Два вала лучше одного? Секреты необычного двигателя ( 5 фото )

Двигатель внутреннего сгорания по-прежнему остается основой автомобильной индустрии. Неудивительно, что инженеры всего мира постоянно ищут способы его усовершенствовать. В центре внимания — проект российского конструктора Александра Грабовского, предлагающий радикально изменить привычную схему работы мотора.

В поисках идеала

Совершенство, как известно, не имеет предела. ДВС с момента своего появления непрерывно эволюционирует. Даже сейчас, когда мир активно заглядывается на электромобили, бензиновые и дизельные агрегаты не сдают позиций. Поиск эталонного двигателя продолжается.

За долгую историю было множество попыток улучшить мотор: от внедрения электрического стартера и цепного привода ГРМ до сложных систем фазорегулирования. Инженеры экспериментировали с формами, кинематическими схемами и термодинамическими циклами.

Однако практика показывает, что улучшение одной характеристики часто приводит к ухудшению другой. Модернизация ДВС — это всегда поиск компромисса. Технические решения Александра Грабовского, защищенные патентами, нацелены на то, чтобы этот компромисс минимизировать.

Сердце проекта: два вала и серповидные шатуны

Предложенный проект — это не просто идея, а детально проработанный труд с точными расчетами, графиками и диаграммами. В нем описаны два новых термодинамических цикла, которые также получили патентную защиту.

Ключевая особенность — оснащение кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двумя коленчатыми валами. Каждый поршень соединяется с валами через два шатуна. Шатуны имеют необычную серповидную форму и обращены друг к другу выпуклыми сторонами. К пяткам валов крепятся два маховика, связанные зубчатой передачей.

Работает такая система следующим образом. Крутящий момент через зубчатую передачу передается на оба маховика, заставляя валы вращаться навстречу друг другу, уравновешивая взаимные колебания. Усилие от кривошипов через серповидные шатуны передается на поршни. При движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ) в цилиндре создается разрежение, через впускные клапаны поступает воздух или топливная смесь.

Точный расчет хода поршня позволяет ему дольше задерживаться в нижней мертвой точке. Это улучшает наполнение цилиндра. При движении к ВМТ начинается такт сжатия. Интенсивное сжатие завершается до поворота валов на 180°, что способствует более энергичному нарастанию давления и снижению потерь рабочего тела.

В момент подхода поршня к ВМТ происходит воспламенение смеси. Поршень дольше находится в верхней точке, что обеспечивает более полное сгорание топлива в постоянном объеме и снижает тепловые потери.

Схема дезаксиального кривошипно-шатунного механизма со сдвоенными кинематическими связями

Давление газов воздействует на поршень, перемещая его к НМТ. Возникающие на плечах кривошипов моменты вращают валы навстречу друг другу.

Вот как автор описывает процесс выпуска:

Потенциальные преимущества

По расчетам конструктора, правильно сконструированный дезаксиальный КШМ со сдвоенными связями имеет ряд преимуществ. Среди них — увеличение объема цилиндра при неизменном радиусе кривошипов и снижение потерь на трение. Конструкция позволяет практически полностью уравновесить силы инерции первого и второго порядков.

Снижение скорости поршня в области ВМТ и НМТ улучшает процесс сгорания, наполняемость и очистку цилиндра. Уменьшаются потери объема на такте сжатия, оптимизируются сбалансированность, износы и инерционные силы. В итоге ожидается существенное повышение КПД мотора.

Диаграммы классического ДВС (внизу) и ДВС на основе КШМ со сдвоенными кинематическими связями (вверху)

Взгляд в историю

Идея использовать несколько коленчатых валов не нова. В 1900 году компания Lanchester Engine Company выпустила модель Lanchester 8hp Phaeton с оппозитным двухцилиндровым двигателем, где валы вращались в противоположных направлениях. Каждый поршень соединялся со своим валом толстым шатуном и двумя тонкими — с другим. Такая конструкция применялась лишь до 1904 года.

В 1960-х годах команда BRM предприняла смелую попытку создать гоночный двигатель, объединив два 8-цилиндровых оппозитных мотора. Получившийся агрегат конфигурации «Н» имел 16 цилиндров, 64 клапана и два коленвала. Однако проект провалился: мотор не выдал ожидаемой мощности и оказался ненадежным.

В начале 2000-х немецкая Neander Motors представила мотоцикл Neander 1400 Turbodiesel с двухцилиндровым дизелем на 1430 куб. см, также оснащенным двумя коленвалами. Изначально мотор планировался для гонок Moto GP, затем — для спорт-круизера за 100 тысяч долларов, но в итоге нашел применение лишь как лодочный двигатель с уменьшенным до 804 куб. см объемом.

Причины неудачи до конца не ясны. Возможно, дело в высокой цене для мотоцикла, который выдавал 94 л. с. при 4200 об/мин и 175 Нм крутящего момента. А может быть, сочетание «мотоцикл и дизель» оказалось для покупателей неприемлемым.

Были и другие попытки реализовать «многовальную» концепцию. Наиболее успешной оказалась трехколенвальная схема. Во время Второй мировой войны британцы узнали о разработке немцами двигателя Junkers Jumo 223 — 24-цилиндрового авиационного дизеля с четырьмя коленвалами, расположенными в вершинах ромба. Немецкий проект не удался, но в Великобритании идею развили, создав «дельтообразный» двигатель с тремя валами, который десятилетиями использовался на скоростных судах и в железнодорожном транспорте.

Фото: Wikipedia.org

Однако эти агрегаты оказались капризными в обслуживании и требовали особого обращения. Ремонт зачастую был невозможен на месте, требовалась отправка производителю. Это вынудило эксплуатантов создавать специализированные участки для обслуживания.

Опыт показывает, что сама идея нескольких коленвалов при правильном расчете может быть жизнеспособной. Неудачи прошлых реализаций, вероятно, связаны с ошибками в разработке, а не с недостатками концепции. Важным фактором является ремонтопригодность — двигатели должны обслуживаться в стандартных мастерских.

Проект Александра Грабовского выглядит многообещающим. Как признает сам автор, для полного понимания потенциала требуются дополнительные исследования кинематических и динамических параметров, а также проработка вопросов обслуживания и ремонта.

Как думаете, у двигателей с двумя коленвалами есть будущее, или это очередная инженерная авантюра, которая не выйдет за пределы чертежей?