Дзіўныя рухавікі на ўзбочыне прагрэсу

Рухавік Ванкеля, рухавік Стырлінга і розныя тыпы турбасілавых устаноўак так і не ўвайшлі ў аўтамабільны мэйнстрым. Над імі дзесяцігоддзямі працавалі вядомыя кампаніі — ад Mazda да GM, ад Mercedes да Volvo. Не адступалі і невялікія фірмы з асобнымі вынаходнікамі. Аднак аказалася, что кожная альтэрнатыўная канструкцыя хавае ў сабе значна больш падводных камянёў, чым чакалася спачатку. Гэта не азначае, что распрацоўка нетрадыцыйных сілавых устаноўак немагчымая. Энтузіясты працягваюць прасоўваць розныя ідэі, і ніжэй мы разглядаем некаторыя з самых экзатычных канцэпцый рухавікоў, якія калі-небудзь былі пабудаваны.

Рухавікі з разнесеным цыклам: два цыліндры, адзін рабочы ход

Некаторыя канструктары рухавікоў прыйшлі да высновы, что класічная сукупнасць цыліндра, поршня, шатуна і каленчатага вала даказала сваю надзейнасць на працягу больш чым стагоддзя — і что ўдасканаленне рухавікоў унутранага згарання патрабуе толькі карэкцыі асобных аспектаў, а не поўнай перавынаходкі з нуля. Першы прыклад у нашым спісе — рухавік, распрацаваны амерыканскай кампаніяй Scuderi Group, які захоўвае класічныя такты ўпускання, сціску, рабочага ходу і выпуску — але размяркоўвае іх па двух асобных цыліндрах:

• Халодны (кампрэсарны) цыліндр — адказвае за ўпусканне і сціск
• Гарачы (рабочы) цыліндр — адказвае за рабочы ход і выпуск

Пакуль газ пашыраецца ў рабочым цыліндры, у халодным, кампрэсарным цыліндры адбываецца ўпусканне. Калі рабочы цыліндр выкідвае адпрацаваныя газы, кампрэсарны цыліндр сціскае сумесь. У канцы такту сціску абодва поршні набліжаюцца да сваіх верхніх мёртвых кропак, сумесь перацякае па перапускным канале з халоднага цыліндра ў гарачы і запальваецца. Гэты разнесены цыкл — па сутнасці мадыфікаваны цыкл Ота — быў запатэнтаваны ў 2006 годзе, а ў 2009 годзе Scuderi Group пабудавала вопытны Scuderi Split Cycle Engine.

Кампрэсарны і рабочы цыліндры могуць мець розныя дыяметры і ходы поршняў, что дазваляе гнутка наладжваць параметры рухавіка — ён функцыянуе як аналаг цыкла Мілера з дадатковым пашырэннем газу. Калі дадаць да канала паміж цыліндрамі адгалінаванне з клапанамі і высокаціскавы балон, рухавік зможа рэкупераваць энергію пры тармажэнні і выкарыстоўваць яе пры разгоне. Аднак на працягу шэрагу гадоў дзейнасць Scuderi Group абмяжоўваецца прататыпамі і ўдзелам у выставах. Рэальны прырост эфектыўнасці так і не апраўдаў значную складанасць канструкцыі.

Харвацкая кампанія Paut Motor таксама звярнулася да ідэі разнесенага рабочага цыкла. Іх канструкцыя з прасторавым размяшчэннем цыліндраў прыцягнула ўвагу па шэрагу прычын:

• Значна менш рухомых частак у параўнанні з традыцыйнымі рухавікамі
• Меншыя страты на трэнне
• Зніжаны ўзровень шуму пры працы
• Кампактныя памеры: 500×440×440 мм пры аб’ёме 7 літраў
• Маса каля 135 кг — прыкладна ўдвая менш, чым у традыцыйнага рухавіка такога ж рабочага аб’ёму

Адсутнасць алею ў картэры патрабуе знешняга бака для змазкі, аднак вынаходнікі лічылі гэта прымальным кампрамісам. Было пабудавана некалькі прататыпаў, хоць канчатковая выходная магутнасць так і не была афіцыйна вызначана. Апошні прататып быў сабраны ў 2011 годзе, і з таго часу праект завіс.

