Нетрадиционные двигатели внутреннего сгорания. Двигатели нетрадиционные
Нетрадиционные двигатели | Авторская платформа Pandia.ru
Нетрадиционные двигатели
Поршневой двигатель внутреннего сгорания известен более столетия, и с 1886 года он применяется на автомобилях. Его принципиальное решение было найдено в 1867 году немецкими инженерами Н. Отто и Э. Лангеном. Оно оказалось достаточно удачным, чтобы обеспечить этому типу двигателя лидирующее положение, которое он сохраняет в автомобильной промышленности и сегодня.
Но изобретатели многих стран за прошедшее столетие неустанно пытались создать иной двигатель, который мог бы по важнейшим показателям превзойти поршневой двигатель внутреннего сгорания.
Бесшатунный двигатель с. баландина. Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное осуществляет механизм, основанный на кинематике «точного прямила». Два поршня жестко соединены штоком, действующим на коленчатый вал, который вращается в кривошипах с зубчатыми венцами.
Какие же это показатели? Прежде всего, так называемый эффективный кпд; он характеризует, какая часть теплоты, содержавшаяся в израсходованном топливе, преобразована в механическую работу. Для карбюраторного двигателя внутреннего сгорания он равен 0,31, а для дизеля — 0,39. Иными словами, эффективный кпд характеризует экономичность двигателя. Не менее важны удельные показатели: удельная масса (кг/л. с.) и удельный занимаемый объем (л. с./м3), которые свидетельствуют о легкости и компактности конструкции. Важное значение имеет и способность двигателя приспособляться к изменениям нагрузки, а также простота устройства, трудоемкость изготовления, уровень шума, содержание токсичных веществ в продуктах сгорания.
При всех положительных сторонах той или иной концепции силовой установки период от начала теоретических разработок до внедрения в серийное производство занимает подчас очень много времени. Так, несмотря на непрерывную работу, немецкому изобретателю Ф. Ванкелю, создателю роторно-поршневого двигателя, потребовалось 30 лет, чтобы довести свой проект до промышленного образца. Кстати, почти три десятка лет ушло на то, чтобы внедрить дизель на автомобиле серийного производства («Бенц», 1923 г.).
Роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля. Трехгранный ротор совершает планетарное движение вокруг эксцентрикового вала. Изменяющийся объем трех полостей, образованных стенками ротора и внутренней полости картера, позволяет осуществить рабочий цикл теплового двигателя с расширением газов.
Причина столь значительной задержки не в техническом консерватизме, а в необходимости всесторонне отработать новую конструкцию, создать необходимые для ее массового производства технологию и материалы.
Здесь мы расскажем лишь о некоторых типах нетрадиционных двигателей, которые реально доказали свою жизнеспособность.
«Нсу-Спайдер» (Германия). Первый в мире (1964 г.) серийный легковой автомобиль с роторно-поршневым силовым агрегатом. Двигатель односекционный с водяным охлаждением; установлен сзади. Рабочий объем — 498 см3. Мощность — 54 л. с. (40 кВт) при 5000 об/мин. Длина машины — 3,58 м. Масса в снаряженном состоянии — 0,68 т. Число мест — 2. Скорость — 150 км/ч.
Один из самых существенных недостатков поршневого двигателя внутреннего сгорания — довольно громоздкий кривошипно-шатунный механизм, с работой которого связаны и основные потери на трение.
Уже в начале нашего века делались попытки вовсе избавиться от такого механизма. С тех пор было предложено немало хитроумных конструкций для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала двигателя.
«Мазда-РХ7» (Япония). Роторно-поршневые двигатели сегодня серийно устанавливаются только на машины этой марки, выпускаемые фирмой «Тойо Когйо». Рабочий объем двигателя — 2292 см3. Мощность — 130 л. с. (95 кВт) при 7000 об/мин. Длина машины — 4,27 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,1 т. Число мест — 2 +2. Скорость — 200 км/ч.
Удачное решение задачи нашел инженер С. Баландин. В сороковых — пятидесятых годах он спроектировал и построил образцы авиамоторов, где шток, соединяющий поршни с преобразующим механизмом, не совершал угловых качаний.
Такая бесшатунная конструкция (см. рисунок), хотя и была несколько сложнее традиционного кривошипно-шатунного механизма, обеспечивала меньшие потери на трение и занимала меньший объем.
Надо сказать, что аналогичный по устройству двигатель испытывался в конце двадцатых годов в Англии. Но заслуга Баландина в том, что он увидел новые возможности бесшатунного преобразующего механизма. Поскольку шток в нем не качается относительно поршня, то можно по другую сторону поршня также поместить камеру сгорания с несложным уплотнением проходящего через ее крышку штока. Такое решение позволяет почти вдвое увеличить мощность при неизменном габарите. Но, в свою очередь, двусторонний рабочий процесс означает необходимость устройства по обе стороны поршня (для двух камер сгорания) газораспределительного механизма с соответствующим усложнением, а, следовательно, и удорожанием конструкции. Видимо, такой двигатель наиболее перспективен для машин, где решающее значение имеют высокая мощность, малые масса и габарит (гоночные автомобили, самолеты, танки), а трудоемкость и себестоимость — второстепенное.
Газовая двухвальная турбина. Газы из камеры сгорания направляются на два рабочих колеса турбины, связанных каждое с самостоятельными валами. С левого отбирается мощность к колесам автомобиля, от правого — приводится в действие центробежный компрессор. Нагнетаемый им воздух попадает в камеру сгорания через теплообменник, где подогревается отработавшими газами.
Последний из бесшатунных авиамоторов Баландина, построенный в начале 50-х годов (ОМ-127РН, двойного действия с впрыском топлива и турбонаддувом), имел очень высокие для своего времени основные показатели: эффективный кпд около 0,34, удельная мощность 146 л. с./л, удельная масса — 0,6 кг/л. с. и по ним был близок к лучшим автомобильным гоночным двигателям.
Что же касается автомобильных вариантов бесшатунных двигателей, то пока работы в этом направлении ограничиваются стадией проектирования.
«Ровер-Т1» (Англия). Первый в мире (1950 г.) опытный автомобиль с газотурбинной силовой установкой. В задней части серийного легкового «Ровер-75» смонтирована двухвальная турбина без теплообменника. Мощность — 100 л. с. (74 кВт) при 50 000 об/мин. Длина машины — 4,54 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,4 т. Число мест — 2. Скорость — 137 км/ч.
В роторно-поршневых двигателях, которые устанавливаются на серийных автомобилях с 1964 года, функции поршня выполняет трехгранный ротор. Необходимое перемещение ротора в корпусе относительно эксцентрикового вала обеспечивает планетарно-шестеренчатый согласующий механизм (см. рисунок).
Роторно-поршневой двигатель, при равной с поршневым мощности, компактнее (занимает на 30 % меньший объем), легче его (на 10—15%), лучше уравновешен и имеет меньше деталей. Но при этом уступал поршневому по долговечности, надежности уплотнения рабочих полостей, расходовал больше топлива, а его отработавшие газы содержали больше токсичных веществ. Теперь, после многолетней доводки, эти недостатки удалось устранить.
Паровая поршневая машина. Пар попеременно подается то по одну, то по другую сторону поршня. Его подача регулируется золотником, скользящим в парораспределительной коробке над цилиндром. Шток поршня уплотнен в цилиндре втулкой и соединен с довольно громоздким крейцкопфным механизмом, преобразующим его возвратно-поступательное движение во вращательное.
И все же серийное производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями сегодня организовано только на одной японской фирме — «Тойо Когйо». За полтора десятка лет она выпустила свыше миллиона таких машин. Более двадцати других заводов строят и испытывают опытные образцы таких двигателей. Среди них Волжский автомобильный завод, который в 1982 году на выставке НТТМ-82 экспонировал автомобиль ВАЗ-21018 с опытным двигателем ВАЗ-311 мощностью 70 л. с.
Помимо конструкции Ф. Ванкеля, известны многочисленные (десятки тысяч патентов) роторно-поршневые двигатели других изобретателей (Г. Брэдшоу, Г. Ружицкого, Э. Кауэртца, Р. Сейрича и других). Однако объективные причины не позволили им выйти из стадии экспериментов — чаще всего из-за недостаточного технического совершенства, высокой себестоимости и отсутствия технологической преемственности с традиционными моторами.
«Сентинель-DG-6» (Англия). Трехосный самосвал (1928 г.) с водотрубным вертикальным котлом и горизонтальной паровой машиной двойного действия. Мощность двигателя — 60 л. с. (44 кВт) при 660 об/мин. Длина машины — 8,0 м. Масса в снаряженном состоянии — 10,5 т. Грузоподъемность — 10 т. Скорость — 15 км/ч.
Газотурбинная силовая установка при равной мощности легче и компактней поршневого двигателя внутреннего сгорания, хорошо уравновешена. Отработавшие газы менее токсичны. Газовая турбина в силу особенностей своих тяговых характеристик может работать на автомобиле без коробки передач. Технология производства газовой турбины давно освоена авиационной промышленностью. В чем же тогда заключается то «но», которое, несмотря на ведущиеся более 30 лет эксперименты с газотурбинными автомобилями, не дает им попасть на конвейер?
Главное «но» — низкая по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания экономичность и маленький эффективный кпд. Кроме того, газотурбинные двигатели довольно дороги в производстве, и сегодня их можно встретить только на экспериментальных машинах.
Тепловоздушный двигатель Р. Стирлинга. Два поршня (верхний — вытесни тельный, нижний — рабочий) соединены с кривошипным механизмом концентричными штоками. Находящийся в полостях под и над вытеснительным поршнем газ, попеременно нагреваясь в головке цилиндра от горелки, проходит через теплообменник и охладитель и обратно. Циклическое изменение его температуры сопровождается изменением объема и соответствующим ему перемещением поршней.
Двигатели внешнего сгорания, в частности паровые машины, применялись на автомобилях вплоть до 1931 года. Они работали на угле, мазуте, дровах. Среди их достоинств — долговечность, высокая плавность работы, хорошие тяговые характеристики, позволяющие обойтись без коробки передач. Главные недостатки: низкий кпд и значительная масса силовой установки.
«Форд-Торино» (США). В 1972 г. опытный двигатель Стирлинга, изготовленный голландской фирмой «Филипс», испытывался на этой машине. Мощность двигателя — 172 л. с. (127 нВт). Длина машины — 5,27 м. Масса в снаряженном состоянии — 1,9 т. Число мест — 5. Скорость — 200 км/ч.
К двигателям внешнего сгорания относится и так называемый тепловоздушный двигатель, идея которого была предложена еще в 1816 году Р. Стирлингом. Рабочим телом в нем служат находящийся под давлением гелий или водород, попеременно охлаждаемый и нагреваемый. Такой двигатель в принципе прост (см. рисунок), расходует топлива меньше, чем поршневые двигатели внутреннего сгорания, не выделяет при работе газов, содержащих вредные вещества, и имеет высокий эффективный кпд (0,38). Но внедрению двигателя Стирлинга в массовое производство препятствуют серьезные трудности. По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания он очень громоздок и тяжел, медленно набирает обороты. Кроме того, в нем технически сложно обеспечить уплотнение рабочих полостей.
Электромобилям предрекали большое будущее. Но до сих пор не удалось преодолеть главный их недостаток: значительную массу аккумуляторов, малую мощность батарей и длительность их зарядки. Поэтому сфера применения колесных транспортных машин с электродвигателями ограничена пока троллейбусами, получающими питание через контактную сеть, и электромобилями, главным образом развозными, источником питания для которых служат аккумуляторы.
«Романов» (Россия). Электрический омнибус построен И. В. Романовым в 1901 г. Восемь аккумуляторов обеспечивали запас хода 60 км. Мощность двух электродвигателей — 6 л. с. (4 кВт). Масса в снаряженном состоянии — 1,6 т. Число мест — 17. Скорость — 11 км/ч.
Особняком среди нетрадиционных двигателей стоит керамический. По конструкции он не отличается от обычного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Однако его важнейшие детали выполнены из керамики—материала, выдерживающего температуры, почти в полтора раза более высокие, чем металл. Поэтому керамическому двигателю не нужна система охлаждения и, следовательно, нет потерь тепла, связанных с ее работой. В результате открывается возможность создать двигатель, работающий по так называемому адиабатическому циклу, что сулит значительное сокращение расхода топлива. Пока эти работы, ведущиеся японскими и американскими специалистами, не вышли из поисковой стадии.
