Не такие, как все: знакомимся с двигателями необычных конструкций

Инженеры – народ неугомонный. И за более чем 130-летнюю историю существования автомобиля они навыдумывали немало различных интересных конструкций.

Как устроен двигатель вашего автомобиля? В ответ на этот вопрос вы, скорее всего, расскажете про блок цилиндров и поршни, вспомните о КШМ, ГРМ, ЦПГ и прочих непонятных аббревиатурах, и ваш рассказ будет справедлив для двигателей, установленных в большинстве современных машин. Ведь за более чем 130-летнюю историю существования автомобиля наибольшее распространение получили именно поршневые двигатели внутреннего сгорания, работающие по циклам Отто и Дизеля. Но ведь инженеры – народ неугомонный. И за все эти годы они вдоволь навыдумывали различных интересных конструкций.

В целом, традиционные ДВС не так и безгрешны. Даже сегодня в их строении можно найти много изъянов. Например, газораспределительный механизм привычной нам конструкции способен надежно работать тысяч до девяти оборотов в минуту. А вот при более высоких значениях начинаются проблемы. Клапан «не успевает» полностью закрываться до достижения поршнем верхней мертвой точки. Этот эффект называется «зависанием клапана». Возникает он вследствие резонанса пружин и инерции системы. Такое «зависание» может привести к преждевременному воспламенению топливовоздушной смеси (что снижает мощность двигателя и ухудшает его экологические показатели), перегреву клапанов и в худшем случае встрече клапана с поршнем, а это уже не шутки. Чтобы справиться с этими проблемами, можно пробовать совершенствовать традиционную конструкцию, а можно разработать новую.

Так и поступил Фабио Тальони. В 1954 году он стал главным конструктором итальянской компании по производству мотоциклов Ducati. А уже в 1956 году разработал ГРМ, в котором обеспечивается непосредственное управление как открытием, так и закрытием клапана. Механизмы, работающие по такому принципу, называются десмодромными. Подобные конструкции существовали и раньше, но именно для марки Ducati они стали визитной карточкой, и выпускаются по сей день.

Суть данной системы заключается в том, что в ней, в отличие от привычного ГРМ, нет пружин, которые возвращают клапан в исходное положение. Здесь эта задача возложена на распределительный вал и два коромысла. Сначала кулачок распредвала наплывает на коромысло, отвечающее за открытие клапана, затем на закрывающее коромысло. Таким образом пропадают все проблемы, связанные и с инерцией клапана, и колебанием пружин. Такой механизм просто не оставляет бедному клапану выбора и насильно возвращает его на место. Бывают и более изощрённые десмодромные схемы, где за открытие клапана отвечает один распредвал, а за закрытие – второй.

Так почему же такая система, несмотря на все свои преимущества, сегодня по-настоящему применяется только мотористами Ducati? Все дело тут, конечно же, в ее недостатках. Во-первых, она требует высокой точности изготовления деталей, что влечет за собой дороговизну. Во-вторых, она сложна в ремонте и громоздка. Ну а самый главный недостаток десмодромного механизма в том, что большинство двигателей на гражданских, да и даже спортивных машинах, едва ли развивают обороты выше 9000 мин^-1. А для тех, которые развивают, тоже есть решение получше – пневматический привод клапанов. В нем все устроено примерно так же, как и в обычном ГРМ, только механическая витая пружина заменена на пневматическую, использующую инертный газ (азот).

Давление газа в рабочей полости пружины находится на уровне 0,6…0,8 МПа. Туда газ поступает из внешнего резервуара. Скорость срабатывания пневматической пружины примерно в восемь раз выше, чем скорость механической. Также пневматическая пружина гораздо меньше подвержена усталостному износу, а высота подъема клапана не ограничивается величиной граничного напряжения механической пружины. Системы ГРМ с пневматическим приводом клапанов применяются на современных двигателях Формулы-1, а также мотоциклетных моторах серии MotoGP (кроме Ducati, они, как мы помним, упорствуют с десмодромным механизмом).

Огромное количество различных ГРМ было разработано на заре автомобилестроения, поскольку тогда вопрос подачи топлива в цилиндры стоял особо остро. Одним из наиболее необычных и успешных решений стала система Найта. В 1906 году на Чикагском автошоу американский изобретатель Чарльз Найт представил автомобиль Silent Knight. Его особенностью был 40-сильный бензиновый четырехтактный двигатель, в котором отсутствовали клапаны. Вместо этого между поршнем и цилиндром были помещены гильзы, имеющие прорези в верхней части. Эти гильзы приводились в возвратно-поступательное движение при помощи распределительного вала. Так, в определенные моменты прорези совпадали с впускными или выпускными каналами, обеспечивая наполнение и очистку цилиндров двигателя.

Такая система создавала гораздо меньше шума, чем традиционный ГРМ, а отсутствие пружин и клапанов облегчало работу двигателя на высоких оборотах. Немудрено, что такой ГРМ довольно широко применялся на премиальных автомобилях, а также в авиации. Но в 40-х годах систему Найта стали использовать все реже. Технологии к тому моменту были уже достаточно хороши, чтобы решить большинство проблем с клапанными механизмами газораспределения. Недостатки же системы, главными из которых были проблемы с обеспечением герметичности цилиндров, высокое потребления масла и проблемы с подводом этого самого масла к рабочим поверхностям системы, так остались нерешенными.

Большой проблемой для инженеров-мотористов всегда были потери на трение. Дело в том, что во время работы двигателя с традиционным кривошипно‑шатунным механизмом, шатун сообщает поршню как полезные продольные, так и вредные боковые силы. Почему вредные? Все дело в том, что боковая сила от шатуна как бы перекашивает поршень, прижимая его юбку к зеркалу цилиндра, что увеличивает трение и, как следствие, износ цилиндропоршневой группы. Решает эту проблему использование крейцкопфного КШМ. В таком двигателе поршень присоединяется не напрямую к шатуну. Здесь он соединён со штоком, который состыкован с крейцкопфом (ползуном). И вот уже он взаимодействует с шатуном, передавая на него продольные усилия. Боковые же передаются на направляющие. Таким образом значительно снижаются потери на трение, увеличивается механический КПД и уменьшается износ поршней. Однако такая конструкция имеет большую массу, поэтому использование ее оправдано только на крупных судовых дизелях, где она, в общем-то, успешно и применяется. А как тогда добиться таких же преимуществ, но на небольшом двигателе? Это удалось сделать немецкой компании Neander Motors.

В начале 2000-х они представили миру серийный мотоциклетный двухцилиндровый турбодизельный двигатель Neander 1400. Да, вы все правильно поняли, они разработали дизельный мотор для мотоцикла. Но главная его особенность не в этом. Поршни в таком моторе связаны не с одним, а с двумя шатунами, каждый из которых вращает свой коленвал. Коленчатые валы установлены параллельно другу и вращаются навстречу.  Поскольку шатуны всегда находятся под одинаковым углом по отношению к оси цилиндра, поршень освобождается от боковых сил, что, как мы уже знаем, уменьшает трение и повышает механический КПД. Также, симметричность конструкции значительно уравновешивает силы и моменты инерции и делает работу двигателя более плавной. А именно вибрации всегда были одной из основных проблем применения дизелей на мотоциклах. Такой двигатель устанавливается на мотоцикле Neander Turbo Diesel 1400. И представители компании гордо именуют его «первым турбодизельным мотоциклом в мире». Что ж, насчет пальмы первенства в «турбодизельном зачете» среди мотоциклов мы не уверенны, но вот в том, что байков с таким количеством нестандартных решений в конструкции мотора по пальцам пересчитать – в этом можно не сомневаться.

От двухколесного транспорта давайте переместимся к крылатому. Много интересных двигателей было придумано авиационными инженерами. Пожалуй, одними из самых интересных среди них являются ротативные. Но чтобы лучше разобраться с ними, нам необходимо сначала обсудить конструкцию их ближайших братьев – радиальных или же звездообразных моторов.

Они активно применялись на самолетах в дореактивные времена, можно их встретить и в современной авиации. В звездообразных моторах цилиндры расположены в виде звезды (отсюда они и получили свое название). В центре этой «звезды» находится коленвал с одним кривошипом и одним противовесом. Вот тут появляется проблема: коленчатый вал имеет только одну шатунную шейку, а цилиндров в таком моторе точно будет не меньше трех. Решается это применением ведущего шатуна, к которому крепятся все остальные – прицепные шатуны.

Такие моторы могут быть как однорядные (одна звезда), так и собранные в блоки по несколько звезд. Их преимуществом является возможность компактно «собирать» большое количество цилиндров. Ротативные двигатели тоже имеют звездообразную компоновку, только в них не коленвал вращается внутри «звезды», а звезда вокруг коленвала, который закреплен неподвижно. Мощность снимается именно с корпуса (блока цилиндров). То есть во время работы ротативного двигателя вместе с винтом вращается блок цилиндров. Чтобы лучше понять, как это все происходит, посмотрите видео.

Главной сложностью таких моторов является подвод топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Как правило, он реализуется посредством неподвижного пустотелого вала, по которому смесь после карбюратора (или просто топливного крана) подводится либо к впускному окну в головке цилиндров, либо к автоматическим клапанам в днищах поршней.

Расцвет ротативных двигателей пришелся на времена Первой мировой войны. Их главные преимущества – это высокая удельная мощность и хорошее охлаждение. Недостатки тоже имеются и их немало. Тут и малый моторесурс, и сложность с подводом масла, большой его расход (может доходит до 10 л в час), потери мощности на вращение блока цилиндров, ограниченные максимальные обороты, а также гироскопический эффект, который затрудняет управление самолетом. Ответы на все эти проблемы так и не были найдены, поэтому такие двигатели остались на страницах истории.

Были, однако, и современные попытки разработок ротативных моторов. Так, инженеры отечественного моторостроительного предприятия «МоторСич» пробовали создать ротативный двигатель для небольших вертолетов. Было даже изготовлено несколько экземпляров. Попытка эта была аргументирована высокой удельной мощностью таких двигателей. И вправду, разработанные экземпляры при компактных размерах выдавали впечатляющие показатели. Но сложность их сборки и невысокая надежность поставили крест на этом проекте.

Еще одним интересным двигателем является мотор, работающий по циклу Скудери. В нем традиционный четырехтактный цикл Отто разделен между двумя цилиндрами – «холодным» и «горячим». Цилиндры соединены перепускным каналом, который с обеих сторон закрывается клапанами. В первом цилиндре поршень сжимает воздух, затем он подается в перепускной канал, где форсунка впрыскивает топливо. После этого смесь попадает в «горячий» цилиндр, где проходят такты рабочего хода и выпуска. Только здесь, в отличие от цикла Отто, смесь воспламеняется при движении поршня вниз, что исключает возможность возникновения детонации. В моторе Скудери четыре такта происходят за один оборот коленвала. Такая конструкция позволяет реализовать еще одно интересное решение. Двигатель Скудери может в некотором смысле накапливать энергию. Во время торможения «горячий» цилиндр отключается, а «холодный» выступает в роли компрессора, накачивая сжатым воздухом специальный резервуар. На разгоне же накопленный воздух может подаваться в «горячий» цилиндр, создавая эффект турбонаддува. Главным преимуществом двигателя Скудери является высокое качество топливовоздушной смеси и точность ее дозировки, что приводит к двадцатипроцентной экономии топлива по сравнению с традиционными моторами аналогичного объема. Несмотря на это, первый рабочий прототип такого двигателя был представлен публике в 2009 году, и с тех пор он так и не получил широкого, да, в общем-то и узкого распространения.

Ну и напоследок давайте рассмотрим двигатели со встречными поршнями. В таких моторах поршни расположены в цилиндре друг напротив друга и образуют общую камеру сгорания. Эти двигатели, как правило, двухтактные: один поршень закрывает выпускное окно, второй – продувочное. Каждый поршень вращает свой коленчатый вал. Коленвал с «впускной» стороны должен отставать от выпускного на 11-22, с тем чтобы впускные окна закрывались позже выпускных. Это улучшает продувку цилиндра.

Пожалуй, лучшим примером такого мотора является танковый пятицилиндровый турбодизель 5ТДФ. Он был разработан в начале 60-х годов на Харьковском заводе имени Малышева для установки на танк Т-64. Помимо конструкции со встречными поршнями интересно на этом двигателе организована система турбонаддува. Турбокомпрессор тут соединён с одним из коленчатых валов. Это значит, что при низких оборотах, когда крупная турбина только раскручивается, компрессор приводится в движения от коленчатого вала, что исключает эффект турбоямы. Когда же поток выхлопных газов таки раскручивает турбину, уже она начинает передавать свою мощность на коленчатый вал, продолжая параллельно наддувать воздух в цилиндры. Выходит, что в одном устройстве объединены турбокомпрессор и турбокомпаунд. Гениальное решение гениальному двигателю!

Трудно даже представить сколько труда, инженерного гения и веры в мечту было положено при создании вышеперечисленных конструкций. А ведь это лишь капля в море – интересных разработок за время существования автомобиля было столько, что и не сосчитать. Некоторые из них работают и приносят пользу людям, некоторые остались на обочине автомобильной истории, а ведь были и те, которые спустя годы конструирования «в стол» так и не были представлены широкой аудитории. Как бы то ни было, кажется, что скоро последняя страница главы под названием «внутреннее сгорание» будет перевернута, в двигателе останется лишь одна подвижная часть, а инженеры-мечтатели окончательно передадут автомобильный мир в руки маркетологов, электриков и химиков (если уже не передали). А нам остается только помнить и восхищаться тем, насколько интересен МИР МОТОРОВ!