Двигатели без распредвалов, новая технология, которая изменит автоиндустрию
FreeValve, как может работать двигатель без распредвала
Уверен, что многие из наших читателей знают о существования компании под названием. Koenigsegg. Но также мы уверены, что вы почти ничего не слышали о её дочерней фирме под названием FreeValve.
Если это действительно так, то добро пожаловать в мир высоких автотехнологий. Скандинавы разработали и претворяют в жизнь чрезвычайно интересный продукт, новый (это не преувеличение) тип двигателя в котором нет таких привычных для всех кто связан с автомобилями деталей, таких как распредвал двигателя.
Смотрите также: 1.6 литровый двигатель без распредвала от Qoros 3 развивает 230 л.с.
Если взглянуть в прошлое, в 80-е года, топовой и самой продвинутой технологией стала система управления клапанами типа VTEC, 90-е года отличились разработкой и применением продвинутой системой впрыска топлива, чуть позже кульминацией развития прямого впрыска стали поздние 2000-е. Будущее за технологией FreeValve, «без системы распредвалов» приводящего клапаны в движение в ДВС. Но действительно ли это станет будущим моторостроения? Давайте посмотрим вместе.
Как и любая другая технологическая революция, FreeValve Camfree стал технологическим прорывом, который должен (или обязан?) изменить расстановку сил в технологиях создания двигателей внутреннего сгорания. Основной принцип звучит просто и гениально, вместо определённой привязки к определенной, статической формуле, новая технология предлагает гибкость в процессе работы мотора.
Технологии изменяемого открытия клапанов существуют уже относительно давно, было сделано множество прототипов от разных автопроизводителей, существуют даже похожие серийные версии от BMW, но ни одна из них не может сравниться с возможностями, которые предлагает новый тип двигателя, разработанный скромной скандинавской компанией. Гениальность продвигаемой системы также не в последнюю очередь заключается в том, что она не подразумевает серьёзных изменений в конструкции самого двигателя. Тем не менее эта кажущаяся простота не помогла избежать FreeValve дороговизны и сложностей производства. Закон бизнеса, новинки стоят всегда немалых денег.
Мотор FreeValve на 30% мощнее, в два раза экологичнее и на 20-50% экономичнее обычного распредвального двигателя
Как и другие инженеры, сосредоточившиеся на развитии технологий дезактивации и изменяемой степени сжатия, а также изменяемого объёма, парни из FreeValve работали над тем, что называется топовой мировой технологией мотора, стоящей на острие атаки прогресса.
В ходе исследований, компания Koenigsegg выяснила, что технология привода клапанов имеет огромный потенциал развития, решение было логичным, разработать реальную систему, основанную на теоретическом опыте, таким образом для достижения амбициозных целей произошло объединение с дочерней компанией Cargine, впоследствии переименованной в FreeValve.
Вступление закончилось. Переходим к подробностям.
Давайте перейдем к изучению всех нюансов FreeValve технологии, которая не так давно была публично раскрыта для общественности.
В чем разница между системой без распредвалов и классической технологией привода клапанов
Из названия и описания технологии становится понятным, что речь действительно идет о двигателе, в котором отсутствуют распределительные валы. На самом деле необычный подход к инженерии внутримоторных технологий, главный секрет которых заключается в том, что двигателю не нужны эти валы, поскольку клапаны рассчитаны на индивидуальную работу, каждый по отдельности. Каждый клапан не связан жестко с соседними клапанами, отсюда проистекает название- «свободные клапаны», FreeValve.
Главная мысль заключается в том, чтобы работа двигателя внутреннего сгорания стала более эффективной во всех фазах работы. Стандартные распределительные валы ввиду заложенных в них конструктивных особенностей являются крайне компромиссными вариантами, что зачастую приводит к определенным «жертвам», повышенный расход топлива в угоду мощности или низкий крутящий момент на высоких оборотах в угоду пиковой мощности и т.д..
С новой технологией инженеры получили возможность сделать двигатель эффективным при любых оборотах и на всех режимах работы, не опасаясь провалов на холостом ходу, посредственной динамики или высокого расхода топлива.
Звучит как недосягаемая мечта, но нет ничего невозможного, возможно все, что возможно себе представить. Дочерняя компания Кёнигсегг добилась высоких результатов, создав вполне рабочий, практически серийный экземпляр своей разработки, которую они долгие годы возили от выставки к выставке, представляя прототип на разных своих новинках.
Насколько хороша новинка и насколько она дороже обычной системы привода клапанов?
Разработчики утверждают, что система без распредвалов использует на 10% меньше энергии, чем традиционные решения привода. Эти проценты в стандартной схеме двигателя обычно уходят на преодоление трения, привод и работу всей верхней части «головы» мотора, то есть всех этих многочисленных систем. Эффективность использования такого двигателя как несложно догадаться будет на 10% лучше, но гораздо больший выигрыш станет очевидным при экологической проверке.
Двигатель может работать в четырех циклах: стандартный- Отто, сложный- Миллера и экономный-Аткинсона. Также двигатель способен воспроизводить цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия
Например, в двигателе с искровым зажиганием, (читайте, в бензиновом моторе) с установленным FreeValve можно смело снять каталитический нейтрализатор, а экономичность даже у мощного бензинового двигателя станет сродни дизельному варианту.
В результате полученный силовой агрегат станет дешевле эквивалентного дизельного мотора, говорят в FreeValve. На дизельные двигатели также могут быть установлены новомодные электронные приводы клапанов, что в теории должно чуть снизить расход мотора работающего на ДТ и серьезно повысить экологичность его выхлопа.
Стоимость новой технологии. Если взять в расчет науку экономику, то получается, что первые 10- 100 тыс. двигателей, построенных по этой технологии, будут стоить дороже обычных типов силовых агрегатов, но в конечном итоге, когда производство будет поставлено на промышленный поток и при достижении определённой «критической массы», стоимость новых типов моторов начнет постепенно снижаться и в итоге сравняется со стоимостью стандартного ДВС.
При этом такие моторы будут более эффективными, чем традиционные модели, будут меньше расходовать горючего при увеличении мощности и станут показывать гораздо более приемлемые показатели полки крутящего момента.
Что произойдет, если система покажет себя несостоятельной?
Приверженцам классической схемы двигателей и тем людям, которые с опаской принимают все обновления в мире технологий и технических новшеств, наверное, интересно, насколько все будет плохо, при поломке новомодной системы. И вообще, а надежная ли она?
Отрицать глупо, любой, даже самый надежный девайс может выдать неприятную осечку, также не стоит забывать про конструктивные дефекты, которые могут быть не выявлены на начальном этапе разработки. Итог предсказуем, дорогая поломка. Но и здесь у FreeValve есть небольшой утешительный козырь в рукаве.
Невероятно, но этот двигатель сможет нормально выполнять свои рабочие функции даже при поломке одного или нескольких приводов клапанов, разумеется это скажется на пиковой мощности на высоких оборотах, но как уверяют разработчики, разница будет незначительна.
Это интересно: Дизельные моторы: История развития
Предусмотрен аварийный вариант работы двигателя,заключается он в том, что даже если 75% приводов клапанов выйдут из строя, автомобиль сможет самостоятельно добраться до СТО, невероятная живучесть. Тестирования продолжаются…, но самое главное, чего разработчики все еще никак не могут побороть, это как раз выносливость такого типа привода. В нем все хорошо, но камень преткновения, состоит в том, что долго система не выхаживает. Однако это временное явление и его удастся нейтрализовать, ведь инженеры по теоретическим расчётам выяснили, надежность такой системы может быть сопоставима со стандартным двигателем ДВС. Смоделированы сотни-миллионов циклов работы приводов, ощутимого износа обнаружено не было. Осталось применить знания на практике и можно выезжать.
Шведская компания сравнивает текущую технологию распределительного вала, с игрой на пианино двумя руками, каждая из которых привязана к противоположным концам метлы. Использование каждого пальца по отдельности, как делают пианисты, позволит перейти к индивидуальному управлению клапанами.
Из вышесказанного можно сделать вывод:
1. На данный момент технология явно сырая. Двигатель не способен пройти столько же, сколько ходят без серьезных проблем моторы с обычной системой распредвалов.
2. Но даже на этом этапе разработки, система показала себя с лучшей стороны. Ни один мотор со стандартной системой газораспределения не способен хоть как-то нормально работать, если перестанут работать 75% клапанов (представим это гипотетически). Более того, перестань функционировать в нормальном режиме хотя бы один из клапанов на обычных ДВС, вы потеряете больше, чем пиковую мощность на высоких оборотах. То есть в плане поломок, если уж что-то произошло с ГРМ, скандинавская технология явно обходит все другие типы моторов.
Еще один плюс. На революционном двигателе, как утверждают инженеры, работающие над проектом, невозможна встреча клапанов с поршнями в случае обрыва ремня/растяжения цепи ведь ее здесь просто-напросто нет.
Технические нюансы. FreeValve- более, чем полностью изменяемые фазы газораспределения?
Если ответить кратко, по существу, то да, это больше чем двигатель с изменяемыми фазами газораспределения, потому что каждый конкретный клапан может иметь различные «подъемы», как по времени, так и в позиции открытия. Также он может открываться и закрываться с разной скоростью, изменяя частоту, за этим в онлайн режиме следит система бортовых компьютеров высчитывая необходимый режим хода клапана в соответствии с режимом работы двигателя с точностью подъема вплоть до 1/10 миллиметра.
Как видно приводы (актуаторы) способны делать это с необычайной точностью, значительно превосходя показатели работы ГРМ в обычном двигателе.
Смотрите также: Зачем менять ремень ГРМ
Кстати, электроприводы, они же актуаторы, самая важная часть разрабатываемого типа мотора. Клапаны при помощи индивидуальных систем приводятся в движение до 20 тыс. открытий, закрытий в минуту. Датчики контроля положения клапана зорко следят за происходящим, мониторя положение клапанов, внимание, — 100 тыс. раз в 1 секунду (!!!). Причем привод, двигающий клапаны не просто электрический, такой тип не выдерживает колоссальных нагрузок/скоростей/температур и быстро выходит из строя. В компании Koenigsegg разработали «пневмогидроэлектрический тип привода». Каждая из стихий: пневматика, гидравлика и электрика, выполняет сугубо свою отдельную функцию. Пневматикой клапан открывается, при помощи гидравлики- закрывается. Электропривод подает воздух и масло, чтобы в системе было необходимое для работы актуатора давление.
Этот тип привода подойдет и гоночному мотоциклу и грузовому автомобилю
Еще одна экономическая выгода, о которой стоит упомянуть. Применение гидропневмоэлектро клапанов не требует множества деталей, дорогих и тяжелых. Не нужны шестерни ГРМ, крышка ГРМ, цепь ГРМ (или ремень), распредвал и даже регулятор давления наддува для турбированных двигателей.
Смотрите также: Долговечность и срок службы автомобиля
Ввиду вышесказанного силовой агрегат можно сделать компактнее и легче традиционного мотора.
Когда можно купить автомобиль с таким двигателем?
Удивительно, но первым автомобилем, который выйдет на рынок оборудованный такой безраспредвальной системой, станет не гоночный мощный спорткар Koenigsegg, скорее всего лавры первопроходца достанутся китайской модели Quoros 3, с которым шведский Кенигсегг заключил договор о сотрудничестве. Доступность гарантирована. Несколько месяцев, год или полтора и на дорогах появятся первые ласточки. Учитывая то, что шведы разрабатывали технологию начиная с 2000 года, ждать осталось совсем не долго.
Koenigsegg One: Новый король скорости
На выходе мы получим более тихий, более экономичный, эффективный и мощный бензиновый мотор по сравнению с современными аналогами. Надеемся реальность не разочарует.
7 космических двигателей будущего
Современные ракетные двигатели неплохо справляются с задачей выведения техники на орбиту, но совершенно непригодны для длительных космических путешествий. Поэтому уже не первый десяток лет ученые работают над созданием альтернативных космических двигателей, которые могли бы разгонять корабли до рекордных скоростей. Давайте рассмотрим семь основных идей из этой области.
EmDrive
Чтобы двигаться, надо от чего-то оттолкнуться – это правило считается одним из незыблемых столпов физики и космонавтики. От чего конкретно отталкиваться – от земли, воды, воздуха или реактивной струи газа, как в случае ракетных двигателей, – не так важно.
Хорошо известен мысленный эксперимент: представьте, что космонавт вышел в открытый космос, но трос, связывающий его с кораблем, неожиданно порвался и человек начинает медленно улетать прочь. Все, что у него есть, – это ящик с инструментами. Каковы его действия? Правильный ответ: ему нужно кидать инструменты в сторону от корабля. Согласно закону сохранения импульса, человека отбросит от инструмента ровно с той же силой, с какой и инструмент от человека, поэтому он постепенно будет перемещаться по направлению к кораблю. Это и есть реактивная тяга – единственный возможный способ двигаться в пустом космическом пространстве. Правда, EmDrive, как показывают эксперименты, имеет некоторые шансы это незыблемое утверждение опровергнуть.
Создатель этого двигателя – британский инженер Роджер Шаер, основавший собственную компанию Satellite Propulsion Research в 2001 году. Конструкция EmDrive весьма экстравагантна и представляет собой по форме металлическое ведро, запаянное с обоих концов. Внутри этого ведра расположен магнетрон, излучающий электромагнитные волны, – такой же, как в обычной микроволновке. И его оказывается достаточно, чтобы создавать очень маленькую, но вполне заметную тягу.
Сам автор объясняет работу своего двигателя через разность давления электромагнитного излучения в разных концах «ведра» – в узком конце оно меньше, чем в широком. Благодаря этому создается тяга, направленная в сторону узкого конца. Возможность такой работы двигателя не раз оспаривалась, но во всех экспериментах установка Шаера показывает наличие тяги в предполагаемом направлении.
В числе экспериментаторов, опробовавших «ведро» Шаера, такие организации, как NASA, Технический университет Дрездена и Китайская академия наук. Изобретение проверяли в самых разных условиях, в том числе и в вакууме, где оно показало наличие тяги в 20 микроньютонов.
Это очень мало относительно химических реактивных двигателей. Но, учитывая то, что двигатель Шаера может работать сколь угодно долго, так как не нуждается в запасе топлива (работу магнетрона могут обеспечивать солнечные батареи), потенциально он способен разгонять космические корабли до огромных скоростей, измеряемых в процентах от скорости света.
Установки на будущее
Стоимость запуска ракеты-носителя в современной космонавтике остается довольно высокой, достигая порой нескольких сотен миллионов долларов. Чтобы существенно снизить ее, конструкторы из разных стран мира разрабатывают принципиально новые виды ракетных двигателей, способные выводить полезный груз на орбиту при меньших энергозатратах по сравнению с обычными силовыми установками. На сегодня из различных перспективных проектов такого рода наиболее близки к реализации три. Мы решили разобраться в их особенностях.
Во всем мире в 2015 году были произведены 87 запусков ракет-носителей с различной полезной нагрузкой: 29 запусков пришлись на Россию, 20 — на США, 19 — на Китай, девять — на Европейское космическое агентство, пять — на Индию, четыре — на Японию и один — на Иран. Из этого количества пять запусков были неудачными и окончились потерей двух автоматических космических кораблей и десяти спутников. В 2014 году страны осуществили 92 запуска ракет-носителей, а годом ранее — 80. Сегодня стоимость выведения полезного груза на орбиту составляет от 15 до 25 тысяч долларов за один килограмм при выводе спутников на геопереходную орбиту, откуда они переходят на геостационарную. Запуск космического аппарата на низкую орбиту обходится дешевле, но все равно достаточно дорого — от 2,4 до 6 тысяч долларов на килограмм.
Неудивительно поэтому, что во многих странах ведутся работы по созданию технологий, способных существенно снизить стоимость космических запусков. При этом разные разработчики идут разными путями. Например, американская компания SpaceX занимается созданием ракет-носителей Falcon Heavy с возвращаемой первой ступенью. В компании уверены, что многоразовость первой ступени Falcon Heavy позволит снизить стоимость запуска полезного груза на низкую орбиту Земли до двух тысяч долларов за килограмм и до 9–11 тысяч при запуске на геопереходную орбиту. А американская же компания JP Aerospace занимается созданием многоступенчатой системы запуска, в которой первые две ступени будут представлены дирижаблями.
Словом, различных технологий, нацеленных на снижение стоимости запусков, сегодня разрабатывается много. К ним относятся и ракеты-носители с корпусами из современных материалов, и способные на самолетные взлет и посадку ракетопланы, и навигационные системы возвращаемых ступеней ракет. Но главное место среди них занимают новые двигатели. Правда, в этой области чаще всего речь идет об усовершенствовании конструкций уже существующих ракетных двигателей. Например, двигатель Merlin компании SpaceX обладает значительной мощностью, но при этом относится к традиционным жидкостным ракетным двигателям. Впрочем, есть и оригинальные решения, прежде не применявшиеся для ракет-носителей. О трех наиболее интересных из них, с точки зрения конструкции и потенциальной выгоды, мы расскажем ниже.
Гибридный двигатель
В начале 1990-х годов британская компания Reaction Engines занялась разработкой нового типа ракетного двигателя, который потреблял бы существенно меньше жидкого окислителя, но был бы эффективен на всех высотах полета. Предполагалось, что он будет совмещать в себе качества воздушного турбореактивного и ракетного двигателей. Новый проект получил название SABRE (Synergistic Air-Breathing Rocket Engine, синергичный атмосферный ракетный двигатель). Принцип силовой установки относительно прост: при полете в атмосфере для сжигания топлива используется атмосферный кислород, а при выходе в безвоздушное пространство двигатель переключается на использование жидкого кислорода из баков.
Согласно проекту, двигатель SABRE получит универсальную камеру сгорания и сопло, по конструкции во многом схожие с подобными элементами обычного ракетного двигателя. На старте и при разгоне SABRE будет работать как обычный прямоточный реактивный двигатель. В полете воздух будет поступать в воздухозаборник, а дальше по специальным обводным каналам — в охладитель и камеру сгорания. В зоне охладителя предусмотрена установка турбины и компрессора: при выходе реактивной струи из сопла воздух будет затягиваться в двигатель и раскручивать турбину, которая в свою очередь будет раскручивать компрессор. Последний станет сжимать охлажденный воздух, что позволит увеличить его подачу в камеру сгорания, а следовательно и полноту сгорания топлива и его энергетическую отдачу.
Предполагается, что в атмосферном режиме новый гибридный ракетный двигатель будет работать на скоростях полета до пяти чисел Маха (6,2 тысячи километров в час). По мере увеличения скорости воздух в воздухозаборнике — из-за его резкого торможения и сжатия — будет становиться все горячее и горячее. Это ухудшит его компрессию, а значит, и общую эффективность двигателя. Поэтому для охлаждения поступающего воздуха предполагается использовать специальную сеть трубок диаметром один миллиметр и общей протяженностью около двух тысяч километров. Их установят в воздуховоде. В сами трубки под давлением в 200 бар (197 атмосфер) будет подаваться гелий, выполняющий роль теплоносителя.
По расчетам разработчиков, система позволит охлаждать поступающий воздух с более чем одной тысячи градусов Цельсия до минус 150 градусов Цельсия за одну сотую секунды. При этом сжижения воздуха, способного резко снизить эффективность двигателя, не произойдет. После превышения скорости в пять чисел Маха воздухозаборник будет перекрыт, а двигатель переключится на потребление жидкого кислорода из бака. В таком варианте он сможет функционировать в разреженных верхних слоях атмосферы и в безвоздушном пространстве. В качестве топлива планируется использовать жидкий водород. Испытания отдельных узлов SABRE проводились Reaction Engines с 2012 года и признаны успешными.
В настоящее время британская компания занимается сборкой демонстратора технологий двигателя, испытания которого запланированы на конец 2017-го — первую половину 2018 года. В атмосферном режиме этот аппарат сможет развивать тягу в 196 килоньютонов. По своим размерам прототип силовой установки будет соответствовать габаритам турбореактивного двухконтурного двигателя с форсажной камерой F135. Такие двигатели ставятся на американские истребители F-35 Lightning II. Длина F135 составляет 5,6 метра, а диаметр — 1,2 метра. Эта силовая установка способна развивать тягу до 191 килоньютона в режиме форсажа. Полноценная установка SABRE будет немного крупнее и в атмосферном режиме сможет развивать тягу в 667 килоньютонов. Ее испытания запланированы на 2020–2021 годы.
В британской компании полагают, что благодаря ее двигателю ракету-носитель можно будет сделать одноступенчатой. Причем эта единственная ступень станет возвращаемой. Новая силовая установка будет потреблять топлива и особенно окислителя гораздо меньше обычного ракетного двигателя, ведь для полета на атмосферном участке кислород для сжигания горючего предполагается брать из воздуха. Британские двигатели планируется использовать в перспективных американских многоразовых двухступенчатых космических кораблях, которые, по предварительным расчетам, позволят выводить полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту по 1,1–1,4 тысячи долларов за килограмм.
Гиперзвуковой двигатель
Запуск ракеты с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем в Индии на полигоне Шрихарихота
ISRO
В конце августа 2016 года индийская Организация космических исследований провела первые успешные испытания гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Успешное испытание силовых установок состоялось на полигоне Шрихарихота на востоке страны. Для проверки разработчики использовали обычную твердопливную двухступенчатую ракету-носитель ATV, ко второй ступени которой и были прикреплены гиперзвуковые двигатели. Во время летных испытаний силовых установок исследователи проверили зажигание на сверхзвуковой скорости, устойчивое горение топлива, механизм забора воздуха и систему впрыска топлива. Общая продолжительность полета второй ступени составила 300 секунд, из которых пять секунд работали гиперзвуковые двигатели.Индийские силовые установки, создаваемые в рамках проекта SRE (Scramjet Rocket Engine, гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный ракетный двигатель), работали на скорости полета чуть больше шести чисел Маха. Ступень с двигателями поднялась на высоту 70 километров. Целью первого испытания гиперзвуковых двигателей была проверка стабильности их работы, а не возможности этих силовых установок разгонять носители до гиперзвуковых скоростей. В ближайшее время разработчики планируют завершить обработку данных, полученных во время первого запуска силовых установок, и провести еще серию их испытаний. Предполагается, что гиперзвуковые двигатели будут разгонять вторую ступень ракет-носителей до восьми-девяти чисел Маха.
Технические подробности о своих гиперзвуковых установках индийцы не раскрывают. Однако общая схема таких двигателей, разрабатываемых в нескольких странах мира с 1970-х годов, известна. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель отличается от обычных тем, что топливо в его камере сгорает в сверхзвуковом воздушном потоке. При этом воздух для процесса горения подается в камеру прямотоком без использования дополнительных компрессоров. Выглядит это так: набегающий воздушный поток попадает в воздухозаборник, а затем в заужающуюся компрессорную камеру, где сжимается и откуда поступает в камеру сгорания. Что самое интересное, такие гиперзвуковые двигатели могут вообще не иметь никаких подвижных частей.
Гиперзвуковые силовые установки способны работать при скорости полета не менее четырех-пяти чисел Маха — именно при такой скорости обеспечивается необходимое сжатие воздуха и стабильное сгорание топлива. Теоретическим верхним пределом скорости гиперзвукового двигателя считаются 24 числа Маха. При этом силовая установка сможет развивать и большие скорости, если в камеру сгорания будет дополнительно впрыскиваться жидкий окислитель. Максимальная высота полета, на которой гиперзвуковые двигатели могут работать без потребности в дополнительном впрыске окислителя, составляет 75 километров. Для сравнения, низкая околоземная орбита начинается с отметки в 160 километров.
Помимо Индии, активными работами по созданию гиперзвуковых ракетных двигателей сегодня занимаются США, Россия, Китай и Австралия. США и Россия планируют устанавливать новые силовые установки на гиперзвуковые боевые ракеты, разведывательные аппараты и истребители шестого поколения. Австралия, ведущая разработки совместно с американцами, тоже намерена оснастить новыми двигателями ракеты. Китай, помимо боевого применения силовых установок, намерен использовать их и в ракетах-носителях. По неподтвержденным данным, гиперзвуковые двигатели будут разгонять китайские ракеты-носители до 10–12 чисел Маха, а боевые ракеты — до 20 чисел Маха. Первые испытания китайской гиперзвуковой ракеты состоялись в июне прошлого года.
В США и России полагают, что использование гиперзвуковых двигателей в ракетах-носителях усложнит, а не упростит их конструкцию. Кроме того, исследователи считают, что такие силовые установки не смогут развивать достаточную для запуска больших грузов тягу. Индийские же и китайские разработчики уверены, что использование гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателей в ракетах-носителях позволит отказаться от большей части жидкого окислителя, который будет необходим лишь на заатмосферном участке полета. А проблему возможной недостаточности тяги можно будет решить установкой нескольких гиперзвуковых силовых установок, причем выгода от отказа от окислителя нивелирована не будет — совокупная масса двигателей благодаря простой конструкции будет невелика.
Детонационный двигатель
Между тем в России специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» научно-производственного объединения «Энергомаш» занимается разработкой спинового детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. О первом успешном испытании такой силовой установки было объявлено 26 августа текущего года. Следует отметить, что это первый в мире спиновый детонационный двигатель, разрабатываемый специально для использования на ракетах-носителях. Аналогичную силовую установку сегодня создают и в США, однако ее планируется использовать в качестве более экономичной и эффективной замены газотурбинных двигателей на кораблях ВМС.
Изучение принципов работы и разработка детонационных двигателей ведется в некоторых странах мира уже больше 70 лет. Впервые ими занялись еще в Германии в 1940-е годы. Правда, тогда работающего прототипа детонационного двигателя исследователям создать не удалось, но были разработаны и серийно выпускались пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Они ставились на ракеты «Фау-1». В силовых установках таких ракет топливо подавалось в камеру сгорания небольшими порциями через равные промежутки времени. При этом распространение процесса горения по топливу происходило на скорости, меньшей скорости звука. Такое сгорание называется дефлаграцией, оно лежит в основе работы всех обычных двигателей внутреннего сгорания.
В детонационном двигателе фронт горения распространяется по топливной смеси быстрее скорости звука. Такой процесс горения называется детонацией. Детонационные двигатели сегодня делятся на два типа: импульсные и спиновые. Последние иногда называют ротационными. Принцип работы импульсных двигателей схож с таковым у пульсирующих воздушно-реактивных двигателей: топливо и окислитель подаются в камеру сгорания с высокой частотой через равные промежутки времени. Основное отличие заключается в детонационном горении топливной смеси в камере сгорания. Благодаря детонации топливо сгорает полнее, выделяя большее количество энергии, чем при дефлаграции.
В спиновых детонационных двигателях используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. В таких силовых установках детонация не затухает, пока подаются топливо и окислитель. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом, если в импульсном двигателе в камеру сгорания следует подавать предварительно подготовленную смесь топлива и окислителя, то в спиновом двигателе этого делать не нужно — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, вполне эффективно смешивает необходимые компоненты. Ротационный двигатель впервые начали изучать в СССР в 1950-х годах.
В новом российском спиновом детонационном ракетном двигателе частота спиновой детонации составляет 20 килогерц, то есть за одну секунду детонационная волна успевает «обежать» кольцевую камеру сгорания 20 тысяч раз. Теоретически, детонационные двигатели способны работать в широком пределе скоростей полета — от нуля до пяти чисел Маха, а при использовании дополнительных агрегатов, например компрессора, верхний предел можно поднять до семи-восьми чисел Маха. Считается, что такие силовые установки могут выдавать большую мощность, потребляя топлива меньше, чем обычные реактивные двигатели. При этом конструкция детонационных двигателей относительно проста: в базовом варианте в них отсутствует компрессор и многие движущиеся части.
Благодаря своей экономичности при высокой выдаваемой мощности спиновые детонационные двигатели в ракетах-носителях позволят существенно сократить объемы топлива и окислителя, необходимые для вывода полезного груза на орбиту. На практике (и это свойственно всем уже перечисленным проектам), уменьшение массы двигателя (а силовая установка будет весить меньше обычной ракетной), топлива и окислителя позволит либо увеличить забрасываемый вес носителя при сохранении его габаритов, либо оставить забрасываемый вес неизменным при уменьшении габаритов ракеты. Забрасываемый вес ракеты-носителя — это масса последней ступени, ее топлива и полезного груза.
В перспективе гонку на рынке космических запусков выиграет тот, кто сможет как можно дешевле выводить на орбиту как можно больше грузов. Некоторые компании полагают, что благодаря использованию новых технологий стоимость вывода грузов на низкую орбиту можно будет опустить ниже тысячи долларов за килограмм и ниже десяти тысяч за килограмм при запуске на геопереходную орбиту. Правда, когда именно такое будет возможно, пока неясно. По самым смелым оценкам, новые ракетные двигатели будут использоваться на ракетах-носителях с середины 2020-х годов.
Василий Сычёв
Двигатели оригинальные и удивительные: cгорание
Двадцать первый век на дворе. 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: две пары лучше четырех единиц?
В основу концепции двигателя, придуманного Кармело Скудери, 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 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 — 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.
Двигатель Скундери. Производство двигателей системы Кармело Скудери можно легко организовать на любом моторостроительном предприятии с использованием традиционных узлов. Но нужно ли это производителям?..
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. 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.
Вряд ли Lotus Omnivore когда-либо станет основным силовым агрегатом для автомобиля. Но в качестве вспомогательного — например, генератора — он вполне подходит.
Lotus Omnivore
Кто сказал, что два такта остались в прошлом? Инженеры Lotus Engineering считают, что потенциал двухтактных движков 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.
Ecomotors OPOC. Одним из основных преимуществ конструкции профессора Хоффбауэра является возможность «надевать» на коленвал всё новые и новые пары цилиндров, получая нечто вроде модульного двигателя.
Согласно спецификации, концепт на 10% экономичнее атмосферных бензиновых двигателей равной мощности, а по чистоте выхлопа легко дотягивает до нормативов Евро-6. Если Lotus сможет заинтересовать автопроизводителей, то потомки концептуального Omnivore станут первыми кандидатами на роль бортовых генераторов для электрогибридов. Для этого у них есть всё: неприхотливость, предельная компактность и высокая энергоемкость.
Ecomotors OPOC
Среди компаний, пытающихся отправить классический ДВС 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 OPOC был придуман еще в конце 1990-х годов профессором Петером Хоффбауэром, долгое время работавшим главным мотористом в компании Volkswagen. Суперкомпактный 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 OPOC вплотную приближается к 60%, вдвое выигрывая у современных дизельных моторов со сложным наддувом. Одна из главных «фишек» этого оппозитника — возможность составлять из отдельных модулей, каждый из которых является полноценным двигателем, силовые установки рядной 4-, 6- и 8-цилиндровой конфигурации. Парадоксально, но при всей своей заряженности OPOC работает на довольно скромных степенях сжатия в пределах 15−16 к одному и не требует специальной подготовки топлива.
В принципе OPOC — 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 — 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 100 °C.
IRIS. Основной «фишкой» конструкции двигателя Iris является высокая полезная площадь «поршней»-лепестков. Неподвижные стенки занимают всего 30% от общей площади камеры сгорания, что позволяет заметно повысить КПД 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, 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 OPOC 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.
РЛДВС. Отличием роторно-лопастного двигателя от всех остальных, упомянутых в материале, является то, что он находится в считанных миллиметрах от серийного производства. На 2011 год намечены испытания российского «ё-мобиля» с подобным двигателем, а с 2012 года — и серия.
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. 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.
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
Роторно-лопастной двигатель (РЛДВС) — 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; РЛД мог использоваться разве что в качестве стационарной силовой установки. Это сводило на нет одно из его главнейших преимуществ — компактность и небольшой вес.
РЛД — 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, РЛД 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 двухлитровому 150-сильному ДВС традиционной компоновки.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2011).Альтернативные двигатели
Нынешние цены на бензин заставляют активно искать альтернативу этому виду горючего. И если о массовом переходе на водород или топливные элементы пока говорить рано (в силу дороговизны и сложности подобных устройств), то замена бензина дровами – технология уже известная. Но оправданна ли она? Оборудовав ГАЗ-52 самодельной газогенераторной установкой, группа инженеров Житомирского агроэкологического университета не изобрела… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели ТранспортМодель двигателя на постоянных магнитах. Гуляя просторами интернета я обратил внимание на странные споры вокруг так называемых вечных двигателей, причем основная часть авторов сайтов и комментаторов осациируют вечный двигатель с генераторами энергии, принцип работы которых основан на взаимодействии постоянных магнитов (двигателя на постоянных магнитах). Мое личное мнение – нет, и не может быть ничего… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигателиВоздушный двигатель Идея этого альтернативного воздушного двигателясовершенно проста и не нова, основана на принципе работы простейшего парового двигателя. Напомню в краце, там для получения полезной энергии используется вода, которая вследствие нагревания превращается в пар, результатом чего является повышение давления. Затем этот пар (под высоким давлением) передается на турбину (или поршнь), с которой по средствам вала или редуктора… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели ТранспортДвигатель Шаубергера своими руками В настоящее время двигатель Шаубергера пользуется большой популярностью и рассматривается как альтернативный двигатель. Что представляет собой подобное устройство, и в чем его преимущества. Как создать двигатель Шаубергера своими руками? Австрийский инженер Виктор Шаубергер работал над созданием электрогенератора, в котором турбина отличалась от конструкций обыкновенных водяных электростанций. Идея двигателя Шаубергера… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели Изобретения Своими рукамиГидростатический двигатель Уважаемые участники сайта, позвольте предложить Вам тему связанную с альтернативной энергетикой — гидростатический двигатель. Возникла идея построить действующий гидростатический двигатель (описание и принцип действия для понимания сути идеи выложу ниже), но нужен взгляд со стороны и желательно не один, и критические замечания. Также нужны расчеты движущего элемента и маховика — для примера,… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели Изобретения
Водородный генератор-это вид оборудования, при правильной установке которого можно снизить расхода топлива мотоцикла, легкового или грузового автомобиля, а также сократить количество вредных выбросов в атмосферу. При помощи батареи питания и генератора постоянного тока вода разлагается на кислород и водородный газ (HHO), который попадает в двигатель и потом выделяется в атмосферу. HHO улучшает качество сгорания топлива… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели
Генератор Адамса относится к классу безтопливных самовосстанавливающихся зарядных устройств. Самым главным преимуществом данного устройства является абсолютная независимость от погодных условий (ветрогенераторам нужна постоянная и, желательно, сильная ветреная погода, а генераторы на солнечных элементах весьма критичны к яркости солнечного освещения и в ночное время обычно не работают). Конструкция генератора Адамса «Вега»: Конструкция генератора Адамса (как и перечисленных выше ветрогенератора и… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигатели
В настоящее время двигатель Шаубергера пользуется большой популярностью и рассматривается как альтернативный двигатель. Что представляет собой подобное устройство, и в чем его преимущества. Как создать двигатель Шаубергера своими руками? Австрийский инженер Виктор Шаубергер работал над созданием электрогенератора, в котором турбина отличалась от конструкций обыкновенных водяных электростанций. Идея двигателя Шаубергера заключалась в создании вихря внутри камеры,… Читать далее »
Раздел: Альтернативные двигателиА не спеши ты ДВС хоронить: настоящее и будущее двигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания трудится на благо человечества уже более полутора веков. Чтобы не потерять работу, в ближайшие годы старичку придется измениться до неузнаваемости.
Электрическая розетка стала символом прогресса. Стенды большинства автокомпаний на прошедшем в январе 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 ДВС, 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.
Вездесущее пламя
В далеком 1978 году группа ученых японского института Clean Engine Research, пытавшихся оптимизировать процесс сгорания топлива в двухтактных мотоциклетных моторах, случайно зафиксировала необычный феномен, названный HCCI (Homogeneous charge compression ignition). При достижении определенного давления в камере бензинового двухтактника возгорание топливовоздушного заряда происходило без искры свечи зажигания. Но самое интересное — вместо привычного зажигания смеси около свечи и последующего распространения пламени на периферию в камере одновременно возникало огромное количество микроочагов возгорания. Как следствие, смесь сгорала при более низкой, чем обычно, температуре, очень быстро и практически полностью. Имеющийся в то время математический аппарат и уровень развития термодинамики не позволили понять причины возникновения феномена HCCI, и его посчитали курьезом. Через 20 лет в арсенале инженеров появились мощные средства компьютерного моделирования, которые помогли приоткрыть завесу тайны над HCCI. Работы в этой области в конце 1990-х годов начались в Германии (Mercedes-Benz, Volkswagen), Японии (Nissan) и Америке (General Motors).
Американский инженер Джон Заяц предложил собственную концепцию ДВС, близкую к двигателю с раздельным циклом Scuderi. Изобретатель утверждает, что его двигатель на 15% экономичнее дизеля и на 30% — бензинового аналога по мощности. В двигателе Заяца воздух из цилиндра сжатия попадает в камеру, в которой создается повышенное давление топливной смеси, на 40% больше обычного уровня для бензиновых моторов. Камера, её форма, принцип работы, дизайн и материалы для изготовления защищены 19 патентами. Воздух в ней смешивается с топливом и возгорается. Процесс сгорания смеси по времени намного продолжительней, чем в обычном ДВС. Внутри камеры создается особая среда — «горячая стена», которая является фактически аккумулятором энергии — неизменная температура и давление в ней сохраняются в 10−100 раз дольше, чем в камере сгорания обычного мотора. Затем раскаленные газы через специальный клапан попадают в рабочий цилиндр. Простота, минимимальное количество деталей и эффективность разработки Zajac Motors привлекли пристальное внимание автогигантов. В 2009 году у Заяца появились серьезные партнеры — General Motors и канадская Magna.
Для образования однородного топливовоздушного облака с предельно низкой плотностью в состав смеси вводятся горячие отработанные газы. Они быстро разогревают этот коктейль, облегчая его перемешивание внутри камеры. Если в условиях классического прямого впрыска топливо распыляется в виде аэрозоля, то в HCCI смесь представляет собой мельчайший туман. Когда поршень сжимает смесь до определенного объема, температура подскакивает до точки самовоспламенения. Сгорание HCCI характерно отсутствием открытого пламени и более низкой, чем у дизельных двигателей, температурой. В результате доля сгоревшего топлива вырастает до 95−97% в сравнении с 75% в циклах Отто и Дизеля. Причем на богатых смесях HCCI не работает — ему нужны почти гомеопатические доли топлива, на 30 и более процентов беднее, чем у лучших современных ДВС.
Тем не менее отработанная технология HCCI — пока еще дело будущего. Термодинамика процесса чрезвычайно сложна и требует от ученых решения массы проблем. Главные из них — неустойчивая работа на холостых и максимальных оборотах, неконтролируемая детонация остатков смеси и неравномерность распределения топливовоздушного облака в камере. Правда, в последние месяцы хорошие новости появляются ободряюще регулярно. Специалисты General Motors сообщают, что сумели обуздать стихию на малых оборотах, а британские инженеры из Lotus заявляют, что построили работающий прототип супердвигателя Omnivore, «снизу доверху» поддерживающий процесс HCCI. По мнению вице-президента компании Bosch Хеннинга Шнайдера, автомобили с расходом топлива в пределах 3 л на 100 км, оснащенные ДВС с технологией HCCI, станут серийными уже в 2015 году. У Volkswagen подход более осторожный — компания разрабатывает новый двигатель, работающий с использованием свечей зажигания при полной нагрузке и на холостом ходу, а в среднем диапазоне оборотов — в режиме HCCI. Инженеры Nissan также не стоят на месте — недавно они объявили о создании мощного софта, позволяющего создать компьютерную модель феномена HCCI, и уже начали работать над собственным супердвигателем.
Разделение труда
В пасхальное утро 2001 года инженер Кармело Скудери собрал в своем доме все семейство и торжественно сообщил, что разработал ДВС нового типа, который перевернет мир. Детальное описание технологии поместилось в нескольких рукописных блокнотах — старик не жаловал компьютер и все свои расчеты делал на логарифмической линейке. В 2002 году Кармело, только начав консультации с учеными Университета Саутвест, умер от инфаркта. Дело отца взяли в свои руки дети Скудери, и спустя всего восемь лет действующий прототип двигателя с разделенным циклом (Split-Cycle Combustion SCC) был представлен на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAE в Детройте. Надо сказать, что концепция разделенного цикла не нова. Еще в 1891 году американская компания Backus Water Motor Company выпускала малыми сериями такие моторы, но они не получили распространения, и идея сто лет пролежала на полке.
В двигателе Отто каждый поршень последовательно совершает такты всасывания, сжатия, рабочего хода и выпуска. В разработке Скудери обязанности по‑братски делятся между парными цилиндрами: один предназначен для впуска и сжатия, другой — для рабочего такта и выпуска отработанных газов. Цилиндры соединяются между собой каналами с клапанным механизмом, по которым сжатая топливовоздушная смесь поступает в рабочий цилиндр. Двигатель Скудери состоит из двух таких пар.
В цикле Отто рабочий ход происходит на каждом втором обороте коленчатого вала, в двигателе Скудери — на каждом. Разделение функций цилиндров позволяет более эффективно использовать каждый из них, например, увеличить ход рабочего поршня и длительность сгорания топлива, не превышая допустимой степени сжатия топлива. Зажигание смеси происходит после того, как рабочий поршень начинает двигаться вниз, в отличие от обычного двигателя с опережением зажигания. Расчеты показывают, что разделение цикла дает гораздо более высокую степень сжатия смеси и быстрое и полное ее сгорание.
В камере сгорания двигателя с системой HCCI (Homogeneous charge compression ignition) одновременно возникает огромное количество микроочагов возгорания. Экологические характеристики HCCI впечатляют. Если процесс сгорания солярки в дизельных двигателях вызывает повышенное образование сажи и окисей азота, то более «холодному» HCCI эти болячки неведомы. По словам Херманна Миддендорфа, руководителя проекта по разработке суперкомпактных бензиновых моторов EA111 компании Volkswagen, агрегаты типа HCCI смогут обойтись без дорогостоящего катализатора.
Сыновья Кармело усовершенствовали конструкцию мотора, добавив к ней баллон со сжатым воздухом. Воздух поступает в рабочий цилиндр, улучшая процесс сгорания смеси. При этом отработанные газы мотора Скудери содержат на 80% меньше углекислого газа и окисей азота, чем у традиционных четырехтактников. КПД мотора Скудери на 5−10% выше, чем у самых продвинутых современных дизельных турбоагрегатов. Добавление наддува увеличивает разрыв по КПД до 25−50%.
В 2008 году двигатель SCC привлек внимание нескольких крупных автопроизводителей, включая PSA Peugeot Сitroёn и Honda, которые подписали со Scuderi Group соглашения о доступе к изучению патентованной технологии. Немецкий Daimler и итальянский Fiat также публично подтвердили высокий интерес к мотору Скудери. Компания Robert Bosch заключила контракт со Scuderi Group на разработку компонентов к SCC в надежде, что однажды эта технология станет серийной. А выдающийся специалист по термодинамике из Массачусетского технологического института профессор Джон Хейвуд назвал разделенный цикл сгорания реальной альтернативой HCCI. Наладить сборку таких ДВС в промышленных масштабах на существующих заводах несложно — никаких экзотических материалов и нестандартных технологических операций для этого не требуется.
Всеядный двухтактник
Многие специалисты по ДВС сегодня делают ставку на механизм изменяемой степени сжатия VCR (Variable Compression Rate). Еще в марте 2000-го инженеры Saab представили прототип автомобиля с экспериментальным бензиновым двигателем 1,6 л с технологией SVC (Saab Variable Compression). Этот мотор выдавал 228 л.с. и 305 Н•м крутящего момента, потребляя при этом на 30% меньше топлива, чем обычные аналоги по мощности.
За прошедшие десять лет технология VCR сделала огромный шаг вперед. Французская компания MCE объявила недавно о создании двигателя MCE-5VCR. Степень сжатия в нем изменяется в пределах от 7:1 до 20:1, а расход топлива 1,5-литрового мотора на 30% ниже, чем у аналогов. Американская Envera разрабатывает 4-цилиндровый бензиновый VCR объемом 1,85 л со степенью сжатия от 8,5:1 до 18:1. Работа финансируется Департаментом энергетики США. Целевая мощность мотора составляет 300 л.с.- почти 162 л.с. на 1л объема. Расчетный максимальный крутящий момент превышает 400 Н•м при 4000 оборотах вала. Ключевой элемент конструкции — гидравлический актуатор, который поворачивает эксцентрик, связанный с коленвалом двигателя. Качание эксцентрика поднимает и опускает вал относительно головки блока цилиндров, изменяя степень сжатия от 8,5 до 18:1.
Дальше всех в разработке технологии VCR продвинулась знаменитая Lotus Engineering. На Женевском автосалоне в марте 2009 года британцы представили свой концептуальный ДВС Omnivore («Всеядный»). Двухтактный бензиновый мотор с прямым впрыском топлива и изменяемой степенью сжатия от 10:1 до 40:1, по заявлению инженеров Lotus, способен переваривать любое жидкое топливо и при этом экономичен и экологически чист.
Пять тактов, три циллиндра
На выставке Engine EXPO 2009 британская компания Ilmor Engineering представила концептуальный пятитактный ДВС. Идея автора концепции Герхарда Шмитца заключается в использовании четырех- и двухтактной схемы в одном агрегате. Три цилиндра пятитактного ДВС имеют разный внутренний диаметр. Маленькие первый и третий работают по обычному четырехтактному циклу. Средний, низкого давления, — на остаточном расширении отработанных газов в двухтактном режиме. Во время первых трех тактов смесь, как обычно, всасывается, сжимается и совершает рабочий ход в малых цилиндрах. Во время четвертого такта отработавшие газы перемещаются из малых цилиндров в большой и сжимаются. Остаточное расширение выхлопа в большом цилиндре обусловливает пятый, рабочий такт.
Omnivore — это моноблок с цельнолитыми блоком и головкой. Рабочий объем мотора — всего 0,5 л. Одно из главных преимуществ моноблока — отсутствие выработки диаметра цилиндра. В обычных ДВС износ происходит из-за микронных движений болтов в местах крепления головки к блоку. Инновационный улавливающий клапан CTV (Charge Trapping Valve) в выпускном тракте позволяет варьировать время открытия выпускного клапана в широком диапазоне. Система впрыска FlexDI с давлением 6,5 атм для Omnivore создана австралийской компанией Orbital. Она позволяет готовить сбалансированную смесь внутри цилиндра независимо от вида топлива. Такая смесь является базовой для режима HCCI, а система управления впрыском — основой для управления параметрами HCCI.
Механизм изменения степени сжатия Omnivore представляет собой подвижную шайбу в верхней части цилиндра, движущуюся за счет вращения пары эксцентриков. В нижней позиции шайбы степень сжатия достигает 40:1. В шайбу интегрирован один из инжекторов FlexDI, а второй, неподвижный, встроен в корпус цилиндра. Испытания продемонстрировали надежную работу Omnivore в режиме HCCI во всем диапазоне оборотов, при этом он с солидным зазором уложился в рамки нормативов Евро-6.
Почему британцы взялись за двухтактную конфигурацию? «Lotus Engineering, как и многие другие автокомпании, долго придерживалась четырехтактных концепций. Это следствие исторического доминирования таких агрегатов. Проблема таких ДВС — неэффективное сжигание топлива на частичных и экстремальных нагрузках. Двухтактники не страдают этим недугом и потому крайне интересны для автоиндустрии. Кроме того, они не требуют компактизации», — поясняет Джейми Тернер, главный инженер Lotus Engineering. По оценкам Lotus, коммерциализация Omnivore займет еще полтора-два года.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2010).Изобретен новый тип двигателя — Авто Mail.ru
Норман Хоссак (Norman Hossack), наиболее известным творением которого является подвеска Duolever на мотоциклах BMW, закончил разработку и создание действующего прототипа своего принципиального иного двухтактного двигателя внутреннего сгорания.
Сейчас двухтактные двигатели почти утратили свою популярность. Причина этого — низкий КПД и плохая экологичность. До 30% несгоревшей топливной смеси при работе двигателя выбрасывается в атмосферу. Противоположностью служат современные четырёхтактные двигатели, дожигающие остатки несгоревшей смеси в выпускном тракте посредством каталитического нейтрализатора.
Но не стоит забывать и о преимуществах двухтактников — в них меньше деталей, а, следовательно — выше надёжность. А так как за единицу времени происходит больше рабочих циклов, то, даже с учётом потерь при продувке, двухтактные двигатели мощнее четырёхтактников такого же объёма.
Норман сделал попытку избавить свой двигатель от недостатков традиционного двухтактного мотора. И, надо сказать — ему это удалось.
В отличие от традиционного ДВС, поршень которого имеет круглое сечение, поршень двигателя Хоссака — прямоугольный. Поршневой палец отсутствует, поршень составляет единое целое с шатуном. Отсутствие поршневого пальца облегчает конструкцию, а, следовательно, позволяет двигателю раскручиваться до больших оборотов.
За счёт того, что поршень не ходит поступательно, а как бы качается, перекладка поршня происходит при 30 градусах поворота коленвала в ВМТ и при 40 — в НМТ. В традиционном ДВС поршень останавливается и начинает двигаться снова дважды за цикл. В двигателе Хоссака поршень никогда не останавливается окончательно, а значит — нагрузка на детали меньше. Это позволяет облегчить детали и добиться больших оборотов.
Ну и главное — специфическая геометрия поршневой группы позволяет открывать выпускное окно чуть раньше, чем впускное, если расположить их «слева» и «справа». Результат — меньшие потери при продувке и снижение расхода топлива.
Изобретатель полагает, что его разработку ждёт большое будущее.