Двигун Ванкеля, двигун Стірлінга та різні типи турбосилових агрегатів ніколи не увійшли в автомобільне виробництво. Ряд відомих компаній (від Mazda до GM, від Mercedes до Volvo) працювали над ними десятиліттями, невеликі фірми та окремі винахідники теж зберігалися. На жаль, виявилося, що підводних каменів в конкретній конструкції набагато більше, ніж здавалося спочатку. Але це не означає, що розробка альтернативних енергоблоків неможлива. Ентузіасти перебирають різні ідеї, а ми хочемо поділитися з вами кількома екзотичними схемами.
Деякі творці перспективних двигунів вирішили, що комбінація циліндра, поршня, шатуна і колінчастого вала зарекомендувала себе більш ніж століттям і не варто винаходити її заново, щоб поліпшити параметри двигуна внутрішнього згоряння — досить просто виправити деякі аспекти. Тому першим у нашому списку йде двигун американської компанії Scuderi Group, який має класичні такти впуску, стиснення, потужності і випуску, але вони відбуваються не в одному циліндрі, а в різних. Так званий холодний циліндр відповідає за впуск і стиснення, а другий, гарячий, – за робочий хід і випуск.
Поки в робочому циліндрі відбувається розширення газу, в холодному, компресорному, відбувається такт впуску. Вихлоп в робочий, компресійний в холодний. В кінці такту стиснення поршні підходять до своїх верхніх мертвих точок, суміш переміщується по перепускному каналу з холодного циліндра в гарячий і запалюється. Такий спліт-цикл (в принципі, цикл Отто, хоч і модифікований) придумали американці в 2006 році, а в 2009-му побудували пілотний Scuderi Split Cycle Engine. Компресор і робочі циліндри можуть мати різні діаметри і ходи поршнів, що дає можливість гнучко регулювати параметри – це аналог циклу Міллера з додатковим розширенням газу.
Якщо додати в канал між циліндрами гілку з клапанами і балон високого тиску, то можна змусити такий мотор накопичувати енергію при гальмуванні і використовувати її при розгоні. Однак протягом ряду років діяльність Scuderi Group обмежувалася лише прототипами та участю у виставках. Здається, реальна ефективність все ще не може перемогти високу складність конструкції тут.
До розділеного робочого циклу звернулися і розробники хорватської компанії Paut Motor. Їх «рознесений» дизайн привернув увагу меншою кількістю деталей, низьким тертям і зниженим шумом. І необхідність зовнішнього бачка для системи змащення, викликана тим, що в картері немає масла, не лякала. Винахідники побудували кілька прототипів. При об’ємі сім літрів їх розміри (500×440×440 мм) і вага (135 кг) майже вдвічі менші, ніж у традиційних двигунів внутрішнього згоряння. Але вихід так і не був визначений. Останній прототип був зібраний в 2011 році, а потім проект застопорився.
Двотактний двигун Bonner (названий на честь спонсора Bonner Motor), винайдений у 2006 році в США Вальтером Шмідом, ще складніший. Як і в проекті Paut Motor, тут циліндри розташовані у формі літери X, а колінчастий вал також здійснює планетарний рух завдяки системі передач.
Клапани в днищах циліндрів і обертові золотникові клапани в корпусі двигуна відповідають за розподіл газу в Боннері. У той же час зовнішні поршні можуть трохи зміщуватися під тиском масла, забезпечуючи змінний ступінь стиснення. Яка складна схема! І все це заради високої потужності на одиницю ваги. Теоретично Bonner виглядає цікаво, але на практиці про нього давно не було жодних новин — мабуть, він не виправдав очікувань.
Інші винахідники не змінювали робочі цикли двигуна внутрішнього згоряння, але акцентували увагу на розташуванні його частин. Це, наприклад, осьові двигуни, яким більше ста років. Всі вони відрізняються деталями, але їх об’єднує загальний принцип – циліндри розташовані як патрони в циліндрі револьвера, з коаксіальним вихідним валом. За перетворення зворотно-поступальних рухів поршнів в обертання вала відповідають різні системи, наприклад пальці, нахилені до поздовжньої осі двигуна, конічні шайби і т.п.
Новозеландський проект компанії Duke Engines, п’ятициліндровий чотиритактний двигун об’ємом три літри, являє собою різновид осьових агрегатів. У порівнянні з класичним двигуном внутрішнього згоряння тієї ж потужності, цей, за підрахунками авторів, був на 19% легшим і на 36% компактнішим. Його обіцяли використовувати в самих різних сферах, але мрії підкорити весь світ так і залишилися мріями.
Двигун RadMax канадської компанії Reg Technologies є ще більш складним осьовим прикладом. Тут замість циліндрів десяток відсіків організовано в загальному барабані за допомогою тонких лопатей. У пазах ротора встановлені пластини, які рухаються вздовж них при його обертанні. Отримані змінні обсяги обмежують вигнуті поверхні на кінцях: вони задають траєкторію руху лопатей і контролюють газообмін.
Схема RadMax дозволяє створювати двигуни для різних видів палива, хоча спочатку винахідники вибрали дизель. У 2003 році був побудований прототип діаметром і довжиною всього 152 мм. Він розвивав 42 кінські сили – у багато разів більше, ніж аналогічний двигун внутрішнього згоряння. Пізніше компанія повідомила про створення більших прототипів на 127 і 380 кінських сил. Але, судячи з релізів, вся його діяльність все одно не виходить за межі експериментів.
Toroidal Round Engine (або VGT Engine) вже зниклої канадської компанії VGT Technologies – ще один приклад переваги теорії над практикою. Перші прототипи двигуна з тороїдом змінної геометрії (звідси букви VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) були випробувані інженерами ще в 2005 році.
Тороїд тут грає роль циліндра, всередині якого обертається ротор із закріпленою на ньому парою поршнів. Змінні об’єми, необхідні для забезпечення силових ходів, утворюються між поршнями за допомогою тонкого розподільного диска з вирізом для поршнів, який обертається по тороїду за допомогою ремінної або іншої передачі. Цей диск обмежує паливно-повітряну суміш під час такту стиснення та потужності.
У 2009 році американські підприємці Гері Келлі і Рік Івас розробили свій тороїдальний двигун, по суті відтворивши канадський. За їхніми оцінками, тороїд діаметром півметра забезпечував би 230 к.с. і близько 1000 Н⋅м лише при 1050 об/хв. Але… зараз на сайті їхньої компанії Garric Engines є заглушка: «Дякуємо за інтерес. Сторінка може бути оновлена в майбутньому». Можливо, трохи краща доля чекає на так званий nutating engine, винайдений американцем Леонардом Майєром у 2006 році – принаймні, він був побудований у кількох екземплярах.
Назва двигуна походить від латинського nutatio. Мейер утворив чотири робочі камери змінного об’єму між корпусом двигуна і поворотним в сторони диском, який виконує роль поршня. Диск розрізаний навпіл по діаметру та нанизаний на Z-подібний вал, який виробляє потужність. Канали і клапани в організмі відповідають за газообмін.
Прототипи двигуна Мейєра були побудовані компанією Baker Engineering та її дочірньою компанією Kinetic BEI. З одним диском діаметром 102 мм агрегат розвиває сім к.с., а з парою дисків 203 мм – аж 120! Довжина дводискового двигуна становить 500 мм, діаметр – 300 мм, об’єм – 3,8 л. 2,5-3 кінських сили на кілограм проти однієї-двох для серійних атмосферних двигунів внутрішнього згоряння (серед немасових двигунів деякі двигуни Ferrari видають більше трьох кінських сил на кілограм, але при високих 9000 об/хв). Однак літровий об’єм не вражає. Зараз Бейкер і Кінетик, здається, приводять проекти в форму, хоча на їхніх веб-сайтах не так багато активності.
Ідея роторних агрегатів різного типу настільки часто приваблює новаторів, ніби один лише відхід від звичної схеми дає істотний приріст продуктивності. Так, уродженець СРСР Микола Школьник, який давно переїхав до США, разом зі своїм сином Олександром розробили двигун, що нагадує вивернутий навиворіт двигун Ванкеля. Ротор у формі арахісу обертається в трикутній камері так само, але на відміну від агрегату Ванкеля, ущільнення кріпляться не до поршня, а до стінок камери.
Для розробки дизайну Школьники заснували компанію LiquidPiston, до якої залучили DARPA — тепер воно співфінансує експерименти з метою експлуатації «арахісових» агрегатів у легких літаках, у тому числі дронах, і в портативних генераторах. Прототип двигуна об’ємом 23 см3 має непоганий для таких розмірів ККД 20%. Зараз автори націлені на дизельний прототип вагою близько 13 кг і потужністю 40 к.с. для установки на гібридний автомобіль. Його ефективність нібито зросте до 45%.
Останній двигун, який ми розглянемо, демонструє, що ідея плоского агрегату (адже ротор можна зробити дуже вузьким) спокуслива. При цьому самі ротори для його реалізації не так вже й потрібні — досить спрямувати традиційний поршень і, відповідно, зробити циліндр прямокутним у вигляді зверху.
Ця дивна розробка компанії Pivotal Engineering існує вже кілька років, протягом яких було створено ряд прототипів, які оснащують мотоцикли та літаки. Так званий хитний поршень автори адресують насамперед авіації. Крім високих вихідних характеристик по відношенню до ваги і габаритів, такий двотактний агрегат відмінно справляється з форсуванням за рахунок проходження каналу рідинного охолодження через нерухому вісь поршня. З іншою схемою такий трюк складний.
За межами нашого огляду є багато екзотичних розробок, наприклад, 12-роторний двигун Ванкеля, двигун Найта або агрегати з опозитними поршнями, двигуни внутрішнього згоряння зі змінним ступенем стиснення або з п’ятьма тактами (такі теж є!), а також блоки з обертовими лопатями, в яких компоненти ротора здійснюють рухи, подібні до збіжних і розбіжних лез ножиць.
Навіть побіжний екскурс за межі класичних двигунів внутрішнього згоряння показав, скільки ідей не втілено в масовому виробництві. Ротори часто псуються через проблему зносу ущільнень. Роторно-лопатеві варіанти також страждають від високих знакозмінних навантажень, які руйнують механізм з’єднання лопатей з валом. Це лише одна з причин, чому ми не бачимо таких «чудес» на серійних автомобілях.
Друга причина – виробництво традиційних двигунів внутрішнього згоряння не стоїть на місці. В останніх зразках бензину з циклом Міллера тепловий ККД досягає 40% навіть без турбонаддува. Це дуже багато. Більшість бензинових агрегатів мають 20-30%. Дизелі – 30-40% (на великих кораблях – до 50). А головне – глобальна альтернатива двигуну внутрішнього згоряння вже знайдена. Це електродвигуни та силові агрегати на паливних елементах. Тому, якщо винахідники цікавинок не вирішать усі технічні проблеми найближчим часом, вони просто не зможуть вирулити з краю прогресу перед електромобілями.
Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html
Published October 07, 2021 • 16m to read