Двухтактны рухавік Bonner: максімальная складанасць, амбіцыйныя мэты

Двухтактны рухавік Bonner (названы ў гонар спонсара — кампаніі Bonner Motor) быў вынайдзены ў 2006 годзе ў Злучаных Штатах Уолтэрам Шмідтам і даводзіць механічную складанасць да яшчэ больш высокага ўзроўню. Як і ў Paut Motor, цыліндры ў ім размешчаны па Х-вобразнай схеме, а каленчаты вал здзяйсняе планетарны рух праз сістэму шасцерняў. Асноўныя асаблівасці:

• Клапаны ў донцах цыліндраў і ратарныя шпулькавыя клапаны ў корпусе рухавіка для газаразмеркавання
• Знешнія поршні, якія могуць нязначна зрушвацца пад ціскам алею для забеспячэння пераменнай ступені сціску
• Высокае суадносіны магутнасці да масы як асноўная мэта канструкцыі

У тэорыі рухавік Bonner выглядае пераканальна. На практыцы, аднак, на працягу многіх гадоў з праекта не паступала ніякіх значных навін — мабыць, ён не апраўдаў чаканняў.

Аксіяльныя рухавікі: цыліндры, размешчаныя як у барабане рэвальвера

Іншыя вынаходнікі захавалі рабочыя цыклы рухавіка ўнутранага згарання, але перагледзелі фізічнае размяшчэнне яго кампанентаў. Аксіяльныя рухавікі, якія існуюць больш за стагоддзе, з’яўляюцца яркім прыкладам. Яны адрозніваюцца ў дэталях, але маюць агульны прынцып: цыліндры размешчаны, як гільзы ў барабане рэвальвера, суасна з выходным валам. Розныя механізмы — напрыклад, нахільныя шпількі і конусападобныя шайбы — ператвараюць зваротна-паступальны рух поршняў ва вярчэнне вала.

Праект Duke Engines з Новай Зеландыі — адзін з прыкметных варыянтаў: пяціцыліндравы чатырохтактны аксіяльны рухавік з рабочым аб’ёмам 3 літры. У параўнанні з традыцыйным рухавіком аналагічнага аб’ёму агрэгат Duke прапаноўваў:

• На 19% меншую масу
• На 36% больш кампактнае размяшчэнне
• Шырокія перспектывы прымянення ў аўтамабільным, марскім і авіяцыйным сектарах

Рабіліся амбіцыйныя абяцанні шырокага распаўсюджвання — аднак мары аб заваяванні свету засталіся марамі.

Рухавік RadMax канадскай кампаніі Reg Technologies даводзіць аксіяльную канцэпцыю яшчэ далей. Замест асобных цыліндраў унутры агульнага барабана з дапамогай тонкіх лопасцяў утвараецца дванаццаць адсекаў. Пласціны, замацаваныя ў пазах ротара, перасоўваюцца па іх падчас вярчэння ротара, а выгнутыя паверхні на тарцах барабана задаюць траекторыі лопасцяў і кіруюць газаабменам. Характэрныя асаблівасці:

• Сумяшчальнасць з некалькімі відамі паліва, хоць першапачаткова ўвага надавалася дызельнаму
• Прататып 2003 года меў дыяметр і даўжыню ўсяго па 152 мм, але развіваў 42 конскія сілы — значна больш, чым звычайны рухавік аналагічных памераў
• Больш позніх прататыпы, паводле паведамленняў, развівалі 127 к.с. і 380 к.с.

Нягледзячы на гэтыя перспектыўныя лічбы, уся актыўнасць вакол RadMax, відаць, застаецца на эксперыментальным этапе.

Тарадальныя рухавікі: калі цыліндр ператвараецца ў бублік

Рухавік VGT (Variable Geometry Toroidal Engine — тарадальны рухавік з пераменнай геаметрыяй) ужо не існуючай канадскай кампаніі VGT Technologies — яшчэ адзін прыклад таго, як тэорыя апярэджвае практыку. Упершыню выпрабаваны ў 2005 годзе, гэты рухавік замяняе звычайны цыліндр тарыдам — камерай у форме бубліка — унутры якога круціцца ротар з парай прымацаваных поршняў.

Тонкі размеркавальны дыск з выразам для поршняў перасякае тарыд з дапамогай рамяннай перадачы, абмяжоўваючы паліўна-паветраную сумесь падчас сціску і рабочага ходу. У 2009 годзе амерыканскія прадпрымальнікі Гары Кэлі і Рык Айвас незалежна распрацавалі тарадальны рухавік, які ўшчыльную нагадваў канадскі варыянт. Па іх ацэнках, тарыд дыяметрам паўметра дазволіў бы атрымаць:

• 230 конскіх сіл
• Каля 1 000 Н·м круцільнага моманту
• Усё гэта на ўсяго 1 050 аб/мін

Іх кампанія Garric Engines цяпер выводзіць на сайце толькі заглушку: «Дзякуем за цікавасць. Старонка можа быць абноўлена ў будучыні.»

Нутацыйны рухавік: кружэлкі замест поршняў

Дробку больш аптымістычны лёс, магчыма, чакае нутацыйны рухавік, вынайдзены амерыканцам Лэанардам Маерам у 2006 годзе — па меншай меры, было пабудавана некалькі рабочых вопытных экземпляраў. Назва паходзіць ад лацінскага nutatio (ківанне або калыханне). Канструкцыя Маера ўтварае чатыры рабочыя камеры зменнага аб’ёму паміж корпусам рухавіка і дыскам, які здзяйсняе нутацыйны рух (хістанне з боку ў бок), выконваючы ролю поршня. Дыск разрэзаны напалову па дыяметры і нанізаны на Z-вобразны выходны вал, а каналы і клапаны ў корпусе кіруюць газаабменам.

Прататыпы былі пабудаваны кампаніяй Baker Engineering і яе дачэрняй кампаніяй Kinetic BEI, і паказалі ўражваючыя вынікі:

• Адзінарны дыск дыяметрам 102 мм: 7 к.с.
• Двайны дыск дыяметрам 203 мм: 120 к.с.
• Памеры двухдыскавага рухавіка: даўжыня 500 мм, дыяметр 300 мм, рабочы аб’ём 3,8 літра
• Суадносіны магутнасці да масы: 2,5–3 к.с./кг супраць 1–2 к.с./кг у серыйных атмасферных рухавікоў

Літровая аддача менш уражвае, аднак шчыльнасць магутнасці варта ўвагі. Baker і Kinetic, відаць, працягваюць удасканальваць канструкцыю, хоць актыўнасць на іх сайтах застаецца мінімальнай.

LiquidPiston: рухавік Ванкеля вывернуты навыварат

Ідэі ратарных рухавікоў па-ранейшаму захапляюць наватараў, нібыта адыход ад звычайнай схемы поршань-цыліндр сам па сабе абяцае больш высокія характарыстыкі. Мікалай Школьнік, былы савецкі інжынер, які пераехаў у Злучаныя Штаты, і яго сын Аляксандр распрацавалі рухавік, які нагадвае рухавік Ванкеля, вывернуты навыварат. Ротар у форме арэха кружыцца ўнутры трохкутнай камеры — тая ж базавая геаметрыя, что і ў Ванкеля — але ключавое адрозненне ў тым, що ўшчыльненні замацаваны на сценках камеры, а не на роторы.

Школьнікі заснавалі LiquidPiston для развіцця гэтай канцэпцыі, прыцягнуўшы сафінансаванне DARPA для магчымага выкарыстання ў:

• Лёгкіх самалётах і беспілотніках
• Партатыўных электрагенератарах
• Гібрыдных трансмісіях

Прататып аб’ёмам 23 см³ ужо дасягае цеплавой эфектыўнасці 20% — уражваючы паказчык для рухавікоў такога рабочага аб’ёму. Каманда цяпер ставіць мэтай стварэнне дызельнага прататыпа масай каля 13 кг і магутнасцю 40 к.с., а прагназуемая цеплавая эфектыўнасць мае вырасці да 45%.

Рухавік з хістаючымся поршнем: квадратны падыход

Апошні рухавік у нашым аглядзе даводзіць, что прывабнасць плоскага кампактнага агрэгата рэальная — і что ратары — не адзіны шлях да яго стварэння. Рухавік з хістаючымся поршнем кампаніі Pivotal Engineering проста робіць традыцыйны поршань квадратным, надаючы цыліндру прамавугольную форму пры відзе зверху. Гэта двухтактная канструкцыя існуе ўжо некалькі гадоў, на працягу якіх шэраг прататыпаў прыводзіў у рух як матацыклы, так і самалёты.

Кампанія арыентуецца перш за ўсё на авіяцыйнае прымяненне, і канструкцыя мае шэраг сапраўдных пераваг:

• Высокія суадносіны магутнасці да масы і магутнасці да аб’ёму
• Выдатны патэнцыял для прымянення наддуву дзякуючы каналу вадкаснага астуджэння, які праходзіць праз нерухомую вось поршня — цяжка ажыццявімая задача ў традыцыйных канструкцыях рухавікоў
• Плоская форма, паколькі квадратны ротар можа быць вельмі тонкім

Іншыя экзатычныя канцэпцыі рухавікоў, якія варта ведаць

Існуе мноства выдатных экзатычных канструкцый рухавікоў, якія не ўвайшлі ў гэты агляд. Некалькі з іх заслугоўваюць упамінання:

• 12-ротарны рухавік Ванкеля — давядзенне ратарнай канцэпцыі Mazda да крайнасці
• Рухавік Найта з гільзавым газаразмеркаваннем — канструкцыя стогадовай даўніны, якая ненадоўга стала канкурэнтам кулачковага клапана
• Рухавікі з супрацьлеглымі поршнямі — два поршні ў адным цыліндры без галоўкі блока
• Рухавікі са зменнай ступенню сціску — дазваляюць рэгуляваць ступень сціску ў рэжыме рэальнага часу для аптымізацыі эфектыўнасці пры розных нагрузках
• Пяцітактныя рухавікі — з дадатковым цыліндрам пашырэння для большай аддачы ад прадуктаў згарання
• Рухавікі з ратарнымі лопасцямі — дзе кампаненты ротара рухаюцца падобна сходнымі і разыходнымі лязамі нажніц

Чаму альтэрнатыўныя рухавікі не трапляюць у масавую вытворчасць?

Нават беглы агляд нетрадыцыйных канструкцый рухавікоў унутранага згарання выяўляе адметную заканамернасць: дзесяткі кемлівых ідэй, вельмі мала серыйных аўтамабіляў. Тыповыя перашкоды аднастайныя:

• Знос ўшчыльненняў — ратарныя канструкцыі часта выходзяць з ладу з-за дэградацыі ўшчыльненняў на вяршынях з цягам часу
• Знакапераменныя механічныя нагрузкі — ратарна-лопасцевыя канцэпцыі пакутуюць ад стомленасці матэрыялу ў месцы злучэння лопасці з валам
• Складанасць вытворчасці — экзатычныя геаметрыі дорагія і складаныя ў вытворчасці ў прамысловых маштабах
• Надзейнасць і даўгавечнасць — нетрадыцыйныя рухавікі рэдка могуць параўнацца з рэкордам трываласці традыцыйных поршневых рухавікоў, адпрацаваных за 100 і больш гадоў

Другая прычына цяжкасцей з альтэрнатыўнымі рухавікамі заключаецца ў тым, что тэхналогіі традыцыйных рухавікоў унутранага згарання таксама не стаялі на месцы. Найноўшыя бензінавыя рухавікі, якія выкарыстоўваюць цыкл Мілера, дасягаюць цеплавой эфектыўнасці да 40% нават без турбанаддуву — выдатны паказчык, улічваючы, что большасць бензінавых рухавікоў забяспечваюць толькі 20–30%, а дызельныя — 30–40% (з буйнымі марскімі дызелямі, якія дасягаюць 50%).

Галоўнае, сусветная альтэрнатыва рухавіку ўнутранага згарання ўжо прыйшла: электрарухавікі і паліўна-элементавыя сілавыя ўстаноўкі. Калі вынаходнікі гэтых экзатычных дывосаў не вырашаць свае тэхнічныя праблемы вельмі хутка, яны могуць выявіць, що рынку для іх ужо не засталося — электрамабілі ўжо займуць дарогі.

Гэта пераклад. Арыгінал можна прачытаць тут: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html