Двигатели внутреннего сгорания — это грязное дело. Они отравляют воздух загрязнителями, истощают планету невозобновляемыми ресурсами и удерживают экономику США в зависимости от стран, с которыми нам лучше бы не связываться. Это уродливая зависимость.
И всё же.
Они никуда не исчезнут. По крайней мере, не в ближайшее время.
Вы слышали обещания. Электрические двигатели, гибридные силовые установки, водородные топливные элементы, даже автомобили, работающие на сжатом воздухе. Технологический сектор обожает нарративы о спасителях. Но ни одна из этих альтернатив пока не готова заменить ДВС. Электрокары — это ближайшее жизнеспособное будущее, конечно. Но они заряжаются часами, имеют ограниченный запас хода, и вы не можете просто съехать с трассы и заправиться за пять минут. Вы действительно хотите оказаться в глуши с разряженной литий-ионной батареей и без единого человека в радиусе пятидесяти миль, который знал бы, как завести машину с толкача?
Гибриды, такие как Toyota Prius, жизнеспособны. Они популярны. Но в них всё ещё есть двигатель внутреннего сгорания. Они не решают проблему; они лишь откладывают неизбежный расчёт.
Водородные топливные элементы? Они потрясающи в концепции. Они станут мейнстримом через двадцать или тридцать лет. К тому времени вы, вероятно, будете выбирать себе искусственные зубы. Автомобили на сжатом воздухе? Попробуйте заправить такой велосипедным насосом, прежде чем мы назовём его готовым к серийному производству.
Эти технологии важны. Аналитические центры и производители упорно работают над НИОКР. От них будет зависеть дорога на работу ваших внуков. Когда-нибудь одна из них избавит нас от зависимости от ископаемого топлива.
Но мы не можем ждать тридцать лет. Нам нужно что-то, что работает сейчас. Что-то практичное на ближайшие несколько лет.
Нам нужен лучший двигатель внутреннего сгорания.
Хорошая новость? Они уже в пути. Лёгче. Более экономичные. Менее загрязняющие. Если мы пока не можем отправить ДВС на покой, мы хотя бы можем заставить его вести себя прилично, пока он скачет по общественным улицам.
Встречайте: двигатель OPOC.
Если этот акроним вам не знаком, произнесите его вслух. Opposed-Piston Opposed-Cylinder (Двигатель с opposed-поршнями и opposed-цилиндрами). Это сложно выговаривать. Просто называйте его OPOC. Компания Ecomotor, которая действительно создаёт такие двигатели для потребительских автомобилей, воспринимает эту концепцию всерьёз. Они нацелены на готовность к выходу на рынок задолго до того, как водород станет новым трендом.
Кто поддерживает этот проект? Билл Гейтс. Да, тот самый Билл Гейтс. Если кто-то и понимает передовые практические технологии, так это сооснователь Microsoft. Его инвестиции сигнализируют о том, что это не просто хобби для гаража. Это серьёзный претендент на революцию в том, как мы используем бензин.
Так что же такое OPOC? Чем он отличается от V6 или рядной четвёрки, которые гремят под вашим капотом? Чтобы понять инновацию, нужно понять стандарт.
Как работают стандартные автомобильные двигатели и в чём разница с OPOC
Большинство автомобилей работают на четырёх или шести цилиндрах. Если у вас больше шести, вы водите маслкар, и вы, вероятно, не здесь, чтобы обсуждать топливную экономичность.
Цилиндр — это именно то, что звучит: цилиндрическое отверстие в блоке двигателя. Внутри находится поршень — подвижная трубка. Соедините этот поршень с бензином, воздухом и искрой, и вы получите взрывную движущую силу. Это краткая версия.
В традиционном двигателе каждый цилиндр закрыт сверху. Газы, запертые между верхней частью поршня и головкой блока цилиндров, должны оставаться в замкнутом пространстве во время сгорания. Для управления потоком воздуха и выхлопных газов производители используют два клапана в верхней части каждого цилиндра. Один — впускной клапан, пропускающий воздух и топливо. Другой — выпускной клапан, выпускающий отработавшие газы после сгорания.
Эти клапаны открываются и закрываются в точной механической синхронизации с движением поршня. Выхлоп наружу. Свежий воздух внутрь. Тайминг — это всё.
OPOC меняет эту динамику. Он не просто подкручивает клапаны; он переосмысливает сам цилиндр.
