колено для управления длиной штока и следовательно ходом поршня, теоретически это могло бы дать лучшие условия для сгорания смеси.

Преимущества двигателя Стирлинга основываются прежде всего на непрерывном процессе горения, и эти преимущества следующие:

1 Малые уровни выброса вредных веществ. Избыток в топливовоздушной смеси воздуха на 20-80 процентов, оптимальное время сгорания и отсутствие контакта пламени с «холодными» металлическими поверхностями обеспечивает почти полное сгорание. Уровень смога также гораздо ниже

2 Экономия топлива. Может работать на различных видах жидкого и газообразного топлива. Нет каких-либо особенных требований к топливу, например, по октановому или цетановому числу. Предполагается, что термический КПД может достигать 40 процентов, и даже при частичной нагрузке величина КПД не хуже, чем у двигателя с искровым зажиганием.

3 Низкий уровень шума. Глушитель не нужен, поскольку уровень шума составляет всего 25 процентов от создаваемого двигателем с искровым зажиганием. Двигатель не имеет клапанного механизма, поэтому механические шумы очень невелики.

Эти преимущества делают двигатель Стирлинга весьма привлекательным, но необходимо проделать еще большую исследовательскую работу для надежности некоторых деталей, например, уплотнений жидкости. Когда стоимость и надежность двигателя станут такими же, как и у обычных двигателей, ожидается широкое распространение двигателей такого типа.

Но еще интереснее варианты улучшения двухтактных двигателей, чтобы устранить необходимость добавлять масло в бензин, которое ухудшает условия горения, понижает мощность и т.д. В этой статье предлагается использовать впрыск топлива в двухтактный двигатель, что по идее может повысить экономичность двухтакстника до уровня четырехтактника.

Двигатель Аткинсона

В 1886 году британский инженер Джеймс Аткинсон предложил конструкцию мотора, который немного отличался от обычного четырехтактного двигателя, работающего по циклу Отто. В двигателе Аткинсона была изменена конструкция кривошипно-шатунного механизма, и поэтому все четыре такта совершаются за один оборот коленвала, а ход поршня во время впуска и выпуска длиннее, чем во время сжатия и расширения.

Такой мотор действительно экономичнее и экологичнее, но на низах он выдаёт малый момент и может заглохнуть даже от небольшой нагрузки. Иначе говоря, до 1500—2000 об/мин двигателю надо “помогать”.

Турбина не годится, поскольку на низах она сама не развивает большой мощности. Остается механический компрессор, который забирает часть мощности, практически сводя на нет преимущества мотора. То есть, отдача двигателя увеличивается не на много, но его конструкция становится сложнее.