Наиболее известный альтернативный ДВС
Наиболее известный альтернативный ДВС - это роторно-поршневой двигатель Ванкеля, изобретенный в 1957 году. Это четырехтактный двигатель (только каждый четвертый ход "рабочий"), в котором ротор, напоминающий треугольник, вращается через планетарную передачу, попеременно увеличивающий и уменьшающий объем камеры между ротором и стенками (статором). Достоинства: более простая конструкция (требует на 35..40% меньше деталей, чем обычный двигатель), почти в 2 раза меньший вес при одинаковой мощности, более компактный, практически без вибраций. Недостатки: малый ресурс из-за плохих материалов уплотнения, больше расход топлива, не простое вращательное движение (сам Ванкель был недоволен планетарной концепцией и до конца жизни искал более простой вариант).
За рубежом некоторые фирмы оснащали серийный машины роторно-поршневым двигателем, у нас ВАЗ выпускает двигатели Ванкеля мощностью 40 л.с. и оснащает им некоторые модели "девяток". Роторно-поршневые двигатели весьма перспективны для малой авиации. Необходимые мощности - 20..40 л.с.
Другой вариант устранения кривошипно-шатунного механизма предложен А.С. Абрамовым в статье "В поисках двигателя идеальной схемы" в журнале "Моделист-Конструктор", №1, 1990 г. Здесь преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала осуществляется за счет скольжения ролика, прикрепленного к поршню, по поверхности вала, напонимающей синусоиду. Каковы перспективы создания двигателя мощностью 20..40 л.с. на этом принципе, мне неизвестно.
Еще одну схему альтернативного двигателя предложил Виктор Соколов в статье "Тепловой двигатель с круговым поступательным движением кольцевого поршня", размещенной в журнале "Двигатель". Принцип действия двигателя ясен из иллюстрации. Предполагается, что такой двигатель будет в полтора раза экономичней существующих, обладать малым весом и простотой сборки (в 16 раз меньше деталей).
Кроме того, одновременно с Ванкелем другой инженер, Баландин, предложил свою версию "Бесшатунника", в котором улучшились условия работы поршня, резко увеличился ресурс пары трения "поршневое кольцо - гильза цилиндра", но при этом слабым местом с точки зрения надежности оказался механизм преобразования линейного движения во вращательное.
Весьма привлекательной кажется схема роторного двигателя непрерывного горения, описание которого приводится в журнале "Демиург" №1 за 1998 г. В этом двигателе ДВС камеры сжатия, сгорания и расширения рабочей смеси разнесены в пространстве, а процессы сжатия, сгорания и расширения совмещены во времени, что по идее должно обеспечить непрерывность сжигания рабочей смеси и, соответственно, повысить удельную мощность ДВС. По расчетам автора, масса двигателя мощностью 20 кВт не превысит 4 кг. Это на уровне лучших ТРД, при этом расход топливной смеси ориентировочно 57 г/сек.
Если говорить о роторных двигателях, то нельзя не упомянуть о "Винтовом двигателе внутреннего сгорания", опубликованном Е.Горловым, А.Коньшиновым и В.Спичкиным в журнале "Двигатель". В предложенной конструкции процесс сжатия смеси (воздуха или смеси воздуха и топлива) и сгорания происходит в подобии турбины, выполненной из элементов со сложной вогнутой конической сферовинтовой поверхностью. В такой турбине небольшие замкнутые объемы перемещаются вдоль оси двигателя слева направо (см. рисунок). В левой части при перемещении этих объемов они уменьшаются (происходит сжатие топливной смеси), в центре топливо поджигается, и дальше движется направо по расширяющимся объемам.
Преимущество такого двигателя перед ТРД в том, что в сжимающихся/расширяющихся изолированных объема можно "снять" больше энергии с топлива, чем в случае "удара" сильной струи раскаленного газа в обычную турбину. Кроме того, доступна меньшая частота оборотов вала, а следовательно, уменьшаются потери на редукторе (по сравнению с ТРД, где турбина может вращаться с частотой вплоть до 100000 об/мин и более, а на выходе необходимо 500...3000 об/мин).
К достоинствам конструкции винтового ДВС перед осепоршневым следует отнести следующие: отсутствие трения скольжения; теоретически неограниченную степень сжатия компрессора и, соответственно, степень расширения турбины; широкий рабочий диапазон оборотов двигателя, возможность работы при высокой частоте вращения; простоту конструкции; отсутствие несбалансированных масс, низкий уровень шума; небольшие массу и габариты; возможность работы на любых видах жидких и газообразных топлив; возможность введения в зону горения реагентов для улучшения характеристик; высокую удельную мощность и коэффициент полезного действия двигателя.
