Дивні двигуни, що застрягли на узбіччі прогресу

Двигун Ванкеля, двигун Стірлінга та різноманітні типи турбосилових установок так і не увійшли до автомобільного мейнстріму. Над ними десятиліттями працювали чимало відомих компаній — від Mazda до GM, від Mercedes до Volvo. Не припиняли спроб і невеликі фірми та індивідуальні винахідники. Проте виявилося, що кожна альтернативна конструкція приховувала значно більше підводних каменів, ніж очікувалося спочатку. Це не означає, що розробка нетрадиційних силових установок приречена на провал. Ентузіасти продовжують просувати різні ідеї, і в цьому матеріалі ми розглянемо деякі з найекзотичніших концепцій двигунів, що будь-коли були побудовані.

Двигуни з розділеним циклом: два циліндри, один робочий хід

Деякі конструктори двигунів дійшли висновку, що класична комбінація з циліндра, поршня, шатуна та колінчастого вала довела свою ефективність за більш ніж сто років — і що вдосконалення двигунів внутрішнього згоряння потребує лише коригування окремих аспектів, а не переосмислення з нуля. Перший приклад у нашому списку — двигун американської компанії Scuderi Group, який зберігає класичні такти впуску, стиснення, робочого ходу та випуску — але розподіляє їх між двома окремими циліндрами:

• Холодний (компресорний) циліндр — відповідає за впуск і стиснення
• Гарячий (робочий) циліндр — відповідає за робочий хід і випуск

Поки газ розширюється в робочому циліндрі, у холодному компресорному відбувається такт впуску. Коли робочий циліндр здійснює випуск, компресорний стискає суміш. Наприкінці такту стиснення обидва поршні наближаються до верхніх мертвих точок, суміш переміщується перепускним каналом із холодного циліндра в гарячий і запалюється. Цей розділений цикл — по суті модифікований цикл Отто — був запатентований у 2006 році, а в 2009 році компанія Scuderi Group побудувала дослідний зразок Scuderi Split Cycle Engine.

Компресорний і робочий циліндри можуть мати різні діаметри та ходи поршнів, що дозволяє гнучко налаштовувати параметри двигуна — подібно до аналога циклу Міллера з додатковим розширенням газу. Якщо додати до каналу між циліндрами відгалуження з клапанами та балон високого тиску, двигун зможе рекуперувати енергію під час гальмування та використовувати її під час розгону. Утім, упродовж кількох років діяльність Scuderi Group обмежується прототипами та участю у виставках. Реальний приріст ефективності досі не виправдовує значної складності конструкції.

До розділеного робочого циклу звернулася й хорватська компанія Paut Motor. Їхня просторова конструкція привернула увагу з кількох причин:

• Значно менше рухомих деталей порівняно зі звичайними двигунами
• Менші втрати на тертя
• Знижений рівень шуму під час роботи
• Компактні габарити: 500×440×440 мм при робочому об’ємі 7 літрів
• Маса близько 135 кг — приблизно вдвічі менше, ніж у традиційного двигуна аналогічного об’єму

Відсутність масла в картері справді вимагає зовнішнього мастильного бака, однак винахідники вважали це прийнятним компромісом. Було побудовано кілька прототипів, хоча остаточна потужність так і не була офіційно визначена. Останній прототип зібрали у 2011 році, після чого проєкт зупинився.

Двотактний двигун Bonner: максимальна складність, амбітні цілі

Двотактний двигун Bonner (названий на честь спонсора — компанії Bonner Motor) був винайдений у 2006 році у США Вальтером Шмідом і виводить механічну складність на новий рівень. Як і у Paut Motor, циліндри розташовані в Х-подібній конфігурації, а колінчастий вал здійснює планетарний рух через зубчасту передачу. Ключові особливості:

• Клапани в днищах циліндрів і обертові золотникові клапани в корпусі двигуна для газорозподілу
• Зовнішні поршні, здатні дещо зміщуватися під тиском масла для забезпечення змінного ступеня стиснення
• Висока питома потужність як основна конструктивна мета

Теоретично двигун Bonner виглядає переконливо. Однак на практиці жодних значущих новин із цього проєкту вже кілька років не надходить — вочевидь, він не виправдав покладених на нього сподівань.

