Оптимизация
ДВС


Шесть основных отличий между Циклоидным и Поршневым двигателями

 

Многосекционный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) вашего автомобиля, состоит из нескольких одинаковых секций поршневого двигателя (ПД). Сравним секцию ПД с равной ей по рабочему объёму V секцией нового циклоидного двигателя (ЦД), которая представляет собой компаунд-машину, содержащую составную полость объёмного расширения такта рабочего хода (ТРХ). Геометрический объём данной полости секции ЦД в 1,8 раза выше, чем объём V расширения ТРХ в секции ПД, у которой максимальный объём расширения ТРХ равен рабочему объёму V данной секции ПД перед началом такта сжатия.

В 4-тактном термодинамическом цикле порции газового заряда рабочего тела (ЗРТ), в одном из четырёх его дискретных тактов, а именно, в такте рабочего хода, нагретым зарядом вырабатывается механическая энергия силы Р его расширения, которая механизмом секции ДВС трансформируется в механическую работу А крутящего момента М вала отбора мощности двигателя и от него передаётся на вращение вала механизма нагрузки, в данном случае на входной вал трансмиссии колёс автомобиля. Данный цикл непрерывно воспроизводится в секциях ДВС каждым новым зарядом рабочего тела в течение всего времени работы двигателя.

Главным узлом конструкции механизма секции любого теплового двигателя является генератор крутящего момента М, а главным параметромгеометрическая длина его рычага

Но если в двигателе необъёмного вытеснения – газотурбинном – постоянная по своей максимальной величине сила Р потока нагретого газа непрерывно воздействует на постоянно максимальное по своей длине плечо L рычага каждой лопатки вала горячей секции. То в рассматриваемом двигателе объёмного вытеснения – поршневом или роторном – переменная по своей величине (от максимума до минимума) сила Р нагретого дискретного ЗРТ воздействует импульсно в течение короткого времени ТРХ на непрерывно изменяемое по своей длине (от нуля до максимума и обратно до нуля) плечо L рычага крутящего момента М. Поэтому здесь существенную роль играют как количество таких импульсов, происходящих в единицу времени, так и длительность каждого из них. Чем больше их число за это время (обычно – за одну минуту) и чем они длиннее по времени своего импульса, тем большее количество механической энергии в данный временной промежуток может быть передано от нагретого газа ЗРТ на вал отбора мощности двигателя. И, соответственно, тем меньше времени и возможностей получит двигатель на неизбежную самогенерацию нежелательных потерь тепловой и механической энергии.

Первые три отличия  

Одним из нескольких наглядных (очевидных) отличий в секциях ПД и ЦД является число оборотов вала отбора мощности, необходимых для выработки одного ТРХ ЗРТ. В секции ПД один ТРХ вырабатывается за 2 подряд полных оборота вала, а в секции ЦД – всего лишь за 1/4 от одного оборота её вала ( рис.59).    

Рис.59

В связи с этим, для выработки каждого одного ТРХ вал секции ПД вращается в 8 раз быстрее, чем вал секции ЦД. При том же числе ТРХ в единицу времени и, соответственно, той же мощности N на её валу, как и на валу секции ПД, это позволяет отказаться от многоступенчатого редуктора коробки передач в трансмиссии секции ЦД. Как известно, данный редуктор, располагаясь между валами двигателя и нагрузки, понижает изначально высокое значение угловой скорости вращения вала поршневого двигателя до уровня изначально невысокой угловой скорости вращения ведущих колёс вашего автомобиля. Кроме этого, указанное свойство невысокой номинальной скорости вращения вала секции ЦД напрямую способствует кратному повышению рабочего ресурса ДВС.

Рис.60

Другим наглядным отличием является такой факт, когда за один полный оборот вала на 360О в секции ПД, приведённой (дважды сконцентрированной) в пределах одного оборота вала, длительность единственного ТРХ (90О) в 3 раза короче паузы (270О) между окончанием предыдущего и началом следующего такта рабочего хода. А в секции ЦД наоборот, длительность каждого из четырёх четырежды сконцентрированных в одном обороте её вала тактов рабочего хода (по 75О) в 5 раз длиннее, чем каждая (по 15О) из четырёх пауз между ними (рис.60). 

По сравнению с секцией ПД, при той же угловой скорости вращения вала, это кратно повышает мощность N секции ЦД, то есть количество работы А, выполняемой валом в единицу времени. 

Либо для выработки прежнего значения мощности это позволяет, по меньшей мере, в 4 раза сокращать значение рабочего объёма V секции ЦД и, соответственно, понижать вес и габаритные размеры её конструкции. Либо при прежнем значении объёма V позволяет, по меньшей мере, в 4 раза снижать номинальную угловую скорость вращения вала секции ЦД, упрощая и даже исключая многоступенчатую коробку передач в её трансмиссии. В то же время здесь возможны и энергетически эффективные промежуточные варианты исполнения секции ЦД, в которых, при выработке той же неизменной мощности N, производится одновременное уменьшение, как рабочего объёма V данной секции, так и числа номинальных оборотов её вала. 

Минимальная длительность пауз между тактами рабочего хода позволяет отказаться от маховика в механизме секции ЦД. А компаундное исполнение полости расширения ТРХ, наряду с известным существенным повышением эффективности работы ДВС, уменьшает тепловое и механическое (звуковое) загрязнение секцией ЦД окружающий среды энергией её выхлопного газа, позволяя облегчать и даже полностью исключать глушитель из состава конструкции двигателя.

Рис.61

Следующим наглядным отличием является тот факт, что за два подряд оборота вала в секции ПД происходит всего лишь один ТРХ, в то время как в секции ЦД – целых восемь ТРХ. Соответственно в секции ЦД за это время сжигается в восемь раз больше дискретных порций топлива, чем в секции ПД (рис.61). Что является необходимым энергетическим ресурсом для кратного повышения на валу значения механической работы А в единицу времени при прежних, как и в секции ПД, значениях объёма рабочей полости V и числа оборотов вала в минуту. 

То есть, за время каждого одного оборота вала из-за кратно большего числа порций сжигаемого топлива и, от этого, большего количества работы А, выполняемой валом секции ЦД, значение её мощности N всегда кратно выше, чем в секции ПД того же рабочего объёма V. Соответственно в секции ЦД всегда кратно выше и значение удельной мощности

Если по степени эффективности достигаемого результата проводить сравнительную аналогию быстродействия выработки числа импульсов ТРХ за один оборот вала (тактовой частоты) в секции 4-тактного ДВС объёмного вытеснения, например, с исторически прогрессировавшей скорострельностью огнестрельного оружия, то при таком сравнении секция поршневого двигателя соответствует кремниевому ружью, секция роторно-поршневого двигателя Ванкеля – винтовке, а секция циклоидного двигателя – пулемёту

Аналогичное сравнение справедливо и в отношении, например, тактовой частоты вычислительного ядра компьютерного процессора. 

Конкретный пример  

Известно, что каждая секция ПД воспроизводит 1 ТРХ за 2 оборота своего вала, а каждая секция ЦД – 4 ТРХ за 1 оборот её вала. 

Например, секция ПД за 2000 оборотов вала в минуту производит 2000 / 2 = 1000 ТРХ и, сжигая при этом 1000 дискретных порций топлива, за это время вырабатывает своим валом требуемое значение мощности N1.

Секция ЦД, которая имеет такой же рабочий объём V, что и секция ПД, за те же 2000 оборотов её вала в минуту производит 2000 * 4 = 8000 ТРХ и сжигает, соответственно, 8000 таких порций топлива. Поэтому в течение одной минуты она вырабатывает своим валом в 8 раз большее значение мощности N2  = 8 * N1, чем секция ПД. 

Тогда требуемое значение мощности N1 от сжигания 1000 порций топлива может быть выработано секцией ЦД всего лишь за 2000 / 8 = 1000 / 4 = 250 оборотов её вала в минуту.  

Вторые три отличия

В конструкции механизма секции ЦД во время исполнения такта рабочего хода

- в её генераторе крутящего момента М, которым является само входное силовое звено – ротор, результирующая сила Р разогретой массы газового ЗРТ прикладывается непосредственно к плечу L рычага грани металлического ротора, не используя при этом никакие промежуточные поверхности механического трения металлических шарниров;

- для силовой передачи механической энергии от нагретого ЗРТ на вал отбора мощности в секции ЦД не применяются звенья традиционных передатчиков силы Р секции ПД (РПД), таких как поршень (ротор-поршень), шатун и шарнир его верхней головки, а используются только звенья передатчика крутящего момента М

- в секции компаундного ЦД максимальная длина плеча L рычага генератора крутящего момента М геометрически на 25% длиннее, чем максимальная длина плеча L рычага эксцентрика вала (длина эксцентриситета еПД) секции ПД, имеющей такой же рабочий объём V такта сжатия, как и секция ЦД. 

Преимущества Циклоидного двигателя перед Поршневым двигателем – краткая версия 

1.     При одинаковых оборотах вала и одинаковом рабочем объёме, новый 4-тактный Циклоидный двигатель вырабатывает своим валом в 4 раза большее значение мощности, чем вал традиционного 4-тактного тронкового Поршневого двигателя. 

