Николай и Александр Школьники разработали перспективный двигатель роторного типа X1 с высоким КПД
Роторный двигатель X1
Компания LiquidPiston, занимающаяся разработкой двигателя роторного типа по новой технологии, получила финансирование от агентства передовых оборонных исследований DARPA. Новый двигатель получил кодовое название X1. Во главе исследований и разработки стоит два человека — отец и сын, Николай и Александр Школьники, работы ведутся в городе Блумфилд, штат Коннектикут.
По их заявлениям, разработанный новый тип роторного двигателя значительно превосходит КПД обычных двигателей внутреннего сгорания, так, тепловой КПД двигателя X1 достигает 50%, при том, что КПД двигателя внутреннего сгорания не превышает 20-30%.
Добиться 50-ти процентного КПД у двигателя внутреннего сгорания можно, для этого придется добавить в дизельный двигатель турбонаддув с промежуточным охлаждением, но такая система станет слишком габаритной для комерчесеского применения.
В своем анонсе Александр Школьник сравнивает размеры двигателей и их мощность, размер обычного дизельного генератора на 3 кВт составляет 100?60?60 см и весит более 70 кг, а разработанный ими генератор на основе роторного двигателя с такой же мощностью будет весить всего 15 кг при габаритных размерах 30?30 см.
Разработчики постарались взять лучшее от разных тепловых циклов и уменьшить потери энергии двигателя. Теоретический предел КПД нового двигателя — 75%, но пока инженеры трудятся над достижением реального показателя в 57%.
Работа двигателя X1 напоминает процесс работы известного роторного двигателя Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор закреплён на эксцентрическом валу, и содержит в себе каналы для впуска газовой смеси и выпуска отработавших газов. Расположенные по углам равностороннего треугольника свечи отрабатывают по разу за один оборот вала. Двигатель работает на прямом впрыске и обеспечивает высокую степень сжатия — 18:1. Не меняющийся во время сгорания объём камеры позволяет сжигать топливо дольше и полнее. Отработавшие газы достигают почти атмосферного давления перед выходом, в связи с чем успевают отдать почти всю свою энергию ротору.
Высокая эффективность также позволяет отказаться от водяного охлаждения двигателя. Работая под нагрузкой, двигатель может пропускать циклы зажигания и засасывать воздух, который будет охлаждать его. Рассматривается даже вариант впрыска в камеру сгорания воды, которая будет охлаждать двигатель, уменьшать выбросы отработавших газов и одновременно превращаться в пар, толкающий ротор.
Компактность и мощность двигателя заинтересовали военных, которым требуются портативные энергетические системы. В случае успешного внедрения двигатель найдёт множество применений — переносной электрогенератор, двигатель для беспилотных аппаратов, и многое другое.
Инженеры придумали новый двигатель ещё в 2003 году. К 2012 году был построен первый прототип, о котором написали в журнале «Популярная механика». В 2015 году компания не только заключила контракт с DARPA, но и приступила к разработкам мини-версии двигателя.
Плюсы и минусы роторно-поршневого двигателя
Лента заявок Стоимость экспертиз ОБУЧЕНИЕ Контакты
Немного истории. Первый роторно-поршневой двигатель (РПД) был представлен народу в далеком 1957 году. Основоположниками в данной области были два немецких инженера, Феликс Ванкель и Вальтер Фройд. Изначально оба работали над разными конструкциями РПД, но позже объединив свои усилия, выпустили в свет роторно-поршневой двигатель. В настоящее время с РПД можно встретить такие авто, как Mazda RX-8, Mazda RX-7. Совсем недавнем прошлом, роторно-поршневые моторы выпускались и в России, на автозаводе ВАЗ. Но долго он тоже не продержался и сейчас уже это все в прошлом. Конструкция РПД совершенно отличная от классического двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В этом моторе нет привычных поршней. Роль поршня выполняет трехгранный ротор. Ротор приводится в движение валом и движется эксцентрично. Как и классического ДВС у РПД так же 4 такта:
- Впуск.
- Сжатие.
- Рабочий ход.
- Выпуск.
Принцип тут такой, что за 1 оборот ротора вокруг своей оси выполняется 4 такта. В каждой из трех камер происходит такт поддерживающий работоспособность двигателя.
Теперь рассмотрим плюсы и минусы роторно-поршневого двигателя, начнем с плюсов:
- Роторно-поршневой двигатель имеет максимальную отдачу и КПД составляет 45%, для сравнения у дизельного ДВС этот показатель около 40%, а у бензинового ДВС и того меньше – 30%.
- Минимальный уровень вибраций. Это обусловлено тем, что ротор движется по кругу и не делает возвратно-поступательных движений как классический ДВС. Плюс РПД хорошо сбалансированы.
- РПД имеет отличные динамические характеристики, обладают высокой мощность и хорошим крутящим моментом. Так, при объеме в 1.3 литра мотор имеет показатель мощности на уровне 231 л.с и крутящий момент, равный 210Нм.
- Компактность. Благодаря простоте конструкции и сведенного до минимума количества деталей такие моторы весьма компактны и имеют весьма малый вес.
Исходя из вышеперечисленного, можно сказать, что роторно-поршневой двигатель весьма хорош и вполне способен конкурировать с классическими моторами. Но не все так просто как кажется. Давай рассмотрим минусы РПД.
Минусы роторно-поршневого двигателя
- Начнем пожалуй с самого главного минуса, это неимоверно маленький моторесурс двигателя. В среднем эти показатели не превышают отметку в 200 тысяч км.
- Дороговизна. Так как при изготовлении РПД требуется точнейшее оборудование, для выполнения точнейших работ над деталями, то и цена на запчасти и на сами моторы изначально очень высока. Поэтому РПД гораздо дороже чем классический ДВС.
- Замена масла. С маслом тоже ничего хорошего. Мотор очень трепетный и требует к себе большого внимания. Масло следует менять каждые 5 тысяч км, а то и чаще. Подливать масло тоже приходится регулярно, расход на тысячу км от 400 до 1000 мл.
- Большой расход топлива. При объем в 1.3л этот монстр, в смешанном цикле, кушает 15-20л бензина на 100 км пробега.
- Высокая токсичность выхлопа. Из-за того, что с топливовоздушной смесью горит некоторая часть масла в атмосферу выходит слишком грязный выхлоп.
- Огромная склонность к перегреву. Это сказывается из-за формы камеры сгорания РПД.
- Частая замена уплотнителей камер сгорания из-за большого воздействия ротора.
Вот и рассмотрели плюсы и минусы РПД. Сказать, что роторно-поршневой двигатель это плохой двигатель нельзя, потому что его результативность и КПД говорят сами за себя, но из некоторых недоработок конструкции, а точнее ее необычности имеется ряд недостатков. Конечно с годами это все решается и при появлении должных материалов качество этих моторов будет только расти. Но пока что РПД далековато до совершенства.
Роторный двигатель LiquidPiston мощностью 40 л.с. с тепловым КПД 75 % — UAS VISION
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) успешно зарекомендовал себя в течение полутора столетий. К сожалению, он заведомо неэффективен, тратя впустую от 30 до 99 процентов производимой энергии и выбрасывая несгоревшее топливо в воздух.
На прошлой неделе Gizmag взял интервью у доктора Александра Школьника, президента и главного исполнительного директора LiquidPiston, Inc., о разработанном компанией LiquidPiston X2 — роторном двигателе мощностью 40 л.с., который работает на различных видах топлива и не требует клапанов, систем охлаждения, радиаторов или глушителей. но обещает термодинамическую эффективность 75 процентов. Соучредитель LiquidPiston со своим отцом Николаем, доктор Школьник считает, что двигатель внутреннего сгорания находится в конце своего цикла разработки.
По словам Школьника, за 150 лет ДВС сделал столько дополнительных улучшений, сколько смог. Многие разновидности ДВС, такие как цикл Отто, используемый бензиновыми двигателями, и цикл Дизеля, имели свои успешные стороны, но все они не были настолько эффективными, насколько могли бы быть. Даже такие двигатели, которые кажутся очень эффективными, например дизельные, не так хороши, как может показаться. «На первый взгляд каждый скажет, что дизельный двигатель более эффективен (чем бензиновый). Правда в том, что если бы у вас были оба двигателя с одинаковой степенью сжатия, двигатель с искровым зажиганием имеет более быстрый процесс сгорания и более эффективный процесс. На практике это ограничивается более низкой степенью сжатия, иначе вы получите самовозгорание».
Подход LiquidPiston к проблеме заключался в том, чтобы вернуться к основам термодинамики и работать над развитием того, что Школьник называет «высокоэффективным гибридным циклом» (HEHC), который сочетает в себе черты циклов Отто, Дизеля, Ренкина и Аткинсона. .
Идея состоит в том, чтобы сжать воздух в двигателе LiquidPiston X2 до очень высокой степени, как в дизельном цикле, а затем изолировать его в камере постоянного объема. Когда топливо впрыскивается, оно смешивается с воздухом и самовоспламеняется, как в дизельном двигателе, но топливно-воздушная смесь не может расширяться. Вместо этого он остается сжатым в постоянном объеме, чтобы он мог гореть в течение длительного периода времени, как в цикле Отто. Когда горящей топливно-воздушной смеси дают возможность расшириться, она перерасширяется до давления, близкого к атмосферному. Таким образом, все топливо сгорает, и почти вся высвобождаемая энергия используется в качестве работы. Школьник называет это использование сжигания постоянного объема «святым Граалем автомобильной техники».
Постоянное сгорание и перерасширение обеспечивают двигатель HEHC, такой как X2, рядом преимуществ. Школьник отмечает, что двигатель X2 исключительно тихий, потому что сжигает все свое топливо. В современных двигателях с ДВС через выхлопную трубу выходит угрожающее количество топлива. Это не только снижает эффективность использования топлива и загрязняет воздух, но и делает двигатель шумным. Поскольку двигатель X2 полностью сжигает топливо, нет необходимости в сложном глушителе.
Перерасширение, используемое в цикле, также означает, что отработанного тепла очень мало. ДВС преобразует только 30 процентов своего тепла в работу, в то время как тепловой КПД двигателя X2 составляет 75 процентов, поэтому в системе водяного охлаждения нет необходимости. Воду можно впрыскивать в двигатель HEHC во время сжатия или расширения для охлаждения, но это также помогает смазывать и герметизировать камеру, а по мере того, как вода охлаждает двигатель, она превращается в перегретый пар, что повышает эффективность двигателя.
Школьник говорит, что двигатель X2 является роторным, потому что поршневые двигатели не подходят для HEHC, а роторный двигатель обеспечивает гораздо большую гибкость. Кроме того, использование роторной конструкции значительно упрощает двигатель, поскольку требуется всего три движущихся части и 13 основных компонентов. Это позволяет X2 быть одной десятой размера сопоставимого дизельного двигателя.
Когда его спросили, не является ли двигатель X2 просто обновленным двигателем Ванкеля, Школьник ответил, что, хотя оба двигателя являются роторными, двигатель Ванкеля сильно отличается. Во-первых, он использует простой цикл Отто, как поршневой двигатель, и работает с гораздо более низкой степенью сжатия, чем X2. Для сравнения, двигатель X2 почти противоположен двигателю Ванкеля. «Это почти как двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку», — сказал Школьник.
Двигатель X2 не только работает по принципу, отличному от принципа Ванкеля, но и не имеет тех же ограничений. Двигатель X2 имеет лучшее отношение поверхности к объему, у него нет термодинамических ограничений цикла Отто и у него нет проблем с выбросами, характерных для цикла Ванкеля. У Ванкеля есть верхние уплотнения, которые перемещаются вместе с ротором и нуждаются в смазке. Для этого на них необходимо распылить масло, а это означает, что двигатель Ванкеля сжигает масло во время работы, что приводит к высоким выбросам, которые в последнее время ограничивают его использование. С другой стороны, двигатель X2 перемещает уплотнения от ротора к картеру, поэтому специальной смазки не требуется.
Источник: Gizmag
Опубликовано в разделе «Движение и энергетика самолетов, приложения, испытания и опыт» редактором. 5 комментариев ing CarsГеологияHAPSИнспекцииСтрахованиеПусковые установки и системы восстановленияПравоохранительные органыОтдыхЛегче воздухаВоенные UASНациональные ассоциацииНовостиМневоенные & Коммерческий UASOPAPПатентыПолезная нагрузкаТрубопроводыЛинии электропередачПубликацииРадарНормативные вопросыУдаленный IDRИсследованиеРобототехникаПрограммное обеспечениеSPRSwarmsВзлет и посадкаЦелиТехнологииИспытательные полигоныПривязанныйОбучениеТранспортНЛОБез категорииБеспилотное воздушное таксиГородская воздушная мобильностьУтилитыUTMВидеоСВВПСистемы вооруженияРабочие группы сообщите об этом объявленииПодписаться
Двигатель Rotary-X — революция в термодинамике
хорошо, что вам нужен много портативной энергии для всего, от связи до систем управления вооружением. Когда дело доходит до ваших генераторов, каждая унция на счету. Чем меньше и легче вы можете их получить, тем лучше.
Компания LiquidPiston из Коннектикута разрабатывает мощный генератор для армии США, в котором используется собственный роторный x-двигатель компании — маленький, легкий и мощный зверь, который звучит как воплощение мечты. Он может работать на бензине, дизельном топливе, природном газе, керосине или реактивном топливе и масштабируется от 1 до 1000 лошадиных сил (PDF).
Соучредитель и генеральный директор Алекс Школьник описывает конструкцию как комбинацию лучших частей двигателей цикла Отто и Аткинсона, дизеля и роторного двигателя Ванкеля, одновременно решая большие проблемы последних двух. Звучит впечатляюще, но это мало что значит, если вы не понимаете, как работает каждый из этих движков и каковы их различные преимущества и недостатки. Итак, давайте заглянем под капот, не так ли?
Всасывание, сжатие, удар, удар
Для целей данного обсуждения цикл Отто, цикл Аткинсона и дизельный двигатель являются четырехтактными двигателями. Это означает, что при каждом импульсе производимой мощности поршни перемещаются четыре раза, коленчатый вал вращается дважды, а зажигание происходит один раз. Эти четыре такта называются впуск, сжатие, мощность и выпуск, или, как их называют в просторечии, всасывание, сжатие, удар и выдувание.
Эффективность любого поршневого двигателя можно объяснить с точки зрения степени сжатия цилиндра. Статическая степень сжатия относится к разнице между объемом в цилиндре, когда поршень находится в нижней части хода — начале сжатия — и объемом, когда поршень находится в верхней части хода или в конце сжатия. При расчете степени динамического сжатия также учитываются газы, входящие и выходящие из цилиндра. В общем, чем выше степень сжатия, тем лучше. Высокая степень сжатия позволяет максимально эффективно использовать топливо в баке.
Отличия этих двигателей заключаются в количестве и форме подвижных частей, схемах забора воздуха и топлива, воспламенения топлива. В качестве отправной точки для обсуждения четырехтактных двигателей в целом давайте рассмотрим типичный бензиновый двигатель внутреннего сгорания, используемый во многих автомобилях, также известный как двигатель с циклом Отто.
Цикл Отто
Двигатель с циклом Отто состоит из одного или нескольких поршней, движущихся внутри цилиндров. Поршни присоединены к коленчатому валу через соединители, которые превращают движение поршня вверх и вниз во вращательное движение коленчатого вала. Это вращательное движение передается на коробку передач и на колеса, двигая автомобиль вперед или назад.
Во время такта впуска поршень движется вниз к нижней мертвой точке, и цилиндр заполняется топливно-воздушной смесью из клапана в верхней части цилиндра. На такте сжатия поршень движется обратно вверх к верхней мертвой точке и сжимает топливовоздушную смесь, сжимая и нагревая ее. Мощность вырабатывается, когда свеча зажигания искрит, воспламеняя сжатую воздушно-топливную смесь и заставляя поршень возвращаться вниз, что проворачивает коленчатый вал во второй раз. Наконец, поршень возвращается к верхней мертвой точке на такте выпуска и выталкивает отработавшую топливно-воздушную смесь через выпускное отверстие. Скорость, с которой двигатель делает это, составляет от 600 до 1000 оборотов в минуту (об/мин) на холостом ходу до точки, где данный потребительский бензиновый двигатель красной черты — обычно где-то около отметки 5500-7000 об/мин.
Чем больше поршней в двигателе, работающем по циклу Отто, тем плавнее он будет работать. Основные преимущества двигателя с циклом Отто заключаются в том, что он потребляет мало масла, экономит топливо и имеет меньше вредных выбросов, чем дизельные двигатели. Одним из основных недостатков является то, что в этих двигателях много движущихся частей, и когда они выходят из строя, они, как правило, выходят из строя эффектно.
Анимация Майкла Фрея с Wikimedia CommonsЦикл Аткинсона
Двигатели, работающие по циклу Аткинсона, существуют с конца 1800-х годов и сегодня широко используются в гибридных автомобилях. Аткинсон — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, очень похожий на цикл Отто, но есть большая разница: впускной клапан остается открытым в течение первой части такта сжатия.
Это может показаться расточительным, но эта воздушно-топливная смесь не просто теряется через открытый воздухозаборник — она попадает в следующий поршень, предварительно нагретый и готовый к воспламенению. Поскольку изменяемых фаз газораспределения еще не было, в оригинальных двигателях с циклом Аткинсона использовалась рычажная связь для изменения фаз газораспределения.
Степень расширения двигателя, работающего по циклу Аткинсона, больше, чем степень сжатия, а значит, он более эффективен. У него меньше мощности, но в паре с электродвигателем они дополняют друг друга. Другими преимуществами являются снижение насосных потерь — накачка воздуха и топлива и откачка выхлопных газов требуют работы, и для выполнения этих функций требуется меньше энергии.
Дизель
Двигатель Рудольфа Дизеля тоже четырехтактный, но немного по-другому. Во время такта впуска цилиндр всасывает только воздух, а не топливо. Такт сжатия сжимает воздух и нагревает его до ~ 1300 ° F. В начале рабочего такта топливо впрыскивается в цилиндр, где оно мгновенно воспламеняется среди горячего воздуха, толкая поршень вниз. Такт выпуска тот же — отработавшая топливно-воздушная смесь выбрасывается через выпускной клапан.
Что интересно в Дизеле, так это отсутствие свечей зажигания. Они им не нужны — сжатие нагревает воздух настолько, что при впрыске топлива оно взрывается без искры. Дизели имеют лучшую экономию топлива, чем двигатели с циклом Отто, но их покупка и обслуживание обходятся дороже, чем автомобили с бензиновым двигателем. Дизельное топливо также часто дороже.
Поскольку дизельные двигатели воспламеняются от сжатия, они имеют более высокую степень сжатия (и более длинные цилиндры), чем бензиновые двигатели. Это создает больший крутящий момент, что хорошо для больших нагрузок, но цена заключается в более низкой скорости взлета.
Анимация Y_tambe с Wikimedia CommonsРотор Ванкеля
Вот где все становится по-настоящему интересным. Феликс Ванкель разработал свой роторный двигатель в 1950-х годах, основываясь на мечте, приснившейся ему в подростковом возрасте. Вместо поршней и цилиндров ротор Ванкеля имеет один большой ротор с тремя движущимися сторонами в корпусе овальной формы. Ротор соединен с эксцентриковым валом, и благодаря своей конструкции двигатель преобразует давление сгорания непосредственно во вращательное движение эксцентрикового вала.
Ванкеля — компактный двигатель с меньшим количеством движущихся частей. В нем используются те же четыре такта, но только в термодинамическом смысле — ротор и эксцентриковый вал — единственные движущиеся части. Эксцентриковый вал действует как коленчатый вал, передавая мощность на трансмиссию.
Двигатели Ванкеля имеют более плавный ход и могут работать на более высоких оборотах, но они предназначены для сжигания масла, чтобы поддерживать смазку внутренних уплотнений. Как вы можете себе представить, это означает, что у них ужасные выбросы.
Слева: двигатель мопеда Honda Metropolitan объемом 49 куб. см. Справа: 70-кубовый двигатель LiquidPiston X-Mini. Изображение предоставлено LiquidPistonRotary X: Ванкель, вывернутый наизнанку
Самое потрясающее в роторном x-двигателе — это соотношение мощности к размеру. Например, LiquidPiston продемонстрировала свой двигатель армии, создав генератор Compact Artillery Power System (CAPS) для питания цифровой системы управления огнем на гаубице M777.
Сегодня системе требуется генератор, для перемещения которого нужен грузовик. LiquidPiston построила его весом 41 фунт (18,6 кг) и размером примерно с игровой ПК. Армия была настолько впечатлена, что заключила с LiquidPiston контракт на исследования в области инноваций для малого бизнеса для дальнейшей разработки генератора для «ряда военных вариантов использования».
Если вы хотите понять, как работает роторный Х-двигатель, возьмите почти все, что вы знаете о Ванкеле, и выверните его наизнанку. Wankel имеет треугольный ротор в овальном корпусе, а Rotary X имеет овальный ротор в треугольном корпусе. Оба двигателя имеют только две основные движущиеся части — ротор и вал.
Каждая из трех камер корпуса Rotary X сравнима с поршнем. Впускные и выпускные отверстия и камеры встроены в сам ротор. На каждый оборот ротора приходится три акта сгорания. Этот двигатель может быть таким маленьким и эффективным, потому что LiquidPiston переработал термодинамический цикл, чтобы выжать больше мощности. Видео ниже объясняет это довольно хорошо.
Увидим ли мы когда-нибудь эти двигатели в потребительских автомобилях? Может быть, когда-нибудь, но до этого многое должно произойти. Более чем вероятно, что крупный производитель примет эту технологию и внедрит ее в автомобиль так же, как Mazda применила Ванкельса в RX-7 и 8. Даже в этом случае нет гарантии, что они взлетят, хотя LiquidPiston утверждает, что они подходят как для основного двигателя, так и для части гибридной системы.
LiquidPiston предлагает наборы для разработки x-mini по цене от 30 000 долларов, но вы должны пообещать, что не будете заниматься их обратной разработкой.