История роторного двигателя
В музее Audi museum mobile в Ингольштадте открылась специальная выставка под названием «Революция: 60 лет двигателю NSU/Wankel», которая, как нетрудно догадаться, приурочена к юбилею роторного двигателя. Ведь как известно, бренд NSU, предшественник Audi, одним из первых стал использовать эту новую технологию.
Выйти из полноэкранного режима
Развернуть на весь экран
Идея создания двигателя внутреннего сгорания по принципу «крутить, а не толкать» пришла на ум инженеру-самоучке Феликсу Ванкелю еще в конце двадцатых годов, но до серийного производства было еще далеко. Изобретение овального поршня, вращающегося в корпусе почти круглой формы, который сам также вращается, привлекло внимание руководства NSU. В марте 1954 года Ванкель создал первые эскизы двигателя, а уже три года спустя был совершен первый успешный пуск двигателя на испытательном стенде. В отделе разработок NSU смогли упростить технологически сложную конструкцию двигателя, и в сентябре 1963 года на Международном автосалоне во Франкфурте состоялась премьера двухместного кабриолета NSU/Wankel Spider.
На выставке помимо серийных моделей, прототипов и концептов марок NSU и Audi представлены машины других марок, а именно Mazda Cosmo 110S, Citroen M35 и гоночный автомобиль Malibu Virage. Выставка продлится до 5 ноября 2017 года.
История роторных двигателей
Несмотря на сегодняшнюю малую распространенность роторных двигателей среди ДВС малой и средней мощности, их история еще более древняя и многообразная, чем поршневых двигателей. Ведь известные уже тысячи лет крыльчатые приводы ветряных мельниц и приводные колеса мельниц водяных – это простейшие варианты рабочих органов роторных машин. К тому же первый в истории тепловой двигатель – эолиопил Герона Александрийского (1 век н.э) – это тоже вариант парового роторного двигателя.
Сохранились упоминания, что создатель паровой поршневой машины Уатт, так же создал идею роторной машины для работы расширяющегося пара, но не смог воплотить ее в дееспособную конструкцию и в промышленную эксплуатацию пошла более технологичная в исполнении поршневая машина. Тем более, что задачи первых паровых машин в конце 18-го века не требовали создания вращательных движений. Им было достаточно совершать простые возвратно — поступательные движения. Ведь они создавались под две главные задачи — откачивать воду из шахт и качать меха примитивных металлургических печей. А для этого можно было лишь двигать «туда — сюда» поршни насосов или раскачивать меха. Но вот с появлением необходиомсти вращать валы приводов разных машин, где потребителю нужно было простое вращательное движение на валу — для пароходов, паровозов, разных станков — появился кривошипно шатиунный механизм, и сразу стали очевидны его огромные недостатки. Вот как об этих недостатках пишетсся в книге «Паровые машины и их применение», издания Санкт-Петербург, 1838 года. Надо учесть, что эта книга- сборник переводной информации из разных английских и французских книг, которые вышли еще раньше, в самом начале 19-го века. Выделенный темным фоном текст, не относится к нашей теме.
19-й век был веком паровых двигателей, основная конструкция которых была именно поршневой системой. Но врожденные недостатки линейного возвратно поступательного движения поршня в цилиндре и неотъемлемого от него кривошипно – шатунного механизма
порождали интенсивный поиск инженеров в области двигателей с круговым движением рабочих элементов – то есть роторных машин. Как всегда во всех развитых странах были в
ыданы многие десятки патентов на роторные машины, но вот в реальные устройства из них были воплощены лишь единицы.
Россия тоже не осталась в стороне от такого прогрессивного дела, и в последней трети 19-го века в нашей стране был налажен выпуск серий нескольких конструкций паровых роторных двигателей, наиболее удачным из них был двигатель инженера — механика Тверского, который устанавливался как на паровых катерах и приводил в движение динамомашины и даже испытывался в варианте привода «подводной миноноски». В этом случае испытаний одной из первых экспериментальных образцов российской подводной лодки в 1876 году такой мотор приводился в движение сжатым аммиаком из баллона высокого давления. Но в конце 19-го века на арену технического прогресса вышли поршневые двигатели внутреннего сгорания, а так же паровые турбины, и паровые роторные машины не смогли конкурировать с этими машинами.
Начало 20-го века стало началом эпохи безраздельного господства поршневых ДВС в сфере моторов малой и средней мощности, но их врожденные недостатки заставляли инженеров и
изобретателей интенсивно искать альтернативу этим машинам. И единственным ясным альтернативным вариантом поршневых моторов были роторные двигатели, тем более что практика паровых двигателей 19-го века доказала их полную дееспособность. Ведь заставить их работать как простые машины расширения в варианте с паровым котлом было весьма просто. Но вот приспособить роторные схемы для работы в режиме внутреннего сгорания с тактом сжатия рабочей смеси оказалось гораздо труднее. Именно поэтому первая реально работоспособная, и пока единственная на сегодня схема роторного двигателя внутреннего сгорания появилась лишь в 1957 году. По легенде молодой Феликс Ванкель увидел некую схему мотора с круговым движением поршневого элемента во сне, еще будучи юношей, но реализация его мечты затянулась на многие десятки лет – он многие годы занимался уплотнениями для разных типов двигателей, и до войны и в войну и после войны. И только в зрелом возрасте работая в 50-х годах на фирму NSU, тогдашнего ведущего в ФРГ производителя мотоциклов, Ванкель вместе с инженером Фреде создал действующий образец роторного двигателя. Этот двигатель относился к типу роторных моторов с планетарным движением главного рабочего элемента, хотя в сложившейся традиции его обычно, но не совсем верно, называют роторно – поршневым двигателем. Надо сказать, что основная идея этого двигателя принадлежит инженеру фирмы NSU В. Фреде, а Ванкель, на определенной стадии разработок, увидев в этой конструкции хорошую перспективу дойти до промышленно применимого образца, решил главную техническую задачу – разработал уплотнения мотора. Одновременно он возглавил всю работу по доводке экспериментального образца и выпуску первых опытных серий – именно поэтому этот тип двигателя и получил в названии имя Феликса Ванкеля. Но Ванкель изначально считал эту схему двигателя неудачной, эдаким «гадким утенком», который неожиданно стал работоспособным, ведь Ванкель почти половину жизни работал над иной схемой роторного двигателя – системой с простым вращением главного элемента. Такую схему Ванкель вполне справедливо считал наиболее технически грамотной и красивой, но реализовать её на практике так и не смог. Кратко завершая разговор о моторах Ванкеля, следует заметить, что эта модель на сегодняшний день является единственно промышленно выпускаемой и, следовательно, доведенной до определенной степени технической применимости. Но сложности по организации выпуска и ее специфические эксплуатационные характеристики привели к тому, что в промышленных масштабах производство «Ванкелей» налажено лишь японской Маздой для одной своей спортивной модели RX-8. Некоторое время в СССР подобные двигатели выпускал ограниченными сериями для машин силовых ведомств ВАЗ, но с началом эпохи перевода экономики на рыночные рельсы это производство было свернуто.
Среди множества потенциально возможных моделей роторных двигателей одни схемы многие десятилетия незаслуженно остаются за кругом интересов специалистов, а другие наоборот — оказываются в центре внимания многочисленных изобретателей и конструкторов. Именно последнее можно сказать о конструкции роторного двигателя с неравномерным качающимся (возвратно – вращательным) движением главного рабочего органа – такую конструктивную схему в прессе не вполне верно называют роторно – лопастным двигателем. (РИС.)
В последние годы о такой конструкции оживленно начали упоминать в российских средствах массовой информации в связи с разработкой группы ученых из Псковского технического университета, которые выиграли грант поддержки научных исследований и получили на свою разработку из бюджета около 7,5 миллионов рублей. Но, по мнению автора, эта разработка не является интересной для массовой публики так как:
А) разрабатываемая в Псковском техническом университете энергетическая установка является двигателем Стирлинга, то есть тепловым двигателем внешнего сгорания, и по сути своей не является компактной, и изначально рассчитана на привод электростанций и прочих стационарных силовых машин;
Б) из такой расширительной роторной машины очень трудно на практике сконструировать и изготовить реально работоспособный в длительном режиме образец двигателя внутреннего сгорания;
В) роторная машина с неравномерным движением главных рабочих элементов изначально является малоэффективной конструкцией с большим количеством кинематических противоречий, заложенных в саму её схему, и которые технически разрешить очень сложно;
Но, на удивление, подобная схема является очень притягательной для многих разработчиков, что объясняется чисто первым впечатлением о легкости встроить в её конструкцию четыре такта традиционного двигателя внутреннего сгорания. Именно такое первое впечатление и приводит к заметному вниманию различных технических энтузиастов к подобной схеме.
На этом описание истории развития роторных двигателей можно завершить, ибо она содержит весьма скромное количество фактов о реальных конструкциях и доведенных до дееспособного уровня промышленных образцах.
Еще одна компоновочная схема, которая активно берется многими изобретателями и энтузиастами технического творчества за основу своих конструкций – это система роторного двигателя с запорными элементами – лопастями ротора, движущимися в роторе. Изучение автором этих строк материалов в патентной библиотеке Российского патентного ведомства по теме ДВС, показывает, что это наиболее часто подаваемая как технической новшество схема двигателя, на предмет патентной защиты. Авторы разных патентов лишь меняют вторичные элементы и вводят в конструкцию различные дополнительные особенности, но общая схема остается одной и той же.(РИС.)
Главная притягательность этой схемы для многих ищущих умов заключена в том, что им кажется, что система уплотнения зоны контакта торцевой плоскости лопасти и поверхности рабочей камеры двигателя очень хорошо решается за счет центробежных сил, которые при вращении ротора на высоких скоростях будут автоматически прижимать лопасть к стенке камеры. Так же на первый взгляд сами лопасти ротора являются и уплотнительными элементами, что дает конструкции такого мотора внешнюю простоту. Кроме того, подобная схема давно и удачно работает в качестве пневматических моторов. Теоретически это так, но вот неизбежная необходимость лопастям ротора непрерывно и на высоких скоростях двигаться в теле ротора для реализации этой схемы в условиях ДВС создает практически непреодолимые трудности. Например, для того, чтобы лопасти легко двигались, совершая возвратно – поступательные движения в теле ротора, надо чтобы зазор между поверхностями лопасти и ротора был значительным. Но это условие будет приводить к потере герметичности и прорыву газов высокого давления из камеры одного такта в камеру другого такта. Далее – таки поверхности трения надо хорошо смазывать и значительно охлаждать, но как организовать систему принудительной смазки и охлаждения во вращающемся на высоких оборотах роторе… Кроме того, масло с поверхностей контакта ротора и лопастей будет центробежными силами вращения неизбежно «выбрасываться» в камеры сгорания и сжатия… Лопасти при этом будут предельны быстро изнашиваться от трения «на сухую». Далее – для того, чтобы лопасть ротора могла выдерживать высокое давление газов и приводила во вращение ротор, она должна быть очень прочной и толстой и как можно надежнее закреплена в роторе, но для выполнения её другой функции – легкого и быстрого движения вверх-вниз, для обеспечения герметичности рабочей камеры, она должна легко двигаться в своем гнезде всего лишь под действием центробежной силы и иметь достаточный зазор для обеспечения подвижности в гнезде ротора. Эти два предъявляемые к лопасти ротора требования практически противоречат друг другу, и соединить их в одном техническом решении практически мало возможно. А если делать силовой привод принудительного движения лопастей внутри ротора, то это резко усложнит конструкцию мотора, но принципиально проблему не решит. Именно из-за такого количества принципиальных сложностей реализации подобной схемы роторного двигателя, таких работоспособных и промышленно применимых конструкций до сих пор так и не было создано.
- Классификация
- Краткая история
- Принципиальные преимущества роторных двигателей
- Газовые турбины
- Двигатель Ванкеля
- Паровой роторный двигатель Тверского — коловратная паровая машина
- Тема крутящего момента
- Тема КПД двигателя
- В поисках лучшей схемы-вечный тюнинг идеи
- Двигатель автора сайта
- Прочие сведения
- Статьи про двигатели
- Cтатьи других авторов
- Тема тюнинга двигателей
- Детонация — двигатель
«Ротор» из Хиросимы
Полстолетия назад небольшая компания Toyo Kogyo из Хиросимы, предлагающая свою продукцию под брендом Mazda, пошла на отчаянный шаг. Японцы решились выпускать машины с необычным двигателем Ванкеля, перспективы которого были туманны, как восход солнца в вишневой роще. Глядя на обводы токийского концепта RX-Vision, мы вспомнили историю роторных «Мазд», на долгие годы ставших визитной карточкой марки.
Полстолетия назад небольшая компания Toyo Kogyo из Хиросимы, предлагающая свою продукцию под брендом Mazda, пошла на отчаянный шаг. Японцы решились выпускать машины с необычным двигателем Ванкеля, перспективы которого были туманны, как восход солнца в вишневой роще. Глядя на обводы нового концепта RX-Vision, мы вспомнили историю роторных «Мазд», на долгие годы ставших визитной карточкой марки.
Наладить выпуск легковых машин президент Toyo Kogyo Дзудзиро Мацуда задумывал еще к 1940-му году, однако этим планам помешала Вторая мировая война. К середине XX века компания хоть и собирала маленькими партиями трехколесные грузовички, но по большей части специализировалась на продукции из пробкового дерева, и мечту Дзудзиро осуществил уже его сын – Тенуджи Мацуда, сменивший отца в 1951 году. Первая легковушка Toyo Kogyo появилась девять лет спустя – это был кей-кар R360 с двухцилиндровым мотором, а также двух- и четырехдверки Carol 360 и Carol 600. Именно тогда начались «золотые шестидесятые» японской экономики, хотя дела в автомобильной индустрии еще оставляли желать лучшего: внутренний рынок находился в очень уязвимом состоянии и местные власти активно обсуждали меры его защиты от наплыва иностранной продукции.
Mazda R360
В ходу была идея объединения множества японских производителей в три-четыре конгломерата, и у Toyo Kogyo, казалось, было всего два выхода – отказаться от машин и продолжать обрабатывать пробку или быть «съеденной» более крупной рыбой вроде «Тойоты» или «Датсуна». Ни первый, ни второй вариант Тенуджи Мацуду не устраивал, и он решил сделать ставку на технологии, которых не было бы у конкурентов. R360 и Carol неплохо продавались, но были самыми обычными автомобилями своего времени, а компания нуждалась в чем-то уникальном. Но в чем?
Mazda R360
Ответ был найден на другом конце света. В 1959 году Мацуда услышал о роторно-поршневом двигателе, разработкой и усовершенствованием которого занимался Феликс Ванкель вместе с немецкой компанией NSU Motorenwerke AG. Такой двигатель обладал достаточно простой конструкцией, небольшим весом и высокой отдачей при малом объеме. Кроме того, ему были присущи тишина и низкий уровень вибраций, благодаря минимальному количеству подвижных компонентов.
Первый в мире серийный автомобиль с роторно-поршневым двигателем Ванкеля – родстер NSU Spider
Немецкий инженер-самоучка Феликс Ванкель получил первый патент на роторно-поршневой двигатель в 1929 году. Разработка мотора началась в начале 50-х годов компанией NSU, а первый рабочий прототип был представлен в 1957 году. В двигателе Ванкеля применяется трехгранный ротор, имеющий форму треугольника Рёло, который вращается внутри цилиндра особой овальной формы, образуя камеры сгорания. Ротор при помощи зубчатых колес приводит в действие эксцентриковый вал, выполняющий три оборота и три полных рабочих хода за один оборот ротора. Впуск и выпуск осуществляются через специальные каналы в стенках цилиндра, открывающиеся и закрывающиеся во время вращения ротора.
В начале 1960 года Мацуда посетил предприятие NSU в Неккарзульме, изучил потенциал мотора и понял – это именно то, что он искал.
За лицензию на использование и совершенствование конструкции немцы получили 280 миллионов иен (около 800 тысяч долларов по курсу того времени) и вскоре «Мазда» сформировала команду из 47 самых перспективных молодых инженеров, получивших от коллег прозвище «47 ронинов» (по аналогии с японским народным преданием). Перед ними была поставлена задача создать собственный мотор на основе двигателя Ванкеля, который бы подошел для массовых автомобилей. Уже тогда было известно о несовершенстве апексов – уплотнений вершин ротора, обеспечивающих герметичность камеры сгорания. Высокий уровень температур и трения, возникающего между апексами и стенками камеры, не сулили двигателю долгой жизни и требовали много масла. На внутреннем покрытии оставалась глубокие борозды, прозванные в компании «дьявольскими царапинами».
Производительность мотора угасала на глазах – первые прототипы «сдувались» уже после 200 часов испытаний. На работы по доводке и тестированию первого мотора ушло около двух лет, за которые в бесполезный металлолом были превращены сотни, а может и тысячи экспериментальных агрегатов. Скептически к новой технологии отнесся даже главный инженер Toyo Kogyo Кеничи Ямамото, а ее доводка потребовала от маленькой компании немаленьких ресурсов. Поговаривали, что суровому и непоколебимому Мацуде приходилось буквально раскланиваться и лебезить перед инвесторами, выпрашивая средства на продолжение проекта.
Устраняя врожденные проблемы двигателя, японцам пришлось придумать новую конструкцию апексов с пружинящим механизмом, а в качестве материала для уплотнителя стенок камеры выбрать самосмазывающийся пирографит с вкраплением алюминия. Это позволило увеличить ресурс мотора до 100 тысяч километров, и к середине 60-х годов Toyo Kogyo была готова к запуску в серию своей первой роторной машины. Использовать инновационный двигатель решили на автомобиле, разработанном «с нуля». Им стало маленькое купе Cosmo Sport (экспортный вариант назывался 110S), дебютировавшее весной 1967 года в Токио. Название модели, появившейся в самый разгар «Космической гонки», намекало на применение в ней самых передовых технологий.
Mazda Cosmo Sport
Купе укомплектовали двухсекционным 982-кубовым мотором, работающим с четырехступенчатой «механикой». Сперва двигатель развивал 110 лошадиных сил, однако затем его отдачу увеличили до 130 сил. Разгон с места до 96 километров занимал у Cosmo Sport менее девяти секунд, а максимальная скорость превышала 185 километров в час. За маленьким «Космо» с легким мотором не могли угнаться многие американские одноклассники с громоздкими V8.
Еще одним явным преимуществом двигателя был его рабочий объем, не превышавший одного литра, что освобождало покупателей от выплаты повышенного транспортного налога в Японии. Чтобы доказать надежность мотора, японцы выставили Cosmo Sport на 84-часовой гонке на немецком Нюрбургринге, и одна из двух машин, подвергшихся незначительной модернизации, заняла четвертое место в общем зачете, уступив лишь двум Porsche 911 и Lancia Fulvia.
«Мазды» с двигателем Ванкеля не раз занимали призовые места в различных гоночных соревнованиях. Самую выдающуюся победу одержал 700-сильный спортпрототип 787B, в 1991 году занявший первое место в общем зачете «24 часов Ле-Мана». Британский пилот Джонни Херберт от переутомления даже не смог подняться на подиум, а вот роторный мотор выдержал. Mazda 787B стала первой и последней японской машиной, занявшей первое место в суточном марафоне, и единственной с двигателем такого типа.
Тем не менее, машина пользовалась невысокой популярностью из-за своей цены, превышавшей полтора миллиона иен — с 1968 по 1972 год первая роторная «Мазда» разошлась тиражом в 1,2 тысячи экземпляров.
Сразу же после появления Cosmo Sport японцы задумались о применении нового мотора на более доступном автомобиле — дефорсированный до 100 лошадиных сил двигатель решили использовать на двухдверной версии семейства Familia. Роторная «Фамилия», стоившая 660 тысяч иен, выходила владельцу существенно дороже модификации с обычным двигателем, но почти втрое дешевле Cosmo Sport. Покупателей даже не отпугнул высокий расход топлива (около 12 литров на 100 километров), и в 1968 году только в одной Японии Familia Rotary Coupe приобрели 7 тысяч человек, а к 1970-му ежегодные продажи перевалили за 30 тысяч. В том же году роторная Mazda Familia вошла в число первых моделей, которые Toyo Kogyo начала официально поставлять на североамериканский рынок. В США к тому моменту как раз приняли «Закон о чистом воздухе», обязывающий автопроизводителей к 1975 году существенно уменьшить содержание угарного газа, углеводорода и оксидов азота в выхлопах своих машин. Требования по снижению уровня последних соединений вызвали панику у многих компаний, так как процесс уменьшения уровня NOx являлся самым сложным и дорогостоящим.
Mazda Familia Rotary Coupe
Тут-то все и вспомнили о роторных моторах, которые были очень «щедры» на углеводород, но отличались значительно меньшими выбросами оксида азота, уровень которых, во-многом, зависит от температур в камере сгорания. В роторном моторе они значительно ниже, чем у стандартных ДВС.
Таким образом, роторные «Мазды» не требовали значительных модификаций, чтобы использоваться после 1975 года, а проблему лишнего углеводорода японцы решили при помощи термического дожигателя отработавших газов, впрыскивающего воздух в выхлопной поток для увеличения степени сгорания смеси. Так двигатель Ванкеля стал главным козырем японской компании в ее стратегии на американском рынке. В 1972 году четыре из пяти «Мазд», проданных в США, имели роторный мотор, а к моменту вступления в силу «Закона о чистом воздухе» японцы планировали довести долю таких машин до ста процентов. Роторные модификации появились у купе Luce, моделей Capella (RX-2) и семейства Savanna (RX-3), ставших первыми в истории машинами с двигателем Ванкеля и автоматической коробкой передач.
Mazda Luce Rotary Coupe
В 1973 году интерес к новому типу двигателя достиг своего пика. Даже General Motors каждые шесть месяцев перечисляла на счет NSU по 5 миллионов долларов, чтобы оплатить лицензию на использование роторных технологий (общая стоимость лицензии составила 50 миллионов долларов).
Собственные разработки в этой области вели Nissan и Toyota, а Ford пытался всеми силами выкупить пакет акций «Мазды», чтобы получить прямой доступ к технологиям. Впрочем, после того, как японцы дали понять, что роторный мотор никогда не станет частью сделки, переговоры быстро зашли в тупик. В то время как остальные производители находились лишь на стадии экспериментов, Mazda выпустила уже 600 тысяч роторных машин. Однако не все было так гладко. Ахиллесовой пятой двигателей Ванкеля была высокая прожорливость и взлетевшие во время нефтяного кризиса 1973 года цены на горючее сильно поубавили к нему интерес. Американцев и японцев больше не интересовали неэкономичные автомобили. В 1974-м производство роторных «Мазд» сократилось в два раза – с 239 до 118 тысяч экземпляров. К слову, компания больше никогда не выпускала более 100 тысяч таких машин в год. Впрочем, несмотря на топливное эмбарго, Mazda в 1974 году даже представила первый и последний в истории роторный пикап – REPU (Rotary Pickup), построенный на базе модели B-Series. Он был одной из первых «Мазд», где применили двухсекционный 1302-кубовый мотор 13B, ставший основой для всех последующих роторных двигателей, производимых компанией в течение более чем 30 лет.
Mazda Rotary Pickup (REPU)
110-сильный грузовичок не мог похвастаться выдающимися тяговыми характеристиками — недостаток крутящего момента был слабым местом всех моторов такого типа, — однако на шоссе вполне мог посоревноваться с масл-карами того времени. Ротор раскручивался до семи тысяч оборотов в минуту, позволяя пикапу набирать «сотню» менее чем за 11 секунд — быстрее базового «Мустанга» тех времен. С 1974 по 1978 год было выпущено 15 тысяч таких пикапов, и они по сей день пользуются популярностью у американских автомобильных энтузиастов. У себя на родине Mazda и вовсе предлагала уникальный автомобиль: первый и последний в истории роторный автобус – Parkway Rotary, построенный на базе грузовика Titan.
Mazda Parkway Rotary 26
Модель, оснащенная 135-сильным мотором, показала, что двигатель Ванкеля подходит не только для легковых машин. Роскошный автобус, предлагавшийся с 26- или 13-местным кондиционируемым салоном, отличался особенно мягкой и тихой ездой с минимумом шума и вибраций. С 1974 по 1978 год было выпущено 44 таких машины, из которых до наших дней сохранилось только четыре.
Тогда же, в конце семидесятых, дебютировала самая массовая в истории роторная модель — купе RX-7, выпускавшееся с 1978 по 2002 год. За это время модель успела сменить три поколения и разойтись тиражом свыше 811 тысяч машин. Первое поколение купе предлагалось с 1,1-литровым мотором мощностью 130 лошадиных сил, отдачу которого в 1983 году повысили до 165 сил за счет турбонагнетателя. Финальная версия третьего поколения RX-7 оснащалась уже 1,3-литровым 280-сильным твин-турбо агрегатом, позволявшим купе разгоняться с нуля до ста километров в час за 5,3 секунды.
Как выходец из СССР Николай Школьник изобрел самый мощный в мире двигатель
«Газета.Ru» пообщалась с создателями самого мощного в мире двигателя внутреннего сгорания. Как увеличить в разы КПД мотора, в чем отличие нового агрегата от известных роторных двигателей и в чем преимущество советского образования перед американским — в материале отдела науки.
Выходец из СССР, живущий в США, вместе с сыном изобрел, запатентовал и испытал самый мощный и эффективный в мире двигатель внутреннего сгорания. Новый мотор будет в разы превосходить существующие по КПД и уступать по массе.
06 июня 15:50
В 1975 году вскоре после окончания Киевского политехнического института молодой физик Николай Школьник уехал в США, где получил научную степень и стал физиком-теоретиком — его интересовали приложения, связанные с общей и специальной теорией относительности. Поработав в области ядерной физики, молодой ученый открыл в США две компании: одну — занимающуюся программным обеспечением, вторую – разрабатывающую шагающие роботы. Позже он на десять лет занялся консультированием проблемных компаний, занимающихся техническими инновациями.
Однако как инженера Школьника постоянно волновал один вопрос — почему современные автомобильные моторы такие неэкономичные?
И действительно, несмотря на то что поршневой двигатель внутреннего сгорания человечество совершенствует уже полтора века,
КПД бензиновых моторов сегодня не превышает 25%, дизельных — порядка 40%.
07 декабря 11:39
Между тем сын Школьника Александр поступил в MIT и получил степень доктора в области компьютерных наук, стал специалистом в области оптимизации систем. Думая над увеличением КПД двигателя, Николай Школьник разработал собственный термодинамический цикл работы двигателя HEHC (High-efficiency hybrid cycle), который стал ключевым этапом в реализации его мечты.
«Последний раз такое происходило в 1892 году, когда Рудольф Дизель предложил новый цикл и создал свой двигатель», — пояснил в интервью «Газете.Ru» Школьник-младший.
Изобретатели остановились на роторном двигателе, принцип которого был предложен в середине XX века немецким изобретателем Феликсом Ванкелем. Идея роторного двигателя проста. В отличие от обычных поршневых моторов, в которых много вращающихся и движущихся частей, снижающих КПД, роторный двигатель Ванкеля имеет овальную камеру и вращающийся внутри нее треугольный ротор, который своим движением образует в камере различные участки, где происходит впуск, сжатие, сгорание и выпуск топлива.
Плюсы двигателя — мощность, компактность, отсутствие вибраций. Однако, несмотря на более высокий КПД и высокие динамические характеристики, роторные двигатели за полвека не нашли широкого применения в технике. Одним из немногих примеров серийной установки стало их использование на автомобилях Mazda RX.
Слабыми местами таких моторов являлись ненадежность, связанная с низкой износостойкостью уплотнителей, благодаря которым ротор плотно примыкает к стенкам камеры, и низкая экологичность.
Уже работая в фирме LiquidPiston, основателями которой они стали, Школьники создали свою, абсолютно новую реинкарнацию идеи роторных моторов. Принципиальным в ней было то, что в двигателе Школьников не камера,
а ротор напоминает по форме орех, который вращается в треугольной камере.
