На протяжении многих лет инженеры старались представить, как должен работать супердвигатель без коленвала. Ведь это снизило бы расход топлива и степень негативных последствий постоянной вибрации в моторе. И это случилось, изобретение вызвало многочисленные дискуссии. Попробуем составить впечатление об этом агрегате.
Как зарождался современный ДВС?
Если сравнивать автомобиль с организмом человека, то именно движок будет выполнять роль сердца. Без него эксплуатация транспортного средства попросту невозможна. Само слово мотор в переводе с латыни означает приводить в движение. И если в двух словах, то это устройство отвечает за преобразование энергии от сгорания топлива в механическую, без которой автомобиль не заведется.
Впервые о подобном агрегате услышали в далеком 1801 году, а благодарить за это изобретение следует французского инженера Филиппа Лебона. А вот создателем образцов, наиболее близких по строению к современным моторам, считают немецкого инженера-самоучку Николауса Отто. О его достижениях мир узнал спустя более 70 лет, в 1877 году.
За пять лет до этого Брайтон попытался воплотить в жизнь силовой агрегат, который будет работать на керосине, предыдущие устройства функционировали за счет газа. Попытка оказалась неудачной. Но в 1882 году жизнь получил новый агрегат, работающий на жидком топливе – бензине. И благодарить за его появление на свет человечество обязано немецкого конструктора, инженера и промышленника Готтлиба Даймлера.
Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала?
Более двухсот лет прошло с момента появления первого силового агрегата, и с тех пор многое изменилось. Появились различные модификации, теперь они работают на бензине, солярке, газе, но неизменной осталась функция и роль мотора в строении авто. Однако значительный скачок приходится именно на наш век. Сегодня зарождаются новые технологии, и уже есть разработки двигателей без коленвала. Но как может мотор работать без этого узла?
Если разобраться, традиционный кривошипно-шатунный механизм имеет ряд недостатков. Например, во время его работы создается очень сильное боковое усилие на стенки цилиндра. Это приводит к преждевременному износу поршня. Еще подобное усилие значительно увеличивает потери на трение, а значит, страдает КПД. Чтобы исключить этот недостаток, нужен механизм, в котором шатун будет совершать только возвратно-поступательные движения. А вот угловые качения следует полностью устранить. Сейчас можно найти множество разработок подобных агрегатов. Некоторые из них имеют право на существование, другие никуда не годятся.
Основой многих изобретений выступает бесшатунный двигатель Баландина. Его работа заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений благодаря специальному эксцентрическому механизму, к которому предъявляются очень высокие требования, что и мешает сделать мотор доступным.
На сегодняшний день у инженеров получилось создать рабочий и прошедший все испытания двигатель, в котором уменьшили количество подшипников коленвала. Это двухпоршневые конструкции. И скорее всего в ближайшие годы этот образец будет пущен в массовое производство. Это, конечно, не воплотило мечту миллионов в реальность, но существенно приблизило нас к ней. А пока что ДВС без коленвала остается навязчивой идеей, и поиски решений продолжаются.
Как видит работу мотора без коленвала Баландин?
Рассмотрим основные элементы и принцип работы таких чудо-агрегатов. Идеально гладкий поршень, на поверхности которого нанесена специальная волнообразная выемка, насаживается на вал. Сюда фиксируется и золотник. Его крепят посредством болтового соединения. Сверху поршня надевается гильза. Вся конструкция помещается в корпус. В его верхней части предусмотрена специальная выемка, куда и устанавливается ролик, а затем она закрывается крышкой на болтах.
Имеется головка, в которую вставляется свеча зажигания. С боковой стороны устанавливается глушитель, который тоже фиксируется посредством четырех длинных болтов. С противоположного торца от головки устанавливается система зажигания и соединяется со свечей посредством тонких трубок. А рядом сбоку крепится карбюратор.
Если желаете более наглядно ознакомиться с принципом работы двигателя без коленвала, видео с подробной схемой мы разместили чуть ниже, а сейчас опишем этот процесс в общих чертах. Поршень делает возвратно-поступательные движения. Вал и поршень имеют сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости. В них вставляется цилиндр, благодаря которому обеспечивается жесткое соединение. Поэтому при вращении вала вокруг своей оси такие манипуляции испытывает и прикрепленная к нему деталь.
Топливо поступает из бензобака в карбюратор, где распыляется через специальный клапан и перемешивается с воздухом. Когда поршень движется в сторону головки, открывается впускное окно и топливно-воздушная смесь поступает в подпоршневое пространство. Затем окно закрывается, а горючее сжимается вследствие изменения движения детали в противоположную сторону. В это время открывается продувочное окно, и смесь поступает в камеру сгорания, где опять происходит ее сжатие, обусловленное движением поршня.
Когда поршень находится в крайнем положении, в камере возникает огромное давление и горючее воспламеняется. Этот мини-взрыв толкает поршень в противоположную сторону. Пройдя немного, он открывает канал, через который отработанные газы покидают камеру сгорания. И этот процесс циклично повторяется на протяжении всей работы движка.
Технически подкованным людям при просмотре видеодемонстрации наверняка бросаются в глаза некоторые слабые места такой разработки. И конструкторы продолжают искать пути к повышению надежности и устойчивости такого механизма. Анализ крупных салонов последнего десятилетия показывает, что гиганты автопрома усердно трудятся над совершенствованием мотора. Поэтому есть надежда, что двигатели внутреннего сгорания без коленвала совсем скоро получат реализуемую и надежную конструкцию и автопарк всего мира существенно изменится.
Первые автомобильные двигатели были изобретены более века назад. С того времени в их конструкции мало что изменилось.
Конечно, двигатели усовершенствуются, модернизируются, становятся экологичными, лёгкими и компактными, но основы конструкции остаются прежними. Сейчас всё чаще говорят про ДВС без коленвала.
Зачем нужно убирать коленчатый вал? Как работают такие агрегаты? Такие ли они совершенные или всё же некоторые отрицательные характеристики для них свойственны?
Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала
Отчего же таким ненавистным устройством является коленчатый вал, который ещё называется кривошипно-шатунным механизмом? Почему все так упорно желают избавиться от него? Главная причина скрывается в присутствии чрезмерного бокового усилия, которое приходится на стенки цилиндра. Эта особенность обуславливает наличие ряда негативных факторов:
- сокращение долговечности поршневой системы и её ускоренный износ;
- увеличение потерей, которые приходятся на трение;
- снижение КПД.
Чтобы убрать все эти отрицательные моменты, необходимо создать такой агрегат, конструкция которого будет предполагать возвратно-поступательные движения без углового качения.
Свободнопоршневой двигатель машины
Такие механизмы уже существуют в большом количестве. Далеко не все из них могут применяться на практике, лишь некоторые экземпляры достойны внимания. Мы выбрали две модели двигателей без коленвала, презентация которых всколыхнула общественность.
Бесшатунный двигатель Баландина
Первый достойный двигатель без коленвала, который сейчас ложится в основу многих разработок и изобретений, носит имя Баландина. Суть функционирования такого механизма заключается в преобразовании движений возвратно-поступательного типа. Это стало возможным за счёт наличия специального эксцентрического механизма. К этой детали предъявляются высокие требования, которые делают силовой агрегат дорогим и недоступным для широкого использования.
Конструкция является особенной, для неё характерны уникальные характеристики, о которых мы как раз сейчас будем говорить:
- шатуны заменены на поршневые штоки, они жёстко скрепляются с поршнями;
- поршневые штоки аналогично шатунам охватывают шейки с коленвала;
- по обе стороны от подшипника штока располагаются ползуны, которые за счёт направляющих свободно скользят;
- поршень является обоймой для уплотнительных колец, которые располагаются между цилиндром и поршнем.
В такой конструкции отсутствуют боковые усилия, за счёт чего допустимо сокращение размеров поршня. Сам мотор демонстрирует высокую производительность, является экономичным и характеризуется ёмким ресурсом. Также конструкция становится компактной и более лёгкой. О недостатке мы уже говорили, он заключается в высоких требованиях относительно точности эксцентрика.
Многие специалисты работают над усовершенствованием этого механизма, используя его в качестве основы для своих изобретений.
Двигатель Фролова — мотор без шатунов и коленвала
Этот гениальный человек считал коленвал совершенно неидеальной деталью, которая нуждается в серьёзной доработке или, вовсе, является лишней в ДВС. Инженер долго и тщательно изучал конструкцию механизма Баландина. Эти наблюдения натолкнули его на создание другого механизма.
Бесшатунный мотор Баландина
Фролов изначально модернизировал эксцентрик, чтобы в дальнейшем его требования к точности не стали проблемой. Полностью убрать недостатки, характерные для двигателя Баландина, является крайне сложной задачей, даже для Фролова. Украинский инженер продолжил свои разработки, в надежде полностью убрать из механизма коленвал. Его внимание привлёк механизм, который используется в ткацких станках.
Результатом длительной и плодотворной работы стал сегментно-роторный механизм. В его структуре отсутствует коленвал, он заменён элементом, напоминающим шарнир с разными угловыми скоростями. Такой механизм известен, как шарнир Гука. Вращение деталей в двигателе внутреннего сгорания Фролова обеспечивается подшипниками качения.
Модель мотора без коленвала
Эра эволюции ДВС только начинается, и пока неизвестно, что нас ожидает в конце. Существующие наработки показывают хороший старт и дают повод надеяться на великие открытия. Возможно, уже не за горами момент, когда будет изобретён вечный двигатель.
Компания Koenigsegg, создавшая 1500-сильный гиперкар, которому не нужна трансмиссия, уже 15 лет ведет разработку инновационного двигателя внутреннего сгорания – без распределительного вала и дроссельной заслонки. «Мотор» разбирается в принципе работы чудо-агрегата.
Шведская компания FreeValve, партнер шведского производителя суперкаров Koenigsegg, опубликовала видеоролик, демонстрирующий схему работы принципиально нового двигателя внутреннего сгорания, где вместо традиционного распредвала используются управляемые электроникой актуаторы клапанов.
Шведы утверждают, что такой мотор способен потреблять топливо с практически любым октановым числом, отключать любое количество цилиндров, а также работать в любом из трех основных термодинамических циклов.
####Откуда он появился?
Разработкой принципиально нового мотора в начале 2000-х занялась компания Cargine, партнером которой с 2001 года стала фирма Koenigsegg.
Цель, которую поставили перед собой шведские инженеры, заключалась в создании экономичного и экологически чистого мотора нового поколения. За основу была взята концепция двигателя Кармело Скудери, в котором цилиндры делятся на рабочие и вспомогательные. Первые отвечают за сжигание смеси и выпуск, а вторые – за впуск и сжатие рабочей смеси. Правда, в отличие от мотора Скудери, шведы хотели реализовать эту схему внутри одного цилиндра, для чего им требовался быстрый и очень точный актуатор клапанов.
В 2000 году был подготовлен первый одноцилиндровый агрегат, способный работать на метане или водороде. Уровень выбросов оксидов азота у этого мотора оказался невероятно низким, однако автоиндустрию заинтересовал даже не сам мотор, а использовавшийся в нем толкатель.
Правда, первый вариант толкателя был полностью пневматическим и имел множество недостатков: он был слишком большой, слишком шумный и вибронагруженный. Поэтому инженеры решили добавить в актуаторы гидравлический элемент для фиксации клапанов и дополнительного демпфирования.
К 2003 году был подготовлен первый прототип актуатора, размеры которого уже позволяли использовать его на обычном двигателе, однако потребовалось еще несколько лет, в течение которых инженеры несколько раз меняли его конструкцию, прежде чем первый по-настоящему рабочий вариант системы электронного управления клапанами был готов к тестам.
Первый прототип двигателя без распредвалов установили на универсал Saab 9-5. Отдача этого мотора оказалась на 30 процентов выше серийного агрегата, а расход горючего уменьшился на треть. Понятно, что технология еще требовала доработки и адаптации под массовое применение, однако воодушевленные создатели надеялись уже в обозримом будущем запустить новые моторы в серийное производство. Двигатели без распредвалов должны были появиться на новом седане Saab 9-3 и кроссовере 9-4X — Cargine входила в альянс скандинавских компаний, которые пытались выкупить марку Saab во время кризиса 2008 года. Однако эта затея в итоге закончилась ничем, а «Сааб» продали китайцам.
Единственным автомобильным партнером Cargine с тех пор является фирма Koenigsegg. Ее глава Кристиан фон Кенигсегг как-то признался, что давно мечтает использовать технические наработки, сделанные его компанией, в массовых машинах. Возможно, он имел в виду как раз экономичный и эффективный двигатель без распредвала, к разработке которого он был причастен?
####Так как этот двигатель устроен?
«Если представить, что мотор – это фортепьяно, а клапаны – его клавиши, то применять распределительный вал – все равно, что играть на инструменте шваброй, а не пальцами», – так описывает Кенигсегг преимущества своего мотора.
Своего – потому что с некоторых пор компания Cargine переименована в Freevalve и находится под контролем группы Koenigsegg. Над проектом мотора без распредвала, способного «играть любую музыку», трудятся девять инженеров.
Вместо распределительного вала открытием и закрытием клапанов управляют очень быстрые электромагнитные актуаторы по команде компьютера. В них используются пневматические пружины, способные менять собственную жесткость, и особые датчики контроля положения клапана. Последние контролируют положение клапанов сто тысяч раз в секунду с точностью до одной десятой миллиметра, а для их работы требуется примерно в сто раз меньше энергии, чем для аналогов других фирм.
Подобная конструкция позволяет бесконечно менять фазы газораспределения, а также в любой момент отключать и задействовать любое количество цилиндров в зависимости от конкретных нагрузок. Такой мотор может работать по традиционному термодинамическому циклу Отто, экономичному циклу Аткинсона, а также по более сложному циклу Миллера, обеспечивающему мотору еще более высокую эффективность и экономичность. Кроме того, этот мотор может моделировать цикл Хедмана с изменяемой степенью сжатия, управлять которой стало возможно именно благодаря клапанам с электронным управлением подъемом и временем открытия.
Современный агрегат, разработанный Freevalve, на 30 процентов мощнее и имеет более высокий крутящий момент при низких оборотах, по сравнению с аналогами того же объема, но при этом на 20-50 процентов экономичней и выбрасывает вдвое меньше вредных веществ в атмосферу. Наконец, он способен потреблять как бензин с различным октановым числом, так и дизельное топливо.
Кристиан фон Кенигсегг отмечает, что новые агрегаты можно сделать компактнее и легче традиционных ДВС за счет отказа от распредвалов, дроссельной заслонки и соответствующего навесного оборудования. Освободившееся пространство можно использовать для повышения безопасности или увеличения свободного пространства под капотом.
####Погодите, но моторы без дросселя и с электронным управлением подъемом клапанов уже делают BMW и даже Fiat?
Действительно, баварцы первыми отказались от дроссельной заслонки, внедрив в газораспределительный механизм систему управления впускными клапанами с электронным управлением. Однако баварцы используют достаточно сложную механическую систему с дополнительным электромотором, а в конструкции Fiat MultiAir до сих пор не решена проблема с высокими насосными потерями.
Технология Freevalve, в свою очередь, способна управлять всеми клапанами независимо друг от друга, совмещая сильные стороны всех существующих термодинамических циклов в одном силовом агрегате.
Выпуск мотора без распредвалов считается экономически оправданным уже сейчас, несмотря на необходимость решения оставшихся проблем с высоким потреблением электроэнергии, уровнем шума и вибрациями. Но его главный недостаток – это высокая стоимость производства. Которая, впрочем, может снизиться в случае массового применения новой технологии.
Весной 2015 года Кристиан фон Кенигсегг заявил о том, что агрегат с бескулачковым механизмом привода клапанов уже практически готов и в скором времени будет запущен в серию. И если Кенигсегг сдержит свое обещание, то двигатель внутреннего сгорания получит шанс на новую жизнь перед тем, как мир окончательно будет завоеван электрокарами и гибридами.
Тем более, что новые двигатели могут использоваться не только в качестве основного силового агрегата – замены традиционного ДВC, но и в составе гибридных силовых установок.