Суета вокруг цилиндра
ДВС Saab с изменяемой степенью сжатия
До того, как совершенно разориться, автомобильное подразделение Saab активно экспериментировало с конструкцией своих моторов. И в 2000 году увидел свет опытный образец рядного 5-цилиндрового двигателя под кодовым именем SVC («Saab Variable Compression»). Агрегат объемом 1,6 литра выдавал 225 л.с. – за счет компрессора и изменяемой степени сжатия.
Степень эту «двигали» при помощи увеличения или уменьшения хода поршней в цилиндрах. Блок был разделен на две части в горизонтальной плоскости, половинки соединяли шарнирами (и сразу встает вопрос о герметичности подобного сочленения в условиях вибраций и высоких температур…). В нижней половине располагались коленвал, шатуны и поршни, а верхняя заключала в моноблоке цилиндры и их головки. Гидропривод наклонял моноблок на небольшой угол, варьируя степень сжатия от 14 единиц на холостых оборотах до 8 в нагруженных режимах с участием компрессора. Мотор получился чрезвычайно эластичным и мощным, неприхотливым к топливу – но сложным механически, тяжелым и дорогим. Агрегат показали публике, сорвали овации… и проект SVC закрыли.
Более практичным вариантом такой конструкции является схема с модифицированным кривошипно-шатунным механизмом, где коленвал связан с поршнем через коромысло специфической формы. Положение коромысла корректируется вторым валом, вспомогательным, который вращается с помощью электро- или гидропривода. Вторичный вал через коромысло меняет положение поршня в цилиндре, а значит, и степень сжатия. В отличие от мотора системы Saab Variable Compression, эту схему можно относительно легко внедрить на любом серийном двигателе, почти без увеличения веса и габаритов. Но чуда все же не случится – модификация повлечет за собой удорожание и сложный ремонт, а массовое производство этого не терпит.
И пока что потребитель довольствуется VTEC или VVT-i, а также им подобными схемами.
Серийный дизель BMW с четырьмя турбинами
Отлично помню, как в 2001 году мы восхищались весьма раритетной машиной знакомого – это был праворукий универсал Subaru Legacy с редкой по тем временам системой твин-турбо, «доведенной» поршневой группой и легким чип-тюнингом, благодаря которым семейный «сарай» выдавал под 300 л.с. и дерзко наказывал на светофорах разнообразные «туреры». Это была быстрая машина в духе «дешево и сердито»; а вот новая «семерка» BMW с трехлитровым дизелем «квадро-турбо» – это уже иная реальность. Здесь мы рассматриваем передовой край классического моторостроения – не эксперименты и поиски, а твердую серию, отточенную до стального блеска.
Дизельная шестерка BMW впервые в истории получила четыре нагнетателя, замахнувшись на звание мощнейшей дизельной шестерки в мире. Вот показатели: 400 лошадиных сил плюс 760 Нм крутящего момента. И не менее важно, чем голые цифры, слаженность и алгоритмы управления, присущие этому мотору.
Благодаря отличной работе восьмиступенчатой трансмиссии тяжелый седан разгоняется до 100 км/ч всего за 4.6 секунды. Наддув организован так, что практически всегда работает хотя бы одна турбина. Система включает два малоинерционных нагнетателя высокого давления, установленных в едином блоке, а также два компактных компрессора низкого давления. Турбины начинают срабатывать последовательно, причем второй компрессор высокого давления подключается лишь для кикдауна и только на оборотах выше 2500 в минуту. Координирует взаимодействие компонентов последнее поколение фирменной системы Digital Diesel Electronics (DDE).
В результате всех этих хитростей 450 Нм крутящего момента доступны уже с 1000 оборотов в минуту, максимальные 760 Нм реализуются в диапазоне от 2000 до 3000 оборотов в минуту. У BMW ранее уже был подобный мотор с тремя турбинами, но прибавка четвертой позволила сэкономить 11% солярки, доведя паспортный расход топлива до фантастических (в этом-то классе!) 5,7-5,9 литров на сто километров пробега.
Глядя на «отчетную таблицу данных» нового баварского дизеля, хорошо понимаешь, как невероятно трудно экспериментаторам от моторостроения бороться с последними достижениями «простых» конвейерных авто.
Серийный дизель Audi с нагнетателем на электроприводе
И еще один участник парада из немецкой слободы. На этот раз отличилась Audi, поставив на конвейер серийный внедорожник SQ7 и оснастив его компрессором с электрическим приводом. Впервые в мире!
«Весовая категория» здесь несколько иная, чем у предыдущего дизеля BMW. Audi SQ7 развивает 435 л.с. при объеме ровно четыре литра. И крутящий момент здесь тоже «немножко» другой – адские 900 Нм в диапазоне 1000-3250 оборотов в минуту. Зачем все это богатство нужно кроссоверу – вопрос философский; однако машина несильно уступит BMW 7 в разгоне – 4.8 секунды до сотни против баварских 4.6.
Что дает электрический компрессор SQ7? По заявлениям производителя – абсолютную нейтрализацию эффекта «турбоямы», т.е. идеальную плавность набора мощности и тяги; ну и разумеется – экономию топлива. Чтобы дыхания компрессора хватало на весь немалый V8, его питает отдельная 48-вольтовая батарея литий-ионных аккумуляторов, упрятанных под днище багажника. Мощность одного лишь компрессора – 7 киловатт (около 9.5 л.с. – это уже легкий мотоцикл, ребята!), лопасти раскручиваются до 70 тысяч оборотов всего за четверть секунды. Задача компрессора – обеспечить ровную тягу уже с холостых.
Да и новый дизель V8 от Audi – тоже произведение искусства. Турбины помещаются в развале блока цилиндров и работают по двухступенчатой схеме. В умеренных режимах нагрузки открывается один из двух выпускных клапанов в каждом цилиндре, создавая давление на лопасти первой турбины. При выходе на полку 2200-2700 оборотов в минуту система приоткрывает «вторые» выпускные клапаны и раскручивает вторую крыльчатку. Электрический компрессор, как уже было сказано, трудится вблизи холостых оборотов, «подпирая» турбины снизу.
Желающие поспорить – что лучше, три турбины Audi или четыре BMW? – пожалуйста, арендуйте конференц-зал, кофемашину и попкорн.
ДВС Qoros без распредвала и дроссельной заслонки
Собрались как-то шведы из Koenigsegg, которые уже несколько лет препарируют моторы Saab, вместе с евреями из Israel Corporation и китайцами из Chery – и задумали оснастить буквально вот только что появившийся на свет Qoros (который продается в Словакии) моторами без распредвалов. Как вам такая завязка?
На самом деле, внутри Koenigsegg (безумно мощные гиперкары, штучное производство) существует микроподразделение FreeValve. Вот эти-то ребята и мечтают избавить современный ДВС от такого сложного, тяжелого и малоэффективного элемента, как распределительный вал. Вместо него предполагается на каждый цилиндр монтировать пневматический (возможны варианты) актуатор, который и будет управлять движением впускных и выпускных клапанов. Не путать с гидравлическим приводом клапанов, который распредвала не отменяет.
Инженеры FreeValve брали штатный рядный мотор Saab и заставляли его возить машину по 100 и более тысяч километров – без распредвала и дроссельной заслонки! Самое странное, что Saab не сломался и продолжает ездить.
И не просто ездить: в экспериментальном Saab шведам удалось добиться прироста мощности до 25-30% и экономии топлива до 50% — при очевидном облегчении и уменьшении геометрических размеров двигателя.
Видимо, специалистам из FreeValve удалось убедить в перспективности проекта руководство Chery (судя по всему, именно китайцы дают деньги и производственные площади). В рамках нового израильско-китайского бренда Qoros были созданы моторы QamFree, в которых, цитируем, «каждый клапан открывается при помощи индивидуального пневматического актуатора, а закрывается под действием пружины (она может быть обычной стальной или пневматической)». Помимо Qoros, в планах мелькали идеи снабдить подобными моторами некий бюджетный подбренд Koenigsegg (но это пока темная лошадка).
Аксиальные ДВС
Традиционный способ увеличить отдачу ДВС – увеличить объем камеры сгорания (расточкой или, радикально, добавляя числа цилиндрам). Это повлечет за собой пропорциональное увеличение размеров и веса поршней, распредвалов, подушек двигателя и т.п. Громоздко, затратно. Например, в первых аэропланах применялись звездообразные схемы ДВС, где поршни и цилиндры расположены вокруг распредвала через равные углы. Никаких проблем с охлаждением, минимум лишних деталей – но подобная «звезда» никак не войдет под капот автомобиля.
Но мысль инженеров уже закрутилась вокруг идеи скомпоновать цилиндры и валы более оптимальным, чем рядный или V-образный метод. Некто Макомбер из Macomber Rotary Engine Company (Лос-Анджелес) в 1911 году продемонстрировал публике так называемый осевой двигатель (аксиальный ДВС). В этой схеме поршни (их было 7!) ходят параллельно ведущему валу, и расположены вокруг него. Вал приводится через систему шатунов и особую качающуюся шайбу. Шайба качается на валу благодаря сферическому подшипнику, и регулируя ее наклон, можно также делать степень сжатия «плавающей». В целом, блок ДВС приобретает вид этакой бочки, и выдает лучшие показатели мощности при одинаковых размерах с рядными оппонентами. Так, мотор Макомбера развивал 50 л.с. при 1000 об/мин, весил всего 100 кг и описывался размерами 710×480 мм.
Не обошел стороной аксиальную идею и знаменитый ДеЛориан: поначалу он хотел снабдить свою революционную модель именно таким мотором (для ДеЛориана и его DMC-12 все закончилось неважно, а мотор пришлось покупать у Renault).
Ну, как говорится, побаловались и хватит? Отнюдь, осевой мотор не забыт. Компания Duke Engines из Новой Зеландии в 2013 году показала публике очередной вариант аксиального ДВС. Из сногсшибательных характеристик – пять цилиндров, три форсунки для впрыска и полное отсутствие клапанов. Плюс к этому вращение вала и подвижная шайба крутятся разнонаправленно. Как так, почему число цилиндров и форсунок не совпадает, спросит читатель? Ответ: а весь блок подвижен, и цилиндры в определенной последовательности проходят мимо форсунок и свечей, получая свою порцию «огня». Точно также поочередно цилиндры отдают газы через неподвижные выпускные отверстия. Посмотрите наглядную демонстрацию процесса.
В результате на один оборот вала приходится столько же рабочих ходов поршня, как у шестицилиндрового классического ДВС.
Чего ради все это затевалось? Во-первых, вес аксиального двигателя на 30% меньше рядного аналога того же объема; во-вторых, степень сжатия «аксиалки» достигает 15 – нужно ли говорить, что это хорошо для общей эффективности мотора.
Ребята из Duke Engines мыслят трезво и осознают, что реально бороться с классическими автомобильными ДВС шансов у них нет. Однако компания планирует серийный выпуск осевых двигателей для моторных лодок, генераторов и малой авиации. Пожелаем им удачи, почему бы и нет?
Двигатель Скудери: сжатие и расширение раздельно
Американец итальянского происхождения Кармело Скудери, по легенде, не использовал компьютер и создавал свой знаменитый двигатель типа SCC (Split-Cycle Combustion) на глаз и по логарифмической линейке. Так это или нет, неважно. Главное принцип: разделить цилиндры на рабочие и вспомогательные. В таком моторе на каждый оборот коленвала приходится один полный рабочий такт, а не его половина.
В схеме Scuderi Engine рабочий и вспомогательный цилиндры соединены переходными каналами, в каждом канале работают компрессионный и расширительный клапаны. Если опустить тонкости, то смысл схемы в том, что в рабочем цилиндре происходит впуск и сжатие смеси, а во вспомогательном цилиндре – сгорание и выпуск. Смесь воспламеняется уже после прохождения поршнем верхней мертвой точки, поэтому взрывная волна «догоняет» поршень, исключая возможность детонации.
Широкой публике двигатель был показан в 2009 году (а придуман к 2001-му), его виртуальные испытания говорили о необыкновенной стабильности процессов. Так, «люфт» параметров горения смеси в наиболее проблемной зоне оборотов — от холостых до полутора тысяч — у SCC почти вдвое ниже, чем у ДВС Отто: 1,4% против 2,5. На языке двигателистов это означает высочайшую степень точности в дозировке топлива и слаженности впуска-выпуска.
Теоретически, двигатель Скудери на 25% экономичнее атмосферных моторов Отто одинаковой с ним мощности (при сочетании механики SCC и особого пневматического наддува Scuderi Air-Hybrid преимущество растет до 30−36%). А к 2011-му году американские инженеры дополнили Scuderi Engine V-образной архитектурой, где перепускные каналы сделаны в виде отдельных модулей. Второе поколение SCC показало до 50% экономии топлива и на 80% меньший выброс токсичных газов в сравнении с классическими ДВС близкой мощности. При скромном весе двигатель Скудери демонстрирует удельную мощность до 135 л.с. на литр объема. Да и показатели крутящего момента превосходят «классику».
И что же, конец засилью цикла Отто? Стоп-стоп, не так быстро… Пока мы что-то не видим в ближайших планах крупнейших автопроизводителей строку «модельный ряд переведен на двигатели со схемой SCC». А все потому, что за моторами Отто стоит столетие инженерных исследований, полевой практики, тысячи заводов с наработанной инструментальной базой. За этими моторами ресурс и ремонтопригодность. Идея Скудери, как минимум, должна десяток лет покрутиться на стендах и в лабораториях – а там посмотрим.
Ecomotors OPOC: сверхмощная труба
Достойна упоминания попытка разместить ДВС… в трубе. Точнее, сама труба и есть ДВС под кодовым именем OPOC. Занимается проектом компания Ecomotors (США), а денежки на исследование дают не какие-то авантюристы, а серьезные ребята, в числе которых венчурный гений Винод Хосла и софтверный миллиардер Билл Гейтс.
У истоков системы OPOC опять оказался немец. Профессор Петер Хоффбауэр (ум, честь и совесть мотористов Volkswagen – еще до пресловутого «дизельгейта») в конце 1990-х годов создал оппозитный двухтактный дизельный двигатель с удельной мощностью порядка 3 л.с. на килограмм массы мотора. В трубообразной полости ходили навстречу друг другу две пары цилиндров; между ними установлена форсунка системы впрыска, а впускные и выпускные отверстия высверлены в области нижней мертвой точки центральных поршней. Никаких клапанов и распредвалов. Только одна тонкость: нужен электрический компрессор, закачивающий в цилиндр воздух с температурой 100 оС. Он заменяет калильные свечи дизеля.
Относительно небольшая «труба» OPOC весом 100 кг развивает 325 л.с. и 900 Нм крутящего момента, удерживая КПД в районе 60%. А это, между прочим, вдвое лучше самых сложных и навороченных немецких дизелей последних лет. При этом OPOC отлично «масштабируется» добавлением новых модулей, позволяя делать рядные 4-, 6- и 8-цилиндровые моторы. Рабочая степень сжатия невелика для дизеля – около 16, что снимает вопросы о качестве топлива.
В схеме OPOC со встречными поршнями в зоне хода одного поршня располагается впускное отверстие, в зоне хода второго — выпускное. Это позволяет быстро очищать камеру сгорания от отработавших газов, и не пускать «наружу» лишнюю смесь, что является болезнью всех классических двухтактников. Коленвал же проходит по центру трубы и работает сразу на все поршни.
Очень ждут моторов от Ecomotors военные, самолетостроители, производители горной спецтехники. А это говорит нам, что у схемы есть непреодолимые пока проблемы, не пускающие OPOC в массы обычных автомобилистов. Скорее всего, это показатели шумов и габаритов, экологии и ресурса. Тем не менее, в 2014 году Ecomotors и китайская FAW Group построили завод в провинции Шаньси, который уже выпускает до 100 000 двигателей типа OPOC ежегодно.
И последнее: опять же по легенде, идею OPOC немцы «позаимствовали» у харьковских двигателистов, делавших танковые моторы для Т-64А еще в 60-е годы 20 века, когда о патентах в СССР речь и не шла. Позже схема «засветилась» на тепловозных и судовых движках.
IRIS: поршень в лепестках
Аббревиатура IRIS расшифровывается как Internally Radiating Impulse Structure, что весьма условно можно перевести как «импульсная структура с внутренними лепестками». И здесь нужны пояснения.
Ключевая идея изобретателя IRIS, американца Тимбера Дика, заключалась в устранении коренного «недостатка» классического цилиндра ДВС. А именно: сгорающая смесь давит на торец поршня и часть цилиндра, а это всегда не более 25% от общей площади поверхности камеры сгорания. А что, если полезную площадь, движимую под давлением газов, увеличить?
В двигателе IRIS шесть волнообразно искривленных поршней охватывают более 70% подвижной площади поверхности камеры, оставляя статичным стенкам лишь менее трети. Впускные клапаны открываются и впускают воздух, когда «лепестки» поршней удалены от центра камеры; в это же время через выпускные клапаны выходит отработавший газ. Следующим ходом лепестки смыкаются в центре камеры и сдавливают воздух, туда вбрасывается топливо, идет искра. Горячие газы расталкивают лепестки, те через свои собственные валы крутят ведущий вал.
Несмотря на кажущуюся громоздкость конструкции и обилие валов, схема получила признание специалистов. IRIS отмечен премиями за инновации от NASA, нефтяной корпорации ConocoPhillips и химического гиганта Dow Chemical. Его главные козыри – малый вес и габариты, хороший КПД (до 45%). По расчетам этих специалистов, себестоимость ДВС IRIS не превысит цену аналогичных двигателей Отто.
А вот про стоимость внедрения в серию специалисты умалчивают…
Шаровой ДВС (двигатель Huttlin Kugelmotor)
И наконец, наша любимая сферическая тема. Труба и лепестки уже были, теперь – шар! Некто Герберт Хюттлин, инженер от бога и университета Фрайбурга, предложил совместить ДВС и электрогенератор в компактной шаровой оболочке. Звучит, по крайней мере, очень красиво.
В схеме Huttlin Kugelmotor поршни внутри шара движутся в нескольких направлениях: навстречу друг другу, сдавливая топливную смесь в камере сгорания, и по сложной криволинейной траектории, вдоль кольцевой фигурной шайбы. Корпус поршневых блоков объединен с шестерней, передающей крутящий момент на выходной вал. Все это выглядит немного как фокус Копперфильда или магия ленты Мебиуса… однако работает!
Не правда ли, впечатляет? Когда два поршня в разных блоках сходятся, то два других поршня расходятся до мертвых точек. Процесс получается четырехтактный, оба блока двигаются на валах внутри шара. Один поворот поршневых блоков на 180 градусов дает нам полный четырехтактный цикл, а полный оборот — два рабочих цикла.
Как же колебательно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное? Секрет именно в форме шайбы, или каналов, прочерченных по поверхности шара. С торца каждого из четырех поршней расположен большой титановый шар (шарикоподшипник), который и пробегает по канала шара; в одной плоскости канал составляет окружность, а в другой — синусоиду.
И тут мы вспоминаем… про генератор! С внешней стороны шара (корпуса ДВС) находятся постоянные магниты, ориентированные вдоль оси вращения. А сам шар окружен статичными электромагнитными катушками, которые и вырабатывают индукционный ток. Гениально просто!
Вероятно, достаточно массивный поршневой блок, вращающийся на холостых оборотах, мог бы также послужить в качестве маховика для возможных систем старт-стоп. К этому добавим, что шаровая компоновка цилиндров (как и в случае РПД) сильно смягчает вибрации от рабочего цикла. Такой двигатель банально проще сбалансировать.
Образец Huttlin Kugelmotor показали в 2011 году на автосалоне в Женеве, чем произвели умеренную сенсацию (да, навидались инженеры всякого…). При рабочем объеме 1,18 литра атмосферный двигатель Герберта Хюттлина развивает около 100 л.с. при 3000 об/мин и крутящий момент в районе 290 Нм. При этом ДВС весит лишь 62 кг и собран из 62-х деталей (совпадение?), что уже совсем смешно – количество деталей классического бензинового мотора достигает 240.
Показатели своего Huttlin Kugelmotor доктор Хюттлин собирается заметно улучшить, применив для производства мотора современные сверхпрочные сплавы, керамику, и оптимизировав процессы горения после тщательного компьютерного моделирования. Но и в настоящем своем виде шаровой ДВС очевидно превосходит классические ДВС по компактности и весу, удельной мощности и простоте сборки.
Эпилог
Как видите, попытки «подвинуть» старика Отто и классический прямоходящий поршень с двумя или четырьмя клапанами в цилиндре не прекращаются. Mazda серийно делает бензиновые моторы SkyActiv со степенью сжатия от 14, и грозит нам возвращением легендарного ротора; проект Qoros (точнее, Koenigsegg, если следовать истории) с отменой распредвала, орошенный деньгами Chery, выглядит вполне реалистичным; еще в 1979-м году Honda почти довела до совершенства 4-цилиндровый 32-клапанный (да!) мотоциклетный двигатель NR500 объемом 0.5 литра и мощностью 130 л.с. (не пошел в серию просто потому, что двухтактники были легче и ничем не хуже); были и другие изобретения, удачные и не слишком…
Во внутреннем сгорании есть поэзия; человек привык к огню и тянется к нему. И как писал величайший дирижер 20-го века Герберт фон Караян не кому-нибудь, а самому Энцо Феррари: «Когда звучат ваши цилиндры, я слышу такую звуковую гармонию, которую не воспроизвести ни одному оркестру!». Так-то!