Нестандартні двигуни внутрішнього згоряння

1. Неформали
2. Роторно-хвильової двигун
3. конструкція
4. Як працює роторно-хвильової двигун?
5. Переваги роторно-хвильового двигуна
6. Недолік роторно-хвильового двигуна
7. Безшатунного поршневий двигун
8. Як працює безшатунного поршневий двигун?
10. двигун Кушуля
11. Роторно-поршневий дизель

Наши партнеры ArtmMisto

Кривошипно-шатунний поршневий двигун, не поспішаючи, завоював весь світ. Однак про неформалів світу двигунів поговорити все-таки варто.

Неформали

Багато з нас, напевно, знають, що двигун внутрішнього згоряння, був винайдений досить давно, справа це було аж в позаминулому столітті. За час що минув з того моменту було запропоновано безліч оригінальних конструкторських рішень, здавалося б, здатних перевернути все поняття двигунобудування. Перевороту все ж не відбулося, і наш добрий знайомий - кривошипно-шатунний поршневий двигун не поспішаючи, завоював весь світ. Однак про неформалів світу двигунів поговорити все-таки варто.

Роторно-хвильової двигун

Одну з оригінальних конструкцій двигуна внутрішнього згоряння запропонували наші співвітчизники. Конструкція ця досить не звичайна і називається - роторно-хвильової двигун. Давайте спершу розберемося, з яких елементів ця хитра конструкція складається і як вона працює, а потім поговоримо про всі переваги і недоліки.

конструкція

Основою для двигуна служить корпус (1), достатньо не звичайної форми, на внутрішніх поверхнях якого виконані спеціальні гвинтові канали. Усередині корпусу знаходиться порожнистий ротор (2), що має на своїй поверхні такі ж гвинтові канали. Пустотіла ротор і вал відбору потужності (3), з'єднані між собою за допомогою шарнір рівних кутових швидкостей (ШРУС) (4). Зверніть увагу, що в правій частині полого ротора знаходиться механізм, що складається з блоку шестерень (5) і ексцентрика (6). Завдяки йому ротор має можливість здійснювати обкатування по гвинтової поверхні корпусу. Весь же двигун умовно ділиться на три основні частини: компресорний відсік (А), камера згоряння (Б) і розширювальний відсік (В).

Як працює роторно-хвильової двигун?

Від конструкції двигуна плавно переходимо до розгляду робочого процесу Двухгіпотрохоідного РВД, де двухзаходная корпус працює в сукупності з однозаходний ротором, а полягає він у наступному. Як тільки вал відбору потужності починає здійснювати обертальні рухи в порожнині, що знаходяться між гвинтовими каналами ротора і корпусу, в компресорному відсіку, починає засмоктуватися повітря. Так як ми розглядаємо спільну роботу двухзаходная корпусу і однозаходний ротора, то за один оборот валу відбору потужності в комперссорний відсік буде потрапляти дві порції повітря.

Після того як повітря був захоплений і відтятий від навколишнього середовища, він направляється по гвинтовому каналу в камеру згоряння, відчуваючи всебічне стиснення. Туди можуть бути додані дизельні присадки . Це обумовлено тим, що висота гвинтових каналів ротора і корпусу зменшується, наближаючись до камери згоряння. Після того як повітря пройшов стадію стиснення він надходить безпосередньо в камеру згоряння, одночасно з цим відбувається вприскування палива.

Для підпалювання горючої суміші в камері згоряння передбачена свічка, правда, вона необхідна тільки для першого займання. Так як в подальшому спалювання суміші буде відбуватися тільки за рахунок гарячих газів, що залишилися в камері згоряння. Після того як відбулося перетворення паливної суміші в гарячий газ, останній направляється в гвинтові канали розширювального відсіку, маючи в своєму арсеналі величезний тиск і температуру.

Розширювальна камера являє собою повну протилежність компресорної камері - висота каналів по ходу руху газів у неї тільки збільшується. За рахунок цього і відбувається корисна робота, так як, розширюючись, гази, змушують обертатися ротор. Правда частина отриманої потужності втрачається при стисненні чергової порції повітря необхідної для "вогняного серця".

Переваги роторно-хвильового двигуна

Слід сказати про те, що вище ми розглянули найбільш спрощену конструкцію роторно-хвильового двигуна. Існують двигуни такого типу з пятізаходним корпусом і четирехзаходним ротором. Причому такі багатозахідні конструкції можуть грати роль редукторів, так як при чотирьох обкатування ротора по гвинтової поверхні корпусу вихідний вал зробить тільки один повний оборот. Тобто сам двигун дозволяє підняти крутний момент в чотири рази, що погодьтеся не так вже й мало.

Ще одна перевага двигуна ховається в мінімальній кількості пар тертя. Фактично тертя присутній тільки в підшипниках, на яких закріплений вал відбору потужності та в ШРУС. А як же втрати пов'язані з тим, що ротор обкатується по корпусу, запитаєте ви? Ці втрати просто відсутні, хвилі ротора "розходяться" на мінімально можливій відстані з хвилями корпусу. До переваг слід віднести і малу масу такого типу двигунів. Адже подивившись на схему, ви не знайдете ні газорозподільного механізму, ні важкого маховика, ні колінчастого вала. Так як ротор сам по собі є найпростішим газорозподільним механізмом, а маховик роторно-хвилевого двигуну не потрібен, тому що в ньому просто-напросто відсутній знакозмінні рух. Завдяки малій кількості деталей і їх невеликій масі роторно-хвильової двигун здатний розвивати обороти в діапазоні від 3000 до 30000 об / хв.

Про всеїдності цього двигуна поговорити слід окремо. Адже в принципі високооктанове паливо роторно-хвилевого двигуну необхідно тільки в момент запуску, як тільки камера згоряння прогріється, то в неї можна фактично подавати будь-яку горючу рідину, головне щоб в процесі горіння виділялися гарячі гази необхідні для обертання ротора.

Недолік роторно-хвильового двигуна

У цього типу двигунів є один істотний мінус, який в принципі і заважає його світовому поширенню - це висока технологічність, а відповідно і ще більша собівартість готової продукції. Так що велика кількість плюсів перекривається одним жирним мінусом.

Безшатунного поршневий двигун

Ідея створення безшатунного поршневого двигуна народилася в нашій країні досить давно. Події відбувалися на рубежі тріцатих-сорокових років в конструкторському бюро, де займалися питаннями розробки і побудови авіаційних двигунів. Один з конструкторів цього закритого підприємства запропонував тоді відійти від звичної для нас схеми двигуна внутрішнього згоряння, де поршень і колінчастий вал з'єднані між собою за допомогою шатуна. Конструктором цим був С. Баландін, а розробив він новий тип двигуна внутрішнього згоряння - безшатунного ДВС, який пізніше назвали двигуном Баландіна.

Як працює безшатунного поршневий двигун?

Для того щоб зрозуміти, як працює це чудо інженерної думки, спершу погляньте на малюнок. Двигун складається з наступних частин: 1,2,3,4 - поршні, 5,6 - підшипники, 7,8 - консольні вали, з опорами для колінчастого вала, 9,10,11,12 - шестерні механізму синхронізації, 13 - колінчастий вал, 14,15 - повзун, 16 - вал відбору потужності.

Тепер давайте подивимося, як всі ці складові частини взаємопов'язане працюють. Отже, уявіть, що в камеру згоряння першого циліндра потрапляє паливно-повітряна суміш, спочатку відбувається її поступове стиснення, а за тим загоряння. Різко зрослий тиск гарячих газів змушує переміщатися поршень 1 і жорстко пов'язаний з ним повзун 14 вниз. Зародився руху відразу ж виводить зі стану спокою колінчастий вал 13, так як все зростаюче тиску з боку повзуна змушує його обертатися навколо опор, які розташовані на консольних валах 7 і 8. У свою чергу досить складне планетарне обертання колінчастого вала 13, моментально змушує робити обертові руху і консольні вали 7,8. В результаті цих хитросплетінь взаємних переміщень, виникає крутний момент, який через синхронизирующие шестерні 9,10,11,12 передається на вал відбору потужності 16.

Конструкція, розглянута нами вище, по теорії Баландіна повинна була мати високий механічний ККД рівний приблизно 94-м відсоткам, в той час як звичайний, тобто шатунний двигун внутрішнього згоряння міг похвалитися тільки 85-й відсотковим ККД. Крім високого ККД двигун повинен був мати наступні нижче перевагами. По-перше, це зменшення навантаження на поршні, так як на відміну від шатунного двигуна, вони під час руху не перекашівются, внаслідок чого і відсутнє тертя поршня об стінку циліндра. По-друге, є можливість використання підпоршневу обсягу для нагнітання повітря, або для організації робочого процесу. По-третє, існує можливість відмови від маховика, так як поршні і повзуни володіють достатньою масою, а значить і інерційністю.

Здавалося б, скільки багато у цього двигуна переваг в порівнянні з шатунним, але чому ж він до цих пір не був запущений в серійне виробництво? А справа все в наступному. Проблеми з цією конструкцією почалися майже відразу ж після спорудження перших прототипів. Вони категорично чинили опір працювати, "первістків" заклинювало практично після перших оборотів колінчастого вала. Але після того як ця проблема була вирішена, справа тоді було в задираки поршнів, почалися нові неприємності - двигун відмовлявся напрацьовувати покладений моторесурс. Цього разу, виною всьому став надзвичайно сильний знос направляючих плазунів. Тоді ж зіткнулися і з труднощами подачі мастила до повзуна і їх направляють.