Почему два поршня лучше одного
Четырехтактный цикл — это уже не новость. Инженеры девятнадцатого века разобрались в нем, активно заимствуя логику паровых двигателей. Он работает. Он надежен. Но он также тяжел. И громоздок. А если вы гонитесь за соотношением мощности к весу, то таскать с собой восемь или двенадцать цилиндров лишь для того, чтобы превратить линейное движение в круговое, похоже на налог за физику.
Так что, если сократить количество цилиндров вдвое?
Не за счет увеличения их размера. А за счет того, чтобы заставить их взаимодействовать друг с другом.
Встречайте двигатель с opposed-piston (противоположно-расположенными поршнями).
Забудьте о традиционной схеме, где поршень толкает головку блока цилиндров. В этой компоновке нет головки. Нет клапанов. Нет свечей зажигания, вмонтированных в «потолок» камеры сгорания. Просто длинная труба с двумя поршнями, которые сталкиваются друг с другом с противоположных концов. Они двигаются синхронно. Когда они встречаются посередине, они сжимают топливовоздушную смесь. Когда они расходятся, они создают вакуум для впуска.
Звучит просто. Но это не так.
Как на самом деле работает цикл с opposed-piston
Разберем движение по шагам. У вас есть Цилиндр A и Цилиндр B, но на самом деле это одно непрерывное отверстие. Поршень 1 входит слева. Поршень 2 входит справа.
По мере того как они приближаются друг к другу, они закрывают впускные окна. Топливовоздушная смесь оказывается в ловушке. Сжата. Давление резко возрастает. Это фаза сжатия, такая же, как в рядном четырехцилиндровом двигателе вашего Honda Civic. Но затем, вместо того чтобы сработала свеча зажигания, топливо впрыскивается непосредственно в горячий сжатый воздух.
Самоignition (самоignition).
Искра не нужна. Огонь разжигается одной лишь теплотой сжатия. Технически это вариант дизельного цикла, даже если вы используете бензин. Взрыв одновременно толкает оба поршня наружу. Они открывают выпускные окна. Выгоревшие газы уходят. Цикл сбрасывается.
Отсутствие головки блока означает отсутствие прокладки ГБЦ, которая может выйти из строя. Нет клапанов, которые могут сломаться. Меньше движущихся частей, которые могут изнашиваться.
Геометрия жесткая. Поршни должны оставаться идеально синхронизированными. Если один отстает на миллиметр, они не просто пропустят пик сжатия. Они могут столкнуться. Металл о металл. При тысячах оборотов в минуту. Это не ремонт. Это путь на свалку.
Соединение с коленчатым валом: это не то, что вы думаете
Вот поворот, который ломает большинство конструкций двигателей. В стандартном V6 или оппозитном четырехцилиндровом двигателе поршни соединены с одним коленчатым валом. В настоящем двигателе с opposed-piston есть два коленчатых вала.
Один приводит в движение левый поршень. Другой — правый.
Они связаны распределительными шестернями или цепями, обеспечивающими то, что когда Поршень 1 идет вниз, Поршень 2 идет вверх. Вращение естественным образом компенсирует вибрацию. Противовесы не нужны. Двигатель сбалансирован по своей природе.
Такая схема была популярна в авиационных двигателях времен Второй мировой войны. Junkers Jumo 205 приводил в движение все: от бомбардировщиков до подводных лодок. Почему? Потому что он был компактным. У него был низкий профиль, что позволяло легко размещать его в тесных фюзеляжах. И он был прочным. Когда вы убираете головку блока цилиндров, вы устраняете самый большой источник теплового накопления и отказов в двигателе внутреннего сгорания.
Но у него также есть недостаток гибкости.
Почему мы от него отказались (и почему возвращаемся)
У двигателей с opposed-piston есть фатальный недостаток на потребительском рынке: выбросы и гибкость топлива.
Поскольку впускные и выпускные окна открываются и закрываются самими поршнями, продувка камеры сгорания затруднена. Вы не можете независимо управлять фазами газораспределения. Вы не можете легко варьировать перекрытие клапанов. Это означает, что настройка на чистые выбросы — это кошмар. Современные нормы требуют точного контроля над тем, когда газы входят в камеру и покидают ее. Управление окнами не дает такой точности.
Поэтому мы перешли на распределительные валы. Мы приняли сложность клапанов, головок и приводных ремней ради соответствия нормам.
Но отрасль меняется.
Современные допуски изготовления значительно улучшились. Компьютерно-управляемые системы впрыска могут управлять процессом самоignition с точностью до микрона. А спрос на компактные высокопроизводительные силовые установки для гибридных систем и дозарядчиков для электромобилей возвращает конструкцию с opposed-piston из небытия.
Компании, такие как Velozity Motors, производят такие двигатели сегодня. Они ориентированы на гибридные автомобили, где двигателю не нужно раскручиваться на высоких оборотах, но необходимо генерировать максимальный крутящий момент при минимальных размерах.
Готов ли он для вашей повседневной машины? Возможно, пока нет. Расход масла может быть высоким. Масляные пути
Механика конструкции OPOC от Ecomotors
Стандартные двигатели опираются на поршни, движущиеся параллельно. Один цилиндр, один поршень, всё в ряд. Двигатели с opposed-поршнями (с противоположно расположенными поршнями) меняют эту схему. Они помещают два поршня в один цилиндр. Они направлены друг к другу. Они не сталкиваются. В этом и заключается вся суть.
Ecomotors создали эту конкретную конструкцию для DARPA. Сначала для военных применений. Это логично, учитывая суровые требования. Геометрия необычна. Коленчатый вал проходит через центр цилиндра. Перпендикулярно к отверстию цилиндра. Оба поршня вращают один и тот же коленчатый вал, двигаясь в противоположных направлениях.
Подумайте о длине хода. Каждый поршень проходит лишь половину расстояния, которое проходит поршень в стандартном четырехтактном двигателе. Меньшее расстояние означает меньшее трение. Меньшее трение означает лучшую топливную экономичность. А выхлоп? Он собирается в центре. Нет необходимости закрывать концы цилиндра, чтобы предотвратить утечку газов до того, как они готовы выйти.
Звучит как мечта. Это двухтактный двигатель. Но не грязный, потребляющий масло двухтактный двигатель прошлого. Это чистый, эффективно сжигающий топливо агрегат.
Почему двигатель OPOC от Ecomotors обладает высокой удельной мощностью
Магия заключается в переплетении. Каждый поршень фактически разделен на две части. Они движутся внутри друг друга. В противоположных направлениях.
Вот как работает цикл. Один конец поршней смыкается. Это создает сжатие. Смесь топлива и воздуха сжимается. В точно тот же момент другие концы поршней расходятся. Это создает вакуум. Воздух втягивается. Впуск и сжатие происходят одновременно.
Два такта. Впуск. Сжатие. Воспламенение. Выхлоп. Готово.
Обычным двигателям требуется четыре такта, чтобы выполнить ту же работу. OPOC делает это за два. Поскольку два поршня в одном цилиндре выполняют работу двух отдельных цилиндров в обычном двигателе, они передают на коленчатый вал двойное движение при том же объеме.
Это равносильно высокой удельной мощности. Больше мощности на фунт массы двигателя. Для военных транспортных средств или дронов вес имеет решающее значение. Эта конструкция справляется с задачей.
Как модульная конструкция уменьшает количество движущихся деталей
Простота — это главная особенность здесь. Стандартные двигатели внутреннего сгорания являются механическими кошмарами. У вас есть распределительные валы. Роликовые толкатели. Толкатели клапанов. Клапаны. Сложный, точно синхронизированный танец, чтобы держать впускные и выпускные клапаны открытыми только тогда, когда это необходимо. Никогда одновременно. Всегда в нужную миллисекунду.
Ecomotors устранили всё это.
Нет клапанов.
«Клапаны» — это просто окна на боковой стороне цилиндра. Поршни скользят над ними. Закрывая их. Открывая их. Всё. Нет распределительных валов. Нет ремней ГРМ. Нет сложных систем привода.
Количество деталей сократилось с 385 до 62.
Это огромное сокращение. Меньше деталей означает меньше вещей, которые могут сломаться. Меньше вещей, требующих обслуживания. Двигатель механически проще. Он более надежен.
И он модульный. Их можно складировать. Один цилиндр OPOC технически является двухцилиндровым двигателем в терминах мощности. Добавьте еще один. Теперь у вас есть эквивалент четырехцилиндрового двигателя. Добавьте третий. Мощность шестичилиндрового двигателя. Просто продолжайте соединять цилиндры.
Является ли это двигателем будущего? Вероятно. До тех пор, пока ядерные топливные элементы не станут жизнеспособными для потребительского использования. Прирост эффективности слишком велик, чтобы его игнорировать. Простота неоспорима.
