Российские конструкторы придумали двигатель внутреннего сгорания без… коленчатого вала! В «Сколково» уже построили действующий прототип такого мотора и получили на него патент. Сейчас авторы проекта «Зеленый муравей» заняты поиском инвесторов, готовых воплотить их задумку в жизнь
Отечественная разработка отличается принципиально новым способом преобразования поступательной энергии движения поршней во вращательную. В теории такой мотор должен работать на более низких оборотах, развивать больший крутящий момент и оказаться на третье экономичнее привычных ДВС. Ниже приведены расчетные характеристики «революционного» мотора и сравнение его с двигателями серийных машин:
Чтобы разобраться в сути разработки, воспользуемся теоретическим выкладками физики процесса работы двигателя «Зеленый муравей».
Запатентованная конструкция устройства отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания не нарушает законов природы и базовых научных принципов. Проект реализует новую конструкцию ДВС без изменения принципов его работы и, тем более, не затрагивает теоретических основ ДВС. Все условия работы двигателя по предлагаемому принципу – полностью идентичны условиям работы традиционных двигателей. Отличие состоит только в способе передачи усилия рабочего процесса. И это отличие находится в базовых законах физики, а не в теории двигателя.
Существующая теория двигателя определяет процессы, происходящие в инерционных машинах. Все конструкции двигателей – кривошипно-шатунная, Ванкеля, Баландина – являются именно такими. Направление инерционных сил конструкции везде совпадает с направлением рабочего усилия – любые движения преобразуются в одностороннее вращение. Поэтому в теории двигателя совершенно справедливо указано, что практически вся эффективность двигателя сосредоточена в цилиндре и определяется качеством рабочего процесса, а конструкция силового механизма (кривошипно-шатунного, кулачкового, кулисного, аксиального и т. д. и т. п.) не оказывает существенного влияния на КПД двигателя. Однако, данная теория не может быть применена к безынерционным машинам.
Как известно, в основе принципа действия любой машины лежат базовые законы физики, и поэтому разница объясняется с помощью законов о сложении сил. В физике существует большая разница между понятиями «тянуть» или «толкать». Почему электродвигатель развивает высокий крутящий момент, практически с самого начала? Ответ заключается в том, что электромагнитное поле «тянет» за собой ротор. Инерционные силы при этом не образуются. Образуется прямая передача усилия, как в редукторе. Почему двигатель внутреннего сгорания, который имеет значительно большее усилие рабочего процесса, не развивает высокий крутящий момент? Ответ заключается в том, что поршень «толкает» исполнительный механизм (коленчатый вал). Это сразу приводит к появлению инерционных сил, действующих в том же направлении. Именно наличие значительных собственных инерционных сил у исполнительного механизма (коленчатого вала), приводит к поглощению большой части рабочего усилия. Другими словами, усилие рабочего процесса передается на исполнительный механизм, который уже самостоятельно убегает в том же направлении.
Распределение сил в кривошипно-шатунном механизме. В процессе участвуют 2 силы: F – сила рабочего процесса и F ин – сила инерции конструкции. В связи с тем, что данные силы действуют в одном направлении, то по закону о сложении однонаправленных сил, приложенных в разных точках, только F рез может быть передана в полезную работу. Чем быстрее вращается двигатель, тем больше становится сила инерции конструкции при неизменной силе рабочего процесса. Количество тактов растет, но F рез уменьшается – эффективность двигателя остается на прежнем уровне. Увеличение нагрузки на выходном валу не даст никакого результата, кроме увеличения расхода топлива – физика процесса не меняется.
Низкий коэффициент полезного действия двигателя обусловлен только тем, что инерционные силы конструкции действуют в попутном направлении. Это многократно подтверждено на практике. Не зря в теории двигателя записано, что конструкция механизма передачи усилия не имеет значения, потому что все ранее созданные конструкции, действовали по одному принципу – любые усилия преобразовывались в одностороннее вращение. Дополнительным подтверждением также служит тот факт, что положение кривошипа никак не влияет на параметры двигателя.
Еще одним фактическим доказательством, служит опережение зажигания, применяемое в двигателях. Если его нет, то все показатели двигателя резко снижаются. Объяснение простое – передача усилия без опережения зажигания производится на поршень, который уже самостоятельно убегает из-за вращения коленчатого вала. Это приводит к тому, что значительная часть рабочего усилия поглощается собственным движением конструкции. Образуется, практически безопорная схема. Для того, чтобы преобразовать усилие в полезную работу, нужно иметь хорошую опору, т.е. нулевую инерционную точку (без собственного движения), а если такой опоры нет, то и результата тоже нет. Предлагаемый принцип действия устройства отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания позволяет устранить инерционные силы. Для этого нужно сразу преобразовать рабочее усилие поршня в двухстороннее вращение – в противоположные стороны. Это приведет к взаимоуничтожению, возникающих инерционных сил. Именно это и происходит в предлагаемой схеме.
Физика процесса основана на простом клине, усилие рабочего хода передается в две стороны одновременно. Поэтому в запатентованной конструкции УОМ одновременно осуществляются 2 одинаковых вращения в противоположные стороны – 2-х стороннее вращение. Распределение сил в запатентованной конструкции УОМ представлено на нижеследующем рисунке. В процессе участвует только одна сила F – сила рабочего процесса (инерционная сила вращения практически = 0). Эта сила делится на 2 одинаковых составляющих, приводящих механизм в 2 противоположных вращения. Здесь результирующая сила F рез на выходном валу (в соответствии с законом о сложении сил) будет составлена из 2-х противоположных составляющих. Это означает, что выходной вал будет иметь одностороннее вращение, но его привод будет осуществлен зубчатыми передачами с разных направлений.
Даже без проведения расчетов, из простой геометрии разложения сил, совершенно очевидно, что F рез в предлагаемой конструкции в несколько раз больше, чем F рез в инерционном механизме. Увеличение оборотов в данной конструкции, т. е количества тактов, приведет к росту показателей двигателя (линия на графике станет диагональю, вместо прямой). Устранение инерционных сил позволит получить характеристики двигателя внутреннего сгорания, более близкие к электродвигателям, т.е. образовать прямую передачу усилия. Для еще более облегченного понимания можно привести простую аналогию с ударом по бильярдному шару. Если Вы ударяете своим шаром по стоящему шару — это работа безынерционного механизма. Если вы ударяете своим шаром по шару, движущемуся с высокой скоростью в попутном направлении Вашего удара — это работа инерционного механизма. Совершенно очевидно, что стоящий шар получит гораздо более сильный удар (отбор мощности) от Вашего шара, чем шар, который удаляется от Вас.
Принцип работы механизма также можно упрощенно представить в виде раскрутки детской юлы – винтовой шток с деревянной ручкой, нажимаешь на шток, и юла раскручивается. В начальный момент – производится резкое нажатие с «большим» усилием, а затем, по мере опускания штока, усилие требуется все меньше и меньше. Однако, юла вертится все быстрее и быстрее. Если все время «работать ручкой», то юла сохранит равномерное движение с постоянным моментом. Предложенная система интегрирует уже известные технологии, новации проекта касаются только усовершенствования имеющейся конструкции ДВС.
Источник: