Двигатель без поршней

Поршневой двигатель самолета.

История поршневых двигателей насчитывает на несколько десятилетий больше, чем история самой авиации. Они сдвинули с места первый автомобиль, подняли в небо первый самолет и первый вертолет, прошли две Мировые войны и до сих пор используются в 99.9% автомобилей мира. Однако в авиации на сегодняшний день поршневые двигатели практически полностью вытеснены газотурбинными двигателями и используются исключительно в малоразмерных персональных либо спортивных самолетах.

Это произошло по причине того, что даже самый простой и неэффективный газотурбинный двигатель имеет большую удельную мощность (единица мощности на единицу массы двигателя), чем самый современный поршневой, а в авиации масса – исключительно важный параметр. Кроме того, газотурбинный двигатель более универсальный и может двигать самолет за счет реактивной струи, исключительно этот факт позволил самолетам достичь скоростей в 2, 3 или даже 4 раза выше скорости звука.

Но вернемся к поршневым двигателям. Как же они устроены? На схеме продемонстрировано устройство цилиндра четырехтактного бензинового двигателя воздушного охлаждения: 1 – впускной патрубок (подача топливно-воздушной смеси в цилиндр), 2 – стенка цилиндра (в данном случае ребристая с внешней стороны, для повышения охлаждаемой площади, поскольку цилиндр имеет воздушное охлаждение), 3 – поршень (возвратно-поступательным движением обеспечивает впуск смеси, ее сжатие, получение энергии и дальнейший вывод отработанных газов), 4, 5 – шатун и коленвал (преобразование возвратно-поступательного импульса в крутящий момент), 6 – свеча зажигания (дает искру, которая поджигает смесь), 7 – выхлопной патрубок (вывод отработанных газов), 8 – впускной и выпускной клапаны («открывают» цилиндр для входа смеси (впускной) и выхода отработанных газов (выпускной), герметизируют цилиндр во время сжатия и воспламенения. Следует отметить, что изображен лишь пример конструкции, но ее вариации могут быть значительными, к примеру цилиндры дизельных двигателей не имеют свечей зажигания, а если двигатель жидкостного охлаждения – отсутствуют «ребра», но присутствуют каналы для прогона охлаждающей жидкости и т.д. По количеству тактов (действия, происходящие поочередно в цилиндре двигателя) различают 3 типа двигателя – двухтактный, четырехтактный и шеститактный. Наиболее широко используемым является четырехтактный двигатель, четыре его такта показаны на схеме.

Коэффициент полезного действия самых современных поршневых двигателей не превышает 25-30%, т.е. реально около 70% всей энергии, получаемой во время сгорания топлива, превращается в тепло, которое необходимо выводить из двигателя. Система охлаждения очень важный компонент в силовой установке и во многом определяет ее характеристики. По типу вывода тепла (иначе охлаждения) двигатели подразделяются на воздушный и жидкостный тип.

И если в автомобилях воздушное охлаждение практически не используется, из-за своей низкой эффективности на малых скоростях и ее полного отсутствия при остановке, то в поршневой авиации двигатели воздушного охлаждения очень и очень широко используются, ведь имеют ряд преимуществ перед двигателями жидкостного охлаждения. А именно меньшая масса, соответственно большая удельная мощность и более простая, а значит и более надежная конструкция. Кроме того, из-за большой силы набегающего потока во время полета, эффективность охлаждения обычно достаточна для нормальной работы двигателя.

Большинство поршневых двигателей – многоцилиндровые, это необходимо для повышения мощности и общей их эффективности. В связи с этим их классифицируют по расположению цилиндров относительно коленвала. В пик своего развития, авиационные двигатели имели до 24 цилиндров, а некоторые, несерийные экземпляры и более. И основными, наиболее широко используемыми вариантами расположения цилиндров является V-образное, рядное и звездообразное.

Различить их нетрудно, ведь если смотреть спереди они и выглядят как буква V в первом случае, один ряд (колонна) – во втором случае, и звезда (или при наличии большого количества цилиндров — скорее блюдечко) в третьем. Традиционно два первых типа используют систему жидкостного охлаждения, в то время как последний – воздушного. Соответственно кроме вышеназванных преимуществ и недостатков двигателей по типу их охлаждения, можно еще добавить, что рядные двигатели компактные, могут быть установлены в перевернутом положении, но при наличии большого количества цилиндров, они получаются очень уж длинными.

V-образные имеют 2 цилиндра в ряду, соответственно они имеют в два раза меньшую длину, чем рядные, но зато менее компактны, хотя также могут быть установлены в перевернутом положении, имеют большее фронтальное сечение, а значит и большее лобовое сопротивление. Звездообразные, или радиальные двигатели, имеют цилиндры, распложенные вокруг коленвала, соответственно они наиболее громоздкие, имеют просто таки огромное фронтальное сечение и лобовое сопротивление, но благодаря этому могут эффективно охлаждаться набегающим потоком и имеют очень незначительные показатели длины.

Другие агрегаты

LordStasis ›
Блог ›
РПД из композитов (проект «ЦИАМ им. П.И. Баранова» при поддержке ФПИ)

В ЦИАМ обсудили проблемы и перспективы развития двигателестроения для малой и региональной авиации РФ
9 Октября 2017
Важным направлением исследований начальник отдела ЦИАМ Лев Финкельберг назвал работы по разработке односекционного экспериментального роторно-поршневого двигателя, на базе которого возможно создание модельного ряда авиационных РПД мощностью от 100 до 400 л.с.
Давайте все же поговорим об АПД нетрадиционных схем. Например, о роторно-поршневых двигателях. В автомобильной промышленности этот тип двигателя не прижился. А какие у него перспективы в авиации?
Если говорить об авиационном использовании, то я могу назвать как минимум шесть фирм, которые сейчас делают роторно-поршневые двигатели для беспилотников. БЛА с такими двигателями уже летают в Англии, Германии, Израиле.
У этого типа двигателей много достоинств: он компактен, у него малые вибрации и очень хорошая отдача по весу, он гораздо проще поршневого двигателя по количеству деталей, достаточно экономичен. Еще одно его достоинство — модульность: отработав одну секцию, можно создать унифицированный ряд двигателей, используя одну, две или три секции. Собрать вместе четыре модуля уже сложно, нужно много опор. Мы исследовали роторно-поршневой двигатель Mazda 13B и разработали свою секцию мощностью 90 л.с., что в дальнейшем позволит создать без больших дополнительных затрат двигатели мощностью 180 и 270 л.с.

Важное направление исследований — это применение керамики в двигателях этого типа. ЦИАМ выиграл конкурс Фонда перспективных исследований по применению керамики на базе карбида кремния в роторно-поршневом двигателе для увеличения его ресурса. Будем делать из керамики вставку статора, все уплотнения и напыление на крышке.

РПД ИЗ КОМПОЗИТОВ
(Совместный проект Лаборатории специальных проектов Фонда перспективных исследований и ГНЦ ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова»)
В декабре 2016 года в ФГУП «ЦИАМ им. П.И. Баранова» открыта лаборатория, в задачи которой входит разработка эффективных решений для авиадвигателестроения с использованием керамических композиционных материалов и аддитивных технологий.
В Лаборатории работают 13 сотрудников и более 30 специалистов ЦИАМ, привлекаемых для решения специальных задач.
Основная задача проекта – разработка демонстратора роторно-поршневого двигателя (РПД) с высокими удельными характеристиками и ресурсом, низким расходом топлива. РПД можно применить как в военной авиационной сфере, так и в гражданском сегменте рынка.

Сферы применения
— вооруженные силы;
— беспилотные аппараты;
— гражданская авиация;
— легкомоторные самолеты;
— автотранспорт;
— легковые автомобили;
— судостроение;
— малоразмерные суда;
— робототехника;
— мобильные платформы;
— энергетика;
— автономные энергоустановки.
Проведены успешные испытания перспективного роторно-поршневого двигателя
27 ФЕВРАЛЯ 2019
В рамках проекта успешно проведены испытания демонстратора авиационного роторно-поршневого двигателя (РПД).
Для повышения эксплуатационных, экономических и мощностных показателей при изготовлении двигателя были применены интеркерамоматричные и металлокерамоматричные композиционные материалы. Наиболее важные узлы и детали двигателя из керамических композиционных материалов, а также со специальными покрытиями, защищены патентами РФ. По результатам испытаний подтверждена работоспособность композиционных материалов нового поколения. Благодаря их использованию, применению системы турбонаддува, а также электронной системы управления рабочим процессом получена мощность двигателя, в два раза превышающая мощность предыдущих аналогов.

Повышение экономичности при одновременном увеличении ресурса – задачи следующего этапа испытаний. Также планируется проведение испытаний в термобарокамере высотно-климатического стенда УВ-3К с имитацией высоты полета до 10 000 метров. В дальнейшем модульная конструкция РПД позволит разработать модификации двигателя для применения в наземных и робототехнических изделиях.
В результате проведения стендовых испытаний двигателя-демонстратора подтверждена работоспособность деталей и покрытий из керамических композиционных материалов на основе карбонитрида титана и карбида кремния. Их применение в совокупности с качественной проработкой конструктивных решений позволило снизить удельный вес двигателя на 15-20 %, а также решить основную проблему роторно-поршневых двигателей, такую как низкий ресурс уплотнений. Высокотемпературная керамика в камере сгорания двигателя позволила применить более бедные топливовоздушные смеси и за счет этого добиться низкого удельного расхода топлива. Система турбонаддува и электронная система топливопитания позволили значительно улучшить удельные мощностные характеристики и расширить возможность применения двигателя на различных летательных аппаратах.
Интегрирование в систему шумоглушения картриджа из высокотемпературного пористого композиционного материала на основе карбида кремния привело к снижению уровня шума. Процесс разработки двигателя-демонстратора сопровождается повышенным вниманием потенциальных потребителей ввиду того, что внедрение двигателя или блочно-модульной конструкции на его основе позволит перекрыть диапазон мощностей от 50 до 500 л.с. и удовлетворить требования объектов различного назначения. Возможность выпуска двигателей для гражданского сектора является ключевым фактором в выполнении задач диверсификации производств ВПК.

