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.
У найпростішому моторі Scuderi циліндрів два: поршень в холодному циліндрі відстає на 30 градусів повороту коленвала від побратима в гарячому.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.
Експериментальний літровий мотор Scuderi на стенді працює плавно і відносно тихо - навіть без глушника!
За розрахунками мотор Scuderi на 25% економічніше звичайного, а з турбонаддувом і теплообмінником, що передає енергію вихлопних газів повітрю в перепускному каналі, і того вище. У чотирициліндровому варіанті один компресорний циліндр може заганяти суміш в три робочих. 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.
Двотактний агрегат Paut Motor використовує принцип, подібний застосований в моторах Scuderi Group, - стиснення і робочий хід тут відбуваються в різних циліндрах, між якими влаштовані перепускні канали. 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.
В агрегаті Paut Motor - чотири робочих камери з поршнями діаметром 100 мм і чотири компресійних (120 мм). Двосторонні поршні передають зусилля на колінвал, який, завдяки парі шестерень з внутрішнім зачепленням, здійснює планетарний рух.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.
Ключова відмінність від схеми фірми Paut Motor - роль робітників поршнів грають рухливі циліндри, з'єднані з коленвалом (показані червоним). А з зовнішнього боку їх закривають нерухомі поршні (відзначені сірим). 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.
Якийсь містер Смоллбон отримав американський патент на осьової мотор ще в 1906 році. Але якби такий агрегат був ідеалом, через 110 років всі автомобілі використовували б його. 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.
За таким принципом сьогодні працюють деякі компресори. Додавши продумане газорозподіл і запалювання, можна перетворити подібний блок в мотор ... ... такий, як американський Dina-Cam 1960-х з півстолітнім корінням. Завдяки оптимальному співвідношенню ваги і потужності осьові агрегати пророкували на роль моторів для легких літаків.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.
Дослідний зразок мотора Duke був побудований в 2012 році. Потім він миготів на виставках, збирав призи, але ось уже кілька років новин про нього немає.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.
Основні частини мотора RadMax. За один оборот валу тут відбувається 24 повних робочих циклу. 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.
Автори кругового двигуна позбулися зворотно-поступальних рухів. Звідси - радикальне зниження вібрацій. Плюсом можна назвати мінімальне число деталей і хорошу розрахункову економічність. 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.
Система фірми Garric Engines схожа на VGT, однак замість поперечного распреддіска використано шість поворотних золотників.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.
Головний принцип нутационнимі диска: в процесі роботи він не обертається навколо вала, а гойдається з боку в бік. Додавши перегородки, отримуємо відсіки, в яких газ може стискуватися і розширюватися.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.
Робочий диск показаний в розрізі. Мінімалізму, врівноваженості і легкості нутационнимі конструкції позаздрить навіть двигун Ванкеля. 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.
За один оборот валу в дводисковому нутационнимі агрегаті відбуваються ті ж чотири робочих ходу, що і в восьмициліндровому поршневому «четирёхтактніке». На фото - одно- і дводискові робочі прототипи. (До речі, з двох дисків в принципі можна створити і машину з розділеним циклом, одному віддати стиснення суміші, іншому робочий хід.) У 2010 році нутационнимі мотор потрапив в зону інтересу дослідного центру ВПС США. Гаррі Сміт, менеджер лабораторії, демонструє нутрощі мотора і пояснює, що особливу цінність конструкція являє для легкої авіації. 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.
У роторі LiquidPiston є порожнина, яка відіграє свою роль в газообміні. Процес згоряння проходить при постійному об'ємі, а потім йде розширення - це один з факторів, що підвищують ККД.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%.
Перший зразок мотора Школярів можна покласти на долоню. Він важить 1,8 кг і може замінити вдесятеро більше важкий поршневий ДВС карта (показаний зліва). Потужність всього 3 к.с., але класичний двигун такого розміру був би ще слабше. 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.
Задумка компанії Pivotal Engineering з Нової Зеландії є мотор з хитними прямокутними (в плані) поршнями. Один їх край закріплений на нерухомій осі, другий - пов'язаний з шатуном. Праворуч - чотирициліндровий зразок на 2,1 л. 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.
Ще приклад дивацтв - H-подібний двигун, який об'єднує в собі дві рядні «п'ятірки». Автор патенту Луї Хернс вважає, що одну половину агрегату можна адаптувати під бензин, а іншу - під метан і активувати їх як нарізно, так і разом. 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.
