Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в Детройтском автосалоне буквально «били током», а любое упоминание о старом добром ДВС звучало дурным тоном. Так что же — двигатель внутреннего сгорания с треском «накрылся капотом»? Не спешите с соболезнованиями. По крайней мере, там же, в Детройте, представитель Toyota Коеи Сага на вопрос репортеров о том, когда ДВИГАТЕЛЬ внутреннего сгорания, наконец, выйдет из игры, простодушно ответил: «Никогда! Когда кончится нефть, человечество будет заправлять его водородом».
Аналитики американского Департамента энергетики DOE считают, что ДВС может попыхтеть еще несколько десятилетий. Причем прирост эффективности бензиновых и дизельных двигателей к 2020 году может составить 30%, а к 2030-му — 50%. Технологии, которые помогут добиться этих результатов, тестируются уже сегодня.
Традиционная схема ДВИГАТЕЛЯ внутреннего сгорания существует уже более века, но прогресс остановить невозможно. Инженеры находятся в постоянном поиске новых идей. И порой эти идеи не столь безумны, как кажется на первый взгляд …
ДВИГАТЕЛЬ Скудери
В основу концепции ДВИГАТЕЛЯ, придуманного Кармело Скудери (Carmelo Scuderi), американским автомехаником-самоучкой, положен принцип разделения цилиндров на рабочие и вспомогательные.
В отличие от схемы Отто, в ДВИГАТЕЛЕ с разделенным циклом SCC (Split Cycle Combustion) на каждый оборот вала приходится один рабочий такт. Вспомогательные цилиндры, в которых поршень сжимает воздух, соединяются с основными через перепускные каналы. В каждом из каналов находится по два клапана — компрессионный и расширительный.
В пространстве между ними воздух достигает максимального уровня сжатия. Впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра происходит одновременно с открытием расширительного клапана, а зажигание — после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Волна газов как бы догоняет его, исключая детонацию смеси. В ходе виртуальных испытаний рядного прототипа двигателя Скудери было выявлено, что он очень стабилен. Коэффициент отклонения параметров рабочих тактов от средней величины в наиболее «проблемной» зоне оборотов — от холостых до полутора тысяч — у SCC почти вдвое ниже, чем у ДВС (двигатель внутреннего сгорания) Отто: 1,4% против 2,5%. На первый взгляд это немного, но для профессионалов разница огромна.
Данный показатель говорит об очень высоком качестве смеси и точнейшей ее дозировке. Безнаддувный четырехцилиндровый рядный ДВИГАТЕЛЬ Скудери на 25% экономичнее обычных аналогов по мощности, а его оригинальная гибридизированная версия Scuderi Air-Hybrid — экономичнее на 30-36%.
В Air-Hybrid предварительное сжатие воздуха в пневматическом аккумуляторе-ресивере происходит во время торможения автомобиля. Затем воздух подается в перепускной канал, снижая нагрузку на поршень вспомогательного цилиндра.
В 2011 году компанией будет представлен ДВИГАТЕЛЬ второго поколения с V-образной архитектурой, в котором перепускные каналы будут сделаны в виде отдельных модулей. В первой версии — с цельнолитой головкой — они находились в стенке между парами цилиндров. V-образная схема позволяет улучшить доступ к ним со стороны ресивера и обеспечить более эффективное охлаждение узла. По прогнозам ученых научно-исследовательского института Саутвест, которые вплотную занимаются доводкой виртуальной модели рядного двигателя, разница в КПД между такой «четверкой» и равносильным мотором Отто достигнет 50%. Небольшой вес, отличная удельная мощность (135 л.с. на литр объема) и технологическая простота SCC делают его весьма перспективным для внедрения в жизнь.
Производство ДВИГАТЕЛЕЙ системы Кармело Скудери можно легко организовать на любом моторостроительном предприятии с использованием традиционных узлов.
Известно, что пристальный интерес к нему проявляют сразу несколько игроков высшей лиги мирового автопрома, а также производители комплектующих. В частности, знаменитая компания Robert Bosch.
Президент Scuderi Group Сэл Скудери уверен, что уже через три года детище его отца пойдет в серию.
LOTUS OMNIVORE
Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных ДВИГАТЕЛЕЙ серьезно недооценен автопроизводителями, а прожорливость — всего лишь миф. Они прогнозируют их триумфальное возвращение в 2013 году под капоты серийных автомобилей.
В 2009 году в Женеве компания представила концептуальный 500-кубовый ДВИГАТЕЛЬ Omnivore, работающий на любом виде жидкого топлива. Моторчик блещет сразу несколькими инновационными технологиями, главная из которых изменяемая степень сжатия при помощи подвижной верхней стенки камеры сгорания. В зависимости от вида топлива и нагрузки сжатие в Omnivore может изменяться в диапазоне от 10 до 40 к одному. Приготовление сбалансированной топливовоздушной смеси обеспечивает система прямого впрыска Orbital FlexDI с двумя инжекторами, а параметрами отвода отработанных газов управляет патентованный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve).
Похоже, британцам удалось то, к чему стремятся все разработчики инновационных ДВС: в цикле стендовых испытаний Omnivore уверенно поддерживал режим сгорания HCCI даже на оборотах холостого хода и в «красной зоне».
Конструкция Omnivore замечательна еще и тем, что его блок и головка отлиты в одной цельной детали.
Согласно спецификации, концепт ДВИГАТЕЛЯ на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6.
Вряд ли Lotus Omnivore когда-либо станет основным силовым агрегатом для автомобиля. Но в качестве вспомогательного, например, генератора — он вполне подходит.
Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электро-гибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.
ECOMOTORS ОРОС
Среди компаний, пытающихся отправить классический ДВИГАТЕЛЬ внутреннего сгорания на свалку, американская Ecomotors стоит особняком не только из-за экстравагантности своих идей. Работу над сверхмощным оппозитным ДВИГАТЕЛЕМ OPOC благословили титан венчурного бизнеса Винод Хосла и миллиардер Билл Гейтс.
В совет директоров крохотной компании входит несколько персон, имена которых служат пропуском в закрытый клуб автопроизводителей, а стенды Ecomotors стали привычными на самых элитных мировых автосалонах.
Оппозитный двухтактный двухцилиндровый модульный ДВС под названием ОРОС был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Супер компактный дизель Хоффбауэра демонстрирует беспрецедентно высокую удельную мощность — порядка 3 л.с. на килограмм массы. Например, стокилограммовая «труба» выдает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента. При этом КПД ОРОС вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитного ДВС — возможность состоять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным ДВИГАТЕЛЕМ, силовые установки рядной 4-, 6- и 8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности ОРОС работает на довольно скромных степенях сжатия в пределах 15-16 к одному, и не требует специальной подготовки топлива.
В принципе ОРОС — это труба с двумя парами поршней, совершающими одновременные разнонаправленные движения. Пространство между парой — камера сгорания. Шатуны с необычно длинной ножкой соединяют поршни с центральным коленчатым валом. В центре камеры установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные порты расположены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Порты заменяют сложный клапанный механизм и распредвал.
Важный элемент конструкции ДВИГАТЕЛЯ — электрический турбонагнетатель с предварительным подогревом воздуха, заменяющий, в частности, привычные калильные свечи. В момент запуска турбина подает в камеру сгорания заряд сжатого воздуха, нагретого до l00°C.
Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал все новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.
По словам президента компании Дональда Ранкла, бывшего вице-президента General Motors, в настоящее время в собственном техцентре Ecomotors проводятся стендовые испытания шестого поколения ДВИГАТЕЛЯ, которые завершатся в начале 2012 года.
И это будет уже не очередной рабочий прототип двигателя, а агрегат, предназначенный для конвейера. Впрочем, интерес к разработке имеется не только у автомобилистов, но и у военных, производителей авиатехники, строителей и горняков. Запланировано производство сразу четырех типов модулей ОРОС с диаметрами поршня 30, 65, 75 и 100 мм.
IRIS
Для многих людей наблюдение за причудливо движущимися, вращающимися и пульсирующими механизмами успешно заменяет таблетки от стресса. Завораживающее глаз детище ученого, изобретателя и предпринимателя из Денвера Тимбера Дика, трагически погибшего в автокатастрофе в 2008 году, можно отнести к гомеопатическим средствам этой категории. Но двигатель внутреннего сгорания IRIS (Internally Radiating Impulse Structure), несмотря на всю свою оригинальность, вовсе не пустышка.
Защищенный со всех сторон патентами, он был отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical.
Двухтактный ДВС с изменяемой геометрией и площадью поршня, согласно расчетам, имеет КПД 45%, компактные размеры и малый вес. Кроме того, в случае принятия его на вооружение автопроизводителями покупателю не придется переплачивать — цена агрегата будет не выше, чем у обычных бензиновых моторов.
Как считал Дик, в стандартной паре «камера сгорания — рабочая поверхность поршня» самым слабым местом является постоянная площадь контакта. На головку приходится всего 25% общей площади камеры.
Основная «фишка» конструкции ДВИГАТЕЛЯ IRIS — высокая полезная площадь «поршней» лепестков. В концепции IRIS шесть поршней, представляющих собой стальные, изогнутые волной лепестки, имеют полезную площадь почти в три раза больше — неподвижные стенки камеры занимают лишь 30% площади, что позволяет заметно повысить КПД двигателя.
Воздух поступает в камеру сгорания через впускные клапаны, когда лепестки находятся на максимальном удалении от центра. Одновременно через открытые выпускные клапаны удаляется отработанный газ. Затем лепестки, колеблющиеся на валах, смыкаются к середине камеры, сжимая воздух. В момент максимального сближения при полностью закрытых клапанах происходит впрыск топлива и зажигание. Расширяясь, раскаленные газы раздвигают лепестки-поршни, что, в свою очередь, приводит к повороту валов. В верхней мертвой точке открываются выпускные клапаны. Затем все повторяется снова и снова. Довольно простой редуктор превращает колебание шести валов во вращение главного вала.
Российский РОТОРНО-ЛОПАСТНОЙ ДВИГАТЕЛЬ
Роторно-лопастной двигатель (РЛД) — это вовсе не разработка XXI века. Его конструкцию придумали еще в 1930-х, и с тех пор не проходило и десятилетия без появления очередного патента на новый РЛД. Самым известным был, пожалуй, двигатель Вигриянова, созданный в 1973 году.
Но попадать в серию РЛД никак не хотели. Основной проблемой была сложность синхронизации валов роторов и тем более снятия с них момента. Во времена слабого развития электроники синхронизатор занимал чуть ли не целую комнату, роторно-лопастной двигатель мог использоваться разве что в качестве стационарной силовой установки.
Это сводило на нет одно из его главнейших преимуществ — компактность и небольшой вес.
Конструктивно роторно-лопастной ДВИГАТЕЛЬ — это цилиндр, внутри которого на одной оси установлены два ротора, с парой лопастей каждый. Лопасти делят пространство цилиндра на рабочие камеры; в каждой совершается четыре рабочих такта за один оборот вала.
Сложность синхронизации обусловлена в первую очередь неравномерным движением роторов друг относительно друга, их «пульсацией».
Но как только на свет появился компактный и удобный механизм синхронизации, роторно-лопастной ДВИГАТЕЛЬ сразу обрел серьезную серийную перспективу.
Самое интересное и приятное, что разработали такой механизм в России, в рамках нашумевшего проекта «ё-мобиль». Энергоустановка «ё-мобиля» весит всего 55 кг (35 — двигатель с синхронизатором, 20 — электрогенератор), а мощность может выдавать порядка 100 кВт, хотя для серийных моделей ее ограничат 45 кВт (60 л.с.). Помимо компактности, РЛД характеризуется возможностью масштабирования. Его можно спокойно увеличивать в размерах вплоть до малого судового двигателя мощностью 1000 кВт. Энерговооруженность силовой установки «ё-мобиля» аналогична 2-х литровому 150-сильному ДВС традиционной компоновки.
Отличие роторно-лопастного ДВИГАТЕЛЯ от всех остальных, упомянутых двигателей, заключается в том, что он находится в одном шаге от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным ДВИГАТЕЛЕМ, а с 2012 года — и серия.
Источник: //venture-biz.ru/tekhnologii-innovatsii/252-dvigateli-vnutrennego-sgoraniya