Поршневой двигатель внутреннего сгорания известен более века, и почти cтолько же, а точнее с 1886 года он используется на автомобилях. Принципиальное решение такого вида двигателей было найдено немецкими инженерами Э. Лангеном и Н. Отто в 1867 году. Оно оказалось довольно удачным, для того чтобы обеспечить данному типу двигателей лидирующее положение, сохранившееся в автомобилестроении и в наши дни. Однако изобретатели многих стран неустанно стремились построить иной двигатель, способный по важнейшим техническим показателям превзойти поршневой двигатель внутреннего сгорания. Какие же это показатели? Прежде всего, это так называемый эффективный коэффициент полезного действия (КПД), который характеризует, какое количество теплоты, находившееся в израсходованном топливе, преобразовано в механическую работу. КПД для дизельного двигателя внутреннего сгорания равен 0,39, а для карбюраторного - 0,31. Другими словами, эффективный кпд характеризует экономичность двигателя. Не менее существенны удельные показатели: удельный занимаемый объем (л.с./м3) и удельная масса (кг/л.с.), которые свидетельствуют о компактности и легкости конструкции. Не менее важное значение имеет способность двигателя приспособляться к различным нагрузкам, а также трудоемкость изготовления, простота устройства, уровень шумов, содержание в продуктах сгорания токсичных веществ. При всех положительных сторонах той или иной концепции силовой установки период от начала теоретических разработок до внедрения ее в серийное производство занимает подчас очень много времени. Так, создателю роторно-nоршневого двигателя немецкому изобретателю Ф. Ванкелю потребовалось 30 лет, несмотря на его непрерывную работу, для того чтобы довести свой агрегат до промышленного образца. К месту будет сказано, что почти 30 лет ушло на то, чтобы внедрить дизельный двигатель на серийном автомобиле ("Бенц", 1923 г.). Но не технический консерватизм стал причиной столь длительной задержки, а в необходимости исчерпывающе отработать новую конструкцию, то есть создать необходимые материалы и технологию для возможности ее массового производства. Данная страница содержит описание некоторых типов нетрадиционных двигателей, но которые на практике доказали свою жизнеспособность. Поршневой двигатель внутреннего сгорания обладает одним из самых существенных своих недостатков - это достаточно массивный кривошипно-шатунный механизм, ведь с его работой связаны основные потери на трение. Уже в начале нашего века делались попытки избавиться от такого механизма. С того времени было предложено множествo хитроумных конструкций, преобразующих возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение вала такой конструкции.
Бесшатунный двигатель С. Баландина
Преобразование возвратно-поступательного движения поршневой группы во вращательное движение осуществляет механизм, который основан на кинематике "точного прямила". То есть, два поршня соединены жестко штоком, воздействующим на коленчатый вал, вращающийся с зубчатыми венцами в кривошипах. Удачное решение задачи нашел советский инженер С. Баландин. В 40 - 50-х годах он спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов, где шток, который соединял поршни с преобразующим механизмом, не делал угловых качаний. Такая бесшатунная конструкция, хотя и была в некоторой степени сложнее механизма, занимала меньший объем и на трение обеспечивала меньшие потери. Надо отметить, что аналогичный по конструкции двигатель испытывался в Англии в конце двадцатых годов. Но заслуга С. Баландина состоит в том, что он рассмотрел новые возможности преобразующего механизма без шатуна. Поскольку шток в таком двигателе не качается относительно поршня, тогда можно с другой стороны поршня тоже пристроить камеру сгорания с конструктивно несложным уплотнением штока проходящего через ее крышку.
Роторно-поршневой двигатель Ф. Ванкеля
Имеет трехгранный ротор, который совершает планетарное движение округ эксцентрикового вала. Изменяющийся объем трех полостей, образованных стенками ротора и внутренней полости картера, позволяет осуществить рабочий цикл теплового двигателя с расширением газов. С 1964 года на серийных автомобилях, в которых устанавливаются роторно-поршневые двигатели, поршневую функцию выполняет трехгранный ротор. Требуемое в корпусе перемещение ротора относительно эксцентрикового вала обеспечивается планетарно-шестеренчатым согласующим механизмом (см. рисунок). Такой двигатель, при равной мощности с поршневым двигателем, компактнее (имеет меньший на 30 % объем), легче на 10-15%, имеет меньше деталей и лучше уравновешен. Но уступал при этом поршневому двигателю по долговечности, надежности уплотнений рабочих полостей, больше расходовал топлива, а отработавшие газы его содержали больше токсичных веществ. Но, после многолетних доводок, эти недостатки были устранены. Однако производство автомобилей с роторно-поршневыми двигателями серийно, сегодня ограничено. Помимо конструкции Ф. Ванкеля, известны ногочисленные конструкции роторно-поршневых двигателей других изобретателей (Э. Кауэртца, Г. Брэдшоу, Р. Сейрича, Г. Ружицкого и др.). Тем не менее, объективные причины не дали им возможность выйти из стадии экспериментов - зачастую из-за недостаточного технического достоинства.
Газовая двухвальная турбина
Из камеры сгорания газы устремляются на два рабочих колеса турбины, связанных каждое с самостоятельными валами. От правого колеса в действие приводится центробежный компрессор, с левого - отбирается мощность направляемая к колесам автомобиля. Воздух, нагнетаемый им, попадает в камеру сгорания проходя через теплообменник, где подогревается отработавшими газами. Газотурбинная силовая установка при той же мощности компактней и легче двигателя внутреннего сгорания поршневого, а также хорошо уравновешена. Менее токсичны и отработавшие газы. В силу особенностей ее тяговых характеристик, газовая турбина может использоваться на автомобиле без КПП. Технология производства газовых турбин давно освоена в авиационной промышленности. По какой же причине, учитывая ведущиеся уже свыше 30 лет эксперименты с газотурбинными машинами, не идут они в серийное производство? Главная основание - маленький в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания эффективный КПД и низкая экономичность. Также, газотурбинные двигатели достаточно дороги в производстве, так что в настоящее время встречаются они только лишь на экспериментальных автомобилях.Паровой поршневой двигатель
Пар поочередно подается то две противоположные стороны поршня. Подача его регулируется золотником, который скользит над цилиндром в парораспределительной коробке. В цилиндре шток поршня уплотнен втулкой и соединен с достаточно массивным крейцкопфным механизмом, который преобразует его возвратно-поступательное движение во вращательное.Двигатель Р.Стирлинга. Двигатель внешнего сгорания
Два поршня (нижний - рабочий, верхний - вытеснительный) соединены с кривошипным механизмом концентричными штоками. Газ, находящийся в полостях над и под вытеснительным поршнем, нагреваясь попеременно от горелки в головке цилиндра, проходит через теплообменник, охладитель и обратно. Циклическое изменение температурыгаза сопровождается изменением объема и соответственно действием на перемещение поршней. Подобные двигателя работали на мазуте, дровах, угле. К их достоинствам относятся долговечность, плавность работы, отличные тяговые характеристики, что позволяет обойтись вообще без коробки передач. Основные недостатки: внушительная масса силового агрегата и низкий КПД. Опытные разработки недавних лет (например, американца Б. Лира и др.) позволили сконструировать агрегаты замкнутого цикла (с полной конденсацией воды), подобрать составы парообразующих жидкостей с показателями более выгодными, чем вода. Тем не менее, на серийное производство автомобилей с паровыми двигателями не осмелился ни один завод за последние годы. Тепловоздушный двигатель, идею которого предложил Р.Стирлинг еще в 1816 году относится к двигателям внешнего сгорания. В нем рабочим телом служат гелий или водород, находящийся под давлением, попеременно охлаждаемые и нагреваемые. Такой двигатель (см. рисунок) в принципе прост, имеет меньший расход топлива, чем внутреннего сгорания поршневые двигатели, при работе не выделяет газов, которые имеют вредные вещества, а также имеет высокий эффективный КПД, равный 0,38. Однако внедрению двигателя Р. Стирлинга в серийное производство мешают серьезные трудности. Он тяжел и очень громоздок, медленно набирает обороты по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Более того, в нем сложно технически обеспечить надежное уплотнение рабочих полостей. Среди нетрадиционных двигателей особняком стоит керамический, который конструктивно не отличается от традиционного четырехтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания. Только его важнейшие детали изготавливаются из керамического материала, способного выдерживать температуры в 1,5 раз более высокие, нежели металл. Соответственно керамическому двигателю не требуется система охлаждения и таким образом, нет потерь в тепле, которые связаны с его работой. Это дает возможность сконструировать двигатель, который будет работать по так именуемому адиабатическому циклу, что обещает существенное сокращение расхода топлива. Тем временем подобные работы ведутся американскими и японскими специалистами, но пока не выходят из стадии поиска решений. Хотя в опытах с разнообразными нетрадиционными двигателями по-прежнему недостатка нет, доминирующее положение на автомобилях, как уже отмечалось выше, сохраняют и, возможно еще долго будут сохранять поршневые четырехтактные двигателя внутреннего сгорания.Уже более 100 лет в легковом автомобилестроение используются двигатели внутреннего сгорания и за все это время никаких революционных изменений в их работе или промышленном строение придумано не было. Однако, недостатков у этих моторов предостаточно. Борьбу с ними инженеры вели всегда, как ведут и по сей день. Случается, что некоторые идеи перерастают в довольно оригинальные и впечатляющие технические решения. Одни из которых так и остаются на стадии разработки, а другие воплощаются в жизнь на некоторых сериях автомобилей.
Поговорим о наиболее интересных инженерных разработках в области «автодвигателей»
Заметные факты истории
Классический четырехтактный мотор был изобретен в далеком 1876 году одним немецким инженером по имени Николаус Отто, цикл работы такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Но уже через 10 лет после варианта Отто британский изобретатель Джеймс Аткинсон предложил усовершенствовать данную схему. На первый взгляд цикл Аткинсона, его порядок тактов и принцип работы такой же как и двигателя, который изобрел немец. Однако, по сути это абсолютно другая и весьма оригинальная система.
Перед тем как мы расскажем об изменениях в классическом строении ДВС, посмотрим о принципе работы такого двигателя, чтобы всем было понятно о чем мы говорим.
3-D модель работы ДВС:
Комментарии и простейшая схема ДВС:
Цикл Аткинсона
Во-первых, в двигателе Аткинсона имеется уникальный коленчатый вал, обладающий смещенными точками крепления.
Такая новация позволила сократить количество потерь на трение и увеличить уровень сжатия двигателя.
Во-вторых, двигатель Аткинсона имеет иные фазы распределения газа. В отличие от двигателя Отто, где клапан впуска закрывается почти сразу после прохождения поршнем нижней точки, в двигателе британского изобретателя такт впуска намного длиннее, в результате чего клапан совершает закрытие, когда поршень уже на полпути к верхней мертвой точке цилиндра. В теории такая система должна была улучшить процесс наполнения цилиндров, что в свою очередь привело бы к экономии топлива и увеличению показателей мощности мотора.
В общем-то, цикл Аткинсона на 10% показательней по эффективности, чем цикл Отто. Но все же серийно автомобили с таким ДВС не выпускались и не выпускаются.
Цикл Аткинсона на практике
А дело все в том, что обеспечить свою нормальную работу такой двигатель может только на повышенных оборотах, при холостых — он так и стремится заглохнуть. Чтобы этого не происходило, разработчики и инженеры пытались внедрить в систему нагнетатель с механикой, но его установка, как выяснилось, сводит практически к нулю все плюсы и достоинства двигателя Аткинсона. В виду этого серийно автомобили с таким двигателем практически не выпускались. Один из самых известных — Mazda Xedos 9/Eunos 800, выпускаемая в 1993-2002 годах. Автомобиль оснащался 2,3-литровым двигателем V6, с мощность в 210 л.с.
Mazda Xedos 9/Eunos 800:
А вот производители гибридных автомобилей с радостью стали применять в разработках данный цикл ДВС. Потому как при малой скорости такая машина движется, используя свой электрический двигатель , а для разгона и быстрой езды ей нужен бензиновый, тут-то и можно по максимуму воплотить в жизнь все достоинства цикла Аткинсона.
Золотниковое газораспределение
Главным источником шума в двигателе автомобиля является газораспределительный механизм, ведь в нем довольно много движущихся частей — различные клапаны, толкатели, распределительные валы и т.д. Многие изобретатели пытались «утихомирить» такой громоздкий механизм. Пожалуй, больше всего это удалось американскому инженеру Чарльзу Найту. Он изобрел свой собственный двигатель.
В нем нет ни стандартных клапанов, ни привода к ним. Заменяют эти детали — золотники, в форме двух гильз, которые размещены между поршнем и цилиндром. Уникальный привод заставлял двигаться золотники в верхнее и нижнее положение, они в свою очередь открывали в нужный момент окна в цилиндре, куда поступало топливо, а в атмосферу выделялись выхлопные газы.
Для начала XX века такая система была довольно бесшумной. Не мудрено, что ей стало интересоваться все большее и большее количество автопроизводителей.
Только вот стоил такой двигатель далеко не дешево, поэтому и прижился он только на престижных марках, типа Mercedes-Benz, Daimler или Panhard Levassor, покупатели которых гнались за максимальным комфортом, а не дешевизной.
Но век мотора, изобретенного Найтом, оказался недолгим. И уже в 30-ые годы прошлого столетия автопроизводители поняли, что двигатели такого типа довольно не практичны, потому как конструкция их не совсем надежна, а высокая степень трения между золотниками увеличивает и расход топлива и масла. Потому-то узнать автомобиль с ДВС такого типа можно было по сизому дымку из выхлопной трубы автомобиля от горящей смазки.
В мировой практике было множество всевозможных решений в области модернизации классического двигателя внутреннего сгорания, однако, его первоначальная схема сохранилась до сих пор. Некоторые автопроизводители конечно же применяют на практике открытия успешных ученых и умельцев, но по своей сути, ДВС — остался прежним.
В статье использованы изображения с сайтов www.park5.ru, www.autogurnal.ruБольшинство современных автомобильных двигателей очень похожи друг на друга. Даже те, которые могут на первый взгляд показаться особыми, например шестицилиндровый Porsche, или новый двухцилиндровый Fiat, построены по все той же заезженной технологии, которая используется в конструкции двигателей уже более 50 лет. Однако, не все производители следуют этой тенденции. Некоторые двигатели являются поистине уникальным, а некоторые из них просто шокируют. Кто-то гнался за эффективностью, другие - за оригинальностью. В любом случае, их проекты поражают.
Сегодня я расскажу вам о десяти самых необычных двигателях за всю историю автомобилестроения, однако, есть некоторые правила. В этом списке имеют право находиться только двигатели серийных пассажирских автомобилей, никаких кастомных проектов. Итак, давайте же приступим!
Bugatti Veyron W16
Конечно, куда же без него, великий и могучий Veyron W16. Одни только цифры поражают: 8 литров, более 1000 лошадиных сил, 16 цилиндров - этот двигатель является самым мощным и сложным среди всех серийных автомобилей. Он имеет 64 клапана, четыре турбины, W-компоновку - такого мы еще никогда не видели. И да, на него распространяется гарантия.
Такие двигатели являются удивительно редкими, поэтому мы должны ценить то, что нам удалось застать такие уникальные технологические прорывы.
Knight Sleeve Valve
В начале прошлого века, Чарльз Йел Найт решил, что пора внести в конструкцию двигателей что-то новенькое, и придумал бесклапанный двигатель с гильзовым распределением. К всеобщему удивлению, технология оказалась рабочей. Такие двигатели были весьма эффективными, тихими и надежными. Среди минусов можно отметить потребление масла. Двигатель был запатентован в 1908 году, а позднее появлялся во многих автомобилях, в том числе Mercedes-Benz, Panhard и Peugeot. Технология отошла на задний план, когда двигатели стали быстрее крутиться, с чем традиционная клапанная система справлялась гораздо лучше.
Mazda Wankel Rotary
Пришел как-то один парень в офис Mazda, и предложил сделать двигатель, в котором трехконечный поршень должен вращаться в овальном пространстве. По сути, это напоминало футбольный мяч в стиральной машине, но по факту двигатель оказался удивительно сбалансированным.
Вращаясь, ротор создает три небольших полости, которые отвечают за четыре фазы силового цикла: впрыск, компрессия, мощность и выхлоп. Звучит эффективно, и так оно и есть. Соотношение мощности и объема довольно высоко, но сам по себе движок нефонтанистый, потому что камера сгорания у него сильно удлинена.
Странно, не так ли? А знаете, что еще более странно? Он всё еще в производстве. Купите Mazda RX-8 и получите сумасшедший движок, который вращается до 9000 об/мин. Чего же вы ждете? Скорее в салон!
Eisenhuth Compound
Джон Айзенхат знаменит тем, что изобрел интересный трехцилиндровый двигатель, в котором два крайних цилиндра питали средний, «мертвый» незажженный цилиндр своими выхлопными газами, который, в свою очередь, отвечал за выходящую энергию. Айзенхат пророчил своему двигателю 47-процентную экономию топлива. Через пару лет компания развалилась и обанкротилась. Делайте выводы.
Panhard Flat-Twin
Французская компания Panhard стала известна благодаря своим интересным двигателям с алюминиевыми блоками. Их изюминкой является конструкция. Суть в том, что блок и головка блока цилиндров сварены в единое целое. Объем двигателя составлял от 0.61 до 0.85 литра, мощность - от 42 до 60 л.с, в зависимости от модели. Удивительный факт: этот двигатель является самым странным участником и победителем (!!!) гонок Le Mans.
Commer Rootes TS3
Странный двигатель со странным названием. Трехлитровый движок с оппозитными поршнями Commer TS3 оснащался компрессором и одним коленвалом (большинство оппозитных двигателей имеет два). Очень интересная махина во всех смыслах этого слова.
Lanchester Twin-Crank Twin
Компания Lanchester была основана в 1899 году, а уже через год они выпустили свой первый автомобиль Lanchester Ten, оснащенный четырехлитровым атмосферным двигателем с двумя коленвалами. Выжимал он 10.5 лошадиных сил при 1250 об/мин. Если вы еще не встречали элегантного произведения инженерного искусства, то вот оно.
Cizeta-Moroder Cizeta V16T
Как и Veyron, суперкар Cizeta выпускался ограниченной партией, и его ключевой деталью был двигатель. 560 лошадей, 6 литров, компоновка V-16. По сути, это два двигателя V8, использующих общий блок. Найти эту машину сейчас сложнее, чем честного чиновника. Количество произведенных автомобилей держится в тайне.
Gobron Brillie Opposed Piston
Двигатель Commer TS3 построили, вдохновившись именно этим чудом инженерии родом из Франции. Поршни располагались противоположно друг другу. Первая пара отвечала за коленвал, вторая - за шатуны, соединенные с коленвалом под углом 180°.
Компания производила широкий спектр двигателей, от двухцилиндровых объемом 2.3 литра, до шестицилиндровых объемом 11.4 литра. Был еще огромный 13.5-литровый четырехцилиндровый гоночный движок, благодаря которому впервые была пройдена отметка скорости в 100 миль/час в 1904 году.
Adams-Farwell
Сама идея того, что сзади тебя в автомобиле вращается двигатель, довольно интересна, именно поэтому данный движок попал в наш список. Вообще, вращался не весь двигатель, а только цилиндры и поршни, потому что коленвалы были прочно зафиксированы. Установленные по кругу цилиндры охлаждались воздухом и напоминали крутящееся колесо.
Сам двигатель устанавливался позади водительского места, которое было выдвинуто максимально вперед. Идеальная схема для летального исхода во время аварии.
Бонус! Безумные двигатели не из серийных автомобилей
Chrysler A57 Multibank
30 цилиндров, пять карбюраторов, пять распределителей - вот что случается, когда Америка выходит на тропу войны. Этот монстр питал своими 425 силами такие знаменитые танки, как M3A4 Lee и M4A4 Sherman.
British Racing Motors H-16
Не упомянуть его было бы преступлением. Трехлитровый двигатель имел 32 клапана H-16, по сути два восьмицилиндровых двигателя, соединенных воедино инженером по имени Тони Радд. Он выжимал более 400 л.с, но был ненадежным и ужасно высоким. В 1966 году этот двигатель стал победителем гонок Формула 1 Гран При США, за рулем болида находился Джим Кларк.
Автомобильные паровой двигатель и двигатель внутреннего сгорания - практически ровесники. КПД паровой машины той конструкции и в те годы составлял около 10%. КПД двигателя Ленуара был всего 4%. Только через 22 года, к 1882-му, Август Отто усовершенствовал его настолько, что КПД теперь уже бензинового двигателя достиг… аж 15%
Начавшись в 1801 году, история парового транспорта активно продолжалась без малого 159 лет. В 1960-м (!) в США всё ещё строились автобусы и грузовики с паровыми двигателями. Паровые машины за это время усовершенствовались весьма значительно. В 1900 году в США 50% парка автомобилей были «на пару». Уже в те годы возникла конкуренция между паровыми, бензиновыми и - внимание! - электрическими экипажами. После рыночного успеха «Модели-Т» Форда и, казалось бы, поражения парового двигателя новый всплеск популярности паровых авто пришёлся на 20-е годы прошлого столетия: стоимость топлива для них (мазут, керосин) была значительно ниже стоимости бензина.
«Классический» паровой двигатель, который выпускал отработанный пар в атмосферу, имеет КПД не более 8%. Однако паровой двигатель с конденсатором и профилированной проточной частью имеет КПД до 25–30%. Паровая турбина обеспечивает 30–42%. Парогазовые установки, где используются «в связке» газовые и паровые турбины, имеют КПД до 55–65%. Последнее обстоятельство подвигло инженеров компании BMW начать проработки вариантов использования этой схемы в автомобилях. К слову сказать, КПД современных бензиновых двигателей составляет 34%.
Стоимость изготовления парового двигателя во все времена была ниже стоимости карбюраторного и дизельного моторов той же мощности. Расход жидкого топлива в новых паровых двигателях, работающих в замкнутом цикле на перегретом (сухом) пару и оснащённых современными системами смазки, качественными подшипниками и электронными системами регулирования рабочего цикла, составляет всего 40% от прежнего.
Паровой двигатель медленно запускается. И это было когда-то… Даже серийные автомобили фирмы Stanley «разводили пары» от 10 до 20 минут. Усовершенствование конструкции котла и внедрение каскадного режима нагрева позволило сократить время готовности до 40–60 секунд.
Паровой автомобиль слишком нетороплив. Это не так. Рекорд скорости 1906 года - 205,44 км/час - принадлежит паровому автомобилю. В те годы автомобили на бензиновых моторах так быстро ездить не умели. В 1985-м на паровом автомобиле разъезжали со скоростью 234,33 км/час. А в 2009 году группа британских инженеров сконструировала паротурбинный «болид» с паровым приводом мощностью 360 л. с., который был способен перемещаться с рекордной средней скоростью в заезде - 241,7 км/час.
Интересно, что современные изыскания в области водородного топлива для автомобильных моторов породили ряд «боковых ответвлений»: водород в качестве топлива для классических поршневых паровых двигателей и в особенности для паротурбинных машин обеспечивает абсолютную экологичность. «Дым» от такого мотора представляет собой… водяной пар.
Паровой двигатель капризен. Это неправда. Он конструктивно значительно проще двигателя внутреннего сгорания, что само по себе означает большую надёжность и неприхотливость. Ресурс паровых моторов составляет многие десятки тысяч часов непрерывной работы, что не свойственно другим типам двигателей. Однако этим дело не ограничивается. В силу принципов работы паровой двигатель не теряет эффективности при понижении атмосферного давления. Именно по этой причине транспортные средства на паровой тяге исключительно хорошо подходят для использования в высокогорье, на тяжёлых горных перевалах.
Интересно отметить и ещё одно полезное свойство парового двигателя, которым он, кстати, схож с электромотором постоянного тока. Снижение частоты вращения вала (например, при возрастании нагрузки) вызывает рост крутящего момента. В силу этого свойства автомобилям с паровыми моторами принципиально не нужны коробки передач - сами по себе весьма сложные и порой капризные механизмы.
В основу концепции двигателя, придуманного Кармело Скудери, американским автомехаником-самоучкой, положен принцип разделения цилиндров на рабочие и вспомогательные. В отличие от схемы Отто, в двигателе с разделенным циклом SCC (Split-Cycle Combustion) на каждый оборот вала приходится один рабочий такт. Вспомогательные цилиндры, в которых поршень сжимает воздух, соединяются с основными через перепускные каналы. В каждом из каналов находится по два клапана — компрессионный и расширительный. В пространстве между ними воздух достигает максимального уровня сжатия. Впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра происходит одновременно с открытием расширительного клапана, а зажигание — после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Волна газов как бы догоняет его, исключая детонацию смеси. В ходе виртуальных испытаний рядного прототипа двигателя Скудери было выявлено, что он очень стабилен. Коэффициент отклонения параметров рабочих тактов от средней величины в наиболее «проблемной» зоне оборотов — от холостых до полутора тысяч — у SCC почти вдвое ниже, чем у ДВС Отто: 1,4% против 2,5. На первый взгляд это немного, но для профессионалов разница огромна. Данный показатель говорит об очень высоком качестве смеси и точнейшей ее дозировке. Безнаддувный четырехцилиндровый рядный двигатель Скудери на 25% экономичнее обычных аналогов по мощности, а его оригинальная гибридизированная версия Scuderi Air-Hybrid — на 30−36%. В Air-Hybrid предварительное сжатие воздуха в пневматическом аккумуляторе-ресивере происходит во время торможения автомобиля. Затем воздух подается в перепускной канал, снижая нагрузку на поршень вспомогательного цилиндра.
Двигатель Скундери. Производство двигателей системы Кармело Скудери можно легко организовать на любом моторостроительном предприятии с использованием традиционных узлов. Но нужно ли это производителям?..
В 2011 году компанией будет представлен двигатель второго поколения с V-образной архитектурой, в котором перепускные каналы будут сделаны в виде отдельных модулей. В первой версии — с цельнолитой головкой — они находились в стенке между парами цилиндров. V-образная схема позволяет улучшить доступ к ним со стороны ресивера и обеспечить более эффективное охлаждение узла. По прогнозам ученых научно-исследовательского института Саутвест, которые вплотную занимаются доводкой виртуальной модели рядного двигателя, разница в КПД между такой «четверкой» и равносильным мотором Отто достигнет 50%. Небольшой вес, отличная удельная мощность (135 л.с. на литр объема) и технологическая простота SCC делают его весьма перспективным для внедрения в жизнь. Известно, что пристальный интерес к нему проявляют сразу несколько игроков высшей лиги мирового автопрома, а также производители комплектующих. В частности, знаменитая компания Robert Bosch. Президент Scuderi Group Сэл Скудери уверен, что уже через три года детище его отца пойдет в серию.
Вряд ли Lotus Omnivore когда-либо станет основным силовым агрегатом для автомобиля. Но в качестве вспомогательного — например, генератора — он вполне подходит.
Lotus Omnivore
Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных движков серьезно недооценен автопроизводителями, а прожорливость — всего лишь миф. Они прогнозируют их триумфальное возвращение в 2013 году под капоты серийных автомобилей. В 2009 году в Женеве компания представила концептуальный 500-кубовый двигатель Omnivore, работающий на любом виде жидкого топлива. Моторчик блещет сразу несколькими инновационными технологиями, главная из которых - изменяемая степень сжатия при помощи подвижной верхней стенки камеры сгорания. В зависимости от вида топлива и нагрузки сжатие в Omnivore может изменяться в диапазоне от 10 до 40 к одному. Приготовление сбалансированной топливовоздушной смеси обеспечивает система прямого впрыска Orbital FlexDI с двумя инжекторами, а параметрами отвода отработанных газов управляет патентованный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve). Похоже, британцам удалось то, к чему стремятся все разработчики инновационных ДВС: в цикле стендовых испытаний Omnivore уверенно поддерживал режим сгорания HCCI даже на оборотах холостого хода и в «красной зоне». Конструкция Omnivore замечательна еще и тем, что его блок и головка отлиты в одной цельной детали.
Ecomotors OPOC. Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал всё новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.
Согласно спецификации, концепт на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6. Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электрогибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.
Ecomotors OPOC
Среди компаний, пытающихся отправить классический ДВС на свалку, американская Ecomotors стоит особняком не только из-за экстравагантности своих идей. Работу над сверхмощным оппозитным двигателем OPOC благословили титан венчурного бизнеса Винод Хосла и миллиардер Билл Гейтс. В совет директоров крохотной компании входит несколько персон, имена которых служат пропуском в закрытый клуб автопроизводителей, а стенды Ecomotors стали привычными на самых элитных мировых автосалонах.
Оппозитный двухтактный двухцилиндровый модульный ДВС под названием OPOC был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Суперкомпактный дизель Хоффбауэра демонстрирует беспрецедентно высокую удельную мощность порядка 3 л.с. на килограмм массы. Например, стокилограммовая «труба» выдает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента. При этом КПД OPOC вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитника — возможность составлять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным двигателем, силовые установки рядной 4-, 6- и 8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности OPOC работает на довольно скромных степенях сжатия в пределах 15−16 к одному и не требует специальной подготовки топлива.
В принципе OPOC — это труба с двумя парами поршней, совершающими одновременные разнонаправленные движения. Пространство между парой — камера сгорания. Шатуны с необычно длинной ножкой соединяют поршни с центральным коленчатым валом. В центре камеры установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные порты расположены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Порты заменяют сложный клапанный механизм и распредвал. Важный элемент конструкции — электрический турбонагнетатель с предварительным подогревом воздуха, заменяющий, в частности, привычные калильные свечи. В момент запуска турбина подает в камеру сгорания заряд сжатого воздуха, нагретого до 100 °C.
IRIS. Основной «фишкой» конструкции двигателя Iris является высокая полезная площадь «поршней"-лепестков. Неподвижные стенки занимают всего 30% от общей площади камеры сгорания, что позволяет заметно повысить КПД двигателя.
По словам президента компании Дональда Ранкла, бывшего вице-президента General Motors, в настоящее время в собственном техцентре Ecomotors проводятся стендовые испытания шестого поколения двигателя, которые завершатся в начале 2012 года. И это будет уже не очередной рабочий прототип, а агрегат, предназначенный для конвейера. Впрочем, интерес к разработке имеется не только у автомобилистов, но и у военных, производителей авиатехники, строителей и горняков. Запланировано производство сразу четырех типов модулей OPOC с диаметрами поршня 30, 65, 75 и 100 мм.
IRIS
Для многих людей наблюдение за причудливо движущимися, вращающимися и пульсирующими механизмами успешно заменяет таблетки от стресса.
Завораживающее глаз детище ученого, изобретателя и предпринимателя из Денвера Тимбера Дика, трагически погибшего в автокатастрофе в 2008 году, можно отнести к гомеопатическим средствам этой категории. Но двигатель внутреннего сгорания IRIS (Internally Radiating Impulse Structure), несмотря на всю свою оригинальность, вовсе не пустышка. Защищенный со всех сторон патентами, он был отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical. Двухтактный ДВС с изменяемой геометрией и площадью поршня, согласно расчетам, имеет КПД 45%, компактные размеры и малый вес. Кроме того, в случае принятия его на вооружение автопроизводителями покупателю не придется переплачивать — цена агрегата будет не выше, чем у обычных бензиновых моторов.
РЛДВС. Отличием роторно-лопастного двигателя от всех остальных, упомянутых в материале, является то, что он находится в считанных миллиметрах от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным двигателем, а с 2012 года — и серия.
Как считал Дик, в стандартной паре «камера сгорания — рабочая поверхность поршня» самым слабым местом является постоянная площадь контакта. На головку приходится всего 25% общей площади камеры. В концепции IRIS шесть поршней, представляющих собой стальные, изогнутые волной лепестки, имеют полезную площадь почти в три раза больше - неподвижные стенки камеры занимают лишь 30% площади.
Воздух поступает в камеру сгорания через впускные клапаны, когда лепестки находятся на максимальном удалении от центра. Одновременно через открытые выпускные клапаны удаляется отработанный газ. Затем лепестки, колеблющиеся на валах, смыкаются к середине камеры, сжимая воздух. В момент максимального сближения при полностью закрытых клапанах происходит впрыск топлива и зажигание. Расширяясь, раскаленные газы раздвигают лепестки-поршни, что, в свою очередь, приводит к повороту валов. В верхней мертвой точке открываются выпускные клапаны. Затем все повторяется снова и снова. Довольно простой редуктор превращает колебание шести валов во вращение главного вала.
Российский роторно-лопастной
Роторно-лопастной двигатель (РЛДВС) — это вовсе не разработка XXI века. Его конструкцию придумали еще в 1930-х, и с тех пор не проходило и десятилетия без появления очередного патента на новый РЛД. Самым известным был, пожалуй, двигатель Вигриянова, созданный в 1973 году. Но попадать в серию РЛД никак не хотели. Основной проблемой была сложность синхронизации валов роторов и тем более снятия с них момента — во времена слабого развития электроники синхронизатор занимал чуть ли не целую комнату; РЛД мог использоваться разве что в качестве стационарной силовой установки. Это сводило на нет одно из его главнейших преимуществ — компактность и небольшой вес.
РЛД — это цилиндр, внутри которого на одной оси установлены два ротора, с парой лопастей каждый. Лопасти делят пространство цилиндра на рабочие камеры; в каждой совершается четыре рабочих такта за один оборот вала. Сложность синхронизации обусловлена в первую очередь неравномерным движением роторов друг относительно друга, их «пульсацией».
Но как только на свет появился компактный и удобный механизм синхронизации, РЛД сразу обрел серьезную серийную перспективу. Самое интересное и приятное, что разработали такой механизм в России, в рамках нашумевшего проекта «ё-мобиль». Энергоустановка «ё-мобиля» весит всего 55 кг (35 — двигатель с синхронизатором, 20 — электрогенератор), а мощность может выдавать порядка 100 кВт, хотя для серийных моделей ее ограничат 45 кВт (60 л.с.). Помимо компактности, РЛД характеризуется возможностью масштабирования. Его можно спокойно увеличивать в размерах вплоть до малого судового двигателя мощностью 1000 кВт. Энерговооруженность силовой установки «ё-мобиля» аналогична двухлитровому 150-сильному ДВС традиционной компоновки.