Странные моторы на обочине прогресса

Двигатель Ванкеля, двигатель Стирлинга и различные типы турбосиловых установок так и не вошли в автомобильный мейнстрим. Над ними десятилетиями работали известные компании — от Mazda до GM, от Mercedes до Volvo. Не отступали и небольшие фирмы с независимыми изобретателями. Однако выяснилось, что в каждой альтернативной конструкции скрыто куда больше подводных камней, чем предполагалось изначально. Это не значит, что разработка нетрадиционных силовых агрегатов невозможна. Энтузиасты продолжают продвигать самые разные идеи, и в этом материале мы рассмотрим некоторые из наиболее экзотических концепций двигателей, когда-либо воплощённых в металле.

Двигатели с разделённым циклом: два цилиндра — один рабочий ход

Ряд конструкторов двигателей пришли к выводу, что классическая связка «цилиндр — поршень — шатун — коленвал» доказала свою состоятельность за более чем столетнюю историю, а совершенствование двигателей внутреннего сгорания требует лишь точечной доработки отдельных аспектов, а не изобретения с нуля. Первый пример в нашем списке — двигатель американской компании Scuderi Group, сохраняющий классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но распределяющий их между двумя отдельными цилиндрами:

• Холодный (компрессорный) цилиндр — отвечает за впуск и сжатие
• Горячий (рабочий) цилиндр — отвечает за рабочий ход и выпуск

Пока газ расширяется в рабочем цилиндре, в холодном компрессорном происходит такт впуска. Когда рабочий цилиндр выпускает отработавшие газы, компрессорный сжимает смесь. В конце такта сжатия оба поршня приближаются к верхней мёртвой точке, смесь проходит через перепускной канал из холодного цилиндра в горячий и воспламеняется. Этот разделённый цикл — по сути, модифицированный цикл Отто — был запатентован в 2006 году, а в 2009 году компания Scuderi Group построила опытный образец Scuderi Split Cycle Engine.

Компрессорный и рабочий цилиндры могут иметь разные диаметры и ходы поршня, что позволяет гибко настраивать параметры двигателя — по аналогии с циклом Миллера с дополнительным расширением газа. Если добавить к каналу между цилиндрами ветвь с клапанами и баллон высокого давления, двигатель сможет рекуперировать энергию при торможении и использовать её при разгоне. Однако на протяжении ряда лет деятельность Scuderi Group ограничивается прототипами и участием в выставках. Реальный прирост КПД пока не оправдывает значительную сложность конструкции.

К разделённому рабочему циклу обратилась и хорватская компания Paut Motor. Её разнесённая конструкция привлекла внимание по нескольким причинам:

• Значительно меньшее количество движущихся деталей по сравнению с традиционными двигателями
• Пониженные потери на трение
• Сниженный уровень рабочего шума
• Компактные габариты: 500×440×440 мм при рабочем объёме 7 литров
• Масса около 135 кг — примерно вдвое меньше, чем у традиционного двигателя аналогичного объёма

Отсутствие масла в картере потребовало установки внешнего маслобака, однако изобретатели сочли это приемлемым компромиссом. Было построено несколько прототипов, хотя итоговая мощность так и не была официально определена. Последний прототип был собран в 2011 году, после чего проект застопорился.

Двухтактный двигатель Боннера: максимальная сложность и амбициозные цели

Двухтактный двигатель Боннера (названный в честь спонсора — компании Bonner Motor) был изобретён в 2006 году в США Уолтером Шмидом и поднимает механическую сложность на новый уровень. Как и у Paut Motor, цилиндры расположены в X-образной конфигурации, а коленчатый вал совершает планетарное движение посредством зубчатой передачи. Ключевые особенности:

• Клапаны в днищах цилиндров и вращающиеся золотниковые клапаны в корпусе двигателя для газораспределения
• Внешние поршни, способные незначительно смещаться под давлением масла для обеспечения переменной степени сжатия
• Высокое отношение мощности к массе в качестве основной цели проектирования

В теории двигатель Боннера выглядит убедительно. На практике, однако, о проекте давно не поступало никаких значимых новостей — по всей видимости, он не оправдал ожиданий.

Осевые двигатели: цилиндры расположены как патроны в барабане револьвера

Другие изобретатели сохранили рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания, но переосмыслили физическое расположение его компонентов. Осевые двигатели, существующие уже более ста лет, — яркий тому пример. Они различаются в деталях, но объединены общим принципом: цилиндры расположены подобно патронам в барабане револьвера, соосно с выходным валом. Различные механизмы — например, наклонные пальцы и конические шайбы — преобразуют возвратно-поступательное движение поршней во вращение вала.

Проект Duke Engines из Новой Зеландии — один из примечательных вариантов: пятицилиндровый четырёхтактный осевой двигатель объёмом 3 литра. По сравнению с традиционным двигателем аналогичного объёма агрегат Duke обеспечивал:

• На 19% меньшую массу
• На 36% более компактные габариты
• Широкие перспективы применения в автомобильной, морской и авиационной отраслях

Звучали амбициозные обещания о широком распространении двигателя — однако мечты о покорении мирового рынка так и остались мечтами.

Двигатель RadMax канадской компании Reg Technologies развивает осевую концепцию ещё дальше. Вместо отдельных цилиндров внутри общего барабана тонкими лопастями образованы двенадцать камер. Пластины, установленные в пазах ротора, скользят по ним по мере его вращения, а изогнутые поверхности на торцах барабана задают траектории лопастей и управляют газообменом. Примечательные характеристики:

• Совместимость с несколькими видами топлива, хотя изначально основной акцент делался на дизельном
• Прототип 2003 года имел диаметр и длину всего по 152 мм, однако развивал 42 лошадиные силы — значительно больше, чем традиционный двигатель сопоставимых размеров
• По имеющимся данным, более поздние прототипы достигали 127 и 380 л.с.

Несмотря на эти обнадёживающие показатели, вся деятельность по проекту RadMax, по всей видимости, по-прежнему остаётся на экспериментальной стадии.

Тороидальные двигатели: когда цилиндр превращается в бублик

Двигатель VGT Engine (Variable Geometry Toroidal Engine — тороидальный двигатель с переменной геометрией) канадской компании VGT Technologies, ныне прекратившей существование, — ещё один пример того, как теория обгоняет практику. Впервые испытанный в 2005 году, он заменяет традиционный цилиндр тороидом — камерой в форме бублика, внутри которой вращается ротор с парой прикреплённых поршней.

Тонкий распределительный диск с вырезом для поршней вращается через тороид посредством ременной передачи, разграничивая топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода. В 2009 году американские предприниматели Гэри Келли и Рик Айвас независимо друг от друга разработали тороидальный двигатель, по концепции весьма близкий к канадскому. По их расчётам, тороид диаметром полметра должен был обеспечить:

• 230 лошадиных сил
• Около 1000 Н·м крутящего момента
• При всего лишь 1050 об/мин

Компания Garric Engines, основанная ими, сейчас отображает на своём сайте лишь краткое сообщение: «Благодарим за интерес. Страница может быть обновлена в будущем».

Нутационный двигатель: вращающиеся диски вместо поршней

Несколько более обнадёживающая судьба может ожидать нутационный двигатель, изобретённый американцем Леонардом Мейером в 2006 году, — по крайней мере, было построено несколько работающих образцов. Название происходит от латинского nutatio (кивание или покачивание). В конструкции Мейера между корпусом двигателя и диском, совершающим нутацию (покачивание из стороны в сторону) и выполняющим функцию поршня, образуются четыре рабочие камеры переменного объёма. Диск разрезан пополам по диаметру и надет на Z-образный выходной вал; газообменом управляют каналы и клапаны в корпусе.

Прототипы были построены компанией Baker Engineering и её дочерней структурой Kinetic BEI, показав впечатляющие результаты:

• Одиночный диск диаметром 102 мм: 7 л.с.
• Два диска диаметром 203 мм: 120 л.с.
• Габариты двухдискового двигателя: длина 500 мм, диаметр 300 мм, рабочий объём 3,8 л
• Удельная мощность: 2,5–3 л.с./кг против 1–2 л.с./кг у серийных атмосферных двигателей

Литровая мощность менее впечатляет, однако удельная мощность заслуживает внимания. Судя по всему, Baker и Kinetic продолжают доводку конструкции, хотя активность на их сайтах остаётся минимальной.

