Термин «шеститактный двигатель» применялся к нескольким альтернативным конструкциям двигателей внутреннего сгорания , которые пытаются улучшить традиционные двухтактные и четырехтактные двигатели. Заявленные преимущества могут включать повышенную топливную экономичность , снижение механической сложности и/или снижение выбросов . Эти двигатели можно разделить на две группы в зависимости от количества поршней , обеспечивающих шесть тактов.
В однопоршневых конструкциях двигатель улавливает тепло, потерянное в четырехтактном цикле Отто или дизельном цикле , и использует его для приведения в действие дополнительной мощности и такта выпуска поршня в том же цилиндре, пытаясь повысить топливную экономичность и помочь с охлаждением двигателя. Поршни в шеститактном двигателе этого типа поднимаются и опускаются три раза при каждом впрыске топлива. В этих конструкциях в качестве рабочей жидкости для дополнительного рабочего хода используется пар или воздух. [1]
Более разнообразны конструкции, в которых шесть тактов определяются взаимодействием двух поршней. Поршни могут быть расположены напротив друг друга в одном цилиндре или могут находиться в отдельных цилиндрах. Обычно один цилиндр совершает два хода, а другой — четыре хода, что дает шесть движений поршня за цикл. Второй поршень можно использовать для замены клапанного механизма обычного двигателя, что может снизить механическую сложность и обеспечить увеличение степени сжатия за счет устранения горячих точек, которые в противном случае ограничивали бы сжатие. Второй поршень также можно использовать для увеличения степени расширения , отделяя ее от степени сжатия. Увеличение степени расширения таким образом может повысить термодинамическую эффективность аналогично циклу Миллера или Аткинсона .
В этих конструкциях используется один поршень на цилиндр, как в обычном двух- или четырехтактном двигателе. В камеру впрыскивается вторичная недетонирующая жидкость, и оставшееся от сгорания тепло заставляет ее расширяться для второго рабочего такта, за которым следует второй такт выпуска.
В 1883 году инженер Сэмюэл Гриффин из Бата был признанным производителем паровых и газовых двигателей. Он хотел создать двигатель внутреннего сгорания, но не оплачивая затраты на лицензирование патентов Отто . Его решение заключалось в разработке «запатентованного золотникового клапана» и шеститактного двигателя одностороннего действия с его использованием. К 1886 году шотландский производитель паровозов Дик, Керр и компания увидели будущее в больших нефтяных двигателях и лицензировали патенты Гриффина. Это были тандемные двигатели двойного действия, продававшиеся под названием «Килмарнок». [2] Основным рынком сбыта двигателей Griffin была генерация электроэнергии, где они заработали репутацию двигателей, которые успешно работали в течение длительного времени, а затем внезапно смогли удовлетворить большой спрос на электроэнергию. Их большая и тяжелая конструкция не подходила для мобильного использования, но они были способны сжигать более тяжелые и дешевые сорта нефти. Ключевым принципом «Griffin Simplex» был внешний испаритель с подогревом и выхлопной рубашкой, в который распылялось топливо. Температуру поддерживали на уровне около 550 °F (288 °C), что было достаточно для физического испарения масла, но не для его химического разрушения. Эта фракционная перегонка способствовала использованию тяжелого нефтяного топлива, непригодные для использования смолы и асфальты отделялись в испарителе. Использовалось зажигание с помощью горячей лампы , которое Гриффин назвал «кататермическим воспламенителем», представляющим собой небольшую изолированную полость, соединенную с камерой сгорания. Распылительный инжектор имел регулируемое внутреннее сопло для подачи воздуха, окруженное кольцевым кожухом для масла, при этом масло и воздух поступали под давлением 20 фунтов на квадратный дюйм (140 кПа) и регулировались регулятором. [3] [4] Griffin прекратил свою деятельность в 1923 году. Сохранились только два известных экземпляра шеститактного двигателя Griffin. Один находится в Музее двигателей Энсона . Другой был построен в 1885 году и несколько лет находился в Бирмингемском музее науки и технологий , но в 2007 году вернулся в Бат и в Музей Бата в работе . [5]
Леонард Дайер изобрел шеститактный двигатель внутреннего сгорания с впрыском воды в 1915 году, очень похожий на конструкцию Кроуэра (см. Ниже). С тех пор было выдано еще дюжину подобных патентов.
