Аксиальный двигатель внутреннего сгорания Duke

[B.O.S.]

Двигатель внутреннего сгорания с параллельным расположением поршней и выходного (коленчатого у двигателя с циклом Отто) вала принято называть аксиальным.

Возвратно-поступательное движение поршней, которые крепятся к одной плоской детали («шайбе»), преобразуется во вращательное движение этой детали (вала) вокруг своей оси.

Главное преимущество такого двигателя заключается в его компактности, так как в нём вал расположен параллельно оси поршней.

Первые разработки в этом направлении были осуществлены ещё в начале 20-го века русскими инженерами Микулиным и Стечкиным, а также американскими учёными. Точную дату появления первого аксиального двигателя назвать сложно, так как разработки в этой области вело много людей. Скажем, одним из первых двигателей такого типа стал АМБС-1 - авиационный бензиновый двухтактный двигатель с силовым механизмом косая шайба, изобретённый в 1916 году вышеупомянутыми соотечественниками.

С тех пор прошло около ста лет и разработки в этой области всё ещё продолжаются, правда, уже в других странах. За это время аксиальный двигатель совершенствовался и дорабатывался. В качестве двигателя он устанавливается на некоторые торпеды, на винтовые самолёты и некоторые автомобили. Конструктивно, до 1970 года такие двигатели имели различие по принципу передачи крутящего момента на выходной вал. Существовали двигатели с «косой шайбой», которая была жёстко закреплена на валу и «качающейся» - свободной относительно вала.





Современные конструкции этих двигателей позволяют добиться существенной топливной экономичности по сравнению с ДВС, который имеет кривошипно-шатунный механизм (25-30%), благодаря возможности изменять степень сжатия (за счёт изменения хода поршня). Также эти двигатели обладают высокой уравновешенностью и пониженным шумом при работе. На них необязательно устанавливать дополнительный маховик, так как достаточным маховым моментом обладает шайба. Доказано, что для наиболее плавной работы требуется нечётное количество поршней. К недостаткам можно отнести сложность пуска, высокую габаритную мощность (отношение мощности, развиваемой двигателем, к занимаемому им объему), а также большие силовые напряжения в паре шатун - шайба.

Одна из проблем, с которой сталкиваются разработчики таких двигателей, это компоновка газораспределительного механизма. Ещё одна проблема заключается в уравновешивании двигателя с механизмом автоматического изменения степени сжатия. Очень интересное решение этих проблем придумали инженеры компании Duke Engines из Новой Зеландии, создав свой вполне работоспособный прототип. Трёхлитровый четырёхтактный двигатель имеет пять цилиндров, три свечи зажигания и столько же впрыскивающих топливо форсунок. Помимо своих скромных размеров (641x370x375 мм) и веса (106 кг) он выдаёт гигантский крутящий момент 328 Нм и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания.

Во-первых, двигатель обладает высокой уравновешенностью по сравнению с обычным ДВС, в котором применяются различные способы балансировки (дополнительные валы, и другие элементы усложняющие конструкцию). На двигателе Duke V3 установлен только классический маховик, а продвинутая кинематическая схема привода поршней вкупе с отсутствием сложной системы газораспределения демонстрируют потрясающе малую вибронагруженность и бесшумность работы. Кстати, несколько слов о механизме газораспределения: по принципу работы он схож с двухтактными двигателями (продувочные окна), однако всё же работает по четырёхтактному рабочему циклу. Работу системы можно посмотреть на видео.

Во-вторых, Duke V3 идеально реализует работу системы изменения степени сжатия в цилиндрах двигателя. Существующая тенденция создавать малокубатурные двигатели с принудительным наддувом, позволяющим снизить площадь трущихся поверхностей, по сравнению с объёмистыми, при сохранении мощностных характеристик и повышения КПД, не идеальна. По мнению инженеров из Duke Engines, наиболее эффективным направлением является развитие систем изменения степени сжатия. Это позволяет снизить требования к топливу, а так же перейти на альтернативные виды горючего. Таким образом, можно приспособить базовую конструкцию под работу на дизельном топливе, бензине, водороде, керосине, био-дизеле и других видах топлива.



V3 показал высокую стойкость к детонации по сравнению с обычными ДВС. В основном, благодаря снижению температуры внутри цилиндров двигателя, так как в системе, отсутствуют сильно разогревающиеся выпускные клапаны. Предусмотрено развитие конструкции с воспламенением горючей смеси от сжатия, но пока она не разработана.

За счёт простоты конструкции и малого количества рабочих элементов (нет клапанов и привода), двигатель легко раскручивается и обладает высокой мощностью. Современные болиды F1 оснащены двигателями, коленчатый вал которых может раскручиваться до 20000 об/мин, такая работа доступна и V3. Потенциал надувного двигателя V3 следующего поколения можно оценить в 300 кВт (402 л.с.) мощности на 8000 об/мин. Мощность текущего двигателя составляет 137 кВт (184 л.с.) и развивается она на 6000 об/мин.

Пока неизвестно, где двигатель найдёт своё применение, однако можно смело утверждать, что он сможет составить конкуренцию моторам современных автомобилей.

Михаил Кофман
опубликовано на сайте dpgo.ru 23.03.2012