Ванкель қозғалтқышы, Стирлинг қозғалтқышы және турбо-қуат агрегаттарының түрлі үлгілері ешқашан автомобиль өнеркәсібінің негізгі бағытына кіре алмады. Mazda-дан GM-ге, Mercedes-тен Volvo-ға дейінгі бірқатар танымал компаниялар ондаған жылдар бойы осылармен жұмыс жасады. Шағын фирмалар мен жекелеген өнертапқыштар да ізденісін жалғастырды. Дегенмен, әрбір баламалы конструкцияда бастапқыда күтілгеннен әлдеқайда көп кемшіліктер бар екені анықталды. Бұл дәстүрлі емес қуат агрегаттарын жасау мүмкін емес дегенді білдірмейді. Әуесқойлар әр түрлі идеяларды алға жылжытуда, және біз осы жерде бүгінге дейін жасалған ең экзотикалық қозғалтқыш тұжырымдамаларының кейбірін зерттейміз.
Бөлінген циклді қозғалтқыштар: Екі цилиндр, бір жұмыс такті
Кейбір қозғалтқыш конструкторлары цилиндр, поршень, шатун және иінді біліктің классикалық үйлесімі бір ғасырдан астам уақыт ішінде өзін дәлелдеді және ішкі жану қозғалтқыштарын жақсарту үшін нөлден қайта ойлап табудың орнына тек белгілі бір аспектілерді реттеу жеткілікті деген тұжырымға келді. Біздің тізіміміздегі бірінші мысал — АҚШ компаниясы Scuderi Group жасаған қозғалтқыш, ол классикалық кіру, қысу, жұмыс және шығару тактілерін сақтайды — бірақ оларды екі бөлек цилиндрге бөледі:
- Суық (компрессорлық) цилиндр — кіру мен қысуды жүзеге асырады
- Ыстық (жұмыс) цилиндрі — жұмыс тактісі мен шығаруды жүзеге асырады
Жұмыс цилиндрінде газ кеңейген кезде, суық компрессорлық цилиндрде кіру такті жүреді. Жұмыс цилиндрі газды шығарып жатқанда, компрессорлық цилиндр қысады. Қысу тактісінің соңында екі поршень де өздерінің жоғарғы өлі нүктелеріне жақындайды, қоспа суық цилиндрден ыстық цилиндрге айналма арна арқылы өтеді және тұтанады. Бұл бөлінген цикл — негізінен өзгертілген Отто циклі — 2006 жылы патенттелді, ал 2009 жылы Scuderi Group алғашқы Scuderi Split Cycle Engine-ді жасады.
Компрессорлық және жұмыс цилиндрлерінің диаметрлері мен поршень жүрістері әртүрлі болуы мүмкін, бұл қозғалтқыш параметрлерін икемді түрде реттеуге мүмкіндік береді — қосымша газ кеңеюімен Миллер циклінің аналогы ретінде жұмыс жасайды. Цилиндрлер арасындағы арнаға клапандары бар тармақ пен жоғары қысымды баллон қосыңыз, сонда қозғалтқыш тежеу кезінде энергияны қалпына келтіріп, жеделдету кезінде оны пайдалана алады. Дегенмен, бірнеше жыл бойы Scuderi Group-тың қызметі прототиптер мен сауда көрмелеріне қатысумен шектелді. Нақты тиімділік жетістіктері конструкцияның айтарлықтай күрделілігін әлі де ақтамады.
Хорватиялық Paut Motor компаниясы да бөлінген жұмыс циклін пайдаланды. Олардың интервалдық конструкциясы бірнеше себепке байланысты назар аударды:
- Дәстүрлі қозғалтқыштарға қарағанда қозғалатын бөліктер айтарлықтай аз
- Үйкеліс шығындарының азаюы
- Жұмыс шуының азаюы
- Ықшам өлшемдер: 7 литрлік сыйымдылықта 500×440×440 мм
- Салмағы шамамен 135 кг — дәл сол ауысымдылықтағы дәстүрлі қозғалтқыштың шамамен жартысы
Картерде майдың болмауы сыртқы майлау бакін қажет етеді, бірақ өнертапқыштар мұны қабылданатын ымыраласу деп санады. Бірнеше прототип жасалды, дегенмен түпкілікті қуат шығысы ресми түрде ешқашан анықталмады. Соңғы прототип 2011 жылы жасалды, содан бері жоба тоқтап қалды.
Бонер екі тактілі қозғалтқышы: Максималды күрделілік, амбициозды мақсаттар
Бонер екі тактілі қозғалтқышы (демеушісі Bonner Motor атымен аталған) 2006 жылы Америка Құрама Штаттарында Уолтер Шмид ойлап тапты және механикалық күрделілікті одан әрі арттырады. Paut Motor сияқты, оның цилиндрлері X-конфигурациясында орналасқан, ал иінді білік беріліс жүйесі арқылы планеталық қозғалыс жасайды. Негізгі ерекшеліктері:
- Газды бөлу үшін цилиндр түбіндегі клапандар және қозғалтқыш корпусындағы айналмалы золотниктік клапандар
- Айнымалы қысу қатынасын қамтамасыз ету үшін май қысымы әсерінен сәл ығыса алатын сыртқы поршендер
- Жоғары қуат-салмақ қатынасы негізгі конструкциялық мақсат ретінде
Теория жүзінде Бонер қозғалтқышы тартымды болып көрінеді. Алайда практикада жобадан бірнеше жыл бойы маңызды жаңалықтар шықпады — сірә, ол күтілімдерді қанағаттандырмады.
Аксиалды қозғалтқыштар: Цилиндрлер револьвер сияқты орналасқан
Басқа өнертапқыштар ішкі жану қозғалтқышының жұмыс циклдерін өзгеріссіз сақтады, бірақ оның компоненттерінің физикалық орналасуын қайта ойластырды. Бір ғасырдан астам уақыт бойы өмір сүріп келе жатқан аксиалды қозғалтқыштар — бұның айқын мысалы. Олар мәліметтер бойынша ерекшеленеді, бірақ ортақ принципті бөліседі: цилиндрлер шығыс білігімен коаксиалды, револьвер барабанындағы патрондар сияқты орналасқан. Әртүрлі механизмдер — мысалы, еңкейтілген штифтер мен конустық шайбалар — поршендердің кері-алды қозғалысын біліктің айналуына түрлендіреді.
Жаңа Зеландиядан шыққан Duke Engines жобасы — назарға лайықты бір нұсқа: 3 литрлік ауысымдылықтағы бес цилиндрлі, төрт тактілі аксиалды қозғалтқыш. Дәл сол сыйымдылықтағы дәстүрлі қозғалтқышпен салыстырғанда, Duke агрегаты мыналарды ұсынды:
- 19%-ға аз салмақ
- 36%-ға ықшамдырақ орналасу
- Автомобиль, теңіз және авиация салаларындағы әртүрлі қолдану мүмкіндігі
Оның кеңінен таралуы туралы амбициозды уәделер берілді — бірақ дүниені бағындыру армандары арман болып қала берді.
Канадалық Reg Technologies компаниясының RadMax қозғалтқышы аксиалды тұжырымдаманы одан әрі дамытады. Жеке цилиндрлердің орнына, жалпы барабан ішінде жұқа қалақтар арқылы бір ондаған бөлік қалыптасады. Ротор ұяшықтарына орнатылған пластиналар ротор айналған кезде олармен бірге жылжиды, ал барабан ұштарындағы қисық беттер қалақ траекторияларын анықтайды және газ алмасуын басқарады. Айтарлықтай сипаттамалары:
- Бірнеше отын түрлерімен үйлесімді, дегенмен алғашқыда дизель негізгі назарда болды
- 2003 жылғы прототип диаметрі де, ұзындығы да тек 152 мм болды, алайда 42 ат күшін шығарды — баламалы өлшемдегі дәстүрлі қозғалтқыштан әлдеқайда артық
- Кейінгі прототиптер 127 ат күші мен 380 ат күшіне жеткен деп хабарланды
Осы перспективалық көрсеткіштерге қарамастан, RadMax-тың барлық қызметі эксперименттік кезеңде қалып отырған сияқты.
Тороидты қозғалтқыштар: Цилиндр пончикке айналғанда
Жойылған канадалық VGT Technologies компаниясының VGT қозғалтқышы (айнымалы геометриялы тороидты қозғалтқыш) — теорияның практиканы басып озуының тағы бір мысалы. 2005 жылы алғаш рет сынақтан өткен бұл қозғалтқыш дәстүрлі цилиндрді тороидпен — пончик тәрізді камерамен — ауыстырады, оның ішінде жұп поршеньдері бар ротор айналады.
Поршендерге арналған кесіндісі бар жұқа бөлу дискісі белдікті жетек арқылы тороид бойымен айналады, қысу мен жұмыс тактісі кезінде отын-ауа қоспасын шектейді. 2009 жылы АҚШ-тық кәсіпкерлер Гэри Келли мен Рик Ивас тәуелсіз түрде канадалық конструкцияны мұқият қайталайтын тороидты қозғалтқышты жасады. Олардың бағалауларына сәйкес, жарты метр диаметрлі тороид мыналарды қамтамасыз ететін еді:
- 230 ат күші
- Шамамен 1,000 Н·м айналдырушы момент
- Барлығы тек 1,050 айн/мин жылдамдықта
Олардың Garric Engines компаниясы қазіргі уақытта өз веб-сайтында тек қысқаша хабарлама ғана көрсетеді: «Қызығушылығыңызға рахмет. Бет болашақта жаңартылуы мүмкін.»
Нутациялық қозғалтқыш: Поршендердің орнына тербелетін дискілер
АҚШ-тық Леонард Мейер 2006 жылы ойлап тапқан нутациялық қозғалтқышты сәл жарқын тағдыр күтіп тұрған шығар — кем дегенде бірнеше жұмыс үлгілері жасалды. Атауы латынша nutatio (басын изеу немесе тербелу) сөзінен шыққан. Мейердің конструкциясы қозғалтқыш корпусы мен поршень қызметін атқаратын нутацияланатын (тербелетін) диск арасында айнымалы көлемдегі төрт жұмыс камерасын қалыптастырады. Диск диаметрі бойынша екіге бөлінген және Z-тәрізді шығыс білікке кигізілген, корпустағы арналар мен клапандар газ алмасуын басқарады.
Прототиптер Baker Engineering және оның еншілес компаниясы Kinetic BEI жасады, әсерлі нәтижелермен:
- Бір 102 мм диск: 7 ат күші
- Екі 203 мм диск: 120 ат күші
- Екі дискілі қозғалтқыш өлшемдері: 500 мм ұзындық, 300 мм диаметр, 3,8 литрлік ауысымдылық
- Қуат-салмақ қатынасы: 2,5–3 ат күші/кг, ал жаппай өндірілетін атмосфералық қозғалтқыштарда 1–2 ат күші/кг
Литрлік қуат шығысы онша әсерлі емес, бірақ қуат тығыздығы назар аударарлық. Baker мен Kinetic конструкцияны жетілдіруде, дегенмен олардың веб-сайттарындағы белсенділік шектеулі болып қалуда.
LiquidPiston: Ішін сыртына шығарылған Ванкель қозғалтқышы
Роторлы қозғалтқыш тұжырымдамалары инноваторларды таңдандыруды жалғастыруда, санкциялы поршень мен цилиндр схемасынан шығу өзінен өзі жақсырақ өнімділікті уәде ететіндей. АҚШ-қа қоныс аударған бұрынғы кеңестік инженер Николай Школьник және оның ұлы Александр Ванкель қозғалтқышының ішін сыртына шығарған сияқты болатын қозғалтқышты жасады. Жержаңғақ тәрізді ротор үшбұрышты камера ішінде айналады — Ванкельмен бірдей негізгі геометрия — бірақ ең маңыздысы, тығыздағыштар роторға емес, камера қабырғаларына бекітілген.
Школьниктер тұжырымдаманы дамыту үшін LiquidPiston-ды құрды, мынадай мақсаттарда ықтимал пайдалану үшін DARPA-дан қоса қаржыландыру тартты:
- Жеңіл ұшақтар мен дрондар
- Портативті электр генераторлары
- Гибридті көліктердің трансмиссиялары
23 см³ прототип 20% жылу тиімділігіне жетеді — бұл ауысымдылық класы үшін әсерлі. Команда қазір шамамен 13 кг салмақты және 40 ат күшін шығаратын, жылу тиімділігі 45%-ға дейін өсетін болжанған дизельдік прототипті нысанаға алуда.
Біз ескі роторлы қозғалтқышқа ол іздеген жаңаруды бердік!
Жоғары қысу қатынасы және асқан кеңею; Төмен беттік аудан; Тұрақты шыңдық тығыздағыштар
Қозғалтқыш шешетін мәселелер:
– салқындату
– шығарындылар
– тығыздау
– тиімділік қиындықтары
– майлау
Тербелмелі поршеньді қозғалтқыш: Квадратқа өту
Біздің шолудағы соңғы қозғалтқыш жалпақ, ықшам агрегаттың тартымдылығы нақты екенін дәлелдейді — және роторлар оған жетудің жалғыз жолы емес. Pivotal Engineering-тің тербелмелі поршеньді қозғалтқышы дәстүрлі поршенді жай ғана квадрат пішінге келтіреді, жоғарыдан қарағанда цилиндрді тікбұрышты етеді. Бұл екі тактілі конструкция бірнеше жыл бойы өмір сүрді, осы уақытта бірнеше прототип мотоциклдерді де, ұшақтарды да қозғатты.
Компания бірінші кезекте авиациялық қолданымдарды нысанаға алады, және конструкция бірқатар нақты артықшылықтарды ұсынады:
- Жоғары қуат-салмақ және қуат-өлшем қатынастары
- Поршеннің бекітілген осі арқылы өтетін сұйықтықты салқындату арнасы арқылы қамтамасыз етілген тамаша мәжбүрлі кіріс мүмкіндігі — дәстүрлі қозғалтқыш архитектурасында қиын іс
- Жалпақ пішін-фактор, өйткені квадрат ротор өте жұқа жасалуы мүмкін
Білуге тұрарлық басқа экзотикалық қозғалтқыш тұжырымдамалары
Мұнда қарастырылғандардан тыс тамаша экзотикалық қозғалтқыш конструкциялары көп. Бірнеше атап өтуге тұрарлықтары:
- 12 роторлы Ванкель қозғалтқышы — Mazda-ның роторлық тұжырымдамасын шектен тыс жеткізу
- Найт жеңді клапандық қозғалтқышы — бір ғасырлық конструкция, ол қысқа уақыт ішінде ілмекті клапанмен бәсекелесті
- Қарсы поршеньді қозғалтқыштар — цилиндр басы жоқ, бір цилиндрді бөлісетін екі поршень
- Айнымалы қысу қатынасы бар қозғалтқыштар — жүктеме жағдайларында тиімділікті оңтайландыру үшін қысуды нақты уақытта реттеуге мүмкіндік береді
- Бес тактілі қозғалтқыштар — жану газдарынан көбірек жұмыс алу үшін арнайы кеңею цилиндрін қосу
- Роторлы қалақшалы қозғалтқыштар — ротор компоненттері жинақталатын және жайылатын қайшы жүздері сияқты қозғалатын
Неліктен баламалы қозғалтқыштар жаппай өндіріске жете алмайды?
Дәстүрлі емес ішкі жану қозғалтқышының конструкцияларына қысқаша шолу жасау таңқаларлық заңдылықты ашады: ондаған ақылды идеялар, өте аз өндірістік көліктер. Қайталанатын кедергілер тұрақты:
- Тығыздағыштардың тозуы — роторлы конструкциялар уақыт өте келе шыңдық тығыздағыштардың нашарлауына байланысты жиі ақаулыққа ұшырайды
- Кезектесетін механикалық жүктемелер — роторлы қалақшалы тұжырымдамалар қалақ пен біліктің қосылысында шаршаудан зардап шегеді
- Өндіру күрделілігі — экзотикалық геометриялар кең ауқымда өндіру үшін қымбат және қиын
- Сенімділік пен ұзақ өмір сүру — дәстүрлі емес қозғалтқыштар 100+ жыл бойы жетілдірілген дәстүрлі поршеньді қозғалтқыштардың беріктік рекордына сирек сәйкес келеді
Баламалы қозғалтқыштардың қиындықты екінші себебі — дәстүрлі ішкі жану қозғалтқышы технологиясы орнында тұрмады. Миллер циклін пайдаланатын соңғы бензинді қозғалтқыштар турбокомпрессорсыз да 40%-ға дейін жылу тиімділігіне жетеді — бұл таңқаларлық көрсеткіш, өйткені бензинді қозғалтқыштардың көпшілігі тек 20–30%, ал дизельді қозғалтқыштар 30–40% (үлкен теңіздік дизельдер 50%-ға дейін) жетеді.
Ең бастысы, ішкі жану қозғалтқышының жаһандық баламасы бұрыннан келді: электр моторлары және отын элементті қуат агрегаттары. Егер бұл экзотикалық жасалымдар артындағы өнертапқыштар техникалық мәселелерін жақын арада шешпесе, оларды күтіп тұрған нарық жоқ болып шығуы мүмкін — электромобильдер жолды бұрыннан алып болады.
Бұл аударма. Түпнұсқаны мына жерден оқуға болады: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Жарияланды Қазан 07, 2021 • 10м оқуға