LiquidPiston: двигатель Ванкеля наизнанку

Концепции роторных двигателей по-прежнему притягивают новаторов — словно само отступление от привычной связки «поршень — цилиндр» сулит лучшую производительность. Николай Школьник, бывший советский инженер, переехавший в США, вместе с сыном Александром разработал двигатель, напоминающий вывернутый наизнанку мотор Ванкеля. Ротор арахисообразной формы вращается внутри треугольной камеры — та же базовая геометрия, что у Ванкеля, — однако принципиальное отличие состоит в том, что уплотнения закреплены на стенках камеры, а не на роторе.

Школьники основали компанию LiquidPiston для разработки концепции, привлёкшей со-финансирование DARPA с прицелом на применение в:

• Лёгких самолётах и беспилотниках
• Портативных генераторах электроэнергии
• Силовых установках гибридных автомобилей

Прототип объёмом 23 см³ уже достигает термического КПД 20% — впечатляющий показатель для двигателей столь малого объёма. Сейчас команда работает над дизельным прототипом массой около 13 кг и мощностью 40 л.с., при этом прогнозируемый термический КПД должен достигнуть 45%.

Двигатель с качающимся поршнем: переходим на квадрат

Последний двигатель в нашем обзоре доказывает, что плоский компактный агрегат — это реальная ценность, а роторы — далеко не единственный путь к её достижению. Двигатель с качающимся поршнем компании Pivotal Engineering просто делает традиционный поршень квадратным, превращая цилиндр в прямоугольник в поперечном сечении. Эта двухтактная конструкция существует уже несколько лет, за которые ряд прототипов нашёл применение на мотоциклах и летательных аппаратах.

Компания ориентируется прежде всего на авиационное применение, и конструкция обладает рядом реальных преимуществ:

• Высокие показатели мощности относительно массы и габаритов
• Отличный потенциал для применения турбонаддува, обеспечиваемый каналом жидкостного охлаждения, проходящим через неподвижную ось поршня, — задача, трудно реализуемая в традиционных конструкциях двигателей
• Плоская форм-фактор, поскольку квадратный ротор может быть выполнен очень тонким

Другие экзотические концепции двигателей, о которых стоит знать

За рамками этого обзора остаётся немало замечательных экзотических конструкций двигателей. Несколько достойных упоминания примеров:

• 12-роторный двигатель Ванкеля — доведение роторной концепции Mazda до крайности
• Двигатель Найта с гильзовым газораспределением — столетняя конструкция, недолго конкурировавшая с тарельчатыми клапанами
• Двигатели с противоположными поршнями — два поршня в одном цилиндре, без головки блока
• Двигатели с переменной степенью сжатия — позволяющие регулировать степень сжатия в режиме реального времени для оптимизации КПД при различных нагрузках
• Пятитактные двигатели — с отдельным расширительным цилиндром для извлечения дополнительной работы из продуктов сгорания
• Двигатели с лопастным ротором — в которых роторные элементы перемещаются подобно сходящимся и расходящимся лезвиям ножниц

Почему альтернативные двигатели не выходят в серийное производство?

Даже беглый обзор нетрадиционных конструкций двигателей внутреннего сгорания обнаруживает характерную закономерность: десятки остроумных идей — и считанные единицы серийных автомобилей. Повторяющиеся препятствия остаются неизменными:

• Износ уплотнений — роторные конструкции нередко выходят из строя из-за деградации торцевых уплотнений со временем
• Знакопеременные механические нагрузки — конструкции с лопастным ротором страдают от усталостного разрушения в месте соединения лопасти с валом
• Сложность производства — экзотические геометрии дороги и труднореализуемы в массовом производстве
• Надёжность и долговечность — нетрадиционные двигатели редко способны сравниться по ресурсу с традиционными поршневыми, оттачивавшимися более 100 лет

Вторая причина, по которой альтернативные двигатели с трудом пробиваются на рынок, состоит в том, что технология традиционного ДВС тоже не стоит на месте. Новейшие бензиновые двигатели, работающие по циклу Миллера, достигают термического КПД до 40% даже без применения турбонаддува — поразительный показатель, если учесть, что большинство бензиновых двигателей обеспечивают лишь 20–30%, а дизельные — 30–40% (крупные судовые дизели — до 50%).

И самое главное: глобальная альтернатива двигателю внутреннего сгорания уже пришла — это электродвигатели и силовые установки на топливных элементах. Если изобретатели этих экзотических разработок не решат свои технические проблемы в самое ближайшее время, они рискуют обнаружить, что рынок их уже не ждёт — дорогу займут электромобили.

Это перевод. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html