Хотя в экспериментах с различными нетрадиционными двигателями по-прежнему нет недостатка, доминирующее положение на автомобиле, как уже отмечалось, сохраняет и, видимо, будет долго сохранять поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
Мировая автомобильная промышленность ежегодно выпускает около 30 миллионов легковых машин с такими двигателями. Добавим к ним грузовики, автобусы, тракторы, сельскохозяйственные и строительные машины, часть мотоциклов и судов. Их производством заняты тысячи заводов, стоимость оборудования и оснастки. которых выражается астрономическими цифрами. Ломка этой устоявшейся производственной структуры даже при наличии альтернативной конструкции, превосходящей во всех отношениях традиционный мотор, не может по экономическим соображениям произойти скачком. Переход всегда будет проходить плавно, как показывает пример роторно-поршневого двигателя. Вот почему сегодня на 400 миллионах автомобилей нашей планеты разнообразие двигателей по принципу работы меньше, чем на заре автомобилизации.
pandia.ru
Нетрадиционные моторы на постоянных магнитах
Эта статья посвящена рассмотрению моторов, работающих на постоянных магнитах, с помощью которых предпринимаются попытки получить КПД>1 путем изменения конфигурации схемы соединений, схем электронных переключателей и магнитных конфигураций. Представлено несколько конструкций, которые можно рассматривать в качестве традиционных, а также несколько конструкций, которые представляются перспективными. Надеемся, что эта статья поможет читателю разобраться в сущности данных устройств перед началом инвестирования подобных изобретений или получением инвестиций на их производство. Информацию о патентах США можно найти на сайте http://www.uspto.gov.
Введение
Статья, посвященная моторам, работающим на постоянных магнитах, не может считаться полной без предварительного обзора основных конструкций, которые представлены на современном рынке. Промышленные моторы, работающие на постоянных магнитах, обязательно являются двигателями постоянного тока, так как используемые в них магниты постоянно поляризуются перед сборкой. Многие щеточные моторы, работающие на постоянных магнитах, подключаются к бесщеточным электродвигателям, что способно снизить силу трения и изнашиваемость механизма. Бесщеточные моторы включают в себя электронную коммутацию или шаговые электромоторы. Шаговый электромотор, часто применяемый в автомобильной промышленности, содержит более длительный рабочий вращающий момент на единицу объема, по сравнению с другими электромоторами. Однако обычно скорость подобных моторов значительно ниже. Конструкция электронного переключателя может быть использована в переключаемом реактивном синхронном электродвигателе. В наружном статоре подобного электродвигателя вместо дорогостоящих постоянных магнитов используется мягкий металл, в результате чего получается внутренний постоянный электромагнитный ротор.
По закону Фарадея, вращающий момент в основном возникает из-за тока в обкладках бесщеточных двигателей. В идеальном моторе, работающем на постоянных магнитах, линейный вращающий момент противопоставлен кривой частоты вращения. В моторе на постоянных магнитах конструкции как внешнего, так и внутреннего ротора являются стандартными.
Чтобы обратить внимание на многие проблемы, связанные с рассматриваемыми моторами, в справочнике [1] говорится о существовании «очень важной взаимосвязи между моментом вращения и обратной электродвижущей силой (эдс), чему иногда не придается значения». Это явление связано с электродвижущей силой (эдс), которая создается путем применения изменяющегося магнитного поля (dB/dt). Пользуясь технической терминологией, можно сказать, что «постоянная вращающего момента» (N-m/amp) равняется «постоянной обратной эдс» (V/рад/сек). Напряжение на зажимах двигателя равняется разности обратной эдс и активного (омического) падения напряжения, что обусловлено наличием внутреннего сопротивления. (Например, V=8,3 V, обратная эдс=7,5V, активное (омическое) падение напряжения=0,8V). Этот физический принцип, заставляет нас обратиться к закону Ленца, который был открыт в 1834г., через три года после того, как Фарадеем был изобретен униполярный генератор. Противоречивая структура закона Ленца, также как используемое в нем понятие «обратной эдс», являются частью так называемого физического закона Фарадея, на основе которого действует вращающийся электропривод. Обратная эдс — это реакция переменного тока в цепи. Другими словами, изменяющееся магнитное поле естественно порождает обратную эдс, так как они эквивалентны.
Таким образом, прежде чем приступать к изготовлению подобных конструкций, необходимо тщательно проанализировать закон Фарадея. Многие научные статьи, такие как «Закон Фарадея — Количественные эксперименты» [2] способны убедить экспериментатора, занимающегося новой энергетикой, в том, что изменение, происходящее в потоке и вызывающее обратную электродвижущую силу (эдс), по существу равно самой обратной эдс. Этого нельзя избежать при получении избыточной энергии, до тех пор, пока количество изменений магнитного потока во времени остается непостоянным. Это две стороны одной медали. Входная энергия, вырабатываемая в двигателе, конструкция которого содержит катушку индуктивности, естественным образом будет равна выходной энергии. Кроме того, по отношению к «электрической индукции» изменяемый поток «индуцирует» обратную эдс.
Двигатели с переключаемым магнитным сопротивлением
При исследовании альтернативного метода индуцированного движения в преобразователе постоянного магнитного движения Эклина (патент № 3,879,622) используются вращающиеся клапаны для переменного экранирования полюсов подковообразного магнита. В патенте Эклина №4,567,407 ( «Экранирующий унифицированный мотор- генератор переменного тока, обладающий постоянной обкладкой и полем») повторно высказывается идея о переключении магнитного поля путем «переключения магнитного потока». Эта идея является общей для моторов подобного рода. В качестве иллюстрации этого принципа Эклин приводит следующую мысль: «Роторы большинства современных генераторов отталкиваются по мере их приближения к статору и снова притягиваются статором, как только минуют его, в соответствии с законом Ленца. Таким образом, большинство роторов сталкиваются с постоянными неконсервативными рабочими силами, и поэтому современные генераторы требуют наличия постоянного входного вращающего момента». Однако «стальной ротор унифицированного генератора переменного тока с переключением потока фактически способствует входному вращающему моменту для половины каждого поворота, так как ротор всегда притягивается, но никогда не отталкивается. Подобная конструкция позволяет некоторой части тока, подведенного к обкладкам двигателя, подавать питание через сплошную линию магнитной индукции к выходным обмоткам переменного тока…» К сожалению, Эклину пока не удалось сконструировать самозапускающуюся машину.
В связи с рассматриваемой проблемой стоит упомянуть патент Ричардсона №4,077,001, в котором раскрывается сущность движения якоря с низким магнитным сопротивлением как в контакте, так и вне его на концах магнита (стр.8, строка 35). Наконец, можно привести патент Монро №3,670,189, где рассматривается схожий принцип, в котором, однако, пропускание магнитного потока игается с помощью прохождения полюсов ротора между постоянными магнитами полюсов статора. Требование 1, заявленное в этом патенте, по своему объему и детальности кажется удовлетворительным для доказательства патентоспособности, однако, его эффективность остается под вопросом.
Кажется неправдоподобным, что, являясь замкнутой системой, мотор с переключаемым магнитным сопротивлением способен стать самозапускающимся. Многие примеры доказывают, что небольшой электромагнит необходим для приведения работы якоря в синхронизированный ритм. Магнитный двигатель Ванкеля [3] в своих общих чертах может быть приведен для сравнения с представленным типом изобретения. Патент Джаффе №3,567,979 также может использоваться для сравнения. Патент Минато №5,594,289, подобный магнитному двигателю Ванкеля, является достаточно интригующим для многих исследователей.
Изобретения, подобные мотору Ньюмана (патентная заявка США №06/179,474), позволили обнаружить тот факт, что нелинейный эффект, такой как импульсное напряжение, благоприятен для преодоления эффекта сохранения силы Лоренца по закону Ленца. Кроме того, сходным является механический аналог инерциального двигателя Торнсона, в котором используется нелинейная ударная сила для передачи импульса вдоль оси перпендикулярно плоскости вращения. Магнитное поле содержит момент импульса, который становится очевидным при определенных условиях, например, при парадоксе диска Фейнмана, где он сохраняется. Импульсный способ может быть выгодно использован в данном моторе с магнитным переключаемым сопротивлением, при условии, если переключение поля будет производиться достаточно быстро при стремительном нарастания мощности. Тем не менее, необходимы дополнительные исследования по этой проблеме.
Наиболее удачным вариантом переключаемого реактивного электромотора является устройство Гарольда Аспдена (патент №4,975,608), который оптимизирует пропускную способность входного устройства катушки и работу над изломом B-H кривой. Переключаемые реактивные двигатели также объясняются в [4].
Мотор Адамса получил широкое признание. Например, в журнале Nexus был опубликован одобрительный отзыв, в котором это изобретение называется первым из когда-либо наблюдавшихся двигателей свободной энергии. Однако работа этой машины может быть полностью объяснена законом Фарадея. Генерация импульсов в смежных катушках, приводящих в движение намагниченный ротор, фактически происходит по той же схеме, что и в стандартном переключаемом реактивном моторе.
Замедление, о котором Адамс говорит в одном из своих Интернет сообщений, посвященных обсуждению изобретения, может объясняться экспонентным напряжением (L di/dt) обратной эдс. Одним из последних добавлений к этой категории изобретений, которые подтверждают успешность работы мотора Адамса, является международная патентная заявка №00/28656, присужденная в мае 2000г. изобретателям Бритс и Кристи, (генератор LUTEC). Простота этого двигателя легко объясняется наличием переключаемых катушек и постоянного магнита на роторе. Кроме того, в патенте содержится пояснение о том, что «постоянный ток, подводимый к катушкам статора, производит силу магнитного отталкивания и является единственным током, подводимым снаружи ко всей системе для создания совокупного движения…» Хорошо известным является тот факт, что все моторы работают по этому принципу. На странице 21 указанного патента содержится объяснение конструкции, где изобретатели выражают желание «максимизировать воздействие обратной эдс, которое способствует поддержанию вращения ротора/якоря электромагнита в одном направлении». Работа всех моторов данной категории с переключаемым полем направлена на получение этого эффекта. Рисунок 4А, представленный в патенте Бритс и Кристи, раскрывает источники напряжения «VA, VB и VC». Затем на странице 10 приводится следующее утверждение: «В это время ток подводится от источника питания VA и продолжает подводиться, пока щетка 18 не перестает взаимодействовать с контактами с 14 по 17». Нет ничего необычного в том, что эту конструкцию можно сравнить с более сложными попытками, ранее упомянутыми в настоящей статье. Все эти моторы требуют наличия электрического источника питания, и ни один из них не является самозапускающимся.
Подтверждает заявление о том, что была получена свободна энергия то, что работающая катушка (в импульсном режиме) при прохождении мимо постоянного магнитного поля (магнита) не использует для создания тока аккумуляторную батарейку. Вместо этого было предложено использовать проводники Вейганда [5], а это вызовет колоссальный Баркгаузеновский скачок при выравнивании магнитного домена, а импульс приобретет очень четкую форму. Если применить к катушке проводник Вейганда, то он создаст для нее достаточно большой импульс в несколько вольт, когда она будет проходить изменяющееся внешнее магнитное поле порога определенной высоты. Таким образом, для этого импульсного генератора входная электрическая энергия не нужна вовсе.
Тороидальный мотор
По сравнению с существующими на современном рынке двигателями, необычную конструкцию тороидального мотора можно сравнить с устройством, описанным в патенте Лангли (№4,547,713). Данный мотор содержит двухполюсный ротор, расположенный в центре тороида. Если выбрана однополюсная конструкция (например, с северными полюсами на каждом конце ротора), то полученное устройство будет напоминать радиальное магнитное поле для ротора, использованного в патенте Ван Гила (№5,600,189). В патенте Брауна №4,438,362, права на который принадлежат компании Ротрон, для изготовления ротора в тороидальном разряднике используются разнообразные намагничивающиеся сегменты. Наиболее ярким примером вращающегося тороидального мотора является устройство, описанное в патенте Юинга (№5,625,241), который также напоминает уже упомянутое изобретение Лангли. На основе процесса магнитного отталкивания в изобретении Юинга используется поворотный механизм с микропроцессорным управлением в основном для того, чтобы воспользоваться преимуществом, предоставляемым законом Ленца, а также с тем, чтобы преодолеть обратную эдс. Демонстрацию работы изобретения Юинга можно увидеть на коммерческом видео «Free Energy: The Race to Zero Point». Является ли это изобретение наиболее высокоэффективным из всех двигателей, в настоящее время представленных на рынке, остается под вопросом. Как утверждается в патенте: «функционирование устройства в качестве двигателя также возможно при использовании импульсного источника постоянного тока». Конструкция также содержит программируемое логическое устройство управления и схему управления мощностью, которые по предположению изобретателей должны сделать его более эффективным, чем 100%.
Даже если модели мотора докажут свою эффективность в получении вращающегося момента или преобразования силы, то из-за движущихся внутри них магнитов эти устройства могут остаться без практического применения. Коммерческая реализация этих типов моторов может быть невыгодной, так как на современном рынке существует множество конкурентоспособных конструкций.
Линейные моторы
Тема линейных индукционных моторов широко освещена в литературе. В издании [6] объясняется, что эти моторы являются подобными стандартным асинхронным двигателям, в которых ротор и статор демонтированы и помещены вне плоскости. Автор книги «Движение без колес» Лэйтвайт известен созданием монорельсовых конструкций, предназначенных для поездов Англии и разработанных на основе линейных асинхронных моторов.
Патент Хартмана №4,215,330 представляет собой пример одного из устройств, в котором с помощью линейного мотора достигнуто перемещение стального шара вверх по намагниченной плоскости приблизительно на 10 уровней. Другое изобретение из этой категории описано в патенте Джонсона (№5,402,021), в котором использован постоянный дуговой магнит, установленный на четырехколесной тележке. Этот магнит подвергается воздействию со стороны параллельного конвейера с зафиксированными переменными магнитами. Еще одним не менее удивительным изобретением является устройство, описанное в другом патенте Джонсона (№4,877,983) и успешная работа которого наблюдалась в замкнутом контуре в течение нескольких часов. Необходимо отметить, что генераторная катушка может быть размещена в непосредственной близости от движущегося элемента, так чтобы каждый его пробег сопровождался электрическим импульсом для зарядки батареи. Устройство Хартмана также может быть сконструировано как круговой конвейер, что позволяет продемонстрировать вечное движение первого порядка.
Патент Хартмана основывается на том же принципе, что и известный эксперимент с электронным спином, который в физике принято называть экспериментом Стерна-Герлаха. В неоднородном магнитном поле воздействие на некий объект с помощью магнитного момента вращения происходит за счет градиента потенциальной энергии. В любом учебнике физики можно найти указание на то, что этот тип поля, сильный на одном конце и слабый на другом, способствует возникновению однонаправленной силы, обращенной в сторону магнитного объекта и равного dB/dx. Таким образом, сила, толкающая шар по намагниченной плоскости на 10 уровней вверх в направлении, полностью согласуется с законами физики.
Используя промышленые качественные магниты (включая сверхпроводящие магниты, при температуре окружающей среды, разработка которых в настоящее время находится на завершающей стадии), будет возможна демонстрация перевозки грузов, обладающих статочно большой массой, без затрат электричества на техническое обслуживание. Сверхпроводящие магниты обладают необычной способностью годами сохранять исходное намагниченное поле, не требуя периодической подачи питания для восстановления напряженности исходного поля. Примеры того положения, которое сложилось на современном рынке в области разработки сверхпроводниковых магнитов, приведены в патенте Охниши №5,350,958 (недостаток мощности, производимой криогенной техникой и системами освещения), а также в переизданной статье, посвященной магнитной левитации [7].
Статический электромагнитный момент импульса
В провокационном эксперименте с использованием цилиндрического конденсатора исследователи Грэм и Лахоз [8] развивают идею, опубликованную Эйнштейном и Лаубом в 1908 году, в которой говорится о необходимости наличия дополнительного периода времени для сохранения принципа действия и противодействия. Цитируемая исследователями статья была переведена и опубликована в моей книге [9], представленной ниже. Грэм и Лахоз подчеркивают, что существует «реальная плотность момента импульса», и предлагают способ наблюдения этого энергетического эффекта в постоянных магнитах и электретах.
Эта работа является вдохновляющим и впечатляющим исследованием, использующим данные, основанные на работах Эйнштейна и Минковского. Это исследование может иметь непосредственное применение при создании, как униполярного генератора, так и магнитного преобразователя энергии, описанного ниже. Данная возможность обусловлена тем, что оба устройства обладают аксиальным магнитным и радиальным электрическим полями, подобно цилиндрическому конденсатору, использовавшемуся в эксперименте Грэма и Лахоза.
Униполярный мотор
В книге [9] подробно описываются экспериментальные исследования и история изобретения, сделанного Фарадеем. Кроме того, уделяется внимание тому вкладу, которое привнес в данное исследование Тесла. Однако в недавнем времени был предложен ряд новых конструкторских решений униполярного двигателя с несколькими роторами, который можно сравнить с изобретением Дж. Р.Р. Серла.
Возобновление интереса к устройству Серла также должно привлечь внимание к униполярным двигателям. Предварительный анализ позволяет обнаружить существование двух различных явлений, происходящих одновременно в униполярном двигателе. Одно из явлений можно назвать эффектом «вращения» (№1), а второй — эффектом «свертывания» (№2). Первый эффект может быть представлен в качестве намагниченных сегментов некоего воображаемого сплошного кольца, которые вращаются вокруг общего центра. Примерные варианты конструкций, позволяющих произвести сегментацию ротора униполярного генератора, представлены в [9].
С учетом предложенной модели может быть рассчитан эффект №1 для силовых магнитов Тесла, которые намагничиваются по оси и распологаются вблизи одиночного кольца с диаметром 1 метр. При этом эдс, образующаяся вдоль каждого ролика, составляет более 2V (электрическое поле, направленное радиально из внешнего диаметра роликов к внешнему диаметру смежного кольца) при частоте вращения роликов 500 оборотов в минуту. Стоит отметить, что эффект №1 не зависит от вращения магнита. Магнитное поле в униполярном генераторе связано с пространством, а не с магнитом, поэтому вращение не будет оказывать влияния на эффект силы Лоренца, имеющий место при работе этого универсального униполярного генератора [10].
Эффект №2, имеющий место внутри каждого роликового магнита, описан в [11], где каждый ролик рассматривается как небольшой униполярный генератор. Этот эффект признается чем-то более слабым, так как электричество вырабатывается от центра каждого ролика к периферии. Эта конструкция напоминает униполярный генератор Тесла [12], в котором вращающийся приводной ремень связывает внешний край кольцевого магнита. При вращении роликов, имеющих диаметр, приблизительно равный одной десятой метра, которое осуществляется вокруг кольца с диаметром 1 метр и при отсутствии буксировки роликов, вырабатываемое напряжение будет равно 0,5 Вольт. Конструкция кольцевого магнетика, предложенная Серлом, будет способствовать усилению B-поля ролика.
Необходимо отметить, что принцип наложения применим к обоим этим эффектам. Эффект №1 представляет собой однородное электронное поле, существующее по диаметру ролика. Эффект №2 — это радиальный эффект, что уже было отмечено выше [13]. Однако фактически только эдс, действующая в сегменте ролика между двумя контактами, то есть между центром ролика и его краем, который соприкасается с кольцом, будет способствовать возникновению электрического тока в любой внешней цепи. Понимание данного факта означает, что эффективное напряжение, возникающее при эффекте №1 составит половину существующей эдс, или чуть больше 1 Вольт, что примерно в два раза больше, чем вырабатываемое при эффекте №2. При применении наложения в ограниченном пространстве мы также обнаружим, что два эффекта противостоят друг другу, и две эдс должны вычитаться. Результатом этого анализа является то, что примерно 0,5 Вольт регулируемой эдс будет представлено для выработки электричества в отдельной установке, содержащей ролики и кольцо с диаметром 1 метр. При получении тока возникает эффект шарикоподшипникового двигателя [14], который фактически толкает ролики, допуская приобретение роликовыми магнитами значительной электропроводности. (Автор благодарит за данное замечание Пола Ла Виолетте).
В связанной с данной темой работе [15] исследователями Рощиным и Годиным были опубликованы результаты экспериментов с изобретенным ими однокольцевым устройством, названным «Преобразователем магнитной энергии» и имеющим вращающиеся магниты на подшипниках. Устройство было сконструировано как усовершенствование изобретения Серла. Анализ автора этой статьи, приведенный выше, не зависит от того, какие металлы использовались для изготовления колец в конструкции Рощина и Година. Их открытия достаточно убедительны и детальны, что позволит возобновить интерес многих исследователей к этому типу моторов.
Заключение
Итак, существует несколько моторов на постоянных магнитах, которые могут способствовать появлению вечного двигателя с кпд, превышающим 100%. Естественно, необходимо принимать во внимание концепции сохранения энергии, а также должен исследоваться источник предполагаемой дополнительной энергии. Если градиенты постоянного магнитного поля претендуют на появление однонаправленной силы, как это утверждается в учебниках, то наступит момент, когда они будут приняты для выработки полезной энергии. Конфигурация роликового магнита, который в настоящее время принято называть «преобразователем магнитной энергии», также представляет собой уникальную конструкцию магнитного мотора. Проиллюстрированное Рощиным и Годиным в Российском патенте №2155435 устройство является магнитным электродвигателем-генератором, который демонстрирует возможность выработки дополнительной энергии. Так как работа устройства основана на циркулировании цилиндрических магнитов, вращающихся вокруг кольца, то конструкция фактически представляет собой скорее генератор, чем мотор. Однако это устройство является действующим мотором, так как для запуска отдельного электрогенератора используется вращающий момент, вырабатываемый самоподдерживающимся движением магнитов.
Литература
1. Motion Control Handbook (Designfax, May, 1989, p.33)
2. «Faraday’s Law — Quantitative Experiments», Amer. Jour. Phys.,
V.54, N.5, May, 1986, p. 422
3. Popular Science, June, 1979
4. IEEE Spectrum 1/97
5. Popular Science (Популярная наука), May, 1979
6. Schaum’s Outline Series, Theory and Problems of Electric
Machines andElectromechanics (Теория и проблемы электрических
машин и электромеханики) (McGraw Hill, 1981)
7. IEEE Spectrum, July, 1997
8. Nature, V. 285, No 15, May, 1980
9. Thomas Valone, The Homopolar Handbook
10. Ibidem, p. 10
11. Electric Spacecraft Journal, Issue 12, 1994
12. Thomas Valone, The Homopolar Handbook, p. 81
13. Ibidem, p. 81
14. Ibidem, p. 54
Tech. Phys. Lett., V. 26, #12, 2000, p.1105-07
Томас Валон Integrity Research Institute, www.integrityresearchinstitute.org
1220 L St. NW, Suite 100-232, Washington, DC 20005
Email: [email protected]
zaryad.com
Альтернативные двигатели
Необходимость охраны среды обитания от загрязнения отработавшими газами автомобилей и требования топливной экономичности поставили перед конструкторами транспортных средств вопрос: насколько бензиновые (карбюраторные) двигатели перспективны для будущего автомобильного транспорта и какие двигатели могут прийти им на смену.
В качестве альтернативных карбюраторному стали предлагаться дизели, роторный двигатель, газовая турбина, паровая поршневая машина, паровая турбина, двигатель «внешнего» сгорания (Стирлинга), инерционный двигатель и некоторые другие.
Токсичность выхлопных газов у карбюраторного и дизельного двигателей
| Токсичное вещество | Количество токсичных веществ на 1000 л сжигаемого топлива, кг | |
| Карбюраторный двигатель | Дизель | |
| Окись углерода СО | 200 | 25 |
| Углеводороды СН | 25 | 8 |
| Окислы азота NOx | 20 | 36 |
| Сажа | 1 | 3 |
| Сернистые соединения SOx | 1 | 30 |
| Итого: | 247 | 102 |
Дизельный двигатель. Считается, что в борьбе за уменьшение загрязнения воздушного бассейна дизельные двигатели могут сыграть существенную роль. Относясь к классу двигателей внутреннего сгорания, дизель отличается от карбюраторного двигателя: имеет более высокие степени сжатия, которые обеспечивают самовоспламенение топлива, ввиду этого отпадает надобность в системах электрического зажигания; вместо карбюратора используются топливные форсунки, осуществляющие под большим давлением впрыск топлива в цилиндры.
Дизельный двигатель выделяет значительно меньше окиси углерода и углеводородов. В его отработавших газах содержится даже меньше окислов азота, если по этому компоненту его сравнивать с бензиновыми двигателями с особо высокой степенью сжатия. Однако крупными недостатками дизелей являются дымность, неприятный запах и более высокий уровень шума. Тем не менее более высокая тепловая экономичность дизелей (эксплуатационный к. п. д. 30—35% вместо 20—25% у карбюраторных двигателей), способность работать на более дешевом (дизельном) топливе, возможность получения относительно больших мощностей предопределили дизелю доминирующее положение в мировом грузовом автомобильном парке и парке автобусов. К этому следует добавить, что ряд автомобильных фирм уже в течение многих лет выпускает и легковые автомобили с дизельными двигателями, причем выпуск таких автомобилей возрастает.
В нашей стране осуществляется дизелизация грузового и автобусного парков и разрабатываются меры по использованию дизелей на легковых автомобилях. Ведутся серьезные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по дальнейшему совершенствованию дизелей: повышению топливной экономичности, удельной мощности, надежности и долговечности, а также снижению металлоемкости, токсичности отработавших газов. Одна из важных мер, позволяющих достичь поставленных целей, — применение так называемого турбонаддува, т. е. постановка на дизель специального турбокомпрессора для нагнетания в цилиндры большего количества воздуха. На лучших образцах получен к. п. д., равный 45%.
Основные выводы из исследований и опыта эксплуатации дизельных автомобилей, проведенных в СССР и за рубежом, сводятся к тому, что предстоит расширение производства этих автомобилей. Прогнозируется, что в мире к 1990 г. 10% всех легковых автомобилей будут иметь дизели, а к 2000 г. их удельный вес возрастет до 25—30%.
Роторный двигатель. Это — бензиновый двигатель, имеющий принципиально иную конструкцию основного силового агрегата. У роторного двигателя нет цилиндров и шатунно-кривошипной группы. Вместо поршней с их возвратно-поступательными движениями он имеет вращающийся ротор, который передает крутящий момент через зубчатую передачу. В роторном двигателе нет клапанов, а лишь впускное и выпускное отверстия.
Не разбирая подробно конструкционные и технико-экономические характеристики этого двигателя (меньшая масса, компактность, высокооборотность, большая удельная мощность на единицу массы, простота производства, отсутствие вибраций, способность работать на топливе с низким октановым числом и др.), отметим, что он дает несколько менее токсичный выхлоп в результате меньшего содержания окислов азота. В силу конструкционных особенностей и компактности роторный двигатель облегчает установку дополнительных приборов для очистки отработавших газов и улучшает протекание реакций в них ввиду более высокой температуры отработавших газов (несмотря на более низкую температуру сгорания).
Давно запатентованный немецким механиком Ванкелем роторный двигатель в течение многих лет дорабатывался в ФРГ, где небольшое их производство было начато лишь в 1964 г. Японские промышленники, приобретшие лицензию на двигатель Ванкеля, затратили много времени на его доводку и лишь к середине 60-х годов создали работоспособную конструкцию. В 1967 г. фирма «Тойо Когио» начала серийный выпуск автомобилей «Мацуда» с роторным двигателем и к 1980 г. выпустила миллион таких автомобилей, часть которых была продана за границей.
С 1970 г. автомобили с роторными двигателями начали выпускаться фирмой «Ситроен» во Франции. Концерн «Дженерал моторс», перекупивший лицензию у Японии, также проводил работы над усовершенствованием двигателя Ванкеля и намечал с 1974 г. расширить выпуск автомобилей с роторным двигателем. Однако позднее этот концерн отказался от продолжения работ над указанным двигателем.
В связи с энергетическим кризисом производство автомобилей с роторными двигателями не получило большого развития, за исключением упомянутой выше фирмы в Японии, которая вложила в исследования и организацию производства этих двигателей большие капиталы и которая продолжает их выпуск, совершенствуя одновременно конструкцию.
Главная причина лежит в меньшей экономичности роторного двигателя по сравнению с традиционным поршневым. Кроме этого, до конца не удалось преодолеть существенные конструкционные трудности с обеспечением необходимой плотности между корпусом (блоком) двигателя и ротором по мере износа их в процессе эксплуатации. В силу названных причин новые автомобили с роторными двигателями почти перестали появляться на выставках (салонах) автомобилей. Тем не менее ряд зарубежных фирм продолжают работы над этим двигателем.
У нас в стране также проводятся исследования и разработка роторных двигателей. В течение ряда лет ведутся работы на Волжском автомобильном заводе, где совместно с Автомобильным и моторным институтом (НАМИ) разработаны и изготовлены экспериментальные образцы роторного двигателя, предназначенного для установки на автомобили ВАЗ «Жигули».
Газотурбинный двигатель. В течение последних 25—30 лет проводятся исследования и экспериментальное конструирование газотурбинных двигателей для автомобилей. Газовые турбины, как известно, широко применяются на воздушном транспорте. Они имеют малую массу, рекордную удельную мощность, компактность, малое число подвижных частей, плавность работы и другие качества.
Попытки применить газотурбинный двигатель на автомобиле предприняты давно. Еще в 1959 г. в СССР был создан экспериментальный автобус, оборудованный газотурбинным двигателем. Во время его испытаний были обнаружены существенные недостатки, среди которых важное место занимала низкая топливная экономичность двигателя, а также трудности приспособления его к условиям работы транспортного средства (малая приемистость, невозможность динамического торможения).
Из зарубежных стран интерес к этому двигателю проявили США, Великобритания, Швеция. К настоящему моменту в мире построены сотни газотурбинных экспериментальных автомобилей. Многие конструкторы считают газовую турбину более перспективной для тяжелых грузовых автомобилей и автобусов, хотя имеются прецеденты создания и легковых автомобилей. Так, еще на выставке 1969 г. в Чикаго фирма «Шевроле» показывала легковой автомобиль «Астра-III» с газотурбинным двигателем мощностью 230 кВт при массе турбины 70 кг.
В СССР в 1970 г. был изготовлен карьерный самосвал грузоподъемностью 120 т с газовой турбиной мощностью 880 кВт. Позднее на новой модели грузового автомобиля МАЗ-6422 проходил испытания новый отечественный газотурбинный двигатель мощностью 260 кВт.
В 70-х годах компания «Вильямс» (США) разработала газовую турбину для массового легкового автомобиля мощностью 60 кВт. В качестве достоинств этого двигателя называли отсутствие вибрации, малошумность, возможность работы без системы водяного охлаждения и достаточно чистые отработавшие газы. Тогда же были опубликованы прогнозы, согласно которым в США в 1980 г. намечалось выпускать 50 тыс. автомобилей с газотурбинными двигателями. Однако прогнозы эти не оправдались. Основная причина заключается в меньшей экономичности созданных газовых турбин против карбюраторного двигателя и особенно дизеля.
Недостаточный к. п. д. газовой турбины связан с относительно невысокой температурой рабочего процесса. Повышение этой температуры требует применения дорогих жаропрочных металлов и сложных конструкций турбинных лопаток. В этом смысле большой интерес представляют сообщения печати об испытании в Швеции экспериментального автомобиля с газовой турбиной, в конструкции которой использована жаропрочная керамика. Пока же газотурбинный двигатель остается сложным по конструкции и дорогим.
Что касается отработавших газов, то результаты большинства испытаний говорят о существенно меньшей их токсичности в части окиси углерода и углеводородов. Об удельном весе окислов азота приводятся противоречивые данные: по одним сведениям окислов азота у газовых турбин меньше, чем у дизелей и карбюраторных двигателей, по другим — больше. Дальнейшие эксперименты позволят устранить это противоречие.
Таким образом, пока недостаточно оснований считать газовую турбину серьезной альтернативой традиционным автомобильным поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Паровой двигатель. Требование сохранить в чистоте воздушный бассейн заставило некоторых конструкторов снова вернуться к почти забытой идее создания парового автомобиля. Во Франции и в ряде других, стран они появились более 100 лет назад. Тихоходные, но работоспособные паровые «омнибусы» в Париже совершали рейсы еще в 1873 г. Тогда же были созданы и легковые автомобили с паровыми двигателями. Один экземпляр такого автомобиля на четыре места, построенного французской фирмой «Жардне-Серполле», можно видеть сейчас в национальном музее в Праге. Паровая машина, размещенная под полом автомобиля, позволяла ему развивать скорость 65 км/ч. Паровые автомобили продолжали выпускаться и работать много лет спустя и после создания двигателя внутреннего сгорания и были окончательно сняты с производства в начале 30-х годов (в Великобритании).
В США, Японии, Австралии и ряде европейских стран сделаны попытки создать образцы современных паровых автомобилей разных категорий. Так, в США еще в 1968 г. были построены две модели легковых автомобилей. Конструкция их включает водотрубный парогенератор, двигатель — паровую машину высокого давления, вспомогательную машину низкого давления (для приведения в действие водяного насоса и вентилятора радиатора).
Однако усовершенствованная паровая машина, а позднее легкий бензиновый двигатель, высокоэкономичный дизель и, наконец, газовая турбина полностью вытеснили громоздкий, плохо сбалансированный (а потому шумный), неэкономичный воздушный двигатель. Сейчас этот двигатель возрождается на новой технической основе.
Современный двигатель внешнего сгорания представляет собой герметически закрытый цилиндр, заполненный над поршнем сжатым гелием или водородом. При сгорании топлива газ через стенку цилиндра нагревается и опускает поршень. Отработавший газ направляется в камеру охлаждения, а поршень возвращается в исходное положение. После этого порция холодного газа поступает в камеру расширения (над поршнем) для нагрева и рабочего хода.
Помимо высокого к. п. д., равного 35—40% и более, двигатель внешнего сгорания может работать на любом топливе и дает минимальное загрязнение воздуха окисью углерода и углеводородами, поскольку горелка работает в стабильном режиме с оптимальным соотношением топлива и воздуха. Он практически бесшумен.
Полагают, что при использовании тепла, например, расплавленного лития, такой двигатель может вообще обходиться без сжигания топлива, что важно и реально при работе в черте города. Фирма «Филипс» разработала аккумуляторы тепла энергоемкостью до 23 кВт-ч.
К настоящему моменту построено достаточно много опытных образцов двигателя Стирлинга мощностью от 7 до 265 кВт, предназначенных для автомобилей, автобусов, судов и в качестве стационарных. Испытания таких двигателей ведутся в СССР, США, ФРГ, Швеции, Нидерландах и других странах.
К трудным и еще не полностью решенным проблемам относятся: сложность конструкции и необходимость обеспечения в течение срока эксплуатации двигателя полной герметичности для сохранения рабочего тела (гелия или водорода). Отмечается также высокая стоимость двигателя Стирлинга. Поэтому двигатель Стирлинга пока не может конкурировать с двигателями внутреннего сгорания.
Инерционный двигатель (маховик) — самый древний двигатель, так как гончарный круг, которому более 5 тыс. лет, по существу является маховиком. Идея использования кинетической энергии маховика для движения не нова. Более 100 лет назад русский инженер В. И. Шуберский исследовал возможности маховика как транспортного двигателя. Однако реализацию эта идея получила в середине XX в. В этот период в Швейцарии было выпущено 17 городских «жиробусов», которые эксплуатировались в течение 16 лет в Швейцарии.
Основу двигателя на этих машинах представлял маховик массой 1,5 т (10% от массы автобуса), который перед началом движения в течение 25 мин раскручивался электродвигателем до 3000 об/мин и «запасал» 9 кВт-ч энергии. После раскручивания обратимый электродвигатель, соединенный с маховиком, работал уже как динамомашина, питая тяговые двигатели жиробуса, который мог развивать скорость до 50 км/ч и проходить путь до следующей подзарядки (раскручивания) до 5 км. Фактически скорость жиробуса составляла 20—25 км/ч. На пути 2,5 км он расходовал 60% запаса энергии и требовал подзарядки. Поэтому зарядные устройства были размещены через 1,0—1,2 км, что соответствовало и требованиям размещения остановок для пассажиров.
Большим преимуществом маховика является его экологическая чистота, имея в виду отсутствие токсичных отходов и практическую бесшумность, а также высокий к. п. д. Но самым главным недостатком следует признать его малую энергоемкость, а следовательно, незначительный пробег между подзарядками. Тем не менее исследования и эксперименты с этим типом двигателя продолжаются. В США, например, спроектирован супермаховик массой 100 кг, который, по расчетам авторов, при 30 000 об/мин может обеспечить пробег легковому автомобилю 160 км. Хотя реализация такого проекта принципиально возможна, предстоит решить немало сложных научно-технических задач и определить экономическую целесообразность его применения в массовом производстве.