Характеристики шеститактного двигателя Дайера:
Шеститактный двигатель Bajulaz по конструкции аналогичен обычному двигателю внутреннего сгорания, но в головку блока цилиндров были внесены изменения с двумя дополнительными камерами фиксированной производительности: камерой сгорания и камерой предварительного подогрева воздуха над каждым цилиндром. Камера сгорания получает заряд нагретого воздуха из цилиндра; при впрыске топлива начинается изохорное (постоянного объема) сгорание, что повышает тепловой КПД по сравнению со сгоранием в цилиндре. Достигнутое высокое давление затем сбрасывается в цилиндр для работы рабочего хода или такта расширения. Между тем, во второй камере, которая покрывает камеру сгорания, содержимое воздуха нагревается до высокой степени за счет тепла, проходящего через стенку цилиндра. Этот нагретый и сжатый воздух затем используется для дополнительного хода поршня.
Заявленные преимущества двигателя включают снижение расхода топлива как минимум на 40%, два такта расширения за шесть тактов, возможность использования нескольких видов топлива и резкое снижение уровня загрязнения . [6]
Шеститактный двигатель Bajulaz был изобретен в 1989 году Роджером Баюлазом из компании Bajulaz SA, базирующейся в Женеве , Швейцария ; он имеет патент США 4 809 511 и патент США 4 513 568 .
Заявленные характеристики шеститактного двигателя Bajulaz:
В двигателе Velozeta во время такта выпуска в цилиндр впрыскивается свежий воздух, который расширяется за счет тепла и, следовательно, заставляет поршень опускаться для дополнительного такта. Перекрытия клапанов были удалены, а два дополнительных хода с использованием впрыска воздуха обеспечивают лучшую продувку газов . Кажется, что двигатель демонстрирует снижение расхода топлива на 40% и значительное снижение загрязнения воздуха. [7] Его удельная мощность немного меньше, чем у четырехтактного бензинового двигателя. [7] Двигатель может работать на различных видах топлива: от бензина и дизельного топлива до сжиженного нефтяного газа . Измененный двигатель демонстрирует снижение выбросов угарного газа на 65% по сравнению с четырехтактным двигателем, на базе которого он был разработан. [7] Двигатель был разработан в 2005 году группой студентов-механиков У Кришнараджем, Боби Себастьяном, Аруном Наиром и Аароном Джозефом Джорджем из Инженерного колледжа Тривандрама .
Этот двигатель был разработан Чанаилом Клитусом Анилом из Кочина, Индия, который запатентовал конструкцию в 2012 году. [8] Название двигателя взято из названия его компании NIYKADO Motors. Двигатель прошел предварительные испытания на полном газу в Ассоциации автомобильных исследований Индии, Пуна. [8] Изобретатель утверждает, что этот двигатель «на 23% более экономичен по топливу по сравнению с обычным четырехтактным двигателем» [8] и «очень мало загрязняет окружающую среду». [8]
Анил, механик, разрабатывал двигатель NIYKADO более 15 лет. Двигатель был впервые испытан в 2004 году, а Анил подал заявку на патент в 2005 году. Он утверждает, что его конструкция производит значительно меньше загрязнений и что использование в автомобильной промышленности может привести к «мобильности с меньшими выбросами».
Функционал двигателя:
Различные штрихи:
Двигатель имеет четыре клапана:
Такт впуска: В этом такте поршень перемещается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ). Впускной клапан открывается и топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр.
Такт сжатия: поршень перемещается из НМТ в ВМТ, и все клапаны закрыты.
Рабочий ход: Свеча зажигания воспламеняет топливовоздушную смесь. Поршень перемещается из ВМТ в НМТ, при этом все клапаны остаются закрытыми.
Такт выпуска: поршень перемещается от НМТ к ВМТ, в то время как выпускной клапан открывается, позволяя выхлопным газам выйти из цилиндра.
Такт впуска воздуха: впускной клапан только для воздуха открывается, когда поршень движется от ВМТ к НМТ, втягивая свежий воздух из атмосферы в цилиндр. Этот воздух смешивается с остатками выхлопных газов или несгоревшим топливом, одновременно охлаждая внутреннюю часть цилиндра.
Такт выпуска воздуха: выпускной клапан воздуха открывается, когда поршень движется от НМТ к ВМТ. Свежий воздух и большая часть остатков топлива и выхлопных газов покидают цилиндр. Анил утверждает, что это создает более свежую атмосферу внутри цилиндра перед следующим тактом воздухо-топливного впуска, помогает двигателю сжечь почти 100% топливовоздушной смеси и снижает вредные выбросы (в том числе сокращение выбросов угарного газа на 98%). .
В шеститактном двигателе, прототип которого разработал в США Брюс Кроуэр, вода впрыскивается в цилиндр после такта выпуска и мгновенно превращается в пар , который расширяется и толкает поршень вниз для дополнительного рабочего такта. Таким образом, отработанное тепло, для отвода которого в большинстве двигателей требуется воздушная или водяная система охлаждения, улавливается и используется для приведения в движение поршня. [1] Кроуэр подсчитал, что его конструкция позволит снизить расход топлива на 40% за счет генерации той же выходной мощности при более низкой скорости вращения. Вес, связанный с системой охлаждения, можно было бы исключить, но это было бы уравновешено необходимостью в резервуаре для воды в дополнение к обычному топливному баку.
Шеститактный двигатель Crower представлял собой экспериментальную конструкцию, которая привлекла внимание средств массовой информации в 2006 году из-за интервью, данного 75-летним американским изобретателем, который подал заявку на патент на свою конструкцию. [1] Впоследствии эта заявка на патент была отклонена. [9]
В этих конструкциях используются два поршня на цилиндр, работающие с разной скоростью, при этом сгорание происходит между поршнями.
Конструкция двигателя Bear-head была разработана Малкольмом Биром из Австралии . Эта технология сочетает в себе нижнюю часть четырехтактного двигателя с оппозитным поршнем в головке блока цилиндров, работающим с вдвое меньшей циклической частотой, чем нижний поршень. Функционально второй поршень заменяет клапанный механизм обычного двигателя. Заявленные преимущества включают увеличение мощности на 9% и улучшенный термодинамический КПД за счет увеличения степени сжатия, обеспечиваемого отсутствием горячего выпускного клапана. [10]
Идея была разработана в Силезском политехническом университете (Польша) под руководством инженера Адама Цеселкевича. Он получил патент № 195052 Польского патентного ведомства .
Двигатели M4+2 имеют много общего с двигателями Bear-head , сочетая два противоположных поршня в одном цилиндре. Один поршень работает с вдвое меньшей циклической частотой, чем другой, но в то время как основная функция второго поршня в двигателе Bear-head заключается в замене клапанного механизма обычного четырехтактного двигателя, M4+2 делает принцип на один шаг. дальше. Работа двухпоршневого двигателя внутреннего сгорания основана на взаимодействии обоих модулей. Изменение воздушной нагрузки происходит в двухтактной части двигателя. Поршень четырехтактной секции представляет собой систему облегчения обмена воздушной нагрузкой, работающую как система клапанов. Цилиндр заполнен воздухом или топливно-воздушной смесью. Процесс наполнения происходит под избыточным давлением через систему впускного шибера. Выхлопные газы удаляются, как и в классическом двухтактном двигателе, через выпускные окна в цилиндре. Топливо в цилиндр подается с помощью системы впрыска топлива. Зажигание осуществляется двумя свечами зажигания. Эффективная выходная мощность двухпоршневого двигателя передается двумя коленчатыми валами. Характерной особенностью этого двигателя является возможность непрерывного изменения объема цилиндров и степени сжатия в процессе работы двигателя за счет изменения положения поршня. Механическая и термодинамическая модели предназначены для двухпоршневых двигателей, что позволяет построить новый теоретический термодинамический цикл для двухпоршневого двигателя внутреннего сгорания. [11]
Принцип работы двигателя описан в статье о двух- и четырехтактных двигателях .
