Разделяй цилиндры
Нынешним летом компания Tour Engine (США) объявила о кардинальной доработке двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с разделённым циклом. Прежде чем рассказывать о сути нововведения, отметим, что попытки запустить такой двигатель в серийное производство предпринимаются уже свыше 130 лет. Изобретатели считают, что разделённый цикл позволит преодолеть ряд ограничений, характерных для традиционных четырёхтактных ДВС.
В типовом бензиновом ДВС, использующем цикл Отто, каждый цилиндр за два оборота коленчатого вала выполняет четыре такта: впуск топливно-воздушной смеси; её сжатие и воспламенение; расширение сгорающей смеси (рабочий ход); выпуск продуктов сгорания. Разделённый цикл предусматривает разнесение этих тактов по двум цилиндрам, из которых первый отвечает за впуск и сжатие, а второй – за воспламенение, расширение сгорающей смеси и выпуск продуктов сгорания. Для этого между цилиндрами предусматривается перепускной канал, куда выведена топливная форсунка.
Сжигание – на конвейер
Разделённый цикл ещё в далёком 1891 году реализовала компания Backus Water Motor из Ньюарка (штат Нью-Джерси). Её двигатель с водяным охлаждением был перевёрнут, так что кривошипно-шатунный механизм находился сверху, а оба цилиндра (компрессорный и рабочий) располагались внизу (в результате вся система напоминала букву «А»).
В двигателе с разделённым циклом временное чередование процессов заменено на их пространственное разнесение. Этим он похож на газовую турбину, в которой за сжатие воздуха отвечает компрессор, а за отбор энергии от горячих газов – ротор с лопатками.
Подобная схема позволяет делать рабочий ход на каждом обороте коленчатого вала, что выливается в более плавное движение, но главное не это. Взгляните на схему двигателя от американского изобретателя из Массачусетса Кармело Скудери (рис. 1), основавшего инновационную компанию Scuderi Group. В первом цилиндре поршень сжимает воздух и подаёт его в перепускной канал. Затем перепускной клапан открывается, форсунка впрыскивает топливо, и смесь под давлением врывается во второй цилиндр. Сгорание в нём начинается при движении поршня вниз, в отличие от двигателя с циклом Отто, где смесь поджигают чуть раньше, чем поршень достигнет верхней мёртвой точки.
Зачем разработчики сдвинули момент зажигания топливной смеси? Не от хорошей жизни – чтобы не тратить энергию на повторное сжатие газа. Дело в том, что после выпуска сжатого воздуха из перепускного канала в рабочий цилиндр давление газа естественным образом падает. Если бы в этот момент поршень только приближался к верхней мёртвой точке, он бы заново сжимал газ. Между тем в обычном ДВС газ сжимается только единожды.
У Скудери зажигание происходит в момент, когда цилиндр пройдёт положение мёртвой точки и коленчатый вал провернётся ещё на 5–25 градусов. В этом интервале валу уже передаётся хорошее вращательное усилие. Таким образом, в разделённом цикле по отношению к циклу Отто степень сжатия вынужденно снижена, зато увеличен крутящий момент, а с ним – и КПД. То есть зажигание после прохождения поршнем верхней мёртвой точки – это компромисс, на который поневоле пошли разработчики из Scuderi Group.
Ещё одна особенность ДВС с разделённым циклом – быстрое движение потока топливной смеси в цилиндре (в том числе вихревое, если загнуть выход перепускного канала), которое помогает ускорить её сжигание. А разделение цилиндров на горячие и холодные позволяет упростить систему охлаждения двигателя.
Дополнительные резервы
Степень сжатия принято определять как соотношение полного объёма цилиндра (надпоршневого пространства) в верхней мёртвой точке к его полному объёму в нижней мёртвой точке. В случае ДВС с разделённым циклом говорят также о степени расширения. Поскольку сжатие и расширение происходят в разных цилиндрах, эти коэффициенты не обязаны быть равны. Диаметр поршней и их ход могут различаться, что позволяет подстраивать систему под требуемые характеристики топлива и нагрузки, добиваясь ещё большей эффективности. Рабочий цилиндр можно сделать более объёмным, чем компрессорный, чтобы извлекать больше энергии из раскалённых газов. Благодаря этому двигатель Скудери способен работать в высокоэффективных термодинамических циклах Аткинсона и Миллера.
Согласно расчётам разработчиков, двигатель Скудери на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, он поможет сэкономить ещё больше топлива. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр способен готовить топливную смесь на три рабочих цилиндра. Такой двигатель можно даже дополнить пневматическим накопителем энергии (баллоном высокого давления) для целей её рекуперации в автомобиле.
В отличие от многих других изобретателей, которые в последние годы в основном занимались дополнительными устройствами, окружающими ДВС (чаще всего системами контроля и управления), Кармело Скудери сосредоточился на базовых элементах. Он успешно привлёк значительный инвестиционный капитал, но по иронии судьбы пал жертвой своего успеха – получил предупреждения от Комиссии по ценным бумагам и биржам США и завяз в затяжных судах с инвесторами.
Огненный челнок
Развитие многообещающей технологии, к счастью, не остановилось. «Флаг подхватила» калифорнийско-израильская компания Tour Engine, которая разработала свой первый вариант ДВС с разделённым циклом ещё в 2008 году, применив противоположное размещение цилиндров.
Недавно Tour Engine представила кардинальную новацию, позволившую нивелировать основной недостаток двигателя Скудери – потери энергии при перепуске сжатого воздуха. Для этого перепускной канал заменён челночной камерой, колеблющейся между двумя цилиндрами (рис. 2). Топливная смесь формируется и воспламеняется прямо в ней, поток горячих газов выходит в рабочий цилиндр и давит на поршень.
Компания сообщила об изготовлении надёжно работающего пятикиловаттного прототипа и обещает добиться на 40% большей топливной эффективности, чем у традиционных ДВС той же мощности.