Проведенные расчеты показали, что шестикамерный ДВС со степенью сжатия-расширения 20, при работе на смеси метан-воздух способен развить мощность до 125 кВт при частоте вращения выходного вала 7000 об/мин. При этом его длина составит 460 мм, максимальный диаметр по турбине - 199 мм, а к.п.д. будет в пределах 60…70 %.
Недостатком является сложность технологии изготовления элементов (из-за материала и требуемой точности, см. рисунок).
Другая схема, немного похожая по принципу действия на винтовой двигатель внутреннего сгорания, описана в журнале "Моделист-Конструктор" в статье "Маленький двигатель с большим будущим". Двигатель Курочкина, работавшего на известном Рыбинском авиамоторостроительном заводе, тоже представляет собой своеобразную сместь турбины и двигателя внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс аналогичен тому, что происходит в газотурбинном двигателе (ГРД), но используется не кинетическая энергия струи, а потенциальная энергия давления газа на рабочие лопатки ротора (как в ДВС). Принцип действия: центробежный вентилятор засасывает сквозь мелкоячеистую сетку воздух, закручивает его и подает в зону сепарации. В этой зоне единый поток воздуха разделяется: одна его часть вместе с отброшенной к периферии пылью поступает в радиатор на охлаждение двигателя и затем выходит наружу; другая же часть, очищенная, через впускное окно направляется в рабочие полости (проточную зону), где происходят процессы, типичные для двухтактных ДВС. Выпуск происходит через специальное окно в глушитель, где отработанный газ смешивается с охлаждающим воздухом из радиатора и выбрасывается в атмосферу сквозь кольцевой диффузорный выхлопной аппарат.
Двигатель получается очень компактным и с невероятной удельной мощностью: термос весом в 15 кг (включая электростартер, фильтр и глушитель!) развивает мощность в 70 л.с. (!!!). При этом показатель экономичности примерно равен соответствующему показателю дизельного двигателя, что в 1,22 раза лучше четырехтактного карбюраторного и роторного "ванкеля" и в 1,9 раза — двухтактного поршневого. Кроме того, при равной мощности габаритный объем двигателя в 70 раз меньше дизельного, в 20 раз — четырехтактного и в 10—12 раз — роторного или двухтактного поршневого ДВС. Меньше и его масса (металлоемкость): соответственно в 30, 10 и 4 раза. Т.е., например, при установке этого двигателя на средний автомобиль, средний расход топлива на 100 км будет меньше 3 литров.
Ничуть не умаляя потенциальных достоинств двигателя Курочкина, так и хочется задать всего один вопрос старого еврея: "Если ты такой умный, то почему тогда такой бедный?". Обидно получится, если действительно существует двигатель с такими потрясающими характеристиками, а мы используем 15 килограммовые двигатели для парамоторов мощностью всего 15 л.с., когда могли бы иметь 70 л.с.! Да и еще экономичней, чем современный 15 килограммовый!
Еще существует схема компактного "аксиально-поршневого" двигателя, в котором цилиндры расположены не в ряд и не "звездой", а вокруг выходного вала так, чтобы оси вала и цилиндров были параллельны. Здесь тоже существует проблема преобразования линейного движения во вращательное (или через скольжение штока поршня по поверхности профилированной шайбы как в плунжерном насосе, либо штоки опираются на жестко связанные с качающейся шайбой коромысла, вращающие вал двигателя).
Кроме того, известен т.н. "двигатель Стирлинга" с двумя поршнями в одном цилиндре (есть также две разновидности с двумя цилиндрами). Этот двигатель работает за счет разности температур в рабочем теле, причем источник тепла может быть любым, вплоть до тепла рук. Двигатель Стирлинга в 4..5 раз экономичней двигателей внутреннего сгорания на мощностях до 1 кВт. Однако по общему удобству использования пока уступает традиционным схемам (необходимо эффективно снимать тепло в одном и не менее эффективно охлаждать в другом месте). Предлагалось также подключить к штоку поршня дополнительно колено для управления длиной штока и следовательно ходом поршня, теоретически это могло бы дать лучшие условия для сгорания смеси.
Но еще интереснее варианты улучшения двухтактных двигателей, чтобы устранить необходимость добавлять масло в бензин, которое ухудшает условия горения, понижает мощность и т.д. В этой статье предлагается использовать впрыск топлива в двухтактный двигатель, что по идее может повысить экономичность двухтакстника до уровня четырехтактника.
Подвергнуть более радикальным изменениям двухтактный двигатель предлагает Скрипов. В его конструкции нет необходимости добавлять масло в бензин, т.к. двигатель удачно сочетает достоинства двухтактника (2 такта, высокая удельная мощность) и четырехтактника (экономичность, хорошее сгорание топлива). Цилиндр делится на три зоны: камера сгорания (верхняя), камера всасывания (средняя) и кривошипная камера.
