Моторобудування: згадати все!
Добрі ідеї не старіють, говорять сучасні винахідники й дають їм шанс на друге народження.
Початок ХХІ століття в автомобільній галузі нагадує загальну мобілізацію: для поповнення лав силових установок залучаються не тільки технології-новобранці, а й старі двигуни запасу, породжені в столітті двадцятому й навіть дев’ятнадцятому. На їхньому тлі цикли Отто й Дизеля все частіше йдуть у відставку.
Прагматичність по-англійськи
Чули, як працює автомобільний двигун без глушника? Ревіння, що змушує затуляти вуха й від якого дриготять шибки… А тим часом це не що інше, як робочі гази, які розширюються вже поза циліндром, що не встигли відробити своє в камері згоряння. Або прямі втрати теплового ККД.
Над таким розтринькуванням коефіцієнта корисної дії ще в 1886 році замислився англійський інженер Джеймс Аткінсон, який запропонував подовжити робочий хід поршня в порівнянні з ходом впускання. Робочі гази, за його схемою, розширювалися довше в самому циліндрі, підвищуючи економічність двигуна, а більш повне згоряння палива зменшувало викид шкідливих речовин. Усі чотири такти в такому моторі здійснювалися за один оберт колінчастого вала, а хід поршня під час впускання й випускання то прискорювався, то вповільнювався. Правда, досягалося це за рахунок значного ускладнення кривошипно-шатунного механізму, що з огляду на вже звичну механіку циклу Отто здавалося невиправданим.
У 1947 році американський інженер Ральф Міллер розробив іншу схему роботи ДВЗ, що сполучає в собі механічну простоту двигуна Отто й усі переваги циклу Аткінсона. Американець запропонував стискати неповний заряд робочої суміші. Досягти цього можна було двома способами: закривати впускний клапан набагато раніше закінчення такту впускання (або відкривати пізніше початку) або закривати його вже після початку такту стискання. Таким чином, фактичний обсяг робочого такту виходив значно більше обсягу впускання. Практичні випробування циклу Міллера показали: двигун вийшов більш економічним і екологічним, у той же час значно втративши в літровій потужності. Особливо помітною була втрата крутного моменту «на низах», він просто глухнув під час рушання й нестійко працював на холостих обертах. Компенсувати втрати за рахунок застосування турбіни не виходило: турбонагнітач і сам підключався до роботи лише на обертах, близьких до середніх.
Саме тому перший серійний двигун, створений за циклом Міллера, інженери Mazda оснастили механічним гвинтовим компресором Лісхольма. У січні 1994-го на американському ринку з’явилася Mazda Millenia, також відома як Mazda Xedos 9 або Eunos 800. Незважаючи на досить вражаючі характеристики (за робочого обсягу 2,3 л потужність двигуна дорівнювала 213 к.с., а крутний момент — 290 Н.м), досягалися вони на високих обертах, і від автолюбителів надходило багато скарг на те, що цей двигун занадто погано тягне «на низах».
Століття ХХІ. На гібридах Prius, Lexus HS 250h і Lexus 450h Toyota починає встановлювати двигун, що працює за циклом Аткінсона (хоча насправді це видозмінений двигун Міллера). Успіх мотора обумовлений його економічністю та екологічністю, а низький крутний момент для гібрида, який приводиться в рух електромоторами, не проблема. У той же час комп’ютерне регулювання тривалості тактів дозволяє з 2005 року встановлювати схожий мотор на «звичайний» автомобіль Ford Fusion.
«Мазда» презентує двигун Miller Cycle, що працює вже без використання нагнітачів. Нова система послідовної зміни часу відкриття клапанів Sequential Valve Timing System, динамічно управляючи фазами впускання й випускання, дозволяє частково компенсувати властиве циклу Міллера зниження максимальної потужності. Підсумок: плюс 20—25% економічності й мінус 75% шкідливих викидів.
Малий червінчик, але продуктивний
Усім гарний гібридний Chevrolet Volt: і реальна витрата палива не перевищує 2 л/100 км, і динамічні показники для сімейного автомобіля більш ніж достатні. От тільки дорогий: $41000. У США за рахунок держсубсидії підсумкова вартість — $33500. І однаково за такі гроші можна купити звичайний автомобіль набагато вищого класу. Керівництво концерну GM заявило, що друге покоління «Вольта» для здешевлення комплектуватиметься роторним двигуном Ванкеля.
«Роторник» має на 40% менше деталей, удвічі меншу вагу, компактні габарити, більш низьку вартість. Літрова потужність «ванкеля» вражає: за обсягу 1,3 л він розвиває потужність близько 250 к.с., а з турбіною — усі 350. Завдяки ж гібридному компонуванню цей двигун може працювати в оптимальному діапазоні під суворим контролем комп’ютера, що дозволяє йому залишатися досить економічним і екологічним.
У 2010 році на Віденському автосалоні представлений гібридний FIAT 500, у якому генератор живиться все від того ж двигуна Ванкеля. Конструктори автоконцерну пояснили свій вибір не тільки низькою вагою, невеликою матеріалоємністю й простотою виготовлення роторно-поршневого двигуна. На їхню думку, РПД має набагато менший рівень вібрації та шуму, що дозволяє зробити перемикання з електричного режиму руху на гібридний майже непомітним.
Створюючи гібрид, на «ванкель» звернули увагу й китайці. Chery планує оснастити свої компактні гібриди QQ3 роторно-поршневим двигуном обсягом 0,8 л. Вибір китайських конструкторів у цьому випадку цілком зрозумілий і логічний: у надкомпактній моделі місця дійсно вистачить лише для РПД.
Ну і, нарешті, модель Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid. Цей міні-вен є бензиново-водневим гібридним автомобілем. У будь-якому іншому випадку таке сполучення неможливе: звичайний поршневий двигун, змінений для роботи на водні, уже не можна заправляти бензином. Двигун же Ванкеля легко справляється як з одним, так і з іншим видом палива без якихось змін у конструкції. А гібридне компонування дозволяє до того ж користуватися й електротягою.
Привіт із XVII століття
У магазинах сувенірів можна зустріти цікаву конструкцію. Приплющений бочонок діаметром сантиметрів десять, тонкий шток довжиною приблизно 20 см, що стирчить посередині нього, нагорі — велике колесо. Досить поставити такий сувенір на долоню, і колесо відразу починає обертатися. Це діюча модель двигуна Стірлінга, здатного працювати від будь-якого, навіть найнезначнішого джерела тепла — аж до різниці температур між верхнім і нижнім шаром води в басейні. У цьому випадку — від тепла руки. Той же ДВЗ, але двигун не внутрішнього, а зовнішнього згоряння. Відчуваєте різницю? Зовні можна спалювати що завгодно — від бензину й мазуту до кам’яного вугілля й тирси. Можна й не спалювати, а запустити будь-яку екзотермічну хімічну реакцію. Аби тільки було джерело тепла, і двигун Стірлінга почне роботу.
Альтернативу небезпечному паровому двигуну, який мав властивість частенько вибухати, вирішив створити шотландський священик Роберт Стірлінг. За основу він взяв «двигуни гарячого повітря», відомі вже з кінця XVII століття, і доопрацював їх, оснастивши регенератором. 27 вересня 1816 року винахідник здобув патент на одну з найпопулярніших в XIX столітті конструкцій — теплову машину Стірлінга. Цей силовий агрегат з успіхом заміняв парові приводи на заводах і фабриках, а його ККД уже в той час перевищував 30%.
Однак дешева нафта, значна матеріалоємність і не занадто велика літрова потужність машини зробили свою справу: двигун Стірлінга так і не був застосований у автомобілебудуванні. Правда, зовсім його не забули: наразі, наприклад, усі підводні човни ВМС Швеції оснащені анаеробними (повітронезалежними) «стірлінгами», що дозволяють субмарині рухатися під водою більше 20 діб не спливаючи. Енергетики теж люблять цю теплову машину за її високий ККД та із задоволенням застосовують, наприклад, під час конструювання сонячних електроустановок. А що до автопромисловості, то донедавна поняття «стірлінг» і «автомобіль» уважалися несумісними.
І от новини зі США: Дін Кеймен, всесвітньо відомий винахідник одноосьового самоката з гіроскопом «Сігвей», власник технологічної компанії DEKA Research & Development Corp., створив гібрид DEKA Revolt, у якому як генераторний мотор використовується двигун Стірлінга. Він застосовує теплову машину переважно для підживлення всіх допоміжних бортових систем, дозволяючи спрямовувати електроенергію акумулятора виключно на привід коліс. У підсумку гібрид здатний проїхати на досить малопотужній батареї більше 100 км. Однак у випадку, якщо акумулятор повністю розряджений, двигун Стірлінга підключається до силової системи й забезпечує заряджання електричного накопичувача й подальший рух. Габарити розробленого Кейменом двигуна такі, що дозволяють розмістити його в ніші багажника для запасного колеса. А стірлінгівська «всеїдність» дозволяє «дозаправитися» скрізь, де є хоч що-небудь, здатне горіти.
Роботи винахідника поки фінансуються приватними норвезькими інвесторами, але наразі Дін шукає глобального фінансового партнера для створення повноцінного автомобільного виробництва. І в тому, що знайде, нема сумніву — адже це Дін Кеймен!
«Можна сказати, немає особливої різниці, якими будуть ціни на нафту найближчим часом. Річ не в них. Довкола нас уже зараз десятки революційних ідей, які набагато ефективніше двигуна Отто й здатні вивести нас із XIX століття в XXI. Але автовиробники загрузли в старих технологіях, як у болоті», — говорить Кеймен. І, певне, він має рацію.
Довідка «УТГ»
Роторно-поршневий двигун (РПД) розроблений німецьким інженером Феліксом Ванкелем на початку 50-х років ХХ століття. Являє собою трикутний ротор, який обертається усередині статора й робить не тільки обертання навколо осі, а й еліпсоподібні (епітрохоїдальні) рухи, відтинаючи гранями змінні обсяги усередині статора. За один оберт вала двигун робить три повних робочих цикли, що й обумовлює його величезну питому потужність. Деталей, які роблять зворотно-поступальні рухи, і газорозподільного механізму немає. У порівнянні із двигунами Отто й Дизеля загальна кількість деталей у конструкції менше на 40%, розміри й вага — у 2-3 рази.
Довідка «УТГ»
Двигун Стірлінга — теплова машина, у якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається в замкнутому обсязі. Ґрунтується на періодичному нагріванні й охолодженні робочого тіла з добуванням енергії зі зміни обсягу робочого тіла, що виникає при цьому. Недоліком «стірлінга» є велика матеріалоємність, перевагою — високий ККД, низький рівень шуму (відсутній вихлоп) й усеїдність.
