Моторостроение: вспомнить все!
Хорошие идеи не стареют, утверждают современные изобретатели и дают им шанс на второе рождение.
Начало ХХI века в автомобильной отрасли напоминает всеобщую мобилизацию: для пополнения рядов силовых установок в строй призываются не только технологии-новобранцы, но и старые двигатели запаса, рожденные в веке двадцатом и даже девятнадцатом. На их фоне циклы Отто и Дизеля все чаще получают отставку.
Прагматичность по-английски
Слышали, как работает автомобильный двигатель без глушителя? Рев, заставляющий затыкать уши и дрожать стекла… А ведь это не что иное, как продолжающие расширяться уже вне цилиндра рабочие газы, не успевшие отработать свое в камере сгорания. Или прямые потери теплового КПД.
Над таким разбазариванием коэффициента полезного действия еще в 1886 году задумался английский инженер Джеймс Аткинсон, предложивший удлинить рабочий ход поршня в сравнении с ходом впуска. Рабочие газы, по его схеме, расширялись дольше в самом цилиндре, повышая экономичность двигателя, а более полное сгорание топлива уменьшало выброс вредных веществ. Все четыре такта в таком моторе совершались за один оборот коленвала, а ход поршня во время впуска и выпуска то ускорялся, то замедлялся. Правда, достигалось это за счет значительного усложнения кривошипно-шатунного механизма, что на фоне уже привычной механики цикла Отто казалось неоправданным.
В 1947 году американский инженер Ральф Миллер разработал иную схему работы ДВС, совмещающую в себе механическую простоту двигателя Отто и все достоинства цикла Аткинсона. Американец предложил сжимать неполный заряд рабочей смеси. Достигнуть этого можно было двумя способами: закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала) либо закрывать его уже после начала такта сжатия. Таким образом, фактический объем рабочего такта получался значительно больше объема впуска. Практические испытания цикла Миллера показали: двигатель получился более экономичным и экологичным, но в то же время значительно потерял в литровой мощности. Особенно заметной была потеря крутящего момента «на низах», он попросту глох во время трогания и неустойчиво работал на холостых оборотах. Компенсировать потери за счет применения турбины не получалось: турбонагнетатель и сам подключался к работе лишь на оборотах, близких к средним.
Именно поэтому первый серийный двигатель, построенный по циклу Миллера, инженеры Mazda снабдили механическим винтовым компрессором Лисхольма. В январе 1994-го на американском рынке появилась Mazda Millenia, известная также как Mazda Xedos 9 или Eunos 800. Несмотря на весьма впечатляющие характеристики (при рабочем объеме 2,3 л двигатель выдавал мощность 213 л.с. и крутящий момент 290 Н.м), достигались они на высоких оборотах, а от автолюбителей поступало много жалоб на то, что этот двигатель слишком плохо тянет «на низах».
Век ХХI. На гибридах Prius, Lexus HS 250h и Lexus 450h Toyota начинает установку двигателя, работающего по циклу Аткинсона (хотя на самом деле это видоизмененный двигатель Миллера). Успех мотора обусловлен его экономичностью и экологичностью, а низкий крутящий момент для гибрида, приводимого в движение электромоторами, не проблема. В то же время компьютерное регулирование длительности тактов позволяет с 2005 года устанавливать схожий мотор на «обычный» автомобиль Ford Fusion.
«Мазда» презентует двигатель Miller Cycle, работающий уже без использования нагнетателей. Новая система последовательного изменения времени открытия клапанов Sequential Valve Timing System, динамически управляя фазами впуска и выпуска, позволяет частично компенсировать свойственное циклу Миллера падение максимальной мощности. Итог: плюс 20—25% экономичности и минус 75% вредных выбросов.
Мал золотник, да производителен
Всем хорош гибридный Chevrolet Volt: и реальный расход топлива не превышает 2 л/100 км, и динамические показатели для семейного автомобиля более чем достаточны. Вот только дорог Volt: $41000. В США за счет госсубсидии итоговая стоимость — $33500. И все равно за такие деньги можно купить обычный автомобиль гораздо более высокого класса. Руководство концерна GM заявило, что второе поколение «Вольта» для удешевления будет комплектоваться роторным двигателем Ванкеля.
«Роторник» имеет на 40% меньше деталей, вдвое меньший вес, компактные габариты, более низкую стоимость. Литровая мощность «ванкеля» впечатляет: при объеме 1,3 л он развивает около 250 л.с., а с турбиной — все 350. Благодаря же гибридной компоновке этот двигатель может работать в оптимальном диапазоне под строгим контролем компьютера, что позволяет оставаться весьма экономичным и экологичным.
В 2010 году на Венском автосалоне представлен гибридный FIAT 500, в котором генератор запитывается все от того же двигателя Ванкеля. Конструкторы автоконцерна объяснили свой выбор не только низким весом, небольшой материалоемкостью и простотой изготовления роторно-поршневого двигателя. По их мнению, РПД обладает гораздо меньшим уровнем вибрации и шума, что позволяет сделать переключение с электрического режима движения на гибридный практически незаметным.