Безліч проблем пов'язаних з доведенням двигуна привели до того, що велика кількість конструкторів спочатку підхопили ідею Баландіна, відмовилися від подальших робіт в цій галузі. Та плюс до всього іншого двигун був дуже складний з технологічної точки зору. Так як в моторі використовувалося безліч взаємопов'язаних елементів, то і допуски на розміри цих деталей повинні були бути мінімальні, а інакше працездатність двигуна була б під великим питанням. Слід так само сказати, що більшість моторобудівних підприємств в нашій країні не могло похвалитися високоточним обладнанням необхідним для виробництва безшатунного двигунів. Але якщо навіть уявити, що виробництво цих незвичайних агрегатів і було б освоєно, то цифри їх собівартості дивували, я думаю, не менше ніж конструкторські рішення.

двигун Кушуля

У сучасному світі стало модно бути, екологічно чистим. Буквально все твердять про екологічну чистоту. Насамперед це питання позначився на автомобільному транспорті, не дарма більшість сучасних автомобілів відповідають нормам Євро 4. Навіть у нашій природа не любив країні були введені норми Євро 2. Гроші на вдосконалення екологічної безпеки автомобілів витрачаються величезні, вони йдуть на вдосконалення систем уприскування, розробку новітніх нейтралізаторів, а так само виробництво нових видів палива. Про все вище сказане знають, напевно, багато, а ось про те, що розробкою екологічно чистого двигуна в 60-х роках минулого століття займався професор Кущуль працює в Ленінградському інституті авіаційного приладобудування, знають одиниці.

Двигун, побудований професором при першому погляді, нагадував звичайний 6-ти циліндровий V подібний двигун з малим кутом розвалу циліндрів. Але це тільки при першому погляді. Насправді були і кардинальні відмінності. Двигун складався: з добре знайомих нам поршнів 1,2, шатунів не стандартної конструкції - 3,4, маховика - 5, блоку циліндрів 6. Відмінною особливістю даного двигуна було перепускний вікно 7, що сполучає між собою паралельні циліндри.

Для того щоб зрозуміти всі переваги і недоліки двигуна Кушуля давайте розглянемо його робочий процес. Впуск - поршні, як і на "звичайному" двигуні йдуть вниз, але вся різниця в тому, що один циліндр "харчується" сильно переобогащенной паливно-повітряною сумішшю, а другого перепадає тільки чисте повітря і ні грама палива. Стиснення - поршні йдуть вгору, стискаючи знаходиться всередині циліндрів "добро". Причому поршні йдуть з невеликою різницею, перший попереду другого на 20-30 градусів. Тобто коли в першому циліндрі відбувається запалювання паливно-повітряної суміші, поршень 2 знаходиться в 30-40 градусах від в.м.т .. Робочий хід - поршень 1 починає рух вниз під дією розширюються газів, в той час як поршень 2 ще продовжує свій рух нагору і стискає що знаходиться в циліндрі повітря. Через деякий час поршні вишикуються "в лінію", і тиск над поршнями 1 і 2 буде мати приблизно однакове значення. Але робочий хід триває і поршень 1 рухається вниз, тиск гарячих газів над ним при цьому зменшується, а поршень 2 все ще продовжує рухатися вгору і стискати знаходиться в циліндрі повітря. Через велику різницю тисків, повітря, що знаходиться в другому циліндрі починає перетікати в перший через перепускний вікно з величезною швидкістю. Нова порція повітря дозволяє повністю згоріти паливу, який потрапив в перший циліндр. Після того як поршень 2 пройшов в.м.т. в ньому так само починається робочий хід. Гарячі гази в цей момент часу одночасно впливають на два поршня відразу. Випуск - відкриваються випускні клапани, обидва поршня йдуть вгору, викидаючи в атмосферу продукти згоряння, все як у звичайного двигуна, але з одним застереженням. Процес випуску у двигуна Кушуля не дуже то й громогласен, виною всьому низький тиск відпрацьованих газів - паливо потрапило в один циліндр, а розширення гарячих газів сталося в двох. До речі кажучи, тут простежується і ще одна перевага цього двигуна - досить високий ККД, так як енергія гарячих газів максимально можливо використана в надрах мотора, а викид відпрацьованих газів відбувається при відносно низькому тиску і температурі.

Головний козир цього двигуна, заради чого він в принципі і створювався, низький викид шкідливих речовин, завдяки найбільш повному згорянню палива. До переваг можна так само віднести можливість роботи на різних видах палива і економічність.

