Variklių su priešingais stūmokliais atgimimas: kaip „EcoMotors" OPOC galėtų revoliucionizuoti dyzelinę technologiją

Kai milijardierius Billas Gatesas ir „Khosla Ventures” nusprendė investuoti milijonus į „EcoMotors” — bendrovę, kuriančią variklius su priešingais stūmokliais — automobilių pasaulis tai pastebėjo. Varikliai su priešingais stūmokliais turi ilgą ir turtingą istoriją, tačiau jie iš esmės išliko neprieinami kelių transportui. „EcoMotors” siekė tai pakeisti, pasiūlydama naują požiūrį į šią nepastebėtą technologiją.

Kas yra OPOC variklis?

„EcoMotors” pavadino savo variklį OPOC — santrumpa iš angl. Opposed Piston Opposed Cylinder (liet. priešingas stūmoklis, priešingas cilindras). Konstrukcijoje yra du cilindrai, kurių kiekviename yra du vienas kitam priešais nukreipti stūmokliai. Nors OPOC architektūra suderinama su benzininiais varikliais (įskaitant alkoholiniais degalais varomus variantus), „EcoMotors” pirmiausia sutelkė dėmesį į dyzelinių variklių taikymą.

Kaip veikia OPOC variklis

OPOC variklis veikia dvitakčiu ciklu, tai reiškia, kad priešingi stūmokliai kiekviename cilindre atlieka darbo taktą per vieną alkūninio veleno apsisukimą. Stūmokliams judant link negyvųjų taškų, jie atskleidžia angas cilindro sienelėse — vienas stūmoklis valdo įsiurbimą, kitas — išmetimą. Angų atidarymo laikai kruopščiai išdėstyti taip, kad išmetimo anga atsidaro šiek tiek anksčiau ir užsidaro anksčiau nei įsiurbimo anga, o tai yra būtina efektyviam dujų mainui.

Pašalinus cilindro galvutes, vožtuvus ir su jais susijusią valdymo įrangą, pasiekta reikšmingų laimėjimų. Pasak „EcoMotors”, palyginti su įprastiniu dyzeliniu varikliu, turinčiu lygiavertę galią, OPOC suteikia:

• 50 % mažesnius trinties nuostolius
• 50 % mažesnį alyvos suvartojimą
• 50 % mažiau komponentų iš viso
• 30–50 % mažesnę masę
• 2–4 kartus mažesnę vietą po variklio dangčiu

Pagrindinė naujovė: vienas centrinis alkūninis velenas

Tai, kas išskiria OPOC iš ankstesnių variklių su priešingais stūmokliais konstrukcijų, yra vieno centrinio alkūninio veleno naudojimas. Ankstesnėse versijose reikėjo dviejų alkūninių velenų — po vieną kiekviename variklio gale — todėl jie buvo žymiai didesni ir sunkesni. Dėl to tos senosios konstrukcijos buvo naudojamos tik dyzeliniuose lokomotyvuose ir laivuose. Sutelkus viską aplink vieną centrinį alkūninį veleną, „EcoMotors” padarė šio tipo variklių konstrukciją tinkamą žymiai platesniam transporto priemonių spektrui.

Elektrinis turbokompresorius: dvitakčio cilindro praplovimo problemos sprendimas

Kaip ir visi dvitakčiai varikliai, OPOC reikia išorinio įrenginio cilindrų praplovimui, kai angos yra atviros. „EcoMotors” šią funkciją pavedė turbokompresorui — tačiau tai sukelia akivaizdžią problemą: turbokompresorius yra nenaudingas paleidimo metu, kol išmetamosios dujos nesukuria pakankamo slėgio.

Sprendimas — integruotas elektrinis variklis, sumontuotas ant turbokompresoriaus veleno. Tai nėra visiškai nauja koncepcija, tačiau „EcoMotors” buvo viena pirmųjų, pritaikiusiųjų ją gamybai skirtoje konstrukcijoje. Štai kaip tai veikia:

• Paleidžiant: Elektrinis variklis naudoja energiją iš borto akumuliatoriaus paketo, kad suksuisi turbokompresorius ir užtikrintų cilindrų praplovimą prieš varikliui pasiekiant darbinį greitį.
• Važiuojant pastoviu greičiu: Elektrinis variklis išsijungia, o turbokompresorius veikia įprastu būdu.
• Esant didelei apkrovai: Kai išmetamųjų dujų srautas yra intensyvus, elektrinis variklis pakeičia vaidmenį ir veikia kaip generatorius, atgaudamas energiją ir įkraudamas akumuliatorių.

Veikimo potencialas ir teoriniai pranašumai

OPOC dvitaktė architektūra teoriškai gali suteikti dvigubą galios ir darbinio tūrio santykį palyginti su panašiu keturių taktų varikliu — nors ši riba praktiškai dar nepasiekta. Kitas mechaninis pranašumas susijęs su stūmoklio eiga: kadangi du priešingi stūmokliai dalijasi eigos atstumu, kiekvienas stūmoklis turi nueiti tik pusę įprasto stūmoklio kelio esant tam pačiam variklio greičiui. Tai tiesiogiai lemia mažesnius stūmoklio greičius ir sumažintus trinties nuostolius.

