Зачем инженеры возвращают встречные поршни
Тот факт, что миллиардер Билл Гейтс и инвестиционная компания Khosla Ventures решили инвестировать миллионы в EcoMotors, компанию, которая разрабатывает двигатели со встречным движением поршней, побудил нас уделить больше внимания этой разработке. Такие двигатели имеют довольно долгую историю, но широкого распространения при этом не получили, по крайней мере, на автомобильном транспорте. Компания EcoMotors дала новый виток развития тому, что, казалось бы, уже известно.
EcoMotors окрестила свой двигатель с двумя противоположными цилиндрами, каждый из которых имеет два противоположных поршня, довольно незамысловато — OPOC, что означает Opposed Piston Opposed Cylinder (оппозитные поршни и цилиндры). Технически по этой схеме могут работать как бензиновый двигатель (или двигатель внутреннего сгорания, потребляющий спирт), так и дизельный двигатель, но пока компания сосредоточилась на втором варианте.
Двигатель OPOC является двухтактным, так что противоположные поршни каждого цилиндра совершают рабочий ход за один оборот коленчатого вала. По мере движения к мертвым точкам, они открывают окна в стенках цилиндров. При этом один из поршней управляет впуском, другой — выпуском. Окна устроены таким образом, что выпускное открывается немного раньше и закрывается несколько раньше, чем впускное. Это играет существенно важную роль для хорошего газообмена.
Снятие головок цилиндров, клапанов и приводных механизмов упростило двигатель, сделало его легче, снизило потери на трение и даже расход масла (по данным компании, эти показатели стали вдвое ниже, чем у обычного дизеля). Но ведь и другие двухтактные двигатели со встречным движением поршней, похоже, тоже могут похвастаться такими преимуществами, не так ли?
Что кардинально отличает новинку от ее собратьев так это то, что все поршни в ней соединены с одним центральным коленчатым валом, в то время как аналогичные конструкции раньше требовали двух коленчатых валов по краям двигателя. Следовательно, они были заметно крупнее и тяжелее, и неудивительно, что они использовались в основном на тепловозах и судах. Что ж, двигатель OPOC нацелен на гораздо более широкий спектр машин.
Как и любой двухтактный двигатель, OPOC нуждается во внешнем устройстве для продувки цилиндров при открытии окон. В данном случае конструкторы решили возложить эту обязанность на турбокомпрессор. Но очевидно, что это не поможет при запуске двигателя, а сами цилиндры не способны “вдыхать” и “выдыхать”.
Решение снова было найдено в давней идее, которую опробовали несколько компаний, но так и не применили на практике. Инженеры установили электродвигатель на вал классического рабочего колеса. При запуске и до тех пор, пока двигатель внутреннего сгорания не наберет скорость, этот двигатель получает энергию от батарей, обеспечивая тем самым “дыхание” двигателя OPOC. А потом мотор выключается, и турбонагнетатель превращается в самый обычный. Более того, на высоких скоростях, когда поток выхлопных газов велик, электродвигатель в турбине может превратиться в генератор, который питает аккумуляторы автомобиля.
По словам создателей данной схемы, для нее характерна очень хорошая продувка цилиндров, а потому удается получить максимальную отдачу от самого двухтактного цикла, теоретически достигая вдвое большего соотношения мощности к объему по сравнению с четырехтактным. Хотя на практике такие показатели еще не удалось получить. Система OPOC имеет ряд других интересных особенностей.
В новой конфигурации каждый из поршней должен покрыть половину расстояния за один ход, чтобы обеспечить заданную рабочую мощность. Это означает более низкую скорость поршня при фиксированной частоте вращения двигателя и, следовательно, меньшие потери на трение. Движок OPOC обязан всеми этими функциями в первую очередь Петеру Хофбауэру. Основатель, председатель и технический директор EcoMotors ранее в течение многих лет руководил разработкой передовых двигателей в компании Volkswagen. Например, в числе его изобретений двигатель VR6 с небольшим (15 градусов) V-образным углом между цилиндрами. Хотя компания EcoMotors была основана в 2008 году, сам Хофбауэр начал задумываться об OPOC задолго до этого.
По данным компании, дизельная версия OPOC на 30-50% легче обычного турбодизельного двигателя той же мощности, содержит на 50% меньше деталей, занимает в два-четыре раза меньше места под капотом и может быть (при определенных условиях) на 45-50% более экономичной. Последнее число вызывает наибольшие сомнения у экспертов, однако, даже если экономия в потреблении преувеличена, у EcoMotors есть основания для оптимистичных заявлений. Первый прототип двигателя внутреннего сгорания OPOC, по данным компании, провел более 500 часов на динамометрическом стенде. Можно констатировать, что схема работает. Но с характеристиками ситуация не так ясна. Модель EM100, которая в настоящее время тестируется инженерами, дает заявленные параметры мощности и крутящего момента только с настройками, которые не учитывают токсичность выхлопных газов. Компания предлагает установить такую версию OPOC на военную технику, для которой соотношение мощности к весу наиболее важно.
Для обычных автомобилей EcoMotors предлагает настроить те же двигатели немного по-другому: на 300 л. с. и 746 Н·м. В этом случае они обещают “всего” 15-процентное повышение топливной эффективности по сравнению с обычными дизельными двигателями, но даже это выглядит как огромный шаг вперед, поскольку компании обычно борются за каждый процент. Дальнейшая экономия возможна при объединении пары таких двигателей в четырехцилиндровый агрегат. То, что раньше было независимым двигателем, превращается в модуль. Компания EcoMotors намерена установить между ними муфту с электронным управлением. Мол, только один модуль будет работать при низкой нагрузке, а второй модуль присоединится при высокой нагрузке. А так как OPOC хорошо сбалансирован, все действующие здесь силы компенсируют друг друга, а двигатель имеет минимум вибраций, то активация «спящей» половины будет проходить плавно в любое время.
Идея похожа на хорошо известное отключение цилиндров в больших V-образных двигателях. Но в то время как холостые поршни все еще продолжают двигаться вверх и вниз в этом случае, здесь половина двигателя полностью останавливается, а вторая продолжает работать в благоприятном режиме. Кроме того, инженеры предлагают немного снизить максимальную мощность каждого модуля в такой бинарной схеме — до 240 л. с. (480 будет вырабатываться всем агрегатом). С точки зрения соотношения мощности и веса это все равно будет очень приличный двигатель, и можно будет добиться максимальной экономии топлива (те же 45%) и соблюдения самых строгих стандартов по токсичности выхлопных газов, говорят разработчики.
На данный момент OPOC — это система незрелая, а ее разработчики в основном только дают обещания. Но они настроены оптимистично и даже решили расширить линию. На чертежах уже можно увидеть 75-сильный двухцилиндровый двигатель EM65, который немного меньше по размеру и весу, чем EM100. Его, к слову, хотят сделать бензиновым. Сфера применения EM65 вполне очевидна: легкие грузовики и автомобили, в том числе гибриды. Определенной, но не абсолютной гарантией успеха экзотического двигателя внутреннего сгорания является репутация его главного конструктора: Петер отдал 20 лет жизни работе в концерне Volkswagen. И, кстати, неудивительно, что его нынешняя работа перекликается с проектами автоконцерна Porsche, который стоял у истоков знаменитого немецкого бренда.
Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e5522.html