Оригинальный легковой автомобиль разработан и выпущен в конце 70-х годов в США. Автомобиль шестиместный с экономичным двигателем мощностью 44 кВт. В багажнике смонтирован тяжелый стальной маховик диаметром 950 мм и массой 231 кг. Вращаясь на магнитных подшипниках в вакууме, маховик при 15 000 об/мин развивает мощность 100 кВт. Через электрогенератор эта мощность передается тяговому электродвигателю, а затем на ведущие передние колеса. Начальная раскрутка маховика производится от внешней электросети. Данный автомобиль может работать как: обыкновенный на двигателе внутреннего сгорания при остановленном маховике; электромобиль от маховика, обеспечивающего запас хода в 36 км при скорости 48 км/ч; машина от двигателя внутреннего сгорания и маховика одновременно. В границах населенных пунктов водитель может выключать двигатель и использовать только энергию маховика, а за их пределами — экономичный двигатель внутреннего сгорания, резко повышая мощность силовой установки за счет подключения энергии маховика при кратковременной необходимости ускорить разгон или поднять скорость движения на крутом подъеме, при обгоне и в других ситуациях (до 151 км/ч). Нетрудно понять, что такой сложный автомобиль дорог как в устройстве, так и в эксплуатации.
В Советском Союзе исследуется возможность использования маховиков как источников энергии для транспортных средств. В этом направлении, в частности, ведутся работы в Институте проблем механики АН СССР.
Источник: И.Я. Аксенов, В.И. Аксенов. Транспорт и охрана окружающей среды. Изд-во «Транспорт». Москва. 1986
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
www.activestudy.info
Альтернативные двигатели
Нынешние цены на бензин заставляют активно искать альтернативу этому виду горючего. И если о массовом переходе на водород или топливные элементы пока говорить рано (в силу дороговизны и сложности подобных устройств), то замена бензина дровами – технология уже известная. Но оправданна ли она? Оборудовав ГАЗ-52 самодельной газогенераторной установкой, группа инженеров Житомирского агроэкологического университета не изобрела… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели ТранспортМодель двигателя на постоянных магнитах. Гуляя просторами интернета я обратил внимание на странные споры вокруг так называемых вечных двигателей, причем основная часть авторов сайтов и комментаторов осациируют вечный двигатель с генераторами энергии, принцип работы которых основан на взаимодействии постоянных магнитов (двигателя на постоянных магнитах). Мое личное мнение – нет, и не может быть ничего… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигателиВоздушный двигатель Идея этого альтернативного воздушного двигателясовершенно проста и не нова, основана на принципе работы простейшего парового двигателя. Напомню в краце, там для получения полезной энергии используется вода, которая вследствие нагревания превращается в пар, результатом чего является повышение давления. Затем этот пар (под высоким давлением) передается на турбину (или поршнь), с которой по средствам вала или редуктора… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели ТранспортДвигатель Шаубергера своими руками В настоящее время двигатель Шаубергера пользуется большой популярностью и рассматривается как альтернативный двигатель. Что представляет собой подобное устройство, и в чем его преимущества. Как создать двигатель Шаубергера своими руками? Австрийский инженер Виктор Шаубергер работал над созданием электрогенератора, в котором турбина отличалась от конструкций обыкновенных водяных электростанций. Идея двигателя Шаубергера… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели Изобретения Своими рукамиГидростатический двигатель Уважаемые участники сайта, позвольте предложить Вам тему связанную с альтернативной энергетикой — гидростатический двигатель. Возникла идея построить действующий гидростатический двигатель (описание и принцип действия для понимания сути идеи выложу ниже), но нужен взгляд со стороны и желательно не один, и критические замечания. Также нужны расчеты движущего элемента и маховика — для примера,… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели Изобретения
Водородный генератор-это вид оборудования, при правильной установке которого можно снизить расхода топлива мотоцикла, легкового или грузового автомобиля, а также сократить количество вредных выбросов в атмосферу. При помощи батареи питания и генератора постоянного тока вода разлагается на кислород и водородный газ (HHO), который попадает в двигатель и потом выделяется в атмосферу. HHO улучшает качество сгорания топлива… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели
Генератор Адамса относится к классу безтопливных самовосстанавливающихся зарядных устройств. Самым главным преимуществом данного устройства является абсолютная независимость от погодных условий (ветрогенераторам нужна постоянная и, желательно, сильная ветреная погода, а генераторы на солнечных элементах весьма критичны к яркости солнечного освещения и в ночное время обычно не работают). Конструкция генератора Адамса «Вега»: Конструкция генератора Адамса (как и перечисленных выше ветрогенератора и… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели
В настоящее время двигатель Шаубергера пользуется большой популярностью и рассматривается как альтернативный двигатель. Что представляет собой подобное устройство, и в чем его преимущества. Как создать двигатель Шаубергера своими руками? Австрийский инженер Виктор Шаубергер работал над созданием электрогенератора, в котором турбина отличалась от конструкций обыкновенных водяных электростанций. Идея двигателя Шаубергера заключалась в создании вихря внутри камеры,… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигателиalternattiveenergy.com
Нетрадиционные двигатели внутреннего сгорания
НЕФОРМАЛЫ
Многие из нас, наверное, знают, что двигатель внутреннего сгорания, был изобретен достаточно давно, дело это было аж в позапрошлом веке. За время прошедшее с того момента было предложено множество оригинальных конструкторских решений, казалось бы, способных перевернуть все понятия двигателестроения. Переворота все же не произошло, и наш хороший знакомый - кривошипно-шатунный поршневой двигатель не спеша, завоевал весь мир. Однако о неформалах мира двигателей поговорить все-таки стоит.
Роторно-волновой двигатель
Одну из оригинальных конструкций двигателя внутреннего сгорания предложили наши соотечественники. Конструкция эта достаточно не обычна и называется - роторно-волновой двигатель. Давайте сперва разберемся, из каких элементов эта хитрая конструкция состоит и как она работает, а потом поговорим обо всех преимуществах и недостатках.
Конструкция
Основой для двигателя служит корпус(1), достаточно не обычной формы, на внутренних поверхностях которого выполнены специальные винтовые каналы. Внутри корпуса находится полый ротор(2), имеющий на своей поверхности такие же винтовые каналы. Пустотелый ротор и вал отбора мощности(3), соединены между собой с помощью шарнира равных угловых скоростей (ШРУСа)(4). Обратите внимание, что в правой части полого ротора находится механизм, состоящий из блока шестерен(5) и эксцентрика (6). Благодаря нему ротор имеет возможность совершать обкатывание по винтовой поверхности корпуса. Весь же двигатель условно делится на три основные части: компрессорный отсек(А), камера сгорания(Б) и расширительный отсек(В).
Как работает роторно-волновой двигатель?
От конструкции двигателя плавно переходим к рассмотрению рабочего процесса Двухгипотрохоидного РВД, где двухзаходный корпус работает в совокупности с однозаходным ротором, а заключается он в следующем. Как только вал отбора мощности начинает совершать вращательные движения в полости, находящиеся между винтовыми каналами ротора и корпуса, в компрессорном отсеке, начинает засасываться воздух. Так как мы рассматриваем совместную работу двухзаходного корпуса и однозаходного ротора, то за один оборот вала отбора мощности в комперссорный отсек будет попадать две порции воздуха.
После того как воздух был захвачен и отсечен от окружающей среды, он направляется по винтовому каналу в камеру сгорания, испытывая всестороннее сжатие. Туда могут быть добавлены дизельные присадки. Это обусловлено тем, что высота винтовых каналов ротора и корпуса уменьшается, приближаясь к камере сгорания. После того как воздух прошел стадию сжатия он поступает непосредственно в камеру сгоранию, одновременно с этим происходит впрыск топлива.
Для поджигания горючей смеси в камере сгорания предусмотрена свеча, правда, она необходима только для первого воспламенения. Так как в дальнейшем сжигание смеси будет происходить только за счет горячих газов, оставшихся в камере сгорания. После того как произошло превращения топливной смеси в горячий газ, последний направляется в винтовые каналы расширительного отсека, имея в своем арсенале огромное давление и температуру.
Расширительная камера представляет собой полную противоположность компрессорной камере - высота каналов по ходу движения газов у нее только увеличивается. За счет этого и происходит полезная работа, так как, расширяясь, газы, заставляют вращаться ротор. Правда часть полученной мощности теряется при сжатии очередной порции воздуха необходимой для "огненного сердца".
Достоинства роторно-волнового двигателя
Следует сказать о том, что выше мы рассмотрели наиболее упрощенную конструкцию роторно-волнового двигателя. Существуют двигатели такого типа с пятизаходным корпусом и четырехзаходным ротором. Причем такие многозаходные конструкции могут играть роль редукторов, так как при четырех обкатываниях ротора по винтовой поверхности корпуса выходной вал совершит только один полный оборот. То есть сам двигатель позволяет поднять крутящий момент в четыре раза, что согласитесь не так уж и мало.
Еще одно преимущество двигателя скрывается в минимальном количестве пар трения. Фактически трение присутствует только в подшипниках, на которых закреплен вал отбора мощности да в ШРУСе. А как же потери связанные с тем, что ротор обкатывается по корпусу, спросите вы? Эти потери просто отсутствуют, волны ротора "расходятся" на минимально возможном расстоянии с волнами корпуса. К достоинствам следует отнести и малую массу такого типа двигателей. Ведь посмотрев на схему, вы не обнаружите ни газораспределительного механизма, ни тяжелого маховика, ни коленчатого вала. Так как ротор сам по себе является простейшим газораспределительным механизмом, а маховик роторно-волновому двигателю не нужен, потому что в нем просто-напросто отсутствует знакопеременное движение. Благодаря малому количеству деталей и их небольшой массе роторно-волновой двигатель способен развивать обороты в диапазоне от 3000 до 30000 об/мин.
О всеядности этого двигателя поговорить следует отдельно. Ведь в принципе высокооктановое топливо роторно-волновому двигателю необходимо только в момент запуска, как только камера сгорания прогреется, то в нее можно фактически подавать любую горючую жидкость, главное чтобы в процессе горения выделялись горячие газы необходимые для вращения ротора.
Недостаток роторно-волнового двигателя
У этого типа двигателей есть один существенный минус, который в принципе и мешает его мировому распространению - это высокая технологичность, а соответственно и еще большая себестоимость готовой продукции. Так что большое количество плюсов перекрывается одним жирным минусом.
Бесшатунный поршневой двигатель
Идея создания бесшатунного поршневого двигателя родилась в нашей стране достаточно давно. События происходили на рубеже трицатых-сороковых годов в конструкторском бюро, где занимались вопросами разработки и постройки авиационных двигателей. Один из конструкторов этого закрытого предприятия предложил тогда отойти от привычной для нас схемы двигателя внутреннего сгорания, где поршень и коленчатый вал соединены между собой с помощью шатуна. Конструктором этим был С. Баландин, а разработал он новый тип двигателя внутреннего сгорания - бесшатунный ДВС, который позже назвали двигателем Баландина.
Как работает бесшатунный поршневой двигатель?
Для того чтобы понять, как работает это чудо инженерной мысли, сперва взгляните на рисунок. Двигатель состоит из следующих частей: 1,2,3,4 - поршни, 5,6 - подшипники, 7,8 - консольные валы, с опорами для коленчатого вала, 9,10,11,12 - шестерни механизма синхронизации, 13 - коленчатый вал, 14,15 - ползун, 16 - вал отбора мощности.
Теперь давайте посмотрим, как все эти составные части взаимосвязано работают. Итак, представьте, что в камеру сгорания первого цилиндра попадает топливно-воздушная смесь, сначала происходит ее постепенное сжатие, а за тем возгорание. Резко возросшее давление горячих газов заставляет перемещаться поршень 1 и жестко связанный с ним ползун 14 вниз. Зародившееся движения сразу же выводит из состояния покоя коленчатый вал 13, так как все возрастающее давления со стороны ползуна заставляет его вращаться вокруг опор, которые расположены на консольных валах 7 и 8. В свою очередь достаточно сложное планетарное вращения коленчатого вала 13, моментально заставляет совершать вращательные движения и консольные валы 7,8. В результате этих хитросплетений взаимных перемещений, возникает крутящий момент, который через синхронизирующие шестерни 9,10,11,12 передается на вал отбора мощности 16.
Конструкция, рассмотренная нами выше, по теории Баландина должна была иметь высокий механический КПД равный приблизительно 94-м процентам, в то время как обычный, то есть шатунный двигатель внутреннего сгорания мог похвастаться только 85-и процентным КПД. Кроме высокого КПД двигатель должен был обладать следующими ниже преимуществами. Во-первых, это уменьшение нагрузки на поршни, так как в отличие от шатунного двигателя, они во время движения не перекашивются, вследствие чего и отсутствует трение поршня о стенку цилиндра. Во-вторых, есть возможность использования подпоршневого объема для нагнетания воздуха, либо для организации рабочего процесса. В-третьих, существует возможность отказа от маховика, так как поршни и ползуны обладают достаточной массой, а значит и инерционностью.
Казалось бы, сколько много у этого двигателя преимуществ по сравнению с шатунным, но почему же он до сих пор не был запущен в серийное производство? А дело все в следующем. Проблемы с этой конструкцией начались почти сразу же после постройки первых прототипов. Они категорически сопротивлялись работать, "первенцев" заклинивало практически после первых оборотов коленчатого вала. Но после того как эта проблема была решена, дело тогда было в задире поршней, начались новые неприятности - двигатель отказывался нарабатывать положенный моторесурс. На сей раз, виной всему стал чрезвычайно сильный износ направляющих ползунов. Тогда же столкнулись и с трудностью подачи смазки к ползунам и их направляющим.
Множество проблем связанных с доводкой двигателя привели к тому, что большое число конструкторов первоначально подхвативших идею Баландина, отказались от дальнейших работ в этой области. Да плюс ко всему прочему двигатель был очень сложен с технологической точки зрения. Так как в моторе использовалось множество взаимосвязанных элементов, то и допуски на размеры этих деталей должны были быть минимальны, а иначе работоспособность двигателя была бы под большим вопросом. Следует так же сказать, что большинство моторостроительных предприятий в нашей стране не могло похвастаться высокоточным оборудованием необходимым для производства бесшатунных двигателей. Но если даже представить, что производство этих необычных агрегатов и было бы освоено, то цифры их себестоимости удивляли, я думаю, не меньше чем конструкторские решения.
Двигатель Кушуля
В современном мире стало модно быть, экологически чистым. Буквально все твердят об экологической чистоте. Первым делом этот вопрос сказался на автомобильном транспорте, не даром большинство современных автомобилей соответствуют нормам Евро 4. Даже в нашей природа не любивой стране были введены нормы Евро 2. Деньги на совершенствование экологической безопасности автомобилей тратятся огромные, они идут на совершенствование систем впрыска, разработку новейших нейтрализаторов, а так же производство новейших видов топлива. Обо всем выше сказанном знают, наверное, многие, а вот о том, что разработкой экологически чистого двигателя в 60-х годах прошлого столетия занимался профессор Кущуль работающий в Ленинградском институте авиационного приборостроения, знают единицы.
Двигатель, построенный профессором при первом взгляде, напоминал обычный 6-ти цилиндровый V образный двигатель с малым углом развала цилиндров. Но это только при первом взгляде. На самом деле были и кардинальные отличия. Двигатель состоял: из хорошо знакомых нам поршней 1,2, шатунов не стандартной конструкции - 3,4, маховика - 5, блока цилиндров 6. Отличительной особенностью данного двигателя было перепускное окно 7, соединяющее между собой параллельные цилиндры.
Для того чтобы понять все достоинства и недостатки двигателя Кушуля давайте рассмотрим его рабочий процесс. Впуск - поршни, как и на "обычном" двигателе идут вниз, но вся разница в том, что один цилиндр "питается" сильно переобогащенной топливно-воздушной смесью, а второму перепадает только чистый воздух и ни грамма топлива. Сжатие - поршни идут вверх, сжимая находящееся внутри цилиндров "добро". Причем поршни идут с небольшой разницей, первый впереди второго на 20-30 градусов. То есть когда в первом цилиндре происходит зажигание топливно-воздушной смеси, поршень 2 находится в 30-40 градусах от в.м.т. Рабочий ход - поршень 1 начинает движение вниз под действием расширяющихся газов, в то время как поршень 2 еще продолжает свое движение вверх и сжимает находящийся в цилиндре воздух. Через некоторое время поршни выстроятся "в линию", и давление над поршнями 1 и 2 будет иметь примерно одинаковое значение. Но рабочий ход продолжается и поршень 1 движется вниз, давление горячих газов над ним при этом уменьшается, а поршень 2 все еще продолжает двигаться вверх и сжимать находящийся в цилиндре воздух. Из-за большой разницы давлений, воздух, находящийся во втором цилиндре начинает перетекать в первый через перепускное окно с огромной скоростью. Новая порция воздуха позволяет полностью сгореть топливу, попавшему в первый цилиндр. После того как поршень 2 прошел в.м.т. в нем так же начинается рабочий ход. Горячие газы в этот момент времени одновременно воздействуют на два поршня сразу. Выпуск - открываются выпускные клапаны, оба поршня идут вверх, выбрасывая в атмосферу продукты сгорания, все как у обычного двигателя, но с одной оговоркой. Процесс выпуска у двигателя Кушуля не очень то и громогласен, виной всему низкое давление отработанных газов - топливо попало в один цилиндр, а расширение горячих газов произошло в двух. Кстати говоря, здесь прослеживается и еще одно достоинство этого двигателя - достаточно высокий КПД, так как энергия горячих газов максимально возможно использована в недрах мотора, а выброс отработанных газов происходит при относительно низком давлении и температуре.
Главный козырь этого двигателя, ради чего он в принципе и создавался, низкий выброс вредных веществ, благодаря наиболее полному сгоранию топлива. К преимуществам можно так же отнести возможность работы на различных видах топлива и экономичность.
Как всегда не обошлось и без ложки дегтя. Все недостатки "вылезли" в процессе ходовых испытаний построенного Кушулем двигателя, который был имплантирован в "тело" легендарной "Волги". Недостатков было не много, но они были достаточно существенны. Первое - большая масса агрегата, с ней пытались бороться, применяя облегченные детали, но срок их службы бал значительно меньше чем у массивных. Второе - несбалансированная работа двигателя, так как в каждый момент времени работало по два цилиндра, то двигатель был аналогичен трехцилиндровому мотору. Балансионный вал в конструкции этого двигателя предусмотрен не был, хотя сейчас практически все трехцилиндровые двигатели работают в паре с "балансиром".
Как и в других случаях, конструкция этого двигателя не "пошла" по технологическим причинам. Обычный двигатель был намного проще в производстве, чем двигатель Кушуля. А как все тогда хорошо начиналось.
Роторно-поршневой дизель
О роторно-поршневых двигателях Ванкеля я думаю, слышали многие. Свою известность в нашей стране этот тип двигателей получил, благодаря двум автомобильным компаниям - это "ВАЗ" и "Mazda". Хотя двигать первой фирмы является, честно говоря, копией двигателя второй. "Mazda" безусловно пролила много пота и крови доводя конструкцию роторно-поршневого двигателя до совершенства, и ей, следует сказать, это удалось сделать. Хотя если заглянуть в историю, то в роторно-поршневом буме, который был примерно сорок лет назад, поучаствовали, наверное, все компании, которые хоть как-то были связаны с разработкой двигателей. В этот период было сделано очень много интересных роторно-поршневых двигателей. Об одном из них мы с вами и поговорим - это роторно-поршневой дизельный двигатель, сконструированный знаменитой компанией "Роллс-Ройс".
На рисунке показан двухступенчатый роторно-поршневой дизель "Роллс-Ройс". Основой для двигателя служил корпус 8 в котором находилось две рабочие полости. В полости 3 был расположен ротор ступени высокого давления 5, а в полости 1 - ротор ступени низкого давления 7. Кроме того, что роторы имели разный размер, один был меньше другого в три раза, они еще отличались и формой рабочей поверхности - маленький имел специальные выемки, большой же этим похвастаться не мог. Оба ротора синхронно вращались в одном направлении, так как были связанны шестеренчатой передачей. Вал отбора мощности состыковывался с эксцентриковым валом ротора 7. В корпусе имелись две полости - 2,6, которые соединяли между собой ступени высокого и низкого давления, а так же два окна - 9 и 10, соответственно выпускное и впускное. Форсунка 4 находилась в верхней части корпуса и подавала "тяжелое" топливо в ступень высокого давления.
Этот двигатель работал следующим образом. Ротор 7 своей гранью отсекал от окружающей среды порцию воздуха, попавшую в секцию низкого давления через впускное окно 10. Затем воздух перемещался по каналу 2 в секцию высокого давления, испытывая небольшое сжатие, но лишь до того момента пока грань ротора 5 не пересекала перепускной канал. После того как воздух оказался в полости между ротором 5 и корпусом 8 он испытывал сильное всестороннее сжатия и постепенно переносился в рабочую зону форсунки 4. После впрыска топлива в предварительно сжатый воздух, происходило сгорание. Образовавшиеся газы расширялись лишь в секции высокого давления, но только до тех пор, пока грань ротора 5 не открыла доступ к перепускному каналу 6. После этого расширение уже происходило в двух секциях, до того момента пока грань ротора 7 не открывала выпускное окно 9.
Многие из вас наверняка зададутся вопросом: " А для чего необходимо было делать двигатель двухсекционным ?" Двухсекционность в первую очередь была необходима, для того чтобы организовать дизельный цикл в роторно-поршневом двигателе. Во-вторых, было в два раза уменьшено давление приходящиеся на эксцентриковые валы роторов, соответственно это дало увеличение ресурса двигателя.
При конструировании этого необычного двигателя компанией "Роллс-Ройс" было решено громадное количество технических задач. Большие проблемы были связаны с подбором идеальной формы выемок выполненных в рабочей поверхности ротора ступени высокого давления. Много времени заняли вопросы, связанные с подшипниками ротора и радиальными уплотнениями. Так как в дизельном двигатели нагрузки на эти элементы намного больше, чем, в двигателе, работающем на бензине.
После того как двигатель окончательно был доведен до ума, фирме "Роллс-Ройс" пришлось сделать трудное для себя решение. А именно - закрыть этот проект. Так как двигатель хоть и радовал своими положительными чертами, сюда можно отнести все плюсы дизельных двигателей и прибавить компактность Р.П.Д. но был достаточно сложен в производстве, имел высокую себестоимость и что самое важное малый ресурс.
Двигатели
note2auto.ru
Нетрадиционные двигатели внутреннего сгорания - Технические вопросы и ответы
Многие из нас, наверное, знают, что двигатель внутреннего сгорания, был изобретен достаточно давно, дело это было аж в позапрошлом веке. За время прошедшее с того момента было предложено множество оригинальных конструкторских решений, казалось бы, способных перевернуть все понятия двигателестроения. Переворота все же не произошло, и наш хороший знакомый - кривошипно-шатунный поршневой двигатель не спеша, завоевал весь мир. Однако о неформалах мира двигателей поговорить все-таки стоит.
Роторно-волновой двигатель
Одну из оригинальных конструкций двигателя внутреннего сгорания предложили наши соотечественники. Конструкция эта достаточно не обычна и называется - роторно-волновой двигатель. Давайте сперва разберемся, из каких элементов эта хитрая конструкция состоит и как она работает, а потом поговорим обо всех преимуществах и недостатках.
Конструкция
Основой для двигателя служит корпус(1), достаточно не обычной формы, на внутренних поверхностях которого выполнены специальные винтовые каналы. Внутри корпуса находится полый ротор(2), имеющий на своей поверхности такие же винтовые каналы. Пустотелый ротор и вал отбора мощности(3), соединены между собой с помощью шарнира равных угловых скоростей (ШРУСа)(4). Обратите внимание, что в правой части полого ротора находится механизм, состоящий из блока шестерен(5) и эксцентрика (6). Благодаря нему ротор имеет возможность совершать обкатывание по винтовой поверхности корпуса. Весь же двигатель условно делится на три основные части: компрессорный отсек(А), камера сгорания(Б) и расширительный отсек(В).
Как работает роторно-волновой двигатель?
От конструкции двигателя плавно переходим к рассмотрению рабочего процесса Двухгипотрохоидного РВД, где двухзаходный корпус работает в совокупности с однозаходным ротором, а заключается он в следующем. Как только вал отбора мощности начинает совершать вращательные движения в полости, находящиеся между винтовыми каналами ротора и корпуса, в компрессорном отсеке, начинает засасываться воздух. Так как мы рассматриваем совместную работу двухзаходного корпуса и однозаходного ротора, то за один оборот вала отбора мощности в комперссорный отсек будет попадать две порции воздуха.
После того как воздух был захвачен и отсечен от окружающей среды, он направляется по винтовому каналу в камеру сгорания, испытывая всестороннее сжатие. Это обусловлено тем, что высота винтовых каналов ротора и корпуса уменьшается, приближаясь к камере сгорания. После того как воздух прошел стадию сжатия он поступает непосредственно в камеру сгоранию, одновременно с этим происходит впрыск топлива.
Для поджигания горючей смеси в камере сгорания предусмотрена свеча, правда, она необходима только для первого воспламенения. Так как в дальнейшем сжигание смеси будет происходить только за счет горячих газов, оставшихся в камере сгорания. После того как произошло превращения топливной смеси в горячий газ, последний направляется в винтовые каналы расширительного отсека, имея в своем арсенале огромное давление и температуру.
Расширительная камера представляет собой полную противоположность компрессорной камере - высота каналов по ходу движения газов у нее только увеличивается. За счет этого и происходит полезная работа, так как, расширяясь, газы, заставляют вращаться ротор. Правда часть полученной мощности теряется при сжатии очередной порции воздуха необходимой для "огненного сердца".
Достоинства роторно-волнового двигателя
Следует сказать о том, что выше мы рассмотрели наиболее упрощенную конструкцию роторно-волнового двигателя. Существуют двигатели такого типа с пятизаходным корпусом и четырехзаходным ротором. Причем такие многозаходные конструкции могут играть роль редукторов, так как при четырех обкатываниях ротора по винтовой поверхности корпуса выходной вал совершит только один полный оборот. То есть сам двигатель позволяет поднять крутящий момент в четыре раза, что согласитесь не так уж и мало.
Еще одно преимущество двигателя скрывается в минимальном количестве пар трения. Фактически трение присутствует только в подшипниках, на которых закреплен вал отбора мощности да в ШРУСе. А как же потери связанные с тем, что ротор обкатывается по корпусу, спросите вы? Эти потери просто отсутствуют, волны ротора "расходятся" на минимально возможном расстоянии с волнами корпуса. К достоинствам следует отнести и малую массу такого типа двигателей. Ведь посмотрев на схему, вы не обнаружите ни газораспределительного механизма, ни тяжелого маховика, ни коленчатого вала. Так как ротор сам по себе является простейшим газораспределительным механизмом, а маховик роторно-волновому двигателю не нужен, потому что в нем просто-напросто отсутствует знакопеременное движение. Благодаря малому количеству деталей и их небольшой массе роторно-волновой двигатель способен развивать обороты в диапазоне от 3000 до 30000 об/мин.
О всеядности этого двигателя поговорить следует отдельно. Ведь в принципе высокооктановое топливо роторно-волновому двигателю необходимо только в момент запуска, как только камера сгорания прогреется, то в нее можно фактически подавать любую горючую жидкость, главное чтобы в процессе горения выделялись горячие газы необходимые для вращения ротора.
Недостаток роторно-волнового двигателя
У этого типа двигателей есть один существенный минус, который в принципе и мешает его мировому распространению - это высокая технологичность, а соответственно и еще большая себестоимость готовой продукции. Так что большое количество плюсов перекрывается одним жирным минусом.
Бесшатунный поршневой двигатель
Идея создания бесшатунного поршневого двигателя родилась в нашей стране достаточно давно. События происходили на рубеже трицатых-сороковых годов в конструкторском бюро, где занимались вопросами разработки и постройки авиационных двигателей. Один из конструкторов этого закрытого предприятия предложил тогда отойти от привычной для нас схемы двигателя внутреннего сгорания, где поршень и коленчатый вал соединены между собой с помощью шатуна. Конструктором этим был С. Баландин, а разработал он новый тип двигателя внутреннего сгорания - бесшатунный ДВС, который позже назвали двигателем Баландина.
Как работает бесшатунный поршневой двигатель?
Для того чтобы понять, как работает это чудо инженерной мысли, сперва взгляните на рисунок. Двигатель состоит из следующих частей: 1,2,3,4 - поршни, 5,6 - подшипники, 7,8 - консольные валы, с опорами для коленчатого вала, 9,10,11,12 - шестерни механизма синхронизации, 13 - коленчатый вал, 14,15 - ползун, 16 - вал отбора мощности.
Теперь давайте посмотрим, как все эти составные части взаимосвязано работают. Итак, представьте, что в камеру сгорания первого цилиндра попадает топливно-воздушная смесь, сначала происходит ее постепенное сжатие, а за тем возгорание. Резко возросшее давление горячих газов заставляет перемещаться поршень 1 и жестко связанный с ним ползун 14 вниз. Зародившееся движения сразу же выводит из состояния покоя коленчатый вал 13, так как все возрастающее давления со стороны ползуна заставляет его вращаться вокруг опор, которые расположены на консольных валах 7 и 8. В свою очередь достаточно сложное планетарное вращения коленчатого вала 13, моментально заставляет совершать вращательные движения и консольные валы 7,8. В результате этих хитросплетений взаимных перемещений, возникает крутящий момент, который через синхронизирующие шестерни 9,10,11,12 передается на вал отбора мощности 16.
Конструкция, рассмотренная нами выше, по теории Баландина должна была иметь высокий механический КПД равный приблизительно 94-м процентам, в то время как обычный, то есть шатунный двигатель внутреннего сгорания мог похвастаться только 85-и процентным КПД. Кроме высокого КПД двигатель должен был обладать следующими ниже преимуществами. Во-первых, это уменьшение нагрузки на поршни, так как в отличие от шатунного двигателя, они во время движения не перекашивются, вследствие чего и отсутствует трение поршня о стенку цилиндра. Во-вторых, есть возможность использования подпоршневого объема для нагнетания воздуха, либо для организации рабочего процесса. В-третьих, существует возможность отказа от маховика, так как поршни и ползуны обладают достаточной массой, а значит и инерционностью.
Казалось бы, сколько много у этого двигателя преимуществ по сравнению с шатунным, но почему же он до сих пор не был запущен в серийное производство? А дело все в следующем. Проблемы с этой конструкцией начались почти сразу же после постройки первых прототипов. Они категорически сопротивлялись работать, "первенцев" заклинивало практически после первых оборотов коленчатого вала. Но после того как эта проблема была решена, дело тогда было в задире поршней, начались новые неприятности - двигатель отказывался нарабатывать положенный моторесурс. На сей раз, виной всему стал чрезвычайно сильный износ направляющих ползунов. Тогда же столкнулись и с трудностью подачи смазки к ползунам и их направляющим.
Множество проблем связанных с доводкой двигателя привели к тому, что большое число конструкторов первоначально подхвативших идею Баландина, отказались от дальнейших работ в этой области. Да плюс ко всему прочему двигатель был очень сложен с технологической точки зрения. Так как в моторе использовалось множество взаимосвязанных элементов, то и допуски на размеры этих деталей должны были быть минимальны, а иначе работоспособность двигателя была бы под большим вопросом. Следует так же сказать, что большинство моторостроительных предприятий в нашей стране не могло похвастаться высокоточным оборудованием необходимым для производства бесшатунных двигателей. Но если даже представить, что производство этих необычных агрегатов и было бы освоено, то цифры их себестоимости удивляли, я думаю, не меньше чем конструкторские решения.
Двигатель Кушуля
В современном мире стало модно быть, экологически чистым. Буквально все твердят об экологической чистоте. Первым делом этот вопрос сказался на автомобильном транспорте, не даром большинство современных автомобилей соответствуют нормам Евро 4. Даже в нашей природа не любивой стране были введены нормы Евро 2. Деньги на совершенствование экологической безопасности автомобилей тратятся огромные, они идут на совершенствование систем впрыска, разработку новейших нейтрализаторов, а так же производство новейших видов топлива. Обо всем выше сказанном знают, наверное, многие, а вот о том, что разработкой экологически чистого двигателя в 60-х годах прошлого столетия занимался профессор Кущуль работающий в Ленинградском институте авиационного приборостроения, знают единицы.
Двигатель, построенный профессором при первом взгляде, напоминал обычный 6-ти цилиндровый V образный двигатель с малым углом развала цилиндров. Но это только при первом взгляде. На самом деле были и кардинальные отличия. Двигатель состоял: из хорошо знакомых нам поршней 1,2, шатунов не стандартной конструкции - 3,4, маховика - 5, блока цилиндров 6. Отличительной особенностью данного двигателя было перепускное окно 7, соединяющее между собой параллельные цилиндры.
Для того чтобы понять все достоинства и недостатки двигателя Кушуля давайте рассмотрим его рабочий процесс. Впуск - поршни, как и на "обычном" двигателе идут вниз, но вся разница в том, что один цилиндр "питается" сильно переобогащенной топливно-воздушной смесью, а второму перепадает только чистый воздух и ни грамма топлива. Сжатие - поршни идут вверх, сжимая находящееся внутри цилиндров "добро". Причем поршни идут с небольшой разницей, первый впереди второго на 20-30 градусов. То есть когда в первом цилиндре происходит зажигание топливно-воздушной смеси, поршень 2 находится в 30-40 градусах от в.м.т.. Рабочий ход - поршень 1 начинает движение вниз под действием расширяющихся газов, в то время как поршень 2 еще продолжает свое движение вверх и сжимает находящийся в цилиндре воздух. Через некоторое время поршни выстроятся "в линию", и давление над поршнями 1 и 2 будет иметь примерно одинаковое значение. Но рабочий ход продолжается и поршень 1 движется вниз, давление горячих газов над ним при этом уменьшается, а поршень 2 все еще продолжает двигаться вверх и сжимать находящийся в цилиндре воздух. Из-за большой разницы давлений, воздух, находящийся во втором цилиндре начинает перетекать в первый через перепускное окно с огромной скоростью. Новая порция воздуха позволяет полностью сгореть топливу, попавшему в первый цилиндр. После того как поршень 2 прошел в.м.т. в нем так же начинается рабочий ход. Горячие газы в этот момент времени одновременно воздействуют на два поршня сразу. Выпуск - открываются выпускные клапаны, оба поршня идут вверх, выбрасывая в атмосферу продукты сгорания, все как у обычного двигателя, но с одной оговоркой. Процесс выпуска у двигателя Кушуля не очень то и громогласен, виной всему низкое давление отработанных газов - топливо попало в один цилиндр, а расширение горячих газов произошло в двух. Кстати говоря, здесь прослеживается и еще одно достоинство этого двигателя - достаточно высокий КПД, так как энергия горячих газов максимально возможно использована в недрах мотора, а выброс отработанных газов происходит при относительно низком давлении и температуре.
Главный козырь этого двигателя, ради чего он в принципе и создавался, низкий выброс вредных веществ, благодаря наиболее полному сгоранию топлива. К преимуществам можно так же отнести возможность работы на различных видах топлива и экономичность.
Как всегда не обошлось и без ложки дегтя. Все недостатки "вылезли" в процессе ходовых испытаний построенного Кушулем двигателя, который был имплантирован в "тело" легендарной "Волги". Недостатков было не много, но они были достаточно существенны. Первое - большая масса агрегата, с ней пытались бороться, применяя облегченные детали, но срок их службы бал значительно меньше чем у массивных. Второе - несбалансированная работа двигателя, так как в каждый момент времени работало по два цилиндра, то двигатель был аналогичен трехцилиндровому мотору. Балансионный вал в конструкции этого двигателя предусмотрен не был, хотя сейчас практически все трехцилиндровые двигатели работают в паре с "балансиром".
Как и в других случаях, конструкция этого двигателя не "пошла" по технологическим причинам. Обычный двигатель был намного проще в производстве, чем двигатель Кушуля. А как все тогда хорошо начиналось.
Роторно-поршневой дизель
О роторно-поршневых двигателях Ванкеля я думаю, слышали многие. Свою известность в нашей стране этот тип двигателей получил, благодаря двум автомобильным компаниям - это "ВАЗ" и "Mazda". Хотя двигать первой фирмы является, честно говоря, копией двигателя второй. "Mazda" безусловно пролила много пота и крови доводя конструкцию роторно-поршневого двигателя до совершенства, и ей, следует сказать, это удалось сделать. Хотя если заглянуть в историю, то в роторно-поршневом буме, который был примерно сорок лет назад, поучаствовали, наверное, все компании, которые хоть как-то были связаны с разработкой двигателей. В этот период было сделано очень много интересных роторно-поршневых двигателей. Об одном из них мы с вами и поговорим - это роторно-поршневой дизельный двигатель, сконструированный знаменитой компанией "Роллс-Ройс".