Аксіальні двигуни: циліндри, розташовані як у барабані револьвера

Інші винахідники зберігали робочі цикли двигуна внутрішнього згоряння незмінними, але переосмислювали фізичне компонування його вузлів. Аксіальні двигуни, що існують понад сто років, є яскравим прикладом. Вони відрізняються деталями, але мають спільний принцип: циліндри розташовані як патрони в барабані револьвера, співвісно з вихідним валом. Різноманітні механізми — наприклад, похилі штифти та конічні шайби — перетворюють зворотно-поступальний рух поршнів на обертання вала.

Проєкт Duke Engines із Нової Зеландії є одним із помітних прикладів: п’ятициліндровий чотиритактний аксіальний двигун об’ємом 3 літри. Порівняно зі звичайним двигуном аналогічного об’єму агрегат Duke пропонував:

• На 19% меншу масу
• На 36% компактніші габарити
• Широкі можливості застосування в автомобільній, морській та авіаційній галузях

Лунали амбітні обіцянки щодо широкого впровадження — але мрії завоювати світ так і залишились мріями.

Двигун RadMax канадської компанії Reg Technologies розвиває аксіальну концепцію ще далі. Замість окремих циліндрів дюжина відсіків утворюється всередині спільного барабана за допомогою тонких лопаток. Пластини, встановлені в пазах ротора, ковзають уздовж них у міру обертання ротора, а вигнуті поверхні на торцях барабана визначають траєкторії лопаток і керують газообміном. Характерні особливості:

• Сумісність із кількома видами палива, хоча спочатку основна увага приділялася дизельному
• Прототип 2003 року мав лише 152 мм як у діаметрі, так і в довжині, проте розвивав 42 кінські сили — значно більше, ніж звичайний двигун аналогічного розміру
• За повідомленнями, пізніші прототипи досягали 127 к.с. і 380 к.с.

Попри ці обнадійливі показники, вся діяльність RadMax, схоже, залишається на експериментальній стадії.

Тороїдальні двигуни: коли циліндр стає бубликом

Двигун VGT Engine (Variable Geometry Toroidal Engine) нині неіснуючої канадської компанії VGT Technologies — ще один приклад того, як теорія перевершує практику. Вперше випробуваний у 2005 році, цей двигун замінює звичайний циліндр тороїдом — камерою у формі бублика — всередині якого обертається ротор із парою прикріплених поршнів.

Тонкий розподільний диск із вирізом для поршнів обертається поперек тороїда за допомогою пасової передачі, обмежуючи паливно-повітряну суміш під час стиснення та робочого ходу. У 2009 році американські підприємці Гарі Келлі та Рік Айвас незалежно один від одного розробили тороїдальний двигун, що дуже нагадував канадську конструкцію. За їхніми розрахунками, тороїд діаметром півметра мав забезпечувати:

• 230 кінських сил
• Близько 1 000 Н·м крутного моменту
• І все це лише при 1 050 об/хв

Їхня компанія Garric Engines тепер відображає на своєму сайті лише коротке повідомлення: «Дякуємо за вашу зацікавленість. Сторінка може бути оновлена в майбутньому».

Нутаційний двигун: диски, що обертаються, замість поршнів

Дещо перспективніша доля, можливо, чекає на нутаційний двигун, винайдений американцем Леонардом Маєром у 2006 році — принаймні кілька робочих копій вже було побудовано. Назва походить від латинського слова nutatio (кивання або хитання). Конструкція Маєра утворює чотири робочі камери змінного об’єму між корпусом двигуна та диском, який нутує (хитається) з боку в бік, виконуючи роль поршня. Диск розрізаний навпіл уздовж діаметра та насаджений на Z-подібний вихідний вал, тоді як канали та клапани в корпусі керують газообміном.

Прототипи були побудовані компанією Baker Engineering та її дочірньою компанією Kinetic BEI, і результати виявилися вражаючими:

• Одинарний диск діаметром 102 мм: 7 к.с.
• Здвоєні диски діаметром 203 мм: 120 к.с.
• Габарити дводискового двигуна: довжина 500 мм, діаметр 300 мм, робочий об’єм 3,8 л
• Питома потужність: 2,5–3 к.с./кг проти 1–2 к.с./кг у серійних атмосферних двигунів

Літрова потужність є менш вражаючою, але питома потужність заслуговує на увагу. Baker і Kinetic, схоже, продовжують вдосконалювати конструкцію, хоча активність на їхніх сайтах залишається мінімальною.

LiquidPiston: двигун Ванкеля навиворіт

Концепції роторних двигунів продовжують захоплювати новаторів, наче сама відмова від звичної пари поршень-циліндр неодмінно обіцяє кращі характеристики. Микола Школьник, колишній радянський інженер, який переїхав до США, разом із сином Олександром розробили двигун, що нагадує перевернутий навиворіт двигун Ванкеля. Арахісоподібний ротор обертається всередині трикутної камери — та сама базова геометрія, що й у Ванкеля, — але принципово важливо, що ущільнення закріплені на стінках камери, а не на роторі.

Школьники заснували компанію LiquidPiston для розвитку концепції, залучивши співфінансування від DARPA для можливого використання в:

• Легких літаках і безпілотниках
• Портативних електрогенераторах
• Силових установках гібридних автомобілів

Прототип об’ємом 23 см³ вже досягає теплового ККД 20% — вражаючий показник для свого класу робочих об’ємів. Команда наразі працює над дизельним прототипом масою близько 13 кг і потужністю 40 к.с., причому прогнозований тепловий ККД має зрости до 45%.

Двигун із гойдаючим поршнем: квадратний підхід

Останній двигун у нашому огляді доводить, що привабливість плаского, компактного агрегату цілком реальна — і що ротори є не єдиним шляхом до її досягнення. Двигун із гойдаючим поршнем компанії Pivotal Engineering просто «зводить у квадрат» традиційний поршень, роблячи циліндр прямокутним у поперечному перерізі. Ця двотактна конструкція існує вже кілька років, за цей час низка прототипів приводила в рух як мотоцикли, так і літальні апарати.

Компанія орієнтується насамперед на авіаційні застосування, і конструкція має справжні переваги:

• Висока питома потужність за масою та габаритами
• Чудовий потенціал для примусового наддуву, що стало можливим завдяки каналу рідинного охолодження, що проходить через нерухому вісь поршня, — технічно складне рішення в традиційних конструкціях двигунів
• Плаский профіль, оскільки квадратний ротор може бути виконаний дуже тонким

Інші екзотичні концепції двигунів, варті уваги

Крім розглянутих, існує чимало інших чудових екзотичних конструкцій двигунів. Серед тих, що заслуговують на згадку:

• 12-роторний двигун Ванкеля — доведення роторної концепції Mazda до крайності
• Двигун Найта з гільзовим газорозподілом — конструкція столітньої давності, що короткочасно конкурувала з тарілчастими клапанами
• Двигуни з протилежно рухомими поршнями — два поршні в одному циліндрі без головки блока
• Двигуни зі змінним ступенем стиснення — що дозволяють регулювати ступінь стиснення в реальному часі для оптимізації ефективності при різних навантаженнях
• П’ятитактні двигуни — з окремим циліндром розширення для вилучення більшої кількості роботи з продуктів згоряння
• Двигуни з роторними лопатками — де роторні елементи рухаються подібно до зустрічних і розбіжних лез ножиць

Чому альтернативні двигуни не виходять на масове виробництво?

Навіть побіжний огляд нетрадиційних конструкцій двигунів внутрішнього згоряння виявляє разючу закономірність: десятки розумних ідей — і дуже мало серійних автомобілів. Перешкоди, що повторюються, незмінні:

• Знос ущільнень — роторні конструкції часто виходять із ладу через деградацію торцевих ущільнень з часом
• Знакозмінні механічні навантаження — конструкції з роторними лопатками страждають від утоми матеріалу у місцях з’єднання лопатки з валом
• Складність виробництва — екзотична геометрія коштує дорого і важко піддається масштабуванню
• Надійність і довговічність — нетрадиційні двигуни рідко відповідають показникам довговічності традиційних поршневих двигунів, що вдосконалювалися понад 100 років

Друга причина, через яку альтернативні двигуни зазнають труднощів, полягає в тому, що технологія традиційних двигунів внутрішнього згоряння не стоїть на місці. Найновіші бензинові двигуни, що використовують цикл Міллера, досягають теплового ККД до 40% навіть без турбонаддуву — вражаючий показник, враховуючи, що більшість бензинових двигунів забезпечують лише 20–30%, а дизельні — 30–40% (при цьому великі суднові дизелі досягають до 50%).

Найголовніше, що глобальна альтернатива двигуну внутрішнього згоряння вже прийшла: електродвигуни та паливні елементи. Якщо винахідники цих екзотичних курйозів найближчим часом не вирішать свої технічні проблеми, вони можуть виявити, що ринок їх більше не чекає — електромобілі вже захоплять дороги.

Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/57769ed4ec05c4745f00009b.html