Двигатель Стирлинга
Первым рассмотрим двигатель Стирлинга. Представляет собой замкнутый герметичный агрегат, в котором находится рабочая жидкость или инертный газ. Сгорание вещества происходит вне пределов закрытой камеры. Во время рабочего цикла в условиях перепадов давления происходит попеременное охлаждение или нагрев рабочего вещества. В качестве последнего может выступать не только топливно-воздушная смесь, но любое вещество, отдающее тепло.
Двигатель активно используется во время создания крупных морских суден, например подводных лодок. Он внедряется в конструкции солнечных электростанций.
Высокий КПД работы мотора достигается грамотным использованием физических свойств газа. Известно, что нагретый газ быстро расширяется. Поэтому нагрев и охлаждение рабочего вещества в двигателе происходят циклично. Сначала объем нагревается, инертные газы расширяются, толкая поршневой механизм, перемещаются к охлаждающему элементу, снижают температуру и из-за этого быстрее сжимаются. Затем снова происходит нагрев. Принцип работы позволяет быстро проводить сжатие в условиях снижения температуры. Мощность двигателя увеличивается.
Подходящими газами для такого типа двигателя являются гелий и водород. Реже используются пропан-бутан, оксид азота IV и фторсодержащие насыщенные углеводороды.
Роторно-поршневые двигатели
В отдельную группу можно выделить двигатели внутреннего сгорания, имеющие роторно-поршневую конструкцию. Такие процессы, как воспламенение искры и горение топлива, охлаждение рабочей камеры происходят в агрегате по тому же принципу работы, как и в классическом двигателе внутреннего сгорания. Но в РДВС отсутствуют элементы, которые снижают КПД стандартного мотора: нет сложной системы впрыска и выпуска, максимально упрощено кривошипно-шатунное устройство. Зато имеется установленный на валу трехвершинный ротор, который движется по траектории неровной окружности, разделяя рабочий объем на три пространства.
Двигатели используются для оснащения лодок и некоторых автомобилей класса B и выше. В советское время роторно-поршневой двигатель ВАЗ оснащал модели личных авто (ВАЗ-411, ВАЗ-21018, ВАЗ-2115-91).
Двигатель Ванкеля
Двигатель Ванкеля – одна из вариаций РДВС – во второй половине XX века очень любили инженеры компаний Mazda и Citroen. И сейчас, судя по анонсам компании Mazda, эта любовь к роторно-поршневому двигателю Renesis возвращается.
Ротор в данной конструкции вращается благодаря давлению топливных паров. Принцип работы – во взаимодействии со статичной деталью цилиндра – статором, контакт проходит через пару шестерен (одна расположена на теле ротора, другая – на теле мотора). Во время обращения внутреннее покрытие рабочей камеры, в которой происходит воспламенение, контактирует со всеми тремя вершинами ротора. Передача крутящего момента обеспечивается трансмиссией и валом.
За один цикл оборота вала ротор меняет свое положение более, чем на 100 градусов, и в каждом из пространств, очерченных его вершинами, прорабатывается стандартный цикл работы ДВС. Получается, за один оборот вала трижды воспроизводится рабочий процесс поршневого моторного механизма.
Минимальное количество необходимых компонентов делают двигатель Ванкеля малогабаритным и простым в эксплуатации. Среди недостатков - слабая герметизация зазоров, особенно между цилиндром и ротором, что приводит к большим тратам на смазки и технические масла, которые нужно постоянно обновлять.
Газотурбинный двигатель
В принципе работе газотурбинного двигателя задействован компрессор, который сжимает газовую смесь и направляет ее в камеру сгорания. Воспламенившееся горючее в этой же камере является источником, формирующим газовые объемы высоких температур, которые высвобождают большое количество тепловой энергии.
Внутри газовой турбины, которая представляет собой агрегат с роторно-лопастными дисками и статором, идет преобразование полученной ранее тепловой энергии в механическую силу, воздействующую на вал. Каждое валовое обращение сжимает газовую смесь в нагнетателе. Остаточные объемы энергии газов, не задействованные в этом процессе, устремляются к соединенным устройствам или преображаются в силу тяги.
Газотурбинный двигатель обладает высокой мощностью. КПД зависит от предельного уровня давления во время сжатия и номинальной скорости вращения ротора газовой турбины. Чем выше показатели, тем больше производительность мотора, причем вне зависимости от его габаритов.
Газотурбинный механизм постоянно обновляется за счет появления материалов с новыми физическими свойствами, выдерживающими предельные температуры и сильные перепады давления и от этого пригодные для изготовления деталей конструкции. Разработки активно внедряются в производство электростанций, железнодорожных составов и летательных аппаратов, военной техники. В качестве горючего может использоваться не только бензин, но и генераторный газ, метан и другие природные газы, спирт.
Конструкция активно использовалась автомобильными компаниями Fiat, GM, Lotus, Ford в 50-70-хх годах прошлого столетия, а бренд Chrysler даже запустил линейку экспериментальных автомобилей. От ГТД решено было отказаться из-за недостатков - высоких затрат на топливные продукты и повышенного уровня шума.
Двигатель с переменной степенью сжатия
Над моторной системой с переменной степенью сжатия в 2000-х годах работали инженеры брендов Infiniti, Saab и Volkswagen.
В классических конструкциях степень сжатия – стабильная величина, которая определяется структурой тела мотора, октановым числом бензина и изначальными химическими свойствами нефтяного сырья. Степень сжатия определяется разницей между рабочим объемом при нахождении поршня в максимально нижнем положении и объемом при его верхнем положении.
Инженеры автомобильных компаний пришли к выводу, что изменение степени сжатия в соответствии с нагрузкой на мотор, объемом и свойствами топливно-воздушного вещества позволяет увеличивать мощность двигателя. Разработчики пытались добиться результата тремя принципами работы:
- Установкой второго поршня внутри рабочей камеры.
- Регулировкой подъема коленчатого вала – чем выше поднимается механизм, тем выше поднимается сам поршень, меняя камерный объем и степень сжатия.
- Подъем цилиндров с разделением их на две группы.
Несмотря на существенные преимущества - снижение минимум на 30% затрат на топливо и возможность заправки любой маркой бензина вплоть до премиальной АИ-98, было решено свернуть проект. Причина – громоздкость конструкций и высокие траты на дополнительное оснащение мотора.
Двигатель с разделенными циклами
В двигателях современных машин все четыре рабочих цикла осуществляются внутри одного цилиндра. Пытаясь увеличить производительность мотора, в 2000-х годах инженеры сразу нескольких компаний презентовали моторы, в которых для каждого рабочего цикла предназначался отдельный цилиндр. Каждая компания представила свой принцип работы двигателя с разницей в несколько лет – всего модификаций было три.
Двигатель Скудери (Scuderi Split Cycle Engine)
Двигатель Скудери представлен производственно-инженерной компанией Scuderi Group в 2009 году. 4 цикла работы мотора были соотнесены попарно с двумя соединенными цилиндрами. Первый цилиндр отвечает за впуск, в нем происходит сжатие. Температура в пространстве остается стабильной. Во втором цилиндре температура выше – здесь происходит возгорание топливно-воздушной смеси и выхлоп. Объемы соединены между собой транзитной магистралью. Второй цилиндр начинает функционировать только после того, как поршень покидает положение верхней «мертвой» точки и двигается вниз.
Получается следующий принцип работы – когда во втором цилиндре из-за повышения температуры газы расширяются, в первом происходит очередной впуск. Во время выпуска, в первом резервуаре – активация процесса сжатия. До верхней «мертвой» точки поршень добирается в конце процесса сжатия, после этого вещество перемещается по магистралям в силовой цилиндр, где сгорает.
Разработчикам действительно удалось добиться повышения КПД, снижения трат на горючее на 25% и уменьшения количества вредных выхлопов, попадающих в окружающую среду. Но проект имел недостатки – средства, затраченные на разработку и реализацию модели двигателя, не окупались даже достигнутым экономным расходом топлива.
Двигатель Paut Motor
Paut Motor – инженерный концерн из Хорватии, который в 2011 году представил двигатель с разделенными циклами. По принципу работы новинка была аналогична разработке Скудери, сжатие и воспламенение смеси так же происходило в разных цилиндрах, соединенных переходной магистралью. Устройство работало в двухтактном режиме.
Конструкторы Paut Motor немного упростили внешний вид двигателя Scuderi, убрав или изменив габаритные детали, однако не удалось избавиться от внешнего резервуара для технической смазки. Представленный общественности опытный образец мотора имел свои преимущества - меньшие по сравнению со стандартным двигателем размеры, низкие уровень шума и вес. Однако и этот инвестпроект оказался финансово неудачным.
Двигатель Bonner
Двигатель от американского холдинга Bonner представлен в 2006 году. От двух предыдущих он отличается замысловатым принципом работы. Двухтактный четырехцилиндровый мотор оборудовался распределительными клапанами для газового объема и вращающимся роторным золотником. Расположение цилиндров относительно друг друга напоминало букву Х, а поршни могли менять свое положение и изменять степень сжатия в зависимости от загруженности ДВС и количества расходуемого горючего, как в экспериментальных двигателях Infinity и Saab.
Вероятно, именно комплексность схемы стала препятствием на пути коммерческой реализации проекта, и инвесторы отказались дальше обеспечивать финансами разработку.
Бесклапанный двигатель
Интересно, как решалась проблема повышения КПД двигателя на заре массового распространения машин в начале XX века? Любопытная разработка того времени – бесклапанный двигатель Чарльза Найта. Он предложил заменить грибовидные клапаны на муфтовые, функционирующие по принципу работы золотника – ротор двигался вокруг поршня благодаря механическому валу, своевременно открывая и закрывая при этом отверстия на впуск / выпуск. Процесс был тихим и плавным, повышал эксплуатационные характеристики ДВС. Идея была реализована в компаниях Mercedes-Benz, Peugeot и Daimler. Отказаться от бесклапанного двигателя пришлось из-за усовершенствования материалов классических клапанов и значительного повышения скорости вращения мотора.
Двигатели с циклами Аткинсона и Миллера
Разработчики деталей для автомобиля никогда не теряли надежду найти эффективную альтернативу четырехтактному двигателю. И в середине прошлого века сразу два ученых предложили интересные способы уменьшения количества тактов.
Первый – Аткинсон – таким образом модернизировал принцип работы коленчатого вала, что, когда поршень даже еще не достиг верхней точки, впускные клапаны блокируются, а сам ход поршня во время сжатия и возгорания становится короче. Таким образом, один оборот вала полностью соответствовал всем четырем рабочим тактам (против двух оборотов у стандартного ДВС).
Инженер по фамилии Миллер предложил оставить привычный ход поршня, но при этом изменить время блокировки впускных клапанов или цикла сжатия. Регулировались циклы закрытием самих клапанов – либо раньше окончания впуска, либо позже, но не одновременно с ним. А поскольку сокращается время на сжатие топливно-воздушной смеси, то во время горения вещество расширяется максимально, повышая тепловую эффективность всего механизма.
Компании Toyota, Lexus, Ford, Nissan и Honda пробовали оснащать модели авто двигателями с циклами Аткинсона или Миллера и добивались при этом высокой экологичности. Слабый крутящий момент на низких оборотах подразумевает работу такого мотора с дополнительной электротягой – разработка стала истоком выхода на рынок гибридных автомобилей.
