Що таке двигун із зустрічними поршнями?

За останнє десятиліття винахідники у різних країнах видали купу найекзотичніших схем ДВЗ, деякі навіть вдалося втілити у металі.

Але масова промисловість продовжує випускати мотори традиційного образу. Проблема в конструкторських прорахунках новачків чи відсутність у них фінансування?

У чому відмінність двигуна із зустрічними поршнями від традиційного двигуна

Нещодавня звістка про те, що мільярдер Білл Гейтс та інвестиційна фірма Khosla Ventures вирішили вкласти мільйони в компанію EcoMotors, що проектує двигуни із зустрічним рухом поршнів, змусило нас детально розглянути заокеанську розробку. У подібних моторів давня історія, але широкого поширення вони не набули, принаймні на автомобільному транспорті. EcoMotors додала, здавалося б, відомому блюду новий смак.

Розробки EcoMotors

Свій двигун з двома оппозитними циліндрами , у кожному з яких працює по два зустрічні поршні, EcoMotors назвала нехитро - OPOC, що означає Opposed Piston Opposed Cylinder - "опозитні поршні, оппозитні циліндри". У принципі, за такою схемою може працювати як бензиновий мотор (або ДВЗ, що споживає спирт), так і дизельний, але поки що компанія зосередила зусилля на другому варіанті.

1. Перший двигун типу OPOC – дизельну модель EM100 (число означає діаметр циліндрів у міліметрах) американська компанія вперше показала громадськості навесні 2010 року. За інформацією EcoMotors, важить агрегат 134 кг, розміри його складають 58 (довжина) х 105 (ширина) х 47 (висота) см, розвиває потужність 325 кінських сил і видає крутний момент 900 Н•м.
2. Двигун OPOC - двотактний, так що за один оберт колінчастого валу зустрічні поршні кожного з циліндрів роблять робочий хід. Під час руху до своїх мертвих точок вони відкривають вікна в стінках циліндрів. Причому один із поршнів управляє впуском, другий — випуском. На малюнку нижче їх легко розпізнати за кольорами – синьому та червоному відповідно. При цьому вікна розташовані так, що випускне відкривається трохи раніше за впускний і закривається також раніше. Це важливо для хорошого газообміну.

Технічні особливості двигуна із зустрічними поршнями

Ключові компоненти OPOC, вид зверху та спереду. Зверніть увагу на несиметричне розташування впускних та випускних патрубків щодо колінвалу.

Усунення головок циліндрів , клапанів та механізму їх приводу спростило мотор, зробило його легшим, знизило втрати на тертя і навіть витрату олії (за оцінкою компанії, вдвічі проти звичайного дизеля). Але ж такими перевагами начебто можуть похвалитися й інші двотактні мотори із зустрічними поршнями?

Особливість новинки в тому, що всі поршні в ній пов'язані з єдиним центральним коленвалом, тоді як раніше подібні конструкції вимагали двох колінчастих валів по краях двигуна. Відповідно, вони були помітно більшими і важчими, і не дивно, що застосування знайшли в основному на тепловозах і судах. Ну а OPOC, схема роботи якого представлена в ролику нижче, орієнтований на куди ширший спектр машин.

Як будь-який двотактник, OPOC потребує зовнішнього пристрою, який продувало б циліндри в момент відкриття вікон. У даному випадку конструктори вирішили покласти цей обов'язок на турбонаддув . Але очевидно, він не допоможе при запуску мотора, а самі циліндри "вдихнути" та "видихнути" не здатні.

Рішення знову ж таки знайшлося в давній ідеї, яку ряд компаній обкочував, але до пуття ніхто так і не довів. На вал класичної турбінки інженери поставили електродвигун. При запуску і до того часу, поки ДВЗ не набрав обертів, цей моторчик отримує енергію від батарей, забезпечуючи «дихання» OPOC. А далі мотор відключається, і турбонаддув перетворюється на звичайнісінький. Більш того, на високих оборотах, коли потік вихлопних газів великий, електромотор у турбіні може перетворюватися на генератор, що підживлює батареї машини.

Електричний турбонаддув

Електричний турбонаддув - один із найспірніших елементів новинки. Для його розкручування потрібна пристойна кількість енергії, що призводить до необхідності ємних та потужних батарей, а отже, подорожчає конструкцію.

Нова схема, за твердженням її творців, відрізняється дуже хорошим продуванням циліндрів, а тому дозволяє отримати найбільшу вигоду з двотактного циклу, що теоретично дозволяє досягти вдвічі більшої літрової потужності двигуна, в порівнянні з чотиритактним. Хоча практично такого показника ще досягалося. Система OPOC має низку інших цікавих особливостей. Так, розширюючись, гази в циліндрі тиснуть відразу на два поршні, і це зусилля передається на вал, підвищуючи ефективність ДВЗ порівняно зі схемою, в якій частина тиску припадає на нерухому камеру згоряння.

При новій конфігурації для того, щоб забезпечити заданий робочий об'єм, кожному поршні за один хід потрібно пройти вдвічі меншу відстань. Це означає і меншу швидкість руху при фіксованих оборотах, отже, і менші втрати тертя.

Коли виник двигун із зустрічними поршнями

Усі ці особливості двигун OPOC зобов'язаний насамперед Петеру Хофбауеру. Засновник, голова та технічний директор EcoMotors раніше багато років очолював розробку перспективних двигунів у компанії Volkswagen. Наприклад, на його рахунку зміщено-рядний двигун VR6 з малим (15 градусів) кутом розвалу циліндрів. І хоча компанія EcoMotors була заснована в 2008 році, сам Хофбауер почав розмірковувати над OPOC на кілька років раніше.

Ідея Петера Хофбауера хоча сама по собі і свіжа, але корінням сягає 1930-х років. Відправною точкою його пошуків послужили створений Гуго Юнкерсом авіаційний дизель із зустрічними поршнями Junkers JUMO 205 (вгорі) та бензинові «опозитники» Фердинанда Порше (внизу), серед яких мотор автомобіля, який отримав після війни всесвітню популярність під ім'ям «Жук». Фактично Хофбауер схрестив ці дві конструкції.

Компанія повідомляє, що OPOC у дизельному варіанті на 30-50% легше, ніж звичайний турбодизель тієї ж потужності, містить на 50% менше деталей, займає в два-чотири рази менше місця під капотом і при цьому може бути (за певних умов) на 45–50% економічніше. Остання цифра викликає у фахівців найбільші сумніви, проте навіть якщо виграш у витраті перебільшений, підстави для оптимістичних заяв у EcoMotors є.

Де буде застосовуватися двигун із зустрічними поршнями

Перший зразок ДВЗ OPOC, як стверджує фірма, провів на динамометричному стенді понад 500 годин. Можна констатувати, що схема працює. З характеристиками справа не так однозначна. Модель EM100, яку нині випробовують інженери, видає заявлені параметри по потужності і моменту, що крутить, тільки при налаштуваннях, що не враховують токсичність вихлопу.

Таку версію OPOC компанія пропонує ставити на військову техніку, для якої відношення віддачі до ваги важливіше за інше. Для звичайного транспорту EcoMotors пропонує налаштовувати ті ж двигуни трохи інакше: на 300 к.с. та 746 Н•м. Поліпшення економічності проти звичайних дизелів у такому разі обіцяно «всього» 15-відсоткове, але й воно виглядає величезним кроком уперед, оскільки зазвичай компанії виборюють кожен відсоток. Подальша економія можлива при об'єднанні кількох таких моторів в чотирициліндровий агрегат. Те, що раніше було самостійним двигуном, перетворюється на модуль. Між ними EcoMotors має намір ставити керовану електронікою муфту. При малому навантаженні, мовляв, працюватиме лише один модуль, при великому підключиться другий. Оскільки OPOC добре врівноважений, всі діючі сили тут компенсують одна одну і мотор відрізняється мінімумом вібрацій, те й активація «сплячої» половинки у будь-який момент пройде гладко.

Задум цей схожий на відоме відключення циліндрів у великих V-подібних двигунах. Ось тільки там «холости» поршні все одно продовжують рух вгору-вниз, тут же половина мотора зупиняється повністю, а друга продовжує працювати в вигідному режимі. Крім того, в такій бінарній схемі інженери пропонують ще трохи знизити граничну віддачу кожного модуля - до 240 "конячок" (480 розвиватиме весь агрегат). За співвідношенням потужності і ваги це все ще буде дуже гідний мотор, причому, мовляв, вдасться досягти максимальної економії пального (тих 45%) і відповідності найсуворішим нормам токсичності вихлопу, запевняють розробники.

Поки що OPOC — система сира, а її конструктори більше роздають обіцянки. Але вони оптимісти і почали розширення лінійки. На кресленнях вже вимальовується 75-сильний двоциліндровий двигун EM65 трохи меншого розміру і маси, ніж EM100. Його, до речі, хочуть перевести на бензин. Сфери застосування EM65 цілком очевидні: легкі вантажівки і легковики, у тому числі гібриди. Певною запорукою, але не стовідсотковою гарантією успіху екзотичного ДВЗ є репутація його головного конструктора: Петер віддав Volkswagen 20 років життя. І чи дивно, що його нинішня робота перегукується з проектами Порше, що стояв біля витоків знаменитої німецької марки.

Стан двигун із зустрічними поршнями на 2024 рік

Станом на 2024 рік, розробка двигуна OPOC (Opposed-Piston, Opposed-Cylinder) від EcoMotors зіткнулася зі значними викликами та затримками. Незважаючи на первинні інвестиції від Білла Гейтса та Khosla Ventures у 2010 році та партнерства з іншими компаніями, такими як Navistar. Двигун досі не досяг широкомасштабного комерційного виробництва. Компанія зупинилася на етапі переходу, від прототипу до масового виробництва.