Шеститактный двигатель — один из нескольких альтернативных проектов 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 , которые обеспечивают шесть тактов.
В однопоршневых конструкциях двигатель улавливает тепло, потерянное в четырехтактном цикле Отто или цикле Дизеля , и использует его для приведения в действие дополнительной мощности и такта выпуска поршня в том же цилиндре в попытке улучшить топливную экономичность и помочь с охлаждением двигателя. Поршни в этом типе шеститактного двигателя поднимаются и опускаются три раза для каждого впрыска топлива. Эти конструкции используют либо пар, либо воздух в качестве рабочей жидкости для дополнительного такта мощности. [1]
Конструкции, в которых шесть тактов определяются взаимодействием двух поршней, более разнообразны. Поршни могут быть расположены напротив друг друга в одном цилиндре или могут находиться в отдельных цилиндрах. Обычно один цилиндр делает два такта, а другой — четыре такта, что дает шесть движений поршня за цикл. Второй поршень может использоваться для замены клапанного механизма обычного двигателя, что может снизить механическую сложность и обеспечить повышенную степень сжатия за счет устранения горячих точек, которые в противном случае ограничивали бы сжатие. Второй поршень также может использоваться для увеличения степени расширения , отделяя ее от степени сжатия. Увеличение степени расширения таким образом может повысить термодинамическую эффективность аналогично циклу Миллера или Аткинсона .
Эти конструкции используют один поршень на цилиндр, как в обычном двух- или четырехтактном двигателе. Вторичная, недетонирующая жидкость впрыскивается в камеру, а остаточное тепло от сгорания заставляет ее расширяться для второго рабочего такта, за которым следует второй выпускной такт.
В 1883 году инженер из Бата Сэмюэль Гриффин был известным производителем паровых и газовых двигателей. Он хотел производить двигатель внутреннего сгорания, но без оплаты лицензионных расходов на патенты Отто . Его решением было разработать «запатентованный золотниковый клапан» и шеститактный двигатель одностороннего действия, использующий его. К 1886 году шотландский производитель паровозов Dick, Kerr & Co. увидел будущее в больших нефтяных двигателях и лицензировал патенты Гриффина. Это были двухсторонние, тандемные двигатели, продаваемые под названием «Килмарнок». [2] Основным рынком для двигателей Гриффина была электрогенерация, где они заслужили репутацию легкого хода в течение длительного времени, а затем внезапно стали способны покрывать большой спрос на электроэнергию. Их большая, тяжелая конструкция не подходила для мобильного использования, но они были способны сжигать более тяжелые и дешевые сорта нефти. Ключевым принципом «Griffin Simplex» был нагретый внешний испаритель с рубашкой выхлопных газов, в который распылялось топливо. Температура поддерживалась около 550 °F (288 °C), что достаточно для физического испарения масла, но не для его химического расщепления. Эта фракционная перегонка поддерживала использование тяжелого нефтяного топлива, непригодные смолы и асфальты отделялись в испарителе. Использовалось зажигание с помощью горячей лампы , которое Гриффин назвал «кататермическим воспламенителем», небольшая изолированная полость, соединенная с камерой сгорания. Распылительный инжектор имел регулируемое внутреннее сопло для подачи воздуха, окруженное кольцевым кожухом для масла, причем и 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. Сохранилось только два известных образца 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 он вернулся в Бат и в Музей Бата в работе . [5]
В 1915 году Леонард Дайер изобрел шеститактный двигатель внутреннего сгорания с впрыском воды, очень похожий на конструкцию Кроуэра (см. ниже). С тех пор было выдано еще около дюжины подобных патентов.
Характеристики шеститактного двигателя Дайера:
Шеститактный двигатель Bajulaz по конструкции похож на обычный двигатель внутреннего сгорания, но были внесены изменения в головку цилиндра с двумя дополнительными камерами фиксированной емкости: камерой сгорания и камерой предварительного подогрева воздуха над каждым цилиндром. Камера сгорания получает заряд нагретого воздуха из цилиндра; впрыск топлива начинает изохорное ( постоянного объема) сгорание, что увеличивает термическую эффективность по сравнению со сгоранием в цилиндре. Высокое достигнутое давление затем высвобождается в цилиндр для работы рабочего или рабочего такта. Между тем, вторая камера, которая покрывает камеру сгорания, нагревает свое воздушное содержимое до высокой степени за счет тепла, проходящего через стенку цилиндра. Этот нагретый и сжатый воздух затем используется для питания 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 загрязнения окружающей среды . [6]
Шеститактный двигатель Bajulaz был изобретен в 1989 году Роджером Баюлазом из компании Bajulaz SA, базирующейся в Женеве , Швейцария ; он имеет патенты США 4,809,511 и патенты США 4,513,568 .
Заявленные характеристики шеститактного двигателя Bajulaz:
В двигателе Velozeta свежий воздух впрыскивается в цилиндр во время такта выпуска, который расширяется под действием тепла и, следовательно, заставляет поршень опускаться для дополнительного такта. Перекрытия клапанов были удалены, а два дополнительных такта с использованием впрыска воздуха обеспечивают лучшую продувку газа . Двигатель, кажется, показывает 40%-ное снижение расхода топлива и резкое снижение загрязнения воздуха. [7] Его отношение мощности к весу 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 показывает 65%-ное снижение загрязнения угарным газом по сравнению с четырехтактным двигателем, на основе которого он был разработан. [7] Двигатель был разработан в 2005 году группой студентов-механиков, У Кришнараджа, Боби Себастьяна, Аруна Наира и Аарона Джозефа Джорджа из Инженерного колледжа Тривандрума .
Этот двигатель был разработан Чанайилом Клитусом Анилом из Кочина, Индия, который запатентовал конструкцию в 2012 году. [8] Название двигателя взято из названия его компании, NIYKADO Motors. Двигатель прошел предварительный раунд испытаний на полном газу в Автомобильной исследовательской ассоциации Индии, Пуна. [8] Изобретатель утверждает, что этот двигатель «на 23% более экономичен по сравнению с обычным четырехтактным двигателем» [8] и он «очень мало загрязняет окружающую среду». [8]
Анил, механик, разрабатывал двигатель NIYKADO в течение 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 без выбросов».
Функциональность двигателя:
Различают следующие штрихи:
Двигатель имеет четыре клапана:
Впускной такт: В этом такте поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Впускной клапан открывается, и воздушно-топливная смесь поступает в цилиндр.
Такт сжатия: поршень движется от НМТ к ВМТ, все клапаны закрыты.
Рабочий ход: Свеча зажигания воспламеняет воздушно-топливную смесь. Поршень движется от ВМТ к НМТ, при этом все клапаны остаются закрытыми.
Такт выпуска: поршень перемещается из НМТ в ВМТ, при этом выпускной клапан открывается, позволяя выхлопным газам выйти из цилиндра.
Такт впуска воздуха: впускной клапан только для воздуха открывается, пока поршень движется от ВМТ к НМТ, втягивая свежий воздух из атмосферы в цилиндр. Этот воздух смешивается с любыми остатками выхлопных газов или несгоревшего топлива, охлаждая внутреннюю часть цилиндра.
Такт выпуска воздуха: клапан выпуска 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 впуска воздуха и топлива, помогает двигателю сжигать почти 100% воздушно-топливной смеси и снижает вредные выбросы (включая снижение выбросов оксида углерода на 98%).
В шеститактном двигателе, прототип которого был создан в США Брюсом Кроуэром, вода впрыскивается в цилиндр после такта выпуска и мгновенно превращается в пар , который расширяется и заставляет поршень опускаться для дополнительного рабочего хода. Таким образом, отработанное тепло, для разрядки которого в большинстве двигателей требуется система воздушного или водяного охлаждения, улавливается и используется для приведения в движение поршня. [1] Кроуэр подсчитал, что его конструкция снизит 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 был экспериментальной разработкой, которая привлекла внимание СМИ в 2006 году из-за интервью, данного 75-летним американским изобретателем, который подал заявку на патент на свою разработку. [1] Эта патентная заявка впоследствии была отклонена. [9]
[10] [11] [12] [13] [14]
В этих конструкциях используются два поршня на цилиндр, работающих с разной скоростью, при этом сгорание происходит между поршнями.
Конструкция двигателя Beare-head была разработана Малкольмом Биром из Австралии . Технология объединяет нижнюю часть четырехтактного двигателя с оппозитным поршнем в головке цилиндра, работающим с половиной циклической скорости нижнего поршня. Функционально второй поршень заменяет клапанный механизм обычного двигателя. Заявленные преимущества включают 9%-ное увеличение мощности и улучшенную термодинамическую эффективность за счет увеличенной степени сжатия, что стало возможным благодаря устранению горячего выпускного клапана. [15]
Идея была разработана в Силезском технологическом университете , Польша, под руководством инженера Адама Цесёлкевича. Патент № 195052 был выдан Польским патентным ведомством .