Союз композитов: мощность двигателей для авиации повышена в два раза
21 Мая 2019
Новая технология увеличит грузоподъемность и длительность нахождения в воздухе небольших летательных аппаратов.
Новая модель роторно-поршневого двигателя (РПД), созданного российскими учеными, по мощности в два раза превышает все подобные устройства. Двигатель позволит повысить грузоподъемность небольших летательных аппаратов — как беспилотных, так и управляемых. Установка таких РПД возможна на уже существующие машины без модернизации конструкции. Зарубежных аналогов устройству нет.
РПД был изобретен еще в 1950-х годах. Он весит в полтора-два раза меньше, чем обычный поршневой двигатель с такой же мощностью. И в этом его преимущество. А недостатком до недавнего времени была быстрая изнашиваемость в силу особенностей конструкции.
Ученые из Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова.
— Композиты были применены в разных элементах двигателя, — рассказывает руководитель проекта Фонда перспективных исследований Сергей Маркин. — Согласно результатам испытаний, износ этих элементов пренебрежительно мал. Все они сохранили свою работоспособность, подтвердив возможность и перспективность применения композиционных материалов для изготовления наиболее нагруженных и проблемных элементов РПД.
Помимо применения композитов, в новой модели использованы и другие инновационные технические решения. В частности, в двигателе есть специально разработанная для РПД система турбонаддува с охлаждением воздуха. Это благотворно влияет на долговечность и надежность устройства. Часть элементов системы турбонаддува изготовлена с помощью технологий 3D-печати с применением отечественного сырья. Также практически с нуля разработана электронная система управления двигателем.
Благодаря всем этим решениям удалось примерно вдвое повысить мощность двигателя по сравнению с ранее разрабатывавшимися в России РПД.
Однако мощность — не единственная важная характеристика двигателя. Одним из значимых параметров является экономичный расход топлива. По сообщению разработчиков, удельный расход топлива на созданном РПД не превышает 217 г на лошадиную силу в час (по расчетам «Известий», это 295 г на 1 кВт).
— Для лучших современных поршневых двигателей примерно той же мощности расход топлива составляет 200 г на 1 кВт вырабатываемой мощности, и тут даже новый РПД им явно проигрывает, — поясняет заведующий кафедрой поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана Владимир Марков. — Зато несомненное преимущество роторного двигателя перед поршневым в размерах — он в два-три раза компактнее. Однако это превосходство частично нивелируется необходимостью установки на самолет с РПД топливного бака большего размера.
Пока разработчики планируют применять созданные небольшие РПД для легкой авиации — как беспилотников, так и управляемых аппаратов. РПД в составе гибридных силовых установок с двумя видами двигателей можно будет использовать как на гражданских, так и на военных летательных аппаратах. По сообщению разработчиков, примененные технические решения позволят повысить грузоподъемность летательных аппаратов. Важно, что установка таких двигателей возможна на уже существующие машины без модернизации конструкции и задействованных в работе самолета систем.
— Действительно, роторно-поршневые двигатели по сравнению с поршневыми обладают рядом преимуществ, — рассказал эксперт в области беспилотных систем Денис Федутинов. — Среди них, к примеру, высокая удельная мощность и меньшие вибрации и габариты, а в целом — большая простота конструкции. Если разработчикам удастся достичь таких же хороших результатов по расходу топлива и ресурсу РПД, как и у обычных поршневых, то это сделает данный двигатель востребованным на рынке для использования на БПЛА.
В конце февраля 2019 года опытный образец успешно прошел испытания по определению технических характеристик. По мнению разработчиков, создание отечественного РПД с высоким ресурсом и надежностью может послужить серьезным стимулом для развития в России авиации общего назначения и содействовать восстановлению отечественного двигателестроительного сектора.

Результаты проекта
Проект завершится в январе 2020 г. В ходе его реализации проведены исследования процессов смесеобразования и горения в рабочей камере с последующей верификацией математических моделей и отработки системы зажигания РПД. Видеофиксация процессов горения обеспечила оптическая система визуализации с оптикой из кристаллов SiC, имеющих высокие высокотемпературные и прочностные оптические характеристики. В процессе испытаний превышены требования технического задания и достигнуты максимальные обороты эксцентрикового вала под нагрузкой 7000 об/мин и максимальной мощности 54,4 л.с.
Проведен значительный объем исследований физико-механических характеристик, применяемых в проекте интеркерамоматричных и металлокерамоматричных композиционных материалов, в том числе образцов материалов, изготовленных с применением аддитивных технологий (Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) – это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d технологий). Полученные показатели (жаропрочность, эрозионная и коррозионная стойкость, твердость, низкий коэффициент трения, пределы прочности на изгиб, растяжение и сжатие) превосходят современные жаропрочные стали и интерметаллидные сплавы при значительно меньшей плотности. В ходе отработки режимов ЭБУ были получены настройки контроллера для двигателя-демонстратора, позволяющие, по предварительной оценке, достичь в процессе испытаний, заданных мощностных характеристик. Получено на стенде (без применения ККМ в конструкции) Nmax=72 л.с. при 6200 об/мин с системой турбонаддува.
Использованные источники
fpi.gov.ru/
iz.ru/870801/kolentcova-o…tcii-povyshena-v-dva-raza
fpi.gov.ru/projects/fizik…iya/kompozitnyy-dvigatel/
fpi.gov.ru/press/media/no…zdukhe-nebolshikh-letate/

Новости и тест-драйвы ›
Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса

Авторы необычных моторов, как правило, сулят революцию. Однако даже когда у крупных компаний есть возможность начать с чистого листа, они отчего-то ставят на конвейер классические поршневые ДВС. Один из последних примеров — семейство двигателей Ingenium компании JLR.

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом. А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов. Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора. При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса. В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше). Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом. За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

…такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков. В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения. С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил. Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней. Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин. Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена». Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л. На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет. Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик. Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации. Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения. С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50). А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах. Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.

Леонид Попов, 8 июля 2016 в 14:03. Иллюстрации компаний-производителей

Двигатель со встречными поршнями 5ТДФ

Двигатель со встречным движением поршней — конфигурация двигателя внутреннего сгорания с расположением поршней в два ряда один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Коленвалы механически синхронизированы, причем выпускной вал вращается с опережением относительно впускного на 15-22°, мощность отбирается либо с одного из них, либо с обоих (например, при приводе двух гребных винтов или двух фрикционов). Компоновка автоматически обеспечивает прямоточную продувку — самую совершенную для двухтактной машины и отсутствие газового стыка. Встречается и другое название этого типа двигателей — двигатель с противоположно-движущимися поршнями (двигатель с ПДП). В последнее время появилось немало крутых изобретений, и все эти наддувы-впрыски кажутся удивительными… если не знать историю. Ибо самый удивительный мотор, о котором я знаю, был сделан в Советском Союзе и, как вы догадались, не для «Лады», а для танка Т-64. Он назывался 5ТДФ, и вот несколько удивительных фактов. Он был пятицилиндровым, что само по себе необычно. У него было 10 поршней, десять шатунов и два коленчатых вала. Поршни двигались в цилиндрах в противоположных направлениях: сначала навстречу друг другу, потом обратно, снова навстречу и так далее. Отбор мощности осуществялся с обоих коленчатых валов, чтобы было удобно для танка. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА И РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ Двигатель 5ТДФ представляет собой пятицилиндровый, многотопливный, двухтактный турбопоршневой двигатель с противопо­ложно движущимися поршнями жидкостного охлаждения с непо­средственным смесеобразованием, прямоточной продувкой, гори­зонтальным расположением цилиндров и двухсторонним отбором мощности. Двигатель 5ТДФ (вид со стороны нагнетателя) 1 — регулятор; 2 — крышка передачи; 3 — плита передачи; 4 — верхний патрубок нагнета­теля; 5 — сапун; 6 — датчик тахометра; 7 — компрессор; 8 — опорный бугель; 9 — зубчатая муфта отбора мощности; 10—масляный насос сапуна; 11 — нижний патрубок нагнетателя; 12 — нагнетатель.

Характеристики двигателя 5ТДФ и его модификаций

При рабочем объеме 13,6 литра в самой форсированной версии мотор развивал более 1000 л.с. Для дизеля 60-х годов это был великолепный результат. По удельной литровой и габаритной мощностям мотор превосходил аналоги других армий в несколько раз. Я видел его вживую, и компоновка действительно поражает воображение — прозвище «Чемодан» ему очень идет. Я бы даже сказал «плотно набитый чемодан».Он не прижился из-за чрезмерной сложности и дороговизны. На фоне 5ТДФ любой автомобильный мотор — даже от Bugatti Veyron — кажется каким-то донельзя банальным. И чем черт не шутит, техника может сделать виток и снова вернуться к решениям, когда-то использованным на 5ТДФ: двухтактному дизельному циклу, силовым турбинам, многофорсуночному впрыску. Началось же массовое возвращение к турбомоторам, которые одно время считались слишком сложными для неспортивных автомобилей.

Оппозитный — вне конкуренции!

