Гибридные двигатели нового типа

Введение

Каждое значимое изобретение открывает эпоху своего применения.

200 лет назад паровая поршневая машина, оснащённая поршнями и шатунно-кривошипным механизмом, дала старт 1-й промышленной революции.

150 лет назад старт очередной промышленной революции дал Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС), тоже оснащённый поршнями и шатунно-кривошипным механизмом.

75 лет назад (конец 2-й МВ) началась эра реактивной авиации.

Сейчас с изобретения Интернета и iPhone началась эра массового внедрения цифровых технологий.

Общим для этих разных технологий является существенное повышение качества нашей жизни по вполне доступной цене для потребителя. Каждый день приносит нам известия о новых инновационных технологиях. Однако суть революционных инновационных технологий в том, что они в разы превосходят своих предшественников и это поднимает их применение на качественно новый уровень. Мы полагаем, что именно таким выдающимся событием является изобретение "ТопМотора".

Группа компаний "Нева-дизель" поддержала инициативу создания гибридных двигателей нового типа, получивших название "ТопМотор" - Тандемные оппозитно-поршневые Моторы. Мы уверены, что монополия применения классических поршневых ДВС на наземном и водном транспорте, а также газотурбинных двигателей в воздухе, будет нарушена. Гарантией такой уверенности является многократное преимущество "ТопМоторов" над известными классическими ДВС в диапазоне мощности от 100 до 1200 л.с:

По мощности и габаритам они подобны газотурбинным двигателям - ГТД (удельная мощность 3-4 л.с. на 1 кг веса), но в 1.5 раза экономичнее, а стоимость изготовления "ТопМоторов" в 7-10 раз меньше при той же мощности. По сравнению с классическими поршневыми двигателями (ПД), "ТопМоторы"  в 2-3 раза легче и в 2 раза  дешевле в изготовлении благодаря в 3 раза меньшему количеству узлов и деталей.

"ТопМоторы" относятся к классу ДВС аксиального типа. Да, аксиальные двигатели давно известны и применяются в торпедах, начиная с времён 1-й МВ. Но перегрузка подшипников узла аксиального привода поршней приводит к мизерному времени их работоспособности. Этот фактор стал препятствием для повсеместного применения ДВС с аксиальной кинематикой. Однако недавнее изобретение специального "Шарнирного механизма - ШМ" полностью решило эту проблему.

Кратко о конструкции двигателей нового типа "ТопМотор"

Рис.1. Внешний вид 4-цилиндрового "ТопМотора" одной из первых конструкций.

Новый тип двигателей "ТопМотор" (диапазон мощности от 80 до 1200 л.с.) предназначен для модернизации существующих транспортных средств, а также для создания новых, например, летающих автомобилей вертикального взлёта и посадки (ЛА ВВП).

Изначально двигатели"ТопМотор" проектировались как бюджетная альтернатива газотурбинным двигателям (ГТД) малой мощности (до 1500 л.с.), а также для массового применения практически на всех видах транспорта, прежде всего в авиации общего назначения (АОН). Это означает, что "ТопМоторы" имеют удельную мощность на уровне ГТД, то есть 3 л.с. и более на 1 кг веса.

В основу конструкции "ТопМоторов" положен "Шарнирный механизм - ШМ", который осуществляет преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное выходного вала отбора мощности. ШМ - это радикально усовершенствованный аксиальный механизм, который применялся на всех торпедах ещё со времён 1-й МВ. То есть ШМ - это альтернатива шатунно-кривошипному механизму (ШКМ), которым оснащаются практически все поршневые машины (ПМ), начиная от паровозов и до современных суперкаров. Принципиальная разница между ШМ и ШКМ в том, что:

1. ШМ обеспечивает параллельность движения поршней относительно оси выходного вала и, соответственно, компактность кинематики ПМ (в отличие от ШКМ, где поршни движутся в цилиндрах перпендикулярно оси выходного вала).

2. ШМ не имеет коленчатого вала - самой громоздкой, тяжёлой и дорогой части многоцилиндровых ДВС, которому нужна система смазки жидким маслом под давлением для обеспечения работоспособности его подшипников скольжения. Так как толщина смазывающей масляной плёнки менее 1 мкм, то подшипникам скольжения нужна очень жёсткая опора в виде громоздкого и тяжёлого блока цилиндров.

3. ШМ не имеет подшипников скольжения и поэтому ему не нужен жёсткий и потому массивный блок цилиндров.

4. Для работы ШМ достаточно консистентной смазки узла на весь срок службы.

5. ШМ обеспечивает возможность идеальной балансировки кинематики ПМ, что невозможно при использовании ШКМ.

Более того, мы имеем ещё ряд изобретений для улучшения технико-эксплуатационных характеристик "ТопМоторов". В частности, для увеличения быстроходности (и, соответственно, мощности) дизелей, а также их экономичности и экологической безопасности.