Это позволило решить ряд непреодолимых проблем двигателя Ванкеля. Например, пресловутые уплотнители теперь можно делать из железа и крепить их неподвижно к стенкам камеры. При этом масло подводится прямо к ним, в то время как раньше оно добавлялось в сам воздух и, сгорая, создавало грязный выхлоп, а смазывало плохо.
Кроме того, при работе двигателя Школьников происходит так называемое изохорное горение топлива, то есть горение при постоянном объеме, что увеличивает КПД мотора.
Изобретатели создали один за другим пять моделей принципиально нового мотора, последняя из которых в июне была впервые протестирована — ее поставили на спортивный карт. Испытания оправдали все ожидания.
12 августа 17:08
Миниатюрный двигатель размером со смартфон, массой менее 2 кг имеет мощность всего 3 л.с. Двигатель высокооборотистый, работает на частоте 10 тыс. об./мин., но может достигать и 14 тыс. КПД мотора составляет 20%. Это много, учитывая, что обычный поршневой мотор такого же объема в 23 «кубика» имел бы КПД лишь 12%, а поршневой мотор такой же массы дал бы всего 1 л.с.
Но главное, КПД таких моторов резко растет при увеличении их объемов.
Так, следующий двигатель Школьников будет дизельным мотором мощностью 40 л.с., при этом его КПД составит уже 45%, а это выше, чем эффективность лучших дизелей современных грузовиков.
Весить он будет всего 13 кг, притом что его поршневые аналоги такой же мощности сегодня весят под 200 кг.
Этот мотор уже планируется ставить на генератор, который будет вращать колеса дизель-электрического автомобиля. «Если же мы построим еще больший двигатель, мы можем достичь КПД в 60%», — поясняет Школьник.
В перспективе компактные, оборотистые и мощные моторы Школьников планируется использовать там, где эти свойства особенно важны — при конструировании легких дронов, ручных бензопил, газонокосилок и электрогенераторов.
Пока мотор гоняли 15 часов, однако по нормативам, чтобы пойти в производство, он должен отработать непрерывно 50 часов. При этом для автомобильной промышленности требуется надежность мотора на 100 тыс. миль пробега, что пока остается мечтой, признают конструкторы.
«Это самый экономичный, мощный двигатель не только среди роторных, но и всех двигателей внутреннего сгорания.
Это показывают наши измерения, а то, что мы получим на более крупных моторах, мы уже смоделировали на компьютерах», — радуется Школьник-младший.
То, что озвученные цифры — не фантазии изобретателей, подтверждает серьезность намерений инвесторов. Сегодня в стартап уже вложено $18 млн венчурных инвестиций, $1 млн которых дало американское агентство передовых разработок DARPA.
Интерес военных тут понятен. Дело в том, что военными США в авиации применяется в основном топливо JP-8. И военные хотят, чтобы вообще вся армейская техника работала на этом виде топлива, на котором, кстати, могут работать и дизельные моторы.
Но современные дизельные двигатели громоздки, поэтому DARPA так активно присматривается к разработке Школьников.
25 июня 17:31
Александр считает, что создать столь революционный двигатель помогло отчасти образование, которое получил его отец еще в СССР. «Он думает по-другому, не так, как обычный инженер в США. Его фантазия ограничена только физикой. Если физика говорит — что-то возможно, то он верит, что это так, и лишь думает, как это можно сделать», — добавил Александр.
Сам Николай Школьник по-своему рассказывает об истории своего успеха и преимуществах советского образования.
«В США я переживал, что, имея специальность «машиностроение», я не буду иметь достаточного бэкграунда по физике и, особенно, математике.
Эти опасения оказались напрасными благодаря превосходной подготовке, которую я получил в советской школе.
Эта солидная образовательная подготовка до сих пор помогает мне здесь в нашей работе с новым роторным двигателем. С моей точки зрения, есть два больших отличия между американскими инженерами и получившими образование в России. Во-первых, американские инженеры невероятно эффективны в том, что они делают. Обычно требуется два-три русских инженера, чтобы заменить одного американского. Однако русские имеют более широкий взгляд на вещи (связанный с образованием, по крайней мере в мое время) и способность достигать целей с минимумом ресурсов, что называется, на коленке», — поделился размышлениями Николай Школьник.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Мы сообщаем главное и находим для вас интересное.