Этот двухцилиндровый двигатель, получивший наименование ДД-700/40, спроектировал и построил руководитель общественного конструкторского бюро «Аэросам» Георгий Дорфман. Мотор получился исключительно удачным: надежным, сравнительно простым, достаточно легким.
Мотор экспонировался на IV Всесоюзном смотре-конкурсе СЛА-87, был одобрен технической комиссией слета.
К сегодняшнему дню построено уже несколько экземпляров таких двигателей, и все они показали практически одинаковые характеристики и стабильно высокую надежность. Сейчас в «Аэросаме» ведется проектирование силовой установки с разборным коленчатым валом и золотниковой системой впуска. Кроме того, строится оппозитный четырехцилиндровый мотор мощностью около сотни лошадиных сил.
При проектировании двигателя ДД-700/40 мы старались максимально упростить конструкцию его узлов, добиться высекай надежности в работе. Чтобы выполнить первое условие, опирались на использование деталей серийных моторов, а для самодельных предусмотрели применение передовых технологических приемов.
Как явствует из названия мотора, его рабочий объем — 700 см3, мощность — 40 л. с. Кстати, последняя характеристика получена не только с помощью расчетов, но и при стендовых испытаниях, частота вращения коленчатого вала при этом составляла 5100… 5600 мин-1. Масса двигателя без винта, электростартера, зубчатого венца и электронного зажигания равна всего 36 кг — то есть меньше килограмма на лошадиную силу.
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ. Щеки коленвала — из стали марки 30ХГСА. Сначала на токарном станке обрабатываются три совершенно одинаковые заготовки — их диаметр составляет 140 мм, толщина — 23,5 мм. Далее полученные «блины» закаливаются до HRC 33… 38, после чего они шлифуются до толщины 23 мм.
Отверстия в щеках O25Н7 и O35Н7 растачиваются на координатно-расточном станке. При этом добиваться следует минимальных предельных отклонений в поле допусков в сторону увеличения диаметра.
Цапфы коленчатого вала — из стали 40ХНВА. Заготовки для них вытачиваются с припуском по диаметру 0,5… 0,7 мм, цилиндрический участок O40 мм и конус — с припуском 1.5 мм. В заготовках фрезеруются шпоночные пазы и сверлятся контровочные отверстия, после чего эти детали термообрабатываются до HRC 48… 54. Учтите, что при меньшей твердости цапф сальники быстро «съедят» вал. Закаленные заготовки обрабатываются на дробеструйной установке, затем шлифуются цилиндрические участки с диаметрами 35И8, 48, 18 и 12 мм. Резьбу надо нарезать на резьбошлифовальном станке.
Нижние шатунные пальцы — из стали ШХ15. Заготовки следует термообработать до HRC 62… 65.
Сборка коленвала — операция весьма ответственная. Начинается она с того, что нижние шатунные пальцы глубоко охлаждаются в жидком азоте и с помощью винтового или гидравлического пресса запрессовываются в среднюю щеку коленчатого вала.
Далее на одном из пальцев собирается шатунный подшипник и шатун с боковыми шайбами. Чтобы ролики при этом не рассыпались, они фиксируются любым способом. Щека с шатуном также охлаждается в жидком азоте, а в среднее отверстие щеки вставляется пробка; паз в ней должен быть направлен к шатуну. Затем на пробку надевается внешняя щека — в данном случае будет служить направляющей, по которой при запрессовке станет скользить внешняя щека. Чтобы не смять щеки и не согнуть шатунные пальцы, при запрессовке между щеками вкладываются шлифованные проставки толщиной 19 мм.
Такая же операция повторяется и для второй внешней щеки коленчатого вала. Сначала выбивается пробка и вставляется в среднюю щеку с другой стороны, после чего следует глубокое охлаждение двух уже собранных щек с шатунами и напрессовка второй внешней щеки.
Собранный коленчатый вал прошлифовывается в центрах шлифовального станка. Потом на токарном станке протачиваются щеки до O 135 мм. Биение вала в местах установки подшипников не должно превышать 0,02 мм.
КРЫШКИ КАРТЕРА. Передняя крышка выточена из стали марки 30ХГСА, термообработанной до HRC 33… 38. Покрытие — кадмирование. Задняя крышка — из дюралюминия Д16Т. Сальники — от коленчатого вала двигателя автомобиля ВАЗ.
КАРТЕР. Для картера потребуется дюралюминиевая (Д16Т) круглая заготовка O210 мм. Заготовки половин картера торцуются и растачиваются изнутри с одной установки. Сверление резьбовых отверстий и растачивание отверстий O12Н7 производится на координатно-расточном станке. В крайнем случае эти отверстия можно разделать и на сверлильном станке с последующим развертыванием.
Чистовое фрезерование половин картера можно производить везде, кроме паза с размером 180 мм — там оставляется припуск 2 мм. После фрезеровки половины картера стыкуются с помощью стяжных шпилек, а затем окончательно обрабатывается и указанный паз. Далее на фрезерном станке с использованием поворотного стола выбирают отверстия под цилиндры и шпильки их крепления. Лыски радиусом 30 мм на краях расточек O142 мм делаются напильником так, чтобы шатуны не задевали за картер. И последняя операция — анодное оксидирование.
НЕСКОЛЬКО РЕКОМЕНДАЦИЙ. При изготовлении деталей следует добиваться чистоты поверхности, максимально возможной для используемого станочного оборудования. На отверстиях щек маховика необходимо снимать фаски не менее 9,5X45°. Запрессовку следует производить за кратчайшее время, поэтому советуем предварительно потренироваться и тщательно отрепетировать последовательность операций с учетом их особенностей. Запрессовка с подогревом в данном случае не годится — она вызывает необратимые изменения прочности и поверхностной твердости деталей коленчатого вала.
ГОТОВЫЕ УЗЛЫ И ДЕТАЛИ. В двигателе ДД-700/40 используются цилиндры и головки цилиндров ИЖ-П3, карбюраторы типа К-62И, шатуны ИЖ-П с шатунными подшипниками № 822906 и боковыми шайбами, верхние шатунные пальцы с фиксаторами, подшипники №№ 208, 36208 (или 46208), 2208, а также поршни ИЖ-П.
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. На нашем двигателе установлено три комплекта приборов зажигания. Это батарейное электронное, батарейное контактное и резервное магнето типа М27Б, прерыватель которого используется для батарейного зажигания. На двигатель можно установить и магнето М90, дающее две искры одновременно.
Следует отметить, что попытка переделать обычное магнето в двухискровое к успеху не привела — искра получалась «вялой», и такое магнето лишь уменьшало надежность работы двигателя и, соответственно, повышало вероятность его отказа.
Чтобы улучшить охлаждение мотора, рекомендуем семь верхних ребер охлаждения цилиндров профрезеровать до O180 мм. Головни цилиндров протачиваются на токарном станке.
На двигателе установлены два топливных насоса от подвесного лодочного мотора «Москва-30». Штуцеры привода насосов можно врезать в каналы перепуска цилиндров или же в картер.
Для его запуска предназначен электростартер СТ-366 от двигателя автомобиля «Запорожец», соединенный с коленчатым валом через зубчатое колесо, прикрепленное к заднему фланцу воздушного винта шестью болтами с резьбой М6. Зубчатое колесо имеет следующие параметры: число зубьев — 91, модуль — 2,5, межцентровое расстояние — 125,0 мм. Имейте в виду, что запускать мотор рывком руки за винт весьма опасно, поскольку при этом приходится прикладывать значительные усилия.
Крепление мотора к раме производится двумя комплектами попарно соединенных между собой Г-образных лапок, надетых на удлиненные концы нижних стяжных шпилек.
На двигатель желательно устанавливать глушители. Потери мощности будут незначительными, а комфортность движения при этом существенно возрастет и снизится пожароопасность.
Г. ДОРФМАН, руководитель общественного КБ «Аэросам», г. Саратов
по материалам: «Моделист-Конструктор» 1988, №6