Silnik z tłokiem wychylnym - Swing-piston engine

Silnik wychylnym tłokowy jest rodzajem silnika spalinowego wewnętrznego spalania , w którym tłoki poruszają się ruchem okrężnym wewnątrz „cylinder” w kształcie pierścienia, zbliżając się i dalej od siebie, aby zapewnić ściskanie i rozciąganie. Generalnie stosuje się dwa zestawy tłoków, nastawionych na ruch w ustalonym stosunku podczas obracania się wokół cylindra. W niektórych wersjach tłoki oscylują wokół stałego środka, a nie obracają się wokół całego silnika. Konstrukcja również nazywany silnika tłokowego oscylacyjnego , silnik wibracyjny , gdy tłoki oscylować zamiast obracania lub toroidalny silnika w oparciu o kształcie „cylinder”.

Zaproponowano wiele silników z tłokiem wahadłowym, ale żaden z nich nie odniósł sukcesu. Dwie próby około 2010 roku to prototyp amerykańskiego silnika MYT i prototyp rosyjskiego ORE do zastosowania w samochodzie hybrydowym Yo-Mobile . Obaj deklarowali wysoką wydajność paliwową i wysoki stosunek mocy do masy, ale nie było udanych demonstracji deklarowanej wydajności ani tego, że silniki są wystarczająco trwałe do praktycznego zastosowania.

Silniki parowe

Silniki z tłokiem obrotowym zostały początkowo wprowadzone w latach 20. XIX wieku jako alternatywne konstrukcje silników parowych , przed powszechnym wprowadzeniem turbiny parowej . W tych przykładach „tłok” zazwyczaj nie jest cylindryczny, jak w nowoczesnej konstrukcji spalania wewnętrznego, i jest ogólnie prostokątny w przekroju poprzecznym, patrząc od góry, obracając się w „cylindrze” z płaską tarczą. Z boku są albo płaskie, albo w kształcie klina. Termin „tłok wychylny” nie jest w tych przypadkach do końca trafny, ale cykl pracy jest identyczny i jest tu właściwie uwzględniony.

Pierwszy znany przykład został wprowadzony przez Elijah Galloway w 1829 roku do napędu statków. Zawierał pojedynczą łopatkę obracającą się o 270 stopni. Wygląda na to, że ta wersja nigdy nie została zbudowana, chociaż model nadal istnieje w Muzeum Nauki . Galloway zaprojektował również szeroką gamę czystych silników obrotowych z wykorzystaniem łopatek.

Bardziej poważną próbą był „system kambryjski” Johna Jonesa w 1841 roku. Ten projekt wykorzystywał dwie lub trzy płaskie płyty, które były nastawione na zbliżanie się lub oddalanie od siebie w miarę trwania cyklu. Kiedy płytki znalazły się w ich najbliższym punkcie, para została wpuszczona między nie za pomocą zaworu, odpychając je w miarę kontynuowania cyklu. Gdy płyty osiągnęły maksymalną odległość, odkryto wewnętrzny kanał, który pozwolił częściowo rozprężonej parze na przepływ przez środek urządzenia do obszaru po drugiej stronie łopatek, które znajdowały się teraz w minimalnej odległości. W ten sposób projekt był faktycznie silnikiem złożonym .

Pojawiło się wiele odmian, a wiele z nich miało ograniczone zastosowanie w terenie. Wśród nich na uwagę zasługuje projekt Johna Ericssona z 1843 roku, który napędzał USS Princeton , pierwszy w Stanach Zjednoczonych parowiec o napędzie śrubowym. Charles Parsons zbadał koncepcję i wydaje się, że przed przejściem do turbiny parowej wyprodukował dwa projekty silników z tłokiem wychylnym. Bracia Roots zaprojektowali silnik z wahliwym tłokiem unikalnego typu, chociaż są bardziej znani ze swojej konstrukcji doładowania .

Wewnętrzne spalanie

Rysunek 1 patentu USA 2301667 przedstawiający wał, spiralne tłoki i krzywki silnika Otto Lutza

Nie jest jasne, czy jakikolwiek silnik spalinowy z wahliwym tłokiem wszedł kiedykolwiek do produkcji, ale najbliższą próbą wydaje się być niemiecki projekt Otto Lutza z czasów II wojny światowej  [ de ] . Jego projekt miał w sumie sześć tłoków, po trzy przymocowane do dwóch dysków. Dyski były do ​​siebie dopasowane, tworząc sześć komór między tłokami, tak że w dowolnym momencie jeden zestaw trzech komór był „blisko siebie”, podczas gdy drugi zestaw trzech był „szeroko od siebie”, różniąc się między tymi dwoma skrajnościami, ponieważ dyski obracały się. Rozrząd został ustawiony w taki sposób, że komory osiągnęły swój punkt „blisko siebie” nad świecą zapłonową, a ich „szeroko rozstawiony” punkt nad otworami wlotowymi i wylotowymi. Działanie to jest podobne do działania silnika Wankla , przy czym podstawową różnicą jest to, że Wankel wytwarza kompresję i rozszerzanie poprzez kształt silnika i wirnika, a nie względny ruch tłoków.

Silnik Lutza był projektowany jako eksperymentalny generator gazu dla nowego typu silnika lotniczego , który zastąpił tradycyjną sprężarkę odśrodkową lub osiową jego konstrukcją z tłokiem wahadłowym. Ostatecznie spaliny będą wykorzystywane do napędzania turbiny, a ta moc będzie wykorzystywana do napędzania śmigła do produkcji turbośmigłowego . W tej roli spaliny były zbyt gorące, aby mogły być użyte bezpośrednio w turbinie, biorąc pod uwagę dostępne wówczas materiały, więc silnik miał drugi „port wydechowy”, który odprowadzał zimne sprężone powietrze, które było następnie mieszane z gorącymi spalinami. W przypadku bezpośredniego wykorzystania mocy, w przeciwieństwie do napędzania turbiny, ten „trzeci obszar” silnika można po prostu pozostawić otwarty na powietrze, aby uniknąć utraty mocy na skutek niepotrzebnego sprężania.

Początkowe silniki testowe miały pewne drobne problemy, zwłaszcza z uszczelnieniem, ale zostały one przepracowane i silniki były testowane w 1944 roku. Jedną szczególnie dobrą cechą silników z tłokiem wahadłowym jest to, że można je skręcić z powrotem wzdłuż wspólnego wału korbowego zrobić większy silnik, a z każdym dodatkowym stopniem praca staje się płynniejsza, a jedyną częścią, którą należy powiększyć, jest wał korbowy. Podobny układ z silnikiem promieniowym jest generalnie trudniejszy do zorganizowania, zwłaszcza z chłodzeniem, a układy z silnikami rzędowymi szybko stają się tak długie, że utrzymanie wału korbowego przed drganiami staje się poważnym problemem (patrz na przykład Chrysler IV-2220 ).

Każdy „cylindrowy” projekt Lutza miał 0,70 m średnicy i tylko około 30 cm głębokości, zapewniając 445 KM przy 140 kg, co stanowi doskonały stosunek mocy do masy w porównaniu nawet z silnikami odrzutowymi tamtych czasów. Dla jego koncepcji turbośmigłowej zaproponowano wersję pięcioblokową, dostarczającą 3450 KM z silnika o długości około 2 m. Chociaż stosunek mocy do masy był dobry, gęstość silnika była po prostu znakomita.

Cały turbośmigłowy wyglądał bardziej jak silnik odrzutowy niż tłokowy. Generator gazu z tłokiem wahadłowym znajdował się pośrodku długiej gondoli, z pięciostopniową sprężarką osiową z przodu i trzystopniową turbiną z tyłu. Sprężarka służyła zarówno do doładowania silnika tłokowego, jak i do dostarczania zimnego powietrza do chłodzenia turbiny. Rzeczywista moc śmigła, łącząca zarówno tłoki, jak i turbiny, wynosiła 4930 KM na wysokości 10 000 m, znacznie więcej niż w jakimkolwiek niemieckim projekcie wojennym.

Skąd ta cała złożoność produkcji nowej wersji silnika, turbośmigłowego, którego główną zaletą była prostota? Główny problem konwencjonalnych silników odrzutowych polega na tym, że spalanie odbywa się w otwartej komorze, która jest znacznie mniej wydajna niż w zamkniętej komorze silnika tłokowego, gdzie ma stałą objętość (lub blisko niej). Cykl Otto lub cykl napędowy stosowany w silnikach tłokowych ma znacznie niższe zużycie paliwa specyficzny niż cyklu Brayton tradycyjnego silników turbinowych przy niskiej prędkości. Konstrukcja Lutza była przeznaczona do zasilania bombowców i samolotów patrolowych bardzo dalekiego zasięgu , gdzie oszczędność paliwa była ważniejsza niż prostota i osiągi.

Lutz później opatentował projekt pod nazwą „Sprężarka rotacyjna i inne silniki”, patent Stanów Zjednoczonych 2 301 667.

Inne przykłady

Projekt Lutza to nie jedyny sposób na wyprodukowanie takiego silnika: BMW eksperymentowało z tradycyjnym silnikiem z zaworami grzybkowymi w komorach spalania, który był wcześniej wielokrotnie używany w eksperymentach. Innym podejściem jest odzyskiwanie części ciepła spalin w wymienniku ciepła i wykorzystanie go zamiast paliwa do podgrzewania sprężonego powietrza, koncepcja stosowana przez General Motors w szeregu turbin samochodowych. Ogólnie jednak ulepszenia w podstawowym silniku tłokowym w rolach „małej mocy” sprawiły, że żaden z tych zaawansowanych projektów nie znalazł się na rynku.

W latach 90. wielu wynalazców ponownie wprowadziło tę koncepcję, jakby była nowa. Przykłady obejmują silnik „Massive Yet Tiny” Angel Labs, Rotoblock, Roundengine, Trochilic Engine oraz projekty Tschudi i Hoose. W 2009 roku rosyjski przemysłowiec-miliarder Michaił Prochorow ogłosił swoje plany wejścia do branży motoryzacyjnej z serią lekkich pojazdów hybrydowych wykorzystujących ten projekt jako główny motor napędowy . Inne niedawne wprowadzenie przeznaczona na rynek hybrydowego jest „Hottlin Kugelmotor”, który łączy w sobie koncepcję swing-tłokowy ze zmodyfikowanym tarczy sterującej produkować sferyczną konstrukcję, która bezpośrednio uprawnienia wewnętrzny generator elektryczny .

Inne nazwy

Silnik Tschudi jest również znany jako „silnik kota i myszy” lub „silnik nożycowy”.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne