Аксиальный двигатель на авто
Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Г.Л.Ф. Треберта (США)
В начале десятых годов прошлого века возникла новая тенденция в двигателестроении. Инженеры нескольких стран занялись созданием т.н. аксиальных двигателей внутреннего сгорания. Компоновка мотора с параллельным размещением цилиндров и главного вала позволяла уменьшить габариты конструкции с сохранением приемлемой мощности. Ввиду отсутствия устоявшихся альтернатив силовые установки этого класса представляли большой интерес и регулярно становились предметами новых патентов.
В 1911 году к работам по тематике аксиальных двигателей подключился американский конструктор Генри Л.Ф. Треберт. Работая в собственной мастерской в Рочестере (штат Нью-Йорк), он разработал свой вариант перспективного двигателя, который, в первую очередь, предназначался для самолетов. Предполагаемая сфера применения сказалась на основных требованиях к конструкции. Новый двигатель должен был иметь минимально возможные габариты и вес. Анализ перспектив различных идей и решений привел к уже известным выводам: одно из самых лучших соотношений размеров, веса и мощности дает аксиальная компоновка.
Проект Треберта был готов к осени 1911 года. В октябре инженер подал заявку в патентное бюро, но ее одобрения пришлось ждать несколько лет. Патент был выдан только в ноябре 1917 года – через шесть лет после подачи документов. Тем не менее, конструктор получил все необходимые документы, которые, в частности, позволили ему остаться в истории как создателю интересного проекта.
Г.Л.Ф. Треберт решил строить новый авиационный двигатель по аксиальной схеме с воздушным охлаждением цилиндров. С целью улучшения охлаждения, подобно другим разработкам того времени, новый мотор планировалось делать ротативным с поворачивающимся блоков цилиндров. Кроме того, автор проекта предложил использовать новый механизм преобразования движения цилиндров во вращение вала. Предыдущие аксиальные двигатели для этого использовали шайбовый механизм. В проекте Треберта для этих целей предлагалось использовать коническую зубчатую передачу.
Основной деталью двигателя Треберта был цилиндрический картер, состоящий из крупной «банки» и крышки с болтовым соединением. Внутри картера размещался основной механизм. Поскольку двигатель был ротативным, на донной части картера предусматривались жесткие крепления для вала, на котором должен был устанавливаться воздушный винт. Кроме того, внутри картера предусматривались подшипники для главного вала, который предлагалось жестко закреплять на мотораме самолета.
В крышке предусматривались отверстия для установки литых цилиндров. Известно о существовании двух вариантов двигателя Треберта. В первом применялись четыре цилиндра, во втором – шесть. Патент 1917 года был выдан на шестицилиндровый двигатель. Следует отметить, количество цилиндров не сказывалось на общей компоновке двигателя и влияло только на размещение конкретных агрегатов. Общая структура двигателя и принцип его работы не зависели от числа цилиндров.
Внутри цилиндров размещались поршни с шатунами. Ввиду использования сравнительно простого механизма передачи Треберт использовал качающееся крепление шатунов, которые могли двигаться только в одной плоскости. В верхней части цилиндра предусматривался патрубок для подачи бензовоздушной смеси от карбюратора. Патрубок имел Г-образную форму и своим верхним концом соприкасался со специальным полым барабаном на главном валу двигателя. В стенке барабана предусматривалось окно для подачи смеси. При вращении подвижного блока двигателя впускные патрубки последовательно соединялись с окном барабана и подавали смесь в цилиндр. Кроме того, имелись клапаны для сброса выхлопных газов. Отдельный выхлопной коллектор не предусматривался, газы выбрасывались через патрубок цилиндра. Зажигание производилось свечами, соединенными с магнето. Последнее, согласно патенту, размещалось рядом с валом воздушного винта.
Более ранние аксиальные двигатели Смоллбоуна и Макомбера имели в своем составе механизм «планшайба-стержни». Такая система обеспечивала требуемые характеристики, но была сложной с точки зрения конструкции, эксплуатации и обслуживания. Генри Л.Ф. Треберт предложил использовать для тех же целей коническую зубчатую передачу. На жестко закрепленном главном валу размещалось зубчатое колесо, которое отвечало за поворот всей конструкции двигателя. С ним контактировали 4 или 6 зубчатых колес (по числу цилиндров) меньшего диаметра. Эти шестерни были связаны с кривошипами и шатунами поршней.
Во время работы двигателя поршни, двигаясь вниз и вверх относительно цилиндра, через шатуны и кривошипы должны были вращать малые шестерни. Последние, находясь в сцеплении с жестко закрепленным главным зубчатым колесом, заставляли блок цилиндров и картер вращаться вокруг главного вала. Вместе с ними должен был вращаться и воздушный винт, жестко закрепленный на картере. За счет вращения предполагалось улучшить обдув головок цилиндров с целью более эффективного охлаждения.
Запатентованный вариант двигателя Треберта имел цилиндры с внутренним диаметром 3,75 дюйма (9,52 см) и ходом поршня длиной 4,25 дюйма (10,79 см). Общий рабочий объем двигателя составлял 282 куб. дюйма (4,62 л). В составе двигателя планировалось использовать карбюратор фирмы Panhard и магнето компании Mea. Предлагаемый двигатель, по расчетам, мог развивать мощность до 60 л.с.
Характерной особенностью аксиальных двигателей внутреннего сгорания являются сравнительно малые габариты и вес конструкции. Двигатель Треберта не стал исключением из этого правила. Он имел максимальный диаметр 15,5 дюйма (менее 40 см) и общую длину 22 дюйма (55,9 см). Общий вес двигателя со всеми агрегатами составлял 230 фунтов (менее 105 кг). Таким образом, удельная мощность составляла 1,75 л.с. на килограмм веса. Для авиационных двигателей того времени это было неплохим достижением.
Аксиальный авиационный двигатель конструкции Г.Л.Ф. Треберта стал предметом патента, выданного в ноябре 1917 года. Дальнейшая судьба проекта достоверно неизвестна. В некоторых источниках упоминается, что Треберт смог начать серийное производство изделий собственной разработки, но подробности этого отсутствуют. Дефицит информации позволяет предполагать, что двигатели Треберта не заинтересовали потенциальных покупателей. В противном случае история сохранила бы информацию об использовании таких моторов в качестве силовой установки каких-либо самолетов. Вероятно, ввиду позднего получения патента конструктор не успел представить свою разработку в то время, когда она была актуальна и представляла интерес. Как результат, двигатели, если и производились серийно, не имели большого успеха.
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.
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.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
По словам компании Duke Engineering, разработанный ими осевой двигатель – самый эффективный и лёгкий двигатель из всех, которые вы можете установить на свою лодку, малый самолёт или генератор.,
Как сообщают сами разработчики, финальная коммерческая модель их двигателя пока не завершена, но уже сейчас подаёт большие надежды:
«Механические и другие ключевые характеристики двигателя (сгорание топлива, производительность, тайминг портов, их геометрия, и так далее) показывают удовлетворительные результаты уже сейчас, на стадии прототипа, но без всякого сомнения получат выгоду от дальнейших исследовательских и конструкционных разработок».
Двигатель имеет пять цилиндров, три топливные форсунки и ни одного клапана.
Все пять поршней как ив классическом двигателе внутреннего сгорания расположены на шатунах, а вот шатуны на крестовине с осевым перемещением, которая вращается в результате движения поршней, коленчатый вал при этом вращается в противоположном направлении. Трансформируя тепловую энергию в механическую поршни двигаются через порты в которых расположены топливные форсунки и свечи зажигания, устраняя при этом необходимость в клапанах. Система впуска и выпуска весьма схожа с двухтактным двигателем.
Осевой двигатель имеет ряд интересных особенностей:
1Очень низкий уровень вибрации
2Только три форсунки и три свечи зажигания на пять цилиндров, плюс нет клапанов, автоматически в разы уменьшается количество элементов.
3Может работать на самых разнообразных видах топлива
4Легче и компактнее, чем традиционные двигатели внутреннего сгорания.
На видео, показан принцип работы как самого двигателя в целом, так и отдельных его элементов. На втором продемонстрирован прекрасный баланс с очень низкой вибрацией. Данные двигатели разрабатываются в первую очередь для авиации, но компактность и низкая вибрация помогут двигателю найти свое пременение в ряде сфер не связанных с авиацией.
Аксиальные двигатели внутреннего сгорания
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС. Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Не остались в стороне и советские инженеры. В 1916-м году появился двигатель конструкции А. А. Микулина и Б. С. Стечкина, а в 1924 г — двигатель Старостина. Об этих двигателях знают, пожалуй, только любители истории авиации. Известно, что детальные испытания, проведенные в 1924 г, выявили повышенные потери на трение и большие нагрузки на отдельные элементы таких двигателей.
Двигатель Старостина из музея авиации в Монино
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице.
Экзотический вариант аксиального двигателя — «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием «Цилиндрический энергетический модуль» с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.