„EcoMotors” taip pat teigia, kad OPOC degimo kameros geometrija leidžia ypač efektyviai praplaunti cilindrus, dar labiau didinant dvitakčio ciklo efektyvumą.

Peteris Hofbaueris: inžinierius, sukūręs šį variklį

OPOC savo išradingumui didžiąja dalimi skolingas Peteriui Hofbaueriui, „EcoMotors” įkūrėjui, pirmininkui ir vyriausiajam technologijų pareigūnui (CTO). Hofbaueris daugiau nei du dešimtmečius vadovavo pažangių variklių kūrimui „Volkswagen”, kur buvo atsakingas už inovacijas, įskaitant VR6 — kompaktišką VW 15 laipsnių siaurakampį V6 variklį. Jis pradėjo konceptualizuoti OPOC išdėstymą kelerius metus prieš tai, kai 2008 metais įkūrė „EcoMotors”, o jo patirtis suteikia projektui didelį patikimumą.

Realios specifikacijos: EM100 modelis

„EcoMotors” flagmaninis dyzelinis prototipas EM100 sukaupė daugiau nei 500 valandų ant važiuoklės dinamometro — pakankamai, kad patvirtintų, jog pagrindinė konstrukcija veikia taip, kaip numatyta. Tačiau situacija yra sudėtingesnė, kai kalbama apie deklaruojamus veikimo rodiklius. Esant maksimaliems galios nustatymams, EM100 pasiekia savo galios ir sukimo momento tikslus tik be aktyvių išmetamųjų dujų kontrolės sistemų. Tokioje konfigūracijoje „EcoMotors” jį pirmiausia siūlo karinėms reikmėms, kur galios ir masės santykis yra svarbesnis už atitikimą išmetamųjų dujų normoms.

Civilinėms kelių transporto priemonėms „EcoMotors” siūlo kitaip sureguliuotą to paties variklio versiją su šiais rodikliais:

• Galia: 300 AG
• Sukimo momentas: 746 N·m
• Degalų efektyvumo pagerėjimas: ~15 % palyginti su įprastiniu dyzeliniu varikliu
• Išmetamosios dujos: Šioje konfigūracijoje atitinka standartines kelių eismo taisykles

Nors 15 % gali atrodyti kukliai palyginti su pagrindiniu 45–50 % efektyvumo teiginiu, tai vis tiek yra reikšmingas laimėjimas pramonėje, kurioje inžinieriai nuolat kovoja dėl mažiausių procentų dalių.

Modulinė konstrukcija: du varikliai, viena pavara

Vienas patraukliausių OPOC architektūros aspektų yra jos modulinis keičiamumas. „EcoMotors” siūlo sujungti du OPOC blokus į vieną keturių cilindrų pavaros sistemą, sujungtą elektroniniu būdu valdoma sankaba. Sistema veikia taip:

• Esant mažai apkrovai: Veikia tik vienas modulis, dirbdamas efektyviausiame veikimo diapazone.
• Esant didelei apkrovai: Antrasis modulis įjungiamas sklandžiai per elektroninę sankabą.
• Vibracija: Kadangi OPOC iš prigimties yra gerai subalansuotas, neveikiančio modulio reaktyvacija sukelia minimalų triukšmą ar vibraciją.

Tai konceptualiai panaše į cilindrų deaktyvavimą dideliuose V tipo varikliuose — tačiau su esminiu skirtumu. Įprastinėse cilindrų išjungimo sistemose deaktyvuoti stūmokliai toliau juda aukštyn ir žemyn, sukeldami parazitinį pasipriešinimą. OPOC modulinėje sistemoje neaktyvus blokas visiškai sustoja, visiškai pašalinant tuos nuostolius. Suporuotoje konfigūracijoje kiekvienas modulis įvertintas 240 AG, o bendras pajėgumas siekia 480 AG; kartu, kaip teigiama, pasiekiamas maksimalus 45 % degalų efektyvumo pagerėjimas ir atitikimas griežtoms išmetamųjų dujų normoms.

Kas toliau: EM65 ir plėtros planai

„EcoMotors” taip pat suprojektavo mažesnį EM100 brolį: EM65 — 75 AG dviejų cilindrų bloką, kuris yra lengvesnis ir kompaktiškesnis nei flagmaninis dyzelinis modelis. Skirtingai nuo EM100, EM65 planuojamas kaip benzininis variklis, atverdamas duris platesniam taikymų spektrui:

• Lengvieji sunkvežimiai ir furgonetės
• Keleiviniai automobiliai
• Hibridiniai elektromobiliai

OPOC vis dar yra kuriama technologija, ir daugelis drąsiausių „EcoMotors” teiginių dar turi būti patvirtinti realiomis sąlygomis. Nepaisant to, jo vyriausiojo konstruktoriaus patirtis — žmogaus, skyrusio du dešimtmečius „Volkswagen” — suteikia projektui rimto patikimumo. Verta paminėti ir tai, kad Hofbauerio darbas su OPOC atspindi ankstyvosios „Porsche” inžinerijos filosofiją — tinkamas aidas, atsižvelgiant į pagrindinį Ferdinando Porsche’o vaidmenį kuriant „Volkswagen” prekės ženklą.

Tai yra vertimas. Originalą galite perskaityti čia: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e5522.html