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.
Источник статьи: http://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Аксиальные двигатели внутреннего сгорания У.Г. Макомбера (США)
Проект аксиального двигателя внутреннего сгорания конструкции Г.И. Смоллбоуна никого не заинтересовал и остался в виде набора чертежей. Тем не менее, идея не пропала. Вскоре появились аналогичные проекты, оказавшиеся более успешными. В конце первого десятилетия прошлого века тематикой аксиальных двигателей занялся американский инженер У.Г. Макомбер. Благодаря удачной конструкции и рвению своего создателя новый аксиальный двигатель даже дошел до серийного производства и использования на практике.
Уолтер Гленн Макомбер с детства проявлял интерес к инженерному делу. К примеру, в 14 лет он из подручных материалов собрал простейший паровой двигатель, который, однако, развивал достаточно высокую для самоделки мощность. В дальнейшем Макомбер предложил несколько других изобретений, пригодных для использования в различных сферах. В конце первого десятилетия XX века изобретатель занялся созданием аксиального двигателя внутреннего сгорания. Макомбер видел ситуацию в области двигателестроения и, по-видимому, желал принять участие в развитии конструкций моторов.
В 1909 году У.Г. Макомбер подготовил комплект чертежей и собрался патентовать свое изобретение. Кроме того, он основал собственную фирму, которая в дальнейшем должна была заниматься производством новых двигателей. Мастерские компании Macomber Rotary Engine Company расположились в Лос-Анджелесе. Планировалось освоить сборку новых моторов, и, в перспективе, заключить контракты на их поставку таких изделий производителям автомобильной или авиационной техники.
По некоторым данным, первая заявка на патент была подана Макомбером в 1909 году. Тем не менее, в большинстве материалов по этой теме фигурируют более поздние документы. К примеру, одна из заявок была подана в апреле 1911 года и привела к получению патента в октябре 1912-го. Кроме того, усовершенствованный вариант аксиального двигателя был запатентован в 1916 году. Таким образом, У.Г. Макомбер заботился о своих изобретениях, постоянно подавая заявки на патентование усовершенствованных версий нового двигателя.
Несмотря на добавление или изменение различных деталей, аксиальные двигатели Макомбера в целом имели схожую архитектуру. Дорабатывались различные узлы, но компоновка, количество цилиндров, способ управления мощностью и т.д. оставались одинаковыми. Изобретатель предложил использовать блок из семи цилиндров с воздушным охлаждением. Двигатель был построен по аксиальной схеме с вращающимся блоком цилиндров. Макомбер посчитал, что такая система позволит улучшить охлаждение цилиндров за счет постоянного обдува без использования дополнительных вентиляторов.
Конструкция аксиального двигателя Макомбера условно разделялась на две основные части: картер с шайбовым механизмом и блок цилиндров. Кроме того, в составе двигателя присутствовали некоторые другие агрегаты, закрепленные на основных узлах. За счет ряда оригинальных предложений автору проекта удалось значительно уменьшить размеры двигателя в сравнении с иными моторами того времени.
Аксиальный двигатель Макомбера оснащался семью цилиндрами, расположенными в одном блоке, параллельно с валом. Для лучшего охлаждения на внешней поверхности цилиндров предусматривалось оребрение. Такие «радиаторы» и постоянное вращение блока цилиндров, как ожидалось, должны были обеспечивать приемлемое охлаждение. Внутри цилиндров помещались поршни с шарнирно закрепленными шатунами. Применение шарниров было связано с оригинальной системой регулировки мощности двигателя путем изменения полного и рабочего объема цилиндра, а также степени сжатия.
Система впуска и выхлопа размещалась на головной части цилиндра. Для упрощения их конструкции Макомбер предложил использовать для подачи бензовоздушной смеси полый вал двигателя. Цилиндры соединялись с валом при помощи трубок, по которым происходила раздача смеси. Выхлоп производился через патрубки в окружающее пространство. На ранней версии двигателя общий выхлопной коллектор не предусматривался.
Попеременное открытие впускного и выхлопного клапана должно было осуществляться за счет специального механизма. Подпружиненные клапаны крепились в верхней части цилиндра, над ними имелось качающееся коромысло. На валу предусматривался кулачок сложной формы, который во время вращения должен был поднимать или опускать ближайший конец коромысла клапанов. При нажатии на коромысло утапливался впускной клапан, при подъеме – выхлопной.
При помощи шатунов поршни цилиндров были связаны с шайбовым механизмом. Основной деталью последнего была планшайба сложной формы. На шарнире, расположенном на продольной оси двигателя, крепилось опорное кольцо с подшипником для маховика с креплениями для шатунов. Во время работы двигателя шатуны должны были проворачивать и качать маховик. За счет жесткого закрепления некоторых деталей вращался не только маховик, но и блок цилиндров.
Возвратно-поступательное движение поршней преобразовывалось во вращение главного вала в соответствии с принципом работы механизма «планшайба-стержни». При этом, однако, с валом был жестко связан не качающийся маховик, а блок цилиндров. Таким образом, роль планшайбы в двигателе Макомбера фактически играли цилиндры. Тем не менее, как показала практика, подобная архитектура двигателя не оказывала серьезного влияния на его характеристики.
Большой интерес представляет система регулировки мощности и других параметров двигателя. Предполагалось, что новый мотор сможет работать в определенном диапазоне оборотов, мощности и крутящего момента. Для этого в его конструкцию был введен механизм изменения объема цилиндра. Примечательно, что на чертежах в патенте 1916 года подобные детали отсутствуют. Вероятно, было решено отказаться от специальных механизмов ввиду появления более совершенных коробок передач.
На главной раме двигателя или мотораме автомобиля/самолета предлагалось жестко крепить только картер шайбового механизма и систему изменения объема цилиндров. Блок цилиндров при этом связывался с последней. При необходимости водитель или пилот должен был сдвигать специальный рычаг. При этом две зубчатые передачи (в некоторых вариантах проекта – одна) должны были сводить друг к другу или разводить в стороны блок цилиндров и маховик шайбового механизма. За счет этого можно было изменить рабочий объем цилиндра, степень сжатия смеси и другие параметры. При разведении цилиндров и маховика в стороны мощность двигателя падала, при сведении – росла.
По чертежам, подававшимся вместе с заявкой на патент, был выполнен аксиальный двигатель Macomber Model A. Этот мотор предлагался для использования на автомобилях и самолетах. Следует отметить, что предложенный двигатель был интересен в первую очередь именно как силовая установка для летательных аппаратов. Он имел сравнительно малый вес и небольшие габариты при достаточно высокой мощности. При определенных обстоятельствах двигатель Макомбера вполне мог стать реальной альтернативой звездообразным ротативным двигателям того времени.
В рекламном буклете двигателя Model A сообщалось, что он развивает мощность до 50-60 л.с. при 800-1400 оборотах в минуту. Семь цилиндров двигателя имели внутренний диаметр 4,25 дюйма. Максимальный ход поршней составлял 4,25 дюйма. При необходимости последний мог изменяться. Отмечались крайняя простота клапанного механизма цилиндров, отсутствие движущихся деталей в системе подачи смазки и другие особенности конструкции. Также в качестве преимущества представлялись малые габариты и вес. Максимальный диаметр двигателя составлял 19 дюймов (48,25 см), длина – 34 дюйма (86,36 см), а масса с дополнительным оборудованием не превышала 250 фунтов (113,4 кг). Для установки воздушного винта имелся вал длиной 6 дюймов (15,24 см).
Фирма Macomber Rotary Engine Company планировала собирать новые двигатели под заказ. Цена одного комплекта составляла 2 тыс. долларов. При заказе моторов покупателю следовало внести четверть стоимости контракта. Остальная сумма передавалась производителю после сдачи заказа.
Объемы производства двигателей Model A неизвестны. По разным данным, было собрано не более нескольких десятков таких изделий. Известно, что, как минимум, один подобный двигатель использовался в авиации. В мае 1911 года американский пионер авиации Чарльз Уолш поднял в воздух очередной свой самолет, оснащенный двигателем Макомбера. Иные случаи использования подобных моторов на практике неизвестны.
В 1914 году У.Г. Макомбер занялся продвижением двигателя своей конструкции в автомобильной сфере. Уже в 1915-м появился первый автомобиль с аксиальным двигателем. Опытный образец имел классическую для машин того времени компоновку со сравнительно длинным моторным отсеком и сиденьями, расположенными над задней осью. При этом особая конструкция двигателя позволила заметно сократить размеры капота и придать ему характерную форму.
В дальнейшем Компания Macomber Rotary Engine разработала и предложила потенциальным покупателям несколько вариантов автомобиля с аксиальным двигателем. Дальнейшее совершенствование конструкции мотора позволило повысить характеристики без заметного роста габаритов. Более того, удалось даже сократить размеры двигателя. Так, в 1916 году был предложен автомобиль с нехарактерно небольшим моторным отсеком. При сохранении традиционных для того времени обводов капот вмещал двигатель необходимой мощности.
На автомобиле с уменьшенным капотом использовался новый вариант двигателя с пятью цилиндрами. Патент на такую версию мотора был получен в ноябре 1916 года. Автомобильный вариант двигателя имел пять цилиндров, расположенных вокруг центрального главного вала. Общее строение и принцип работы остались прежними, однако были доработаны некоторые отдельные элементы. К примеру, маховик закрепили на опорном кольце, теперь жестко соединенном с картером механизма. Также были изменены некоторые другие узлы.
Пятицилиндровый аксиальный двигатель получил новый кожух-корпус. Все агрегаты помещались в корпус, состоявший из нескольких цилиндрических поверхностей разного диаметра. Кроме того, со стороны блока цилиндров на корпусе имелся раструб воздухозаборника. Во время работы через него должен был поступать воздух, используемый для охлаждения цилиндров. К выхлопным патрубкам цилиндров добавили трубки, расположенные параллельно продольной оси двигателя. По этим трубкам газы должны были поступать в специальный коллектор, расположенный вокруг шайбового механизма. Нагретый цилиндрами воздух и выхлопные газы в итоге попадали в изогнутый канал и выбрасывались через специальный патрубок.
Автомобили с аксиальными двигателями выпускались под маркой Eagle-Macomber. В силу разных причин они не пользовались большой популярностью и производились исключительно под заказ. По имеющимся данным, в общей сложности было построено не более полусотни машин «Игл-Макомбер», вскоре переданных заказчикам. Количество выпущенных моторов вряд ли сильно отличается от числа автомобилей.
Фирма Macomber Rotary Engine Company работала до 1918 года. Из-за низкого спроса на свою продукцию, как на автомобили, так и на двигатели, она была вынуждена свернуть производство. К этому времени массовые попытки разработать новый тип двигателя почти полностью прекратились. В автомобильной сфере свое место прочно заняли рядные двигатели, а в авиации закрепились звездообразные. В дальнейшем в двигателестроении наблюдались разные тенденции, но аксиальные двигатели так и не смогли получить широкого распространения. Не видя перспектив, У.Г. Макомбер оставил это направление и занялся более перспективными проектами.
Источник статьи: http://topwar.ru/77476-aksialnye-dvigateli-vnutrennego-sgoraniya-ug-makombera-ssha.html
Почему производители электромобилей не используют электродвигатели с аксиальным потоком?
Если вы возьмёте любой конвейерный электромобиль, то там обязательно будут установлены редукторные электроприводы. Архитектура силовой установки всегда одинаковая у всех без исключения производителей электромобилей: высокоскоростной тяговый электродвигатель вращает редуктор, чтобы понизить скорость вращения, повысить крутящий момент и передать эту мощность на колёса через дифференциал. У электромобилей, которые только готовятся к конвейерному производству, а также у электрических гиперкаров с ограниченным тиражом архитектура электропривода та же самая.
И отсюда возникает вопрос: почему производители электромобилей даже не рассматривают архитектуру силовой установки с прямым электроприводом, когда все четыре колеса вращаются напрямую (через ШРУСы и полуоси) от вала электродвигателя без каких-либо редукторов и дифференциалов?
