Двухтактный двигатель с магнитным преобразователем

Современные ДВС с кривошипно-шатунным механизмом принципиально не могут обеспечивать высокий термический КПД, который достигается при высоких степенях сжатия, т.к. при этом может происходить детонация, разрушающая подшипники коленчатого вала и срывающая масляную пленку с зеркала цилиндра.

Для достижения высоких степеней сжатия, и соответственно высокого КПД, требуется двигатель, обладающий следующими ключевыми свойствами:

- не имеет механической связи поршня с выходным валом, по крайней мере, в области высоких давлений цикла,

- отсутствует боковая нагрузка поршня на стенку цилиндра, и поэтому может работать без жидкой смазки в горячей зоне.

Таким двигателем является предлагаемый двухцилиндровый двухтактный двигатель.

Уплотнительные кольца поршней предполагается изготавливать из графитового композита, что позволит отказаться от жидкой смазки. Отсутствие боковой нагрузки достигается благодаря соосности линии движения поршня и оси ротора. Связь поршня с ротором только магнитная, а в области высоких давлений (мертвых точек) она отсутствует.

Анимацию работы основных узлов двигателя можно посмотреть в http :// www . youtube . com / watch ? v = CGNBFX 1 FHgA

Оценочный расчет параметров двигателя проведен в http://web.snauka.ru/issues/2016/02/64331

1. КПД зависит от степени сжатия по известной формуле. В опытном образце планируется степень сжатия 26, соответственно термический КПД 72%.
2. Давление и прочность считал, по срезывающей силе выдерживает с большим запасом. Если интересно, могу прислать небольшую книжку по графитовым кольцам. Минус графита - хрупок, поэтому в обычных двигателях из-за перекладок быстро раскрошится (давление на краях колец будет больше), кроме того нужны стальные экспандеры. Зато по температуре нет проблем, износостойкость высокая при хорошей обработке зеркала цилиндра.
3. Магниты - неодимовые, расчет сил делал в программе FEMM. По времени ограничений у магнитов нет, главное чтобы не перегревались (неодимовые 80 С, самариевые максимум 250 С)
4. Температуру выхлопа не считал, но при степени сжатия 26 наверное 200-300 С

1. Хрупок, но нагрузка равномерная. Предельное напряжение растяжения графита немаленькое, 10 МПа. Для сдвига вдвое меньше. Но благодаря узкому зазору поршень-цилиндр сила давления на поверхность кольца на порядок меньше силы, действующей на поршень.
2. Линии нет но принципиальных проблем мне кажется быть не должно.
3. Магнитных потерь почти нет, т.к. магнитные потоки замкнуты, а сопротивление материала магнитов велико (КПД трансформаторов например, 98% а там еще потери на ток в проводах)
4. Формулы показывают что при степени сжатия 26 теоретический КПД будет именно таким, в особенности если нет масла на стенках и поршень можно нагревать выше 100 С
5. На неодимовые магниты вибрации и удары не влияют, могу дать ссылку если интересно.
6. Изогнутую форму трудно, плоские - пожалуйста. Прекрасно сверлятся, пилятся, покрываются никелем
7. Магниты уже изготовлены! Они не гнутые, а наборные из плоских пластин
8. Спасибо за обсуждение! Вы поставили вопросы, которые плохо освещены в моих материалах, исправлю)

• В этих точках никак. В этом-то и суть, что к моменту, когда магниты начинают работать, сила уже падает в 5-10 раз, и вся конструкция может быть легкой при значительных максимальных давлениях цикла.
• Для двигателя 16 куб. см. с мощностью 1300 Вт сила всей магнитной системы около 600 Н, т.е. по "весу" - 60 кг. Вес самих магнитов около 1,5 кг
• Неодимовые или самариевые, макс рабочая температура от 80 до 250 С
• Крейцкопф не устраняет боковую силу, а лишь переносит в другое место. В моем двигателе боковой силы вообще нет, т.к. ось вращения параллельна линии движения поршней. В традиционных движках поршень ползет по поверхности цилиндра, и вся передаваемая сила действует на стенку цилиндра, поэтому нужно масло. Здесь только трение колец, оно оно небольшое. Графитовые уплотнения распространены в химической промышленности.
• Масло - это страшная проблема ДВС. Оно образует нагар, лак на цилиндрах и поршнях, ради него требуется охлаждать поршень и терять из-за этого КПД.
• Япошки делали полностью керамический двигатель, но из-за невысокой степени сжатия выделяется слишком много тепла, и никакого практического смысла в этом нет. В предлагаемом двигателе степень сжатия 26 и выше, поэтому огневая часть поршня может выполняться из керамики

• Если вы имеете в виду одинаковый коэффициент линейного расширения, то вряд ли - цилиндр должен быть стальным, чтобы выдерживать нагрузку растяжения, а поршень желательно с керамической головкой, для уменьшения потерь тепла.
• Где вы взяли давление 300 бар? Наверное перепутали с давлением впрыска топлива?
• Каким образом при равномерной нагрузке на кольцо будет скручивание? Это уже полная чепуха
• Низкий коэффициент трения графита по стали связан с отшелушиванием микроскопических чешуек графита вдоль кристаллографической плоскости. Армировать нужно не поверхность, а как раз внутренность, например графитовыми нитями и т.д. Но на самом деле это необязательно.

• в моем двигателе степень сжатия может быть теоретически любой, т.к. нет КШМ. Фактически она саморегулируется - когда произошло самовоспламенение, поршень начинает останавливаться и двигаться назад
• никакого скручивания нет, т.к. нет боковой силы и перекладок поршня
• 3-4 тысячи градусов есть, но время слишком мало, газ быстро расширяется и температура быстро падает.
• Детонация отличается от горения более высоким, в 1.5-2 раза, давлением, так что сказочки как она страшна, оставьте при себе. В обычных ДВС она происходит до ВМТ, работает против вращения коленвала, поэтому и вредна. Здесь наоборот - полезна.

• Взорвавшийся экспериментальный моторчик Рудольфа Дизеля - исторический факт. Сам Дизель страшно перепугался, и больше с углем не экспериментировал. А виной тому было то, что стенки цилиндра были из литого чугуна, видимо с дефектом или трещиной.
• Обратите внимание, на современных бензиновых двигателях обязательно устанавливают ДАТЧИК ДЕТОНАЦИИ. При его срабатывании компьютер обогащает топливо до тех пор, пока детонация не прекращается. Это означает, что в течение десятков-сотен циклов в цилиндрах топливо ДЕТОНИРУЕТ. Но двигатель от этого не разваливается, водитель может вообще ничего не заметить. Проблемы возникают, если это происходит в течение ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ ЦИКЛОВ - двигатель греется, из-за масляного голодания возникают надиры, разрушается баббит вкладышей и т.д. И связано это как я уже говорил, с тем, что детонация происходит до прихода поршня в ВМТ, и крутит коленвал не в ту сторону, а не от "страшной разрушительной силы детонации.
• Разрушительной силой обладают детонирующие твердые и жидкие ВВ. Газы имеют небольшой скачок давления на фронте ударной волны.
• Адиабата Гюгонио, соответствующая детонации, является более энергетически выгодной, чем обычная адиабата Пуассона - см. Зельдович, Райзер. Физика ударных волн, 1966, стр. 54-56. Творение "по мотивам"
• По физике, можете прочесть мою статью , где описывается динамика двигателя, на основе экспериментальных данных по HCCI.
• Что конкретно вы предлагаете? Непонятно, что значит "переделать концепцию"?

• Отличная идея! Я не догадался так проверять эффективность магнитов.
• В синхронных машинах магнитная система достаточно совершенна, поэтому можно провести адекватную оценку. Получается, если считать ВА=Ватт, где-то 6.7 кг/КВт.
• Однако, надо учесть, что рабочая частота синхронного двигателя 3000 об/мин (50 Гц), в моем двигателе рабочая частота опытного образца 16800 колебаний поршня в минуту. Тогда удельная масса магнитов составит 1.2 кг/КВт - это даже меньше веса изготовленных для опытного образца магнитов по моим расчетам (1.3 кг).
• Для двигателя 100 КВт по вашей оценке потребуется 120 кг магнитов. При этом ротор будет вращаться с частотой 2400 об/мин, т.е. "гироскопических" проблем я не вижу. Учитывая, что для двигателя не нужна массивная станина, получается не сильно больше обычных двигателей.
• Частоту колебаний поршня можно еще увеличивать, изменяя параметры двигателя, но это уже вопрос будущего.
• Большое спасибо за экспериментальные данные! Если не сложно, пришлите пожалуйста, полные данные двигателя.
• Что касается реек, и прочей механики - абсолютно бесперспективно, если выходить на сверхвысокие давления цикла, все это развалится 100%

• Спасибо, понял.
• Неужели 300 Ватт мощности и магниты целых 2 кг?
• Как вы их оторвали, они ж приклеены насмерть?
• Какими весами взвешивали? Если механическими, может быть погрешность из-за притягивания магнитов к частям механизма.
• Синхронные машины не очень чувствительны к величине зазора, это асинхронные требуют маленький зазор. Так что можно сделать миллиметр
• Вот, интересный проект, электромобиль с моторами с постоянными магнитами мощностью больше 1000 л.с. Но вес всего автомобиля 1850 кг. Т.е. эффективность магнитов явно высокая. Может быть эффективность растет с размерами нелинейно.

• Изготовление с достаточно малым зазором - вопрос технологии. Принципиальных ограничений нет. Расчет силы в программе показывает, что отличия при зазоре 0.5 мм и 1 мм в районе 1%. Но это не КПД, а именно сила. КПД теплового двигателя определяется только степенью предварительного сжатия.
• Можно сделать двигатель легче, если заменить магниты движущегося возвратно-поступательно штока на электромагниты. Правда, появятся омические потери на ток в проводах, и возможно в катушках будет наводиться переменная составляющая. Постараюсь в ближайшее время посчитать.
• Что касается электромобилей - чтобы не писали в рекламных буклетах, это детский лепет. Аккумуляторы тяжелые, количество циклов ограничено. С точки зрения энергетики, потери колоссальные: при генерации, в электросетях, при выпрямлении, при зарядке, при разрядке, в инверторе, в двигателе. То есть реальный КПД электромобиля меньше чем у паровоза))

• Не читали мои статьи - ссылки в описании проекта) Изогнутые магниты не нужны, можно из пластин набрать.
• В магнитах дырки, крепление на винтах
• В коробке потери не более 1%, генератор - это потери уже на доп. оборудование. Давайте тогда вспомним, как Тесла будет обогревать салон зимой
• Тогда можно не заморачиваться с электрикой, постоянные магниты уже просчитаны - будет работать
• Ресурс ДВС (дизель) - миллион километров. Это 2500 циклов зарядки-разрядки Тесла)) Не смешите
• Если предположить, что все будут ездить на электромобилях, цены на электричество взлетят, будет дороже бензина. Кроме того, мощности генерации всех электростанций мира не хватит заряжать эти детские автомобильчики

