Все схемы открываются в полный размер по клику.
ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Особенность двухтактного дизеля профессора Питера Хофбауэра, посвятившего 20 лет своей жизни работе в концерне «Фольксваген», - два поршня в одном цилиндре, движущиеся навстречу друг другу. И название это подтверждает: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) - встречные поршни, встречные цилиндры.
Похожую схему еще в середине прошлого века использовали в авиации и танкостроении, например, на немецких «Юнкерсах» или советском танке T-64. Дело в том, что в традиционном двухтактном двигателе оба окна для газообмена перекрывает один поршень, а в двигателях с встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное окно, в зоне хода второго - выпускное. Такая конструкция позволяет раньше открывать выпускное окно и благодаря этому лучше очищать камеру сгорания от отработавших газов. И заранее закрывать, чтобы сберечь некоторое количество рабочей смеси, которое у двухтактного двигателя обычно выбрасывается в выхлопную трубу.
В чем же изюминка конструкции профессора? В центральном (между цилиндрами) расположении коленвала, обслуживающего сразу все поршни. Это решение привело к довольно замысловатой конструкции шатунов. Их по паре на каждой шейке коленвала, причем на внешние поршни приходится по паре шатунов, расположенных по обе стороны цилиндра. Это схема позволила обойтись одним коленвалом (у прежних моторов их было два, размещенных по краям двигателя) и сделать компактный, легкий агрегат. В четырехтактных двигателях циркуляцию воздуха в цилиндре обеспечивает сам поршень, в моторе OPOC - турбонаддув. Для лучшей эффективности быстро разогнать турбину помогает электромотор, который в определенных режимах становится генератором и рекуперирует энергию.
Опытный образец, сделанный для армии без оглядки на экологические нормы, при массе 134 кг развивает 325 л.с. Подготовлен и гражданский вариант - с примерно на сотню сил меньшей отдачей. Как заявляет создатель, в зависимости от исполнения мотор ОРОС на 30–50% легче прочих дизелей сравнимой мощности и в два - четыре раза компактнее. Даже по ширине (это самое внушительное габаритное измерение) ОРОС всего вдвое превосходит один из самых компактных автомобильных агрегатов в мире - двухцилиндровый фиатовский «Твинэйр».
Мотор OPOC - образец модульной конструкции: двухцилиндровые блоки можно компоновать в многоцилиндровые агрегаты, соединяя их электромагнитными муфтами. Когда полная мощность не требуется, для экономии топлива один или несколько модулей могут отключаться. В отличие от обычных двигателей с отключаемыми цилиндрами, где коленвал шевелит даже «отдыхающие» поршни, механических потерь можно избежать. Интересно, а как обстоят дела с топливной экономичностью и вредными выбросами? Разработчик предпочитает обходить этот вопрос молчанием. Понятное дело - тут позиции двухтактников традиционно слабы.
РАЗДЕЛЬНОЕ ПИТАНИЕ
Еще один пример ухода от традиционных догм. Кармело Скудери покусился на святое правило четырехтактных моторов: весь рабочий процесс должен происходить строго в одном цилиндре. Изобретатель поделил цикл между двумя цилиндрами: один отвечает за впуск смеси и ее сжатие, второй - за рабочий ход и выпуск. При этом традиционные четыре такта двигатель, именуемый мотором с разделенным циклом (SCC - Split Cycle Combustion), проходит всего за один оборот коленвала, то есть в два раза быстрее.
Вот как этот мотор работает. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подает его в соединительный канал. Клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нем начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мертвой точки. Таким образом, сгорающая смесь не препятствует в начальной стадии горения движущему навстречу поршню, а, наоборот, подталкивает его. Создатель мотора обещает удельную мощность в 135 л.с. с литра рабочего объема. Причем при значительном сокращении вредных выбросов благодаря более эффективному сгоранию смеси - например, с уменьшением выхода NOx на 80% в сравнении с этим же показателем для традиционного ДВС. Заодно утверждают, что SCC на 25% экономичнее равных по мощности атмосферных моторов. Однако лишний цилиндр - это дополнительная масса, увеличение габаритов, возрастающие потери на трение. Что-то не верится... Особенно если взять в пример новое поколение наддувных двигателей, сделанных под девизом даунсайзинга.
Кстати, для этого двигателя придумана оригинальная схема рекуперации и наддува «в одном флаконе» под названием Air-Hybrid. Во время торможения двигателем цилиндр рабочего хода отключается (клапаны закрыты), а цилиндр сжатия наполняет специальный резервуар сжатым воздухом. При разгоне происходит обратное: не работает цилиндр сжатия, а в рабочий нагнетается запасенный воздух - своего рода наддув. Собственно, при такой схеме не исключается и полный пневморежим, когда воздух будет толкать поршни в одиночку.
МОЩНОСТЬ ИЗ ВОЗДУХА
Профессор Лино Гуззелла также использовал идею накопления сжатого воздуха в отдельном резервуаре: один из клапанов открывает путь от баллона к камере сгорания. В остальном это обычный двигатель с турбонаддувом. Опытный образец построили на базе 0,75-литрового двигателя, предложив его как замену… 2-литровому атмосферному мотору.
Разработчик для оценки эффективности своего творения предпочитает сравнивать его с гибридными силовыми агрегатами. Причем при схожей экономии топлива (около 33%) конструкция Гуззеллы удорожает мотор всего лишь на 20% - сложная бензоэлектрическая установка обходится почти в десять раз дороже. Однако в тестовом образце топливо экономится не столько за счет наддува из баллона, сколько благодаря малому рабочему объему самого двигателя. Но перспективы у сжатого воздуха в работе обычного ДВС все же есть: его можно использовать для пуска мотора в режиме «старт-стоп» или для движения автомобиля на малых скоростях.
КРУТИТСЯ, ВЕРТИТСЯ ШАР…
Среди необычных ДВС мотор Герберта Хюттлина выделяется наиболее примечательной конструкцией: традиционные поршни и камеры сгорания здесь размещены внутри шара. Поршни движутся в нескольких направлениях. Во-первых, навстречу друг другу, образуя между собой камеры сгорания. Кроме того, они соединены попарно в блоки, посаженные на единую ось и вращающиеся по хитрой траектории, заданной кольцевой фигурной шайбой. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал.
Из-за жесткой связи между блоками при наполнении смесью одной камеры сгорания одновременно происходит выпуск отработавших газов в другой. Таким образом, за поворот поршневых блоков на 180 градусов происходит 4-тактный цикл, за полный оборот - два рабочих цикла.
Первый показ шарового двигателя на Женевском автосалоне привлек всеобщее внимание. Концепция, безусловно, интересная - за работой 3D-модели можно наблюдать часами, пытаясь разобраться, как работает та или иная система. Однако за красивой идеей должно последовать воплощение в металле. А разработчик пока ни слова не говорит о хотя бы приблизительных значениях основных показателей агрегата - мощности, экономичности, экологичности. И, главное, о технологичности и надежности.
МОДНАЯ ТЕМА
Роторно-лопастной двигатель изобрели чуть меньше века назад. И, наверное, еще долго не вспоминали бы о нем, не появись амбициозный проект российского народного автомобиля. Под капотом «ё-мобиля» пусть и не сразу, но должен появиться именно роторно-лопастной двигатель, да еще в паре с электромотором.
Вкратце о его устройстве. На оси установлены два ротора с парой лопастей на каждом, образующих камеры сгорания переменной величины. Роторы вращаются в одном направлении, но с разными скоростями - один догоняет другой, смесь между лопастями сжимается, проскакивает искра. Второй начинает движение по окружности, чтобы на следующем круге «подтолкнуть» соседа. Посмотрите на рисунок: в правой нижней четверти происходит впуск, в правой верхней - сжатие, затем против часовой стрелки - рабочий ход и выпуск. Воспламенение смеси осуществляется в верхней точке окружности. Таким образом, за один оборот ротор происходит четыре рабочих такта.
Очевидные преимущества конструкции - компактность, легкость и хороший КПД. Однако есть и проблемы. Из них главная - точная синхронизация работы двух роторов. Задача эта непростая, а решение должно быть недорогим, иначе «ё-мобиль» никогда не станет народным.
Аксиальный ДВС Duke Engine
Мы привыкли к классическому дизайну двигателей внутреннего сгорания, который, по сути, существует уже целый век. Быстрое сгорание горючей смеси внутри цилиндра приводит к увеличению давления, которое толкает поршень. Тот, в свою очередь, через шатун и кривошип крутит вал.
Классический ДВС
Если мы хотим сделать двигатель помощнее, в первую очередь нужно увеличивать объём камеры сгорания. Увеличивая диаметр, мы увеличиваем вес поршней, что отрицательно сказывается на результате. Увеличивая длину, мы удлиняем и шатун, и увеличиваем весь двигатель в целом. Или же можно добавить цилиндров — что, естественно, также увеличивает результирующий объём двигателя.
С такими проблемами столкнулись инженеры ДВС для первых самолётов. Они, в конце концов, пришли к красивой схеме «звездообразного» двигателя, где поршни и цилиндры расположены по кругу относительно вала через равные углы. Такая система хорошо охлаждается потоком воздуха, но очень уж она габаритная. Поэтому поиски решений продолжались.
В 1911 году Macomber Rotary Engine Company из Лос-Анджелеса представила первый из аксиальных (осевых) ДВС . Их ещё называют «бочковыми», двигателями с качающейся (или косой) шайбой. Оригинальная схема позволяет разместить поршни и цилиндры вокруг основного вала и параллельно ему. Вращение вала происходит за счёт качающейся шайбы, на которую поочерёдно давят шатуны поршней.
У двигателя Макомбера было 7 цилиндров. Изготовитель утверждал, что двигатель был способен работать на скоростях от 150 до 1500 об/мин. При этом на 1000 об/мин он выдавал 50 л.с. Будучи изготовлен из доступных в то время материалов, он весил 100 кг и имел размеры 710×480 мм. Такой двигатель был установлен в самолёт авиатора-первопроходца Чарльза Фрэнсиса Уолша «Серебряный дротик Уолша».
Гениальный и слегка безумный инженер, изобретатель, конструктор и бизнесмен Джон Захария Делореан мечтал построить новую автомобильную империю в пику существующим, и сделать совершенно уникальный «автомобиль мечты». Все мы знаем машину DMC-12, которую называют просто DeLorean. Она не только стала звездой экрана в фильме «Назад в будущее», но и отличалась уникальными решениями во всём — начиная от алюминиевого кузова на плексигласовом каркасе и заканчивая дверями «крылья чайки». К сожалению, на фоне экономического кризиса производство машины не оправдало себя. А затем Делореан долго судился по подложному делу о наркотиках.
Но мало кто знает, что Делореан хотел дополнить уникальный внешний вид машины ещё и уникальным мотором — среди найденных после его смерти чертежей были и чертежи аксиального ДВС. Судя по его письмам, он задумал такой двигатель ещё в 1954 году, а всерьёз принялся за разработку в 1979-м. В двигателе Делореана было три поршня, и они располагались равносторонним треугольником вокруг вала. Но каждый поршень был двусторонним — каждый из концов поршня должен был работать в своём цилиндре.
Чертёж из тетради Делореана
По каким-то причинам рождение двигателя не состоялось — возможно, потому, что разработка автомобиля с нуля вышло достаточно сложным предприятием. На DMC-12 устанавливали 2,8-литровый двигатель V6 совместной разработки Peugeot, Renault и Volvo мощностью 130 л. с. Пытливый читатель может изучить сканы чертежей и заметок Делореана на этой странице .
Экзотический вариант аксиального двигателя - «двигатель Требента»
Тем не менее, такие двигатели не получили широкого распространения — в большой авиации постепенно состоялся переход на турбореактивные двигатели, а в автомобилях по сию пору используется схема, в которой вал перпендикулярен цилиндрам. Интересно только, почему такая схема не прижилась в мотоциклах, где компактность пришлась бы как раз кстати. По-видимому, они не смогли предложить какой-либо существенной выгоды по сравнению с привычным нам дизайном. Сейчас такие двигатели существуют, но устанавливаются в основном в торпедах — благодаря тому, как хорошо они вписываются в цилиндр.
Вариант под названием "Цилиндрический энергетический модуль " с двусторонними поршнями. Перпендикулярные штоки в поршнях описывают синусоиду, двигаясь по волнистой поверхности
Главная отличительная черта аксиального ДВС — компактность. Кроме того, в его возможности входит изменение степени сжатия (объёма камеры сгорания) просто путём изменения угла наклона шайбы. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику.
Однако новозеландская компания Duke Engines в 2013 году представила свой современный вариант аксиального ДВС. В их агрегате пять цилиндров, но всего лишь три форсунки для впрыска топлива и — ни одного клапана. Также интересной особенностью двигателя является тот факт, что вал и шайба вращаются в противоположных направлениях.
Внутри двигателя вращаются не только шайба и вал, но и набор цилиндров с поршнями. Благодаря этому удалось избавиться от системы клапанов — движущийся цилиндр в момент зажигания просто проходит мимо отверстия, куда впрыскивается топливо и где стоит свеча зажигания. На стадии выпуска цилиндр проходит мимо выпускного отверстия для газов.
Благодаря такой системе количество необходимых свечей и форсунок получается меньшим, чем количество цилиндров. А на один оборот приходится в сумме столько же рабочих ходов поршня, как у 6-цилиндрового двигателя обычного дизайна. При этом вес аксиального двигателя на 30% меньше.
Кроме того, инженеры из Duke Engines утверждают, что и степень сжатия их двигателя превосходит обычные аналоги и составляет 15:1 для 91-го бензина (у стандартных автомобильных ДВС этот показатель равен обычно 11:1). Все эти показатели могут привести к уменьшению расхода топлива, и, как следствие — к уменьшению вредного воздействия на окружающую среду (ну или к увеличению мощности двигателя — в зависимости от ваших целей).
Сейчас компания доводит двигатели до коммерческого применения. В наш век отработанных технологий, диверсификации, экономии на масштабе и т.п. сложно представить, как можно серьёзно повлиять на индустрию. В Duke Engines, по-видимому, это тоже представляют, поэтому намереваются предлагать свои двигатели для моторных лодок, генераторов и малой авиации.
Демострация малых вибраций двигателя Duke
Допустим, сын спросит вас: «Папа, а какой самый-самый удивительный мотор на свете»? Что вы ему ответите? 1000-сильный агрегат от Bugatti Veyron? Или новый турбодвигатель AMG? Или мотор Volkswagen с двойным наддувом?
В последнее время появилось немало крутых изобретений, и все эти наддувы-впрыски кажутся удивительными… если не знать . Ибо самый удивительный мотор, о котором я знаю, был сделан в Советском Союзе и, как вы догадались, не для «Лады», а для танка Т-64. Он назывался 5ТДФ, и вот несколько удивительных фактов.
Он был пятицилиндровым, что само по себе необычно. У него было 10 поршней, десять шатунов и два коленчатых вала. Поршни двигались в цилиндрах в противоположных направлениях: сначала навстречу друг другу, потом обратно, снова навстречу и так далее. Отбор мощности осуществялся с обоих коленчатых валов, чтобы было удобно для танка.
Двигатель работал по двухтактному циклу, и поршни играли роль золотников, открывавших впускные и выпускные окна: то есть никаких клапанов и распредвалов у него не было. Конструкция была гениальной и эффективной – двухтактный цикл обеспечивал максимальную литровую мощность, а прямоточная продувка – высокое качество наполнение цилиндров.
Ко всему прочему 5ТДФ был дизелем с непосредственным впрыском, где топливо подавалось в пространство между поршнями незадолго до момента, когда они достигали максимального сближения. Причем, впрыск осуществлялся четырьмя форсунками по хитрой траектории, чтобы обеспечить мгновенное смесеобразование.
Но и этого мало. Двигатель имел турбокомпрессор с изюминкой – огромных размеров турбина и компрессор размещались на валу и имели механическую связь с одним из коленчатых валов. Гениально - на режиме разгона компрессор подкручивался от коленчатого вала, что исключало турбояму, а когда поток выхлопных газов как следует раскручивал турбину, мощность от нее передавалась на коленчатый вал, повышая экономичность мотора (такая турбина называется силовой).
Ко всему прочему мотор был многотопливным, то есть мог работать на дизтопливе, керосине, авиационном топливе, бензине или любой их смеси.
Плюс к этому еще полсотни необычных решений, вроде составных поршней со вставками из жаропрочной стали и системы смазки с сухим картером, как у гоночных автомобилей.
Все ухищрения преследовали две цели: сделать мотор максимально компактным, экономичным и мощным. Для танка важны все три параметра: первый облегчает компоновку, второй улучшает автономность, третий – маневренность.
И результат получился впечатляющим: при рабочем объеме 13,6 литра в самой форсированной версии мотор развивал более 1000 л.с. Для дизеля 60-х годов это был великолепный результат. По удельной литровой и габаритной мощностям мотор превосходил аналоги других армий в несколько раз. Я видел его вживую, и компоновка действительно поражает воображение – прозвище «Чемодан» ему очень идет. Я бы даже сказал «плотно набитый чемодан».
Он не прижился из-за чрезмерной сложности и дороговизны. На фоне 5ТДФ любой автомобильный мотор – даже от Bugatti Veyron – кажется каким-то до нельзя банальным. И чем черт не шутит, техника может сделать виток и снова вернуться к решениям, когда-то использованным на 5ТДФ: двухтактному дизельному циклу, силовым турбинам, многофорсуночному впрыску.
Началось же массовое возвращение к турбомоторам, которые одно время считались слишком сложными для неспортивных машин…