Леонид Попов, 12 ноября 2012. Фото: Dan Savinelli, conceptcarz.com, wikipedia.org и Драйва
Шестицилиндровая двухдверка Willys-Knight Great Six 1930 года — один из самых массовых автомобилей, когда-либо использовавших двигатель Найта. Всего с 1914 по 1932 год включительно под маркой Willys-Knight были выпущены сотни тысяч автомобилей нескольких моделей с бесклапанными ДВС на 4, 6 и 8 цилиндров.
В 1903–1905 годах американский изобретатель Чарльз Найт построил и испытал экспериментальный четырёхтактный ДВС, в котором за газораспределение отвечали не клапаны, а концентрическая пара подвижных гильз, вложенных в рабочий цилиндр. Уже внутри этой пары гильз двигался рабочий поршень. Каждая гильза была снабжена крупными окнами с одного края. При смещении гильзы вверх и вниз эти вырезы периодически совпадали с впускным или выпускным окном в боковой стенке цилиндра. В движение гильзы приводили кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный эксцентриковый вал, заменивший кулачковый.
Образец мотора с газораспределительным механизмом типа «Тихий Найт» или «Бесшумный механизм Найта» (Silent Knight), 1919 год.
На Чикагском автошоу 1906 года Найт и его деловой партнёр Лаймен Кильбурн представили автомобиль Silent Knight с четырёхцилиндровым 40-сильным бесклапанным мотором. В соответствии с названием, главным преимуществом новичка в сравнении с тогдашними самобеглыми колясками был несравненно более низкий уровень шума. Эта машина поначалу не слишком заинтересовала покупателей, но зато незамедлительно вызвала большой интерес в самой индустрии и в последующие годы породила целую волну подражаний по обе стороны Атлантики, волну, спавшую только после Второй мировой войны.
Шестицилиндровый ДВС Willys Knight 1928 года (слева) и его развитие — бесклапанный мотор родстера Willys Knight Great Six 1930 года (шесть цилиндров, объём 4180 см³, мощность 87 л.с.).
Разные вариации двигателей с гильзовым золотниковым распределением начали проектировать и строить не только в США, но и в Европе, в основном — в Великобритании и Франции. Такие моторы компании создавали по лицензии Найта и нередко при его же непосредственном участии (в конце первого десятилетия XX века изобретатель несколько лет проработал в Европе, а потом вернулся на родину).
Гильзовый газораспределительный механизм фирмы Argyll (конструкция Барта и Макколлума). Использовался в автомобилях Argyll в 1912–1914 годах. Позже он был перенят в авиадвигателестроении.
В разные годы моторами с гильзовым газораспределением оснащались легковушки марок Daimler, Willys, Mercedes, Peugeot, Voisin, Panhard-Levassor и ещё нескольких других. При этом идея Найта развивалась, а механизм совершенствовался. Так, в моторах шотландской компании Argyll применялся оригинальный вариант бесклапанного распределения с единственной подвижной гильзой, которая по мере прохождения рабочих тактов одновременно и сдвигалась вверх-вниз, и совершала неполный поворот вокруг продольной оси. Благодаря этому она одна могла отвечать и за впуск и за выпуск.
Во время Второй мировой войны двигатели с гильзовой системой газораспределения совершили экскурс в авиацию. Такие многоцилиндровые моторы (рядные и звездообразные) строили компании Napier (слева), Rolls-Royce и Bristol (справа). Они нашли применение на нескольких винтовых истребителях и бомбардировщиках 1940-х и начала 1950-х годов. Мощности этих ДВС достигали 3500 л.с., и это были самые могучие моторы, построенные по принципу, изобретённому Найтом. Но вскоре они ушли в историю.
Двигатели Найта обладали рядом преимуществ перед четырёхтактными ДВС с традиционными клапанами. У бесклапанных моторов были очень крупные окна для впуска и выпуска, что улучшало газообмен. Такие механизмы не боялись высоких оборотов коленвала, тогда как клапаны в аналогичной ситуации требовали всё более и более сильных пружин, что увеличивало потери на трение в приводе. Вместе все эти особенности позволяли получать на двигателях Найта высокие по тем временам мощности. Кроме того, в начале XX века, в 1920-х и даже в 1930-х годах газораспределительные механизмы Найта были во много раз долговечнее клапанных механизмов.
Французская компания Avions Voisin возникла в 1905 году, а исчезла в пятидесятых. С 1919 года и почти до самого своего конца фирма выпускала автомобили с двигателями Найта, такие как этот кабриолет Voisin C11. На разных моделях Вуазена применялись моторы Найта с четырьмя, шестью цилиндрами и даже 12 в ряд. А на прототипах были опробованы V-образные ДВС с восемью и 12 цилиндрами, а также «звезда» о семи цилиндрах. Лишь к самому концу своей истории (то есть после Второй мировой войны) компания перешла на обычные моторы.
Однако обычные газораспределительные системы быстро совершенствовались, а вот схема Найта так и не смогла избавиться от изначально присущих ей недостатков. Среди них: проблемы с обеспечением герметичности цилиндров, проблемы с приработкой внутренней гильзы и поршневых колец, проблемы с подводом смазки ко всем частям и собственно очень высокий расход масла. Эти слабые места вынудили двигатели Найта уйти с массовой сцены, хотя на протяжении всего XX века отдельные изобретатели продолжали попытки усовершенствовать такую схему. Но дальше выпуска всякой экзотики вроде крохотных моторчиков для авиамоделей дело не пошло.
www.drive.ru
 | Леонид Попов, 26 июля 2010. Иллюстрации: EcoMotors, Green Car Congress, Wikimedia Commons |
| За последнее десятилетие изобретатели в разных странах выдали кучу самых экзотических схем ДВС, некоторые даже удалось воплотить в металле. Но массовая индустрия продолжает выпускать моторы классического вида. Проблема в конструкторских просчётах новичков или в отсутствии у них финансирования? |
Недавнее известие о том, что миллиардер Билл Гейтс и инвестиционная фирма Khosla Ventures решили вложить миллионы в компанию EcoMotors, проектирующую двигатели со встречным движением поршней, заставило нас детально рассмотреть заокеанскую разработку. У подобных моторов давняя история, но широкого распространения они не получили, во всяком случае на автомобильном транспорте. EcoMotors придала, казалось бы, известному блюду новый вкус.
Свой двигатель с двумя оппозитными цилиндрами, в каждом из которых работает по два встречных поршня, EcoMotors назвала незамысловато — OPOC, что значит Opposed Piston Opposed Cylinder — «оппозитные поршни, оппозитные цилиндры». В принципе, по такой схеме может работать как бензиновый мотор (или ДВС, потребляющий спирт), так и дизельный, но пока компания сосредоточила усилия на втором варианте.
Первый двигатель типа OPOC — дизельную модель EM100 (число означает диаметр цилиндров в миллиметрах) американская компания впервые показала общественности весной 2010 года. По информации EcoMotors, весит агрегат 134 кг, размеры его составляют 58 (длина) х 105 (ширина) х 47 (высота) см, развивает он мощность 325 лошадиных сил и выдаёт крутящий момент 900 Н•м.
Двигатель OPOC — двухтактный, так что за один оборот коленчатого вала встречные поршни каждого из цилиндров совершают рабочий ход. При движении к своим мёртвым точкам они открывают окна в стенках цилиндров. Причём один из поршней заведует впуском, второй — выпуском. На рисунке ниже их легко распознать по цветам — синему и красному соответственно. При этом окна расположены так, что выпускное открывается чуть раньше впускного и закрывается также раньше. Это важно для хорошего газообмена.
Ключевые компоненты OPOC, вид сверху и спереди. Обратите внимание на несимметричное расположение впускных и выпускных патрубков относительно коленвала.
Устранение головок цилиндров, клапанов и механизма их привода упростило мотор, сделало его легче, снизило потери на трение и даже расход масла (по оценке компании, вдвое против обычного дизеля). Но ведь такими преимуществами вроде бы могут похвастать и другие двухтактные моторы со встречными поршнями?
Изюминка новинки в том, что все поршни в ней соединены с единственным центральным коленвалом, в то время как раньше схожие конструкции требовали двух коленчатых валов по краям движка. Соответственно, они были заметно крупнее и тяжелее, и неудивительно, что применение нашли в основном на тепловозах и судах. Ну а OPOC, схема работы которого представлена в ролике ниже, нацелен на куда более широкий спектр машин.
Как любой двухтактник, OPOC нуждается во внешнем устройстве, которое продувало бы цилиндры в момент открытия окон. В рассматриваемом случае конструкторы решили возложить эту обязанность на турбонаддув. Но очевидно, он не поможет при запуске мотора, а сами цилиндры «вдохнуть» и «выдохнуть» не способны.
Решение опять же нашлось в давней идее, которую ряд компаний обкатывал, но до ума никто так и не довёл. На вал классической турбинки инженеры поставили электродвигатель. При запуске и до тех пор, пока ДВС не набрал обороты, этот моторчик получает энергию от батарей, обеспечивая «дыхание» OPOC. А далее мотор отключается, и турбонаддув превращается в самый обычный. Более того, на высоких оборотах, когда поток выхлопных газов велик, электромотор в турбине может превращаться в генератор, подпитывающий батареи машины.
Электрический турбонаддув — один из самых спорных элементов новинки. Для его раскрутки нужно приличное количество энергии, что приводит к необходимости ёмких и мощных батарей, а значит, удорожает конструкцию.
Новая схема, по утверждению её создателей, отличается очень хорошей продувкой цилиндров, а потому позволяет извлечь наибольшую выгоду из самого двухтактного цикла, теоретически позволяющего достичь вдвое большей литровой мощности двигателя, по сравнению с четырёхтактным. Хотя на практике такого показателя ещё не достигалось. Система OPOC обладает рядом иных любопытных особенностей.
При новой конфигурации для того, чтобы обеспечить заданный рабочий объём, каждому из поршней за один ход требуется пройти вдвое меньшее расстояние. Это означает и меньшую скорость движения при фиксированных оборотах, следовательно, и меньшие потери на трение. Всеми этими особенностями двигатель OPOC обязан в первую очередь Петеру Хофбауэру. Основатель, председатель и технический директор EcoMotors ранее много лет возглавлял разработку перспективных двигателей в компании Volkswagen. К примеру, на его счету смещённо-рядный мотор VR6 с малым (15 градусов) углом развала цилиндров. И хотя фирма EcoMotors была основана в 2008 году, сам Хофбауэр начал размышлять над OPOC на несколько лет раньше.
Идея Петера Хофбауэра хотя сама по себе и свежа, но корнями уходит в 1930-е годы. Отправной точкой его изысканиям послужили созданный Гуго Юнкерсом авиационный дизель со встречными поршнями Junkers JUMO 205 (вверху) и бензиновые «оппозитники» Фердинанда Порше (внизу), в числе которых мотор автомобиля, получившего после войны всемирную известность под именем «Жук». Фактически Хофбауэр скрестил эти две конструкции.
Компания сообщает, что OPOC в дизельном варианте на 30–50% легче, чем обычный турбодизель той же мощности, содержит на 50% меньше деталей, занимает в два-четыре раза меньше места под капотом и при этом может быть (при определённых условиях) на 45–50% экономичнее. Последняя цифра вызывает у специалистов самые большие сомнения, однако, даже если выигрыш в расходе преувеличен, основания для оптимистичных заявлений у EcoMotors имеются. Первый образец ДВС OPOC, по утверждению фирмы, провёл на динамометрическом стенде свыше 500 часов. Можно констатировать, что схема работает. С характеристиками дело обстоит не так однозначно. Модель EM100, которую ныне испытывают инженеры, выдаёт заявленные параметры по мощности и крутящему моменту только при настройках, не учитывающих токсичность выхлопа. Такую версию OPOC компания предлагает ставить на военную технику, для которой отношение отдачи к весу важнее прочего.
Для обычного транспорта EcoMotors предлагает настраивать те же движки несколько иначе: на 300 л.с. и 746 Н•м. Улучшение экономичности против обычных дизелей в таком случае обещано «всего» 15-процентное, но и оно выглядит огромным шагом вперёд, так как обычно компании борются за каждый процент. Дальнейшая экономия возможна при объединении пары таких моторов в четырёхцилиндровый агрегат. То, что раньше было самостоятельным мотором, превращается в модуль. Между ними EcoMotors намерена ставить управляемую электроникой муфту. При малой нагрузке, мол, будет работать только один модуль, при большой — подключится второй. А так как OPOC хорошо уравновешен, все действующие силы тут компенсируют друг друга и мотор отличается минимумом вибраций, то и активация «спящей» половинки в любой момент пройдёт гладко.
Замысел этот похож на известное отключение цилиндров в больших V-образных двигателях. Вот только там «холостые» поршни всё равно продолжают движение вверх-вниз, здесь же половина мотора останавливается полностью, а вторая продолжает трудиться в выгодном режиме. Кроме того, в такой бинарной схеме инженеры предлагают ещё немного снизить предельную отдачу каждого модуля — до 240 «лошадок» (480 будет развивать весь агрегат). По соотношению мощности и веса это всё ещё будет очень достойный мотор, причём, мол, удастся добиться максимальной экономии горючего (тех самых 45%) и соответствия самым строгим нормам по токсичности выхлопа, уверяют разработчики.
Пока OPOC — система сырая, а её конструкторы больше раздают обещания. Но они оптимисты и приступили к расширению линейки. На чертежах уже вырисовывается 75-сильный двухцилиндровый мотор EM65 чуть меньшего размера и массы, чем EM100. Его, кстати, хотят перевести на бензин. Сферы же применения EM65 вполне очевидны: лёгкие грузовики и легковушки, в том числе гибриды. Определённым залогом, но не стопроцентной гарантией успеха экзотического ДВС является репутация его главного конструктора: Петер отдал Фольксвагену 20 лет жизни. И удивительно ли, к слову, что его нынешняя работа перекликается с проектами Порше, стоявшего у истоков знаменитой немецкой марки?
www.drive.ru
Современный дизель представляет собой комбинированный двигатель, где газы совершают полезную работу сначала в цилиндре (перемещая рабочий поршень), а затем в газовой турбине. Газовая турбина используется для привода воздушного компрессора, подающего воздух в цилиндры под более высоким давлением, чем давление окружающей среды.
Рис. 1 Схема комбинированного двигателяИдеальный цикл комбинированного двигателя состоит из цикла acz, zb поршневого двигателя со смешанным подводом тепла и участка bma, представляющего собой работу газа в турбине.
На рисунке обозначено:
ас — адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре;
cz1 — подвод тепла q1 при постоянном объеме;
z1 z — подвод тепла q2 при постоянном давлении;
zb — адиабатное расширение рабочего тела в цилиндре;
bm — адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине;
ma — отвод тепла q3 при P=const.
Рис. 2 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме P-VКак видно из рисунка, полезная работа в комбинированном двигателе при прочих равных условиях больше полезной работы цикла поршневого двигателя на величину, определяемую площадью bma. Поскольку количество подведенного тепла считается неизменным, следовательно, полезная работа увеличена за счет уменьшения количества отводимого тепла. Это видно на следующем рисунке, где уменьшение отведенного тепла по сравнению с циклом поршневого двигателя определяется заштрихованной площадью bma.
Рис. 3 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме T-SОпределим термический КПД идеального цикла комбинированного двигателя. Для этого обозначим:
δ’ = Vm / Vz — суммарная степень последующего расширения в цилиндре и в турбине;Δδ = Vm / Vb — увеличение степени последующего расширения.
Остальные обозначения — те же, что и в циклах поршневых ДВС. Тогда:
ηt=1—q3/q1+q2.
Так как:
q1=CvTz1—Tc;q2=CpTz—Tz1;q3=CpTm—Ta.
Температуры определяются равенствами:
Tc=Taεk—1;Tz1=Tcλ=Taεk—1λ;Tz=Tz1ρ=Taεk—1λρ;Tb=TzVz/Vbk—1=Taλρκ;Tm=TbVb/Vmk—1=Taλρκ1/△δκ—1.
Тогда:
ηt=1—CpTaλρκ1/△δκ—1—1CvTaεk—1λ—εk—1+CpTaεk—1λρ—εκ—1.
Учитывая, что Cp/Cv = k, и выполнив алгебраические преобразования, окончательно получим:
ηt=1—1εκ—1 kλρk1/△δk—1—1λ—1+κλp—1.
Из этого равенства видно, что термический КПД комбинированного двигателя зависит от тех же факторов, что и цикл поршневого двигателя. Влияние дополнительного расширения в турбине проявляется через Δδ — поскольку Vm / Vb всегда больше I, то любое увеличение степени последующего расширения в турбине приводит к уменьшению числителя правой части равенства (2) и к соответствующему увеличению термического КПД цикла.
С другой стороны, можно написать:
Tm=Tz1/δk—1=Taλεk—1ρ1/δk—1.
Подставив Tm в исходные зависимости и выполнив соответствующие преобразования, можно найти:
ηt=1—1εk—1 kρλ1/k—1λ—1+κλp—1.
Эта формула проще, чем (2). Из нее явно видно, как и для цикла поршневого двигателя, увеличение КПД с воз
sea-man.org
| Основные Продукции: | Постоянного Мембранного Насоса, Солнечный Насос, Водяной Насос, Диспенсер для Воды, Двигателем Постоянного Тока |
ru.made-in-china.com
«Современный двигатель внутреннего сгорания по определению не самый выдающийся продукт с точки зрения технологий. Это значит, что его можно совершенствовать до бесконечности» (Мэтт Тревитник, президент венчурного фонда семьи Рокфеллер Venrock).
Владимир Санников
22 марта 2010 20:48
Уже в ноябре этого года на американский рынок выйдет Chevrolet Volt, электромобиль с бортовым генератором электроэнергии. Volt будет оснащен мощным электродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, который лишь подзаряжает истощенную литий-ионную батарею. Этот агрегат всегда работает на максимально эффективных оборотах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, привыкший к куда более тяжкому бремени. Однако в скором времени его могут сменить куда более компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданные для работы в качестве электрогенератора.
Когда речь заходит о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы, кивать на сотни пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трясти святыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства классического двигателя внутреннего сгорания кого хочешь убедят в бесполезности инноваций. Но только не профессионалов в области термодинамики. К таковым относится профессор Питер Ван Блариган.
Одна из самых радикальных концепций ДВС в истории — двигатель со свободным поршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к 1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрический поршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектор для впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топлива к ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталей и лишь одна — движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС со свободным поршнем (FPE) — с двумя или даже четырьмя оппозитными поршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним — возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумя камерами сгорания.
Куда уходит КПД Двигатель Питера Ван Бларигана отличается от обычного ДВС значительно более высоким КПД за счет отсутствия паразитных потерь. В конструкции отсутствуют вращающиеся массы, инерция которых увеличивается за счет центробежной силы. На поршни не действуют боковые силы, прижимающие их к стенкам цилиндра, благодаря чего уменьшается трение. Подшипники коленчатого вала и шатунов, поршневые пальцы, распредвал, кулачки и клапаны — все те узлы двигателя ОТТО, в которых свирепствует трение, отсутствуют в FPLA. Кроме того, на каждый цикл работы двигателя со свободным поршнем приходится два рабочих такта. При этом FPLA намного компактнее, проще и надежнее обычного ДВС. Рабочий прототип мотора Ван Бларигана уже был воплощен в металле и успешно прошел первую стадию испытаний.
Теоретически КПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого или газообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того, очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственная проблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собой замкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов в минуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективность при этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попытки предпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры General Motors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментального газотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE в начале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской Alan Muntz, но в серию они не пошли.
Возможно, об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 году Департамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandia изучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различных типов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера Ван Бларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPE была отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращения механической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, а значит — снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания, призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря на всю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в 1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных и мощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретения сплава на основе неодима, железа и бора.
Схема двигателя Штельзера Единая деталь сочетает в себе два поршня, топливный насос и клапанную систему.
За эту работу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE Ван Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоена почетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективность линейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретение Ван Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проекта вплоть до стадии экспериментального агрегата.
Двухтактный линейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехнической кремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг. Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками медной проволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршня интегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают в камеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации. Зажигание происходит в режиме HCCI — в камере одновременно возникает множество микроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLA нет — ее функции выполняет сам поршень.
В 1981 году немецкий изобретатель Франк Штельзер продемонстрировал двухтактный мотор со свободным поршнем, который он разрабатывал в своем гараже с начала 1970-х. По его расчетам, движок был на 30% экономичнее обычного ДВС. Единственная движущаяся деталь мотора — сдвоенный поршень, снующий с бешеной частотой внутри цилиндра. Стальная труба длиной 80 см, оснащенная карбюратором низкого давления от мотоцикла Harley-Davidson и блоком катушек зажигания Honda, по грубым прикидкам Стельзера, могла вырабатывать до 200 л.с. мощности при частоте до 20 000 циклов в минуту. Штельзер утверждал, что его моторы можно делать из простых сталей, а охлаждаться они могут как воздухом, так и жидкостью. В 1981 году изобретатель привез свой мотор на Франфуртский международный автосалон в надежде заинтересовать ведущие автокомпании. Поначалу идея вызвала определенный интерес со стороны немецких автопороизводителей. По отзывам инженеров Opel, прототип двигателя демонстрировал великолепный термический КПД, а его надежность была совершенно очевидной — ломаться там было практически нечему. Всего восемь деталей, из которых одна движущаяся — сдвоенный поршень сложной формы с системой уплотнительных колец общей массой 5 кг. В лаборатории Opel были разработаны несколько теоретических моделей трансмиссии для мотора Штельзера, включая механическую, электромагнитную и гидравлическую. Но ни одна из них не была признана достаточно надежной и эффективной. После Франкфуртского автосалона Штельзер и его детище пропали из поля зрения автоиндустрии. Еще пару лет после этого в прессе то и дело появлялись сообщения о намерениях Штельзера запатентовать технологию в 18 странах мира, оснастить своими моторами опреснительные установки в Омане и Саудовской Аравии и т. д. С начала 1990-х Штельзер навсегда пропал из виду, хотя его сайт в интернете все еще доступен.
Максимальная мощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблении топлива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водородным топливным ячейкам — термический КПД генератора при использовании в качестве топлива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше — 56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин, этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.
Однако ничто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии в электрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнем стало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит от степени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможение поршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующего самопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий цикл является аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям между поршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертвая точка — плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливного заряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар в одну из боковых стенок.
Зеленый и плоский Двигатель Ecomotors отличается не только скромными габаритами и массой. Внешне плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, которые дают особые компоновочные преимущества в виде низкого центра тяжести и линии капота. Это означает, что автомобиль будет не только динамичным, но и хорошо управляемым.
Таким образом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующая электронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многие эксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководитель лаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигатели внутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств. Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнать о термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Ему вторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этой области еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработать простую и дешевую систему управления».
Ван Блариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, что управление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той же пары — статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, что полноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД не менее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогресса в этом проекте — засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группы Ван Бларигана.
У кого шатун длиннее Значительная часть потерь на трение в обычных ДВС приходится на повороты шатуна относительно поршня. Короткие шатуны поворачиваются на больший угол, нежели длинные. В OPOC очень длинные и сравнительно тяжелые шатуны, которые снижают потери на трение. Уникальная конструкция шатунов OPOC не требует использования поршневых пальцев для внутренних поршней. Вместо них применяются радиальные вогнутые гнезда большого диаметра, внутри которых скользит головка шатуна. Теоретически такая конструкция узла позволяет сделать шатун длиннее обычного на 67%. В обычном ДВС серьезные потери на трение возникают в нагруженных подшипниках коленвала во время рабочего такта. В OPOC этой проблемы не существует вовсе — линейные разнонаправленные нагрузки на внутренний и внешний поршни полностью компенсируют друг друга. Поэтому вместо пяти опорных подшипников коленвала для OPOC требуется лишь два.
В январе 2008 года знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из своих последних проектов — компанию EcoMotors, созданную годом ранее Джоном Колетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. В послужном списке Хоффбауэра немало прорывных разработок: первый турбодизель для легковых автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый 6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизель Inline-Compact-V, впервые установленный в Golf, и его близнец VR6, созданный для Mercedes. Джон Колетти не менее известен в среде автомобильных инженеров. Долгое время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особых серий заряженных автомобилей.
В общем активе Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах по разработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных автомобилей. EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенного Хоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеля с технологией OPOC.
www.popmech.ru
«Использовать традиционный распредвал вместо Freevalve — это все равно что играть на фортепиано коромыслом вместо пальцев», — утверждает фон Кёнигсегг. Что за проблемы хочет решить изобретатель, программируя поведение каждого клапана в отдельности? Перечислим их в порядке нарастания интересности.
Самое очевидное: для разных режимов работы двигателя (прежде всего скорости вращения коленвала) существует свой оптимальный состав топливовоздушной смеси, свои правильные моменты открытия и закрытия клапанов. Традиционно эта проблема решается с помощью механизма изменения фаз газораспределения (например, VTEC): весь распределительный вал слегка поворачивается относительно шестерни привода газораспределительного механизма (ГРМ), и все моменты открытия и закрытия клапанов смещаются вперед или назад.
Красный график демонстрирует кривую открытия впускного клапана, синий — выпускного. Хорошо видно, что клапаны максимально долго пребывают в полностью открытом положении, — графики имеют почти прямоугольный профиль, тогда как с обычным ГРМ они были бы больше похожи на параболы. Необходимые объемы газов проходят через клапаны Freevalve за меньший промежуток времени, чем обычно, поэтому короткие фазы впуска и выпуска не перекрываются. В этом кроется причина почти двукратного улучшения экологических показателей.
Проблема VTEC заключается в ограниченном количестве режимов, в то время как индивидуально управляемые клапаны позволяют пересматривать оптимальный набор параметров при любом, даже самом малом изменении оборотов. Но главное то, что Freevalve позволяет изменять не только момент, но и продолжительность открытия клапанов.
А что, если нам захочется гибко управлять мощностью двигателя, отключая часть цилиндров? В современных двигателях задача решается с помощью весьма сложного механизма: для каждого клапана предусматривается два кулачка, которые сменяют друг друга, сдвигаясь вдоль распредвала. Один кулачок обеспечивает штатную работу клапана, второй отвечает за работу цилиндра в «режиме ожидания». Клапаны Freevalve позволяют в любой момент включать любую программу для любого цилиндра без каких-либо механических ухищрений.
И все же главная проблема традиционного ГРМ кроется в эллиптической форме кулачка, благодаря которой клапан практически никогда не бывает открыт или закрыт полностью. Вместо этого он всегда или плавно открывается, или плавно закрывается, что снижает его пропускную способность. Мало того, эта особенность приводит к тому, что в определенные моменты впускные и выпускные клапаны оказываются открытыми одновременно, и это отрицательно сказывается на экологических характеристиках двигателя.
Клапаны Freevalve позволяют сделать головку блока цилиндров и сам двигатель намного компактнее. Но это далеко не единственное компоновочное преимущество. Можно увеличить количество клапанов на один цилиндр, разделив функции между ними. К примеру, направлять одну часть выхлопа к турбине нагнетателя, а другую — напрямую к катализатору, из экологических соображений. Специальные клапаны пригодятся и для того, чтобы превратить автомобиль в пневматический гибрид.
Кристиан фон Кёнигсегг демонстрирует кривую открытия клапанов на мониторе специального прибора. Она напоминает прямоугольник: клапан резко открывается, удерживается в открытом состоянии, а затем резко закрывается. Это вам не вечный грустный эллипс традиционного клапана. Особенно интересно, что кривая сохраняет свою угловатость даже на высоких оборотах (до 10 000 об/мин) — актуатору хватает мощности, чтобы открывать и закрывать клапан действительно быстро.
Пожалуй, именно последнее свойство в наибольшей степени поспособствовало тому, что тестовый двигатель со свободными клапанами показал впечатляющие результаты на испытаниях: он выдает на 30% больше крутящего момента, потребляет на 30% меньше топлива и дает 50%-ное сокращение вредных выбросов.
Freevalve — это больше, чем кажется. Во‑первых, система может в значительной мере изменить облик автомобиля. Распределительный вал и толкатели клапанов занимают много места в головке блока цилиндров, да и весят немало. Четырехцилиндровый двигатель с Freevalve размерами и весом напоминает трехцилиндровый. Если же учесть, что независимые клапаны дают значительный прирост крутящего момента, то можно и вовсе обойтись двумя цилиндрами. И тогда крохотный моторчик можно будет спрятать хоть под сиденьем.
Система позволяет в любой момент перевести двигатель на экзотический цикл работы, хоть Миллера, как на Mazda, хоть Аткинсона, как на Prius. Чего уж скромничать: при желании мотор может в мгновение ока стать двухтактным, почти двукратно нарастив мощность! Фон Кёнигсегг мечтает об автомобилях с двумя топливными баками и системами питания: для бензина и дизеля. Для перехода на биотопливо гибкость настроек также актуальна.
www.popmech.ru
