Home Автомобили и Автотехника Автотехника ПОРШЕНЬ НА СВОБОДЕ: ДВИГАТЕЛЬ СО СВОБОДНЫМ ПОРШНЕМ
ПОРШЕНЬ НА СВОБОДЕ: ДВИГАТЕЛЬ СО СВОБОДНЫМ ПОРШНЕМ PDF Печать E-mail
«Современный двигатель внутреннего сгорания по определению не самый выдающийся продукт с точки зрения технологий. Это значит, что его можно совершенствовать до бесконечности» (Мэтт Тревитник, президент венчурного фонда семьи Рокфеллер Venrock)



Двигатель со свободным поршнем – линейный двигатель внутреннего сгорания, лишенный шатунов, в котором движение поршня определяется не механическими связями, а соотношением сил расширяющихся газов и нагрузки

Двигатель со свободным поршнем – линейный двигатель внутреннего сгорания, лишенный шатунов, в котором движение поршня определяется не механическими связями, а соотношением сил расширяющихся газов и нагрузки
Двигатель EcomotorsОтличается не только скромными габаритами и массой. Внешне плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, которые дают особые компоновочные преимущества в виде низкого центра тяжести и линии капота. Это означает, что автомобиль будет не только динамичным, но и хорошо управляемым

Двигатель Ecomotors
Отличается не только скромными габаритами и массой. Внешне плоский агрегат напоминает оппозитные моторы Subaru и Porsche, которые дают особые компоновочные преимущества в виде низкого центра тяжести и линии капота. Это означает, что автомобиль будет не только динамичным, но и хорошо управляемым

Уже вноябре этого года на американский рынок выйдет Chevrolet Volt, электромобиль сбортовым генератором электроэнергии. Volt будет оснащен мощнымэлектродвигателем, вращающим колеса, и компактным ДВС, который лишь подзаряжаетистощенную литий-ионную батарею. Этот агрегат всегда работает на максимальноэффективных оборотах. С этой задачей легко справляется обычный ДВС, привыкший ккуда более тяжкому бремени. Однако в скором времени его могут сменить кудаболее компактные, легкие, эффективные и дешевые агрегаты, специально созданныедля работы в качестве электрогенератора.

Когда речьзаходит о принципиально новых конструкциях ДВС, скептики начинают морщить носы,кивать на сотни пылящихся на полках псевдореволюционных проектов и трястисвятыми мощами четырех горшков и распредвала. Сто лет господства классическогодвигателя внутреннего сгорания кого хочешь убедят в бесполезности инноваций.Но только не профессионалов в области термодинамики. К таковым относитсяпрофессор Питер Ван Блариган.

Энергиявзаперти

Одна изсамых радикальных концепций ДВС в истории – двигатель со свободнымпоршнем. Первые упоминания о нем в специальной литературе относятся к1920-м годам. Представьте себе металлическую трубу с глухими концами и цилиндрическийпоршень, скользящий внутри нее. На каждом из концов трубы расположены инжектордля впрыска топлива, впускной и выпускной порты. В зависимости от типа топливак ним могут добавлены свечи зажигания. И все: меньше десятка простейших деталейи лишь одна – движущаяся. Позднее появились более изощренные модели ДВС сосвободным поршнем (FPE) – с двумя или даже четырьмя оппозитнымипоршнями, но это не изменило сути. Принцип работы таких моторов остался прежним– возвратно-поступательное линейное движение поршня в цилиндре между двумякамерами сгорания.

ТеоретическиКПД FPE переваливает за 70%. Они могут работать на любом виде жидкого илигазообразного топлива, крайне надежны и великолепно сбалансированы. Кроме того,очевидны их легкость, компактность и простота в производстве. Единственнаяпроблема: как снять мощность с такого мотора, механически представляющего собойзамкнутую систему? Как оседлать снующий с частотой до 20000 циклов вминуту поршень? Можно использовать давление выхлопных газов, но эффективностьпри этом падает в разы. Эта задача долго оставалась неразрешимой, хотя попыткипредпринимались регулярно. Последними о нее обломали зубы инженеры GeneralMotors в 1960-х годах в процессе разработки компрессора для экспериментальногогазотурбинного автомобиля. Действующие образцы судовых насосов на основе FPE вначале 1980-х были изготовлены французской компанией Sigma и британской AlanMuntz, но в серию они не пошли.

Возможно,об FPE еще долго бы никто не вспомнил, но помогла случайность. В 1994 годуДепартамент энергетики США поручил ученым Национальной лаборатории Sandiaизучить эффективность бортовых генераторов электроэнергии на базе ДВС различныхтипов, работающих на водороде. Эта работа была поручена группе Питера ВанБларигана. В ходе осуществления проекта Ван Блариган, которому концепция FPEбыла отлично известна, сумел найти остроумное решение проблемы превращениямеханической энергии поршня в электричество. Вместо усложнения конструкции, азначит – снижения результирующего КПД, Ван Блариган пошел путем вычитания,призвав на помощь магнитный поршень и медную обмотку на цилиндре. Несмотря навсю простоту, такое решение было бы невозможным ни в 1960-х, ни в1970-х годах. В то время еще не существовало достаточно компактных имощных постоянных магнитов. Все изменилось в начале 1980-х после изобретениясплава на основе неодима, железа и бора.

За этуработу в 1998 году на Всемирном конгрессе Общества автомобильных инженеров SAEВан Бларигану и его коллегам Нику Парадизо и Скотту Голдсборо была присвоенапочетная премия имени Харри Ли Ван Хорнинга. Очевидная перспективностьлинейного генератора со свободным поршнем (FPLA), как назвал свое изобретениеВан Блариган, убедила Департамент энергетики продолжить финансирование проектавплоть до стадии экспериментального агрегата.

Электронныйпинг-понг

Двухтактныйлинейный генератор Бларигана представляет собой трубу из электротехническойкремнистой стали длиной 30,5 см, диаметром 13,5 см и массой чуть более 22 кг.Внутренняя стенка цилиндра представляет собой статор с 78 витками меднойпроволоки квадратного сечения. Во внешнюю поверхность алюминиевого поршняинтегрированы мощные неодимовые магниты. Топливный заряд и воздух поступают вкамеру сгорания двигателя в виде тумана после предварительной гомогенизации.Зажигание происходит в режиме HCCI – в камере одновременно возникает множествомикроочагов возгорания. Никакой механической системы газораспределения у FPLAнет – ее функции выполняет сам поршень.

Максимальнаямощность FPLA составляет 40 кВт (55 лошадок) при среднем потреблениитоплива 140 г на 1кВтч. По эффективности двигатель не уступает водороднымтопливным ячейкам – термический КПД генератора при использовании в качестветоплива водорода и степени сжатия 30:1 достигает 65%. На пропане чуть меньше –56%. Помимо этих двух газов FPLA с аппетитом переваривает солярку, бензин,этанол, спирт и даже отработанное растительное масло.

Однаконичто не дается малой кровью. Если проблема превращения тепловой энергии вэлектрическую Ван Блариганом решена успешно, то управление капризным поршнемстало серьезной головной болью. Верхняя мертвая точка траектории зависит отстепени сжатия и скорости сгорания топливного заряда. Фактически торможениепоршня происходит за счет создания критического давления в камере и последующегосамопроизвольного возгорания смеси. В обычном ДВС каждый последующий циклявляется аналогом предыдущего благодаря жестким механическим связям междупоршнями и коленвалом. В FPLA же длительность тактов и верхняя мертваяточка – плавающие величины. Малейшая неточность в дозировке топливногозаряда или нестабильность режима сгорания вызывают остановку поршня или удар водну из боковых стенок.

Такимобразом, для двигателя такого типа требуется мощная и быстродействующаяэлектронная система управления. Создать ее не так просто, как кажется. Многиеэксперты считают эту задачу трудновыполнимой. Гарри Смайт, научный руководительлаборатории General Motors по силовым установкам, утверждает: «Двигателивнутреннего сгорания со свободным поршнем обладают рядом уникальных достоинств.Но чтобы создать надежный серийный агрегат, нужно еще очень много узнатьо термодинамике FPE и научиться управлять процессом сгорания смеси». Емувторит профессор Массачусетского технологического института Джон Хейвуд: «В этойобласти еще очень много белых пятен. Не факт, что для FPE удастся разработатьпростую и дешевую систему управления».

ВанБлариган более оптимистичен, чем его коллеги по цеху. Он утверждает, чтоуправление положением поршня может быть надежно обеспечено посредством той жепары – статор и магнитная оболочка поршня. Более того, он считает, чтополноценный прототип генератора с настроенной системой управления и КПД неменее 50% будет готов уже к концу 2010 года. Косвенное подтверждение прогрессав этом проекте – засекречивание в 2009 году многих аспектов деятельности группыВан Бларигана.

Конструктивнаяоппозиция

В январе2008 года знаменитый венчурный инвестор Винод Хосла рассекретил один из своихпоследних проектов – компанию EcoMotors, созданную годом ранее ДжономКолетти и Петером Хоффбауэром, двумя признанными гуру моторостроения. Впослужном списке Хоффбауэра немало прорывных разработок: первый турбодизель длялегковых автомобилей Volkswagen и Audi, оппозитный двигатель для Beetle, первый6-цилиндровый дизель для Volvo, первый рядный 6-цилиндровый дизельInline-Compact-V, впервые установленный в Golf, и его близнец VR6, созданныйдля Mercedes. Джон Колетти не менее известен в среде автомобильных инженеров.Долгое время он руководил подразделением Ford SVT по разработке особых серийзаряженных автомобилей.

В общемактиве Хоффбауэра и Колетти более 150 патентов, участие в 30 проектах поразработке новых двигателей и в 25 проектах новых серийных автомобилей.EcoMotors была создана специально для коммерциализации изобретенногоХоффбауэром модульного двухцилиндрового двухтактного оппозитного турбодизеляс технологией OPOC.

Небольшойразмер, сумасшедшая удельная мощность 3,25 л.с. на 1кг массы (250 л.с. на1л объема) и танковая тяга в 900 Н•м при более чем скромном аппетите,возможность собирать из отдельных модулей 4-, 6- и 8-цилиндровые блоки –вот основные преимущества стокилограммового модуля OPOC EM100. Если современныедизели на 20–40% эффективнее бензиновых ДВС, то OPOC – на 50% эффективнеелучших турбодизелей. Его расчетный КПД – 57%. Несмотря на свою фантастическуюзаряженность, двигатель Хоффбауэра отличается идеальной сбалансированностью иочень мягкой работой.

В OPOCпоршни соединяются с коленвалом, расположенным в центре, длинными шатунами.Пространство между двумя поршнями служит камерой сгорания. Топливный инжекторнаходится в области верхней мертвой точки, а впускной воздушный порт ивыпускной порт для отработанных газов – в области нижней мертвой точки. Такоерасположение вкупе с электрическим турбонагнетателем обеспечивает оптимальнуюпродувку цилиндра – в OPOC нет ни клапанов, ни распредвала.

Турбонагнетатель– неотъемлемая часть мотора, без которой его работа невозможна. Перед запускомдвигателя турбонагнетатель в течение одной секунды нагревает порцию воздуха дотемпературы 100°С и закачивает ее в камеру сгорания. Дизелю OPOC не нужныкалильные свечи, а запуск в холодную погоду не доставляет проблем. При этомХоффбауэру удалось снизить степень сжатия с привычных для дизелей 19–22:1 доскромных 15–16. Все это, в свою очередь, приводит к снижению рабочейтемпературы в камере сгорания и расхода топлива.

Троянскийконь

Уже сегодня у EcoMotors имеются три полностью готовых кпроизводству оппозитных агрегата различной мощности: модуль мощностью 13,5 л.с.(размеры – 95мм / 155мм / 410 мм, вес – 6 кг), 40 л.с. (95 мм / 245мм / 410 мм, 18 кг) и модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауэр и Колетти намерены продемонстрировать электрогибридный пятиместныйседан среднего класса с дизельным генератором OPOC на базе одной из массовыхмоделей уже в текущем году. Средний расход солярки у этого автомобиля непревысит 2 л на сотню в комбинированном электрическом и смешанном режимах. Недавно EcoMotors открыла собственный технический центр в городке Троя, штатМичиган, и уже подыскивает подходящее предприятие для организации серийногопроизводства своих моторов. Несмотря на рассекреченность проекта, из недркомпании поступает крайне скудная информация. По-видимому, Винод Хосла решилпридержать до поры убойные козыри.