Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Глава 1. Медленно — не всегда плохо
Четырёхтактный мотор первого серийного “практического” автомобиля с ДВС, Benz Patent-Motorwagen 1885 года, обладал одним цилиндром с рабочим объёмом 954 см3, а свою номинальную мощность (0,68 л.с.) развивал при 250 об/мин. В современных ДВС только холостой ход — это 550-950 об/мин, а про рабочие обороты и “красную зону” мы пока не говорим. Но понятно, что там величины выше на порядок. Может показаться, что дальнейшее развитие техники всегда шло по пути наращивания скорости вращения коленчатого (или иного) вала, что ассоциируется с прогрессом. Но это верно только отчасти.
Можно припомнить массу примеров, когда частота вращения вала намеренно сделана низкой (в том числе обороты максимальной мощности и максимального крутящего момента). Дизели на магистральных тягачах и строительной технике, поршневые авиационные моторы и танковые, судовые дизели. Гусеницам, воздушным и гребным винтам высокие обороты не нужны. И чем более высокооборотный двигатель установлен, тем более сложная, тяжёлая и громоздкая получится трансмиссия. Понадобятся редукторы с большими передаточными числами и несколькими ступенями. А это лишние потери.
Среди судовых двигателей мы находим самый тихоходный из современных. Он же самый крупный ДВС в мире — Wärtsilä RT-flex96C. Четырнадцать цилиндров в ряд, турбонаддув, два такта, рабочий объём — 25 333 л, мощность — около 109 тысяч “лошадей” при всего 102 об/мин, а максимальный крутящий момент — около восьми миллионов ньютон-метров. Красная зона тахометра — 120 об/мин. Как и в случае с дизелями на грузовиках, низкие обороты при огромном крутящем моменте не только лучше подходят для применения в своей области, но и способствуют гигантскому пробегу без капремонта. Судовой монстр должен уметь неделями работать без остановки и огибать земной шар не по одному разу много лет подряд.
Глава 2. Какой ДВС мог работать на нуле оборотов?
Судовой дизель Wärtsilä из предыдущей главы на холостом ходу крутится всего при 15 оборотах в минуту. Может показаться, что медленнее и представить нельзя. Вспомните, когда у автомобилей был ещё “кривой стартёр” (заводная рукоятка), мотор “схватывал” лишь при резком его повороте, то есть приблизительно при одном обороте за секунду. А это эквивалент 60 об/мин. Потом запустившийся движок выходил на обычные холостые. И всё же есть в истории техники пример круче — ноль оборотов на холостом ходу.
Если оборотов нет, то и двигатель не движется вовсе? Не всегда. Некоторые поршневые ДВС вполне себе могли работать на холостом ходу при нуле об/мин. На такой фокус способны полудизели, они же нефтяные двигатели, они же калоризаторные двигатели (изобретение англичанина Герберта Акройда-Стюарта). Появились они в конце XIX века и массово выпускались примерно до середины 1950-х. Нефтяными их прозвали, так как они работали практически на любом жидком топливе, на сырой нефти в том числе. А полудизелями, поскольку их цикл напоминает немного дизельный.
В отличие от дизеля, где высокая температура, необходимая для поджигания топливо-воздушной смеси, достигается высокой степенью сжатия, в нефтяном моторе воспламенением заведует калильная головка — небольшая камера, соединённая с цилиндром узкими каналами. Перед пуском двигателя эту головку следовало разогреть снаружи любым доступным источником огня, чаще всего — паяльной лампой.
После выхода мотора на устойчивые обороты, стенки головки оставались горячими уже из-за сжигания топлива в самом моторе. При этом впрыск горючего не приводил к немедленному воспламенению, ведь внутри головки после завершения предыдущего рабочего хода почти не оставалось кислорода. Лишь при движении поршня вверх, в неё попадал свежий воздух из цилиндра, и тут пары горючего загорались.
Ярким представителем этой породы был немецкий трактор Lanz Bulldog (1934–1955) от компании Heinrich Lanz, применявшийся и в сельском хозяйстве, и промышленности, и армии. Фактически Bulldog — это десятки родственных моделей тракторов, отличавшихся шасси (колёса или гусеницы), наличием и отсутствием кабины, рядом деталей мотора. У последнего был всего один цилиндр, расположенный горизонтально. Рабочий объём — 10,3 литра. Степень сжатия всего 5:1. Мощность в разных вариантах от 15 до 55 л.с. при 630-650 об/мин. Давление в топливном насосе — всего 80 бар (сравните с давлением в ТНВД у настоящего дизеля).
В передней части такого двигателя выступала калильная головка, которую нагревали открытым огнём перед запуском. Раскручивали мотор руками: крупный маховик виднелся снаружи. На некоторых версиях для удобства старта к маховику присоединяли снимавшееся рулевое колесо. А в поздних моделях появился электрический стартёр в виде опции. Хотя это было усложнение — приходилось ставить аккумулятор.
Любили Bulldog и его мотор за простоту (тут мало чему было ломаться). К тому же, этот двигатель одинаково работал при любом направлении вращения коленвала. На некоторых Бульдогах в коробке даже не было задней передачи. Чтобы ехать назад, мотор останавливали и вручную закручивали в обратную сторону. Но это было и недостатком — на низких оборотах вблизи холостого хода и малой нагрузке двигатель мог самопроизвольно сменить направление вращения (момент поджига смеси плавал), чем досаждал трактористам.
Более того, при некоторой сноровке можно было добиться ситуации, когда при ходе к ВМТ поршень до конца не добирался и отскакивал обратно, далее он проходил нижнюю мёртвую точку, снова шёл к ВМТ уже с другой стороны, сжимал свежую порцию воздуха, поданное форсункой топливо воспламенялось до прихода поршня в ВМТ и он снова сразу же шёл вниз. Так коленвал и скакал вправо-влево, не совершая ни одного полного оборота. Вот вам и работающий при нуле оборотов ДВС. Конечно, такое поведение штатным не считалось. Но всё же, какой ещё агрегат мог бы такое провернуть?
Глава 3. Быстрые поршни
К слову, о холостом ходе. У моторов Формулы-1 он составляет 3000-5000 об/мин! Максимальные же рабочие обороты таких движков в разные эпохи отличались, как из-за технических возможностей, так и из-за спортивного регламента (в некоторые сезоны вводились ограничения на максимальные обороты, потом отменялись). Современные агрегаты способны раскручиваться до 20 000 об/мин, хотя обычно в гонке используются более низкие обороты — до 12 000-15 000 (например, в стремлении экономить ограниченное по запасу топливо).
Но даже так форсировки формульных моторов впечатляют. Сейчас это агрегаты V6 1.6 с гибридной добавкой. Только один ДВС тут развивает порядка 860 сил, а вместе с электромотором — более 1000. По современному регламенту эти двигатели потребляют бензин с 10-процентной добавкой этанола (смесь E10). Это позволяет использовать максимальную регламентированную степень сжатия 18:1.
Необходимость в хорошем газообмене и малое время, отведённое на полное сгорание топлива, возвратно-поступательное движение поршней и работа газораспределительного механизма, испытывающего высокие нагрузки — это ключевые моменты, ограничивающие рабочие обороты поршневых ДВС. Кстати, в Формуле-1 моторы используют пневматические пружины для клапанов, они лучше справляются с их закрытием при высоких оборотах.
Ещё о клапанах. В традиционном газораспределительном механизме кулачки распредвала только открывают клапаны, а закрывают их пружины. И при чрезмерно высокой скорости вращения распредвала клапан может начать отставать от кулачка, так как будет не успевать закрыться в силу высокой инерции. Радикальное решение этой проблемы — десмодромный механизм. В нём распредвал отвечает и за открытие клапанов, и за их закрытие. Для чего применены коромысла, двигающие клапаны в обоих направлениях.
Десмодромный механизм был придуман на заре автомобилизации и применялся как на мотоциклах, так и автомобилях (некоторых гоночных Мерседесах, например). При всех плюсах у него есть минусы — нужна очень высокая точность изготовления деталей, а износ у них большой и срок службы невелик. Сейчас десмодромный привод клапанов серийно использует в своих моделях итальянская компания Ducati.
Но нужно отметить, что двигатели мотоциклов вообще часто оказываются более высокооборотными, в сравнении с автомобилями. Это верно как в отношении четырёх-, так и двухтактных моторов, как с десмодромным приводом клапанов, так и с простым. Для мотоциклов нормальны ДВС с рабочими оборотами 10 000 -13 000 об/мин, которые выглядели бы экзотикой в дорожных автомобилях. А крохотные 50-кубовые двухтактники теоретически могут разгоняться до 15 000 об/мин, хотя чаще не делают этого по соображениям износа.
Чем меньше мотор, тем проще его заставить работать на больших оборотах. Чистая физика. Меньше размеры — меньше скорость поршня при одной и той же частоте вращения. А поршню нужно на пути от НМТ до ВМТ разогнаться и снова остановиться, чтобы сменить направление движения. Это большое ускорение, значит и большая наргузка на детали. Не случайно в гоночных или тюнинговых двигателях применяют в цилиндро-поршневой группе титан или кованую сталь. Неудивительно, что ДВС для моделизма (авто- и авиа) охотнее крутятся до больших оборотов.
Самые крохотные одноцилиндровые двухтактные калильные моторчики для моделизма могут раскручиваться до скорости, превышающей 50 000 об/мин, хотя чаще используются рабочие диапазоны от 10 000 до 45 000 об/мин! И тут мы переходим любопытную границу — самые быстро вращающиеся естественные объекты во Вселенной, это пульсары (нейтронные звезды). Подтверждённый рекордсмен — PSR J1748−2446ad — делает 716 оборотов вокруг собственной оси в секунду, или 42 960 об/мин. Есть ещё XTE J1739−285 с частотой вращения 1122 оборота в секунду, но у последней звезды параметры ещё надёжно не подтверждены.
Сложно сравнивать моторчик, помещающийся на ладони, и нейтронную звезду с диаметром километров в двадцать и массой порядка полутора солнечных. А вот обороты у них одинаковые. Но там, где природа останавливается, человеческая изобретательность идёт вперёд.
Глава 4. Моторы Ванкеля
Роторно-поршневые двигатели Ванкеля потенциально куда лучше раскручиваются — нет возвратно-поступательного движения поршней, нет клапанов. Скажем, на Мазде RX-8 двухсекционный атмосферный “ванкель” 13B-MSP Renesis (1,3 л) в последней версии выдавал 235 сил при 8500 об/мин. А четырёхсекционный мотор R26B (2,6 л, 700+ сил) на спортпрототипе Mazda 787B раскручивался до ограничителя на 9000 об/мин. В сети можно найти упоминания о попытках раскрутить маздовские роторные движки выше 10 000 об/мин, однако, это не штатная их работа.
Куда интереснее дело обстоит с крохотными моторами Ванкеля, предназначенными для авто- и авиамоделизма. Тут действует тот же принцип, что и с обычными поршневыми арегатами — меньше размер, меньше действующие на детали силы. Так что эти крохи спорят с моторами Формулы-1 по скорости вращения вала.
Занятно, что исследователи экспериментируют со столь небольшими моторами Ванкеля, которые кажутся лишёнными практической пользы. Однако, подобные устройства могут играть роль микро-генераторов электричества в миниатюрных роботах или питать небольшую электронику в неких удалённых от цивилизации установках, скажем, портативных метеостанциях.
Такие опыты проводят различные институты и лаборатории в Японии и США. Так Калифорнийский университет в Беркли лет двадцать назад построил три моторчика Ванкеля с диаметром ротора в 12,9; 2,4 и 1 миллиметр. Рабочий объём у них составлял 348; 1,2 и 0,08 мм3. У “ванкеля” с 13-миллиметровым ротором мощность равнялась четырём ваттам при 9300 об/мин. Собрат с ротором в 2,4 мм развивал примерно 0,1 ватта.
Глава 5. Газотурбинные двигатели
Мир газовых турбин разделяется на несколько семейств и видов установок, но можно выделить две основные группы: турбореактивные двигатели, основная задача которых — создавать реактивную тягу, и турбовальные, задача которых вращать выходной вал. Последний может приводить в движение что угодно — электрический генератор, гусеницы танка, гребной винт на судах, несущий винт вертолёта или колёса автомобиля, или локомотива. Турбовинтовые авиационные моторы находятся на стыке этих групп, основную тягу там даёт воздушный винт, но процентов десять обеспечивает реактивный выхлоп.
Схема тут нам нужна вот почему: когда мы говорим об оборотах турбореактивного мотора, нужно выделять скорость вращения роторов низкого давления и высокого. Первое вы можете увидеть, наблюдая за двигателем спереди — крупный вентилятор на входе вращается именно с частотой ротора низкого давления. И у большинства авиационных реактивных двигателей эта частота — от 2200 до 4500 об/мин при максимальной тяге. А вот ротор высокого давления разгоняется быстрее. Его максимальные обороты — от 10 000 до 30 000 об/мин, в зависимости от модели двигателя.
И тут, как и с поршневыми ДВС, действует правило — самые быстрые двигатели — это самые маленькие. Меньше диаметр турбин, ниже линейная скорость концов их лопаток, значит, можно наращивать обороты. Потому тут в рекордсменах не полноразмерные реактивные моторы, а микротурбины, предназначенные для авиамоделизма. Те из них, что чуть покрупнее (с максимальной тягой 130-500 Н) работают с максимальной частотой вращения турбины в 90 000 — 130 000 об/мин. А самые крохотные (с тягой всего в десятки ньютонов) разгоняются до 300 000 об/мин.
Если перейти к автомобилям, то на ум сразу приходит турбонаддув. Его максимальные обороты зависят от конкретной модели. На грузовиках турбины наддува крутятся медленнее, на легковых авто используются обороты побольше. У каких-нибудь гоночных и спортивных моделей турбокомпрессоры самые “прыткие”. Итог такой — максимум оборотов у разных турбонаддувов колеблется от 80 000 до 360 000 об/мин.
Однако, турбонаддув — не мотор, а только его компонент. Что насчёт газотурбинных двигателей в автомобилях? Концептов, прототипов и экспериментальных образцов с ГТД были созданы десятки — это были легковые, гоночные авто, грузовики и автобусы. А вот серийный пример в истории автопрома всего один — Chrysler Turbine Car, собранный в количестве 55 штук в 1963–1964 годах. Из них 50 экземпляров даже поступили на длительный потребительский тест.
Двигатель A-831 на этом Крайслере мог развивать максимальные обороты в 60 000 об/мин, при которых автомобиль достигал 193 км/ч. Так что по темпу вращения до турбореактивных этот турбовальный агрегат не дотягивал. Зато холостой ход у него был 18 000 — 22 000 об/мин, куда там Формуле.
А вот какие турбовальные двигатели затыкают всех за пояс, так это микро- и ультра-микротурбины, предназначенные для привода крохотных генераторов. Посмотрите на 10-килограммовый мобильный генератор на фото внизу. Выдаёт 8 кВт в нагрузку, потребляет керосин, дизтопливо или реактивное горючее Jet-A. Для сравнения, переносной бензиновый генератор мощностью лишь на 1 кВт с одноцилиндровым четырёхтактным ДВС будет иметь размеры примерно 40 х 40 х 25 см и вес в 14-15 кг! А 8-киловаттный генератор с обычным ДВС — это размеры примерно 85 х 60 х 60 см и вес 94-95 кг!
Университеты и компании давно экспериментируют с ультра-микротурбинами-генераторами. В диапазоне выходной мощности от десятков ватт до 5 кВт. Размеры таких устройств ещё меньше — на ладони помещаются. Тут особенно зажигает высшая техническая школа Цюриха (ETH Zurich). В 2006-м её учёные создали газотурбинный генератор, по размеру сопоставимый с коробком спичек, который выдавал мощность в 100 Вт при 500 000 об/мин!
Для сравнения: самая мощная газовая турбина для электростанций — Siemens Energy SGT-9000HL обладает отдачей до 593 МВт (в зависимости от модификации), но максимальные обороты у разных её версий составляют 3000-3600 об/мин.
С газовыми микротурбинами могут соревноваться разве что стоматологические бормашины. Их “дрель” приводится либо электромоторчиком, или от пневматической турбинки, питаемой сжатым воздухом. Типичные скорости вращения электрических моделей — от 20 000 до 200 000 об/мин, а вот пнематические развивают 250 000 — 420 000 об/мин.
Но можно крутиться ещё быстрее.
Глава 6. Электрика в деле
Снова ETH Zurich удивляет. В том же 2006-м исследователи разработали крохотный электродвигатель, который превысил миллион оборотов в минуту! Изготавливала его по чертежам швейцарцев немецкая компанией ATE. Ради такого достижения пришлось основательно подумать над статором из сверхтонких медных проводков, над ротором с титановой оболочкой, предотвращающей его разрыв, над шарикоподшипниками (тут помогла фирма myonic) и над силовой электроникой, выдающий высокочастотный ток.
Группа учёных, создавших этот электродвигатель, основала в 2008-м компанию Celeroton, которая разрабатывает и поставляет подобные изделия — крохотные высокооборотные электромоторы и миниатюрные турбокомпрессоры. В каталоге у них есть серийный моторчик CM-2-500 с рабочей частотой вращения 500 000 об/мин. Он развивает мощность 100 Вт, весит 36 граммов, его диаметр равен 22 мм, а длина — 29 мм.
Глава 7. Просто рекорд
Самый быстрый темп вращения объекта люди получали не в двигателях какого-либо типа, а в опытах с раскруткой микроскопических предметов. Таких экспериментов было выполнено множество и они помогали разобраться с некоторыми квантовыми эффектами. Ну а для понимания масштаба человеческой мысли — вот опыт, проведённый в Университете Пердью в 2020-м.
Учёные создали кремниевый ротор в виде гантели нанометрового размера (видимо, несколько нм), подвешенной в вакууме. На ротор было направлено два лазера с определёнными параметрами излучения. Один — для удержания наноротора в подвешенном состоянии, а второй, поляризованный, — для его раскрутки. Так удалось получить скорость вращения ротора более 300 миллиардов оборотов в минуту.
Поделись видео: