Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса

Двигатель Ванкеля, двигатель Стирлинга и различные типы турбомоторных агрегатов никогда не были на пике популярности. Ряд известных компаний (от Mazda и GM до Mercedes и Volvo) работали над ними десятилетиями, небольшие фирмы и отдельные изобретатели также проявили настойчивость. Увы, в том или ином дизайне гораздо больше подводных камней, чем казалось изначально. Но это не значит, что разработка альтернативных энергоустановок невозможна. Энтузиасты прорабатывают всевозможные идеи, и мы хотели бы поделиться с вами несколькими экзотическими схемами.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация цилиндра, поршня, шатуна и коленчатого вала уже за столетие отлично зарекомендовала себя и нет необходимости изобретать велосипед, чтобы улучшить параметры двигателя внутреннего сгорания — достаточно просто подкорректировать некоторые аспекты. Поэтому первым в нашем списке стоит двигатель американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, мощности и выпуска, но они происходят не в одном цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий, — за силовой ход и выпуск.

В то время как в рабочем цилиндре происходит расширение газа, в холодном, компрессорном, происходит такт впуска. Выхлоп осуществляется в рабочем, а сжатие в холодном. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мертвым центрам, смесь перемещается по перепускному каналу из холодного цилиндра в горячий и воспламеняется. Такой сплит-цикл (по сути, цикл Отто, хотя и модифицированный) был изобретен американцами в 2006 году, а в 2009 году они создали пилотный двигатель Scuderi Split Cycle. Компрессор и рабочие цилиндры могут иметь разные диаметры и ход поршней, что позволяет гибко регулировать параметры — это аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газа.

Если добавить ответвление с клапанами и баллон высокого давления в канал между цилиндрами, можно заставить такой двигатель собирать энергию во время торможения и использовать ее во время ускорения. Однако вот уже много лет деятельность Scuderi Group ограничивалась только прототипами и участием в выставках. Похоже, что реальная эффективность здесь все еще не может превзойти высокую сложность дизайна. 

Разработчики хорватской компании Paut Motor также обратились к разделенному рабочему циклу. Их “разнесенная” конструкция привлекла внимание меньшим количеством деталей, низким трением и сниженным шумом. И необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере нет масла, нисколько не испугала. Изобретатели создали несколько прототипов. При объеме в семь литров их размеры (500×440×440 мм) и вес (135 кг) почти вдвое меньше, чем у традиционных двигателей внутреннего сгорания. Но результат так и не был определен. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект застопорился.

Конструкция двухтактного двигателя Боннера (названного в честь спонсора, Bonner Motor), изобретенного в 2006 году в Соединенных Штатах Уолтером Шмидом, еще сложнее. Как и в проекте Paut Motor, здесь цилиндры расположены в форме буквы X, а коленчатый вал также совершает планетарное движение благодаря системе передач.

Клапаны в днищах цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе двигателя отвечают за распределение газа в Боннере. В то же время внешние поршни могут слегка смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. До чего же мудреная схема! И все это ради высокой мощности на единицу веса. В теории Боннер выглядит интересно, но на практике о нем давно ничего не слышно — видимо, он не оправдал ожиданий.

Другие изобретатели не стали менять рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания, а сосредоточились на расположении его частей, например, осевых двигателей, которым более ста лет. Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры расположены подобно патронам в револьверном цилиндре, с соосным выходным валом. Различные системы, такие как штифты, расположенные под уклоном к продольной оси двигателя, конические шайбы и тому подобное, отвечают за преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала.

Новозеландский проект компании Duke Engines, пятицилиндровый четырехтактный двигатель объемом три литра, представляет собой разнообразные осевые агрегаты. По сравнению с классическим двигателем внутреннего сгорания той же мощности, этот был, по расчетам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Его должны были использовать в самых разных областях, но мечты о завоевании всего мира так и остались мечтами.

Двигатель RadMax канадской компании Reg Technologies представляет собой еще более сложный аксиальный пример. Здесь вместо цилиндров десяток отсеков упорядочены в один общий барабан с помощью тонких лопастей. В пазах ротора установлены пластины, которые перемещаются вдоль них при его вращении. Полученные переменные объемы ограничивают криволинейные поверхности на концах: они задают траекторию лопастей и контролируют газообмен.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели для разных видов топлива, хотя изначально выбор изобретателей пал на дизельное топливо. В 2003 году был построен прототип диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал мощность в 42 лошадиные силы — во много раз больше, чем двигатель внутреннего сгорания аналогичного размера. Позже компания сообщила о создании более крупных прототипов мощностью 127 и 380 лошадиных сил соответственно. Но, если судить по релизам, вся его деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Тороидальный круглый двигатель (или двигатель VGT) более несуществующей канадской компании VGT Technologies является еще одним примером превосходства теории над практикой. Первые прототипы двигателя с тороидом переменной геометрии (отсюда и аббревиатура VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) были испытаны инженерами еще в 2005 году.

Тороид в данном случае выполняет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с прикрепленной к нему парой поршней. Переменные объемы, необходимые для обеспечения силовых ходов, формируются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом для поршней, который вращается поперек тороида с помощью ременной передачи или другого устройства. Этот диск ограничивает топливовоздушную смесь во время сжатия и силового хода.

В 2009 году американские предприниматели Гэри Келли и Рик Айвас разработали свой тороидальный двигатель, по сути воссоздающий канадский. По их оценкам, тороид полуметрового диаметра выдавал бы мощность 230 л. с. и около 1000 Нм при 1050 оборотах в минуту. К сожалению… сейчас на сайте компании Garric Engines есть заглушка: “Спасибо за проявленный интерес. Страница может быть обновлена в будущем.” Возможно, чуть лучшая судьба ждет так называемый нутационный двигатель, изобретенный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — по крайней мере, он был изготовлен в нескольких экземплярах.

Название двигателя восходит к латинскому nutatio. Мейер смоделировал четыре рабочие камеры переменного объема между корпусом двигателя и вращающимся в стороны диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам по диаметру и нанизан на Z-образный вал, который производит мощность. Каналы и клапаны в организме отвечают за газообмен.

Прототипы двигателя Мейера были созданы компанией Baker Engineering и ее дочерней компанией Kinetic BEI. Агрегат развивает мощность в семь л. с. с одним диском диаметром 102 мм и 120 л. с. с парой дисков диаметром 203 мм! Длина двухдискового двигателя составляет 500 мм, диаметр равен 300 мм, а объем — 3,8 литра. 2,5-3 лошадиных силы на килограмм веса против одной или двух для серийных атмосферных двигателей внутреннего сгорания (среди немассовых двигателей некоторые двигатели Ferrari производят более трех лошадиных сил на килограмм, но при высоких 9000 оборотах в минуту). Однако емкость в литр вовсе не впечатляет. Теперь Бейкер и Кинетик, похоже, приводят проекты в форму, хотя на их сайтах нет активности.

Идея роторных агрегатов различных типов так часто привлекает новаторов, как будто отход от привычной схемы дает значительное повышение производительности. Так, Николай Школьник, уроженец СССР, давно эмигрировавший в США, вместе со своим сыном Александром разработал двигатель, напоминающий вывернутый наизнанку двигатель Ванкеля. Ротор в форме арахиса вращается в треугольной камере таким же образом, но, в отличие от блока Ванкеля, уплотнения крепятся не к поршню, а к стенкам камеры.

Для разработки конструкции Школьники основали компанию LiquidPiston, которая привлекла  внимание американского агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам DARPA — теперь оно занимается софинансированием экспериментов с целью эксплуатации «арахисовых» агрегатов в легких самолетах, включая беспилотники, а также в портативных генераторах. Прототип двигателя емкостью 23 см³ имеет хороший КПД 20% для таких размеров. Теперь авторы нацелены на прототип дизеля весом около 13 кг и мощностью 40 л. с. для его установки на гибридный автомобиль. Его эффективность, как утверждают, возрастет до 45%.

Последний двигатель в нашем списке, который мы рассмотрим, демонстрирует, что идея плоского блока (ротор же можно сделать и очень узким) заманчива. При этом сами роторы не так уж необходимы для его реализации — достаточно скруглить традиционный поршень и, соответственно, сделать цилиндр прямоугольным при виде сверху.

Эта странная разработка компании Pivotal Engineering существует уже много лет, в течение которых был создан ряд прототипов, что приводили в движение мотоциклы и самолеты. Авторы обращаются к так называемому качающемуся поршню в первую очередь в авиации. В дополнение к высоким выходным характеристикам по отношению к массе и габаритам такой двухтактный агрегат прекрасно способен форсировать за счет прохождения канала жидкостного охлаждения через неподвижную ось поршня. Такой трюк сложно провернуть с другой схемой.

За пределами нашего обзора есть много экзотических разработок, таких как 12-роторный двигатель Ванкеля, двигатель Найта или агрегаты с противоположными поршнями, двигатели внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия или пятью тактами (да, бывают и такие!), А также роторно-лопастные агрегаты, в которых компоненты ротора совершают движения, подобные сходящимся и расходящимся лезвиям ножниц.

Даже беглый экскурс за пределы классических двигателей внутреннего сгорания показал, как много идей остаются нереализованными в массовом производстве. Роторы часто разрушаются вследствие износа уплотнителей. Варианты с вращающимися лопастями также страдают от высоких переменных нагрузок, которые разрушают механизм соединения между лопастями и валом. Это лишь одна из причин, по которой мы не видим подобных “чудес” на серийных автомобилях.

Вторая же причина заключается в том, что производство традиционных двигателей внутреннего сгорания не стоит на месте. В последних бензиновых образцах с циклом Миллера тепловой КПД достигает 40% даже без турбонаддува. Это очень много. Большинство бензиновых агрегатов выдают лишь 20-30%. Дизельные двигатели — 30-40% (на больших судах — до 50%). И самое важное — глобальная альтернатива двигателю внутреннего сгорания уже найдена. Это электродвигатели и блоки питания на топливных элементах. Поэтому, если изобретатели таких “чудес” не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, они просто не смогут вырулить с обочины прогресса перед электромобилями.

Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html