При создании гибрида свой взор на «ванкель» обратили и китайцы. Chery планирует оснастить свои компактные гибриды QQ3 роторно-поршневым двигателем объемом 0,8 л. Выбор китайских конструкторов в этом случае вполне понятен и логичен: в сверхкомпактной «кукушке» места действительно хватит лишь для РПД.
Ну и, наконец, модель Mazda Premacy Hydrogen RE Hybrid. Данный мини-вэн является бензиново-водородным гибридным автомобилем. В любом другом случае такое сочетание невозможно: обычный поршневой двигатель, измененный для работы на водороде, уже нельзя заправлять бензином. Двигатель же Ванкеля запросто справляется как с одним, так и с другим видом топлива без каких-либо изменений в конструкции. А гибридная компоновка позволяет к тому же пользоваться и электротягой.
Привет из XVII века
В магазинах сувениров можно встретить забавную конструкцию. Приплюснутый бочоночек диаметром сантиметров десять, торчащий посреди него тонкий шток длиной примерно 20 см, наверху – большое колесо. Достаточно поставить такой сувенир на ладонь, и колесо практически сразу начинает вращаться. Это действующая модель двигателя Стирлинга, способного работать от любого, даже самого незначительного источника тепла – вплоть до разницы температур между верхним и нижним слоем воды в бассейне. В данном случае – от тепла руки. Тот же ДВС, но двигатель не внутреннего, а внешнего сгорания. Чувствуете разницу? Снаружи можно сжигать что угодно – от бензина и мазута до каменного угля и опилок. Можно и не сжигать, а запустить любую экзотермическую химическую реакцию. Лишь бы появился источник тепла, и двигатель Стирлинга начнет работу.
Альтернативу опасному паровому двигателю, который имел свойство частенько взрываться, решил создать шотландский священник Роберт Стирлинг. За основу он взял «двигатели горячего воздуха», известные уже с конца XVII века, и доработал, снабдив их регенератором. 27 сентября 1816 года изобретатель получил патент на одну из самых популярных в XIX веке конструкций — тепловую машину Стирлинга. Этот силовой агрегат с успехом заменял паровые приводы на заводах и фабриках, а его КПД уже в то время превышал 30%.
Однако дешевая нефть, значительная материалоемкость и не слишком большая литровая мощность машины сделали свое дело: двигатель Стирлинга так и не получил применения в автомобилестроении. Правда, совсем его не забыли: в настоящее время, например, все подводные лодки ВМС Швеции оснащены анаэробными (воздухонезависимыми) «стирлингами», позволяющими субмарине двигаться под водой более 20 суток без всплытия. Энергетики тоже любят эту тепловую машину за ее высокий КПД и с удовольствием применяют, например, при конструировании солнечных электроустановок. Но что касается автопромышленности, то до недавнего времени понятия «стирлинг» и «автомобиль» считались несовместимыми.
И вот новости из США: Дин Кеймен, всемирно известный изобретатель одноосного самоката с гироскопом «Сигвей», владелец технологической компании DEKA Research&Development Corp., создал гибрид DEKA Revolt, в котором в качестве генераторного мотора используется двигатель Стирлинга. Он применяет тепловую машину в основном для подпитки всех вспомогательных бортовых систем, позволяя направлять электроэнергию аккумулятора исключительно на привод колес. В итоге гибрид способен проехать на весьма маломощной батарее более 100 км. Однако в случае, если аккумулятор полностью разряжен, двигатель Стирлинга подключается к силовой системе и обеспечивает зарядку электрического накопителя и дальнейшее движение. Габариты разработанного Кейменом двигателя таковы, что позволяют разместить его в нише багажника для запасного колеса. А стирлинговская «всеядность» позволяет «дозаправиться» везде, где есть хоть что-нибудь, способное гореть.
Работы изобретателя пока финансируются частными норвежскими инвесторами, но в настоящее время Дин ищет глобального финансового партнера для создания полноценного автомобильного производства. И в том, что найдет, сомневаться не приходится – как-никак это Дин Кеймен!
«По большому счету, нет особой разницы, какими будут цены на нефть в ближайшее время. Дело не в них. Вокруг нас уже сейчас десятки революционных идей, которые на порядок эффективнее двигателя Отто и способны вывести нас из XIX века в XXI. Но автопроизводители увязли в старых технологиях, как в болоте», – утверждает Кеймен. И, пожалуй, он прав.
Справка «УТГ»
Роторно-поршневой двигатель (РПД) разработан немецким инженером Феликсом Ванкелем в начале 50-х годов ХХ века. Представляет собой треугольный ротор, вращающийся внутри статора и совершающий не только вращение вокруг оси, но и эллипсоподобные (эпитрохоидальные) движения, отсекая гранями переменные объемы внутри статора. За один оборот вала двигатель совершает три полных рабочих цикла, что и обуславливает его огромную удельную мощность. Деталей, совершающих возвратно-поступательные движения, и газораспределительного механизма не имеет. В сравнении с двигателями Отто и Дизеля общее количество деталей в конструкции меньше на 40%, размеры и вес — в 2-3 раза.
Справка «УТГ»
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объеме. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объема рабочего тела. К недостаткам «стирлинга» можно отнести большую материалоемкость, к достоинствам — высокий КПД, низкий уровень шума (отсутствует выхлоп) и всеядность.
