Роторно

Роторно-поршневой двигатель или двигатель Ванкеля — это двигатель, в котором основным рабочим элементом является планетарное круговое движение. Это принципиально иной тип двигателя, чем его поршневые собратья из семейства двигателей внутреннего сгорания.

В его конструкции используется ротор (поршень) с тремя торцевыми стенками, внешне образующими треугольник Рэло, который совершает круговые движения в цилиндре со специальным профилем. Чаще всего поверхность цилиндра выполняется на эпитрохоиде (плоская кривая, полученная точкой, жестко связанной с окружностью, которая совершает движение по внешней стороне другой окружности). На практике можно встретить цилиндр и ротор других форм.

Содержание

1. Составные элементы и принцип работы
2. Смесеобразование
3. Особенности РПД
4. Преимущества
5. Недостатки двигателя Ванкеля
6. КПД роторно-поршневой конструкции
7. Современное состояние роторно-поршневого двигателя
8. Российские РПД

Составные элементы и принцип работы

Конструкция двигателя VFD чрезвычайно проста и компактна. Ротор установлен на ведомом валу, который постоянно соединен с шестерней. Последний соединен со статором. Ротор, имеющий три поверхности, движется вдоль эпитрохоидальной цилиндрической плоскости. В результате чередующиеся объемы рабочих камер цилиндра закрываются тремя клапанами. Уплотнительные пластины (торцевого и радиального типа) прижимаются к цилиндру газовой и центростремительной силами и ленточными пружинами. Это создает 3 изолированные камеры с различными размерами объема. Здесь происходят процессы сжатия поступающей топливно-воздушной смеси, расширения газов, оказывающих давление на рабочую поверхность ротора, и продувки камеры сгорания от газов. Эксцентриковая ось передает круговое движение ротору. Сама ось установлена на подшипниках и передает крутящий момент на трансмиссию. В этих двигателях две механические пары работают одновременно. Один, состоящий из шестеренок, управляет движением самого ротора. Другой преобразует вращательное движение поршня во вращательное движение эксцентриковой оси.

Детали роторно-поршневого двигателя

Принцип работы двигателя Ванкеля

Примеры двигателей, устанавливаемых на автомобили ВАЗ, включают следующие характеристики:
— 1 308 куб. см — рабочий объем камеры ППД;
— 103 кВт/6000 мин-1 — номинальная мощность;
— 130 кг — вес двигателя;
— 125 000 км — ресурс двигателя до первого капитального ремонта.

Смесеобразование

Теоретически в ППД используется несколько типов смесеобразования: внешнее и внутреннее, на основе жидкого, твердого, газообразного топлива.
В случае с твердым топливом стоит обратить внимание на его предварительную газификацию в газовых установках, так как она приводит к повышенному образованию золы в баллонах. Поэтому на практике чаще используется газообразное и жидкое топливо.
Сам механизм смесеобразования в двигателях Ванкеля зависит от типа используемого топлива.
Если используется газообразное топливо, оно смешивается с воздухом в специальной камере на входе в двигатель. Горючая смесь поступает в цилиндры, готовая к использованию.

При использовании жидкого топлива смесь готовится следующим образом:

1. Воздух смешивается с жидким топливом перед тем, как попасть в цилиндры, в которые поступает горючая смесь.
2. Жидкое топливо и воздух поступают в цилиндры двигателя по отдельности и затем смешиваются внутри цилиндра. Горючая смесь образуется из остаточных газов.

Поэтому топливно-воздушная смесь может смешиваться как снаружи, так и внутри цилиндров. Это разделяет двигатели с внутренним или внешним смесеобразованием.

Особенности РПД

Преимущества

Преимущества роторно-поршневых двигателей перед стандартными бензиновыми двигателями:

— Низкий уровень вибрации.
В роторно-поршневых двигателях отсутствует возвратно-поступательное движение, поэтому агрегат может работать на высоких оборотах с меньшей вибрацией.

— Хорошие динамические характеристики.
Установленный в машине двигатель, благодаря своей конструкции, позволяет ей разгоняться до скорости выше 100 км/ч на высоких оборотах без перегрузок.

— Хорошая удельная мощность и малый вес.
Отсутствие коленчатого вала и шатунов означает, что двигатель имеет малую массу движущихся частей.

— Система смазки практически отсутствует.
Масло добавляется непосредственно в топливо. Топливно-воздушная смесь сама осуществляет смазку пар трения.

— Роторно-поршневой двигатель имеет небольшие габаритные размеры.
Установленный роторно-поршневой двигатель максимально использует полезное пространство моторного отсека, равномерно распределяет нагрузку по осям автомобиля и лучше рассчитывает положение компонентов и узлов трансмиссии. Например, четырехтактный двигатель такой же мощности был бы в два раза больше роторного двигателя.

