Странни двигатели, заседнали в периферията на прогреса

Двигателят на Ванкел, двигателят на Стърлинг и различните видове турбоагрегати така и не навлязоха в масовото автомобилостроене. Редица известни компании — от Mazda до GM, от Mercedes до Volvo — работиха по тях в продължение на десетилетия. Малки фирми и индивидуални изобретатели също не се отказваха. И все пак се оказа, че всяка алтернативна конструкция крие далеч повече клопки, отколкото се е предполагало първоначално. Това не означава, че разработването на нетрадиционни силови агрегати е невъзможно. Ентусиастите продължават да налагат различни идеи, и тук разглеждаме някои от най-екзотичните концепции на двигатели, изградени някога.

Двигатели с разделен цикъл: два цилиндъра, един работен ход

Някои конструктори на двигатели стигнаха до извода, че класическата комбинация от цилиндър, бутало, мотовилка и колянов вал се е доказала в продължение на повече от век — и че подобряването на двигателите с вътрешно горене изисква само настройване на определени аспекти, а не преизмисляне от нулата. Първият пример в нашия списък е двигателят, разработен от американската компания Scuderi Group, която запазва класическите такти — всмукване, компресия, работен ход и изпускане — но ги разпределя между два отделни цилиндъра:

• Студен (компресорен) цилиндър — осъществява всмукването и компресията
• Горещ (работен) цилиндър — осъществява работния ход и изпускането

Докато газът се разширява в работния цилиндър, в студения, компресорен цилиндър протича такт всмукване. Когато работният цилиндър изпуска, компресорният компресира. В края на такта на компресия двете бутала се приближават към горните си мъртви точки, сместа преминава през байпасен канал от студения цилиндър към горещия и се запалва. Този разделен цикъл — по същество модифициран цикъл на Ото — е патентован през 2006 г., а през 2009 г. Scuderi Group изгражда пилотния Scuderi Split Cycle Engine.

Компресорният и работният цилиндри могат да имат различни диаметри и ходове на буталото, което позволява гъвкаво регулиране на параметрите на двигателя — функционирайки като аналог на цикъла на Милър с допълнително разширение на газа. Добавете разклонение с клапани и бутилка с високо налягане към канала между цилиндрите и двигателят ще може да рекуперира енергия при спиране и да я използва при ускоряване. Въпреки това, в продължение на редица години дейността на Scuderi Group е ограничена до прототипи и изложби. Реалните ползи по отношение на ефективността все още не оправдават значителната сложност на конструкцията.

Хърватската компания Paut Motor също се обърна към разделения работен цикъл. Тяхната разнесена конструкция привлече вниманието по няколко причини:

• Значително по-малко движещи се части в сравнение с конвенционалните двигатели
• По-ниски загуби от триене
• Намален работен шум
• Компактни размери: 500×440×440 мм при работен обем от 7 литра
• Тегло около 135 кг — приблизително наполовина по-малко от традиционен двигател от същия работен обем

Липсата на масло в картера изисква външен резервоар за смазване, но изобретателите сметнаха това за приемлив компромис. Изградени са няколко прототипа, макар крайната мощност така и да не е официално определена. Последният прототип е сглобен през 2011 г., а след това проектът е затихнал.

Двутактовият двигател Bonner: максимална сложност, амбициозни цели

Двутактовият двигател Bonner (наречен на своя спонсор Bonner Motor) е изобретен през 2006 г. в Съединените щати от Уолтър Шмид и натрупва още по-голяма механична сложност. Подобно на Paut Motor, цилиндрите му са наредени в X-конфигурация, а коляновият вал извършва планетарно движение чрез зъбна предавка. Основните характеристики включват:

• Клапани в дъната на цилиндрите и въртящи се разпределителни клапани в корпуса на двигателя за газоразпределение
• Външни бутала, които могат леко да се преместват под налягане на масло, осигурявайки променлива степен на компресия
• Висока мощност на единица тегло като основна конструктивна цел

На теория двигателят Bonner изглежда убедително. На практика обаче от години не е излизала значима информация за проекта — явно той не е оправдал очакванията.

Аксиални двигатели: цилиндри, наредени като в барабан на револвер

Други изобретатели запазиха работните цикли на двигателя с вътрешно горене, но преосмислиха физическото разположение на компонентите. Аксиалните двигатели, съществуващи повече от век, са показателен пример. Те се различават в детайлите, но споделят общ принцип: цилиндрите са наредени като патрони в барабан на револвер, коаксиално с изходния вал. Различни механизми — като наклонени щифтове и конусни шайби — преобразуват праволинейното движение на буталата в въртене на вала.

Проектът Duke Engines от Нова Зеландия е един забележителен пример: петцилиндров, четиритактов аксиален двигател с работен обем от 3 литра. В сравнение с конвенционален двигател от същия обем, агрегатът Duke предлагаше:

• 19% по-ниско тегло
• 36% по-компактни габарити
• Разнообразен потенциал за приложение в автомобилния, морския и авиационния сектор

Правени са амбициозни обещания за широкото му разпространение — но мечтите за завладяване на света си останаха мечти.

Двигателят RadMax на канадската компания Reg Technologies разширява аксиалната концепция още по-нататък. Вместо отделни цилиндри, дузина отделения се формират в общ барабан с помощта на тънки пластини. Плочи, монтирани в слотове на ротора, се движат по тях при въртенето на ротора, а извитите повърхности в краищата на барабана определят траекториите на пластините и управляват газообмена. Забележителни характеристики:

• Съвместимост с множество видове гориво, въпреки че дизелът е бил началният фокус
• Прототип от 2003 г. с размери само 152 мм в диаметър и дължина произвеждаше 42 конски сили — значително повече от конвенционален двигател с еквивалентни размери
• По-късните прототипи, по съобщения, са достигали 127 к.с. и 380 к.с.

Въпреки тези обещаващи данни, цялата дейност на RadMax изглежда е останала на експерименталния етап.

Тороидни двигатели: когато цилиндърът стане поничка

Двигателят VGT (Variable Geometry Toroidal Engine) на вече несъществуващата канадска компания VGT Technologies е още един пример за теория, надминаваща практиката. Тестван за първи път през 2005 г., двигателят заменя конвенционалния цилиндър с тороид — камера с форма на поничка — в чието вътрешно пространство се върти ротор с двойка прикрепени бутала.

Тънък разпределителен диск с изрез за буталата се върти напречно в тороида чрез ремъчна предавка, ограничавайки горивно-въздушната смес по време на компресия и работния ход. През 2009 г. американските предприемачи Гари Кели и Рик Айвас независимо разработват тороиден двигател, много близък до канадската конструкция. Техните изчисления сочат, че тороид с диаметър половин метър би осигурил:

• 230 конски сили
• Около 1000 Н·м въртящ момент
• И всичко това при само 1050 об/мин

Тяхната компания Garric Engines сега показва само съобщение-заглавие на уебсайта си: „Благодарим ви за интереса. Страницата може да бъде обновена в бъдеще.”

Нутиращият двигател: въртящи се дискове вместо бутала

Малко по-обещаваща съдба може да сполети нутиращия двигател, изобретен от американеца Леонард Майер през 2006 г. — поне няколко работещи копия са построени. Названието произлиза от латинската дума nutatio (кимане или люлеене). Конструкцията на Майер формира четири работни камери с променлив обем между корпуса на двигателя и диск, който нутира (люлее се) настрани, изпълнявайки функцията на бутало. Дискът е разрязан наполовина по диаметъра си и нанизан на Z-образен изходен вал, а канали и клапани в корпуса управляват газообмена.

Прототипи са изградени от Baker Engineering и сестринската компания Kinetic BEI, с впечатляващи резултати:

• Единичен диск с диаметър 102 мм: 7 к.с.
• Двойни дискове с диаметър 203 мм: 120 к.с.
• Размери на двудисковия двигател: дължина 500 мм, диаметър 300 мм, работен обем 3,8 л
• Мощност на единица тегло: 2,5–3 к.с./кг срещу 1–2 к.с./кг при сериен атмосферен двигател

Литровата мощност е по-малко впечатляваща, но мощностната плътност е забележителна. Изглежда Baker и Kinetic усъвършенстват конструкцията, макар активността в уебсайтовете им да остава ограничена.

LiquidPiston: двигателят на Ванкел, обърнат наобратно

Концепциите за ротационни двигатели продължават да завладяват иноваторите, сякаш отдалечаването от познатата схема бутало-цилиндър само по себе си обещава по-добра производителност. Николай Школник, бивш съветски инженер, преселил се в Съединените щати, и синът му Александър разработиха двигател, наподобяващ двигателя на Ванкел, обърнат наобратно. Ротор с форма на фъстък се върти в триъгълна камера — същата основна геометрия като при Ванкел — но ключовото е, че уплътненията са закрепени към стените на камерата, а не към ротора.

Школникови основали LiquidPiston, за да развият концепцията, привличайки съфинансиране от DARPA за потенциално приложение в:

• Леки самолети и дронове
• Преносими електрогенератори
• Задвижвания за хибридни превозни средства

Прототип с обем от 23 куб. см вече постига 20% термична ефективност — впечатляващо за този клас работен обем. Екипът се прицелва сега в дизелов прототип с тегло около 13 кг и мощност 40 к.с., като проектираната термична ефективност трябва да достигне 45%.

Двигателят с люлеещо се бутало: преминаване към правоъгълна форма

Последният двигател в нашия преглед доказва, че привлекателността на плоски, компактни агрегати е реална — и че роторите не са единственият начин за постигането й. Двигателят с люлеещо се бутало на Pivotal Engineering просто придава квадратна форма на традиционното бутало, правейки цилиндъра правоъгълен в план. Тази двутактова конструкция съществува от няколко години, като редица прототипи са задвижвали мотоциклети и самолети.

Компанията се насочва предимно към авиационни приложения, а конструкцията предлага някои реални предимства:

• Висок коефициент мощност/тегло и мощност/обем
• Отличен потенциал за принудително пълнене, осигурен от канал за течно охлаждане, минаващ през неподвижната ос на буталото — трудно постижимо в конвенционалните двигателни архитектури
• Плоска форма, тъй като квадратният ротор може да бъде направен много тънък

Други екзотични концепции на двигатели, заслужаващи внимание

Съществуват много забележителни екзотични конструкции на двигатели извън разгледаните тук. Няколко заслужаващи споменаване:

• 12-роторен двигател на Ванкел — довеждане на ротационната концепция на Mazda до крайност
• Двигател с ръкавни клапани Knight — столетна конструкция, която за кратко съперничи на клапана с гъбична форма
• Двигатели с противоположни бутала — две бутала в общ цилиндър без глава на цилиндъра
• Двигатели с променлива степен на компресия — позволяват корекция в реално време за оптимизиране на ефективността при различни натоварвания
• Петтактови двигатели — добавяне на отделен разширителен цилиндър за извличане на повече работа от горивните газове
• Ротационно-перкови двигатели — при които роторните компоненти се движат като сближаващи се и разтварящи се ножици

Защо алтернативните двигатели не стигат до масово производство?

Дори бегъл преглед на нетрадиционните конструкции на двигатели с вътрешно горене разкрива поразителна закономерност: десетки умни идеи, много малко серийни автомобили. Повтарящите се пречки са постоянни:

• Износване на уплътненията — ротационните конструкции често се провалят поради деградиране на апексните уплътнения с течение на времето
• Редуващи се механични натоварвания — ротационно-перковите концепции страдат от умора в точката на свързване пластина-вал
• Производствена сложност — екзотичните геометрии са скъпи и трудни за производство в голям мащаб
• Надеждност и дълготрайност — нетрадиционните двигатели рядко достигат показателите за издръжливост на традиционните бутални двигатели, усъвършенствани в продължение на повече от 100 години

Втората причина алтернативните двигатели да се затрудняват е, че конвенционалната технология на двигателите с вътрешно горене не е стояла на едно място. Най-новите бензинови двигатели, използващи цикъла на Милър, постигат термична ефективност до 40% дори без турбокомпресор — забележителен показател, като се има предвид, че повечето бензинови двигатели постигат едва 20–30%, а дизеловите — 30–40% (като големите морски дизели достигат до 50%).

Най-важното е, че глобалната алтернатива на двигателя с вътрешно горене вече е тук: електрически двигатели и горивни клетки. Ако изобретателите зад тези екзотични любопитности не решат техническите си предизвикателства много скоро, може да се окаже, че вече няма пазар, който да ги очаква — електрическите превозни средства ще са поели пътя.

Това е превод. Оригиналът можете да прочетете тук: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html