2.     При одинаковых оборотах вала и выработке одинакового значения мощности, Циклоидный двигатель имеет в 4 раза меньший рабочий объём и, соответственно, меньшие габаритные размеры и вес, чем Поршневой двигатель. 

3.      Номинальная скорость вращения вала Циклоидного двигателя составляет лишь сотни оборотов в минуту, вместо тысяч оборотов в минуту у вала Поршневого двигателя. 

4.      Рабочий ресурс и межремонтный период у Циклоидного двигателя в 8 раз больше, чем у Поршневого двигателя. 

5.      На валу Циклоидного двигателя отсутствует традиционный маховик. 

6.      В приводе нагрузки Циклоидного двигателя отсутствует традиционный редуктор коробки передач. 

7.     Компаундное исполнение Циклоидного двигателя локализовано строго в рамках механизма одной его секции, что удобно для его недорогого тиражирования. И вдобавок, в ней отсутствует традиционный глушитель. 

8.   По геометрической длине рычага крутящего момента механизм Циклоидного двигателя не уступает Поршневому двигателю, имеющему такой же по величине рабочий объём, а в компаундном исполнении даже превосходит его. 

9.      Конструкция механизма секции Циклоидного двигателя состоит всего из 11-ти деталей, шесть из которых - это детали неподвижного статора.  

Циклоидный двигатель возврашает в практику забытые преимущества двигателя Паровоза  

Циклоидный двигатель внутреннего сгорания возрождает к практике некоторые из основательно забытых преимуществ, которыми некогда обладал легендарный двигатель Паровоза с крейцкопфным поршнем двойного действия Джеймса Уатта, известным из его патента от 1782 года. Благодаря ним, у предельно простого по своей конструкции парового двигателя Паровоза была самая высокая на тот момент степень эффективности работы. Поэтому исторически он стал самым первым серийным коммерческим тепловым двигателем. Но, как известно, данные преимущества спустя 100 лет успешной эксплуатации были утрачены коммерческой практикой. Это произошло через некоторое время после появления в 1877 году патента Николауса Отто на 4-тактный ДВС и в 1883 году патента Готлиба Даймлера на тронковый Поршневой двигатель. 

А именно. Как и в Паровозном двигателе, у Циклоидного двигателя тоже отсутствуют такие балластные элементы и узлы конструкции, как маховик, глушитель и редуктор коробки передач в приводе нагрузки. 

Также в Циклоидном ДВС удалось вернуть компаундное исполнение теплового двигателя объёмного вытеснения в рамки механизма одной его секции, как это было в Паровозе. Повышенная эффективность компаунд-машины, начиная с конца 19-го века, была неоднократно подтверждена её успешной практикой. Как известно, применение компаунда объёмного расширения гарантировано повышает, по меньшей мере, в полтора раза коэффициент полезного действия (КПД) любого двигателя объёмного вытеснения. У некоторых образцов компаундных паровых двигателей КПД был даже выше, чем у современных ДВС. Но объёмный компаунд не прижился в двигателях внутреннего сгорания из-за многосекционной громоздкости его конструкции, выполненной на основе тронкового поршневого механизма с эксцентриковым валом. Вдобавок она также содержала в себе и «мёртвый объём» непростого по конструкции клапанного газового канала перепуска между рабочими объёмами ступеней расширения такта рабочего хода. 

Кроме этого, в Циклоидном двигателе удалось развить успех поршня двойного действия Джеймса Уатта и дополнительно ещё в 2 раза увеличить число тактов рабочего хода за каждый один оборот вала двигателя. Напомним, что в крейцкопфных поршневых двигателях: Паровозном с поршнем Уатта и в 2-тактном самом первом ДВС Ленуара с тем же механизмом (1859 год) производились 2 ТРХ за 1 оборот вала. В 4-тактном компаундном Циклоидном ДВС происходят 4 ТРХ за 1 оборот вала. А в традиционном 4-тактном тронковом Поршневом ДВС – лишь 1 ТРХ за 2 оборота вала. 

Таким образом, если установить Циклоидный двигатель, например, на легковой автомобиль, то для управления им и его силовой установкой, кроме оставшихся двух традиционных педалей газа и тормоза, вместо рычага управления отсутствующей коробки передач, на приборной панели также могут появиться две дополнительные кнопки электрического включения-отключения: муфты холостого хода (сцепления) и передачи обратного хода. Как известно, у Паровоза не было также ни муфты сцепления, ни шестерёнчатой передачи заднего хода, но у Циклоидного двигателя нет парового котла…

 Вернуться на главную страницу