В этом двигателе, по конструкции похожем на головку Beare, систему клапанов заменяет «поршневой нагнетатель». Поршневое нагнетательное устройство заряжает главный цилиндр и одновременно регулирует впускное и выпускное отверстия, что приводит к исключению потерь воздуха и топлива при выхлопе. [12] В главном цилиндре сгорание происходит при каждом обороте, как и в двухтактном двигателе, а смазка осуществляется так же, как и в четырехтактном . Впрыск топлива может осуществляться в поршневой нагнетатель, в газоперекачивающий канал или в камеру сгорания. Также возможно заряжать два рабочих цилиндра одним поршневым зарядным устройством. Утверждается, что сочетание компактной конструкции камеры сгорания с отсутствием потерь воздуха и топлива обеспечивает двигателю больший крутящий момент, большую мощность и лучшую топливную экономичность. Утверждается, что преимущество меньшего количества движущихся частей и конструкции приводит к снижению производственных затрат. Утверждается, что двигатель пригоден для использования альтернативных видов топлива, поскольку на клапанах не остается коррозии и отложений. Шесть ударов:
Это изобретение Гельмута Коттмана из Германии, который он 25 лет проработал в компании MAHLE GmbH по производству поршней и цилиндров. Патенты США Коттмана 3921608 и 5755191 перечислены ниже.
Эта конструкция была изобретена бельгийским инженером Герхардом Шмитцем и прототипирована компанией Ilmor Engineering. [13]
В этих конструкциях используются два (или четыре, шесть или восемь) цилиндров с обычным четырехтактным циклом Отто. Дополнительный поршень (в собственном цилиндре) используется совместно двумя цилиндрами цикла Отто. Выхлоп из цилиндра цикла Отто направляется в общий цилиндр, где он расширяется, производя дополнительную работу. Это в некотором отношении похоже на работу составного парового двигателя, в котором цилиндры цикла Отто являются ступенью высокого давления, а общий цилиндр - ступенью низкого давления. Работа двигателя заключается в следующем:
Конструкторы считают, что это пятитактная конструкция, считая одновременный такт выпуска ВД и такт расширения НД как один такт. Такая конструкция обеспечивает более высокую топливную экономичность за счет более высокой общей степени расширения комбинированных цилиндров. Степень расширения, сравнимую с дизельными двигателями, может быть достигнута при использовании бензинового (бензинового) топлива. Пятитактные двигатели якобы легче и имеют более высокую удельную мощность, чем дизельные двигатели. [ нужна цитата ]
В двигателях внутреннего сгорания , разработанных Брэдли Хауэллом-Смитом из австралийской фирмы Revetec Holdings Pty Ltd, используются противоположные пары поршней, которые приводят в движение пару трехлопастных кулачков, вращающихся в противоположных направлениях, через подшипники. Эти элементы заменяют обычные коленчатый вал и шатуны, которые позволяют поршням совершать чисто осевое движение, так что большая часть мощности, которая в противном случае тратится на боковое движение шатунов, эффективно передается на выходной вал. Это дает шесть рабочих ходов за один оборот вала (распределенного по паре поршней). В ходе независимого испытания был измерен удельный расход топлива на тормозах прототипа бензинового двигателя Revetec X4v2 на уровне 212 г/кВт-ч [14] (что соответствует энергоэффективности 38,6%). Можно использовать любое четное количество поршней в конфигурации Boxer или X; три лепестка кулачков можно заменить любым другим нечетным числом, большим единицы; а геометрия кулачков может быть изменена в соответствии с потребностями целевого топлива и применения двигателей. Такие варианты могут иметь 10 и более тактов за цикл.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )