← О тактах и смеси | ← Рабочий ход
Последний из четырёх тактов кажется самым простым: поршень движется из НМТ в ВМТ, выталкивая отработавшие газы и освобождая цилиндр для следующего цикла. Но есть две сложности
Первая сложность
Выпускной клапан начинает открываться ещё до достижения НМТ. Остаточное давление отработавших газов выбрасывает их в выпускной патрубок с высокой скоростью. Чем свободнее газы покидают цилиндр, тем меньше давления остаётся — а значит, тем меньше работы приходится совершать поднимающемуся поршню, чтобы вытолкнуть остаток. Именно поэтому выпускной канал должен иметь минимальное аэродинамическое сопротивление. Плохо спроектированный канал вынуждает двигатель тратить энергию коленвала на преодоление собственного сопротивления.
Примерно половина тепла, которое получает головка цилиндра, поступает через выпускной канал — условия для теплообмена там идеальные: сверхвысокая температура и огромная скорость потока. Поэтому площадь поверхности выпускного канала следует сводить к практическому минимуму: он должен быть коротким, узким и прямым.
Вторая сложность
Когда поршень достигает ВМТ в конце такта выпуска, камера сгорания над ним всё ещё заполнена остаточными газами. Если они не покинут цилиндр, то разбавят свежую топливовоздушную смесь, уменьшая эффективный объём её поступления.
Насколько велик этот остаточный объём? В современном двигателе со степенью сжатия 13:1 он невелик — чуть более 8% объёма цилиндра. Однако чем ниже степень сжатия, тем больше объём камеры сгорания над поршнем в ВМТ. В Ford Model T 1913 года при степени сжатия 4,5 этот показатель достигал почти 29%! А если вы по выходным выезжаете на классическом Triumph или BSA 650 1960-х со степенью сжатия 8:1, разбавление свежего заряда у вас составит 14%.
Перекрытие клапанов
Существует способ решить эту проблему — перекрытие клапанов. Оно было открыто ещё до Первой мировой войны на знаменитом британском автодроме Брукландс мотогоночными механиками, перепробовавшими всё, что только приходило в голову. Они обнаружили: если выпускной клапан не до конца закрыт в ВМТ при завершении такта выпуска, а впускной уже слегка приоткрыт, двигатель заметно прибавляет в оборотах.
Это состояние — перекрытие клапанов, когда оба клапана одновременно открыты в течение некоторого периода вблизи ВМТ — позволяло разрежению в выпускной трубе «втягивать» свежую смесь в цилиндр и через почти закрытый выпускной клапан вымывать остаточные газы, заменяя их свежим зарядом.
Перекрытие клапанов измеряется в градусах — от начала подъёма впускного клапана до ВМТ до момента закрытия выпускного клапана после ВМТ. Со временем перекрытие клапанов превратилось в важный инструмент повышения мощности. На двухклапанных гоночных одноцилиндровых двигателях конца 1930-х годов углы перекрытия достигали 100°, а выпускные трубы подбирались такой длины, чтобы отражённая волна разрежения возвращалась к закрывающемуся выпускному клапану в нужный момент и выполняла двойную работу:
Поскольку при большом перекрытии часть свежей смеси может уходить в выпускную трубу — становясь выбросами несгоревших углеводородов, — сегодня углы перекрытия под давлением экологических норм сводятся к минимуму. На Ducati Diavel перекрытие составляет всего 11°, ровно как на Ямахе 82-го года с YICS на картинке в первой статье этого цикла, а на супербайке V4 Panigale — 26°. В современных конструкциях потери от уменьшения перекрытия частично компенсируются увеличением подъёма клапанов.
С закрытием выпускного клапана чуть после ВМТ такт выпуска формально завершается. Однако следующий цикл — такт впуска — уже начался: впускной клапан приоткрылся ещё до достижения ВМТ.
За пределами классического цикла
До сих пор мы говорили о четырёхтактных двигателях как о чём-то само собой разумеющемся. Но инженерная мысль никогда не останавливалась на достигнутом, и за последние полтора века было предпринято немало попыток выйти за рамки привычной схемы.
Шесть тактов
Самое разработанное направление. Несколько независимых изобретателей — в разное время и в разных странах — пришли к одной и той же идее: а что если использовать остаточное тепло выхлопных газов для совершения дополнительной работы? После обычных четырёх тактов в цилиндр впрыскивается вода, которая мгновенно испаряется от раскалённых стенок камеры сгорания и совершает ещё один расширительный ход — пятый и шестой такты. Двигатель одновременно охлаждается изнутри и извлекает энергию из тепла, которое иначе просто ушло бы в атмосферу.
Американский инженер Брюс Крауэр предложил такую схему в 2004 году — независимо от схожих разработок индийской компании Velozeta и бельгийца Брантса, работавших над той же идеей. Концепция красивая: топливо плюс вода вместо просто топлива, дополнительный КПД за счёт утилизации теплоты выхлопа. На практике — сложность конструкции и проблемы с надёжностью так и не позволили этим двигателям выйти за рамки прототипов.
Три такта
Формально трёхтактный двигатель невозможен: термодинамический цикл требует чётного числа тактов, поскольку каждый процесс логически парный. Тем не менее американский изобретатель Роджер Якобс в 2000-х годах запатентовал схему, в которой между двумя обычными цилиндрами добавляется третий — зарядный. Он не совершает рабочего хода, а лишь предварительно сжимает смесь и передаёт её в рабочий цилиндр. По сути это хитро организованный двухтакт с внешним наддувом — но идея рабочего хода каждые полтора оборота коленвала вместо двух теоретически привлекательна. До серийного производства дело так и не дошло.
Роторный двигатель
Это особый случай — и, пожалуй, самая радикальная и при этом практически состоявшаяся альтернатива поршневой схеме. Немецкий инженер Феликс Ванкель создал его в 1950-х годах, и именно Mazda довела конструкцию до серийных автомобилей и гоночных побед — включая знаменитую победу на Ле-Мане 1991 года с прототипом 787B.
Формально двигатель Ванкеля четырёхтактный: все четыре процесса присутствуют. Но реализованы они принципиально иначе. Вместо поршня, движущегося возвратно-поступательно, в камере эпитрохоидной формы вращается трёхгранный ротор. Каждая из трёх граней последовательно проходит все четыре фазы цикла — впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск, — и поскольку граней три, за один оборот ротора совершается три рабочих хода. Отсюда исключительная компактность и плавность работы: никаких возвратно-поступательных масс, никакой вибрации.
Но у этой элегантной схемы есть своя ахиллесова пята. Камера сгорания имеет длинную, вытянутую форму — полную противоположность компактной сферической камере современного поршневого двигателя. Всё, о чём мы говорили выше — турбулентность, тумблинг, сквиш, быстрое сгорание, — в такой геометрии реализовать крайне сложно. Результат предсказуем: медленное и неполное сгорание, высокий расход топлива, повышенные выбросы несгоревших углеводородов. Добавьте к этому хроническую проблему износа уплотнений вершин ротора — и станет ясно, почему двигатель Ванкеля так и не вытеснил поршневую схему, несмотря на все свои достоинства.
Тем не менее история на этом не заканчивается. В 2023 году Mazda вернула роторный двигатель — но уже в принципиально иной роли: в гибридном MX-30 R-EV он работает как генератор, а не как тяговый мотор. В этом качестве он работает в узком диапазоне оборотов, где его слабые стороны минимальны, а компактность и плавность — в цене. Роторные двигатели малых размеров по тем же соображениям всё шире применяются в беспилотниках.
Мораль проста: классический четырёхтактный цикл держится на вершине не по инерции, а потому что за сто с лишним лет инженерной работы он был доведён до очень высокого уровня совершенства. Любой альтернативной схеме приходится соревноваться не с двигателем образца 1900 года, а с тем, что вы можете купить сегодня.
