Введение
Экспериментальный двигатель внутреннего сгорания
Контролируемый двигатель внутреннего сгорания (CCE) – термин, используемый компанией TechViki, занимающейся разработкой двигателей, для обозначения типа экспериментального двигателя внутреннего сгорания (ICE), разработанного Брэдом Хауэллом Смитом. В нем используются два встречно вращающихся кулачка вместо коленчатого вала. Пары цилиндров расположены напротив друг друга в конфигурации боксерного оппозитного двигателя или X-образного двигателя.
История
Идея пришла к Хоуэллу Смиту, автомобильному инженеру, проживающему в Австралии, во время фазы быстрого сна в 1995 году. Он разработал пять различных компоновок двигателя с вариациями каждой из них и основал Revolution Engine Technologies Pty Ltd в 1996 году с бюджетом в 2000 австралийских долларов. Первый рабочий прототип был собран его тестем Питером Кохом в гараже Хоуэлла Смита. Хоуэлл Смит основал компанию Revetec Limited и организовал научно-исследовательский центр в Сиднее. Прототип был представлен на Сиднейском международном автосалоне в 1996 году, что привлекло внимание общественности к этой конструкции. Началась работа над вторым прототипом, предназначенным для использования в генераторах и насосах, однако проявленный интерес со стороны автомобильного рынка Ближнего Востока переключил внимание на автомобильные применения.
Описание двигателя
Конструкция двигателя Revetec состоит из двух встречно вращающихся "трилобатных" (трехлопастных) кулачков, соединенных шестернями, благодаря чему оба кулачка способствуют движению вперед. Два подшипника скользят по профилю обоих кулачков (всего четыре подшипника) и постоянно находятся в контакте с ними. Подшипники установлены на нижней стороне двух соединенных между собой поршней, которые поддерживают необходимый зазор на протяжении всего хода. Два кулачка вращаются и поднимают поршень, действуя подобно ножницам, к подшипникам. Достигнув верхней точки хода, происходит воспламенение воздушно-топливной смеси. Это рабочий ход, в течение которого достигается максимальное механическое преимущество после того, как поршень прошел примерно 5% своего пути от верхней мертвой точки (приблизительно 10° ATDC), что позволяет более эффективно использовать высокое давление в цилиндре в этой точке цикла. Для сравнения, обычный двигатель достигает максимального механического преимущества после того, как поршень прошел примерно 40% своего пути от ВМТ (приблизительно 60° ATDC). Побочным эффектом этого является то, что CCE может работать на холостом ходу при значительно более низких оборотах. Поскольку поршневая группа движется только в одном измерении (в отличие от двигателя с шатунами), контакт со стенкой цилиндра сведен к минимуму, что снижает износ и требования к смазке. Кулачки создают меньшую ударную нагрузку на поршень, что позволяет использовать керамические компоненты. Двигатель может работать в любом направлении при использовании симметричных лопастей. Эффективное расстояние хода определяется длиной от точки контакта подшипника до центра выходного вала (а не ходом). Двойные подшипники контактируют с двумя кулачками с противоположных сторон, что компенсирует боковые силы. На поршневую группу не действует боковая сила, что снижает износ и требования к смазке в зоне контакта с цилиндром. Один модуль, состоящий как минимум из пяти движущихся компонентов, производит шесть рабочих ходов за один оборот. Увеличение числа лопастей на каждом кулачке до пяти обеспечивает десять рабочих ходов без увеличения количества компонентов.
