Летающая тарелка заменила все поршни в сверхлёгком моторе

За более чем 100-летнюю историю поршневых ДВС конструкторы довели их до совершенства. Но ведь всегда хочется большего? В этом случае можно попробовать создать нечто совсем уж оригинальное. Например, перевернуть принцип действия мотора с ног на голову, остановив поршни или заставив работать прецессию и нутацию вращающихся деталей.

Несколько коллективов инженеров, работавших на деньги исследовательской лаборатории американской армии (Army Research Laboratory), подготовили к научной армейской конференции (Army Science Conference), которая пройдёт с 27 по 30 ноября в Орландо, ряд интересных проектов.

 

 

Среди них стоит выделить пару нетрадиционных по конструкции двигателей внутреннего сгорания. Тут нужно уточнить, что изобретены они были несколько ранее, а сейчас, на деньги военных, доработаны, усовершенствованы и приспособлены для тех областей применения, которые наметили генералы: лёгкие беспилотные летательные аппараты, портативные генераторы и другие подобные устройства, где высокое отношение мощности движка к его размерам и массе играет важную роль.

Именно такими высокими удельными параметрами могут похвастаться моторы, представленные на конференции. Рассмотрим их поближе.

Первый называется "Нутационный двигатель" (Nutating Engine), или двигатель "колебательный". Патент на него принадлежит Леонарду Мейеру (Leonard Meyer).

Двигатель этот может быть выполнен в двух вариантах — с одним диском и с двумя, каждый из которых заключён в собственный корпус. Для начала рассмотрим первый вариант.

Нутационный двигатель полагается в своей работе на колеблющуюся "летающую тарелку" (иллюстрация с сайта asc2006.com).

Итак, мы имеем нечто вроде летающей тарелки, нанизанной на Z-образный вал (смотрите большой разрез на первом рисунке: рабочий диск — "летающая тарелка" — составлен из красной и жёлтой половинок с шаром в центре, вал двигателя показан белым, а его наклонная часть — серо-синим).

При вращении вала двигателя рабочий диск не вращается, а только колеблется. Как видно на разрезе, между наклонённой частью вала и диском стоят подшипники, а если вы посмотрите на чёрно-белую фотографию однодискового движка (там, кстати, удалена часть корпуса, так что видно положение диска внутри), то заметите и радиальную шпильку, выходящую из диска сквозь разрез в корпусе. Она предотвращает вращение "летающей тарелки" вслед за валом.

Надо сказать, что диск — не сплошной. Он разделён на две секции парой радиальных вырезов, в которые попадают выступы корпуса, так что всего получается четыре отдельных объёма — по два с каждой стороны диска. Взаимное расположение Z-образного вала (зелёный цвет), стопорной шпильки (фиолетовый), диска (красный и жёлтый — нижняя и верхняя его стороны), а также его уплотнений (зелёный, розовый, синий и жёлтый) вы можете увидеть на втором рисунке.

О параметрах первых образцов нутационного мотора ничего не известно. Но это — только исследования (иллюстрация с сайта asc2006.com).

При вращении вала колебания диска изменяют объём камер над его поверхностью. Так что на каждые два поворота вала получается по четыре такта всасывания, сжатия (одна сторона диска), рабочего хода и выхлопа (вторая сторона диска).

Каналы внутри корпуса и специальные клапаны обеспечивают газообмен между камерами, впуск воздуха извне, подачу сжатой смеси на другую сторону "летающей тарелки" и выхлоп.

Нутационный двигатель идеально уравновешен. В нём намного меньше перемещающихся частей. Края диска и, соответственно, его уплотнения перемещаются внутри сферической полости корпуса намного медленнее, чем бегают поршневые кольца в классическом ДВС при равной скорости вращения выходного вала. А это означает снижение износа и уменьшение затрат на преодоление сил трения.

Что интересно, этот же принцип позволяет построить и более любопытный вариант мотора (он показан на маленькой схеме на первом рисунке). Здесь общим валом (не показан) соединены две нутационные расширительные машины, в первой (слева) диск обеими своими сторонами обеспечивает лишь всасывание и сжатие (голубой и синий цвет камер), а второй такой же агрегат отвечает за рабочий ход и выхлоп (красный и розовый). Между агрегатами установлен воздушный аккумулятор (2), сглаживающий колебания давления. Другие важные элементы: впускное окно — 1, камера сгорания с форсунками — 3, выхлопная труба — 4.

На втором рисунке слева вы видите такой сдвоенный нутационный двигатель "живьём".

Интересно, что, проектируя конкретную модель нутационного двигателя, можно легко изменить в нём соотношение между степенью сжатия и расширения. В случае, если радиальный разрез диска будет симметричным (как на этих рисунках), оба эти параметра будут равны (как в обычном поршневом ДВС).

Если же сместить расположение выреза и, соответственно, соотношение объёмов камеры для всасывания/сжатия и рабочего хода/выхлопа, то можно либо получить экономичный двигатель с циклом Аткинсона (степень сжатия меньше степени расширения, энергия горячих газов используется полнее), либо мощный, словно бы с наддувом, мотор для больших высот (степень сжатия больше степени расширения).

Кстати, нутационный двигатель может прекрасно работать как дизель, что очень важно для военных, ибо на этом горючем работает бронетехника и грузовики. По оценке авторов проекта, такой 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 есть шанс, что нутационные двигатели мы вскоре увидим на каких-нибудь экзотических транспортных средствах, типа беспилотных разведывательных самолётов. О применении такого мотора в автомобильной промышленности пока никто не говорит. Но, согласитесь, подумать стоит. Хотя изготовление нескольких сотен нетрадиционных двигателей — это одно, а перевод гигантской индустрии с миллионным тиражом на принципиально новый агрегат — совсем другое.

Быть может, большее распространение получит второй мотор, проект которого также был представлен на конференции. Называется он "Двигатель Боннер" (Bonner Engine). Боннер — это не имя создателя, а часть названия компании Bonner Motor; изобретателя же зовут Вальтер Шмид (Walter Schmied).

Рентген "Боннера" (иллюстрация с сайта asc2006.com).

"Боннер" ближе к традиционным ДВС по конструкции. Здесь есть и цилиндры, и поршни, и что-то, похожее на коленчатый вал (но не идентичное ему). Вот только движется это всё так, что сразу и не разберёшься.

Попробуем объяснить по порядку. В корпусе двигателя имеются два скрещённых буквой X (под 90 градусов) цилиндра. Они не пересекаются, а проходят рядом друг с другом. Внутри этих цилиндров туда-сюда движутся собственно рабочие цилиндры ДВС (красный цвет на рисунке выше). Да, здесь подвижны именно цилиндры мотора, а его поршни стоят на месте (четыре поршня находятся на концах буквы X, они показаны серебристым цветом).

Возвратно-поступательное движение цилиндров преобразуется во вращение выходного вала благодаря хитрому коленвалу, который совершает сложное движение из-за планетарной передачи на своих концах (она и передаёт усилие на выходной вал). Хотя весь коленвал и вращается, каждый из кривошипов, проходящих через отверстие в середине рабочего цилиндра, лишь смещается по прямой (на рисунке внизу это движение показано цветными стрелками), а ещё — поворачивается вокруг своей 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 вставлен поршень (синий) со свечой и клапан (зелёный). С левой стороны цилиндра в двигателе будут установлены такие же поршень и клапан.

Итак, по мере колебаний цилиндров внутри них создаются переменные объёмы. Если вы ещё раз внимательно посмотрите на предыдущий рисунок, то увидите на шейках кривошипов небольшие выступы. Это кулачки механизма газораспределения. Здесь нет распределительного вала, его роль выполняет сам коленвал. Тут нужно обязательно отметить, что "Боннер" — движок двухтактный. То есть внутри цилиндра происходят только сжатие и рабочий ход, а газообмен выполняется вблизи мёртвой точки.

За наполнение цилиндра свежей смесью и прочие операции как раз и отвечают клапаны, установленные прямо внутри подвижных цилиндров со стороны коленвала, а также каналы внутри цилиндров и внутри корпуса мотора, совмещающиеся в определённый момент.

Газораспределение "Боннера" (иллюстрация с сайта asc2006.com).

С дальнего (от коленвала) конца каждого цилиндра имеется ещё по закрытой камере, объём которой также меняется. Здесь происходит предварительное сжатие смеси для противоположной рабочей камеры. И сюда же подаются выхлопные газы, опять-таки из противоположного цилиндра, когда в первом цилиндре происходит рабочий ход. Так что противоположные рабочие цилиндры (физически это один цилиндр, открытый с двух концов, и пара неподвижных поршней) помогают друг другу, увеличивая эффективность использования энергии газов.

Чтобы свежий воздух и выхлопные газы "понимали" при такой сложной схеме, куда им бежать, в корпусе движка есть ещё и вращающиеся золотники (на предыдущем рисунке они показаны зелёным).

Но и это не всё. Авторы мотора реализовали в нём переменную (в зависимости от нагрузки и оборотов двигателя) степень сжатия. Это свойство обеспечивается совсем небольшим смещением поршней к центру мотора или от него. Выполняет эту задачу гидравлический привод — на рисунке внизу хорошо 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 немного дальше от центра, чтобы снизить риск детонации.

Это позволяет совместить сравнительно низкий расход топлива с высокой мощностью. Ну и взаимное соотношение мощности, размеров и веса "Боннера" также обещает быть превосходным. А как он покажет себя на практике — ещё предстоит выяснить.

Подробнее о новинках вы можете прочесть здесь (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 или мотор, где рабочий цилиндр вращается вокруг себя.

Некоторые из таких изобретений остаются на бумаге навечно, другие заканчивают свою жизнь опытными образцами, третьи попадают в серийное производство, но для каких-нибудь специфических применений (скутеры, лёгкая авиация, мобильные генераторы). Мы полагаем, что аналогичная судьба — выпуск небольшой серией — ждёт и эти две новинки.

Но кто знает — а вдруг? Нам, например, традиционные поршневые ДВС просто надоели. А вам?

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru