Коли мільярдер Білл Гейтс і Khosla Ventures вирішили інвестувати мільйони в EcoMotors — компанію, що розробляє двигуни із зустрічно-рухомими поршнями, — автомобільний світ звернув на це увагу. Такі двигуни мають довгу і насичену подіями історію, однак залишаються переважно відсутніми в дорожньому транспорті. EcoMotors поставила за мету змінити це, запропонувавши свіжий погляд на цю недооцінену технологію.
Що таке двигун OPOC?
EcoMotors назвала свій двигун OPOC — скорочення від Opposed Piston Opposed Cylinder (двигун із протилежними поршнями та протилежними циліндрами). Конструкція передбачає два циліндри, у кожному з яких розміщено два поршні, що рухаються назустріч один одному. Хоча архітектура OPOC сумісна з бензиновими двигунами (у тому числі тими, що працюють на спирті), EcoMotors зосередилася передусім на дизельних застосуваннях.
Як працює двигун OPOC
Двигун OPOC працює за двотактним циклом, тобто зустрічно-рухомі поршні в кожному циліндрі здійснюють робочий хід за один оберт колінчастого вала. Коли поршні рухаються до мертвих точок, вони відкривають вікна в стінках циліндрів: один поршень керує впуском, інший — випуском. Фази відкриття вікон ретельно рознесені в часі: випускне вікно відкривається дещо раніше і закривається раніше за впускне, що є необхідною умовою ефективного газообміну.
Відмова від головок циліндрів, клапанів і пов’язаного з ними приводного обладнання забезпечила значні переваги. За даними EcoMotors, порівняно зі звичайним дизельним двигуном еквівалентної потужності OPOC забезпечує:
- зниження механічних втрат на тертя на 50%
- зниження витрати моторної оливи на 50%
- зменшення загальної кількості деталей на 50%
- зменшення маси на 30–50%
- зменшення габаритів під капотом у 2–4 рази
Ключова інновація: єдиний центральний колінчастий вал
Відмінність OPOC від попередніх конструкцій із зустрічно-рухомими поршнями полягає у використанні єдиного центрального колінчастого вала. Попередні варіанти вимагали двох колінчастих валів — по одному на кожному кінці двигуна, — що робило їх значно більшими і важчими. Через ці габарити старі конструкції були придатні лише для тепловозів і кораблів. Завдяки об’єднанню всього навколо одного центрального колінчастого вала EcoMotors зробила формат із зустрічно-рухомими поршнями придатним для значно ширшого кола транспортних засобів.
Електричний турбокомпресор: вирішення проблеми продувки двотактних двигунів
Як і всі двотактні двигуни, OPOC потребує зовнішнього пристрою для продувки циліндрів у момент, коли вікна відкриті. EcoMotors поклала цю функцію на турбокомпресор — але тут виникає очевидна проблема: турбокомпресор марний під час запуску, поки відпрацьовані гази ще не досягли робочого тиску.
Рішення — вбудований електродвигун, встановлений на валу турбокомпресора. Це не зовсім нова концепція, але EcoMotors стала однією з перших компаній, що реалізувала її в серійно-орієнтованій конструкції. Ось як це працює:
- Під час запуску: електродвигун живиться від бортового акумуляторного блока, розкручує турбокомпресор і забезпечує продувку циліндрів до виходу двигуна на робочі оберти.
- На крейсерському режимі: електродвигун вимикається, і турбокомпресор працює у звичайному режимі.
- При великих навантаженнях: коли потік відпрацьованих газів достатньо інтенсивний, електродвигун змінює роль і працює як генератор, рекуперуючи енергію та заряджаючи акумулятор.
Потенційні характеристики та теоретичні переваги
Двотактна архітектура OPOC теоретично здатна забезпечити вдвічі більшу питому потужність порівняно з чотиритактним двигуном аналогічного робочого об’єму — хоча на практиці цієї межі поки не досягнуто. Ще одна механічна перевага пов’язана з ходом поршнів: оскільки два зустрічно-рухомих поршні ділять між собою загальну відстань ходу, кожен із них при тій самій частоті обертання двигуна долає лише половину шляху звичайного поршня. Це безпосередньо означає нижчу швидкість поршнів і менші втрати на тертя.
EcoMotors також стверджує, що геометрія камери згоряння OPOC забезпечує виключно ефективну продувку циліндрів, ще більше підвищуючи ефективність двотактного циклу.
Петер Хофбауер: інженер, що стоїть за цим двигуном
Чималою мірою OPOC завдячує своєю винахідливістю Петеру Хофбауеру — засновнику, голові ради директорів і технічному директору EcoMotors. Хофбауер понад два десятиліття керував розробкою перспективних двигунів у Volkswagen, де відповідав за такі інновації, як VR6 — компактний вузьковугловий V6 з кутом між рядами циліндрів 15 градусів. Концепцію компонування OPOC він почав розробляти за кілька років до заснування EcoMotors у 2008 році, а його досвід надає проєкту вагомої достовірності.
Реальні характеристики: модель EM100
Флагманський дизельний прототип EcoMotors — EM100 — пройшов понад 500 годин випробувань на шасійному динамометрі, що підтверджує коректну роботу базової конструкції. Однак ситуація з декларованими характеристиками є дещо неоднозначною. При максимальних налаштуваннях потужності EM100 досягає заявлених показників потужності та крутного моменту лише без активних систем нейтралізації відпрацьованих газів. У такій конфігурації EcoMotors позиціонує двигун передусім для військового застосування, де відношення потужності до маси важливіше за відповідність екологічним нормам.
Для цивільних дорожніх транспортних засобів EcoMotors пропонує інакше налаштований варіант того ж двигуна з такими характеристиками:
- Потужність: 300 к.с.
- Крутний момент: 746 Н·м
- Покращення паливної економічності: ~15% порівняно зі звичайним дизелем
- Викиди: у цій конфігурації відповідають стандартним дорожнім нормам
Хоча 15% може здатися скромним результатом порівняно з декларованими 45–50% підвищення ефективності, це все одно суттєвий виграш у галузі, де інженери зазвичай борються за частки відсотка.
Модульна конструкція: два двигуни — одна силова установка
Одним із найцікавіших аспектів архітектури OPOC є її модульна масштабованість. EcoMotors пропонує об’єднати два модулі OPOC в єдину чотирициліндрову силову установку, з’єднану електронно керованою муфтою. Система працює таким чином:
- При малих навантаженнях: працює лише один модуль, функціонуючи в найефективнішому діапазоні.
- При великих навантаженнях: другий модуль плавно вмикається через електронну муфту.
- Вібрація: оскільки OPOC є добре збалансованим за своєю природою, повторний запуск простоюючого модуля супроводжується мінімальним шумом і вібраціями.
Концептуально це схоже на відключення циліндрів у великих V-подібних двигунах — але з принциповою відмінністю. У традиційних системах відключення циліндрів деактивовані поршні продовжують рухатися вгору-вниз, створюючи паразитні втрати. У модульній схемі OPOC неактивний блок повністю зупиняється, що повністю усуває ці втрати. У спареній конфігурації кожен модуль розвиває 240 к.с., що в сумі дає 480 к.с., при цьому досягається максимальне 45-відсоткове підвищення паливної ефективності та відповідність жорстким нормам викидів відпрацьованих газів.
Що далі: EM65 та плани розширення
EcoMotors також розробила менший варіант EM100: EM65 — двоциліндровий агрегат потужністю 75 к.с., легший і компактніший за флагманську дизельну модель. На відміну від EM100, EM65 запланований як бензиновий двигун, що відкриває можливості для ширшого кола застосувань:
- Легкі вантажівки та фургони
- Легкові автомобілі
- Гібридні електромобілі
OPOC залишається технологією, що розвивається, і багато найсміливіших заяв EcoMotors ще потребують підтвердження в реальних умовах експлуатації. Тим не менш, досвід головного конструктора — людини, яка віддала два десятиліття Volkswagen, — є вагомим аргументом на користь проєкту. Варто також зазначити, що робота Хофбауера над OPOC перегукується з ранньою інженерною філософією Porsche — символічна паралель, зважаючи на основоположну роль Фердинанда Порше у створенні бренду Volkswagen.
Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e5522.html
Опубліковано Жовтень 21, 2021 • 6хв на читання