На рисунке показан двухступенчатый роторно-поршневой дизель "Роллс-Ройс". Основой для двигателя служил корпус 8 в котором находилось две рабочие полости. В полости 3 был расположен ротор ступени высокого давления 5, а в полости 1 - ротор ступени низкого давления 7. Кроме того, что роторы имели разный размер, один был меньше другого в три раза, они еще отличались и формой рабочей поверхности - маленький имел специальные выемки, большой же этим похвастаться не мог. Оба ротора синхронно вращались в одном направлении, так как были связанны шестеренчатой передачей. Вал отбора мощности состыковывался с эксцентриковым валом ротора 7. В корпусе имелись две полости - 2,6, которые соединяли между собой ступени высокого и низкого давления, а так же два окна - 9 и 10, соответственно выпускное и впускное. Форсунка 4 находилась в верхней части корпуса и подавала "тяжелое" топливо в ступень высокого давления.
Этот двигатель работал следующим образом. Ротор 7 своей гранью отсекал от окружающей среды порцию воздуха, попавшую в секцию низкого давления через впускное окно 10. Затем воздух перемещался по каналу 2 в секцию высокого давления, испытывая небольшое сжатие, но лишь до того момента пока грань ротора 5 не пересекала перепускной канал. После того как воздух оказался в полости между ротором 5 и корпусом 8 он испытывал сильное всестороннее сжатия и постепенно переносился в рабочую зону форсунки 4. После впрыска топлива в предварительно сжатый воздух, происходило сгорание. Образовавшиеся газы расширялись лишь в секции высокого давления, но только до тех пор, пока грань ротора 5 не открыла доступ к перепускному каналу 6. После этого расширение уже происходило в двух секциях, до того момента пока грань ротора 7 не открывала выпускное окно 9.
Многие из вас наверняка зададутся вопросом: " А для чего необходимо было делать двигатель двухсекционным ?" Двухсекционность в первую очередь была необходима, для того чтобы организовать дизельный цикл в роторно-поршневом двигателе. Во-вторых, было в два раза уменьшено давление приходящиеся на эксцентриковые валы роторов, соответственно это дало увеличение ресурса двигателя.
При конструировании этого необычного двигателя компанией "Роллс-Ройс" было решено громадное количество технических задач. Большие проблемы были связаны с подбором идеальной формы выемок выполненных в рабочей поверхности ротора ступени высокого давления. Много времени заняли вопросы, связанные с подшипниками ротора и радиальными уплотнениями. Так как в дизельном двигатели нагрузки на эти элементы намного больше, чем, в двигателе, работающем на бензине.
После того как двигатель окончательно был доведен до ума, фирме "Роллс-Ройс" пришлось сделать трудное для себя решение. А именно - закрыть этот проект. Так как двигатель хоть и радовал своими положительными чертами, сюда можно отнести все плюсы дизельных двигателей и прибавить компактность Р.П.Д., но был достаточно сложен в производстве, имел высокую себестоимость и что самое важное малый ресурс.
http://www.autodela....iew/engine_7_08
www.club-suv.ru
Тепловые двигатели внутреннего сгорания нетрадиционной конструкции - Документ
Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова
Министерство образования и науки РФ
Кафедра ОБД
Статья
Тема: Тепловые двигатели внутреннего сгорания
нетрадиционной конструкции.
Выполнил: Аспирант Нешатаев В.В.
Проверил: к.т.н., профессор Токарев А.Н.
Барнаул 2007
История создания двигателей внутреннего сгорания
В 1899 году французский инженер Филипп Лебон открыл светильный газ. В 1799 году он получил патент на использование и способ получения светильного газа путем сухой перегонки древесины или угля. Это открытие имело огромное значение, прежде всего для развития техники освещения. Очень скоро во Франции, а потом и в других странах Европы газовые лампы стали успешно конкурировать с дорогостоящими свечами.
Рис. 1 Однако светильный газ годился не только для освещения.
В 1801 году Лебон взял патент на конструкцию газового двигателя. Принцип действия этой машины (рис. 1) основывался на известном свойстве открытого им газа: его смесь с воздухом взрывалась при воспламенении с выделением большого количества теплоты. Продукты горения стремительно расширялись, оказывая сильное давление на окружающую среду. Создав соответствующие условия, можно использовать выделяющуюся энергию в интересах человека. В двигателе Лебона были предусмотрены два компрессора и камера смешения. Один компрессор должен был накачивать в камеру сжатый воздух, а другой - сжатый светильный газ из газогенератора. Газовоздушная смесь поступала потом в рабочий цилиндр, где воспламенялась. Двигатель был двойного действия, то есть попеременно действовавшие рабочие камеры находились по обе стороны поршня. По существу, Лебон вынашивал мысль о двигателе внутреннего сгорания, однако в 1804 году он погиб, не успев воплотить в жизнь свое изобретение.В последующие годы несколько изобретателей из разных стран пытались создать работоспособный двигатель на светильном газе. Однако все эти попытки не привели к появлению на рынке двигателей, которые могли бы успешно конкурировать с паровой машиной. Честь создания коммерчески успешного двигателя внутреннего сгорания принадлежит бельгийскому инженеру Жану Этьену Ленуару. Работая на гальваническом заводе, Ленуар пришел к мысли, что топливовоздушную смесь в газовом двигателе можно воспламенять с помощью электрической искры, и решил построить двигатель на основе этой идеи.
Ленуар не сразу добился успеха. После того как удалось изготовить все детали и собрать машину, она проработала совсем немного и остановилась, так как из-за нагрева поршень расширился и заклинил в цилиндре. Ленуар усовершенствовал свой двигатель, продумав систему водяного охлаждения. Однако вторая попытка запуска также закончилась неудачей из-за плохого хода поршня. Ленуар дополнил свою конструкцию системой смазки. Только тогда двигатель начал работать. Рис. 2
В 1864 году было выпущено уже более 300 таких двигателей (рис. 2) разной мощности. Разбогатев, Ленуар перестал работать над усовершенствованием своей машины, и это предопределило ее судьбу - она была вытеснена с рынка более совершенным двигателем, созданным немецким изобретателем Августом Отто.
В 1864 году тот получил патент на свою модель газового двигателя и в том же году заключил договор с богатым инженером Лангеном для эксплуатации этого изобретения. Вскоре была создана фирма "Отто и Компания".На первый взгляд, двигатель Отто представлял собой шаг назад по сравнению с двигателем Ленуара. Цилиндр был вертикальным. Вращаемый вал помещался над цилиндром сбоку. Вдоль оси поршня к нему была прикреплена рейка, связанная с валом. Двигатель работал следующим образом. Вращающийся вал поднимал поршень на 1/10 высоты цилиндра, в результате чего под поршнем образовывалось разряженное пространство и происходило всасывание смеси воздуха и газа. Затем смесь воспламенялась. Ни Отто, ни Ланген не владели достаточными знаниями в области электротехники и отказались от электрического зажигания. Воспламенение они осуществляли открытым пламенем через трубку. При взрыве давление под поршнем возрастало примерно до 4 атм. Под действием этого давления поршень поднимался, объем газа увеличивался и давление падало. При подъеме поршня специальный механизм отсоединял рейку от вала. Поршень сначала под давлением газа, а потом по инерции поднимался до тех пор, пока под ним не создавалось разряжение. Таким образом, энергия сгоревшего топлива использовалась в двигателе с максимальной полнотой. В этом заключалась главная оригинальная находка Отто. Рабочий ход поршня вниз начинался под действием атмосферного давления, и после того, как давление в цилиндре достигало атмосферного, открывался выпускной вентиль, и поршень своей массой вытеснял отработанные газы. Из-за более полного расширения продуктов сгорания КПД этого двигателя был значительно выше, чем КПД двигателя
Рис. 3 Ленуара и достигал 15%, то есть превосходил КПД самых лучших паровых машин того времени.
Поскольку двигатели Отто были почти в пять раз экономичнее двигателей Ленуара, они сразу стали пользоваться большим спросом. В последующие годы их было выпущено около пяти тысяч штук. Отто упорно работал над усовершенствованием их конструкции. Вскоре зубчатую рейку заменила кривошипно-шатунная передача. Но самое существенное из его изобретений было сделано в 1877 году, когда Отто взял патент на новый двигатель с четырехтактным циклом (рис. 3). Этот цикл по сей день лежит в основе работы большинства газовых и бензиновых двигателей. В следующем году новые двигатели уже были запущены в производство.
Четырехтактный цикл был самым большим техническим достижением Отто. Но вскоре обнаружилось, что за несколько лет до его изобретения точно такой же принцип работы двигателя был описан французским инженером Бо де Рошем. Группа французских промышленников оспорила в суде патент Отто. Суд счел их доводы убедительными. Права Отто, вытекавшие из его патента, были значительно сокращены, в том числе было аннулировано его монопольное право на четырехтактный цикл.Хотя конкуренты наладили выпуск четырехтактных двигателей, отработанная многолетним производством модель Отто все равно была лучшей, и спрос на нее не прекращался. К 1897 году было выпущено около 42 тысяч таких двигателей разной мощности. Однако то обстоятельство, что в качестве топлива использовался светильный газ, сильно суживало область применения первых двигателей внутреннего сгорания. Количество светильногазовых заводов было незначительно даже в Европе, а в России их вообще было только два - в Москве и Петербурге.
Поэтому не прекращались поиски нового горючего для двигателя внутреннего сгорания. Некоторые изобретатели пытались применить в качестве газа, пары жидкого топлива. Еще в 1872 году американец Брайтон пытался использовать в этом качестве керосин. Однако керосин плохо испарялся, и Брайтон перешел к более легкому нефтепродукту- бензину. Но для того, чтобы двигатель на жидком топливе мог успешно конкурировать с газовым, необходимо было создать специальное устройство для испарения бензина и получения горючей смеси его с воздухом.
Брайтон в том же 1872 году придумал один из первых так называемых "испарительных" карбюраторов, но он действовал неудовлетворительно.
Работоспособный бензиновый двигатель (рис.4) появился только десятью годами позже. Рис. 4
Изобретателем его был немецкий инженер Юлиус Даймлер. Много лет он работал в фирме Отто и был членом ее правления. В начале 80-х годов он предложил своему шефу проект компактного бензинового двигателя, который можно было бы использовать на транспорте. Отто отнесся к предложению Даймлера холодно. Тогда Даймлер вместе со своим другом Вильгельмом Майбахом принял смелое решение- 1882 году они ушли из фирмы Отто, приобрели небольшую мастерскую близ Штутгарта и начали работать над своим проектом.Проблема, стоявшая перед Даймлером и Майбахом была не из легких: они решили создать двигатель, который не требовал бы газогенератора, был бы очень легким и компактным, но при этом достаточно мощным, чтобы двигать экипаж. Увеличение мощности Даймлер рассчитывал получить за счет увеличения частоты вращения вала, но для этого необходимо было обеспечить требуемую частоту воспламенения смеси. В 1883 году был создан первый бензиновый двигатель с зажиганием от раскаленной полой трубочки, открытой в цилиндр.
Первая модель бензинового двигателя предназначалась для промышленной стационарной установки.
Процесс испарения жидкого топлива в первых бензиновых двигателях, заставлял желать лучшего. Поэтому настоящую революцию в двигателестроении произвело изобретение карбюратора (рис. 5). Создателем его считается венгерский инженер Донат Банки. В 1893 году взял патент на карбюратор с жиклером, который был прообразом всех современных карбюраторов. В отличие от своих предшественников Банки предлагал не испарять бензин, а мелко распылять его в воздухе. Это обеспечивало его равномерное распределение по цилиндру, а само испарение происходило уже в цилиндре под действием тепла сжатия. Для обеспечения распыления всасывание бензина происходило потоком воздуха через дозирующий жиклер, а постоянство состава смеси достигалась за счет поддержания постоянного уровня бензина в карбюраторе. Жиклер выполнялся в виде одного или нескольких отверстий в трубке, располагавшейся перпендикулярно потоку воздуха.
gigabaza.ru