"ТопМоторы" - это 2-тактные поршневые двигатели аксиального типа с двумя встречно движущимися поршнями в каждом цилиндре. Цилиндры расположены вокруг центрального вала отбора мощности. Привод поршней в цилиндрах осуществляется двумя специальными шарнирными механизмами, которые приводят в синхронное движение поршни и центральный вал отбора мощности. Оба этих механизма находятся по обе стороны кругового ряда цилиндров. "ТопМотор" не имеет тяжёлого, громоздкого и дорогого коленчатого вала/валов. Здесь также нет блока и головки цилиндров со сложным газораспределительным механизмом со множеством клапанов. Вместо тяжёлого блока цилиндров применяется лёгкая рамная конструкция корпуса. Всё это вместе взятое удешевляет конструкцию двигателя и минимизирует её вес. А самое важное это то, что существенно увеличилась надёжность работы всей кинематики двигателя. Это является следствием того, что намного уменьшилось общее количество деталей. Кроме того, вместо быстровращающегося шатунно-кривошипного механизма со множеством подшипников скольжения используется надёжный шарнирный механизм с возвратно-вращательным движением его элементов с малой угловой и линейной скоростью. Результатом является то, что вес поршневого двигателя уменьшился настолько, что он сравнялся с весом газотурбинного двигателя такой же мощности. Но при этом "TopMotor" в 1,5 раза экономичнее и в 10 раз дешевле в изготовлении. По сравнению с обычными поршневыми ДВС он в 2 раза легче и дешевле при той же мощности (см. Рис.2).

Рис.2. Сравнение по сложности кинематики обычного ПД и "ТопМотора".

Рис. 3. Внешний вид ТМ-500/700 и его некоторые параметры.

"TopMotor"  ТМ-500/700 (см. Рис.3) является гибридной силовой установкой, которая может использовать в качестве маршевого двигателя ДВС или электрический мотор/генератор, т.к. имеют серийно выпускаемые EMRAX (см. https:\\emrax.com) различной мощности. 

            Очень часто реализация инновационных технологий сопряжена с риском неудачи. В случае с "TopMotor" такого риска нет, потому что его инновационный шарнирный механизм является исключительно надёжной конструкцией по сравнению с традиционным шатунно-кривошипным механизмом, а все рабочие процессы и узлы давно отработаны на обычных поршневых двигателях. К тому же общее количество деталей в 3 раза меньше классических ПД.

            "TopMotor" изначально задуман как конкурент турбовальным двигателям малой мощности (до 1200 л.с.). Поэтому его габариты и площадь поперечного мидельного сечения даже несколько меньше, чем у турбовальных двигателей аналогичной мощности с целью уменьшения лобового сопротивления. Это обстоятельство открывает возможность использовать "TopMotor" для привода не только воздушных винтов, а также использовать закрытые вентиляторы для создания аэродинамической тяги на больших скоростях полёта.

Ниже в Табл.1 даны основные конкурентные параметры ПД, ГТД и ТопМотора одной мощности 500 л.с.:

Табл.1

"ТопМоторы" имеют стандартную конструкцию с целью её адаптации для серийного выпуска двигателей различной мощности и применения (см. Табл.1).

Табл.2.

Заключение

Простая конструкция "ТопМоторов" адаптирована к серийному/массовому производству.

Важно подчеркнуть то, что "TopMotor" можно считать той ключевой технологией, которая открывает путь к созданию "настоящих" Летающих Авто ВВП благодаря:

            1. Большая удельная мощность позволяет вертикально поднимать большую полезную нагрузку        - в 5 или даже в 7 раз больше собственного веса;

            2. Экономичность позволяет иметь большой радиус полёта - более 1000 км;

            3. Небольшая стоимость изготовления обеспечивает возможность их массового производства - это означает их доступность для широкого круга потребителей;

            4. Электропривод позволяет экологически безопасно ездить по в городах с минимальными затратами энергии, то есть очень экономично и без вредных выбросов;

            5. Всё это вместе взятое позволяет создать симбиоз автомобиля/вертолёта/ самолёта с целью        снятия ограничений на мобильность передвижения с целью улучшения качества нашей жизни.

Концепция "Гибкой мобильности - ГМ", которую мы стремимся реализовать посредством "ТопМоторов", означает, что в пределах населённых пунктов транспорт должен передвигаться с ограниченной скоростью с использованием экономичного и экологически безопасного электропривода, а между городами надо передвигаться с большой скоростью с использованием мощных "ТопМоторов". Более того, между городами надо летать с большой скоростью (более 300 км/ч) на летающих автомобилях с вертикальным взлётом/посадкой (даже на плоскую крышу дома).

Таким образом, такой авиационный проект имеет две составные части:

 А) Создание гаммы "ТопМоторов" различной мощности и назначения;        

Б) Создание Летающих Аппаратов вертикального взлёта и посадки (ЛА ВВП) различного назначения с использованием мощных, лёгких, экономичных, компактных и дешёвых  "ТопМоторов".