Заявленные преимущества
Для двигателя CCE заявлены следующие преимущества. Прогнозируемое отношение мощности к массе составляет 0,40 л.с./фунт, основанное на испытаниях двигателя X4v2 в 2007 году. Для сравнения, двигатель Continental имеет 0,465 л.с./фунт. Эффективность, согласно последним испытаниям, показала хорошие результаты для бензинового двигателя при работе на обедненной смеси. Меньшее количество движущихся и общих компонентов. Благодаря меньшему количеству компонентов, его легче производить, чем традиционные двигатели. Идентичная головка блока цилиндров (“верхняя часть”) для традиционных двигателей. Большинство существующих технологий головки блока могут быть адаптированы или использованы. Гибкая конструкция – может быть четырехтактной, двухтактной, бензиновой, дизельной или газовой, с естественной или принудительной подачей воздуха. Устранены компоненты с неравномерным возвратно-поступательным движением, такие как шатуны. Не требуется балансировка второго порядка. Выходной вал может вращаться в любом направлении при использовании многолопастных кулачков с симметричными лопастями. CCE может быть спроектирован для работы при значительно сниженных оборотах, обеспечивая при этом высокий крутящий момент. Существенное уменьшение хода снижает потери тепла через стенки цилиндра. Возможно увеличение времени пребывания поршня в верхней мертвой точке, поскольку конструкция двигателя позволяет использовать более низкую степень сжатия, чем обычно, что снижает потери мощности на цикл сжатия. Способен работать на более обедненной смеси, чем традиционные двигатели. Максимальное механическое преимущество может быть применено к выходному валу уже при 20 градусах до верхней мертвой точки, используя высокое давление в цилиндре в начале хода, по сравнению с примерно 60 градусами до верхней мертвой точки для традиционных двигателей. Снижение выбросов может быть достигнуто за счет повышенного контроля над сгоранием. Низкие обороты холостого хода благодаря увеличению механической эффективности в верхней мертвой точке. Минимальный или отсутствующий контакт поршня со стенками цилиндра, что снижает износ цилиндра. Возможно использование различного времени открытия портов на такте сжатия и такте расширения, что обеспечивает лучший контроль. Более низкий центр тяжести в конструкции типа "боксер". Благодаря контролируемой скорости ускорения поршня, CCE снижает вибрацию двигателя. Полый выходной вал может быть использован для специальных применений, таких как перистальтические насосы.
Efficiency recent tests gave good results, for a gasoline engine, when running lean. Fewer moving and total components. As a result of fewer components, more easily manufactured than conventional engines. Identical cylinder head assembly (“top end") to conventional engines. Most existing head technology can be either adapted or utilised. Flexible design can be four stroke, two stroke, petrol, diesel or gas, natural or forced aspiration. Eliminated irregularly reciprocating components such as connecting rods. No second order balancing required. Output shaft can be run in either direction if multilobed cams with symmetrical lobes are employed. The CCE can be designed to operate at greatly reduced operating speeds while delivering high torque output. Substantial reduction in stroke reduces heat loss through cylinder wall. Extended piston dwell is possible because engine design allows a lower than normal compression ratio to be used reducing power loss from compression cycle. Able to fire on a leaner mixture than conventional engines. Maximum mechanical advantage can be applied to output shaft at only 20 degrees ATDC utilising high cylinder pressure early in the stroke, compared to around 60 degrees ATDC for conventional engines. Lower emissions can be achieved due to increased control over combustion. Low idle speed due to increase in mechanical efficiency at the top of the stroke. Little or no bore contact/piston side thrust, which reduces wear on cylinder bore. Can have different port timing on compression stroke than power stroke allowing better control. Lower centre of gravity on the boxer design. Due to controlled piston acceleration rates the CCE reduces engine vibration. A hollow output shaft can be utilised for specialty applications, such as peristaltic pumps.
Патенты
Патент США № 5 992 356 «Двигатель с встречно-движущимися поршнями»; 30 ноября 1999 г.; Хауэлл Смит; Брэдли Дэвид (Ворронгари, Австралия). В Revetec подана заявка по Договору о патентной кооперации (PCT) на конструкцию "X", поданная в конце 2006 года.
Выступление
На странице разработки компании Revetec представлена динамометрическая диаграмма двигателя объемом 1,38 литра, демонстрирующая ровную кривую крутящего момента. В апреле 2008 года Revetec завершил подготовку первого независимого отчета об испытаниях, сертифицированного Orbital Australia, и достиг стабильного значения BSFC в 212 г/кВтч (эффективность 38,6%).