Недостатки двигателя Ванкеля

— Качество моторного масла.
При эксплуатации данного типа двигателя необходимо уделять должное внимание качеству масла, используемого в двигателях Ванкеля. Ротор и внутренняя камера двигателя имеют большую площадь контакта, что приводит к повышенному износу и постоянному перегреву. При нерегулярной замене масла двигателю наносится большой ущерб. Износ двигателя многократно увеличивается из-за абразивных частиц, содержащихся в отработанном масле.

— Качество свечей зажигания.
Операторы этих двигателей должны обращать особое внимание на состав свечей зажигания. Камеру сгорания трудно воспламенить из-за ее малого объема, вытянутой формы и высокой температуры. Это приводит к высокой рабочей температуре и периодической детонации в камере сгорания.

— Материалы уплотнительных элементов.
Существенным недостатком двигателя типа PDE является ненадежная организация зазоров между камерой сгорания и ротором. Конструкция ротора такого двигателя довольно сложна, поэтому требуются уплотнения как по краям ротора, так и на боковой поверхности, контактирующей с крышками двигателя. Поверхности, подверженные трению, должны смазываться постоянно, что приводит к повышенному расходу масла. Практика показывает, что двигатель, работающий на оборотах, может потреблять от 400 грамм до 1 кг масла на каждые 1000 км. Экологичность двигателя снижается, так как топливо сгорает вместе с маслом, выделяя в окружающую среду большое количество вредных веществ.

Из-за своих недостатков эти двигатели не получили широкого распространения в автомобильной и мотоциклетной промышленности. Но компрессоры и насосы изготавливаются на основе ЧРП. Авиамоделисты часто используют такие двигатели при строительстве своих моделей. Из-за низких требований к эффективности и надежности конструкторы не используют в таких двигателях сложную систему уплотнений, что значительно снижает их стоимость. Благодаря своей простоте его легко встроить в модель самолета.

КПД роторно-поршневой конструкции

Несмотря на многочисленные недостатки, исследования показали, что общая эффективность двигателя Ванкеля довольно высока по современным стандартам. Она составляет от 40% до 45%. Для сравнения, у поршневого двигателя внутреннего сгорания КПД составляет 25%, а у современного турбодизельного двигателя — около 40%. Наибольший КПД поршневого дизельного двигателя составляет 50%. На сегодняшний день ученые все еще работают над поиском способов повышения эффективности двигателей.

Общая эффективность двигателя состоит из трех основных частей:

1. Топливная эффективность (показатель, характеризующий рациональное использование топлива в двигателе).

Исследования в этой области показывают, что только 75 процентов топлива сгорает полностью. Считается, что эта проблема решается путем разделения процессов сгорания и расширения газа. Необходимо обеспечить специальные камеры с оптимальными условиями. Сгорание должно происходить в замкнутом контуре, с возрастающими значениями температуры и давления; процесс расширения должен происходить при низких температурах.

1. Механический КПД (описывает работу, которую производит крутящий момент главной оси, передаваемый потребителю).

Примерно 10% мощности двигателя используется для привода вспомогательных агрегатов и механизмов. Этот недостаток можно устранить, внеся изменения в двигатель: главный приводной элемент не касается неподвижного корпуса.

На протяжении всего хода основного рабочего органа должно присутствовать постоянное плечо крутящего момента.

1. Тепловой КПД (мера количества тепловой энергии, создаваемой при сгорании топлива, которая преобразуется в полезную работу).

На практике 65% вырабатываемой тепловой энергии уходит с выхлопными газами во внешнюю среду. Ряд исследований показал, что термический КПД может быть увеличен, если конструкция двигателя позволяет сжигать топливо в изолированной камере, так что максимальная температура достигается с самого начала, а в конце эта температура снижается до минимума за счет включения паровой фазы.

Современное состояние роторно-поршневого двигателя

Массовому применению двигателя мешали значительные технические трудности:
— развитие качественного рабочего процесса в камере неблагоприятной формы;
— обеспечивая герметичность рабочего объема;
— проектирование и изготовление корпусных деталей, которые надежно выдерживали бы весь срок службы двигателя, не деформируясь при неравномерном нагреве этих деталей.
В результате обширных исследований и разработок этим компаниям удалось решить практически все наиболее сложные технические проблемы при разработке ПМП и достичь стадии их промышленного производства.

Первым серийно выпускаемым NSU Spider с RHD был NSU Motorenwerke. Из-за частых ремонтов двигателей, вызванных вышеупомянутыми техническими проблемами на ранней стадии разработки двигателя Ванкеля, гарантийные обязательства NSU привели к финансовому краху и банкротству компании, за которым последовало слияние с Audi в 1969 году.
В период с 1964 по 1967 год было выпущено 2 375 автомобилей. В 1967 году модель Spider была снята с производства и заменена моделью NSU Ro80 с роторным двигателем второго поколения; за десять лет производства Ro80 было выпущено 37398 автомобилей.

С этими проблемами лучше всего справились инженеры Mazda. Это единственный массовый производитель автомобилей с роторно-поршневыми двигателями. Модифицированный двигатель был запущен в серийное производство в 1978 году для модели Mazda RX-7. С 2003 года преемственность перешла к Mazda RX-8, которая в настоящее время является серийной и единственной версией автомобиля с двигателем Ванкеля.

Российские РПД

Первое упоминание о роторном двигателе в Советском Союзе относится к 1960-м гг. Исследовательские работы по роторно-поршневым двигателям начались в 1961 г. по соответствующему постановлению Министерства автомобильной промышленности и Министерства сельского хозяйства СССР. Промышленные исследования с последующим вводом в эксплуатацию этой конструкции начались в 1974 году на ВАЗе. Поскольку лицензию приобрести не удалось, был разобран и скопирован серийный «ванкель» от NSU Ro80. На этой основе был разработан и собран двигатель Ваз-311, и это знаменательное событие произошло в 1976 году. На ВАЗе была разработана целая линейка двигателей ППД мощностью от 40 до 200 л.с. На завершение проекта ушло почти шесть лет. Был успешно решен ряд технических задач по изготовлению газовых и масляных уплотнений, подшипников, отладке эффективного процесса работы в камере неблагоприятной формы. Первый серийный автомобиль ВАЗ с роторным двигателем под капотом был представлен публике в 1982 году, это был ВАЗ-21018. Внешне и конструктивно он был таким же, как и все модели линейки, за одним исключением, а именно односекционным роторным двигателем мощностью 70 л.с. под капотом. Длительность разработки не помешала компромиссу: все 50 прототипов имели отказы двигателя, что вынудило завод заменить его на обычный поршневой двигатель.

ВАЗ 21018 с роторно-поршневым двигателем

После того, как было установлено, что причиной отказов была вибрация механизма и ненадежные уплотнения, конструкторы попытались спасти конструкцию. Уже в 83-м году были представлены двухсекционные Ваз-411 и Ваз-413 (120 и 140 л.с. соответственно). Несмотря на низкую эффективность и малый ресурс, для использования роторных двигателей было найдено место — Госавтоинспекции, КГБ и МВД требовались мощные и неприметные машины. Автомобили «Жигуль» и «Волга» с роторными двигателями легко обгоняли иномарки.

Начиная с 1980-х годов, SKB была увлечена новой темой — использованием роторных двигателей в смежной отрасли — авиации. Отход от основной отрасли применения ППД привел к тому, что роторный двигатель Ваз-414 был разработан для переднеприводных автомобилей только в 1992 году, и на его доводку ушло еще три года. В 1995 году Ваз-415 был представлен на сертификацию. В отличие от своих предшественников, он универсален и может устанавливаться под капот как заднеприводных («классика» и ГАЗ), так и переднеприводных автомобилей (ВАЗ, «Москвич»). Его рабочий объем составляет 1308 куб. см, а мощность — 135 л.с. при 6 000 об/мин. «Девяносто девятый» разгоняется до сотни за девять секунд.

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.

Роторный двигатель

LiquidPiston мощностью 40 л.с. обеспечивает тепловой КПД 75 % — UAS VISION

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) имел удивительно успешную историю в течение полутора веков. 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: Гизмаг

Опубликовано в разделе «Движение и энергетика самолетов», «Применения, испытания и опыт» 1 ноября 2012 г. редактором. 5 Comments

Search by Category

Search by CategorySelect CategoryAccident ReportingAerial PhotographyAgricultureAIAircraft Propulsion & EnergyAnti-DroneApplications & Testing & ExperienceBusiness NewsBVLOSConstructionConsumer DronesControl Stations & Remote Video TerminalsDataData Links & CommunicationsDrone Light ShowsDrone RacingElectronic Sub-SystemsEventseVTOLFirst RespondersFlying CarsGeologyHAPSInspectionsInsuranceLaunchers & Recovery SystemsLaw EnforcementLeisureLighter Than AirMilitary UASNational AssociationsNewsNon-Military & Коммерческий UASOPAPПатентыПолезная нагрузкаТрубопроводыЛинии электропередачПубликацииРадарНормативные вопросыУдаленный IDRИсследованиеРобототехникаПрограммное обеспечениеSPRSwarmsВзлет и посадкаЦелиТехнологииИспытательные полигоныПривязанныйОбучениеТранспортБез категорииБеспилотное воздушное таксиГородская воздушная мобильностьУтилитыUTMВидеоСВВПСистемы вооруженияРабочие группы

Follow

Двигатель Rotary-X — революция в термодинамике системы 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 возвращается 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 Commons

Цикл 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 нагретая и готовая 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 требует 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 Commons

Ротор 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 LiquidPiston

Rotary 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.