• В двигателе всего 4 поршня, и пары, находящиеся в соседних цилиндрах на противоположных сторонах ("диагональные") - движутся в одной фазе. В моем двигателе они соединены жесткими связями - штангами, т.е. уже не совсем на свободе. При этом основная часть (2/3) энергии расширения запасается в сжатие смеси в соседнем цилиндре. Эта энергия перекачивается именно через эти жесткие связи, т.е. практически без потерь. Оставшаяся треть передается магнитной системой (потери есть, но маленькие, поскольку вихревые токи ничтожно малы).
• Магнитные связи удержат, посмотрите расчеты в моей статье . Если на словах, то магнитная сила подключается, когда поршень уже прошел небольшое расстояние от мертвой точки. А в силу быстрого падения давления при адиабатическом процессе, сила давления падает в 5-10 раз, и магниты нужны достаточно небольшие.
• Синхронизаторы "шестерня-рейка" вполне успешно используются в СПДГ с 60-х годов до наших дней
• В моей конструкции от синхронизатора поршней можно отказаться, использовать только шестеренчатый редуктор-синхронизатор роторов.
• Пропуск зажигания по какой причине? При степени сжатия более 20 это может быть только временное падение давления в топливной магистрали. Тогда энергия, запасенная в сжатом воздухе будет частично уходить на внешнюю нагрузку, частично запасаться в соседний цилиндр. Давление и степень сжатия будут конечно меньше, но поскольку запас большой, на воспламенение должно хватить, если топливный насос успеет прийти в себя.
• Можно использовать топливный гидроаккумулятор, чтобы проблемы насоса не портили картину

Владимир, как вы будете поддерживать HCCI цикл на холостом ходу? Вы уверенны в работе ДВС по HCCI циклу, при запуске в минус 50? Вот Вам и пропуск зажигания. Магнитные связи не в состоянии удержать. Есть аналогичные разработки ,где в роли рабочего тела выступает жидкость. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется в поток жидкости. Жидкость вращает аксиальный или роторный механизм. Даже в несжимаемой жидкости не получается синхронизировать ход поршней. Приходится вводить синхронизатор. У Вас передачи рейка-шестерня и тяги представляют мостовую схему двойного оппозитного типа. Почему Вы уверенны, что поршни встретятся в одной и той-же точке? Теперь представьте ситуацию, при движении накатом с горы, (при отсутствии подачи рабочей смеси) и заблокированной передаче (педаль сцепления не выжата). Как Вы будете "ловить эту точку, где должны встретиться поршня? Магнитными связями? На жигулёвском двигателе на поршень давит около 3 тонн. В случае с HCCI будет 5-6 тонн. Магнитные связи готовы передать такие ударные нагрузки (изохорный процесс) и при этом чтобы отклонение движения поршня было в пределах хотя бы пары миллиметров? Сомневаюсь.

Рекомендую сделать макет. Изюминка Вашего ДВС в системе преобразования. А чем она лучше механики? Та же синусоидальная зависимость преобразователя. Теперь посмотрите на Вашем видео масштаб поршня и магнитного преобразователя движения. Во сколько раз он будет больше самого двигателя? Преобразователь движения будет занимать половину моторного отсека. Производители ДВС - консерваторы. На малые изменения идут неохотно, из-за переоборудования станочного парка , изменения производственных, технологических процессов. А у Вас новизна в 90%. Ни один производитель не возьмёт в производство Ваш ДВС , даже при отличной индикаторной диаграмме. А производителей бензиновых ДВС всего три. Кому из них Вы предложите свою идею? У них своих проблем хватает. В целом Вас поддерживаю, что не сидите с бутылкой пива возле телевизора. Молодец! Творите, дерзайте! Успехов Вам.

• Двигатель, как показывают расчеты, может работать эффективно только в достаточно узком диапазоне частот. Поэтому это двигатель для гибрида, тепловоза, теплохода, электростанции. Поэтому никаких холостых, торможений двигателем и проч.
• При -50 степень сжатия автоматически увеличится, т.к.точка самовоспламенения съедет в сторону большей степени сжатия.
• Магнитные силы не так слабы, как вам кажется. Но чтобы выдержать 3 тонны, нужно тонну магнитов) Но 3 тонны - это ВМТ, а через 3 мм движения, это уже 300 кг. Эту силу вполне можно передать магнитами. Расчет для HCCI также в моей статье.
• Точка встречи поршней может (и будет) меняться от цикла к циклу в пределах долей миллиметра. В этом нет ничего страшного. А степень сжатия автоматически будет соответствовать точке самовоспламенения. Поскольку роторы синхронизированы, к моменту достижения поршнями выхлоных окон синхронизация будет достаточно приемлемой для организации газораспределения.
• Изюминка именно в том, что в мертвых точках магнитной связи нет, и можно использовать высокие давления цикла, вплоть до детонации. Поэтому нет необходимости делать мощный блок цилиндров двигателя - обычный дизель должен воспринимать все тонны нагрузки, давая выходной момент на порядки меньше. А в моем двигателе каркас может быть достаточно легким, правда вместо чугуна - достаточно большая масса магнитов.
• Роторы можно скомпоновать немного другим образом, чтобы помещать двигатель в тоннель кузова (т.е. узкий и длинный). Это немного сложнее в изготовлении, но возможно. Запас по размерам в автомобиле огромный по длине, да и мотор под днищем лучше для управляемости.
• Производители паровых двигателей тоже были ого-го какими пердунами-консерваторами! И где они сейчас? В традиционных ДВС единственным по настоящему сложным является изготовление литого блока цилиндров, алюминиевой ГБЦ и конечно коленвала. Важно всё: допуски-припуски, материал, станки и т.д. В моем двигателе этого нет, допуски на порядок выше, можно собирать в гараже. Производить их сможет кто угодно!

• возможность использовать жесткие режимы горения, в т.ч. детонацию, которая имеет высокий термический КПД,
• отсутствие масла на стенках цилиндра, что позволит использовать впрыск воды в цилиндр и очистку отработавших газов непосредственно в цилиндре
• отсутствие несбалансированных масс
• не требуется мощное основание двигателя, т.к. в период наибольшего давления цикла поршни движутся свободно.

Спасибо, что ознакомились с моей идеей и дали оценку. Я уверен, что ваши замечания помогут мне улучшить конструкцию и дополнить описание важными деталями, без которых что-то остается "за кадром". Итак, по пунктам: 1. Схемы продувки, пуска, топливная система - на сегодняшний день очень хорошо исследованы и могут применяться для любых типов двигателей, обеспечивая практически любые необходимые выходные характеристики. 2. Вы абсолютно правы, синхронизатор с шестерней ненадежен. Однако он не является обязательным элементом конструкции, а указан для наглядности восприятия. Магнитная система уже является синхронизатором, т.к. роторы работают на выходной вал через редуктор (на схеме не показан, простейшая конструкция, 2 шестерни). 3. Большие сила трения в классических ДВС возникает из-за режима полусухого трения компрессионных колец в области ВМТ. При этом коэффициент трения, и соответственно, сила трения в несколько раз выше по сравнению с гидродинамическим режимом. В моем двигателе должны использоваться графитовые кольца, коэффициент трения которых по стали соответствует гидродинамическому режиму пары "сталь-сталь". Таким образом, можно ожидать, что механические потери будут в несколько раз ниже. Для верности будем сравнивать двигатели в режиме максимальной мощности, когда в классических ДВС становятся заметными инерционные нагрузки 4. Насколько мне известно, ДВС с самым высоким КПД - это двухтактные судовые дизели? Если не трудно, дайте ссылку на источник, где указано, что КПД двухтактного двигателя ниже четырехтактного из-за наличия продувочного насоса. Ведь, по сути, продувочный (поршневой!) насос является частью четырехтактного двигателя, с этим связаны насосные потери. Внешний лопастной компрессор может иметь более высокий КПД с точки зрения продувки, тем более что продувке способствует инерция продуктов сгорания. 5. Отрицание вами самой схемы ДВС со встречно-движущимися поршнями, а заодно 100 лет работы конструкторов и ученых по этой теме, вызывает (мягко говоря) недоумение. Двигатели 10Д100, 5ТДФ и современная модификация 6ТД-2Е вполне успешно справляются со своими задачами, хотя и не лишены недостатков. В том числе - сложная система смазки и чувствительность к загрязнениям воздуха. Этих недостатков в моем двигателе нет, т.к. системы смазки нет, а для очистки воздуха достаточно простейшего циклона.