Недавняя новость про патент на шеститактный двигатель от Porsche (к нему вернёмся ниже и разберём детально) заставила вспомнить, что с числом тактов инженеры играют не первый раз. Тех же шеститактных агрегатов было придумано несколько разных вариантов. И вообще, знали ли вы, что помимо классических ныне четырёх- и двухтактных ДВС, изобретатели проектировали не только шести-, но и пятитактные моторы, и даже восьмитактные?
Вспомните разницу между четырёхтактным и двухтактным двигателями. В первом (для каждого цилиндра, неважно один их или несколько) только один такт (ход поршня) рабочий из четырёх, а значит один — на два оборота вала. “Впуск-сжатие-рабочий ход-выхлоп”. У двухтактного ДВС есть только “сжатие-рабочий ход”. В конце рабочего хода, пока поршень движется вблизи нижней мёртвой точки, происходит быстрый газообмен. Через выпускное окно цилиндр покидают выхлопные газы, а через перепускной канал поступает свежая смесь. Обычно, из подпоршневого пространства (куда она попадает ранее на такте сжатия), хотя возможные иные варианты (от отдельного компрессора).
У двухтактника каждый второй такт — рабочий. И при прочих равных условиях это делает его мощнее (в расчёте на литр объёма). Но, увы, не экономичнее! Четыре такта с отдельными клапанами для впуска и выпуска обеспечивают лучшую очистку цилиндра от отработанных газов и лучшее использование горючего. Так зачем нужно было инженерам придумывать ещё больше тактов? Краткий ответ: в погоне за ещё большим КПД, за ещё меньшим расходом горючего. Получалось неоднозначно.
Итак, что там с Гриффином? Он придумал некий золотниковый клапан, позволивший организовать пятый и шестой такты в дополнение к обычным четырём. Получилось вот что: “Впуск топливо-воздушной смеси-сжатие-рабочий ход-выпуск-впуск потока воздуха-второй выпуск”. Как видим, тут на шесть тактов (три оборота коленвала) приходится всего один рабочий ход. Потому тепловая эффективность повысилась, а механическая понизилась. Однако, проблема была решена.
В 1886 году шотландская компания Dick, Kerr & Co из города Килмарнок приобрела лицензию на моторы Гриффина и стала выпускать несколько разных их версий, в том числе двухстороннего действия. В двухстороннем моторе камера сгорания есть с каждой стороны от поршня, так что один рабочий ход приходится уже не на три, а на каждые полтора оборота коленвала.
Нужно ещё добавить, что двигатель Гриффина работал на нефти, а его важной особенностью был внешний испаритель, подогреваемым выхлопными газами, в котором нефть фактически перегонялась (отделялись непригодные смолы и асфальты). Зажигание было от калильной головки (разогретой форкамеры), как в полудизелях. Итог: сравнительно экономичный агрегат, очень плавно работающий, но тяжёлый. Впрочем, на транспорт “Гриффины” и не ставили.
Дополнительная продувка цилиндра воздухом не только лучше его очищает, но и охлаждает, что снижает требования к внешнему охлаждению, а подаваемый воздух наргевается, тем самым он может дать небольшой толчок (хотя рабочим ходом это всё же не назвать). А более полноценно эту мысль удалось развить изобретателю Роджеру Баюлазу из Женевы. Он придумал свою версию шеститактного мотора в 1989-м.
Тут свежий воздух, попавший в цилиндр, сначала сжимается и направляется в камеру нагрева. После того, как из камеры сгорания выпущены выхлопные газы, которые обеспечивают рабочий ход, и после того, как они выпущены в атмосферу, камера нагрева соединяется с цилиндром и раскалённый чистый воздух производит дополнительный рабочий ход, а далее направляется поршнем в камеру сгорания, где будет сжат, получит порцию топлива и окажется подготовлен к новому рабочему циклу.
Здесь на шесть тактов приходится уже два рабочих, один из которых за счёт чистого воздуха (фактически за счёт более полного использования тепла от сгорания топлива, чем в простом ДВС). Аналогичный эффект можно получить, если в дополнительном пятом такте использовать тепло цилиндра и камеры сгорания для испарения воды, а пар — для дополнительного рабочего хода. Вероятно, подобных конструкций было создано несколько. Во всяком случае, американский изобретатель Брюс Кроуэр, который построил такой прототип в 2006-м, подавал заявку на патент, но заявку отклонили.
И на этом фантазии не заканчиваются. К шеститактникам можно отнести разные версии моторов “4+2”. Здесь в одном цилиндре имеются встречно движущиеся поршни. Но поршни, у которых частота вращения коленвала отличается вдвое. Один поршень таким образом работает словно в четырёхтактном моторе, а другой — как в двухтактном. Такова конструкция мотора австралийца Малкольма Бира. Один из поршней фактически заменяет обычные клапаны в простом ДВС.
Похож на мотор Бира и агрегат M4+2, построенный в Силезском техническом университете (Польша) под руководством инженера Адама Чесёлкевича по патенту Петра Менжика. Тут для поступления свежего воздуха имеются два разных канала, открываемых вращающимися золотниками. (Не путайте с другой экзотикой — мотором, который одновременно четырёх- и двухтактный, с разделяющимся на ходу поршнем).
А теперь оцените изящество шеститактной конструкции, придуманной Porsche совместно с Техническим университетом Клуж-Напока (Румыния). Смотрите схему внизу. К привычному кривошипно-шатунному механизму добавлен планетарный механизм. На шестерне сателлита имеется эксцентрик, который играет роль шатунной шейки. Именно на него передаёт усилие от поршня шатун.
Передаточное отношение подобрано так, что у поршня в этом моторе оказывается сразу две верхние мёртвые точки и две нижние мёртвые точки, отличающиеся на сантиметр с лишним по высоте. Между ними он передвигается по замысловатой схеме, что позволяет организовать газообмен двояко: и через верхние клапаны (как в четырёхтактном ДВС) и через продувочные окна в нижней части цилиндра (как в двухтактном ДВС). Но как это работает?
Первыми идут “Впуск-сжатие-рабочий ход”. Между третьим и четвёртым тактами, в «нижней-нижней мёртвой точке» поршень открывает продувочные отверстия, воздух в цилиндре обновляется. Потом идут ещё три такта. “Второе сжатие, второй рабочий ход, выхлоп”.
Можно увидеть, что при впуске поршень не опускается до самого конца и продувочные окна не задействуются. Потом поршень идёт в “верхнюю верхнюю мёртвую точку” (большая степень сжатия). Далее при рабочем ходе — в “нижнюю нижнюю” (открывается продувка). При втором сжатии газовой смеси снова в “верхнюю верхнюю”. При сжигании этой смеси и втором рабочем ходе уже в “верхнюю нижнюю”, и при выпуске — в “нижнюю верхнюю”. И кольцо замыкается.
На шесть тактов (три оборота вала) тут два рабочих. Фактически авторы схемы пытаются выжать максимум из имеющейся порции горючего за счёт дополнительного рабочего хода. Но важно, что продувка добавляет кислорода в цилиндр после первых трёх тактов, что позволяет полнее сжечь всё, что можно. Разработчики правда ничего не сказали насчёт прототипа — пока это просто опубликованный патент.
А что такое мотор пятитактный? Тут всё проще. В многоцилиндровом моторе используется обычная четырёхтактная схема Отто как основа, но у каждой пары соседних “основных” цилиндров есть ещё один общий цилиндр низкого давления, куда они попеременно направляют выхлопные газы по перепускным каналам.
В этом цилиндре происходит дополнительное расширение выхлопных газов, словно в паровой компаунд-машине с двойным расширением. За два оборота коленвала в двух главных цилиндрах совершается по одному рабочему ходу, а в дополнительном — ещё два. Итого — четыре рабочих хода на два оборота. Тактов же пять, так как совмещённые выпуск в основном цилиндре и рабочий ход в дополнительном считаются за один. (Есть кстати тут явное родство с так называемыми моторами с разделённым циклом).
Экспериментальный прообраз пятитактника от Ilmor выдал 130 сил при рабочем объёме 0,7 л. Кстати, мотор был ещё и турбированным (газы шли в турбину из среднего цилиндра низкого давления). А позднее ещё в Польше построили прототип пятитактного ДВС, в котором ещё и впрыскивали воду в этот самый дополнительный цилиндр, чтобы получить больше мощности от того же количества топлива. Но, очевидно, недостатки конструкции перевесили — повышенная сложность, повышенное трение. Да и работал дополнительный цилиндр хорошо только под полным газом, а на малых нагрузках был лишь обузой.
Ещё легче представить работу восьмитактного двигателя. По сути и конструкции это простой четырёхтактный мотор, но в нём чередуются четыре обычных такта (“впуск топливовоздушной смеси-сжатие-рабочий ход-выпуск”) и четыре такта, при которых горючее не подаётся (“впуск воздуха-сжатие-расширение-выпуск”). В тактах с пятого по восьмой воздух отнимает тепло у стенок цилиндра и камеры сгорания, расширяется, немного добавляя тяги за счёт этого, и позволяет полнее утилизировать тепло от сгорания топлива, которое “улетало” бы через рубашку системы охлаждения.
Простую восьмитактную схему можно улучшить за счёт впрыска воды. Как в патенте неких Сонов. В таком моторе выхлопные газы после четвёртого такта рециркулируются, сжимаются повторно, в них подаётся вода, которая за счёт тепла эти газов испаряется, придавая дополнительный толчок поршню. Ну а дальше уже идёт обычный выхлоп. На схеме выше можно заметить, что распредвалов в головке три. Крайние отвечают за впуск и выпуск, а средний — за впрыск воды во время второй половины восьмитактного цикла. Сложность мотора возрастает, однако, в теории он мог бы лучше использовать горючее, так как меньше бы терял тепла в рубашке охлаждения и с уходящими выхлопными газами.
В наше время инженеры и из обычных четырёхтактных ДВС выжимают все соки, показывая чудеса эффективности. Так что, вероятно, рассмотренные выше конструкции не дают столь существенной экономии, что была бы оправдана ростом сложности. И всё же такое разнообразие идей радует.