Тепловые двигатели

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые  устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в  зависимости от режима движения, масла  — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями

• низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;
• главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного двигателя внутреннего сгорания.
• Высокая удельная мощность.

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля  способен выдерживать гораздо большие  обороты, но с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными  двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

Недостатки:

• Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой, приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. 
  В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
• Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа. 
  Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
• Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.
• Высокие требования к исполнению деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
• При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.

Альтернативные  двигатели внутреннего сгорания

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.

Схема пневматического двигателя  конструкции А. С. Абрамова: 1 - основание. 2 - рабочий цилиндр, 3 - поршень, 4 - впускной патрубок, 5 - шланг, 6 - ролик, 7 - цилиндрический кулачок, 8 - вал двигателя, 9 - золотник, 10 - патрубок подачи сжатого воздуха, 11 - маховик, 12 - кулачок привода золотника, 13 - кронштейн крепления вала, 14 - кронштейны крепления рабочего цилиндра, 15 - возвратная пружина.

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.

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.

 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, остальное должно быть понятно из рисунка.

 Двигатель Скрипова: 
1.Цилиндр (рабочий) 2.Поршень (верхний) 3.Впускное отверстие 4.Впускной клапан 5.Впускной коллектор 6.Верхняя камера сжатия 7.Картер 8.Камера сгорания 9.Перепускной коллектор 10.Перепускное отверстие 11.Перепускной клапан 12.Выпускной коллектор 13.Головка цилиндра 14.Свеча (форсунка) 15.Поршень (нижний) 16.Шток соединительный 17.Нижняя камера сжатия 18.Впускной клапан 19.Впускное отверстие 20.Корпус Г.Р.М. 21.Перепускной клапан 22.Перепускное отверстие 23.Впускной клапан 24.Впускное отверстие 51.Шатун 52.Поддон картера 53.Масло

 

Ну и в завершение, далее  приведены конструктивные схемы  классических четырехтактных и двухтактных  двигателей.

 

 

Список  использованной литературы

1. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. - М.: Высшая школа, 1991.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Том І. – М.: Наука, 1988.

3. Поливанов М.А., Старостина И.А., Кондратьева О.И. Электронный учебник по физике

4. Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Конспект Лекций по курсу общей физики.

5. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учебное пособие для втузов. – М: Высшая школа, 2002.

6. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. – М.: Высшая школа, 1980.

7. Кудинов В.А., Карташов Э.М.  Техническая термодинамика. – М.: “Высшая школа”, 2003.

8. Интернет-ресурс: Википедия – свободная энциклопедия.