Введение
Конфигурация двигателя
Двигатель с качающимися поршнями – это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором поршни совершают круговое движение внутри кольцеобразного "цилиндра", сближаясь и удаляясь друг от друга для обеспечения сжатия и расширения. Обычно используются два комплекта поршней, соединенных таким образом, чтобы двигаться в фиксированном соотношении при вращении вокруг цилиндра. В некоторых конструкциях поршни совершают колебательное движение вокруг фиксированной точки, а не вращаются вокруг всего двигателя. Эта конструкция также известна как двигатель с колебательными поршнями, вибрационный двигатель (если поршни совершают колебательное движение вместо вращательного) или тороидальный двигатель, в зависимости от формы "цилиндра". Было предложено множество двигателей с качающимися поршнями, но ни один из них не достиг успеха. Две попытки, предпринятые около 2010 года, – это прототип американского двигателя MYT и прототип российского двигателя ORE, предназначенные для использования в гибридном автомобиле Yo Mobile. Оба двигателя заявляли о высокой топливной эффективности и высоком отношении мощности к весу, однако успешных демонстраций заявленной эффективности или достаточной долговечности для практического применения не было.
A swing piston engine is a type of internal combustion engine in which the pistons move in a circular motion inside a ring shaped "cylinder", moving closer and further from each other to provide compression and expansion. Generally two sets of pistons are used, geared to move in a fixed relationship as they rotate around the cylinder. In some versions the pistons oscillate around a fixed center, as opposed to rotating around the entire engine. The design has also been referred to as a oscillating piston engine, vibratory engine when the pistons oscillate instead of rotate, or toroidal engine based on the shape of the "cylinder". Many swing piston engines have been proposed, but none have been successful. Two attempts in about 2010 are the prototype American made MYT engine and prototype Russian ORE for use in the Yo Mobile hybrid car. Both claimed high fuel efficiency and high power to weight ratio, but there have been no successful demonstrations of claimed efficiency or that the engines are durable enough for practical use.
Паровые двигатели
Колебательные поршневые двигатели были впервые представлены в 1820-х годах как альтернативные конструкции паровых двигателей, до широкого распространения паровой турбины. В этих конструкциях "поршень" обычно не имеет цилиндрической формы, как в современных двигателях внутреннего сгорания, и как правило, имеет прямоугольное сечение, если смотреть сверху, вращаясь в плоском дискообразном "цилиндре". В профиль они представляют собой либо плоские пластины, либо сегменты круга. Термин "колебательный поршень" в этих случаях не совсем корректен, но рабочий цикл идентичен и здесь рассматривается надлежащим образом. Первый известный образец был предложен Элайджей Галлоуэем в 1829 году для привода судов. Он включал в себя одну лопасть, вращающуюся на 270 градусов. Похоже, что эта версия так и не была построена, хотя модель до сих пор хранится в Музее науки. Галлоуэй также разработал множество роторных двигателей, использующих лопасти. Более серьезной попыткой стала "Кембрийская система" Джона Джонса в 1841 году. Эта конструкция использовала две или три плоские пластины, которые перемещались ближе или дальше друг от друга по мере продолжения цикла. Когда пластины сближались, между ними через клапан подавался пар, который раздвигал их по мере продолжения цикла. Когда пластины достигали максимального расстояния, открывался внутренний канал, позволявший частично расширенному пару течь через центр устройства в область с другой стороны лопастей, которые в этот момент находились на минимальном расстоянии. Таким образом, конструкция фактически представляла собой двигатель с расширением пара в несколько ступеней. Последовало множество вариаций, и некоторые из них нашли ограниченное применение на практике. Среди них выделяется конструкция Джона Эрикссона 1843 года, которая использовалась на USS Princeton, первом пароходе США с винтовым движителем. Чарльз Парсонс изучил эту концепцию и, по-видимому, разработал два проекта колебательных поршневых двигателей, прежде чем перейти к паровой турбине. Братья Рутс разработали колебательный поршневой двигатель уникального типа, хотя они более известны своей конструкцией нагнетателя.
Внутреннее сгорание
Неясно, был ли когда-либо запущен в производство двигатель внутреннего сгорания с маятниковыми поршнями, но наиболее близкой попыткой представляется немецкая конструкция времен Второй мировой войны. Диски были соединены друг с другом таким образом, чтобы образовать шесть камер между поршнями, при этом в любой момент один набор из трех камер был "близко друг к другу", а другой набор из трех – "широко разнесен", переходя между этими двумя крайностями при вращении дисков. Синхронизация была организована таким образом, чтобы камеры достигали точки "близкого сближения" над свечой зажигания и точки "широкого разнесения" над впускными и выпускными портами. Этот принцип работы схож с двигателем Ванкеля, основное отличие заключается в том, что Ванкель создает сжатие и расширение за счет формы двигателя и ротора, а не относительного движения поршней. Двигатель Луца разрабатывался как экспериментальный газогенератор для нового типа авиационного двигателя, заменяющего традиционный центробежный или осевой компрессор его конструкцией с маятниковыми поршнями. В конечном итоге выхлопные газы должны были приводить в движение турбину, а полученная энергия – пропеллер, создавая турбовинтовую установку. Для этой цели выхлопные газы были слишком горячими для непосредственного использования в турбине, учитывая доступные в то время материалы, поэтому двигатель имел второй "выпускной порт", который выпускал холодный сжатый воздух, который затем смешивался с горячими выхлопными газами. Для непосредственного использования мощности, в отличие от привода турбины, эта "третья область" двигателя могла быть просто открыта для воздуха, чтобы избежать потери мощности из-за ненужного сжатия. Первоначальные опытные двигатели имели некоторые незначительные проблемы, в частности с уплотнением, но они были решены, и двигатели проходили испытания в 1944 году. Одной из особенностей двигателей с маятниковыми поршнями является возможность их соединения спиной к спине вдоль общего коленчатого вала для создания более мощного двигателя, при этом с каждой дополнительной ступенью работа становится плавнее, и единственной деталью, которую необходимо увеличивать, является коленчатый вал. Аналогичная компоновка с радиальным двигателем, как правило, сложнее в реализации, особенно в плане охлаждения, а конструкции с рядными двигателями быстро становятся настолько длинными, что предотвращение вибрации коленчатого вала становится серьезной проблемой (например, Chrysler IV 2220). Каждый "цилиндр" конструкции Луца имел диаметр 0,70 м и глубину всего около 30 см, обеспечивая мощность 445 л.с. при массе 140 кг, что является отличным отношением мощности к весу даже по сравнению с реактивными двигателями той эпохи. Для его концепции турбовинтовой установки предлагалась пятиблочная версия, обеспечивающая мощность 3450 л.с. при длине двигателя около 2 м. Хотя отношение мощности к весу было хорошим, плотность двигателя была просто превосходной. В целом турбовинтовая установка больше напоминала реактивный двигатель, чем поршневой. Газогенератор с маятниковыми поршнями располагался в середине длинной гондолы, с пятиступенчатым осевым компрессором в передней части и трехступенчатой турбиной в задней. Компрессор использовался как для работы в качестве нагнетателя для поршневого двигателя, так и для подачи холодного воздуха для охлаждения турбины. Фактическая мощность, передаваемая на пропеллер, объединяющая как поршни, так и турбины, составляла 4930 л.с. на высоте 10 000 м, что значительно превышало возможности любого немецкого проекта военного времени. Зачем такая сложность для создания новой версии двигателя – турбовинтовой установки, основным преимуществом которой является простота? Основная проблема с обычными реактивными двигателями заключается в том, что сгорание происходит в открытой камере, которая значительно менее эффективна, чем закрытая камера поршневого двигателя, где объем практически постоянен. Цикл Отто или цикл Дизеля, используемые в поршневых двигателях, имеют гораздо более низкий удельный расход топлива, чем цикл Брайтона традиционных газотурбинных двигателей на низких скоростях. Конструкция Луца предназначалась для использования в бомбардировщиках и патрульных самолетах большой дальности, где экономия топлива была более важна, чем простота и производительность. Позже Луц запатентовал конструкцию под названием "Ротационный компрессор и другие двигатели", патент США № 2 301 667.
Другие примеры
Конструкция Луца – не единственный способ создания такого двигателя: BMW экспериментировала с традиционным двигателем с тарельчатыми клапанами в камере сгорания, который уже неоднократно использовался в предыдущих экспериментах. Совершенно иной подход заключается в рекуперации части тепла выхлопных газов в теплообменнике и использовании его вместо топлива для нагрева сжатого воздуха – концепция, применявшаяся General Motors в серии автомобильных турбин. Однако, в целом, улучшения в базовом поршневом двигателе в задачах, требующих "небольшой мощности", не позволили этим передовым конструкциям выйти на рынок. В 1990-х годах ряд изобретателей вновь представили эту концепцию, как будто она была новой. Примеры включают двигатель "Massive Yet Tiny" от Angel Labs, Rotoblock, Roundengine, Trochilic Engine, а также разработки Tschudi и Hoose. В 2009 году российский миллиардер и промышленник Михаил Прохоров объявил о своих планах войти в автомобильный бизнес с серией легких гибридных автомобилей, в которых этот двигатель будет использоваться в качестве основного. Еще одним недавним нововведением, ориентированным на гибридный рынок, является "Hüttlin Kugelmotor", который сочетает в себе концепцию качающегося поршня с модифицированным кулачковым механизмом для создания сферической конструкции, напрямую приводящей во вращение внутренний электрический генератор.
Другие названия
Двигатель Цхуди также известен как "двигатель «кошка и мышь»" или "ножничный двигатель".