Когда миллиардер Билл Гейтс и фонд Khosla Ventures решили вложить миллионы в EcoMotors — компанию, разрабатывающую двигатели со встречным движением поршней, — автомобильный мир обратил на это внимание. Двигатели со встречным движением поршней имеют долгую и богатую историю, однако они так и остались практически невостребованными в дорожном транспорте. EcoMotors решила это изменить, предложив свежий взгляд на эту незаслуженно забытую технологию.
Что такое двигатель OPOC?
Свой двигатель компания EcoMotors назвала OPOC — сокращение от Opposed Piston Opposed Cylinder (встречные поршни, встречные цилиндры). Конструкция включает два цилиндра, в каждом из которых установлено по два поршня, обращённых друг к другу. Хотя архитектура OPOC совместима с бензиновыми двигателями (в том числе работающими на спиртовом топливе), EcoMotors сделала основную ставку на дизельные применения.
Как работает двигатель OPOC
Двигатель OPOC работает по двухтактному циклу: это значит, что встречные поршни в каждом цилиндре совершают рабочий ход за один оборот коленчатого вала. Двигаясь к своим мёртвым точкам, поршни открывают окна в стенках цилиндра — один поршень управляет впуском, другой выпуском. Фазы открытия окон тщательно рассогласованы так, чтобы выпускное окно открывалось чуть раньше и закрывалось раньше впускного, что необходимо для эффективного газообмена.
Отказ от головок цилиндров, клапанов и связанного с ними механизма привода обеспечил значительные преимущества. По данным EcoMotors, по сравнению с обычным дизельным двигателем эквивалентной мощности OPOC обеспечивает:
- снижение потерь на трение на 50%;
- снижение расхода масла на 50%;
- уменьшение общего числа деталей на 50%;
- снижение массы на 30–50%;
- в 2–4 раза меньшие габариты под капотом.
Ключевая инновация: единый центральный коленчатый вал
От более ранних конструкций со встречным движением поршней OPOC отличает использование единого центрального коленчатого вала. Предыдущие варианты требовали двух коленчатых валов — по одному с каждого конца двигателя, — что делало их значительно крупнее и тяжелее. Из-за этой громоздкости старые конструкции были ограничены дизельными локомотивами и судами. Сосредоточив всё вокруг одного центрального коленчатого вала, EcoMotors сделала формат со встречным движением поршней пригодным для гораздо более широкого спектра транспортных средств.
Электрический турбонаддув: решение проблемы продувки двухтактного двигателя
Как и все двухтактные двигатели, OPOC требует внешнего устройства для продувки цилиндров, когда открыты окна. EcoMotors возложила эту задачу на турбокомпрессор — но здесь возникает очевидная проблема: турбокомпрессор бесполезен при запуске, пока выхлопные газы не создадут давление.
Решением стал встроенный электромотор, установленный на валу турбокомпрессора. Это не совсем новая концепция, но EcoMotors одной из первых довела её до пригодной для серийного производства конструкции. Вот как это работает:
- При запуске: электромотор питается от бортового аккумулятора, раскручивает турбокомпрессор и обеспечивает продувку цилиндров до того, как двигатель выйдет на рабочие обороты.
- На крейсерском режиме: электромотор отключается, и турбокомпрессор работает обычным образом.
- При высокой нагрузке: когда поток выхлопных газов силён, электромотор меняет роль и работает как генератор, рекуперируя энергию и подзаряжая аккумулятор.
Потенциал производительности и теоретические преимущества
Двухтактная архитектура OPOC теоретически способна обеспечить вдвое большее отношение мощности к рабочему объёму, чем у сопоставимого четырёхтактного двигателя, — хотя на практике этот предел пока не достигнут. Ещё одно механическое преимущество связано с ходом поршня: поскольку два встречных поршня делят между собой дистанцию хода, каждый поршень при одинаковых оборотах двигателя проходит лишь половину пути обычного поршня. Это напрямую означает меньшие скорости поршней и снижение потерь на трение.
EcoMotors также утверждает, что геометрия камеры сгорания OPOC обеспечивает исключительно полную продувку цилиндров, дополнительно максимизируя эффективность двухтактного цикла.
Петер Хофбауэр: инженер, стоящий за двигателем
Своей изобретательностью OPOC во многом обязан Петеру Хофбауэру — основателю, председателю совета директоров и техническому директору EcoMotors. Хофбауэр более двух десятилетий возглавлял передовые разработки двигателей в концерне Volkswagen, где отвечал за такие инновации, как VR6 — компактный V-образный 6-цилиндровый двигатель Volkswagen с узким углом развала 15 градусов. Он начал прорабатывать компоновку OPOC за несколько лет до основания EcoMotors в 2008 году, и его опыт придаёт проекту значительную убедительность.
Реальные характеристики: модель EM100
Флагманский дизельный прототип EcoMotors, EM100, наработал более 500 часов на стендовом динамометре — этого достаточно, чтобы подтвердить, что базовая конструкция функционирует так, как задумано. Однако картина становится сложнее, когда речь заходит о заявленных характеристиках. На максимальных настройках выходной мощности EM100 достигает целевых показателей мощности и крутящего момента только при отключённых системах контроля выбросов. В такой конфигурации EcoMotors продвигает его прежде всего для военных применений, где отношение мощности к массе важнее соответствия нормам по выбросам.
Для гражданских дорожных транспортных средств EcoMotors предлагает иначе настроенную версию того же двигателя со следующими характеристиками:
- Мощность: 300 л.с.
- Крутящий момент: 746 Н·м
- Прирост топливной эффективности: ~15% по сравнению с обычным дизелем
- Выбросы: в этой конфигурации соответствуют стандартным дорожным нормам
Хотя 15% могут показаться скромными по сравнению с громкими заявлениями об эффективности в 45–50%, это всё равно представляет собой существенный выигрыш в отрасли, где инженеры регулярно борются за доли процента.
Модульная конструкция: два двигателя, один силовой агрегат
Одним из самых привлекательных аспектов архитектуры OPOC является её модульная масштабируемость. EcoMotors предлагает объединять два блока OPOC в единый четырёхцилиндровый силовой агрегат, соединённый электронно управляемой муфтой. Система работает следующим образом:
- При низкой нагрузке: работает только один модуль, действуя в наиболее эффективном диапазоне.
- При высокой нагрузке: второй модуль плавно подключается через электронную муфту.
- Вибрации: поскольку OPOC изначально хорошо сбалансирован, повторное включение «спящего» модуля сопровождается минимальным шумом и тряской.
Концептуально это похоже на отключение цилиндров в больших V-образных двигателях — но с одним принципиальным отличием. В обычных системах отключения цилиндров деактивированные поршни продолжают двигаться вверх и вниз, создавая паразитное сопротивление. В модульной схеме OPOC неактивный блок полностью останавливается, полностью устраняя эти потери. В парной конфигурации каждый модуль рассчитан на 240 л.с., что даёт суммарную мощность 480 л.с., при этом, по заявлениям, достигается максимальный прирост топливной эффективности в 45% и соответствие строгим стандартам по выбросам отработавших газов.
Что дальше: EM65 и планы расширения
EcoMotors также разработала младшего собрата EM100 — EM65, двухцилиндровый агрегат мощностью 75 л.с., более лёгкий и компактный, чем флагманская дизельная модель. В отличие от EM100, EM65 планируется как бензиновый двигатель, что открывает путь к более широкому спектру применений:
- лёгкие грузовики и фургоны;
- легковые автомобили;
- гибридные электромобили.
OPOC по-прежнему остаётся развивающейся технологией, и многим из самых смелых заявлений EcoMotors ещё предстоит подтверждение в реальных условиях. Тем не менее репутация её главного конструктора — человека, отдавшего два десятилетия концерну Volkswagen, — придаёт проекту весомую убедительность. Стоит также отметить, что работа Хофбауэра над OPOC перекликается с ранней инженерной философией Porsche — уместная перекличка, учитывая основополагающую роль самого Фердинанда Порше в создании бренда Volkswagen.
Это перевод. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e5522.html
Опубликовано Октябрь 21, 2021 • 7м на чтение