Специально для таких целей производители электродвигателей предлагают электрические машины с аксиальным магнитным потоком, которые рассчитаны на низкие скорости вращения и высокие крутящие моменты. Так например американская компания Evo AVID Technology расширила линейку своих тяговых электродвигателей моделью AF340 , максимальная мощность которой доходит до 660 кВт (898 л.с.), а пиковый крутящий момент достигает 1800 Нм. При этом эта сборка аксиальных электродвигателей, приведённых к одному валу при соосном сращивании, весит 122 кг. Максимальная скорость вращения ограничена на отметке 5000 об/мин, что при прямом приводе колеса диаметром 70 см эквивалентна теоретически достижимой максимальной скорости до 660 км/ч.
До официального выхода этой модели мы довольствовались моделью AF240 максимальной мощностью 440 кВт (598 л.с.) с пиковым моментом 1200 Нм. Т.е. теперь они просто сделали соосное сращивание не двух как ранее электродвигателей AF140, а трёх, и тем самым увеличили параметры в полтора раза. До этого обычно мы заказывали четыре AF240 по одному на каждое колесо. Изображение прямого электропривода одной из оси электромобиля (передней или задней) можно видеть на самом первом фото статьи.
Там есть дополнительная алюминиевая станина, которая объединяет два электродвигателя AF240 так, чтобы выходные валы получившегося электропривода были развёрнуты к колёсам. И таким образом суммарная мощность такой установки доходит до 880 кВт (1197 л.с.), а момент до 2400 Нм. Разумеется на второй оси электромобиля расположена точно такая же установка, и таким образом суммарная мощность электрического гиперкара доходит до 2394 л.с., а суммарный колёсный момент до 4800 Нм.
И тут в Evo AVID вдруг решили, что нам этого мало. Что мы никого не сможем удивить на фоне грядущих конвейерных электрических гиперкаров типа Lotus Evija с его 2000 л.с. и Rimac C Two с его 1914 л.с. Они решили что заказчикам этих 2394 л.с. уже недостаточно и предложили нам собрать силовую установку с суммарной мощностью 3590 л.с. на четырёх AF340. Только вот проблема в том, что нам особо негде разогнаться до скорости 660 км/ч, да и Дмитровский автополигон пока на такое не рассчитан.
Так вот возвращаясь к теме обсуждения — почему все производители электромобилей демонстративно игнорируют эти технологии прямого привода — можно рассмотреть ту же Теслу. Там у них на на топовых моделях стоит большой задний теперь уже синхронный на неодимовых магнитах электропривод весом 132 кг , и спереди стоит передний электропривод весом 90 кг . Их суммарный вес 222 кг, а мощность доходит до 800 л.с. И все они конечно же редукторные. Т.е. у Теслы удельная мощность электроприводов 3,6 л.с. с одного кг массы.
И все эти сложности делаются ради одного — крутящего момента на колёсах. У Теслы колёсный момент доходит до 12000 Нм, у Тайкана он тоже около 12000, у Римаца он доходит до 17000. Мощность сейчас мало кого интересует, всем нужен только колёсный крутящий момент. Именно этим и обуславливается выбор в пользу редукторного электропривода. Потому что электрическая тяговая установка с прямым безредукторным приводом никогда не даст вам таких внушительных колёсных крутящих моментов.
На высоких скоростях крутящий момент не играет принципиальной роли, там значение имеет только мощность. А вот на старте во временном промежутке от 0 до 2 секунд решающее значение имеет только крутящий момент. И его высокие значения позволяют вам выехать из 2 сек. при разгоне от 0 до 100 км/ч. Однако эти редукторные электроприводы не позволяют гиперкарам разгоняться свыше 450 км/ч.
Источник статьи: http://zen.yandex.com/media/electrotransport/pochemu-proizvoditeli-elektromobilei-ne-ispolzuiut-elektrodvigateli-s-aksialnym-potokom-5efff9582f1ee967c00c5e13