Як завжди не обійшлося і без ложки дьогтю. Всі недоліки "вилізли" в процесі ходових випробувань побудованого Кушулем двигуна, який був імплантований в "тіло" легендарної "Волги". Недоліків було не багато, але вони були досить істотні. Перше - велика маса агрегату, з нею намагалися боротися, застосовуючи полегшені деталі, але термін їх служби бал значно менше ніж у масивних. Друге - незбалансована робота двигуна, так як в кожен момент часу працювало по два циліндра, то двигун був аналогічний трициліндровий мотору. Балансіонний вал в конструкції цього двигуна передбачений не був, хоча зараз практично всі трьохциліндровий двигуни працюють в парі з "балансиром".

Як і в інших випадках, конструкція цього двигуна не "пішла" з технологічних причин. Звичайний двигун був набагато простіше у виробництві, ніж двигун Кушуля. А як все тоді добре починалося.

Роторно-поршневий дизель

Про роторно-поршневих двигунах Ванкеля я думаю, чули багато. Свою популярність в нашій країні цей тип двигунів отримав, завдяки двом автомобільним компаніям - це "ВАЗ" і "Mazda". Хоча рухати першої фірми є, чесно кажучи, копією двигуна другого. "Mazda" безумовно пролила багато поту і крові доводячи конструкцію роторно-поршневого двигуна до досконалості, і їй, слід сказати, це вдалося зробити. Хоча якщо заглянути в історію, то в роторно-поршневому бумі, який був приблизно сорок років тому, взяли участь, напевно, всі компанії, які хоч якось були пов'язані з розробкою двигунів. У цей період було зроблено дуже багато цікавих роторно-поршневих двигунів. Про один з них ми з вами і поговоримо - це роторно-поршневий дизельний двигун, сконструйований знаменитою компанією "Роллс-Ройс".

На малюнку показаний двоступеневий роторно-поршневий дизель "Роллс-Ройс". Основою для двигуна служив корпус 8 в якому знаходилося дві робочі порожнини. У порожнині 3 був розташований ротор ступені високого тиску 5, а в порожнині 1 - ротор ступені низького тиску 7. Крім того, що ротори мали різний розмір, один був менше іншого в три рази, вони ще відрізнялися і формою робочої поверхні - маленький мав спеціальні виїмки, великий же цим похвалитися не міг. Обидва ротора синхронно оберталися в одному напрямку, так як були пов'язані шестеренчатой ​​передачею. Вал відбору потужності стикуються з ексцентриковим валом ротора 7. У корпусі були дві порожнини - 2,6, які з'єднували між собою щаблі високого і низького тиску, а так само два вікна - 9 і 10, відповідно випускне і впускне. Форсунка 4 перебувала у верхній частині корпусу і подавала "важке" пальне в щабель високого тиску.

Цей двигун працював Наступний чином. Ротор 7 своєю гранню відтінав від навколишнього середовища порцію Повітря, что попала в секцію низьких тиску через впускні вікно 10. Потім Повітря переміщувався по каналу 2 в секцію високого тиску, Відчуваючи невелика стисненого, но лишь до того моменту поки грань ротора 5 Чи не перетінала перепускний канал . После того як Повітря оказался в порожніні между ротором 5 и корпусом 8 ВІН відчував Сильний всебічне стисненого и поступово переносівся В робочому зону форсунки 4. После впорскування паливо в Попередньо стиснене Повітря, відбувалося згоряння. Утворилися гази розширювалися лише в секції високого тиску, але тільки до тих пір, поки грань ротора 5 не відчинила доступ до перепускному каналу 6. Після цього розширення вже відбувалося в двох секціях, до того моменту поки грань ротора 7 не відкривала випускне вікно 9.

Багато хто з вас напевно виникає питання: "А для чого необхідно було робити двигун двосекційним?" Двосекційні в першу чергу була необхідна, для того щоб організувати дизельний цикл в роторно-поршневому двигуні. По-друге, було в два рази зменшено тиск припадають на ексцентрикові вали роторів, відповідно це дало збільшення ресурсу двигуна.

При конструюванні цього незвичайного двигуна компанією "Роллс-Ройс" було вирішено величезна кількість технічних завдань. Великі проблеми були пов'язані з підбором ідеальної форми виїмок виконаних в робочій поверхні ротора ступені високого тиску. Багато часу зайняли питання, пов'язані з підшипниками ротора і радіальними ущільненнями. Так як в дизельному двигуни навантаження на ці елементи набагато більше, ніж, в двигуні, що працює на бензині.

Після того як двигун остаточно був доведений до розуму, фірмі "Роллс-Ройс" довелося зробити важкий для себе рішення. А саме - закрити цей проект. Так як двигун хоч і радував своїми позитивними рисами, сюди можна віднести всі плюси дизельних двигунів і додати компактність Р.П.Д., але був досить складний у виробництві, мав високу собівартість і що найважливіше малий ресурс.

Максим втішити