Микро двс. Микро-ДВС: миниатюрные двигатели внутреннего сгорания для моделей и других применений

Что такое микро-ДВС и где они применяются. Каковы преимущества и недостатки миниатюрных двигателей внутреннего сгорания. Какие технологии используются для создания сверхмалых ДВС. Как развивается рынок микродвигателей.

Содержание

Что такое микро-ДВС и области их применения

Микро-ДВС — это миниатюрные двигатели внутреннего сгорания объемом менее 50 см³. Они находят применение в следующих областях:

  • Радиоуправляемые модели (авиамодели, автомодели, судомодели)
  • Малая мототехника (газонокосилки, бензопилы, триммеры)
  • Портативные электрогенераторы
  • Беспилотные летательные аппараты
  • Вспомогательные энергоустановки
  • Научные исследования и разработки

Объем микро-ДВС может составлять от нескольких кубических миллиметров до нескольких десятков кубических сантиметров. Самые маленькие образцы имеют объем цилиндра менее 1 см³.

Преимущества и недостатки микро-ДВС

Основные преимущества миниатюрных двигателей внутреннего сгорания:


  • Высокая удельная мощность (отношение мощности к массе)
  • Автономность работы (не требуют внешнего электропитания)
  • Быстрая дозаправка топливом
  • Возможность длительной непрерывной работы
  • Относительная простота конструкции
  • Низкая стоимость производства

К недостаткам микро-ДВС можно отнести:

  • Повышенный уровень шума и вибраций
  • Необходимость использования горючего топлива
  • Выбросы вредных веществ в атмосферу
  • Меньший КПД по сравнению с электродвигателями
  • Более сложное обслуживание
  • Ограниченный ресурс работы

Типы и конструкция микро-ДВС

По принципу работы микро-ДВС подразделяются на следующие основные типы:

  • Двухтактные бензиновые
  • Четырехтактные бензиновые
  • Дизельные (компрессионные)
  • Роторные (двигатели Ванкеля)

Наиболее распространены двухтактные микро-ДВС благодаря простоте конструкции и высокой удельной мощности. Четырехтактные двигатели обладают лучшей экономичностью и экологичностью. Дизельные микро-ДВС отличаются высоким КПД.

Основные элементы конструкции микро-ДВС:

  • Цилиндр с поршнем
  • Коленчатый вал
  • Система зажигания
  • Карбюратор или система впрыска топлива
  • Система охлаждения
  • Система смазки

В микродвигателях широко применяются миниатюрные подшипники, облегченные поршни и шатуны, специальные сплавы для снижения массы.


Технологии создания сверхмалых ДВС

Для разработки и производства микро-ДВС используются следующие технологии:

  • Прецизионная механообработка
  • 3D-печать металлом
  • Микролитье
  • MEMS-технологии
  • Наноструктурированные материалы
  • Компьютерное моделирование

Важную роль играет миниатюризация компонентов — систем зажигания, впрыска топлива, охлаждения. Применяются специальные покрытия для снижения трения и износа деталей.

Характеристики и параметры микро-ДВС

Основные технические характеристики микродвигателей:

  • Рабочий объем: 0,01-50 см³
  • Мощность: от долей до десятков ватт
  • Частота вращения: 3000-30000 об/мин
  • Масса: от нескольких грамм до 1-2 кг
  • КПД: 10-30%
  • Удельная мощность: до 1-2 кВт/кг

Важными параметрами являются также расход топлива, уровень шума и вибраций, ресурс работы, диапазон рабочих температур.

Как соотносится мощность микро-ДВС с их размерами?

Мощность микро-ДВС обычно находится в диапазоне от долей ватта до нескольких киловатт в зависимости от размера. Приблизительное соотношение объема цилиндра и мощности:


  • 0,01-0,1 см³: 1-10 Вт
  • 0,1-1 см³: 10-100 Вт
  • 1-10 см³: 100-1000 Вт
  • 10-50 см³: 1-5 кВт

Удельная мощность микро-ДВС может достигать 1-2 кВт на килограмм массы двигателя, что сопоставимо с характеристиками полноразмерных ДВС.

Применение микро-ДВС в радиоуправляемых моделях

Микродвигатели широко используются в различных типах радиоуправляемых моделей:

  • Авиамодели (самолеты, вертолеты)
  • Автомодели (багги, трагги, шорт-корсы)
  • Судомодели (катера, яхты)

Преимущества микро-ДВС для моделистов:

  • Реалистичный звук работы двигателя
  • Большой запас хода на одной заправке
  • Высокая мощность и скорость моделей
  • Возможность тонкой настройки характеристик

Популярные объемы микро-ДВС для моделей: 0.8, 2.5, 3.5, 4.6, 7.5, 15 см³. Модельные двигатели часто оснащаются системами дистанционного управления оборотами.

Микро-ДВС в портативных электрогенераторах

Миниатюрные двигатели внутреннего сгорания находят применение в качестве привода портативных электрогенераторов малой мощности:

  • Туристические генераторы (0.5-2 кВт)
  • Аварийные источники питания
  • Зарядные станции
  • Мобильные электростанции

Преимущества микро-ДВС в генераторах:


  • Компактные размеры и малый вес
  • Быстрая заправка топливом
  • Большое время автономной работы
  • Низкая стоимость

Обычно используются четырехтактные бензиновые микродвигатели объемом 20-50 см³. Выходная мощность генераторов составляет от 500 Вт до 2-3 кВт.

Микро-ДВС в беспилотных летательных аппаратах

Миниатюрные двигатели внутреннего сгорания применяются в качестве силовых установок для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА):

  • Разведывательные дроны
  • Целевые БПЛА
  • Беспилотные вертолеты
  • Мини-самолеты длительного полета

Преимущества микро-ДВС для БПЛА:

  • Большая дальность полета
  • Высокая удельная мощность
  • Возможность быстрой дозаправки
  • Надежность в экстремальных условиях

В беспилотниках применяются как двухтактные, так и четырехтактные микродвигатели объемом от 3 до 50 см³. Мощность может достигать 3-5 л.с.

Перспективные разработки в области микро-ДВС

Основные направления совершенствования миниатюрных двигателей:

  • Повышение удельной мощности
  • Улучшение топливной экономичности
  • Снижение уровня шума и вибраций
  • Уменьшение выбросов вредных веществ
  • Увеличение ресурса работы
  • Дальнейшая миниатюризация

Перспективные технологии для микро-ДВС:


  • MEMS-двигатели на кремниевых чипах
  • Роторно-поршневые микродвигатели
  • Микротурбины
  • Свободнопоршневые генераторы
  • Двигатели на альтернативных видах топлива

Ведутся разработки микро-ДВС с КПД до 40-50% и удельной мощностью до 3-5 кВт/кг.

Сравнение микро-ДВС с электродвигателями

Основные преимущества микро-ДВС перед электродвигателями:

  • Более высокая удельная мощность
  • Большая автономность работы
  • Возможность быстрой дозаправки
  • Меньшая зависимость от температуры окружающей среды

Преимущества электродвигателей:

  • Более высокий КПД
  • Отсутствие вредных выбросов
  • Низкий уровень шума и вибраций
  • Простота управления
  • Меньшие требования к обслуживанию

Выбор между микро-ДВС и электродвигателем зависит от конкретного применения и требований к характеристикам силовой установки.

Экологические аспекты использования микро-ДВС

Основные экологические проблемы, связанные с применением микродвигателей:

  • Выбросы вредных веществ (CO, NOx, HC)
  • Шумовое загрязнение
  • Использование невозобновляемых источников энергии

Пути снижения негативного воздействия микро-ДВС на окружающую среду:


  • Применение каталитических нейтрализаторов
  • Использование альтернативных видов топлива (биотопливо, водород)
  • Совершенствование систем впрыска и зажигания
  • Улучшение звукоизоляции
  • Повышение КПД для снижения расхода топлива

Ведутся разработки микро-ДВС с низким уровнем выбросов, соответствующих современным экологическим стандартам.

Рынок микро-ДВС и перспективы развития

Основные сегменты рынка микродвигателей:


Мини-двигатель как перспективный вариант развития ДВС + видео » АвтоНоватор

Поскольку нефтепродукты постоянно растут в цене (ведь нефти свойственно заканчиваться), стремление к экономии на горючем вполне понятно, и мини-двигатель мог бы стать неплохим решением.

Насколько экономичен мини-двигатель внутреннего сгорания?

Что же касается дизельных ДВС, сегодня действительно сделано немало для того, чтобы этот двигатель стал по-настоящему микроскопическим. В настоящее время концерном Toyota созданы самые маленькие микролитражки Corolla II, Corsa и Tercel, в них установлены дизельные двигатели 1N и 1NT объемом всего 1.5 литра. Одна беда – срок службы таких механизмов чрезвычайно низкий, и причина тому – очень быстрая выработка ресурса цилиндро-поршневой группы. Существуют и совсем крошечные дизельные ДВС, объемом всего 0. 21 литра. Их устанавливают на компактную мототехнику и строительные механизмы, но мощности большой ожидать не приходится, максимум, что они выдают – 3.25 л.с. Впрочем, и расход топлива у таких моделей небольшой, о чем говорит объем топливного бака – 2.5 литра.

Насколько эффективен самый маленький двигатель внутреннего сгорания?

Обычный ДВС, действие которого основано на возвратно-поступательном движении поршня, теряет производительность по мере уменьшения рабочего объема. Все дело в значительной потере КПД при преобразовании этого самого движения ЦПГ во вращательное, столь необходимое для колес. Однако еще до Второй Мировой Войны механик-самоучка Феликс Генрих Ванкель создал первый действующий образец роторно-поршневого ДВС, в котором все узлы только вращаются. Логично, что данная конструкция, очень напоминающая электромотор, позволяет сократить количество деталей на 40 %, по сравнению со стандартными двигателями.

Несмотря на то, что до сегодняшнего дня не решены все проблемы данного механизма, срок службы, экономичность и экологичность соответствуют установленным мировым стандартам. Производительность же превосходит все мыслимые пределы. Роторно-поршневой ДВС с рабочим объемом 1.3 литра позволяет развить мощность в 220 лошадиных сил. Установка же турбокомпрессора увеличивает этот показатель до 350 л.с., что очень даже существенно. Ну, а самый маленький двигатель внутреннего сгорания из серии «ванкелей», известный под маркой OSMG 1400, имеет объем всего 0.005 литра, однако при этом выдает мощность в 1.27 л.с. при собственном весе 335 граммов.

Основное преимущество роторно-поршневых двигателей – отсутствие шумов, сопровождающих работу механизмов, благодаря низкой массе работающих узлов и точному балансу вала.

Самый маленький дизельный двигатель как источник энергии

Если говорить о полноценном цилиндро-поршневом механизме, то на сегодняшний день самые небольшие размеры имеет детище инженера Йесуса Уайлдера.

Это 12-цилиндровый двигатель V-образного типа, полностью соответствующий ДВС Ferrari и Lamborghini. Однако на деле механизм является бесполезной безделушкой, поскольку работает не на жидком топливе, а на сжатом воздухе, и при рабочем объеме в 12 кубических сантиметров имеет очень низкий КПД.

Другое дело – самый маленький дизельный двигатель, разработанный учеными Великобритании. Правда, в качестве горючего для него требуется не солярка, а особая самовозгорающаяся при увеличении давления смесь метанола с водородом. При тактовом движении поршня в камере сгорания, объем которой не превышает одного кубического миллиметра, возникает вспышка, приводящая механизм в действие. Что любопытно, микроскопических размеров удалось добиться путем установки плоских деталей, в частности, те же поршни являются ультратонкими пластинами. Уже сегодня в ДВС с габаритами 5х15х3 миллиметра крошечный вал вращается со скоростью 50.000 об/мин, вследствие чего производит мощность порядка 11,2 Ватта.

Пока перед учеными стоит ряд проблем, которые необходимо решить перед тем, как выпускать дизельные мини-двигатели на поточное производство. В частности, это колоссальные теплопотери из-за чрезвычайно тонких стенок камеры сгорания и недолговечность материалов при воздействии высоких температур. Однако, когда все-таки крошечные ДВС сойдут с конвейера, всего нескольких граммов топлива хватит, чтобы заставить механизм при КПД в 10 % работать в 20 раз дольше и эффективнее аккумуляторов таких же размеров.

  • Автор: Егор