Самые необычные конструкции двигателей.
Как правило, под капоты всех нынешних автомобилей устанавливаются четырехтактные бензиновые двигатели, работающие по так называемому циклу Отто — впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Это типичные тепловые ДВС с воспламенением горючей смеси через свечу, где выпускные клапаны открываются после закрытия впускных. Главный недостаток подобных моторов — низкий (до 28%) КПД.
Более трети современных автомобилей оснащаются турбодизелями с подобным кривошипно-шатунным механизмом, но с более высокой степенью сжатия и с воспламенением рабочей смеси от сжатия и высокой температуры в цилиндре. КПД дизельных моторов выше, но все равно не так уж велик — до 50%.
Эти два типа двигателей сегодня используются на подавляющем большинстве автомобилей, и о них давно все известно и сказано. Наша задача — рассказать о не столь распространенных схемах, которые либо имеют какие-то серьезные отличия по сравнению с «классическими» моторами Отто и Дизеля, либо и вовсе построены по другому принципу.
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля
Начать, конечно же, стоит с роторно-поршневой конструкции, которую впервые инженеры Вальтер Фройде и Феликс Ванкель представили не так уж и давно — в 1957 году. Логично, что этот мотор получил имя одного из создателей — Ванкеля. Особенность такой силовой установки — трехгранный поршень (ротор), приводимый в движение силой давления газов. Движение ротора относительно «овального» цилиндра с оригинальным профилем (статора) производится через две шестерни: одна — на внутренней поверхности ротора, вторая — жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Их взаимодействие обеспечивает круговые эксцентричные движения, при которых ротор своими гранями соприкасается с внутренней поверхностью камеры сгорания. Вращательное движение передается на специальный вал, а с него уже на трансмиссию. Одна механическая пара регулирует движение ротора, а вторая преобразует его во вращение эксцентрикового вала. За один полный оборот вала ротор успевает провернуться на 120°, а в каждой из трех изолированных полостей воспроизводится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания — впрыск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Очевидными преимуществами такого типа двигателей считают их компактность, легкость, меньшее количество деталей (нет поршней, шатунов, коленвала), упрощенную систему смазки, низкий уровень вибраций и высокую литровую мощность. Главные недостатки — плохая эффективность уплотнений зазора между ротором и стенками цилиндра, большой расход специального масла, склонность к перегреву, требовательность к свечам и высокая мощность на относительно высоких оборотах.
Первым серийным автомобилем с РПД стал немецкий NSU Ro 80 в 1967 году, но настоящую популярность роторно-поршневым двигателям принесла, конечно же, японская компания Mazda, прославившаяся не только своими легендарными моделями RX, но и единственной победой в Ле-Мане прототипа «757». Кстати, Мазда планирует вернуться к роторной теме чуть ли не в этом году. В разное время с РПД экспериментировали различные производители. Даже АвтоВАЗ в 80-х годах отметился роторными «пятерками» и «семерками», которые использовались в ГАИ или у «силовиков».
Двигатель с переменной степенью сжатия
Технология, которая на данный момент используется только на одном автомобиле — кроссовере Infiniti QX50, появившемся в 2019 году. Nissan шел к этому более 20 лет, и теперь наконец-то 2,0-литровый турбомотор VC-T (Variable Compression Turbocharged) умеет в автоматическом режиме регулировать степень сжатия (от 8 при максимальной отдаче до 14 при малых нагрузках) посредством регулировки длины поршней на 6 мм. Что позволяет не только почти полностью забыть о неоптимальных режимах и, как следствие, возникновении детонации, но и увеличить КПД, и сэкономить до 27% топлива по сравнению с V-образными «шестерками», по словам японских инженеров. Реализована эта хитрость следующим образом: установлено подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которое работает при помощи системы рычагов с приводом от электромотора. При этом мощность силовой установки составляет внушительные 270 л.с., а крутящий момент — 390 Нм (в России мотор дефорсирован до 249 л.с. и 380 Нм). Основными недостатками конструкции считаются ее сложность и больший (примерно на 10 кг) вес силового агрегата.
В разное время двигателями с переменной степенью сжатия баловались инженеры Ford, Mercedes-Benz, Peugeot и Volkswagen, но патента так никто и не получил. Существовали также ранние системы с дополнительным поршнем, который менял объем камеры сгорания. Проводили эксперименты и с поршнями изменяемой высоты, которые оказались очень тяжелыми. В 2000 году компания FEV Motorentechnik установила в фольксвагеновский турбомотор 1.8T систему с… подъемным коленвалом, движение которого осуществлялось при помощи эксцентриковых муфт. В том же году свое видение продемонстрировали шведы из Saab. У 5-цилиндрового 1,6-литрового турбомотора SVC (Saab Variable Compression) могла подниматься верхняя часть раздельного блока цилиндров. Приблизительно в то же время французы из МСЕ-5 Development продемонстрировали мотор с уникальными разделенными шатунами с зубчатыми коромыслами. Но ни одно из этих решений так и не нашло применения на серийных автомобилях.
Бесклапанный двигатель (Knight Sleeve Valve)
Теперь мы отправимся на рубеж XIX и XX веков, когда Чарльзу Найту пришла в голову мысль создания двигателя без классических клапанов. В 1908 году он запатентовал свое детище, которое оснащалось так называемыми «золотниковыми клапанами»: это своего рода муфта, приводимая в движение специальным редукторным валом, скользящая вокруг поршня и открывающая таким образом впускные и выпускные порты в стенках цилиндра. Такая система оказалась не только рабочей, но еще и довольно тихой, долговечной, с хорошей отдачей и отсутствием проблемы «залипания» обычных тарельчатых клапанов. Помимо этих очевидных преимуществ были и другие: хорошая продувка выхлопными газами, неизменная форма камеры сгорания (следовательно, отсутствие детонации), отсутствие традиционной головки блока и идеальное размещение свечей зажигания. Основным недостатком считался повышенный расход масла.
Тем не менее подобными двигателями оснащался целый ряд моделей таких известных автомобильных марок, как Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys и других вплоть до 40-х годов прошлого века. Впоследствии — после значительного повышения оборотистости моторов и внедрения натриевого охлаждения для обычных тарельчатых клапанов — система практически себя изжила.
Двигатель с двумя коленвалами (Lanchester Twin-Crank Twin)
В 1896 году Карл Бенц запатентовал двухцилиндровый «оппозитник», через три года была основана компания Lanchester, а уже год спустя она представила свой первый автомобиль Lanchester Phaeton, оснащенный таким мотором с двумя коленчатыми валами. Именно этот двигатель считается первым серийным «Флэт-Твином» (Flat-Twin). Этот 4,0-литровый атмосферный агрегат с воздушным охлаждением выдавал «целых» 10,5 л.с. при 1250 об/мин. Один коленвал находился над другим, а у каждого поршня было по три (!) шатуна — один толстый центральный и два более легких по бокам. Толстый шел к одному валу, а тонкие — к другому. Соответственно, валы вращались в противоположных направлениях.
На заре автопрома такими моторами оснащались не только автомобили фирмы Lanchester, но и первые модели Ford — «А», «С» и «F».
Двухцилиндровый «оппозитник» в едином блоке (Panhard Flat-Twin)
С 1945 по 1967 годы французская компания Panhard производила целый ряд моделей, оснащавшихся так называемым двигателем Flat-Twin. Рене Панар не стал пионером в области использования двухцилиндровых «оппозитников», но впервые объединил блок цилиндров и головку в алюминиевый корпус. Помимо этого уникального технического решения в моторе Flat-Twin присутствовали и другие интересные находки. Так, например, вместо клапанных пружин здесь впервые использовались торсионы, а охлаждение было двойным воздушным.
Объем таких моторов был невелик — от 0,61 до 0,85 л, а мощность составляла от 42 до 60 л.с. Тем не менее этот факт не помешал модели Х84 участвовать в гонках в Ле-Мане и даже добиваться хороших результатов в своем классе до 750 см³. Ну а купе Panhard 24 было к тому же еще и очень красивым автомобилем.
Двигатели, работающие по циклам Аткинсона и Миллера
Как мы уже говорили в начале этой статьи, большинство современных автомобильных двигателей работает по циклу Отто. Но все же существуют и другие варианты: с борьбой за повышение эффективности и увеличение КПД навсегда связаны имена инженеров Джеймса Аткинсона и Ральфа Миллера.
Что предложил Аткинсон? Во-первых, за счет усложнения кривошипно-шатунного механизма он изменил соотношение времен тактов: ходы поршня при тактах сжатия и рабочего хода стали короче, чем при тактах впуска и выпуска, за счет уникального коленвала. Впускные клапаны в цикле Аткинсона полностью закрываются на половине пути к верхней «мертвой» точке. Во-вторых, все четыре такта у Аткинсона происходят за один оборот коленвала, тогда как обычному Отто-мотору для этого требуется два. Достоинства такого типа двигателей — высокая экономичность и экологичность. Недостатки — сложность конструкции и невысокий момент на «низах». Именно поэтому подобные силовые установки используют на гибридах, где эта особенность компенсируется электротягой.
Ральф Миллер также работал со степенью сжатия, но пошел (в 1947 году) другим путем. Вместо механического уменьшения такта сжатия при неизменном такте рабочего хода он предложил сократить его за счет такта впуска, сохраняя одинаковое перемещение для всех поршней, как на двигателе Отто. Существует две вариации этого решения, но обе основаны на позднем закрытии впускных клапанов: «укороченный впуск» (когда впускные клапаны закрываются раньше окончания такта впуска) и «укороченное сжатие» (впускные клапаны закрываются позже такта впуска). Но обе они призваны уменьшить степень сжатия рабочей смеси, и, таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ, оно имеет намного большую степень расширения, чем в двигателе Отто. Это позволяет лучше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что повышает тепловую эффективность конструкции, а, как следствие, улучшает экономичность и повышает эластичность. К тому же в такте сжатия уменьшаются насосные потери, так как сжимать топливо в моторе с циклом Миллера легче. Недостатки этой схемы — уменьшение мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров.
Дизельный «оппозитник» с качающимся коленвалом (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)
Единственный дизельный мотор в нашем сегодняшнем обзоре, но зато какой: двухтактный «оппозитник» TS3 (не зря его прозвали «тарахтелкой» — Knocker) с уникальным качающимся коленвалом разработки фирмы Tilling-Stevens! Правда, устанавливался он с 1954 до 1968 года только на катера, автобусы и грузовики малоизвестной широкому кругу британской компании Rootes. Этот двигатель не только располагался под сиденьем водителя, но имел и еще целый ряд интересных особенностей: в каждом цилиндре было по два «встречных» поршня, которые передавали момент на единственный коленвал при помощи специального рокера и двух шатунов на каждом поршне, а также присутствовал механический компрессор с цепным приводом! У двигателя TS3 было три цилиндра, объем в 3,25 л, и выдавал он существенные по меркам того времени 105 л.с. и 366 Нм при всего 1200 об/мин. Говорят, это был очень компактный и надежный агрегат, единственным недостатком которого считали высокий уровень шума.
В конце 1960-х годов появился прототип 4-цилиндрового аналогичного агрегата, а «мул», им оснащенный, даже прошел испытания длиной почти в 2 млн километров, но дальше этого дело не пошло: в 1968 году корпорация Chrysler купила компанию Rootes, и разработки свернули.
Двухтактный двухцилиндровый «оппозитник» (Gobron Brillie Opposed Piston)
Возвращаемся назад, аж в XIX век, а точнее говоря, в 1898 год, когда француз Гюстав Шарль-Алексис Гоброн вместе с земляком Эженом Брийе основали автомобильную компанию Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Спустя всего полгода появилось и их первое детище — Gobron-Brillie 8CV, в котором был использован мотор уникальной конструкции — при объеме 1,6 л и двух вертикально расположенных цилиндрах в нем было четыре поршня, которые двигались навстречу друг другу. Нижние соединялись с коленвалом привычными шатунами, а верхние (их ход был короче) — при помощи оригинальной системы тяг, коромысел и эксцентриков. При этом распредвал тут один, а весь механизм был полностью синхронизирован. Приблизительно на середине хода верхних поршней — именно в этой области происходило возгорание смеси — были установлены свечи зажигания, а также впускные и выпускные клапаны, работавшие при помощи толкателей. Возгорание топлива происходило между поршнями, примерно на середине хода верхних поршней.
Помимо столь замысловатой, но, по словам современников, вполне надежной системы с отличной плавностью работы, у автомобиля была и необычная система питания, где вместо традиционного карбюратора использовался набор плунжеров, способных подавать в камеру любой вид топлива. Говорят, Gobron-Brillie умели ездить даже на спирте или крепких алкогольных напитках вроде виски и коньяка!
Роторно-лопастный двигатель
Разработки роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания ведутся с 1930-х годов, но до сих пор никому так и не удалось создать достаточно надежный агрегат, хотя преимуществ у него масса: малый вес, компактность, высокая отдача (100 кВт на е-Мобиле), небольшой расход топлива и высокий КПД. Но большинство из нас, несомненно, узнали о существовании РЛД тогда, когда российский миллиардер Михаил Прохоров увлекся созданием ё-Мобиля. Конечно, очень хочется верить, что придуманный в Псковском политехническом университете агрегат в итоге найдет себе применение, но пока серийных автомобилей с подобной силовой установкой не существует, да и сам ё-Мобиль приказал долго жить. Но идея — весьма любопытная. Так что же представляет собой РЛД?
По сути, РЛД — это цилиндр с двумя соосно вращающимися роторами, на каждом из которых укреплена пара лопастей, которые делят цилиндр на четыре рабочие камеры, каждая из которых за один оборот совершает все четыре рабочих такта. Основная сложность состоит в синхронизации вращения валов роторов и снятии с них мощности, поскольку роторы не только крутятся, но еще и совершают вращательно-колебательные движения относительно цилиндра. К сожалению, эта проблема так и не позволяет до сих пор наладить серийный выпуск столь интересного агрегата. Но в теории двигатель все же перспективный, да еще и способный работать чуть ли не на всех видах топлива.
Ротативный двигатель — неподвижный коленвал, вращающиеся цилиндры и поршни (Adams-Farwell)
Эта идея, что называется, «от противного»: если в обычном ДВС вращается коленвал, а блок цилиндров остается неподвижным, то в моторе, который в 1895 году изобрел инженер Фэй Оливер Фарвелл, коленвал всегда стоял на одном месте. Легенда гласит, что на конструирование 3-цилиндрового 4-тактного двигателя, в котором цилиндры вращаются на оригинальных подшипниках вокруг жестко закрепленного коленвала, Фарвелла, работающего на американскую компанию The Adams Co., подвигнул вид… обычной мельницы!
Спустя девять лет, в 1904 году, под названием Adams-Farwell Model 5 в серию пошел автомобиль с этим уникальным и довольно мощным (25 л.с.) по меркам того времени мотором. Кстати, были у него и еще весьма необычные черты: вместо карбюратора топливо попадало в камеры через специальные отверстия в них, а глушителей у двигателя не было предусмотрено (он был довольно тихим). Основным недостатком стало чрезмерное потребление масла, но, несмотря на этот факт, в 1906 году в Adams-Farwell представили Model 6 с уже 5-цилиндровым 8,0-литровым мотором. А в 1910 году моторы фирмы использовались даже на первых вертолетах конструкции Эмиля Берлинера.
Двигатель с разделенными циклами
Как известно, в классическом ДВС все четыре такта происходят в одном цилиндре. Но, оказывается, существовали в мире — причем в недавнем прошлом — энтузиасты, которые проповедовали настоящую экзотику с разделением циклов. Например, в 2006 году американцы из Scuderi Group решили, что ответственным за такты впуска и сжатия будет так называемый «холодный» цилиндр, а за рабочий ход и выпуск — другой, «горячий». Когда в рабочем цилиндре идет расширение газов, в «холодном» компрессорном происходит такт впуска. Когда в рабочем выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим ВМТ, смесь через перепускной клапан «перетекает» из «холодного» цилиндра в «горячий» и поджигается. К тому же у разных цилиндров могут быть отличные диаметры и ходы поршней, что позволяет весьма гибкую настройку. В 2009 году Scuderi представили опытный образец, но дальше дело так и не пошло: двигатель экономичен, но очень сложен конструктивно.
Экспериментировали с разделенными циклами и в хорватской фирме Paut Motor. В 2011 году они даже представили прототип, который при литраже в 7 л весил всего 135 кг, имел гораздо меньше деталей, сниженное трение и шум, чем мотор Scuderi. Но и этот проект умер.
Ну а самый сложный двигатель с разделенными циклами — это, пожалуй, мотор компании Bonner, в котором цилиндры расположены крестообразно, а коленвал совершает планетарное движение посредством системы шестерен. Газораспределение происходит за счет специальных клапанов на дне цилиндров и вращающихся золотников в блоке. Поршни при этом могут смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Ну и наворотили! Неудивительно, что и этот двигатель вряд ли когда-то доберется до «серии».
Газотурбинный двигатель
Если двигателей с разделенными циклами мы так и не увидели на серийных автомобилях, то машины с газотурбинными моторами в природе существовали. С начала 50-х годов производители легковых автомобилей решили поиграть в эту игру и продолжили вплоть до конца 60-х. Недолгим был век ГТД, но зато подарил нам целую плеяду неординарных моделей: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.
Газовая турбина — более простой и гораздо более мощный по сравнению с классическим ДВС мотор. Неудивительно, что автомобильная промышленность, которая и до 50-х годов прошлого века активно заимствовала ряд технических решений из авиационной отрасли, не осталась в стороне и решила попробовать использовать двигатели такого типа на легковых машинах. К тому же сама по себе конструкция ГТД несложна: валы с компрессорным и турбинным колесами, первое из которых подает сжатый воздух в камеру сгорания с топливом. При сжигании и расширении рабочая смесь крутит турбинное колесо, которое использует энергию для вращения компрессора и, конечно же, движения при помощи реактивной струи.
Двигатель с десмодромным приводом клапанов
В обычном двигателе внутреннего сгорания клапаны открываются принудительно (специальными коромыслами), а закрываются при помощи мощных пружин. Именно скорость работы этих самых пружин и их недостаточная прочность становятся причиной так называемого разрыва кинематической связи, «зависания» клапанов и, как следствие, ограничения по оборотам двигателя. В случае с десмодромным приводом клапаны также принудительно и закрываются.
История этого ноу-хау ведется еще с начала XX века, когда в 1910 году патент на десмодромную систему газораспределения получил английский инженер по фамилии Арнотт. В то время это было особенно актуально, поскольку качество пружин зачастую не выдерживало даже совсем невысоких оборотов и нагрузок. На практике «десмодром» применили сначала на гоночном Peugeot L76 в 1912 году, а спустя еще восемь лет он появился на французском спортивном автомобиле Bignan. Первыми мотоциклами, на которых использовался десмодромный привод, стали модели английской фирмы Norton еще в 1924 году. С тех пор этот тип применялся также на автомобилях Mercedes-Benz, Ferrari, мотоциклах BMW, F.B. Mondial и Honda. Однако самым стойким приверженцем этой схемы и по сей день остается итальянская мотоциклетная компания Ducati.