Двигатели M4+2 имеют много общего с двигателями Beare-head , объединяя два оппозитных поршня в одном цилиндре. Один поршень работает с половинной циклической скоростью другого, но в то время как основная функция второго поршня в двигателе Beare-head заключается в замене клапанного механизма обычного четырехтактного двигателя, M4+2 продвигает этот принцип на один шаг дальше. Работа двухпоршневого двигателя внутреннего сгорания основана на взаимодействии обоих модулей. Изменение воздушной нагрузки происходит в двухтактной секции двигателя. Поршень четырехтактной секции представляет собой систему содействия обмену воздушной нагрузкой, работающую как система клапанов. Цилиндр заполняется воздухом или воздушно-топливной смесью. Процесс заполнения происходит под избыточным давлением с помощью системы впуска золотника. Выхлопные газы удаляются, как и в классическом двухтактном двигателе, через выпускные окна в цилиндре. Топливо подается в цилиндр с помощью системы впрыска топлива. Зажигание осуществляется двумя свечами зажигания. Эффективная мощность двухпоршневого двигателя передается двумя коленчатыми валами. Характерной особенностью этого двигателя является возможность непрерывного изменения рабочего объема цилиндра и степени сжатия в процессе работы двигателя путем изменения положения поршня. Для двухпоршневых двигателей были разработаны механические и термодинамические модели, позволяющие составить новый теоретический термодинамический цикл для двухпоршневого двигателя внутреннего сгорания. [16]
Принцип работы двигателя поясняется в статье «Двухтактные и четырехтактные двигатели» .
В этом двигателе, похожем по конструкции на головку Beare, «поршневой нагнетатель» заменяет клапанную систему. Поршневой нагнетатель заряжает главный цилиндр и одновременно регулирует впускное и выпускное отверстие, что приводит к отсутствию потерь воздуха и топлива в выхлопных газах. [17] В главном цилиндре сгорание происходит на каждом обороте, как в двухтактном двигателе, в то время как смазка достигается таким же образом, как в четырехтактном . Впрыск топлива может происходить в поршневой нагнетатель, в газоперекачивающий канал или в камеру сгорания. Также возможно заряжать два рабочих цилиндра одним поршневым нагнетателем. Сочетание компактной конструкции камеры сгорания вместе с отсутствием потерь воздуха и топлива, как утверждается, дает двигателю больший крутящий момент, большую мощность и лучшую топливную экономичность. Преимущество меньшего количества движущихся частей и конструкции, как утверждается, приводит к снижению производственных затрат. Утверждается, что двигатель подходит для альтернативных видов топлива, поскольку на клапанах не остается коррозии или отложений. Шеститактные двигатели:
Это изобретение Хельмута Коттмана из Германии, работавшего 25 лет в MAHLE GmbH по производству поршней и цилиндров. Патенты Коттмана в США 3921608 и 5755191 перечислены ниже.
Эта конструкция была изобретена бельгийским инженером Герхардом Шмитцем и была прототипирована компанией Ilmor Engineering. [18]
Эти конструкции используют два (или четыре, шесть или восемь) цилиндра с обычным четырехтактным циклом Отто. Дополнительный поршень (в своем 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 следующая:
Конструкторы считают это пятитактной конструкцией , рассматривая одновременный такт выпуска HP и такт расширения LP как один такт. Такая конструкция обеспечивает более высокую топливную экономичность из-за более высокой общей степени расширения объединенных цилиндров. Степень расширения, сопоставимая с дизельными двигателями, может быть достигнута при использовании бензинового (бензинового) топлива. Пятитактные двигатели якобы легче и имеют более высокую плотность мощности, чем дизельные двигатели. [ необходима цитата ]
Двигатели с контролируемым сгоранием , разработанные Брэдли Хауэллом-Смитом из австралийской фирмы Revetec Holdings Pty Ltd, используют противоположные пары поршней для приведения в действие пары вращающихся в противоположных направлениях трехкулачковых кулачков через подшипники. Эти элементы заменяют обычный коленчатый вал и шатуны, что позволяет движению поршней быть чисто осевым, так что большая часть мощности, которая в противном случае тратилась бы на боковое движение шатунов, эффективно передается на выходной вал. Это дает шесть рабочих ходов на один оборот вала (распределенных по паре поршней). Независимый тест измерил удельный расход топлива на торможение прототипа бензинового двигателя Revetec X4v2 на уровне 212 г/кВт-ч [19] (что соответствует энергоэффективности 38,6%). Может использоваться любое четное количество поршней в конфигурациях boxer или X; три кулачка кулачков могут быть заменены любым другим нечетным числом больше одного; и геометрия кулачков может быть изменена в соответствии с потребностями целевых топлив и применения двигателей. Такие варианты могут иметь 10 и более тактов за цикл.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )