1. енергія під замком
2. Електронний пінг-понг
3. Труба Франка Штельзера
4. конструктивна опозиція
5. Троянський кінь

Сучасний двигун внутрішнього згоряння за визначенням не найвидатніший продукт з точки зору технологій. Це означає, що його можна вдосконалювати до нескінченності »(Метт Тревітнік, президент венчурного фонду сім'ї Рокфеллер Venrock).

Уже в листопаді цього року на американський ринок вийде Chevrolet Volt, електромобіль з бортовим генератором електроенергії. Volt буде оснащений потужним електродвигуном, що обертає колеса, і компактним ДВС, який лише заряджає виснажену літій-іонну батарею. Цей агрегат завжди працює на максимально ефективних оборотах. З цим завданням легко справляється звичайний ДВС, який звик до куди більш тяжкого тягаря. Однак незабаром його можуть змінити куди більш компактні, легкі, ефективні і дешеві агрегати, спеціально створені для роботи в якості електрогенератора.

Коли мова заходить про принципово нові конструкції ДВС, скептики починають морщити носи, кивати на сотні порошаться на полицях псевдореволюційних проектів і трясти святими мощами чотирьох горщиків і распредвала. Сто років панування класичного двигуна внутрішнього згоряння кого хочеш переконають в марності інновацій. Але тільки не професіоналів в області термодинаміки. До таких належить професор Пітер Ван Бларіган.

енергія під замком

Одна з найрадикальніших концепцій ДВС в історії - двигун з вільним поршнем. Перші згадки про нього в спеціальній літературі відносяться до 1920-х років. Уявіть собі металеву трубу з глухими кінцями і циліндричний поршень, що ковзає усередині неї. На кожному з кінців труби розташовані інжектор для вприскування палива, впускний і випускний порти. Залежно від типу палива до них можуть додані свічки запалювання. І все: менше десятка найпростіших деталей і лише одна - рухома. Пізніше з'явилися більш витончені моделі ДВС з вільним поршнем (FPE) - з двома або навіть чотирма оппозітнимі поршнями, але це не змінило суті. Принцип роботи таких моторів залишився колишнім - зворотно-поступальний лінійне рух поршня в циліндрі між двома камерами згоряння.

Куди йде ККД Двигун Пітера Ван Бларігана відрізняється від звичайного ДВС значно вищим ККД за рахунок відсутності паразитних втрат. У конструкції відсутні обертові маси, інерція яких збільшується за рахунок відцентрової сили. На поршні не діють бічні сили, що притискають їх до стінок циліндра, завдяки чого зменшується тертя. Підшипники колінчастого вала і шатунів, поршневі пальці, распредвал, кулачки і клапани - все ті вузли двигуна ОТТО, в яких лютує тертя, відсутні в FPLA. Крім того, на кожен цикл роботи двигуна з вільним поршнем доводиться два робочих такту. При цьому FPLA набагато компактніше, простіше і надійніше звичайного ДВС. Робочий прототип мотора Ван Бларігана вже був втілений в металі і успішно пройшов першу стадію випробувань.

Теоретично ККД FPE перевалює за 70%. Вони можуть працювати на будь-якому вигляді рідкого або газоподібного палива, вкрай надійні і чудово збалансовані. Крім того, очевидні їх легкість, компактність і простота в виробництві. Єдина проблема: як зняти потужність з такого мотора, механічно представляє собою замкнуту систему? Як осідлати снують з частотою до 20000 циклів в хвилину поршень? Можна використовувати тиск вихлопних газів, але ефективність при цьому падає в рази. Це завдання довго залишалася невирішеною, хоча спроби робилися регулярно. Останніми про неї обламали зуби інженери General Motors в 1960-х роках в процесі розробки компресора для експериментального газотурбінного автомобіля. Діючі зразки суднових насосів на основі FPE на початку 1980-х були виготовлені французькою компанією Sigma і британської Alan Muntz, але в серію вони не пішли.

Можливо, про FPE ще довго б ніхто не згадав, але допомогла випадковість. У 1994 році Департамент енергетики США доручив вченим Національної лабораторії Sandia вивчити ефективність бортових генераторів електроенергії на базі ДВС різних типів, що працюють на водні. Ця робота була доручена групі Пітера Ван Бларігана. В ході здійснення проекту Ван Бларіган, якому концепція FPE була добре відома, зумів знайти дотепне рішення проблеми перетворення механічної енергії поршня в електрику. Замість ускладнення конструкції, а значить - зниження результуючого ККД, Ван Бларіган пішов шляхом віднімання, закликавши на допомогу магнітний поршень і мідну обмотку на циліндрі. Незважаючи на всю простоту, таке рішення було б неможливим ні в 1960-х, ні в 1970-х роках. У той час ще не існувало досить компактних і потужних постійних магнітів. Все змінилося на початку 1980-х після винаходу сплаву на основі неодиму, заліза і бору.

Схема двигуна Штельзера Єдина деталь поєднує в собі два поршня, паливний насос і клапанну систему.

За цю роботу в 1998 році на Всесвітньому конгресі Товариства автомобільних інженерів SAE Ван Бларігану і його колегам Ніку Парадізо і Скотту Голдсборо була присвоєна почесна премія імені Харрі Лі Ван Хорнінг. Очевидна перспективність лінійного генератора з вільним поршнем (FPLA), як назвав свій винахід Ван Бларіган, переконала Департамент енергетики продовжити фінансування проекту аж до стадії експериментального агрегату.

Електронний пінг-понг

Двотактний лінійний генератор Бларігана є трубою з електротехнічної кременистої стали довжиною 30,5 см, діаметром 13,5 см і масою трохи більше 22 кг. Внутрішня стінка циліндра являє собою статор з 78 витками мідного дроту квадратного перетину. У зовнішню поверхню алюмінієвого поршня інтегровані потужні неодимові магніти. Паливний заряд і повітря надходять в камеру згоряння двигуна у вигляді туману після попередньої гомогенізації. Запалювання відбувається в режимі HCCI - в камері одночасно виникає безліч мікровогнищ загоряння. Ніякої механічної системи газорозподілу у FPLA немає - її функції виконує сам поршень.

Труба Франка Штельзера

У 1981 році німецький винахідник Франк Штельзер продемонстрував двотактний мотор з вільним поршнем, який він розробляв в своєму гаражі з початку 1970-х. За його розрахунками, движок був на 30% економічніше звичайного ДВС. Єдина рухома деталь мотора - здвоєний поршень, що снують з шаленою частотою всередині циліндра. Сталева труба довжиною 80 см, оснащена карбюратором низького тиску від мотоцикла Harley-Davidson і блоком котушок запалювання Honda, за грубими підрахунками Стельзера, могла виробляти до 200 к.с. потужності при частоті до 20 000 циклів на хвилину. Штельзер стверджував, що його мотори можна робити з простих сталей, а охолоджуватися вони можуть як повітрям, так і рідиною. У 1981 році винахідник привіз свій мотор на Франфуртської міжнародний автосалон в надії зацікавити провідні автокомпанії. Спочатку ідея викликала певний інтерес з боку німецьких автопороізводітелей. За відгуками інженерів Opel, прототип двигуна демонстрував чудовий термічний ККД, а його надійність була абсолютно очевидною - ламатися там було практично нічому. Всього вісім деталей, з яких одна рухається - здвоєний поршень складної форми з системою кілець ущільнювачів загальною масою 5 кг. У лабораторії Opel були розроблені кілька теоретичних моделей трансмісії для мотора Штельзера, включаючи механічну, електромагнітну і гідравлічну. Але жодна з них не була визнана досить надійною і ефективною. Після Франкфуртського автосалону Штельзер і його дітище пропали з поля зору автоіндустрії. Ще пару років після цього в пресі раз у раз з'являлися повідомлення про наміри Штельзера запатентувати технологію в 18 країнах світу, оснастити своїми моторами опріснювальні установки в Омані і Саудівській Аравії і т. Д. З початку 1990-х Штельзер назавжди пропав з поля зору, хоча його сайт в інтернеті все ще доступний.

Максимальна потужність FPLA становить 40 кВт (55 конячок) при середньому споживанні палива 140 г на 1кВтч. За ефективністю двигун не поступається водневим паливним осередкам - термічний ККД генератора при використанні в якості палива водню і ступеня стиснення 30: 1 досягає 65%. На пропане трохи менше - 56%. Крім цих двох газів FPLA з апетитом перетравлює солярку, бензин, етанол, спирт і навіть відпрацьоване рослинне масло.

Однак ніщо не дається малою кров'ю. Якщо проблема перетворення теплової енергії в електричну Ван Бларіганом вирішена успішно, то управління примхливим поршнем стало серйозним головним болем. Верхня мертва точка траєкторії залежить від ступеня стиснення і швидкості згоряння паливного заряду. Фактично гальмування поршня відбувається за рахунок створення критичного тиску в камері і подальшого мимовільного загоряння суміші. У звичайному ДВС кожний наступний цикл є аналогом попереднього завдяки жорстким механічним зв'язків між поршнями і коленвалом. У FPLA ж тривалість тактів і верхня мертва точка - плаваючі величини. Найменша неточність в дозуванні паливного заряду або нестабільність режиму згоряння викликають зупинку поршня або удар в одну з бічних стінок.

Зелений і плоский Двигун Ecomotors відрізняється не тільки скромними габаритами і масою. Зовні плоский агрегат нагадує оппозітниє мотори Subaru і Porsche, які дають особливі компонувальні переваги у вигляді низького центру ваги і лінії капота. Це означає, що автомобіль буде не тільки динамічним, а й добре керованим.

Таким чином, для двигуна такого типу потрібна потужна і швидкодіюча електронна система управління. Створити її не так просто, як здається. Багато експертів вважають цю задачу важко здійснюваною. Гаррі Смайт, науковий керівник лабораторії General Motors по силових установок, стверджує: «Двигуни внутрішнього згоряння з вільним поршнем мають ряд унікальних достоїнств. Але щоб створити надійний серійний агрегат, потрібно ще дуже багато дізнатися про термодинаміки FPE і навчитися управляти процесом згоряння суміші ». Йому вторить професор Массачусетського технологічного інституту Джон Хейвуд: «В цій області ще дуже багато білих плям. Не факт, що для FPE вдасться розробити просту і дешеву систему управління ».

Ван Бларіган більш оптимістичний, ніж його колеги по цеху. Він стверджує, що управління становищем поршня може бути надійно забезпечене за допомогою тієї ж пари - статор і магнітна оболонка поршня. Більш того, він вважає, що повноцінний прототип генератора з налагодженою системою управління і ККД не менше 50% буде готовий вже до кінця 2010 року. Непряме підтвердження прогресу в цьому проекті - засекречування в 2009 році багатьох аспектів діяльності групи Ван Бларігана.

У кого шатун довше Значна частина втрат на тертя в звичайних ДВС доводиться на повороти шатуна щодо поршня. Короткі шатуни повертаються на більший кут, ніж довгі. У OPOC дуже довгі і порівняно важкі шатуни, які знижують втрати на тертя. Унікальна конструкція шатунів OPOC не вимагає використання поршневих пальців для внутрішніх поршнів. Замість них застосовуються радіальні увігнуті гнізда великого діаметру, всередині яких ковзає головка шатуна. Теоретично така конструкція вузла дозволяє зробити шатун довше звичайного на 67%. У звичайному ДВС серйозні втрати на тертя виникають в навантажених підшипниках коленвала під час робочого такту. У OPOC цієї проблеми не існує зовсім - лінійні різноспрямовані навантаження на внутрішній і зовнішній поршні повністю компенсують один одного. Тому замість п'яти опорних підшипників коленвала для OPOC потрібно лише два.

конструктивна опозиція

У січні 2008 року знаменитий венчурний інвестор Винод Хосла розсекретив один зі своїх останніх проектів - компанію EcoMotors, створену роком раніше Джоном Колетт і Петером Хоффбауером, двома визнаними гуру моторобудування. У послужному списку Хоффбауера чимало проривних розробок: перший турбодизель для легкових автомобілів Volkswagen і Audi, опозитний двигун для Beetle, перший 6-циліндровий дизель для Volvo, перший рядний 6-циліндровий дизель Inline-Compact-V, вперше встановлений в Golf, і його близнюк VR6, створений для Mercedes. Джон Колетт не менше відомий в середовищі автомобільних інженерів. Довгий час він керував підрозділом Ford SVT по розробці особливих серій заряджених автомобілів.

Загалом активі Хоффбауера і Колетт більше 150 патентів, участь в 30 проектах по розробці нових двигунів і в 25 проектах нових серійних автомобілів. EcoMotors була створена спеціально для комерціалізації винайденого Хоффбауером модульного двоциліндрового двотактного оппозитного турбодизеля з технологією OPOC.

Невеликий розмір, божевільна питома потужність 3,25 к.с. на 1 кг маси (250 к.с. на 1 л об'єму) і танкова тяга в 900 Н • м при більш ніж скромному апетиті, можливість збирати з окремих модулів 4-, 6- і 8-циліндрові блоки - ось основні переваги Стокілограмову модуля OPOC EM100. Якщо сучасні дизелі на 20-40% ефективніше бензинових ДВС, то OPOC - на 50% ефективніше кращих турбодизелів. Його розрахунковий ККД - 57%. Незважаючи на свою фантастичну зарядженість, двигун Хоффбауера відрізняється ідеальною збалансованістю і дуже м'якою роботою.

У OPOC поршні з'єднуються з коленвалом, розташованим в центрі, довгими шатунами. Простір між двома поршнями служить камерою згоряння. Паливний інжектор знаходиться в області верхньої мертвої точки, а впускний повітряний порт і випускний порт для відпрацьованих газів - в області нижньої мертвої точки. Таке розташування укупі з електричним турбонагнітачем забезпечує оптимальну продування циліндра - в OPOC немає ні клапанів, ні распредвала.

Турбонагнетатель - невід'ємна частина мотора, без якої його робота неможлива. Перед запуском двигуна турбонагнетатель протягом однієї секунди нагріває порцію повітря до температури 100 ° C і закачує її в камеру згоряння. Дизелю OPOC не потрібні гартівні свічки, а запуск в холодну погоду не доставляє проблем. При цьому Хоффбауеру вдалося знизити ступінь стиснення з звичних для дизелів 19-22: 1 до скромних 15-16. Все це, в свою чергу, призводить до зниження робочої температури в камері згоряння і витрати палива.

Троянський кінь

Вже сьогодні у EcoMotors є три повністю готових до виробництва оппозітних агрегату різної потужності: модуль потужністю 13,5 к.с. (Розміри - 95 мм / 155 мм / 410 мм, вага - 6 кг), 40 к.с. (95 мм / 245 мм / 410 мм, 18 кг) і модуль 325л.с. (400 мм / 890 мм / 1000 мм, 100 кг). Хоффбауер і Колетт намір продемонструвати електрогібрідний п'ятимісний седан середнього класу з дизельним генератором OPOC на базі однієї з масових моделей вже в поточному році. Середня витрата солярки у цього автомобіля не перевищить 2 л на сотню в комбінованому електричному і змішаному режимах. Нещодавно EcoMotors відкрила власний технічний центр в містечку Троя, штат Мічиган, і вже підшукує відповідне підприємство для організації серійного виробництва своїх моторів. Незважаючи на розсекречених проекту, з надр компанії надходить вкрай мізерна інформація. Мабуть, Винод Хосла вирішив притримати до пори забійні козирі.

Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2010 ).