Летающая тарелка заменила все поршни в сверхлёгком моторе
За более чем 100-летнюю историю поршневых ДВС конструкторы довели их до совершенства. Но так как постоянно хочется большего? В этом случае возможно попытаться создать что-то совсем уж уникальное.
К примеру, перевернуть принцип действия мотора с ног на голову, остановив поршни либо вынудив трудиться нутацию и прецессию вращающихся подробностей.
Пара коллективов инженеров, трудившихся на деньги исследовательской лаборатории американской армии (Army Research Laboratory), подготовили к научной военному конференции (Army Science Conference), которая пройдёт с 27 по 30 ноября в Орландо, последовательность занимательных проектов.
Среди них стоит выделить несколько нетрадиционных по конструкции двигателей внутреннего сгорания. Тут необходимо уточнить, что изобретены они были ранее, а на данный момент, на деньги армейских, доработаны, усовершенствованы и приспособлены для тех областей применения, каковые наметили генералы: лёгкие дистанционно управляемые самолеты, портативные генераторы и другие подобные устройства, где высокое отношение мощности движка к его массе и размерам играется ключевую роль.
Как раз такими высокими удельными параметрами могут похвалиться моторы, представленные на конференции. Разглядим их поближе.
Первый именуется «Нутационный двигатель» (Nutating Engine), либо двигатель «колебательный». Патент на него в собственности Леонарду Мейеру (Leonard Meyer).
Двигатель данный возможно выполнен в двух вариантах — с одним диском и с двумя, любой из которых заключён в личный корпус. Для начала разглядим первый вариант.
Нутационный двигатель надеется в собственной работе на колеблющуюся «летающую тарелку» (иллюстрация с сайта asc2006.com).
Итак, мы имеем что-то наподобие летающей тарелки, нанизанной на Z-образный вал (смотрите громадной разрез на первом рисунке: рабочий диск — «летающая тарелка» — составлен из жёлтой половинок и красной с шаром в центре, вал двигателя продемонстрирован белым, а его наклонная часть — серо-синим).
При вращении вала двигателя рабочий диск не вращается, а лишь колеблется. Как видно на разрезе, между наклонённой частью вала и диском стоят подшипники, а если вы взглянуть на чёрно-белую фотографию однодискового движка (в том месте, кстати, удалена часть корпуса, так что видно положение диска в), то увидите и радиальную шпильку, выходящую из диска через разрез в корпусе. Она предотвращает вращение «летающей тарелки» за валом.
Нужно заявить, что диск — не сплошной. Он поделён на две секции парой радиальных вырезов, в каковые попадают выступы корпуса, так что всего получается четыре отдельных количества — по два с каждой стороны диска. Обоюдное размещение Z-образного вала (зелёный цвет), стопорной шпильки (фиолетовый), диска (красный и жёлтый — нижняя и верхняя его стороны), и его уплотнений (зелёный, розовый, светло синий и жёлтый) вы имеете возможность заметить на втором рисунке.
О параметрах первых образцов нутационного мотора ничего не известно. Но это — лишь изучения (иллюстрация с сайта asc2006.com).
При вращении вала колебания диска изменяют количество камер над его поверхностью. Так что на каждые два поворота вала получается по четыре такта всасывания, сжатия (одна сторона диска), выхлопа и рабочего хода (вторая сторона диска).
Каналы в корпуса и особые клапаны снабжают газообмен между камерами, впуск воздуха извне, подачу сжатой смеси на другую сторону «летающей тарелки» и выброс.
Нутационный двигатель идеально уравновешен. В нём значительно меньше перемещающихся частей. Края диска и его уплотнения перемещаются в сферической полости корпуса намного медленнее, чем бегают поршневые кольца в хорошем ДВС при равной скорости вращения выходного вала.
А это указывает уменьшение затрат и снижение износа на преодоление сил трения.
Что весьма интересно, данный же принцип разрешает выстроить и более интересный вариант мотора (он продемонстрирован на маленькой схеме на первом рисунке). Тут неспециализированным валом (не продемонстрирован) соединены две нутационные расширительные автомобили, в первой (слева) диск обеими собственными сторонами снабжает только сжатие и всасывание (светло синий и светло синий цвет камер), а второй такой же агрегат несёт ответственность за рабочий выхлоп и ход (красный и розовый). Между агрегатами установлен воздушный аккумулятор (2), сглаживающий колебания давления. Другие ответственные элементы: впускное окно — 1, камера сгорания с форсунками — 3, выхлопная труба — 4.
На втором рисунке слева вы видите таковой сдвоенный нутационный двигатель «живьём».
Примечательно, что, проектируя конкретную модель нутационного двигателя, возможно легко поменять в нём соотношение между степенью расширения и сжатия. , если радиальный разрез диска будет симметричным (как на этих картинках), оба эти параметра будут равны (как в простом поршневом ДВС).
В случае если же сместить размещение выреза и соотношение количеств камеры для рабочего/хода и всасывания сжатия/выброса, то возможно или взять экономичный двигатель с циклом Аткинсона (степень сжатия меньше степени расширения, энергия тёплых газов употребляется полнее), или замечательный, как будто бы бы с наддувом, мотор для громадных высот (степень сжатия больше степени расширения).
Кстати, нутационный двигатель может замечательно трудиться как дизель, что крайне важно для армейских, потому что на этом горючем трудится грузовики и бронетехника. По оценке авторов проекта, таковой дизельный ДВС (с двумя дисками) при размерах 41 х 23 х 19 сантиметров будет развивать 50 лошадиных сил, а весить будет всего 15 килограммов, включая навесное оборудование.
Развитие этого проекта не закончено, так что имеется шанс, что нутационные двигатели мы скоро заметим на каких-нибудь экзотических транспортных средствах, типа беспилотных разведывательных самолётов. О применении для того чтобы мотора в автопрома до тех пор пока никто не говорит. Но, согласитесь, поразмыслить стоит.
Не смотря на то, что изготовление нескольких сотен нетрадиционных двигателей — это одно, а перевод огромной индустрии с миллионным тиражом на принципиально новый агрегат — совсем второе.
Возможно, большее распространение возьмёт второй мотор, проект которого кроме этого был представлен на конференции. Именуется он «Двигатель Боннер» (Bonner Engine). Боннер — это не имя создателя, а часть заглавия компании Bonner Motor; изобретателя же кличут Вальтер Шмид (Walter Schmied).
иллюстрация «и» (Рентген с сайта asc2006.com).
«Боннер» ближе к классическим ДВС по конструкции. Тут имеется и цилиндры, и поршни, и что-то, похожее на коленчатый вал (но не аналогичное ему). Вот лишь движется это всё так, что сходу и не разберёшься.
Попытаемся растолковать по порядку. В корпусе двигателя имеются два скрещённых буквой X (под 90 градусов) цилиндра. Они не пересекаются, а проходят рядом между собой. В этих цилиндров туда-сюда движутся фактически рабочие цилиндры ДВС (красный цвет на рисунке выше).
Да, тут подвижны как раз цилиндры мотора, а его поршни стоят на месте (четыре поршня находятся на финишах буквы X, они продемонстрированы серебристым цветом).
Возвратно-поступательное перемещение цилиндров преобразуется во вращение выходного вала благодаря умному коленвалу, что совершает сложное перемещение из-за планетарной передачи на собственных финишах (она и передаёт упрочнение на выходной вал). Не смотря на то, что целый коленвал и вращается, любой из кривошипов, проходящих через отверстие в середине рабочего цилиндра, только смещается по прямой (на рисунке внизу это перемещение продемонстрировано цветными стрелками), а ещё — поворачивается около собственной оси.
Один из цилиндров и коленвал «Боннера» (иллюстрация с сайта asc2006.com).
На этом же рисунке (слева) вы видите разрез одного рабочего цилиндра, в который засунут поршень (светло синий) со свечой и клапан (зелёный). С левой стороны цилиндра в двигателе будут установлены такие же клапан и поршень.
Итак, по мере колебаний цилиндров в них создаются переменные количества. Если вы ещё раз пристально взглянуть на прошлый рисунок, то заметите на шейках кривошипов маленькие выступы. Это кулачки механизма газораспределения. Тут нет распределительного вала, его роль делает сам коленвал. Тут необходимо в обязательном порядке подчернуть, что «Боннер» — движок двухтактный.
Другими словами в цилиндра происходят лишь рабочий и сжатие движение, а газообмен выполняется вблизи мёртвой точки.
За наполнение цилиндра свежей смесью и другие операции именно и отвечают клапаны, установленные прямо в подвижных цилиндров со стороны коленвала, и каналы в цилиндров и в корпуса мотора, совмещающиеся в определённый момент.
Газораспределение «Боннера» (иллюстрация с сайта asc2006.com).
С дальнего (от коленвала) финиша каждого цилиндра имеется ещё по закрытой камере,количество которой кроме этого изменяется. Тут происходит предварительное сжатие смеси для противоположной рабочей камеры. И ко мне же подаются выхлопные газы, опять-таки из противоположного цилиндра, в то время, когда в первом цилиндре происходит рабочий движение.
Так что противоположные рабочие цилиндры (физически это один цилиндр, открытый с двух финишей, и пара неподвижных поршней) поддерживать друг друга, увеличивая эффективность применения энергии газов.
Дабы выхлопные газы и свежий воздух «осознавали» при таковой сложной схеме, куда им бежать, в корпусе движка имеется ещё и вращающиеся золотники (на прошлом рисунке они продемонстрированы зелёным).
Но и это не всё. Авторы мотора реализовали в нём переменную (в зависимости от оборотов и нагрузки двигателя) степень сжатия. Это свойство обеспечивается совсем маленьким смещением поршней к центру мотора либо от него.
Делает эту задачу гидравлический привод — на рисунке внизу прекрасно видны полости с маслом (тёмно-красный цвет), смещающим по мере необходимости поршни (серебристый цвет).
Изменение степени сжатия «Боннера» (иллюстрация с сайта asc2006.com).
На малых оборотах степень сжатия поддерживается высокой — для большей экономичности, а на высоких оборотах поршни отодвигаются мало дальше от центра, дабы снизить риск детонации.
Это разрешает совместить относительно низкий расход горючего с высокой мощностью. Ну и обоюдное соотношение мощности, веса и размеров «Боннера» кроме этого обещает быть отличным. А как он продемонстрирует себя на практике — ещё предстоит узнать.
Подробнее о новинках вы имеете возможность прочесть тут (PDF-документ). Мы же добавим, что это не первые и не последние ДВС, выполненные по нетрадиционной схеме. Такие моторы изобретают десятками.
Вспомните хотя бы движок с качающимся поршнем либо мотор, где рабочий цилиндр вращается около себя.
Кое-какие из таких изобретений остаются на бумаге навечно, другие заканчивают собственную жизнь опытными образцами, третьи попадают в серийное производство, но для каких-нибудь своеобразных применений (скутеры, лёгкая авиация, мобильные генераторы). Мы полагаем, что подобная будущее — выпуск маленькой серией — ожидает и эти две новинки.
Но кто знает — а что если? Нам, к примеру, классические поршневые ДВС. А вам?
