Помню, как в школе мы изучали предмет «Трактор». Да-да, в советское время это была обязательная программа: мальчиков гоняли на учебно-производственные комбинаты (УПК) и вдалбливали в головы устройство колёсных и гусеничных машин, а девочек учили обращению с доильными аппаратами. Сейчас это кажется дикостью, но тогда считалось, что так мы проникнемся любовью к сельскому хозяйству и навсегда останемся в совхозе, а не сбежим в город. В городах, кстати, мальчики ходили на заводы, а девочек учили делопроизводству и печати на машинке. Вот такая была профориентация.
Первый шок: Поршни не обязаны быть врагами
На тех уроках я вынес одно железобетонное правило: в любом двигателе внутреннего сгорания поршни должны работать в противофазе. То есть когда один поршень находится в верхней мёртвой точке, второй — обязательно в нижней. Это считалось аксиомой, как закон Ньютона. Никто нам тогда не рассказывал про цикл Отто, про четырёхтактные циклы, про эпонимические названия. Просто сухая инструкция: так должно быть, и точка. И я в это свято верил.
Прошло десятилетие, другое, и вдруг я узнаю, что всё это время меня учили не совсем правильно. Оказывается, существуют двигатели, где поршни работают совсем иначе. Например, легендарный двигатель Скудери. В нём второй поршень отстаёт от первого всего лишь на несколько градусов, а сам мотор при этом считается невероятно эффективным и сбалансированным. Можете представить моё удивление? Это как если бы вас всю жизнь учили, что Земля плоская, а потом оказалось, что она круглая.
Как работает эта магия: Раздельный цикл и двойная жизнь цилиндров
Двигатели такого типа называются двигателями с раздельным циклом. Звучит сложно, но на самом деле логика простая. Представьте себе спаренные цилиндры: один выполняет функции компрессора — он отвечает за впуск и сжатие топливно-воздушной смеси. Второй цилиндр — рабочий, там происходит сгорание смеси и выпуск отработанных газов. Классика жанра. Но есть нюанс: количество цилиндров может быть разным, но всегда чётным. Они работают попарно, и каждый делает свою чётко определённую работу.
Как это выглядит на практике? Сжатый воздух из компрессионного цилиндра через специальный перепускной канал поступает в рабочий цилиндр. Затем туда впрыскивается топливо, оно воспламеняется, и поршень начинает рабочий ход. В этот момент компрессионный цилиндр уже готовит новую порцию смеси. Гениальность схемы в том, что она устраняет главный недостаток старых конструкций двигателей с разделенным циклом — потерю тепловой эффективности. В новом варианте тепло остаётся внутри системы и работает на нас.
Теперь вспомним уроки трактороведения. В обычном четырёхтактном двигателе на один рабочий ход требуется два оборота коленчатого вала. Воспламенение происходит через один оборот. А в двигателе Скудери — при каждом обороте! Это кардинально меняет всю динамику работы мотора.
Эффективность, экология и воздушные гибриды
Благодаря такой конструкции двигатель Скудери значительно превосходит обычные четырёхтактные моторы по эффективности выбросов. Мало того, его можно использовать в составе воздушной гибридной системы. Звучит как научная фантастика, но это правда: энергия торможения накапливается в виде сжатого воздуха. Впуск и сжатие происходят в холодном цилиндре, что гарантирует максимальную плотность заряда, а сгорание и выхлоп — в горячем, что улучшает воспламенение. Разница температур работает на эффективность. Технология даёт до 20% экономии топлива по сравнению с традиционными ДВС. Учёные, которые этим занимаются, всерьёз надеются довести этот показатель до 50%. Представляете, если бы такие моторы стояли на наших автомобилях, сколько бы мы экономили на бензине?
Почему же мы не ездим на Скудери? Подводные камни
При всех своих достоинствах двигатель Скудери не лишён недостатков. Во-первых, ему требуется дополнительный клапан на каждую пару цилиндров, что усложняет конструкцию. Во-вторых, исторически сложилось так, что предпочтение отдавалось стандартной схеме Отто. И причина не в лени, а в экономике. Прецизионная обработка деталей для двигателя с раздельным циклом обходится настолько дорого, что экономия на топливе за весь срок службы мотора её не окупает. Производителям проще и дешевле штамповать традиционные моторы.
К тому же, преподаватель в советской школе физически не мог рассказать нам про двигатель Скудери. Первый рабочий образец американец Кармело Дж. Скудери представил публике только в 2009 году. А в 2013 году разразился грандиозный скандал: на компанию Scuderi Group наложили штраф в 100 000 долларов за махинации с деньгами инвесторов. Якобы средства тратились не по назначению. А потом и Hino Motors, дочка Тойоты, подала иск, обвинив Скудери в нарушении договора. Всплыли детали о многомиллионных выплатах членам семьи, которые никак не соотносились с реальными доходами компании. В сухом остатке получалась финансовая пирамида. Но сам двигатель к этим дрязгам отношения уже не имел.
Наследие и последователи: Paut Motor и другие
Несмотря на скандалы, идея оказалась живучей. Хорватская фирма Paut Motor взяла принцип разделённого цикла за основу и построила несколько опытных образцов двухтактных агрегатов для рабочего объёма в семь литров. Габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались почти вдвое меньше, чем у традиционных ДВС. Отдачу прототипов так и не замерили, а проект заглох в 2011 году. Но это не значит, что идея мертва. Принцип, заложенный Скудери, может быть востребован в будущем, когда технологии обработки станут дешевле.
К сожалению, найти фото самого изобретателя мне не удалось. Но его биография достойна уважения. Кармело Дж. Скудери родился 13 апреля 1925 года, всю жизнь прожил в Спрингфилде, штат Массачусетс. В 1942 году окончил Спрингфилдскую техническую школу, во время Второй мировой служил морским пехотинцем и участвовал в высадке в Нормандии. После войны с отличием окончил Массачусетский университет по специальности «инженер-механик» и более 40 лет занимался практическими разработками. Он консультировал ВМС и ВВС США, работал в Raytheon, Avco Lycoming, Hughes Aircraft. Проектировал системы тестирования компонентов летательных аппаратов, создавал военные пожарные машины, разрабатывал симуляционное оборудование для торпедных систем. У него были патенты на безмасляные компрессоры с хладагентом, которые сегодня используются в холодильном оборудовании по всему миру. А его последним и самым значительным достижением стала технология двухфазного внутреннего сгорания — тот самый двигатель, о котором мы говорим.
