Двигуни майбутнього почуття такту
Розуми винахідників невпинно народжують альтернативні конструкції традиційних агрегатів. Найчастіше це один із головних вузлів автомобіля – двигун. Відокремимо реальність від утопії?
OPOC має єдиний коленвал у центрі двигуна. Зробити мотор легше і компактніше, відмовившись від другого коленвала, дозволило оригінальне компонування шатунів. За відкриття впускних та випускних вікон у стінках циліндрів відповідають самі поршні.
Всі схеми відкриваються в повний розмір на кліку.
ЗУСТРІЧНИЙ РУХ
Особливість двотактного дизеля професора Пітера Хофбауера, який присвятив 20 років свого життя роботі в концерні «Фольксваген», є два поршні в одному циліндрі, що рухаються назустріч один одному. І назва ця підтверджує: Opposed Piston Opposed Cylinder (OPOC) - зустрічні поршні, зустрічні циліндри.
Схожу схему ще в середині минулого століття використовували в авіації та танкобудуванні, наприклад, на німецьких "Юнкерсах" чи радянському танку T-64. Справа в тому, що у традиційному двотактному двигуні обидва вікна для газообміну перекриває один поршень, а в двигунах із зустрічними поршнями в зоні ходу одного поршня розташовується впускне вікно, в зоні ходу другого — випускне. Така конструкція дозволяє раніше відкривати випускне вікно і завдяки цьому краще очищати камеру згоряння від газів, що відпрацювали. І заздалегідь закривати, щоб зберегти деяку кількість робочої суміші, яка у двотактного двигуна зазвичай викидається у вихлопну трубу.
У чому ж особливість конструкції професора? У центральному (між циліндрами) розташування коленвала, що обслуговує відразу всі поршні. Це рішення призвело до досить хитромудрої конструкції шатунів. Їх по парі на кожній шийці колінвала, причому на зовнішні поршні припадає по парішатунів, розташованих по обидва боки циліндра. Ця схема дозволила обійтися одним коленвалом (у колишніх двигунів їх було два, розміщені по краях двигуна) і зробити компактний, легкий агрегат. У чотиритактних двигунах циркуляцію повітря у циліндрі забезпечує сам поршень, у моторі OPOC – турбонаддув. Для кращої ефективності швидко розігнати турбіну допомагає електромотор, який у певних режимах стає генератором та рекуперує енергію.
Досвідчений зразок, зроблений для армії без огляду на екологічні норми, при масі 134 кг розвиває 325 л. Підготовлений і громадянський варіант — із приблизно на сотню сил меншою віддачею. Як заявляє автор, в залежності від виконання двигун ОРОС на 30-50% легше інших дизелів порівнянної потужності і в два - чотири рази компактніше. Навіть по ширині (це найбільший габаритний вимір) ОРОС всього вдвічі перевершує один із найкомпактніших автомобільних агрегатів у світі — двоциліндровий фіатівський «Твінейр».
Двигун OPOC - зразок модульної конструкції: двоциліндрові блоки можна компонувати в багатоциліндрові агрегати, з'єднуючи їх електромагнітними муфтами. Коли повна потужність не потрібна, для економії палива один або кілька модулів можуть вимкнутися. На відміну від звичайних двигунів з циліндрами, що відключаються, де колінвал ворушить навіть «відпочиваючі» поршні, механічних втрат можна уникнути. Цікаво, а як справи з паливною економічністю та шкідливими викидами? Розробник вважає за краще обходити це питання мовчанням. Зрозуміло — тут позиції двотактників традиційно слабкі.
РОЗДІЛЬНЕ ХАРЧУВАННЯ
У двигуні Кармело Скудері класичні чотири такти розподілені між двома циліндрами: впуск та стиск відбуваються в одному, а робочий хід та випуск – в іншому.
Щеодин приклад уникнення традиційних догм. Кармело Скудері зазіхнув на святе правило чотиритактних моторів: весь робочий процес має відбуватися строго в одному циліндрі. Винахідник поділив цикл між двома циліндрами: один відповідає за впуск суміші та її стиск, другий – за робочий хід та випуск. При цьому традиційні чотири такти двигун, що називається мотором з розділеним циклом (SCC - Split Cycle Combustion), проходить всього за один оборот коленвала, тобто вдвічі швидше.
Ось як цей двигун працює. У першому циліндрі поршень стискає повітря та подає його в з'єднувальний канал. Клапан відкривається, форсунка впорскує паливо, і суміш під тиском вривається у другий циліндр. Згоряння в ньому починається при русі поршня вниз, на відміну від двигуна Отто, де суміш підпалюють трохи раніше, ніж поршень досягне верхньої мертвої точки. Таким чином, згораюча суміш не перешкоджає у початковій стадії горіння рушійному назустріч поршню, а, навпаки, підштовхує його. Автор двигуна обіцяє питому потужність в 135 к.с. з літра робочого об'єму. Причому при значному скороченні шкідливих викидів завдяки більш ефективному згоранню суміші, наприклад, зі зменшенням виходу NOx на 80% порівняно з тим самим показником для традиційного ДВЗ. Заодно стверджують, що SCC на 25% економічніші за рівні за потужністю атмосферних моторів. Однак зайвий циліндр – це додаткова маса, збільшення габаритів, зростаючі втрати на тертя. Щось не віриться. Особливо якщо взяти за приклад нове покоління наддувних двигунів, зроблених під девізом даунсайзингу.
До речі, для цього двигуна придумано оригінальну схему рекуперації та наддуву «в одному флаконі» під назвою Air-Hybrid. Під час гальмування двигуном циліндр робочого ходу відключається (клапани закриті), ациліндр стиснення наповнює спеціальний резервуар стисненим повітрям. При розгоні відбувається зворотне: не працює циліндр стиснення, а робітник нагнітається запасене повітря - свого роду наддув. Власне, за такої схеми не виключається і повний пневморежим, коли повітря штовхатиме поршні поодинці.
ПОТУЖНІСТЬ З ПОВІТРЯ
Ліно Гуззелло використав для покращення характеристик двигуна рекуперацію повітря. Він акумулюється у додатковому резервуарі, пов'язаному з двигуном.
Професор Ліно Гуззелла також використав ідею накопичення стисненого повітря в окремому резервуарі: один із клапанів відкриває шлях від балона до камери згоряння. В іншому це звичайний двигун із турбонаддувом. Досвідчений зразок побудували на базі 0,75-літрового двигуна, запропонувавши його як заміну… 2-літровому атмосферному двигуну.
Розробник для оцінки ефективності свого творіння вважає за краще порівнювати його з гібридними силовими агрегатами. Причому при подібній економії палива (близько 33%) конструкція Гуззелли дорожчає двигун всього лише на 20% - складна бензоелектрична установка обходиться майже вдесятеро дорожче. Однак у тестовому зразку паливо економиться не так за рахунок наддуву з балона, як завдяки малому робочому об'єму самого двигуна. Але перспективи у стисненого повітря в роботі звичайного ДВС все ж таки є: його можна використовувати для пуску мотора в режимі «старт-стоп» або для руху автомобіля на малих швидкостях.
КРУТИТЬСЯ, ВЕРТУЄТЬСЯ КУЛЯ…
Серед незвичайних ДВС мотор Герберта Хюттліна виділяється найбільш примітною конструкцією: традиційні поршні та камери згоряння тут розміщені всередині кулі. Поршні рухаються у кількох напрямках. По-перше, назустріч один одному, утворюючи між собою камери згоряння. Крім того, вони з'єднані попарно вблоки, посаджені на єдину вісь і обертаються за хитрою траєкторією, заданою кільцевою фігурною шайбою. Корпус поршневих блоків об'єднаний з шестернею, що передає момент, що крутить, на вихідний вал.
Через жорсткий зв'язок між блоками при наповненні сумішшю однієї камери згоряння одночасно відбувається випуск газів, що відпрацювали в іншій. Таким чином, за поворот поршневих блоків на 180 градусів відбувається 4-тактний цикл, за повний обіг - два робочі цикли.
Влаштування кульового двигуна з вбудованим електромотором: 1 - приводна шестерня; 2 - статор електромотора; 3 - постійні магніти; 4 - ротор електромотора; 5 - камера згоряння 1; 6 - кульові напрямні поршнів; 7 — кільцева напрямна для руху поршнів; 8 - підшипник ротора; 9 - камера згоряння 2; 10 - свічка запалювання; 11 - відведення вихлопних газів; 12 - забір повітря; 13 - вихідний вал.
Перший показ кульового двигуна на Женевському автосалоні привернув увагу. Концепція, безперечно, цікава — за роботою 3D-моделі можна спостерігати годинами, намагаючись розібратися, як працює та чи інша система. Однак за гарною ідеєю має бути втілення в металі. А розробник поки що ні слова не говорить про хоча б приблизні значення основних показників агрегату — потужності, економічності, екологічності. І, головне, про технологічність та надійність.
МОДНА ТЕМА
Роторно-лопатевий двигун винайшли трохи менше століття тому. І, напевно, ще довго не згадували б про нього, якби не з'явився амбітний проект українського народного автомобіля. Під капотом "е-мобіля" нехай і не відразу, але повинен з'явитися саме роторно-лопатевий двигун, та ще й у парі з електромотором.
Коротко про пристрій. На осі встановлені два ротори з парою лопатей на кожному, що утворюють камеризгоряння змінної величини. Ротори обертаються в одному напрямку, але з різними швидкостями один доганяє інший, суміш між лопатями стискається, проскакує іскра. Другий починає рух коло, щоб на наступному колі «підштовхнути» сусіда. Подивіться на малюнок: у правій нижній чверті відбувається впуск, у правій верхній стиснення, потім проти годинникової стрілки робочий хід і випуск. Запалення суміші здійснюється у верхній точці кола. Таким чином, за один оборот ротор відбувається чотири робочі такти.
Схеми роторно-лопатевого двигуна.
Очевидні переваги конструкції - компактність, легкість та гарний ККД. Проте є й проблеми. З них головна – точна синхронізація роботи двох роторів. Завдання це непросте, а рішення має бути недорогим, інакше «е-мобіль» ніколи не стане народним.