Уже более 100 лет в легковом автомобилестроение используются двигатели внутреннего сгорания и за все это время никаких революционных изменений в их работе или промышленном строение придумано не было. Однако, недостатков у этих моторов предостаточно. Борьбу с ними инженеры вели всегда, как ведут и по сей день. Случается, что некоторые идеи перерастают в довольно оригинальные и впечатляющие технические решения. Одни из которых так и остаются на стадии разработки, а другие воплощаются в жизнь на некоторых сериях автомобилей.
Поговорим о наиболее интересных инженерных разработках в области «автодвигателей»
Заметные факты истории
Классический четырехтактный мотор был изобретен в далеком 1876 году одним немецким инженером по имени Николаус Отто, цикл работы такого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) прост: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Но уже через 10 лет после варианта Отто британский изобретатель Джеймс Аткинсон предложил усовершенствовать данную схему. На первый взгляд цикл Аткинсона, его порядок тактов и принцип работы такой же как и двигателя, который изобрел немец. Однако, по сути это абсолютно другая и весьма оригинальная система.
Перед тем как мы расскажем об изменениях в классическом строении ДВС, посмотрим о принципе работы такого двигателя, чтобы всем было понятно о чем мы говорим.
3-D модель работы ДВС:
Комментарии и простейшая схема ДВС:
Цикл Аткинсона
Во-первых, в двигателе Аткинсона имеется уникальный коленчатый вал, обладающий смещенными точками крепления.
Такая новация позволила сократить количество потерь на трение и увеличить уровень сжатия двигателя.
Во-вторых, двигатель Аткинсона имеет иные фазы распределения газа. В отличие от двигателя Отто, где клапан впуска закрывается почти сразу после прохождения поршнем нижней точки, в двигателе британского изобретателя такт впуска намного длиннее, в результате чего клапан совершает закрытие, когда поршень уже на полпути к верхней мертвой точке цилиндра. В теории такая система должна была улучшить процесс наполнения цилиндров, что в свою очередь привело бы к экономии топлива и увеличению показателей мощности мотора.
В общем-то, цикл Аткинсона на 10% показательней по эффективности, чем цикл Отто. Но все же серийно автомобили с таким ДВС не выпускались и не выпускаются.
Цикл Аткинсона на практике
А дело все в том, что обеспечить свою нормальную работу такой двигатель может только на повышенных оборотах, при холостых — он так и стремится заглохнуть. Чтобы этого не происходило, разработчики и инженеры пытались внедрить в систему нагнетатель с механикой, но его установка, как выяснилось, сводит практически к нулю все плюсы и достоинства двигателя Аткинсона. В виду этого серийно автомобили с таким двигателем практически не выпускались. Один из самых известных — Mazda Xedos 9/Eunos 800, выпускаемая в 1993-2002 годах. Автомобиль оснащался 2,3-литровым двигателем V6, с мощность в 210 л.с.
Mazda Xedos 9/Eunos 800:
А вот производители гибридных автомобилей с радостью стали применять в разработках данный цикл ДВС. Потому как при малой скорости такая машина движется, используя свой электрический двигатель , а для разгона и быстрой езды ей нужен бензиновый, тут-то и можно по максимуму воплотить в жизнь все достоинства цикла Аткинсона.
Золотниковое газораспределение
Главным источником шума в двигателе автомобиля является газораспределительный механизм, ведь в нем довольно много движущихся частей — различные клапаны, толкатели, распределительные валы и т.д. Многие изобретатели пытались «утихомирить» такой громоздкий механизм. Пожалуй, больше всего это удалось американскому инженеру Чарльзу Найту. Он изобрел свой собственный двигатель.
В нем нет ни стандартных клапанов, ни привода к ним. Заменяют эти детали — золотники, в форме двух гильз, которые размещены между поршнем и цилиндром. Уникальный привод заставлял двигаться золотники в верхнее и нижнее положение, они в свою очередь открывали в нужный момент окна в цилиндре, куда поступало топливо, а в атмосферу выделялись выхлопные газы.
Для начала XX века такая система была довольно бесшумной. Не мудрено, что ей стало интересоваться все большее и большее количество автопроизводителей.
Только вот стоил такой двигатель далеко не дешево, поэтому и прижился он только на престижных марках, типа Mercedes-Benz, Daimler или Panhard Levassor, покупатели которых гнались за максимальным комфортом, а не дешевизной.
Но век мотора, изобретенного Найтом, оказался недолгим. И уже в 30-ые годы прошлого столетия автопроизводители поняли, что двигатели такого типа довольно не практичны, потому как конструкция их не совсем надежна, а высокая степень трения между золотниками увеличивает и расход топлива и масла. Потому-то узнать автомобиль с ДВС такого типа можно было по сизому дымку из выхлопной трубы автомобиля от горящей смазки.
В мировой практике было множество всевозможных решений в области модернизации классического двигателя внутреннего сгорания, однако, его первоначальная схема сохранилась до сих пор. Некоторые автопроизводители конечно же применяют на практике открытия успешных ученых и умельцев, но по своей сути, ДВС — остался прежним.
В статье использованы изображения с сайтов www.park5.ru, www.autogurnal.ruВ основу концепции двигателя, придуманного Кармело Скудери, американским автомехаником-самоучкой, положен принцип разделения цилиндров на рабочие и вспомогательные. В отличие от схемы Отто, в двигателе с разделенным циклом SCC (Split-Cycle Combustion) на каждый оборот вала приходится один рабочий такт. Вспомогательные цилиндры, в которых поршень сжимает воздух, соединяются с основными через перепускные каналы. В каждом из каналов находится по два клапана — компрессионный и расширительный. В пространстве между ними воздух достигает максимального уровня сжатия. Впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра происходит одновременно с открытием расширительного клапана, а зажигание — после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Волна газов как бы догоняет его, исключая детонацию смеси. В ходе виртуальных испытаний рядного прототипа двигателя Скудери было выявлено, что он очень стабилен. Коэффициент отклонения параметров рабочих тактов от средней величины в наиболее «проблемной» зоне оборотов — от холостых до полутора тысяч — у SCC почти вдвое ниже, чем у ДВС Отто: 1,4% против 2,5. На первый взгляд это немного, но для профессионалов разница огромна. Данный показатель говорит об очень высоком качестве смеси и точнейшей ее дозировке. Безнаддувный четырехцилиндровый рядный двигатель Скудери на 25% экономичнее обычных аналогов по мощности, а его оригинальная гибридизированная версия Scuderi Air-Hybrid — на 30−36%. В Air-Hybrid предварительное сжатие воздуха в пневматическом аккумуляторе-ресивере происходит во время торможения автомобиля. Затем воздух подается в перепускной канал, снижая нагрузку на поршень вспомогательного цилиндра.
Двигатель Скундери. Производство двигателей системы Кармело Скудери можно легко организовать на любом моторостроительном предприятии с использованием традиционных узлов. Но нужно ли это производителям?..
В 2011 году компанией будет представлен двигатель второго поколения с V-образной архитектурой, в котором перепускные каналы будут сделаны в виде отдельных модулей. В первой версии — с цельнолитой головкой — они находились в стенке между парами цилиндров. V-образная схема позволяет улучшить доступ к ним со стороны ресивера и обеспечить более эффективное охлаждение узла. По прогнозам ученых научно-исследовательского института Саутвест, которые вплотную занимаются доводкой виртуальной модели рядного двигателя, разница в КПД между такой «четверкой» и равносильным мотором Отто достигнет 50%. Небольшой вес, отличная удельная мощность (135 л.с. на литр объема) и технологическая простота SCC делают его весьма перспективным для внедрения в жизнь. Известно, что пристальный интерес к нему проявляют сразу несколько игроков высшей лиги мирового автопрома, а также производители комплектующих. В частности, знаменитая компания Robert Bosch. Президент Scuderi Group Сэл Скудери уверен, что уже через три года детище его отца пойдет в серию.
Вряд ли Lotus Omnivore когда-либо станет основным силовым агрегатом для автомобиля. Но в качестве вспомогательного — например, генератора — он вполне подходит.
Lotus Omnivore
Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных движков серьезно недооценен автопроизводителями, а прожорливость — всего лишь миф. Они прогнозируют их триумфальное возвращение в 2013 году под капоты серийных автомобилей. В 2009 году в Женеве компания представила концептуальный 500-кубовый двигатель Omnivore, работающий на любом виде жидкого топлива. Моторчик блещет сразу несколькими инновационными технологиями, главная из которых - изменяемая степень сжатия при помощи подвижной верхней стенки камеры сгорания. В зависимости от вида топлива и нагрузки сжатие в Omnivore может изменяться в диапазоне от 10 до 40 к одному. Приготовление сбалансированной топливовоздушной смеси обеспечивает система прямого впрыска Orbital FlexDI с двумя инжекторами, а параметрами отвода отработанных газов управляет патентованный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve). Похоже, британцам удалось то, к чему стремятся все разработчики инновационных ДВС: в цикле стендовых испытаний Omnivore уверенно поддерживал режим сгорания HCCI даже на оборотах холостого хода и в «красной зоне». Конструкция Omnivore замечательна еще и тем, что его блок и головка отлиты в одной цельной детали.
Ecomotors OPOC. Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал всё новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.
Согласно спецификации, концепт на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6. Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электрогибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.
Ecomotors OPOC
Среди компаний, пытающихся отправить классический ДВС на свалку, американская Ecomotors стоит особняком не только из-за экстравагантности своих идей. Работу над сверхмощным оппозитным двигателем OPOC благословили титан венчурного бизнеса Винод Хосла и миллиардер Билл Гейтс. В совет директоров крохотной компании входит несколько персон, имена которых служат пропуском в закрытый клуб автопроизводителей, а стенды Ecomotors стали привычными на самых элитных мировых автосалонах.
Оппозитный двухтактный двухцилиндровый модульный ДВС под названием OPOC был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Суперкомпактный дизель Хоффбауэра демонстрирует беспрецедентно высокую удельную мощность порядка 3 л.с. на килограмм массы. Например, стокилограммовая «труба» выдает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента. При этом КПД OPOC вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитника — возможность составлять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным двигателем, силовые установки рядной 4-, 6- и 8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности OPOC работает на довольно скромных степенях сжатия в пределах 15−16 к одному и не требует специальной подготовки топлива.
В принципе OPOC — это труба с двумя парами поршней, совершающими одновременные разнонаправленные движения. Пространство между парой — камера сгорания. Шатуны с необычно длинной ножкой соединяют поршни с центральным коленчатым валом. В центре камеры установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные порты расположены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Порты заменяют сложный клапанный механизм и распредвал. Важный элемент конструкции — электрический турбонагнетатель с предварительным подогревом воздуха, заменяющий, в частности, привычные калильные свечи. В момент запуска турбина подает в камеру сгорания заряд сжатого воздуха, нагретого до 100 °C.
IRIS. Основной «фишкой» конструкции двигателя Iris является высокая полезная площадь «поршней"-лепестков. Неподвижные стенки занимают всего 30% от общей площади камеры сгорания, что позволяет заметно повысить КПД двигателя.
По словам президента компании Дональда Ранкла, бывшего вице-президента General Motors, в настоящее время в собственном техцентре Ecomotors проводятся стендовые испытания шестого поколения двигателя, которые завершатся в начале 2012 года. И это будет уже не очередной рабочий прототип, а агрегат, предназначенный для конвейера. Впрочем, интерес к разработке имеется не только у автомобилистов, но и у военных, производителей авиатехники, строителей и горняков. Запланировано производство сразу четырех типов модулей OPOC с диаметрами поршня 30, 65, 75 и 100 мм.
IRIS
Для многих людей наблюдение за причудливо движущимися, вращающимися и пульсирующими механизмами успешно заменяет таблетки от стресса.
Завораживающее глаз детище ученого, изобретателя и предпринимателя из Денвера Тимбера Дика, трагически погибшего в автокатастрофе в 2008 году, можно отнести к гомеопатическим средствам этой категории. Но двигатель внутреннего сгорания IRIS (Internally Radiating Impulse Structure), несмотря на всю свою оригинальность, вовсе не пустышка. Защищенный со всех сторон патентами, он был отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical. Двухтактный ДВС с изменяемой геометрией и площадью поршня, согласно расчетам, имеет КПД 45%, компактные размеры и малый вес. Кроме того, в случае принятия его на вооружение автопроизводителями покупателю не придется переплачивать — цена агрегата будет не выше, чем у обычных бензиновых моторов.
РЛДВС. Отличием роторно-лопастного двигателя от всех остальных, упомянутых в материале, является то, что он находится в считанных миллиметрах от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным двигателем, а с 2012 года — и серия.
Как считал Дик, в стандартной паре «камера сгорания — рабочая поверхность поршня» самым слабым местом является постоянная площадь контакта. На головку приходится всего 25% общей площади камеры. В концепции IRIS шесть поршней, представляющих собой стальные, изогнутые волной лепестки, имеют полезную площадь почти в три раза больше - неподвижные стенки камеры занимают лишь 30% площади.
Воздух поступает в камеру сгорания через впускные клапаны, когда лепестки находятся на максимальном удалении от центра. Одновременно через открытые выпускные клапаны удаляется отработанный газ. Затем лепестки, колеблющиеся на валах, смыкаются к середине камеры, сжимая воздух. В момент максимального сближения при полностью закрытых клапанах происходит впрыск топлива и зажигание. Расширяясь, раскаленные газы раздвигают лепестки-поршни, что, в свою очередь, приводит к повороту валов. В верхней мертвой точке открываются выпускные клапаны. Затем все повторяется снова и снова. Довольно простой редуктор превращает колебание шести валов во вращение главного вала.
Российский роторно-лопастной
Роторно-лопастной двигатель (РЛДВС) — это вовсе не разработка XXI века. Его конструкцию придумали еще в 1930-х, и с тех пор не проходило и десятилетия без появления очередного патента на новый РЛД. Самым известным был, пожалуй, двигатель Вигриянова, созданный в 1973 году. Но попадать в серию РЛД никак не хотели. Основной проблемой была сложность синхронизации валов роторов и тем более снятия с них момента — во времена слабого развития электроники синхронизатор занимал чуть ли не целую комнату; РЛД мог использоваться разве что в качестве стационарной силовой установки. Это сводило на нет одно из его главнейших преимуществ — компактность и небольшой вес.
РЛД — это цилиндр, внутри которого на одной оси установлены два ротора, с парой лопастей каждый. Лопасти делят пространство цилиндра на рабочие камеры; в каждой совершается четыре рабочих такта за один оборот вала. Сложность синхронизации обусловлена в первую очередь неравномерным движением роторов друг относительно друга, их «пульсацией».
Но как только на свет появился компактный и удобный механизм синхронизации, РЛД сразу обрел серьезную серийную перспективу. Самое интересное и приятное, что разработали такой механизм в России, в рамках нашумевшего проекта «ё-мобиль». Энергоустановка «ё-мобиля» весит всего 55 кг (35 — двигатель с синхронизатором, 20 — электрогенератор), а мощность может выдавать порядка 100 кВт, хотя для серийных моделей ее ограничат 45 кВт (60 л.с.). Помимо компактности, РЛД характеризуется возможностью масштабирования. Его можно спокойно увеличивать в размерах вплоть до малого судового двигателя мощностью 1000 кВт. Энерговооруженность силовой установки «ё-мобиля» аналогична двухлитровому 150-сильному ДВС традиционной компоновки.
Другой цикл
В начале ХХ века тихие бесклапанные моторы устанавливались на многие престижные модели. К примеру, под капотом этого шикарного “Daimler Double Six 40/50” стоял именно такой двигатель.
“Mazda Millenia/Xedos 9” - один из немногих массовых автомобилей, который оснащался двигателем Аткинсона.
ОБЫЧНЫЙ 4-тактный двигатель работает по циклу, изобретенному еще в 1876 году немецким инженером Николаусом Отто: в цилиндре при определенных условиях попеременно происходят определенные процессы - впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. В 1886 году эту схему попытался усовершенствовать британский инженер Джеймс Аткинсон.
На первый взгляд его двигатель мало отличался от прародителя - тот же порядок тактов, схожий принцип работы… Однако на самом деле различий было немало. К примеру, за счет специального коленвала со смещенными точками крепления Аткинсону удалось снизить потери на трение в цилиндре и поднять степень сжатия мотора.
Также в подобных двигателях другие фазы газораспределения. Если на обычном ДВС впускной клапан закрывается практически сразу по прохождении поршнем нижней мертвой точки, то в цикле Аткинсона такт впуска значительно длиннее - клапан закрывается лишь на полпути поршня к верхней мертвой точке, когда в цикле Отто уже вовсю идет такт сжатия.
Что это дало? Самое главное - лучшее наполнение цилиндров благодаря снижению так называемых насосных потерь. Не вдаваясь в технические подробности, лишь скажем, что в результате двигатель Аткинсона примерно на 10% эффективнее (и экономичнее) обычного ДВС.
Однако на серийных автомобилях моторы, действующие по схеме Аткинсона, до последнего времени не встречались. Дело в том, что такой двигатель может правильно работать и выдавать хорошие показатели лишь на высоких оборотах. А на холостых он, наоборот, норовит заглохнуть. Чтобы решить проблему наполнения цилиндров на малых оборотах, на подобные моторы приходится устанавливать механические нагнетатели (такую схему иногда не совсем верно еще называют “двигатель Миллера”), что еще больше усложняет и удорожает конструкцию. К тому же потери на привод компрессора практически сводят на нет преимущества необычного мотора.
Поэтому серийные массовые автомобили с двигателями Аткинсона можно пересчитать по пальцам одной руки. Характерный пример - “Mazda Xedos 9/Millenia”, которая выпускалась с 1993-го по 2002 год и оснащалась 210-сильным 2,3-литровым V6.
Зато в чистом виде моторы Аткинсона оказались очень подходящими для гибридных моделей вроде знаменитого “Toyota Prius” или новейшего “Mercedes-Benz” S-класса, который вскоре пойдет в серийное производство. Ведь на малых скоростях такие машины передвигаются в основном на электротяге, а бензиновый двигатель подключается только при разгоне или при больших нагрузках. Эта схема, с одной стороны, позволяет нивелировать врожденные недостатки мотора Аткинсона, а c другой - максимально использовать его положительные качества.
Бесшумные золотники
Благодаря высокой экономичности моторы, работающие по циклу Аткинсона, сегодня все чаще используются на гибридных автомобилях вроде “Toyota Prius”.
МЕХАНИЗМ газораспределения - один из самых сложных и шумных в традиционном двигателе. Поэтому многие изобретатели пытались полностью избавиться от него или хотя бы существенно модернизировать.
Пожалуй, самой успешной альтернативной конструкцией стал мотор, созданный американским инженером Чарльзом Найтом в начале ХХ века. Привычных клапанов и их громоздкого привода в этом двигателе не было - их заменили специальные золотники в виде двух гильз, размещенных между цилиндром и поршнем. С помощью оригинального привода золотники перемещались вверх-вниз и в необходимый момент открывали окна в стенке цилиндра, через которые внутрь поступала свежая горючая смесь и удалялись в атмосферу выхлопные газы.
Такой мотор был сложен в изготовлении и достаточно дорог, зато он отличался очень тихой, практически бесшумной по меркам того времени работой. Поэтому многие компании, выпускавшие представительские автомобили, стали устанавливать двигатели Найта на свои модели. Покупатели готовы были переплачивать ради высокого комфорта. В начале прошлого века подобные моторы использовали такие известные фирмы, как “Daimler”, “Mercedes-Benz”, “Panhard-Levassor”..
Однако первоначальный восторг от бесшумной работы двигателей Найта вскоре сменился разочарованием. Конструкция оказалась ненадежной, к тому же отличалась повышенным потреблением бензина и масла из-за высокого трения между золотниками и стенками цилиндра, которое в разы возрастало при увеличении оборотов коленвала. Поэтому позади автомобилей с такими моторами всегда вился характерный сизый дымок.
Эпоха двигателей Найта закончилась в 30-е годы, когда на рынке появились моторы с усовершенствованным клапанным механизмом газораспределения, который почти избавился от чрезмерной шумности. Тем не менее в наши дни то и дело появляются сообщения о различных опытных вариантах бесклапанных двигателей, так что не исключено, что в будущем мы еще увидим такие моторы на серийных машинах.
Переменная степень сжатия
СТЕПЕНЬ сжатия - одна из важнейших характеристик двигателя. Чем больше этот параметр, тем выше максимальная мощность, экономичность и КПД бензинового мотора. Однако бесконечно увеличивать степень сжатия нельзя - в цилиндрах будет происходить детонация, то есть взрывное, неконтролируемое сгорание рабочей смеси, приводящее к повышенному износу деталей и механизмов.
Еще острее эта проблема стоит при создании двигателей с наддувом, которые в последнее время получают все большее распространение. Дело в том, что детали таких моторов работают в более жестких условиях, поэтому они сильнее нагреваются, и риск появления детонации выше. Так что степень сжатия приходится снижать. При этом соответственно падает и эффективность двигателя.
В идеале степень сжатия должна плавно меняться в зависимости от режима работы мотора. Для получения максимальной отдачи ее надо увеличивать, когда нагрузка на двигатель невелика, а затем по мере роста сопротивления движению постепенно уменьшать.
Первые проекты моторов с изменяемой степенью сжатия появились еще во второй половине ХХ века, однако сложность конструкции пока не позволяет широко использовать на массовых моделях. Тем не менее над совершенствованием этой схемы работают многие автопроизводители.
К примеру, SAAB в 2000 году представил опытный рядный 5-цилиндровый мотор SVC (“Saab Variable Compression”), который за счет изменяемой степени сжатия при скромном рабочем объеме 1,6 л выдает приличные 225 л.с. Шведский двигатель по горизонтали разделен на две части, шарнирно соединенные друг с другом с одной стороны. В нижней находятся коленвал, шатуны и поршни, а верхняя объединяет в едином моноблоке цилиндры и их головки. Специальный гидропривод может слегка наклонять моноблок, варьируя степень сжатия от 14 единиц на холостых оборотах до 8 - на высоких, когда в работу включается приводной компрессор. Такая конструкция оказалась эффективной, но очень дорогой, поэтому вскоре после премьеры проект SVC закрыли до лучших времен.
По мнению специалистов, более жизнеспособной выглядит другая схема. Такой двигатель практически неотличим от обычного, за исключением оригинального кривошипно-шатунного механизма. Коленвал здесь связан с поршнем через специальное коромысло. Оно, в свою очередь, закреплено на специальном валу, который может поворачиваться с помощью электро- или гидропривода. При наклоне коромысла меняется положение поршня в цилиндре, а значит, и степень сжатия. Преимущества такой компоновки в относительной простоте - в принципе ее можно создать на основе практически любого мотора.
Таким образом, современные технологии уже позволяют построить двигатель с переменной степенью сжатия. Осталось только решить проблему высокой стоимости таких проектов..
Не тот гибрид
Возможно, в недалеком будущем мы увидим на автомобилях концерна GM двигатели, сочетающие в себе преимущества как дизельных, так и бензиновых моторов.
НА СОВРЕМЕННЫХ автомобилях в основном применяются два типа двигателей - бензиновые и дизельные. Первые отличаются высокой мощностью, вторые - хорошей тяговитостью и экономичностью.
Сейчас многие автопроизводители работают над созданием мотора, который совместил бы в себе оба эти достоинства. В принципе конструкция обычных бензиновых агрегатов уже стала очень похожей на дизель: непосредственный впрыск топлива позволил поднять степень сжатия до 13-14 единиц (против 17-19 у дизельных вариантов).
На экспериментальных моделях степень сжатия еще выше - 15-16 единиц. Однако для постоянного самовоспламенения смеси этого не всегда достаточно. Поэтому при запуске двигателя, а также при высоких нагрузках топливо поджигается обычной свечой. При равномерном движении она отключается, и мотор переходит на “дизельный” режим работы, потребляя минимум топлива. Контролирует всю систему электроника, которая следит за условиями движения и при их изменении дает соответствующие команды исполнительным механизмам. По словам разработчиков, подобные двигатели весьма экономичны и практически не загрязняют окружающую среду. Однако уже сейчас ясно, что стоимость автомобилей с такими моторами будет достаточно высокой. Найдут ли они свое место на рынке, пока сказать сложно.
История создателей самого мощного в мире двигателя внутреннего сгорания. Как увеличить в разы КПД мотора, в чем отличие нового агрегата от известных роторных двигателей и в чем преимущество советского образования перед американским - в материале отдела науки.
Технологии неуклонно развиваются. О том, как защитить свою электропроводку, можно читать на сайте интернет-магазина «Электрика Шоп».
Выходец из СССР, живущий в США, вместе с сыном изобрел, запатентовал и испытал самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания. Новый мотор будет в разы превосходить существующие по КПД и уступать по массе.
В 1975 году вскоре после окончания Киевского политехнического института молодой физик Николай Школьник уехал в США, где получил научную степень и стал физиком-теоретиком - его интересовали приложения, связанные с общей и специальной теорией относительности. Поработав в области ядерной физики, молодой ученый открыл в США две компании: одну - занимающуюся программным обеспечением, вторую – разрабатывающую шагающие роботы. Позже он на десять лет занялся консультированием проблемных компаний, занимающихся техническими инновациями.
Однако как инженера Школьника постоянно волновал один вопрос - почему современные автомобильные моторы такие неэкономичные?
И действительно, несмотря на то что поршневой двигатель внутреннего сгорания человечество совершенствует уже полтора века,
КПД бензиновых моторов сегодня не превышает 25%, дизельных - порядка 40%.
Между тем сын Школьника Александр поступил в MIT и получил степень доктора в области компьютерных наук, стал специалистом в области оптимизации систем. Думая над увеличением КПД двигателя, Николай Школьник разработал собственный термодинамический цикл работы двигателя HEHC (High-efficiency hybrid cycle), который стал ключевым этапом в реализации его мечты.
«Последний раз такое происходило в 1892 году, когда Рудольф Дизель предложил новый цикл и создал свой двигатель», - пояснил в интервью Школьник-младший.
Изобретатели остановились на роторном двигателе, принцип которого был предложен в середине XX века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем. Идея роторного двигателя проста. В отличие от обычных поршневых моторов, в которых много вращающихся и движущихся частей, снижающих КПД, роторный двигатель Ванкеля имеет овальную камеру и вращающийся внутри нее треугольный ротор, который своим движением образует в камере различные участки, где происходит впуск, сжатие, сгорание и выпуск топлива.
Плюсы двигателя - мощность, компактность, отсутствие вибраций. Однако, несмотря на более высокий КПД и высокие динамические характеристики, роторные двигатели за полвека не нашли широкого применения в технике. Одним из немногих примеров серийной установки
Слабыми местами таких моторов являлись ненадежность, связанная с низкой износостойкостью уплотнителей, благодаря которым ротор плотно примыкает к стенкам камеры, и низкая экологичность.
Уже работая в фирме LiquidPiston, основателями которой они стали, Школьники создали свою, абсолютно новую реинкарнацию идеи роторных моторов.
Принципиальным в ней было то, что в двигателе Школьников не камера,а ротор напоминает по форме орех, который вращается в треугольной камере.
Это позволило решить ряд непреодолимых проблем двигателя Ванкеля. Например, пресловутые уплотнители теперь можно делать из железа и крепить их неподвижно к стенкам камеры. При этом масло подводится прямо к ним, в то время как раньше оно добавлялось в сам воздух и, сгорая, создавало грязный выхлоп, а смазывало плохо.
Кроме того, при работе двигателя Школьников происходит так называемое изохорное горение топлива, то есть горение при постоянном объеме, что увеличивает КПД мотора.
Изобретатели создали один за другим пять моделей принципиально нового мотора, последняя из которых в июне была впервые протестирована - ее поставили на спортивный карт. Испытания оправдали все ожидания.
Миниатюрный двигатель размером со смартфон, массой менее 2 кг имеет мощность всего 3 л.с. Двигатель высокооборотистый, работает на частоте 10 тыс. об./мин., но может достигать и 14 тыс. КПД мотора составляет 20%. Это много, учитывая, что обычный поршневой мотор такого же объема в 23 «кубика» имел бы КПД лишь 12%, а поршневой мотор такой же массы дал бы всего 1 л.с.
Но главное, КПД таких моторов резко растет при увеличении их объемов.
Так, следующий двигатель Школьников будет дизельным мотором мощностью 40 л.с., при этом его КПД составит уже 45%, а это выше, чем эффективность лучших дизелей современных грузовиков.
Весить он будет всего 13 кг, притом что его поршневые аналоги такой же мощности сегодня весят под 200 кг.
Этот мотор уже планируется ставить на генератор, который будет вращать колеса дизель-электрического автомобиля. «Если же мы построим еще больший двигатель, мы можем достичь КПД в 60%», - поясняет Школьник.
В перспективе компактные, оборотистые и мощные моторы Школьников планируется использовать там, где эти свойства особенно важны - при конструировании легких дронов, ручных бензопил, газонокосилок и электрогенераторов.
Пока мотор гоняли 15 часов, однако по нормативам, чтобы пойти в производство, он должен отработать непрерывно 50 часов. При этом для автомобильной промышленности требуется надежность мотора на 100 тыс. миль пробега, что пока остается мечтой, признают конструкторы.
«Это самый экономичный, мощный двигатель не только среди роторных, но и всех двигателей внутреннего сгорания.
Это показывают наши измерения, а то, что мы получим на более крупных моторах, мы уже смоделировали на компьютерах», - радуется Школьник-младший.
То, что озвученные цифры - не фантазии изобретателей, подтверждает серьезность намерений инвесторов. Сегодня в стартап уже вложено $18 млн венчурных инвестиций, $1 млн которых дало американское агентство передовых разработок DARPA.
Интерес военных тут понятен. Дело в том, что военными США в авиации применяется в основном топливо JP-8. И военные хотят, чтобы вообще вся армейская техника работала на этом виде топлива, на котором, кстати, могут работать и дизельные моторы.
Но современные дизельные двигатели громоздки, поэтому DARPA так активно присматривается к разработке Школьников.
Александр считает, что создать столь революционный двигатель помогло отчасти образование, которое получил его отец еще в СССР. «Он думает по-другому, не так, как обычный инженер в США. Его фантазия ограничена только физикой. Если физика говорит - что-то возможно, то он верит, что это так, и лишь думает, как это можно сделать», - добавил Александр.
Сам Николай Школьник по-своему рассказывает об истории своего успеха и преимуществах советского образования.
«В США я переживал, что, имея специальность «машиностроение», я не буду иметь достаточного бэкграунда по физике и, особенно, математике.
Эти опасения оказались напрасными благодаря превосходной подготовке, которую я получил в советской школе.
Эта солидная образовательная подготовка до сих пор помогает мне здесь в нашей работе с новым роторным двигателем. С моей точки зрения, есть два больших отличия между американскими инженерами и получившими образование в России. Во-первых, американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают. Обычно требуется два-три русских инженера, чтобы заменить одного американского. Однако русские имеют более широкий взгляд на вещи (связанный с образованием, по крайней мере в мое время) и способность достигать целей с минимумом ресурсов, что называется, на коленке», - поделился размышлениями Николай Школьник.
Инженеры придумали новый двигатель ещё в 2003 году. К 2012 году был построен первый прототип, о котором написали в журнале "Популярная механика". В 2015 году компания не только заключила контракт с DARPA, но и приступила к разработкам мини-версии двигателя.
