Найдивніші двигуни, які застрягли на узбіччі прогресу

Наши партнеры ArtmMisto

29.07.2016 р о 11:51, драйв

Автори незвичайних моторів, як правило, обіцяють революцію. Однак навіть коли у великих компаній є можливість почати з чистого аркуша, вони чомусь ставлять на конвеєр класичні поршневі ДВС.

Один з останніх прикладів - сімейство двигунів Ingenium компанії JLR.

Двигуни Ванкеля, Стірлінга, різного роду газотурбінні установки так і не стали автомобільним мейнстрімом. Ряд відомих компаній (від Мазди до GM, від Мерседеса до Volvo) працювали над ними десятки років, і бунтувалися маленькі фірми і окремі винахідники. На жаль, в кінці кінців з'ясовувалося, що підводних каменів в тій чи іншій конструкції набагато більше, ніж здавалося спочатку. Але це не означає, що розвиток альтернативних агрегатів неможливо. Ентузіасти перебирають ідею за ідеєю, і мені як інженеру-двигателистов цікаво поділитися з вами поруч екзотичних схем.

Деякі творці перспективних двигунів вирішили, що комбінація з циліндра, поршня, шатуна і клонували відмінно себе зарекомендувала більш ніж за століття і, щоб поліпшити параметри ДВС, не треба винаходити її заново - досить лише підправити деякі аспекти. Тому перший в нашому огляді - мотор американської компанії Scuderi Group, який має класичні такти впуску, стиснення, робочого ходу і випуску, але відбуваються вони не в одному і тому ж циліндрі, а в різних. Так званий холодний циліндр відповідає за впуск і стиск, а другий, гарячий - за робочий хід і випуск.

Поки в робочому циліндрі йде розширення газів, в холодному, компресорному, - такт впуску. У робочому - випуск, в холодному - стиснення. В кінці такту стиснення поршні наближаються до своїх верхнім мертвим точкам, суміш через перепускний канал перекидається з холодного циліндра в гарячий і підпалюється. Такий розділений цикл (в принципі - той же цикл Отто, нехай і модифікований) американці придумали в 2006 році, а в 2009-му побудували досвідчений Scuderi Split Cycle Engine. У компресорного та робочого циліндрів можуть бути різні діаметри і ходи поршнів, що дає гнучко налаштовувати параметри - виходить аналог циклу Міллера з додатковим розширенням газів.

Якщо до каналу між циліндрами додати відгалуження з клапанами і балоном високого тиску, можна змусити такий мотор збирати енергію при гальмуванні і використовувати її при розгоні (цей режим показаний на останній хвилині першого ролика). Однак протягом уже кількох років діяльність компанії Scuderi Group обмежується лише досвідченими зразками і участю у виставках. Схоже, реальна економічність тут все ж не може перебити високу складність конструкції.

До розділеному робочого циклу звернулися було і розробники хорватської фірми Paut Motor. Їх «рознесена» конструкція привернула меншим числом деталей, низьким тертям і зниженим шумом. А необхідність зовнішнього бака для системи змащення, викликана тим, що в картері масла не передбачено, не злякала. Винахідники збудували кілька дослідних зразків. Для робочого об'єму в сім літрів їх габарити (500 × 440 × 440 мм) і вага (135 кг) виявилися мало не вдвічі нижче, ніж у традиційних ДВС. А віддачу так і не з'ясували. Останній прототип був зібраний в 2011 році, а потім проект заглох.

Двотактний двигун Bonner (по імені спонсора, фірми Bonner Motor), винайдений в 2006 році в США Вальтером Шмідом, влаштований ще складніше. Як і в проекті Paut Motor, циліндри тут розташовані буквою X, а колінвал теж робить планетарне рух за рахунок системи шестерень.

За газорозподіл в Боннере відповідають клапани в денцях циліндрів і обертові золотники в корпусі мотора. При цьому зовнішні поршні можуть трохи зміщуватися під тиском масла, забезпечуючи змінну ступінь стиснення. Заплутана схема! А все - заради високої потужності на одиницю ваги. В теорії Bonner виглядає цікаво, але на практиці про нього вже давно немає ніяких новин - судячи з усього, надій він не виправдав.

Інші винахідники не змінювали робочі цикли ДВС, а зосереджувалися на розташуванні його частин. Такі, наприклад, аксіальні мотори, яким вже більше ста років (один з ранніх патентів - на малюнку вище). Всі вони відрізняються деталями, але об'єднані загальним принципом - циліндри розташовуються, як патрони в барабані револьвера, з співвісним вихідним валом. За перетворення зворотно-поступальних рухів поршнів в обертання валу відповідають різні системи на кшталт нахилених до поздовжньої осі двигуна штифтів, косих шайб і тому подібного.

Різновидом осьових агрегатів є новозеландський проект фірми Duke Engines - п'ятициліндровий четирёхтактнік робочим об'ємом три літри. У порівнянні з класичним ДВС того ж літражу цей був, за розрахунками авторів, на 19% легше і на 36% компактніше. Йому обіцяли застосування в самих різних областях, але мрії про завоювання цілого світу залишилися мріями.

Ще більш складний осьової приклад - двигун RadMax канадської фірми Reg Technologies. Тут замість циліндрів в загальному барабані за допомогою тонких лопатей організована дюжина відсіків. У прорізах ротора встановлені пластини, які зсуваються вздовж них у міру його обертання. З торців отримані змінні обсяги обмежують вигнуті поверхні: вони задають траєкторію руху лопатей і завідують газообменом.

Схема RadMax дозволяє створювати двигуни під різні види палива, хоча спочатку винахідники вибрали дизельне. У 2003 році був побудований зразок діаметром і довжиною всього 152 мм. Він розвивав 42 сили - в рази більше, ніж схожий за габаритами ДВС. Пізніше фірма відзвітувала про створення більших прототипів на 127 і 380 сил. Але, судячи з релізів, вся її діяльність як і раніше не виходить за рамки експериментів.

Ще один приклад переваги теорії над практикою - тороидальний мотор Round Engine (або VGT Engine) вже зниклої канадської компанії VGT Technologies. Перші прототипи двигуна з тором змінної геометрії (звідси і букви VGT - Variable Geometry Toroidal Engine) інженери відчували ще в 2005 році.

Тор тут грає роль циліндра, всередині якого обертається ротор з парою закріплених на ньому поршнів. Необхідні для забезпечення робочих тактів змінні обсяги утворюються між поршнями з допомогою тонкого розподільного диска з вирізом під поршні, який ремінних або іншим приводом обертається поперек тора. Цей диск обмежує паливно-повітряну суміш в процесі стиснення і робочого ходу.

У 2009 році свій тороидальний мотор, принципово повторює канадський, розробили американці Гаррі Келлі і Рік Айваса (відео вище). За їхньою оцінкою, тор півметрової діаметра забезпечував би 230 к.с. і близько 1000 Н • м всього за 1050 об / хв. Але ... На сайті їх фірми Garric Engines зараз висить заглушка «Дякуємо за інтерес. В майбутньому сторінка може бути оновлена ​​». Можливо, трохи краща доля чекає так званий нутационнимі двигун, придуманий американцем Леонардом Мейером в 2006 році - його хоча б побудували в декількох примірниках.

Нутація латиною означає «кивати». Мейер сформував чотири робочі камери змінного об'єму між корпусом двигуна і «кивають» на всі боки диском, який грає роль поршня. Диск розрізаний навпіл уздовж свого діаметра і нанизаний на Z-подібний вал, з якого і знімається потужність. За газообмін відповідають канали та клапани в корпусі.

Прототипи мотора Мейєра побудувала компанія Baker Engineering і споріднена їй Kinetic BEI. З єдиним диском діаметром 102 мм агрегат розвиває сім сил, а з парою дисків по 203 мм - вже 120! Довжина дводискового двигуна - 500 мм, діаметр - 300, а робочий об'єм - 3,8 л. На кілограм ваги - 2,5-3 «коня» проти однієї-двох у масових атмосферних ДВС (з немасові деякі мотори Ferrari видають більше трьох сил на кілограм, але при високих 9000 об / хв). Літрова потужність, правда, не вражає. Нині Baker і Kinetic ніби як доводять проекти до розуму, хоча особливої ​​активності на їх сайтах не видно.

Ідея роторних агрегатів різного типу так часто привертає новаторів, ніби один лише відхід від знайомої схеми дає істотне підвищення характеристик. Так, Микола Школяр, виходець з СРСР, давно перебрався в США, з сином Олександром розробив мотор, що нагадує двигун Ванкеля, вивернутий навиворіт. Ротор арахісової форми також обертається в трикутної камері, але на відміну від агрегату Ванкеля ущільнювачі закріплені не на поршні, а на стінках камери.

Для розвитку конструкції Школярі заснували фірму LiquidPiston, якій зацікавилося оборонне агентство DARPA - тепер воно співфінансує експерименти в розрахунку на перспективи роботи «арахісових» агрегатів в легких літальних апаратах, включаючи безпілотники, і в переносних генераторах. Досвідчений моторчик робочим об'ємом 23 см³ володіє непоганим для таких габаритів ККД в 20%. Тепер автори націлені на дизельний прототип вагою близько 13 кг і потужністю 40 л.с. для установки на гібридний автомобіль. Його ККД нібито виросте вже до 45%.

Останній розглянутий нами мотор демонструє, що ідея плоского агрегату (ротор адже можна зробити дуже вузьким) приваблива. Разом з тим для її реалізації самі ротори не так обов'язкові - досить «оквадратіть» традиційний поршень і, відповідно, зробити прямокутним на вигляді зверху циліндр.

Цієї дивної розробці фірми Pivotal Engineering вже кілька років, протягом яких створено ряд зразків, що приводили в рух мотоцикли і літаки. Автори адресують так званий хитний поршень в першу чергу авіації. Крім високих вихідних характеристик по відношенню до ваги і габаритів, такий двотактний агрегат відмінно піддається форсировке за рахунок проходження крізь нерухому вісь поршня (малюнок нижче) рідинного каналу охолодження. З іншою схемою такий трюк скрутний.

За межами нашого огляду залишилося ще багато екзотичних розробок на кшталт 12-роторного мотора Ванкеля, двигуна Найта або агрегатів із зустрічними поршнями, ДВС із змінним ступенем стиснення або з п'ятьма тактами (є й такі!), А ще роторно-лопатеві агрегати, в яких складові частини ротора здійснюють руху, ніби сходяться і розходяться леза ножиць.

Навіть побіжний екскурс за межі класичних ДВС показав, наскільки велика кількість ідей не знаходить масового втілення. Ротори часто губить проблема зносу ущільнень. Роторно-л варіанти того ж страждають від високих знакозмінних навантажень, що руйнують механізм зв'язку лопатей і валу. Це тільки одна з причин, чому ми не зустрічаємо такі «чудеса» на серійних автомобілях.

Друга - в тому, що і традиційні ДВС не стоять на місці. У останніх бензинових зразків з циклом Міллера термічний ККД доходить до 40% навіть без турбонаддува. Це багато. У більшості бензинових агрегатів - 20-30%. У дизелів - 30-40% (на великих судах - до 50). А головне - глобальна альтернатива ДВС вже знайдена. Це електромотори та силові установки на паливних елементах. Тому якщо винахідники чудасій не вирішать всі технічні проблеми в самий найближчий час, вирулити з узбіччя прогресу перед електричками вони просто не встигнуть.