Конструкция роторного двигателя внутреннего сгорания изумительно проста: чтобы объяснить принцип его работы не потребуется и 5 минут, однако сама идея, прежде чем воплотиться в своей простой форме, "вызревала' практически четыре столетия. Впервые мысль о подобном механизме зародилась еще в 16 столетии, но лишь в 1957 г. идея роторного мотора была полностью реализована в двигателе внутреннего сгорания, получившего название по имени гениального немецкого инженера Феликса Ванкеля, все труды и изобретения
которого так или иначе связаны с моторами.
И вот уже в начало 21 века, прогресс не стоит на месте, ученые университета Беркли
(Калифорния) из Micro-Rotary Combustion Lab (MRCL) создают миниатюрные источники энергии, которые будут минимум в 10 раз более энергоёмкими, чем традиционные источники питания (литиевые или щелочные батареи). Это новая "портативная энергетическая система" будет снабжена роторным двигателем внутреннего сгорания (двигателем Ванкеля - ДВС). Уже существует и проходит испытания самый маленький роторный двигатель в мире. Размером в однопенсовую монету, "мини-двигатель"
сможет вскоре заменить электрические батарейки как более эффективный портативный источник питания для любых устройств
- от портативных компьютеров до цифровых камер. Данный двигатель является первым в мире в своем классе способным снабжать энергией
потребителя в непрерывном режиме. Однако данный технологический прорыв можно рассматривать лишь как первый шаг по направлению к созданию "микродвигателя" объемом в 1000 раз меньшим - размером приблизительно с одну из букв однопенсовой монеты, который расширяет границы использования ДВС.
Толчком к исследованиям явился тот факт, что жидкое углеводородное топливо имеет приблизительно в 50 раз большую энергоёмкость (энергия/вес), чем у традиционных электрических батарей. Это означает, что портативный источник энергии, использующий двигатель с 20% к.п.д. (двигатель автомобиля имеет к.п.д 30 %), вместе с ёмкостью для топлива, весил бы примерно столько же, сколько и традиционная батарейка, но имел бы энергоёмкость по крайней мере в 10 раз выше (!).
Энергия, производимая двигателем, является результатом управляемого горения. Подобно процессам в обычном ДВС, топливно-воздушная сгораемая смесь преобразует химическую энергию топлива. В противовес традиционным автомобильным двигателям, где горение происходит внутри камеры сгорания, роторный двигатель имеет плоскую (планарную) конструкцию с камерой имеющей форму приплюснутого овала и треугольным ротором. Ротор делит камеру на три камеры, где и происходит сгорание топлива. Горячие газы, производимые двигателем, толкают ротор, который приводит во вращение ось ротора. Эта ось может быть присоединена к электрическим или механическим приводам силового агрегата, для выработки либо механической, либо электрической энергии.
Изготовленный из стали методом электроэрозионного фрезерования (Electro-Discharge machining,
EDM), двигатель имеет мощность до 4 Ватт, достаточную для снабжения электричеством фары. В ближайшее время исследователи планируют улучшить характеристики этого двигателя с целью повышения его мощности до 30-60 Ватт, требуемой для питания портативного компьютера. Усилия разработчиков направлены на улучшение уплотнений, модификацию ротора и картера, а также улучшения технологичности всего изделия. В качестве топлива в настоящее время используется водород, но в будущем будет использованы углеводородные типы топлива, такие как бутан. В процессе разработки двигателя, исследователи разработали всё вспомогательное оборудование, необходимое для тестирования двигателя и подобное испытательным стендам для традиционных ДВС. "Минидвигатель" имеет применение в качестве распределенного источника энергии для электронных устройств, когда он работает в паре с электрогенератором, или напрямую обеспечивая механической энергией миниатюрные устройства, например такие, как насосы, компрессоры, роботы или мини летательные аппараты.
В долгосрочные планы коллектива университета Беркли входят разработка "микро роторного" двигателя из керамических материалов размером несколько миллиметров и мощностью приблизительно в 30 милливатт (примерно такой же, как и у щелочной батарейки). Процесс производства этих "микродвигателей" уже готов. Технология, используемая для изготовления "микродвигателей" была разработана на основе технологий производства MEMS – микроэлетромеханических систем. MEMS использует технологии интегрированной печатной индустрии для изготовления механических устройств. Она комбинирует преимущества миниатюризации с массовостью производства и низкой стоимостью характерными для производства процессоров. Индустрия MEMS производит коммерческие устройства от датчиков автомобильных подушек безопасности до оптических микропереключателей для цифровых видео проекторов. Двигатель рассматриваемого размера мог бы производить приблизительно 30 милливатт мощности, используя при этом только 1/1000 унции топлива для двух часов работы.
Двигатель такого размера не только требует минимального количества топлива для работы, но и производит такое же минимальное загрязнение окружающей среды. В случае с "микродвигателем", необходимо было бы более 100 таких "микродвигателей" для производства такого же количества CO2 , кое вырабатывает один человек.
В процессе разработки "микродвигателя" имеется ряд сложностей для достижения требуемой точности, контроля за термодинамическими параметрами горения и уменьшения тепловых потерь, дозирования и подвода топлива и воздуха и ряд других. Эти проблемы в настоящее время исследованы и решены с использованием уникальных конструкторских и технологических решений.
Этот проект финансируется DARPA (Defense Advance Research Project Agency). DARPA финансирует передовые исследования, результаты которых будут востребованы в будущем. Американское правительство смогло бы использовать портативные энергетические установки для уменьшения веса солдатского снаряжения, так же в энергетических установках микро разведывательных аппаратов или снабжения энергией
удаленных (выносных) датчиков. Коммерческое использование включает в себя портативные электронные устройства, такие как переносные компьютеры, сотовые телефоны, диктофоны и т.п.
Ссылки:
