Сложно найти механизм, который инженеры критиковали бы столь же часто, как классический поршневой двигатель внутреннего сгорания. За более чем столетие существования он успел прославиться шумностью, сложной конструкцией, вибрациями и большим количеством уязвимых узлов. Тем не менее заменить его полноценно так и не удалось.
За десятилетия предпринимались самые разные попытки отказаться от традиционной схемы. В автомобильной отрасли испытывали газотурбинные установки, активно экспериментировали с роторно-поршневыми моторами Феликса Ванкеля, а позже начали продвигать электродвигатели. Однако в середине XX века серьёзные надежды связывали ещё с одной необычной концепцией — свободно-поршневым двигателем внутреннего сгорания.
На первый взгляд такой агрегат напоминал обычный ДВС: цилиндры и поршни здесь тоже двигались вверх и вниз. Но ключевое отличие заключалось в отсутствии шатунов и коленчатого вала. Именно это делало конструкцию настолько необычной.
Принцип работы выглядел следующим образом:
- в цилиндре происходило сжатие смеси
- затем внутрь впрыскивалось топливо и происходило воспламенение
- расширяющиеся газы отталкивали поршень
- достигнув верхней точки, поршень получал обратный импульс от буферного устройства
- после этого за счёт инерции он выталкивал раскалённые газы в выпускной тракт
Далее цикл повторялся снова. При этом полезную работу фактически выполняли выхлопные газы — они раскручивали газовую турбину.
К свободно-поршневым двигателям проявляли интерес не только в США. Подобные разработки изучали многие европейские производители. Первой практического результата добилась немецкая фирма Junkers. Во время Второй мировой войны компания создала свободно-поршневой генератор для подводных лодок. Благодаря тихой работе и хорошей экономичности такая установка подходила для зарядки аккумуляторов субмарин значительно лучше ряда традиционных решений.
После войны собственную версию подобных генераторов начала выпускать французская фирма SIGMA. Их использовали на локомотивах, а также в стационарных энергетических установках.
Американская «Детройтская тройка» тоже не осталась в стороне. Эксперименты проводили все три крупнейших автопроизводителя:
- Chrysler
- Ford
- General Motors
При этом проекты Chrysler и Ford почти полностью остались в тени. О них известно крайне мало. А вот General Motors, напротив, регулярно рассказывала публике о ходе работ, не скрывая ни успехов, ни возникавших трудностей.
В 1956 году компания представила экспериментальный автомобиль XP-500. Концепт получил специально разработанный свободно-поршневой двигатель. Конструкция состояла из двух цилиндров и четырёх поршней — по два на каждый цилиндр. После воспламенения топлива поршни расходились в противоположные стороны, благодаря чему двигатель получался практически идеально сбалансированным и почти не создавал вибраций.
Для синхронной работы поршней инженерам пришлось использовать отдельный механический балансирующий механизм.
У необычного мотора были и другие преимущества. Среди них:
- высокий КПД
- низкий уровень шума
- способность работать на различных типах топлива
- возможность использования даже крайне нестандартного горючего, включая китовый жир
Однако именно отказ от коленчатого вала впоследствии стал источником серьёзных проблем. Инженеры стремились избавиться от этого узла, считая его сложным и ненадёжным, но вскоре выяснилось, что без него трудно организовать работу вспомогательных систем.
Возник вопрос, откуда брать энергию для:
- усилителя рулевого управления
- тормозной системы
- топливного насоса
- генератора
- насоса охлаждения
Часть агрегатов в итоге подключили к валу турбины, другие — к механизму синхронизации поршней. Но полностью проблему это не решило.
Дополнительные трудности появились при запуске двигателя. Поскольку маховика у конструкции тоже не было, использовать обычный электростартер оказалось невозможно. Тогда инженеры попробовали запускать мотор сжатым воздухом: его подавали в камеру сгорания, чтобы в первых циклах раздвинуть поршни.
Работы над проектом продолжались около трёх лет. К финалу программы разработчикам всё же удалось добиться относительно приемлемой надёжности. Установка обеспечивала примерно 90% безотказной работы в течение 4500 часов эксплуатации. Но цена такого результата оказалась слишком высокой.
Парадоксально, однако двигатель, который задумывался как более простая альтернатива классическому ДВС, постепенно сам превратился в сложную систему с большим количеством вспомогательных решений. В итоге General Motors отказалась от проекта и вернулась к традиционной конструкции двигателя внутреннего сгорания.
Похожая судьба позже постигла и другие альтернативные схемы. Газовая турбина так и не получила широкого распространения в легковых автомобилях, а роторно-поршневые двигатели почти исчезли из индустрии. Лишь Mazda продолжает последовательно работать с этой концепцией.
Читайте ещё материалы:
- Toyota RAV4: случайная революция 1994 года
- Что взять за 500 тысяч рублей: надёжные авто с пробегом
- Полугусеничный ЗИС-42 и его фронтовая судьба