Оптимизация
ДВС


VI. Результат оптимизации роторного ДВС

 

Теперь, после публикации предыдущих глав данного сайта и соответствующих патентов автора, можно констатировать известность третьего из трёх типов эксцентриковых механизмов, каждый из которых способен выполнять функции механизма секции теплового двигателя объёмного вытеснения. 

Широко известные первые два типа относятся к механизмам с эксцентриковым валом, который в них является элементом силового узла, содержащего в себе силовой подшипник, в такте рабочего хода преобразующий усилие Р заряда рабочего тела в момент силы М вала. Это поршневой кривошипно-шатунный механизм и роторно-поршневой механизм Ванкеля.

Третьим и новым теперь известным типом является эксцентриковый роторно-циклоидный механизм, в котором в качестве силового узла используется цевочная, или циклоидная муфта, в такте рабочего хода передающая на свой силовой вал момент силы М, воспроизводимый в роторе муфты усилием Р работающего заряда. А в тактах выпуска, впуска и сжатия муфта передаёт момент силы от вала на ротор.

Циклоидная муфта никогда не является генератором момента силы М, но, при помощи лучевых свободных эксцентриков, она транслирует момент силы между ротором и валом. Для этого ротор и вал содержат такие необходимые силовые звенья муфты, как цевочные колёса, соосно и жёстко закреплённые, соответственно, на роторе и на валу. В пространстве между плоскостями цевочных колёс ротора и вала, симметрично относительно их осей (для приемлемой балансировки), и располагаются лучевые эксцентрики. Указанные цевочные колёса и лучевые эксцентрики в совокупности представляют собой узел силового подшипника механизма секции роторно-циклоидного двигателя. Кроме этого, для обеспечения надёжности работы в данном механизме также используется программный узел свободного центрального эксцентрика.

Таким образом, в роторно-циклоидном механизме больше не применяется традиционный эксцентриковый вал, но в нём одновременно работают сразу два из трёх возможных вариантов исполнения эксцентрикового механизма, которые раньше никогда не использовались в двух первых типах механизмов.

Разработка принципиально нового Роторно-циклоидного двигателя (РЦД) стала результатом проведённой на данном сайте оптимизации механизма роторного ДВС. Но в отличие от первых двух типов двигателей, имеющих механизмы с традиционным и веками проверенным эксцентриковым валом,  новому типу двигателя в сáмое ближайшее время ещё только предстоит доказать свои возможности, в том числе и коммерческие.

Новые принципы построения конструкции роторного механизма, реализованные в четырёхтактном РЦД, повысили эффективность и надёжность работы двигателя внутреннего сгорания объёмного вытеснения, по сравнению с двумя известными к настоящему времени четырёхтактными ДВС, уже находящимися в коммерческой эксплуатации. А именно.

 РЦД по сравнению с РПД Ванкеля 

По сравнению с роторно-поршневым двигателем Ванкеля, состоящим из одной роторной секции, роторно-циклоидный двигатель, также состоящий из одной роторной секции того же рабочего объёма, содержащей такие же по форме профили ротора и рабочей полости статора, получил следующие существенные положительные свойства.  

  1. Генератором момента силы рабочего хода в механизме РЦД является ротор, функционально заменивший собой эксцентрик вала. 
  2. В 3 раза увеличено значение как максимальной, так и средней за один такт рабочего хода длины рычага L в значении момента силы М. Поэтому в РЦД  в 3 раза выше значение момента силы.
  3. В 3 раза увеличено число тактов рабочего хода на один оборот вала. От этого при повышенном в 3 раза быстродействии в РЦД в 3 раза выше производительность.
  4. Механизм секции РЦД получил надёжный механический предохранитель, устраняющий вероятность самозаклинивания программных шестерен и стопора ротора и вала относительно статора во время работы двигателя. Поэтому в РЦД повысилась надёжность работы.
  5. Для привода от РЦД вала нагрузки не требуется промежуточная коробка передач.

РЦД по сравнению с поршневым двигателем 

По сравнению с поршневым двигателем, состоящим из одной поршневой секции, роторно-циклоидный двигатель, состоящий из одной роторной секции того же рабочего объёма, получил следующие существенные положительные свойства. 

  1. Генератором момента силы рабочего хода в механизме РЦД является ротор, функционально заменивший собой эксцентрик вала. 
  2. В обоих двигателях взаимно равно значение максимальной длины рычага Lмакс в значении момента силы М такта рабочего хода. При этом в РЦД в 1,1 раза выше значение среднего за такт рабочего хода длины рычага Lср в значении момента силы М  при повышенной в 1,5 раза длительности каждого такта рабочего хода. Поэтому по значению момента силы РЦД не только не уступает поршневому двигателю, но и превосходит его.
  3. В 6 раз увеличено число тактов рабочего хода на один оборот вала. От этого при повышенном в 18 раз быстродействии в РЦД в 9 раз выше производительность.
  4. Механизм секции РЦД обладает в 1,8 раза более высокой работоспособностью.
  5. Механизм секции РЦД имеет надёжный механический предохранитель, устраняющий вероятность стопора вала во время работы двигателя. Поэтому РЦД принципиально не уступает поршневому двигателю в степени надёжности работы.
  6. Для привода от РЦД вала нагрузки не требуется промежуточная коробка передач.

Все указанные преимущества РЦД определяются наглядными свойствами и параметрами конструкции его механизма.

Теперь есть все основания утверждать, что тепловой двигатель объёмного вытеснения с эксцентриковым механизмом завершил почти двух с половиной вековой виток своей эволюции по избавлению себя от рекуперативных теплообменников, доставшихся ему при рождении, вернувшись на новом более высоком уровне к своему истоку – двигателю Уатта – первому коммерческому двигателю, посредством восстановления в РЦД утраченных в процессе эволюции значений трёх основных рабочих параметров: сохранив значение максимальной длины рычага момента силы, восстановив и даже нарастив число тактов рабочего хода в одном обороте своего вала, возвратив на самый минимальный уровень значение нижнего эффективного предела оборотов вала в минуту.   

Аннотация для инвестора  

Для инвестирования предлагается роторно-циклоидный двигатель внутреннего сгорания объёмного вытеснения (РЦД).

В механизме каждой секции данного двигателя применена эпи-схема, имеющая подобную секции РПД Ванкеля конфигурацию изменяемого объёма рабочей полости, в профиле ограниченного поверхностями эпитрохоиды статора и треугольника Рёло ротора.

В механизме секции РЦД эксцентрик не закреплён жёстко на валу, а установлен свободно на двух шариковых подшипниках качения, параллельные оси которых в профиле отстоят друг от друга на длину линии эксцентриситета механизма, соответственно, соосно и относительно статора (соосно с коренной осью вала) и соосно и относительно ротора. В связи с этим, в отличие от РПД Ванкеля, где генератором момента силы является элемент выходного силового звена – эксцентрик эксцентрикового вала, в секции РЦД генератором момента силы является непосредственно его входное силовое звено – ротор. Выработанный ротором в такте рабочего хода момент силы транслируется на выходной вал двигателя при помощи силовой цевочной, или циклоидной муфты. Такая конфигурация схемы механизма позволила увеличить длину плеча рычага ротора в 3 раза по сравнению с рычагом вала механизма Ванкеля. Поэтому при том же значении исходного усилия такта рабочего хода заряда рабочего тела, что и в секции Ванкеля, в секции РЦД троекратно повышено значение момента силы (соответственно, и мощности).

Из-за того, что эксцентрик жёстко не закреплён на валу, геометрический эксцентриситет схемы механизма секции РЦД вращается с угловой скоростью, троекратно превышающей скорость вращения вала и ротора, которые вращаются в ту же сторону взаимно синхронно, потому что они являются двумя составными частями одной силовой цевочной муфты. Так как скорость изменения объёмов рабочей полости пропорционально зависит от скорости вращения эксцентриситета, то в каждом обороте вала секции РЦД троекратно повышена скорость изменения объёмов её рабочей полости. От чего в полном обороте вала там совершается по три полных цикла трёх идущих друг за другом зарядов рабочего тела, что в три раза больше, чем за каждый оборот вала в секции РПД Ванкеля. В связи с этим четырёхтактный двигатель, состоящий из одной секции РЦД, эквивалентен роторному двигателю, состоящему из трёх секций РПД Ванкеля, или же поршневому двигателю, содержащему шесть секций (цилиндров), каждая из которых имеет тот же самый объём своей рабочей полости. Потому что только при таком взаимном числе секций в каждом из данных двигателей за каждый один оборот вала вырабатывается по 3 такта рабочего хода из такой же по величине общей массы трёх взаимно одинаковых зарядов рабочего тела.

В секции РЦД свободный эксцентрик, установленный на подшипниках качения, выступает ещё и в роли надёжного механического предохранителя против самозаклинивания программных шестерен роторного механизма, поэтому по сравнению с РПД Ванкеля ротор механизма РЦД не заклинивает относительно статора даже при длительном аварийном отсутствии там смазочного масла. Такой свободный эксцентрик в секции РЦД также устраняет собой механическую амортизационную составляющую ползуна ротора в значении силы прижима элементов газо-динамического уплотнения ротора к стенкам рабочей полости статора, упрощая их конструкцию, повышая надёжность и эффективность работы. 

Механизм каждой секции РЦД статически уравновешен, а двигатель состоящий, по меньшей мере, из двух таких секций,  полностью уравновешивается динамически.

Для данного двигателя разработан собственный рабочий процесс, а также конструкция ротора и элементов его газо-динамического уплотнения. Каждая из всех 9-ти компоновочных деталей конструкции механизма секции РЦД технологична, не требует применения дорогостоящих износостойких и жаропрочных материалов. В РЦД отсутствуют детали со сложной или уникальной формой. Программные узлы его механизма имеют неограниченный пределом срок эксплуатации. Узел силового подшипника механизма секции РЦД выполнен в виде простейших съёмных кассет и при необходимости способен легко и быстро заменяться новым таким же дешёвым узлом.

Три способа кратного увеличения мощности теплового двигателя 

Кратное увеличение мощности теплового двигателя объёмного вытеснения, то есть на 100% и выше, осуществляется посредством сокращения либо по времени, либо по углу оборота вала длительности паузы между окончанием импульса предыдущего и началом импульса следующего за ним такта рабочего хода. Со времён паровых двигателей сокращение данной паузы производится, прежде всего, двумя способами: во-первых, повышением числа однотипных секций эксцентрикового механизма в составе объединённого механизма двигателя и, во-вторых, оперативным скоростным разгоном подвижных деталей этого объединённого механизма.

В первом способе сразу, то есть по углу оборота вала вне зависимости от параметра времени, пауза сокращается за счёт прямого увеличения числа тактов рабочего хода в каждом одном обороте вала совокупного механизма двигателя, вплоть до частичного взаимного наложения по времени совместного действия тактов рабочего хода его асинхронно работающих секций.

Если рассматривать такой тепловой двигатель, как ДВС, то во втором способе в результате инициированного оператором сжигания в рабочей полости каждой секции ДВС дополнительного количества топлива силовые подвижные звенья её механизма передают через вал повысившееся усилие заряда рабочего тела, прежде всего, на высоко инерционную массу маховика вала. За счёт поступившего дополнительного усилия наращивается момент инерции маховика, разгоняя его обороты. Разгоняющийся маховик через вал ответно увлекает за собой в ускоренное движение все механически связанные с валом подвижные звенья механизма. Поэтому второй из указанных способов по мере набора оборотов вала постепенно, то есть в зависимости от времени (скорости) его разгона, увеличивает частоту повторения последовательности взаимного действия того числа асинхронно происходящих тактов рабочего хода совокупного механизма двигателя, которое в одном обороте вала ещё на стадии изготовления двигателя уже было заложено изготовителем при  помощи упреждающего применения им первого способа. 

Наряду с двумя этими способами известен ещё и третий способ, который в конце 18 века предложил Джеймс Уатт. В каждой секции парового двигателя вместо поршня с одним работающим днищем он применил поршень двойного действия, с двумя работающими днищами, каждое из которых взаимодействует с одним из двух зарядов рабочего тела, одновременно находящихся в общей рабочей полости одного цилиндра секции двигателя и последовательно совершающих свои такты рабочего хода за один оборот вала. Благодаря этому Уатт сразу в два раза (на 100%) увеличил мощность каждой секции, причём без повышения числа оборотов вала двигателя. Применив этот способ, Уатт наглядно доказал, что задачу кратного увеличения мощности двигателя можно успешно решать не только физическим наращиванием совокупной массы металлических деталей и габаритов двигателя, а также повышенным скоростным разгоном его массивных подвижных звеньев за счёт увеличения расхода топлива в каждом такте рабочего хода. Её можно увеличивать также и повышением числа самих тактов рабочего хода в каждом обороте вала за счёт оптимизации конструкции механизма каждой секции. Причём без существенного наращивания материальных затрат на изготовление двигателя. В то же время, третий способ не исключал собой применение первых двух способов. 

Позднее третьим способом Уатта пользовался Жан Этьен Ленуар в своём первом двухтактном ДВС с КШМ на крейцкопфном поршне двойного действия, также производившим в одной своей секции два такта рабочего хода в одном обороте вала. Затем, исправляя четырёхкратное снижение данного числа до одного такта рабочего хода за два полных оборота вала в секции четырёхтактного тронкового поршневого ДВС Отто, Джеймс Аткинсон предпринял попытку его увеличения хотя бы до одного импульса рабочего хода за каждый оборот вала в секции своего тронкового поршневого двигателя. Феликс Ванкель повторил это значение, но уже в своём роторно-поршневом ДВС, роторный механизм которого использовал эпи-схему однонаправленного кругового качения ползуна – многогранной плоской призмы ротора-поршня, над каждой гранью которого, по аналогии с поршнем двойного действия Уатта, внутри общей рабочей полости одновременно находилось по одному заряду рабочего тела. Потом число тактов рабочего хода в одном обороте вала повысилось до 1,5 единиц, то есть до трёх тактов рабочего хода за два оборота вала, в секции ДВС Грэя (Граца, Школьника), применившего гипо-схему однонаправленного кругового качения ползуна в таком же роторном эксцентриковом механизме.

Долгое время не удавалось хотя бы повторить успех Уатта с двумя тактами рабочего хода в каждом обороте вала в одной секции. Причём если Уатт оптимизировал в поршневой секции газодинамический узел её механизма, то Аткинсон пытался оптимизировать уже сам силовой кривошипно-шатунный механизм, который Ванкель и Грэй потом просто заменили более эффективным роторным механизмом. Но превзойти поршень двойного действия Уатта удалось лишь в результате оптимизации непосредственно силового роторного механизма двигателя – в роторном ДВС с силовой цевочной, или циклоидной муфтой (фото 73), которая заменила собой эксцентриковый вал, работавший во всех без исключения предыдущих механизмах коммерческих тепловых двигателей объёмного вытеснения. В результате число тактов рабочего хода в одном обороте вала в каждой секции РЦД (фото 75 и 76) было увеличено до трёх единиц.

С учётом импульсного характера и высокой скоротечности импульса внутреннего сгорания каждой порции топлива в локально-замкнутой полости объёмного вытеснения в секции ДВС, для достижения наиболее приемлемого качества процесса сгорания при выработке двигателем импульсами тактов рабочего хода конкретного количества механической энергии за требуемый промежуток времени всегда выгодно, чтобы топливо сжигалось по принципу «понемногу, но часто, нежели – помногу, но редко». Указанные выше новые свойства РЦД как раз соответствуют этому принципу.

 

      

                                                                                                     Фото 73                                                                                                                     Фото 74

      

                                                                                                      Фото 75                                                                                                                        Фото 76

Видео 13.  Видео 14.  Видео 15.  

Пауза между процессами рабочего хода как параметр качества эффективности работы механизма двигателя 

В изначальном, общефилософском смысле оценочный критерий эффективности подразумевает собой «способность достижения желаемого результата (цели) наименьшими затратами времени и усилий (средств)». Из чего можно сделать вывод, что эффективность характеризуется двумя своими параметрами: параметром времени, как её показателем качества, и параметром усилий, как показателем количества. Поэтому достоверность процесса оценки степени реальной эффективности работы, например того или иного механизма в составе теплового двигателя, может быть соблюдена только при учёте совместного вклада в эффективность одновременно обоих указанных параметров.

Применяемый в настоящее время для предварительной оценки степени эффективности коэффициент полезного действия (КПД), отражает собой лишь один из двух её параметров – это затраченные усилия, то есть параметр количества. Очевидно, понимая, что КПД отражает собой только одну из двух частей критерия эффективности, его изобретатель – Джеймс Уатт при своей жизни не стал публично использовать КПД для определения эффективности работы теплового двигателя. По легенде, лишь после кончины Уатта, секретарь, разбиравшийся с записями архива Уатта, обнародовал информацию о КПД, запустив его в общее пользование. Поэтому и до настоящего времени для предварительной оценки эффективности работы, например теплового двигателя, именно КПД является основным или даже единственным параметром, используемым до момента получения значения основного объективного удельного параметра, в котором отражается одновременно, как количественная, так и качественная сторона реальной эффективности. Таким параметром является показатель расхода топлива на единицу вырабатываемой мощности в единицу времени. Но он технологически становится достоверно известен только после лабораторных испытаний уже изготовленного и запущенного в работу двигателя.

В то же время, длительность паузы по углу оборота вала между соседними импульсами тактов рабочего хода в тепловом двигателе объёмного вытеснения указывает собой длительность времени, затраченного в двигателе для выполнения балластной работы, по сравнению со временем исполнения основного действия – такта рабочего хода, единственно ради воспроизводства которого и создаётся данный двигатель. Естественно, чем ниже длительность указанной паузы в обороте вала, тем меньше времени и, соответственно, энергии процесса рабочего хода будет потрачено на работу собственнного энергетического балласта двигателя. Кроме этого, потери в парах трения механизма, как известно, пропорциональны не только значению приложенного к ним механического усилия, но также и квадрату скорости перемещения их взаимно трущихся поверхностей. При этом известно, что сама скорость является функцей времени, которое придаёт ей физическую размерность, выраженную в секундах, минутах, часах и так далее.

В связи со сказанным выше, с определённой долей уверенности можно предположить, что указанная пауза и есть второй, недостающий для современных расчётов параметр качества, который наряду с КПД также может применяться для предварительной оценки степени эффективности работы теплового двигателя объёмного вытеснения.

При рассмотрении участия параметра времени в определении степени эффективности работы двигателя необходимо иметь в виду различие между двумя разными по своей сути отрезками времени, в течение которых мы наблюдаем за работой секции теплового двигателя. Во-первых, это не осязаемый нами короткий отрезок времени паузы между завершением предыдущего и началом следующего за ним импульса такта рабочего хода. Для различных механизмов двигателя такой отрезок является неодинаковым по длительности и обычно протекает за один-два полных оборота вала, поэтому он и оценивается по углу оборота вала. Во-вторых, это реально осязаемый нами относительно длинный отрезок времени, в течение которого совершается множество оборотов вала и, соответственно, импульсов тактов рабочего хода. Но в отличие от первого короткого отрезка, данный длинный отрезок является вполне определённым для всех механизмов двигателей и обычно составляет временной интервал в размере одной минуты.

С учетом собственного относительно высокого механического КПД, самым эффективным механизмом по временнόму параметру эффективности в тепловых двигателях объёмного вытеснения является КШМ с поршнем двойного действия Уатта, работающий в составе парового двигателя. Если не обращать внимания на закрытие клапана выпускного канала цилиндра в такте выпуска до прихода поршня в ВМТ, создающее необходимую для надёжной работы силового механизма «газовую подушку» из отработанного пара текущего цикла по отношению к новой порции пара последующего рабочего хода над данным днищем поршня, то длительность паузы между соседними процессами рабочего хода равна нулю, то есть она там попросту отсутствует. Это было возможным потому, что процесс впуска энергоносителя внутрь рабочей полости тепловой машины и подвод к нему теплоты осуществлялся за пределами её механизма объёмного вытеснения.

Однако у четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания такая комфортная возможность отсутствует, так как подвод теплоты к газообразному энергоносителю, изначально уже впущенному внутрь полости объёмного вытеснения механизма и затем принудительно сжатому, осуществляется там же. И все эти три процесса, как и процесс выпуска оттуда отработанного энергоносителя, требуют полноценной затраты времени, необходимого для их воспроизводства. Правда, длительность паузы между соседними тактами рабочего хода также зависит и от числа параллельно работающих локально-замкнутых и газодинамически взаимно независимых рабочих полостей объёмного вытеснения в составе одной секции двигателя, в каждой из которых последовательно воспроизводятся процессы цикла её заряда рабочего тела. Как отмечалось выше, данный способ параллельности асинхронного исполнения циклов нескольких зарядов в одной секции механизма двигателя предложил тот же Джеймс Уатт.

На сегодняшний день самой низкоэффективной во временнόму параметру среди секций ДВС является, как раз, тронковая поршневая секция КШМ, в которой пауза между её соседними тактами рабочего хода составляет колоссальные по своей длительности 540 градусов угла поворота вала. Роторная секция РПД Ванкеля в этом параметре эффективнее тронкового КШМ в 6 раз со своей паузой всего в 90 градусов. Секция РЦД превосходит секцию РПД Ванкеля ещё в 3 раза со своими 30 градусами паузы по углу оборота вала. То есть быстродействие импульсов рабочего хода по углу оборота вала у секции РЦД в 18 раз выше, чем у секции тронкового поршневого ДВС. 

И чем выше быстродействие, тем механизм двигателя предоставляет в своих парах трения меньше физических возможностей не только для воспроизводства собственных балластных тепловых потерь исходной энергии, но также и сокращает длительность интервала времени для их генерации в каждом обороте вала.

Обобщая можно говорить о том, что роторно-циклоидный двигатель способен демонстрировать самую высокую скорость дискретного поглощения и преобразования исходной тепловой энергии, по сравнению со всеми известными коммерческими ДВС объёмного вытеснения. По этим параметрам он уступает только газотурбинному двигателю, в котором процессы поглощения и преобразования тепловой энергии происходят непрерывно.

Таким образом, совершенно необязательно, что наиболее эффективный по количественному параметру тепловой двигатель может быть наиболее эффективным и по качественному параметру. При этом следует учитывать, что пауза по обороту вала между тактами рабочего хода – это объёктивный параметр, который отражает собой весьма конкретные и абсолютно точные по своему значению геометрические особенности конструкции механизма секции двигателя. Длительность паузы должна быть минимальной, и её значение должно стремиться к нулю. В то время как КПД – это расчётный и в большей степени субъективный обобщённый параметр, который зависит не только от методики его расчёта, но и от учёта максимально возможного числа факторов, влияющих на его значение, которое наоборот должно быть максимальным и стремиться к 100%. Очевидно, только практические испытания могут выявить – какой из двух указанных параметров эффективности обладает наибольшим приоритетом? И может ли он существовать у двух сторон одной монеты?

Четвёртый известный способ сокращения паузы – компаунд 

Спустя 100 лет после появления поршня двойного действия Уатта, с 80-х годов 19-го века, в практику парового поршневого двигателя был успешно внедрён ещё один – четвёртый способ сокращения паузы между окончанием импульса предыдущего и началом импульса следующего за ним такта рабочего хода. Он получил название – компаунд-машина, или просто компаунд. То есть способ компоновки механизма тепловой машины, в котором используются газодинамически взаимно зависимые секции одной машины объёмного вытеснения. Этим многосекционный компаундный двигатель сушественно отличается от обычного многосекционного теплового двигателя, в котором применяются газодинамически взаимно независимые секции объёмного вытеснения.

Четвёртый способ заключался в продлении текущего такта рабочего хода внутри, по меньшей мере, одной дополнительной поршневой секции второй ступени расширения того же заряда рабочего тела. Секция второй ступени – низкого давления, обладала кратно большей величиной своего рабочего объёма по сравнению с объёмом цилиндра первой ступени – высокого давления, в которой этот рабочий ход начинался. В результате применения компаунда длительность паузы между соседними тактами рабочего хода по углу оборота вала могла не только снижаться до нуля, но за счёт дальнейшего продолжения множественного расширения такт рабочего хода следующего заряда мог начинаться ещё до окончания такта рабочего хода предшествующего заряда рабочего тела.  

Применение данного способа в некоторых компаундных паровых двигателях позволило нарастить до 35% эффективность использования подведённой к двигателю теплоты по сравнению в среднем с 8% эффективности при обычном использовании в одном двигателе газодинамически взаимно независимых, однотипных и одинаковых по величине рабочей полости секций объёмного вытеснения. То есть до компаунда используемое в нём на вращение вала количество тепловой энергии продолженного расширения пара просто вылетало «в трубу», нагревая его теплом воздух, окружающий тепловую машину. И хотя габариты и масса компаундного двигателя были кратно больше, чем у обычных двигателей, тем не менее, они нашли успешное применение в отраслях, где большие габариты и вес не являются помехой для применения более эффективного технического решения. Поэтому компаунд успешно эксплуатировался на железнодорожном транспорте, а, например, в международном водном транспорте в эпоху пара он полностью вытеснил собой паровые двигатели обычного исполнения и перестал там активно эксплуатироваться лишь во второй половине следующего столетия.

В двигателях внутреннего сгорания также проводились эксперименты с компаундной компоновкой, но массового применения там компаунд не получил. Виной этому, при уже достигнутой простоте конструкции и эксплуатации массово выпускаемых поршневых ДВС по сравнению с паровым поршневым двигателем, возможно, могли быть те же большие габариты, вес, материалоёмкость, а также сложность  изготовления.

Компаундное исполнение поршневого теплового двигателя предназначено для рационального использования того остатка теплоты заряда такта рабочего хода, которая не была использована для вращения рычага его вала в силу ограниченности величины объёма программно управляемого одним эксцентриком вала пространства рабочей полости объёмного вытеснения основной, то есть первой поршневой секции, или первой ступени (высокого давления). Поэтому для искусственного увеличения пространства расширения объёма заряда такта рабочего хода применялась вторая поршневая секция, или ступень, обладавшая аналогичной по конструкции полостью объёмного вытеснения, но имевшая заведомо бὁльшую величину своего локального объёма. Например, при той же длине эксцентриситета эксцентрика вала обеих вертикально расположенных секций, диаметр днища поршня второй секции мог быть в 2 раза больше диаметра днища поршня первой секции. При этом энергия продолженного во второй секции расширения заряда снималась на тот же самый эксцентриковый вал, на котором был установлен и поршень секций первой ступени.

Это есть пример простейшего двухсекционного (двухцилиндрового, двухступенчатого) поршневого компаундного двигателя двойного расширения, который для приемлемой балансировки коленчатого вала их общего механизма содержит два оппозитных кривошипа одного эксцентрикового вала, каждый из которых принадлежит механизму одной из двух его поршневых секций. Головка цилиндра первой секции имеет один впускной клапанный канал, соединённый с паропроводом парового котла, и один перепускной клапанный канал, соединённый с головкой цилиндра второй секции, которая также содержит и другой клапанный канал, через который горячий пар выпускается, например, в атмосферу. Наглядно  конструкцию и динамическую схему работы поршневого компаунда можно наблюдать в Интернете (множественное расширение) на примере парового компаунда тройного расширения, в котором применены три ступени расширения одного и того же заряда рабочего тела.

В конце такта рабочего хода первого цилиндра закрывается его впускной клапан и открывается перепускной клапан. При закрытом выпускном клапане второго цилиндра через перепускной канал заряд пара первого цилиндра получает возможность изменения величины своего объёма между днищами одновременно двух движущихся поршней соседних секций. Повинуясь программе вращения эксцентрикового вала механизма двигателя, меньший по диаметру поршень, понижая величину рабочего объёма первого цилиндра, движется вверх от НМТ. Синхронно с ним больший по диаметру поршень второй секции, перемещаясь вниз от ВМТ, повышает величину рабочего объёма цилиндра второй ступени, которая достигает величины своего максимума в момент минимума величины объёма первой ступени. Масса пара, размещённая ранее лишь внутри объёма первой ступени, теперь с одним и тем же усилием на каждый один квадратный сантиметр площади оказывает равномерное давление одновременно на днища двух поршней обеих секций.

При продолжающемся вращении вала в заданном направлении, поршень первой секции под действием идущего от НМТ к ВМТ отрицательного рычага его эксцентриситета, тормозящего вал, продолжает выталкивать свой пар в бὁльшую по величине объёма вторую секцию. Поршень второй секции, принимая на своё днище давление этого же парового заряда, положительным рычагом своего эксцентриситета перемещает вал двигателя в направлении заданного вращения. При этом в механизме каждого из цилиндров рычаг эксцентриситета его вала периодически становится положительным конкретно при движении поршня от ВМТ до НМТ по направлению вращения эксцентрика и вала, но рычаг того же самого эксцентрика становится отрицательным при перемещении того же поршня от НМТ к ВМТ при продолжающемся вращении вала в том же направлении.

Поскольку диаметр днища цилиндра перовой секции меньше, чем во втором, то общее воздействие одинаковых по силе удельных порций нагретого пара, производит двукратно большее общее силовое давление на двукратно бὁльшую поверхность днища второго поршня, чем на меньшую поверхность днища поршня первого цилиндра. Поэтому во втором цилиндре пар, расширяясь, совершает требуемую полезную работу по вращению положительного рычага вала двигателя в заданном направлении. Величина общей положительной работы компаундного расширения представляет собой разницу из величины созидательной работы пара во второй секции, из которой вычитается меньшая по значению работа поршня по выталкиванию пара из первого цилиндра, совершаемая в первом цилиндре при помощи отрицательного рычага его эксцентриситета, тормозящего собой вращение вала двигателя.

По завершении расширения, то есть при подходе к НМТ поршня второй секции, одновременно закрывается перепускной клапан и открывается впускной клапан первого цилиндра, находящегося в этот момент в положении ВМТ, запуская в него из парового котла новую порцию нагретого пара. Тут же открывается и выпускной клапан второй секции, выпуская из него пар, который за полный свой ход от ВМТ до НМТ уже израсходовал на вращение вала в продолженном во втором цилиндре такте рабочего хода дополнительную часть от запасённой в газе тепловой энергии, оставшейся в нём после его рабочего расширения в первой ступени. Таким образом, сразу же после окончания продолженного расширения предыдущего заряда рабочего тела, без паузы между соседними тактами рабочего хода, в тепловой машине начинает работать следующий за ним заряд пара. При этом энергией пара начавшегося нового такта рабочего хода компенсируется энергия выталкивания отработанного парового заряда из второй ступени расширения.

Число таких ступеней расширения часто не ограничивалось лишь двумя единицами, дополнительно «выжимая» из каждой порции нагретого пара, поступившей в цилиндр высокого давления из парового котла, как можно большее количество его теплоты на вращение вала компаундного парового двигателя. До настоящего времени, например в горных районах Швейцарии, продолжают эксплуатироваться паровозы с высокоэффективными компаундными паровыми двигателями, которые оказались наиболее предпочтительными для перевозок в условиях горной местности даже по сравнению с локомотивами, работающими на дизельном двигателе внутреннего сгорания.

Продолжение следует …